ES2280234T3 - Alambique para agua con membrana de pervaporacion y metodo de utilizacion de dicho alambique. - Google Patents

Alambique para agua con membrana de pervaporacion y metodo de utilizacion de dicho alambique. Download PDF

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Abstract

Alambique (10) para purificar agua que está adaptado para purificar agua a partir de una capa de agua contaminada (24), comprendiendo dicho alambique (10): una parte superior en cúpula (12) que está acoplada a un elemento (14) que constituye la base en una intersección (26) impermeable al agua, estando dicha parte superior en cúpula (12) hecha de un material sustancialmente impermeable; y un pozo colector de agua (16) que tiene propiedades de difusor del calor; formando dicha parte superior en cúpula (12), dicho elemento (14) que constituye la base y dicho pozo colector de agua (16) una cámara (20); siendo transmitido vapor de agua al interior de dicha cámara (20) por pervaporación de dicha capa de agua contaminada (24) en virtud del contacto con medios hidrofílicos; flotando dicho alambique (10) para destilar agua en el agua; estando dicho alambique (10) para destilar agua adaptado para quedar orientado en dicha capa de agua contaminada (24) de forma tal que dicho pozo colector de agua queda sumergido en dicha capa de agua contaminada (24); caracterizado por el hecho de que dicho material sustancialmente impermeable de la parte superior en cúpula (12) es termoabsorbente, y de que dicho elemento (14) que constituye la base es dichos medios hidrofílicos y queda sumergido en la capa de agua contaminada (24).

Description

Alambique para agua con membrana de pervaporación y método de utilización de dicho alambique.
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere, en general, a los alambiques para destilar agua, y es particular pero no exclusivamente aplicable a los alambiques para destilar agua que proporcionan agua potable a partir de un recurso hídrico contaminado tal como el agua de mar o agua salobre.
Breve exposición del estado de la técnica
En entornos áridos o inhóspitos se tiene a menudo dificultad para encontrar u obtener a bajo coste agua potable para el consumo inmediato, para cocinar o para rehidratar comestibles o fármacos para consumo humano o animal, por ejemplo. Por ejemplo, los países que están en torno al Golfo tienen vastas reservas de agua de mar pero poca agua potable en tierra firme. En consecuencia, los asentamientos habitados están agrupados en torno a ríos de curso libre que constituyen una fuente principal de agua dulce o en torno a puertos que son servidos por costosas plantas de desalinización o por redes de tubería desde depósitos remotos. Asimismo, el agua contaminada o de alta salinidad no puede ser usada para irrigación puesto que es en general dañina para la fisiología de las plantas, y por consiguiente se requiere alguna forma de purificación si tal agua debe ser utilizada para la producción de comestibles. En consecuencia, la producción de cultivos puede verse limitada por las limitaciones relativas al suministro de agua al cultivo, derivándose las limitaciones de la limitada disponibilidad de agua adecuadamente limpia o del coste de propiamente producir agua adecuadamente limpia. En otras palabras, a pesar de que puede estar fácilmente disponible agua en una forma genéricamente "contaminada", puede no ser económicamente viable la purificación del agua contaminada hasta el nivel necesario para su uso previsto.
En cuanto a la obtención de agua potable para la existencia humana, pueden darse ambientes inhóspitos en el mar (al quedar sin amparo en una balsa salvavidas tras un accidente de navegación), en el desierto e incluso durante la exploración interplanetaria. Además, los desastres naturales, incluyendo las sequías, las inundaciones y los terremotos, pueden también interrumpir de manera importante y adversa el suministro de agua potable a zonas que de otro modo estarían adecuadamente servidas. Ciertamente, en estos últimos casos puede ser necesario de hecho transportar agua potable a la zona afectada en camiones cisterna, lo cual es extremadamente caro y logísticamente difícil de llevar a cabo dentro del marco de un corto plazo.
Es también interesante observar que las mochilas de supervivencia que exige la legislación marítima y son usadas por los ejércitos de hecho incluyen importantes cantidades de agua potable envasada, y que una proporción importante del peso total de la mochila de supervivencia es por consiguiente directamente atribuible al volumen de agua transportado. En consecuencia, las mochilas de supervivencia son generalmente voluminosas y, si se llevan a cuestas, le ocasionan una fatiga adicional a quien las lleva.
