ES2203541T3

ES2203541T3 - Dispositivo y procedimiento para tratar agua con ozono generado mediante electrolisis del agua.

Info

Publication number: ES2203541T3
Application number: ES00984716T
Authority: ES
Inventors: Amir Salama
Original assignee: Ozomax Inc
Current assignee: Ozomax Inc
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: WO2001042144A3; PT1242312E; CA2328045A1; AP2002002526A0; US6180014B1; BR0016481A; JP4471551B2; DE60004268T2; IL149999A0; AU771550B2; IL149999A; OA12119A; WO2001042144A2; CN1407951A; DE60004268D1; AP1531A; MXPA02005737A; ATE246151T1; EP1242312A2; CA2328045C

Abstract

Dispositivo para purificar agua que contiene contaminantes mediante oxidación de dichos contaminantes para formar productos de oxidación y para la eliminación de dichos productos de oxidación, comprendiendo dicho dispositivo: (a) por lo menos un reactor (1), que comprende: - un recipiente (3); - por lo menos unos medios de entrada (25) para introducir el agua contaminada que será purificada en el recipiente; - por lo menos unos medios de salida (27) para recuperar el agua purificada del recipiente; - por lo menos un conducto (31) que se extiende centradamente, dentro del recipiente, el cual se elabora a partir de un material transparente a la luz UV; - una lámpara UV (36) montada dentro de dicho por lo menos un conducto, generando dicha lámpara UV radiación UV; - un primer electrodo (32) que se extiende cerca de, y que rodea a, dicho por lo menos un conducto; y - un segundo electrodo (35) que se extiende hacia fuera de, y que lo rodea, dicho primer electrodo; (b) una fuente de energía (5)conectada de forma operativa a dichos primer y segundo electrodos para generar entre istos una diferencia de potencial; y (c) medios (7, 9) para eliminar los productos de oxidación del agua.

Description

Dispositivo y procedimiento para tratar agua con ozono generado mediante electrólisis del agua.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para generar ozono in situ en agua para eliminar de la misma una gran variedad de contaminantes, en especial contaminantes orgánicos, además de bacterias y virus.

Descripción de la técnica anterior

En la técnica es bien conocida la utilización de ozono (O_{3}) como un desinfectante para efectuar la purificación de agua sin utilizar biocidas tales como cloro y otros compuestos químico. El ozono por lo general se prepara fuera del medio (agua) y a continuación se inyecta dentro del agua por medio de inyectores o mediante burbujeo en una columna de contacto. Esto hace que el procedimiento sea voluminoso y costoso debido a que implica el uso de varios dispositivos.

También es conocido en la técnica que el ozono se puede producir mediante electrólisis del agua. A título de ejemplo, las patentes US nº 5.270.177 y
nº 5.154.895 describen dispositivos para generar ozono mediante electrólisis. El ozono generado de esta manera se utiliza seguidamente para purificar el agua. La patente US nº 4.728.441 describe un dispositivo en el cual se produce ozono a partir de oxígeno generado mediante electrólisis. Sin embargo, el ozono generado de esta manera se recupera y utiliza fuera del dispositivo. Las patentes US nº 4.416.747, nº 5.205.994, 5.686.051, nº 5.203.972 y nº 5.779.865 describen dispositivos que utilizan un electrolito sólido para producir ozono. La patente US nº 3.623.970 describe un dispositivo para producir un flujo de ozono mediante electrólisis de agua y la conversión del oxígeno, que se produce de esta manera, en ozono.

También es conocido en la técnica que el ozono se puede producir mediante luz UV. A manera de ejemplo se puede hacer referencia a las patentes US
nº 4.189.363 (Beitzel) y nº 4.992.169 (Izumiya).

También es conocido que se puede incrementar la eficiencia de un aparato que utiliza luz UV para destruir microorganismos si se mezcla ozono con el agua que va a ser purificada. En este sentido, se puede hacer referencia a la patente US nº 5.266.215 (Engelhard).

La patente US nº 5.151.252 (Mass), describe un reactor fotoquímico para tratamiento de un fluido contaminado con componentes fotorreactivos. Esta patente describe que las paredes del reactor en la región del tratamiento se pueden revestir con un catalizador para incrementar la velocidad de reacciones secundarias que se presentan con los productos de reacción producidos por la reacción fotoquímica inicial.

Hasta donde el inventor sabe, ninguna de estas referencias de la técnica anterior conocidas por el mismo describe un dispositivo o un procedimiento en el cual se produzca un nivel elevado de ozono disuelto (O_{3}) y otras especies de oxígeno activo in situ para destruir contaminantes y microorganismos en una forma económica y que al mismo tiempo permita la separación de los subproductos no deseados de la electrólisis.

Sumario de la invención

La presente invención se basa en el descubrimiento de que se puede producir ozono in situ dentro de un flujo de agua por interacción entre el oxígeno producido mediante electrólisis y luz UV que tenga una longitud de onda de 189 nm. Dicha producción de ozono in situ elimina el uso de generadores de ozono y/o accesorios periféricos de inyección de ozono. El ozono producido de esta manera está en un estado muy soluble. Además, la invención prevé medios para evitar que el hidrógeno y otros cationes que se generan durante el funcionamiento vuelvan a entrar al flujo principal.

Por lo tanto, un primer objetivo de la invención es proveer un procedimiento eficiente y económico para el tratamiento de agua, en especial pero no en forma exclusiva agua potable, mediante oxidación de sus contaminantes con ozono producido in situ. Este procedimiento también permite aniquilar contaminantes vivos tales como bacterias y virus y al mismo tiempo permite separar los subproductos de electrólisis no deseados.

El procedimiento según la invención está diseñado para ser utilizado en la purificación de agua que contiene contaminantes mediante oxidación de los contaminantes para formar productos de oxidación y para eliminar estos productos de oxidación. Según la invención, este procedimiento se caracteriza porque el agua que contiene contaminantes se trata dentro de un recipiente en el cual se produce ozono in situ mediante irradiación UV sobre el oxígeno naciente producido mediante electrólisis.

Otro objetivo de la presente invención es proveer un dispositivo para efectuar el procedimiento mencionado anteriormente.

El dispositivo según la invención está diseñado para ser utilizado en la purificación de agua que contiene contaminantes mediante oxidación de dichos contaminantes para formar productos de oxidación y para la eliminación de los productos de oxidación formados de esta manera. El dispositivo comprende:

(a): por lo menos un reactor, que comprende:

-: un recipiente;

-: por lo menos unos medios de entrada para introducir el agua contaminada que está purificada en el recipiente;

-: por lo menos unos medios de salida para recuperar el agua purificada proveniente del recipiente;

-: por lo menos un conducto que se extiende de forma central dentro del recipiente, el cual se elabora a partir de un material transparente a la luz UV;

-: una lámpara UV montada dentro de dicho por lo menos un conducto, y dicha lámpara UV genera radiación UV;

-: un primer electrodo que se extiende cerca de, y que rodea a, dicho por lo menos un conducto;

-: un segundo electrodo que se extiende lejos de, y que rodea a, el primer electrodo;

(b): una fuente de energía conectada en forma operativa a dicho primer y segundo electrodos para generar entre éstos una diferencia de potencial, y

(c): medios para eliminar los productos de oxidación provenientes del agua.

Dicho dispositivo se caracteriza porque:

-: el primer electrodo consiste en una malla de alambre elaborada a partir de un material eléctricamente conducto y está conectado a la fuente de energía de tal manera que actúa como un ánodo;

-: un medio poroso que se extiende entre el ánodo y el cátodo, rodeando dicho medio poroso el ánodo y estando rodeado por dicho cátodo, y

-: el reactor también comprende otros medios de salida para recuperar desde el recipiente los iones catiónicos atraídos por el cátodo.

Durante el uso, el oxígeno se produce mediante electrólisis en el ánodo y se convierte in situ en ozono por la radiación UV generada por la lámpara UV de modo que el ozono generado reacciona con los contaminantes contenidos en el agua y los convierte en productos de oxidación, mientras que los cationes de metales pesados, Ca^{++} y Mg^{++} son atraídos por el cátodo.

Preferentemente, el conducto se elabora a partir de cuarzo y la lámpara UV se selecciona para que produzca ondas electromagnéticas a una longitud de onda de 189 nm.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se entenderá de forma más completa con la lectura de la siguiente descripción no limitativa de una realización preferida de la misma, haciendo referencia a los dibujos anexos.