La reutilización del agua en el espacio constituye una considerable preocupación para los organismos espaciales tales como la NASA. Además, la densidad del agua impone un pequeño pero limitativo factor en los vuelos espaciales, siendo esencial que la cantidad de agua que lleve una nave espacial sea limitada en el despegue para limitar el peso y la necesidad de empuje adicional y por consiguiente de más combustible. La reutilización es por consiguiente esencial. Además, con la exploración interplanetaria potencial futura que está prevista para después del comienzo del nuevo milenio, la identificación de agua y su eficaz conversión en una provisión potable o una provisión adecuada para el cultivo hidropónico son cuestiones importantes.
Los mecanismos de desalinización que se usan a escala industrial incluyen las técnicas de evaporación, la electrólisis y la osmosis, y son todos ellos relativamente caros y a menudo requieren enormes sistemas y/o el suministro de energía. Está claro que en situaciones de emergencia (por ejemplo) tales sistemas no pueden simplemente materializarse, e incluso si están presentes pueden no funcionar en vista de la necesidad de contar con un constante y considerable suministro de energía.
Es conocido por el documento US-A-3.415.719 un alambique para destilar agua según el preámbulo de la reivindicación 1. La parte superior en cúpula de este alambique para destilar agua se compone de una lámina de plástico transparente para transmitir la radiación solar que incide en la misma. El agua contaminada está contenida en una bolsa evaporadora dentro del alambique para destilar agua. La radiación solar incidente calienta el agua que está contenida en la bolsa. El vapor de agua permea a través de la lámina permeable al vapor de la bolsa evaporadora. El vapor se condensa sobre la superficie interior más fría de la parte superior.
Un similar alambique para destilar agua es el descrito por el documento EP-A-0 149 880, en el que el agua de mar se difunde por capilaridad a un paño de difusión por capilaridad y es calentada por la radiación solar. El vapor de agua producido se difunde hacia abajo a través de una membrana microporosa y se condensa en una cámara de destilado. La membrana microporosa sirve para separar el agua de mar del destilado, puesto que es impermeable al agua líquida.
Breve exposición de la invención
La invención como se la reivindica en la reivindicación 1 resuelve el problema de cómo contar con un relativamente sencillo y económico sistema de purificación de agua.
Según la presente invención, el alambique para destilar agua comprende: una cámara que tiene una parte superior en cúpula sustancialmente impermeable y una base acoplada a la parte superior sustancialmente impermeable, estando la base hecha de una membrana que soporta a un proceso de pervaporación de agua a su través; y un pozo colector de agua que tiene una boca en cuyo interior se reúnen las gotitas de agua del proceso de pervaporación de agua que se condensan dentro de la cámara, estando el pozo colector de agua situado dentro de la base y prolongándose dicho pozo colector de agua en general hacia el exterior de dicha base.
El alambique para destilar agua usa la diferencia de temperaturas entre la cámara y la fuente de agua contaminada para condensar el vapor de agua, usando el pozo colector de agua como "difusor de calor". Con ello se forma un gradiente de presión de vapor de uno al otro lado de la membrana hidrofílica. El agua que se condensa dentro de la cámara es dirigida al interior del pozo colector de agua en virtud de la acción de la gravedad.
Están preferiblemente formadas dentro de la cámara las de una pluralidad de bandejas de condensación, haciendo las de la pluralidad de bandejas de condensación que las gotitas de agua sean transportadas al interior del pozo colector de agua.
El pozo colector de agua es termoconductor y tiene una boca en cuyo interior se reúnen las gotitas de agua del proceso de pervaporación de agua que se han condensado dentro de la cámara. El pozo colector de agua está situado dentro de la base y se prolonga en general hacia abajo desde la misma. Está acoplada al pozo termoconductor colector de agua una toma para sacar agua potable del alambique para destilar agua.
En una realización preferida, la membrana comprende un elastómero de copolieterester con una velocidad de permeación del vapor de agua de al menos 400 g/m^{2}/24 h, y preferiblemente con una velocidad de permeación del vapor de agua de más de 1000 g/m^{2}/24 h.
Ventajosamente, el alambique para destilar agua de la presente invención proporciona un sistema de purificación de agua que tiene una sencilla forma constructiva mecánica y puede ser desplegado rápidamente. Con una realización preferida que potencialmente no tiene elementos móviles, son bajos los costes de fabricación y el nivel de complejidad. Ciertamente, el alambique para destilar agua puede ser embalado para así quedar dispuesto en una forma liviana y compacta que puede montarse fácilmente. Es arbitraria la estanqueización del diseño del alambique para destilar agua de las realizaciones preferidas. Puede por consiguiente obtenerse un abastecimiento de agua potable sin necesidad de usar fuentes de energía fabricadas (baterías, generadores, etc.), puesto que el proceso se desarrolla usando los diferenciales térmicos que se dan de manera natural y cualesquiera elementos móviles opcionales pueden ser accionados, si se desea, por las fuerzas naturales tales como la energía solar, la energía eólica o la energía de las olas.
Breve descripción de los dibujos
Se describen a continuación ejemplos de realización de la presente invención haciendo referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales:
La Fig. 1 es una vista esquemática de un alambique para destilar agua que está ilustrado in situ e incorpora los principios básicos de la presente invención;
la Fig. 2 es una vista en planta desde abajo del alambique para destilar agua de la Fig. 1;
la Fig. 3 es una vista parcial en sección de un alambique para destilar agua que presenta varias características preferidas y opcionales que pueden ser incorporadas al alambique básico para destilar agua de la Fig. 1;
la Fig. 4 es una vista parcial en sección de un alambique para destilar agua que tiene bandejas recogedoras de gotas, canales de drenaje y superficies de condensación incrementada opcionales que pueden ser incorporados al alambique básico para destilar agua de la Fig. 1 o al alambique para destilar agua de la Fig. 3;
la Fig. 5 es aun otra vista parcial en sección de un alambique para destilar agua que tiene varias características preferidas y opcionales que pueden ser incorporadas al alambique básico para destilar agua de la Fig. 1 o a los alambiques para destilar agua de las Figuras. 3 o 4;
la Fig. 6 muestra un sistema de bombeo y un recipiente colector de una realización opcional pero preferida de cualesquiera de las Figuras precedentes; y
la Fig. 7 muestra un alambique para destilar agua que incorpora la presente invención e incluye un adicional depósito de alimentación.
Descripción detallada de una realización preferida
Se muestran a modo de ejemplo en el esquema de conjunto de la Fig. 1 los principios básicos de la forma constructiva del alambique 10 para destilar agua de la presente invención.
El alambique 10 para destilar agua comprende una parte exterior en cúpula 12 que está acoplada a una base de membrana hidrofílica 14. La base de membrana hidrofílica 14 actúa como un suelo y coopera con un pozo colector de agua 16 que constituye un lastre estabilizador para el alambique 10 para destilar agua (in situ). Típicamente, el pozo colector de agua 16 está situado centralmente dentro de la geometría del alambique 10 para destilar agua y se prolonga hacia abajo a modo de tallo, haciendo así que el alambique 10 para destilar agua tenga una sección fungiforme. Está situada en general en el o cerca del fondo del pozo colector de agua 16 una toma 18 que preferiblemente incorpora una válvula de paso único. La parte exterior en cúpula 12, que está preferiblemente hecha de una cubierta duradera, termoabsorbente y sustancialmente impermeable de material (tal como cloruro de polivinilo, otros plásticos, metal y materiales similares), la base de membrana hidrofílica 14 y el pozo colector de agua 16 forman una cámara 20. Una columna central 22 puede extenderse entre el pozo colector de agua y posiblemente un punto situado más allá de la parte exterior en cúpula 12. La columna central 22 puede proporcionar soporte estructural al alambique 10 para destilar agua en general, y específicamente a la parte exterior en cúpula 12 mediante el apropiado acoplamiento de la cubierta exterior en cúpula a dicha columna.
En funcionamiento, el alambique para destilar agua flota en una fuente de agua contaminada o de otro modo no potable 24 tal como el mar, una laguna o un río, o en agua salobre, estando debajo de la superficie de la fuente de agua 24 una intersección 26 entre la parte exterior en cúpula 12 y la base de membrana hidrofílica 14. La parte exterior en cúpula 12 y la base de membrana hidrofílica 14 están típicamente unidas por encolado, soldadura o cosido, si bien está claro que son también posibles otros mecanismos de unión. La intersección 26 es, sin embargo, impermeable al agua. Una vez sumergida la base en una fuente de agua 24, vapor de agua atraviesa por pervaporación la base de membrana hidrofílica 14, haciendo así que la cámara 20 tenga una relativamente alta humedad.