La figura 1 es una vista en sección transversal longitudinal del reactor de un dispositivo de acuerdo con la realización preferida de la invención.

La figura 2 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea II-II del reactor mostrado en la figura 1.

Descripción de una realización preferida de la invención

El dispositivo de acuerdo con la realización preferida de la invención mostrada en las figuras anexas comprende básicamente un reactor 1 conectado en forma operativa a una fuente de energía de C.C. (Corriente Continua) 5 y los medios 7, 9 para eliminar los productos de oxidación que se forman dentro del reactor.

El reactor 1 consta de un recipiente 3 el cual puede ser de cualquier tamaño apropiado (es decir desde unos cuantos centímetros hasta varios metros). El recipiente 3 también puede tener cualquier configuración apropiada. Sin embargo, como se muestra en la figura 1, el recipiente 3 de preferencia tiene forma de un tubo alargado que comprende dos porciones de extremo opuestas 19 y 21 y una porción intermedia 23. El recipiente 3 puede estar elaborado de cualquier material metálico o no metálico apropiado. En la parte extrema 19 del recipiente 3, se proveen medios de salida para recuperar el agua tratada proveniente del recipiente 3. Como se ilustra en la figura 1, estos medios de salida pueden comprender un conducto 25 abierto en la periferia circular de la parte extrema 19 del recipiente 3. En la parte extrema 21 opuesta, están previstos unos medios de salida para recuperar el agua tratada del recipiente 3. Como se ilustra en la Fig. 1, dichos medios de salida pueden comprender un conducto 27 colocado en forma central en la parte extrema 19.

El reactor 1 también comprende un conducto central 31 elaborado a partir de un material transparente a la luz UV. Dicho conducto 31 se extiende en forma coaxial dentro del recipiente 3 y está rodeado por una malla de alambre 32 elaborada a partir de un material conductor el cual puede ser metal o gráfico. Preferentemente, el material conductor de la malla de alambre 32 se selecciona del grupo que consiste en titanio, circonio y columbio platinizado. La malla de alambre 32 está conectada a la fuente de energía de CD 5 por medio de un conector eléctrico 33 realizado en platino, oro, grafito o cualquier otro material eléctricamente conductor que no sea soluble en el agua. Este conector 33 está conectado al polo positivo de la fuente de energía de CD. Como resultado, la malla de alambre 32 actúa como un ánodo.

El reactor 1 también comprende un medio poroso 34 que rodea el conducto. Este medio poroso puede consistir en cerámica porosa, vidrio concrecionado, cerámica concrecionada, metal concrecionado, metal perforado, trapo o tubería no metálica, malla de alambre o cualquier otro medio que sea permeable y poroso al agua. Otra malla de alambre 35 rodea el medio poroso 34. Esta malla de alambre 35 puede estar realizada en el mismo material conductor que la malla de alambre 32, por ejemplo grafito o metal. Preferentemente, esta malla de alambre 35 puede estar realizada en un material que se selecciona entre magnesio, aluminio, titanio, circonio, paladio, platino, columbio, vanadio, hierro, magnesio, grafito, sus combinaciones y aleaciones que los contienen. La malla de alambre 35 se conecta a la fuente de energía de C.C. por medio de otro conector eléctrico elaborado a partir de platino, oro, grafito o cualquier otro material eléctricamente conductor que no sea soluble en agua. Como resultado de dicha conexión, la malla de alambre 35 actúa como un cátodo.

Como se muestra en la figura 2, el ánodo y el cátodo definidos respectivamente por las mallas de alambre 32 y 35, se extienden en forma concéntrica y son separadas por el medio poroso 34. Sin embargo, se contemplan otros arreglos si fueran necesarios, con la condición de que éstos permitan la producción de oxígeno cerca del conducto 31.

Como se ha mencionado anteriormente, las mallas de alambre 32 y 35 se conectan a la fuente de energía 5 para generar entre las mismas una diferencia de potencial. La C.C. generada por la fuente de energía puede ser C.C. lineal o pulsada, C.A. superpuesta en la C.C. o C.C. e invertida temporalmente. Desde luego, la corriente y voltaje generados por la fuente de energía deben ser suficientes para generar cantidades grandes de oxígeno alrededor del conducto 31.