Las superficies interiores de la cámara 20 actúan como superficies de condensación, siendo las gotitas de agua en general y principalmente dirigidas al interior del pozo colector de agua 16. Preferiblemente, la columna central 22 (que también actúa como superficie de condensación) está hecha de un material que tiene buenas propiedades de conducción térmica, tal como es el caso del acero galvanizado. Naturalmente, la columna central 22 podría estar hecha de un plástico, que puede resistir el contacto con el agua mejor que un metal, a pesar de que su resistencia y su rigidez son en general inferiores a las del metal, si bien puede ser necesario tratar los metales para impedir y oponer resistencia a la oxidación y a otras formas de corrosión/fatiga. El pozo colector de agua 16 está también preferiblemente hecho del mismo material como la columna central 22, si bien de nuevo la exigencia es la de que el pozo colector de agua 16 tenga buenas propiedades de conducción térmica. En uso, el pozo colector de agua 16 por consiguiente actúa como un difusor de calor que difunde el calor a la relativamente fría fuente de agua 24, aprovechando toda estructura interna acoplada térmicamente (tal como la columna central 22) por consiguiente también la capacidad de difundir el calor a la fuente de agua circundante 24 a través del pozo colector de agua 16. La velocidad de condensación se ve por consiguiente incrementada mediante el uso del pozo colector de agua como difusor de calor y el efecto de refrigeración que es producido por el agua circundante.
Como se comprenderá, la condensación se produce en general sobre las superficies más frías, y por consiguiente las más eficaces son las que tienen capacidades de difusión del calor (en última instancia a la fuente de agua contaminada circundante). Además, el rendimiento de las superficies de condensación es extremadamente importante en relación con el rendimiento óptimo del alambique para destilar agua puesto que la condensación reduce la humedad dentro de la cámara 20 y por consiguiente hace que aumente el gradiente de presión de vapor de uno al otro lado de la membrana hidrofílica, incrementando con ello la velocidad de permeación del vapor de agua a través de la
membrana.
Se ha descubierto que la base de membrana hidrofílica 14 funciona más eficazmente haciendo que pase más vapor de agua cuando un flujo de aire puede contribuir a que el vapor de agua que ha atravesado la membrana sea levantado de su superficie 28. En consecuencia, es preferible que la parte exterior en cúpula 12 sea una cubierta termoabsorbente impermeable para impedir la evaporación del agua potable 29 que ha sido recogida (es decir, del condensado) dentro del pozo colector de agua 16, así como que escape de la cámara vapor de agua, en general. Además, estando la cubierta exterior en cúpula 12 diseñada de hecho para absorber el calor, puede establecerse dentro de la cámara 20 una corriente de convección natural que contribuye a incrementar la velocidad del proceso de pervaporación desde la superficie 28 de la base de membrana hidrofílica 14.
A fin de contribuir al enfriamiento dentro de la cámara, una realización específica emplea una superficie higroscópica 27 en el exterior de la parte exterior en cúpula 12, con lo cual la evaporación del agua absorbida en virtud de la acción del sol produce un efecto de refrigeración dentro del alambique 10 para destilar agua, en general, y más específicamente en las zonas superiores de la cámara 20.
En una realización preferida, la parte del alambique 10 para destilar agua que flota encima de la superficie de la fuente de agua contaminada 24 tiene en general una forma hemisférica, estando toda la base de membrana hidrofílica 14 siempre totalmente sumergida.
En cuanto a las alturas internas relativas dentro del alambique 10 para destilar agua, el pozo colector de agua 16 sobresale relativamente con respecto a la superficie de la base de membrana hidrofílica 14; de tal manera que, con un reborde alargado, el agua potable limpia que finalmente es recogida como condensado dentro del pozo colector de agua 16 no se derrama considerablemente por sobre los laterales cuando el alambique 10 para destilar agua se ve desfavorablemente afectado por la acción de las olas o por influencias similares.
Haciendo brevemente referencia a la vista en planta desde abajo del alambique 10 para destilar agua que se muestra en la Fig. 2, puede verse en la misma una forma preferida del pozo colector de agua 16. Mientras que también constituye en general un lastre para el alambique 10 para destilar agua para que el alambique para destilar agua se mantenga orientado en posición sustancialmente vertical dentro del agua, el pozo colector de agua 16 preferiblemente contiene una serie de paletas 23 que persiguen tres finalidades. En primer lugar, el rendimiento del pozo colector de agua 16 como difusor de calor se ve incrementado por medio de la incrementada área superficial. En segundo lugar, el área superficial incrementada incrementa el área para condensación y acopio de agua. En tercer lugar, cuando el pozo colector de agua está sumergido (ya sea parcialmente o bien preferiblemente por entero), las paletas hacen que mejore la estabilidad del alambique 10 para destilar agua.
Es preferible que el alambique 10 para destilar agua esté lastrado para así asegurar que, al estar en uso, la base de membrana hidrofílica 14 esté siempre debajo de la superficie de la fuente de agua 24, lográndose esto (al menos en parte) por medio del propio peso del pozo colector de agua 16 y también por medio del peso del agua potable limpia que ha sido recogida como condensado dentro del pozo colector de agua 16. Ventajosamente, al estar la base de membrana hidrofílica 14 siempre debajo de la superficie, se ve reducida la probabilidad de que la membrana sufra daños o pinchazos, puesto que los objetos en general chocarán contra los bordes del alambique 10 para destilar agua y por consiguiente establecerán contacto con la cubierta exterior en cúpula 12. Además, al estar la base de membrana hidrofílica 14 siempre debajo de la superficie, la eficacia de la membrana (es decir, su rendimiento) se ve al menos mejorada, cuando no optimizada.
El diseño del alambique 10 para destilar agua de las realizaciones preferidas de la presente invención hace que el mismo sea adecuado para ser usado en una serie de ambientes entre los que se incluyen el mar abierto, los puertos, los ríos, las llanuras inundadas y las lagunas protegidas. Las características del diseño son tales que el mismo tiene una capacidad inherente para hender las olas manteniéndose en posición sustancialmente vertical. Como alternativa, los alambiques permanentes o semipermanentes pueden ser sujetados en una posición fija con respecto al lecho de la capa de agua en la cual los mismos estén situados, o bien los mismos pueden ser fijados al lecho pero haciendo que se muevan para adaptarse a las cambiantes alturas del agua (por ejemplo en aguas mareales).
El resumen, el condensado representa un suministro de agua potable limpia que puede estar microbiológicamente limpia.
El inflamiento de la cámara 20 puede lograrse ya sea usando gas comprimido o bien soplando para inflarla. Está claro que en el caso de una membrana de tamaño industrial que produzca suficientes cantidades de agua potable se prefiere el mecanismo mencionado en primer lugar, que asimismo limita toda probabilidad de que sean introducidos microbios o microorganismos similares en el interior de la cámara. Sin embargo, en relación con una mochila de supervivencia, puesto que en general lo probable es que el individuo solamente necesite la mochila por espacio de unos pocos (y a lo sumo varios) días u horas antes del rescate, entonces probablemente carece de importancia la autocontaminación de la cámara 20 con aire que contenga microbios de ese individuo. En lo que concierne a un equipo de supervivencia, el gas comprimido podría ser suministrado por un pequeño bote inicialmente empaquetado dentro del pozo colector de agua 16. Como alternativa, para los alambiques permanentes, la cámara 20 puede tener una forma constructiva según la cual la misma esté plenamente expandida.
Una particular opción de diseño en relación con una relativamente pequeña y compacta configuración de un alambique para destilar agua utiliza una columna central 22 telescópica que puede ser colapsada para así quedar recogida en el interior del pozo colector de agua 16. La restante parte exterior en cúpula 12 y la base 14 de membrana se hacen semirrígidas con varillas del tipo de las de nilón, por ejemplo, que son maniobradas y sujetadas en su sitio para así proporcionar la rigidez estructural requerida.
Con respecto a las escalas de tamaño, esto depende de la zona de despliegue prevista. Para mochilas de supervivencia, un ser humano requiere cualquier cantidad desde aproximadamente 0,5 litros hasta aproximadamente ocho litros de agua potable por día (en dependencia de los esfuerzos físicos, de la temperatura y de la humedad). En consecuencia, el volumen del pozo colector de agua 16 debe reflejar esta exigencia, pero puede verse limitado por las exigencias en materia de embalaje. Preferiblemente, la capacidad del pozo colector de agua en una mochila de supervivencia estará por consiguiente situada dentro de la gama de valores que va desde 0,5 litros hasta ocho litros, más preferiblemente estará situada dentro de la gama de valores que va desde un litro hasta cuatro litros, y con la máxima preferencia estará situada dentro de la gama de valores que va desde aproximadamente dos litros hasta tres litros. Está claro que podrían usarse otros tamaños más voluminosos para las operaciones de auxilio para aliviar los efectos de las inundaciones, por ejemplo. Análogamente, el tamaño del área de la base de membrana hidrofílica y de la cámara condensación deberá seleccionarse de forma tal que refleje la prevista cantidad de agua a recoger; y factores similares también influenciarán la naturaleza y el espesor de la membrana hidrofílica que se elija y la incorporación o la no incorporación de las características opcionales que aquí se describen.