Dentro del conducto 31, el cual como se ha mencionado anteriormente, es transparente a la luz UV, se inserta, de manera centrada, una lámpara de UV 36 que genera radiación UV a una longitud de onda suficiente para permitir la conversión de oxígeno en ozono (aproximadamente 189 nm). Este conducto se elabora preferentemente a partir de cuarzo (SiO_{2}) pero podría elaborarse de cualquier otro material con la condición de que dicho material (1) pueda soportar presiones hidráulicas elevadas y (2) permita la transmisión de luz UV que tenga una longitud de onda de aproximadamente 189 nm. El propósito de la lámpara UV 36 es convertir in situ el oxígeno que se produce por medio de electrólisis dentro del recipiente, en ozono. Debe destacarse que el ozono producido por medio de radiación de luz UV a 189 nm a partir del oxígeno producido in situ por la electrólisis en el ánodo 32, no solamente se genera in situ sino también es fácilmente soluble. Desde luego, el ozono que se genera de esta manera reacciona con los contaminantes contenidos en el agua y los convierte en productos de oxidación.

Como se muestra en la figura 1, los medios 7, 9 se proveen corriente abajo del conducto 27 para eliminar los productos de oxidación, formados de esta manera, provenientes del agua. Estos medios pueden comprender un ciclón hidráulico 7 (clasificador ciclónico hidráulico) y uno o más aparatos de filtración. Estos medios son bien conocidos en la técnica y no necesitan descripción adicional.

De manera alternativa, los productos de oxidación formados en el agua se pueden eliminar de la misma por medio de retención en un tanque de separación. Después de un tiempo determinado, el agua se separa en dos fases, una que consiste en agua purificada, y la otra que contiene disueltos el hidrógeno y/o los contaminantes catiónicos. El agua purificada se puede recuperar después y filtrar adicionalmente si fuera necesario. Si se desea, se puede agregar un agente floculante al agua antes o después de que se introduzca al reactor para mejorar la eficiencia de eliminación de los productos de oxidación.

Ventajosamente, se pueden proveer medios de turbulencia dentro del recipiente 3 para dirigir y retener temporalmente el flujo de agua que contiene contaminantes y de esta manera incrementar la trayectoria de dicha agua dentro del reactor y con esto la duración y eficiencia del tratamiento. Como se ilustra en la figura 1, estos medios de turbulencia pueden consistir en deflectores 37 elaborados a partir de un material inerte, los cuales están conectados a la superficie interna del recipiente 3. Dichos deflectores 37 se extienden preferentemente en una dirección perpendicular a la dirección de flujo general del agua que será tratada. Como se muestra en las figuras 1 y 2, los deflectores 37 pueden consistir en placas semicirculares sucesivas.

Durante el uso, el agua que será purificada se introduce a través de los medios de entrada 25 en la parte extrema 19 del recipiente 3, bajo una presión suficiente para permitir que el agua fluya a través del recipiente 3. Preferentemente se utiliza una bomba (no representada) para proveer un flujo continuo de agua a través del recipiente. Se elige la velocidad de flujo de la bomba para obtener un tiempo de residencia registrado en el recipiente 3. Los expertos en la materia pueden determinar fácilmente este tiempo de residencia teniendo en cuenta la velocidad de producción de oxígeno dentro del recipiente y la tensión aplicada para proveer un tratamiento suficiente al agua contaminada. Dentro del recipiente, el agua contaminada se trata con el ozono generado in situ por radiación del oxígeno producido in situ mediante electrólisis. El agua tratada se descarga después a través de los medios de salida 27. Los productos de oxidación que se producen durante el tratamiento son principalmente gas no tóxico, tal como CO_{2} y/o partículas que pueden ser eliminadas fácilmente mediante filtración. Si fuera necesario, se puede proveer otra salida 30 en la periferia del recipiente para eliminar los subproductos de electrólisis no deseables que pudieran producirse durante el funcionamiento del reactor.

Desde luego, se pueden realizar numerosas modificaciones en la realización preferida descrita de la presente invención, sin apartarse por ello del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones anexas.