Para un sistema de alambiques para destilar agua que pueda suministrar varios metros cúbicos de agua potable por día, se requeriría un pozo colector de agua 16 bastante mayor. Sin embargo, es interesante señalar que la flotabilidad natural del alambique 10 para destilar agua de la presente invención (que es debida a la efectiva cámara hermética 20) sigue permitiendo efectuar con facilidad la toma del agua potable condensada y recogida en el pozo colector de agua 16. Ciertamente, el alambique para destilar agua sigue flotando (y es cada vez más estable al bajar más su centro de gravedad) al tener lugar la condensación y la subsiguiente recogida de agua en el pozo colector de agua 16, en virtud del principio de Arquímedes. Con alambiques para destilar agua aún mayores hechos según las realizaciones preferidas de la presente invención, podría emplearse un proceso de extracción periódica o continua (empleando una bomba), ajustando convenientemente el tamaño del pozo colector de agua 16.
En una realización específica, el pozo colector de agua 16 podría ser selectivamente separable de la "parte de la bóveda" del alambique para destilar agua para así poder efectuar con facilidad su mantenimiento y limpieza antes de su reutilización. El pozo colector de agua 16 podría por consiguiente contener un sistema de rosca y junta tórica.
Con respecto a la extracción de agua potable a través de la toma 18, el agua potable que es recogida en el pozo colector de agua 16 proporciona cierta limitada carga de agua que sirve para purgar las tuberías de drenaje interconectadas para así eliminar los residuos y los crecimientos de algas que se acumulan en torno a la propia abertura de salida.
La Fig. 3 muestra una vista parcial en sección de un alambique 30 para destilar agua que incorpora varias posibles implementaciones de diseño y variantes que pueden estar opcionalmente incluidas (en solitario o todas juntas) en el alambique básico 10 para destilar agua de la Fig. 1. Por ejemplo, el alambique 30 para destilar agua de la Fig. 3 tiene un tope externo 32 que rodea la periferia del alambique 30 para destilar agua. Como se apreciará, el tope 32 (que puede estar inflado o bien puede estar hecho de un material duradero tal como caucho) sirve para rechazar los residuos que chocan con el alambique 30 para destilar agua, y por consiguiente protege al alambique para destilar agua. Adicionalmente, en una realización específica una base de membrana hidrofílica mejorada 34 contiene ondas, filamentos o arrugas para incrementar significativamente el área de la membrana que está en contacto con la fuente de agua 24; mejorando esto el rendimiento del alambique para destilar agua en relación con sus dimensiones físicas exteriores. En una realización específica, la base de membrana hidrofílica 34 está escalonada para así contribuir a que las burbujas de aire siempre suban y se separen de la superficie 38 de la membrana (o de una superficie de soporte de la membrana). Asimismo, con una base de membrana hidrofílica 34 inclinada puede ser ventajoso incluir salidas de drenaje secundario 40 en el fondo de la inclinación y en general junto al pozo colector de agua 16. Estas salidas de drenaje secundario 40, que de nuevo preferiblemente tienen el funcionamiento de una válvula de paso único, pueden ser entonces abiertas selectivamente para drenar todo condensado que se haya reunido sobre la membrana, al contrario del que se reúne dentro del pozo colector de agua 16.
Se ilustra asimismo cómo el pozo colector de agua 16 incluye un reborde 42 orientado hacia el exterior para impedir que todo condensado que fortuitamente se encuentre sobre la superficie 38 de la membrana hidrofílica entre en el pozo colector de agua 16. Asimismo, el pozo colector de agua 16 puede incluir un reborde interno 44 que típicamente tendrá una forma constructiva del tipo de la de una tela metálica y limitará el derrame de agua desde el pozo colector de agua 16.