Claims

1. Dispositivo para purificar agua que contiene contaminantes mediante oxidación de dichos contaminantes para formar productos de oxidación y para la eliminación de dichos productos de oxidación, comprendiendo dicho dispositivo:

(a): por lo menos un reactor (1), que comprende:

-: un recipiente (3);

-: por lo menos unos medios de entrada (25) para introducir el agua contaminada que será purificada en el recipiente;

-: por lo menos unos medios de salida (27) para recuperar el agua purificada del recipiente;

-: por lo menos un conducto (31) que se extiende centradamente, dentro del recipiente, el cual se elabora a partir de un material transparente a la luz UV;

-: una lámpara UV (36) montada dentro de dicho por lo menos un conducto, generando dicha lámpara UV radiación UV;

-: un primer electrodo (32) que se extiende cerca de, y que rodea a, dicho por lo menos un conducto; y

-: un segundo electrodo (35) que se extiende hacia fuera de, y que lo rodea, dicho primer electrodo;

(b): una fuente de energía (5) conectada de forma operativa a dichos primer y segundo electrodos para generar entre éstos una diferencia de potencial; y

(c): medios (7, 9) para eliminar los productos de oxidación del agua,

caracterizado porque:

-: el primer electrodo (32) consiste en una malla de alambre elaborada a partir de un material eléctricamente conductor y está conectado a la fuente de energía (5) de tal manera que actúa como un cátodo;

-: el segundo electrodo (35) está conectado a la fuente de energía (5) de tal manera que actúa como un cátodo;

-: un medio poroso (34) se extiende entre el ánodo (32) y el cátodo (35), rodeando dicho medio poroso (34) el ánodo y estando rodeado por dicho cátodo, y

-: el reactor (1) también comprende otros medios de salida (30) para recuperar del recipiente los iones catiónicos atraídos por el cátodo

de tal modo que, durante el funcionamiento, se produce oxígeno mediante electrólisis en el ánodo (32) y éste es convertido, in situ, en ozono por medio de la radiación UV generada por la lámpara UV (36), y el ozono generado de esta manera reacciona con los contaminantes contenidos en el agua y los convierte en productos de oxidación, mientras que al mismo tiempo,los cationes de metales pesados, Ca^{++} y Mg^{++} son atraídos por el cátodo (35).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho por lo menos un conducto (31) se elabora a partir de cuarzo y dicha lámpara UV (36) se selecciona para que produzca una onda electromagnética con una longitud de onda de 189 nm.

3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el cátodo (35) consiste en una malla de alambre elaborada a partir de un material eléctricamente conductor.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el material eléctricamente conductor a partir del cual se elaboran dicho ánodo y cátodo (32, 35), es insoluble.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el material eléctricamente conductor a partir del cual se elaboran dichos ánodo y cátodo (32, 35) se selecciona de entre magnesio, aluminio, titanio, circonio, paladio, platino, columbio, sus combinaciones y aleaciones que los contienen.

6. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el material eléctricamente conductor a partir del cual se elaboran dicho ánodo y cátodo (32, 35) consiste en grafito.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicho recipiente (3) está provisto de medios de turbulencia (37) para dirigir y para retener en forma temporal, el agua que será purificada en dicho reactor.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dichos medios para eliminar los productos de oxidación del agua comprenden un ciclón hidráulico.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dichos medios para eliminar los productos de oxidación del agua comprenden por lo menos un tanque de retención.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dichos medios para eliminar los productos de oxidación del agua comprenden por lo menos un aparato de filtración.

11. Procedimiento para purificar agua que contiene contaminantes mediante oxidación de dichos contaminantes para formar productos de oxidación y para eliminar los productos de oxidación formados de este modo, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

(i): proveer un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, y

(ii): procesar dicho agua que contiene contaminantes a través de dicho dispositivo.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende además eliminar los productos de oxidación mediante retención del agua procesada en un tanque separado para formar una fase de agua purificada la cual se puede recuperar, y otra fase que contenga los productos de oxidación, la cual se puede desechar.

13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque se introduce un agente floculante en el agua.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque comprende además eliminar los productos de oxidación mediante filtración.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque comprende además eliminar los subproductos de electrólisis no deseables del recipiente a través de una salida

\hbox{separada.}