La Fig. 4 ilustra posibles estructuras internas para el alambique para destilar agua de la Fig. 1, por ejemplo. En primer lugar, a fin de maximizar la condensación, la cámara 20 incluye una pluralidad de bandejas (o superficies) de condensación 50-55. Las bandejas de condensación 50-55 están preferiblemente hechas en una sola pieza del material de la parte exterior en cúpula 12. Preferiblemente, al menos una bandeja de condensación principal sustancialmente recorre el radio del alambique 10 para destilar agua; estando esta bandeja principal en general dirigida hacia el fondo de la cámara 20. Bandejas de condensación secundarias 51-54 posicionadas encima de la bandeja de condensación principal 50 contribuyen a que las gotas de agua condensada caigan sobre la bandeja de condensación principal, que a su vez hace que el agua caiga al interior del pozo colector de agua 16. Las distintas bandejas de condensación 50-55 también sirven para recoger las gotas de agua que caen desde una superficie interior 58 de la parte exterior en cúpula 12, y por consiguiente para consolidar la recogida del condensado en el interior del pozo colector de agua 16.
La bandeja de condensación principal 50 está conformada por una serie de curvas suaves que hacen que las gotitas de agua se formen y se escurran por los lados tanto superior como inferior de la bandeja de condensación principal 50, pero no caigan sobre la base de membrana hidrofílica 14.
Una bandeja de alimentación 55 coopera y está parcialmente solapada por debajo con la bandeja de condensación principal 50 y está situada cerca de un borde exterior de la parte exterior en cúpula 12. Nuevamente y de manera similar a lo que sucede en el caso de la bandeja de condensación principal 50, la bandeja de alimentación 55 está conformada por una serie de curvas suaves que hacen que las gotitas de agua se formen y se escurran por sus lados tanto superior como inferior.
El vapor de agua se condensará sobre una superficie interior de la parte exterior en cúpula 12, que puede ser lisa, o bien y como alternativa puede estar diseñada para favorecer la condensación del vapor (por ejemplo a base de prever una superficie erizada, velluda o rizada). Las gotitas de agua que se forman sobre la superficie interior y caen en virtud de la acción de la gravedad son por consiguiente recogidas por la bandeja de condensación principal 50, la bandeja de alimentación 55 o un canal 60 formado en torno a la periferia de la parte exterior en cúpula 12. La superficie interior de la parte exterior 12 puede opcionalmente estar también conformada para hacer que el agua condensada pase directamente al interior de cualesquiera de estos medios de recogida. Está claro que las gotitas de agua que se escurren hacia abajo por el lateral de la parte exterior en cúpula 12 caen directamente al interior del canal 60. La bandeja de alimentación 55 también termina encima del canal, para así asegurar que las gotitas de agua que se condensan sobre la misma caigan al interior del canal 60. El agua que entra en el canal es transferida al pozo colector de agua 16 por vías o conductos estrechos de alimentación 62 situados periódicamente, tales como canalones descubiertos. El área de la vía de alimentación es minimizada para asegurar que no actúe como una superficie de condensación efectiva, si bien dichas vías de alimentación están conformadas para hacer que las gotitas de agua que se forman en su lado inferior se escurran pasando al interior del pozo colector de agua 16 en lugar de caer sobre la base de membrana hidrofílica 14.
En aras de la claridad, se muestra en la Fig. 4 tan sólo un lado de la estructura interna de las bandejas de condensación. Sin embargo, en resumen, las distintas bandejas de condensación y los distintos conductos/canales están dispuestos para impedir que el condensado se deposite sobre la base de membrana hidrofílica 14 y para hacer que dicho condensado se reúna dentro del pozo colector de agua 16. A fin de mejorar adicionalmente el funcionamiento de las bandejas de condensación 50-55, es preferible que las mismas estén acopladas al difusor de calor (realizado por la estructura del pozo colector de agua 16) y que dichas bandejas de condensación estén hechas de un material que tenga una buena conductividad térmica. Sin embargo, en cuanto a esta última exigencia se llega en general a una solución de compromiso con el peso.
La Fig. 5 muestra características adicionales pero opcionales que pueden ser incorporadas en la estructura del alambique básico para destilar agua de la Fig. 1, o en cualquiera de las estructuras más complejas que aquí se describen.
Para mejorar la estabilidad estructural global del alambique para destilar agua, pueden acoplarse (o sea que p. ej. pueden unirse selectivamente) entre la periferia del alambique para destilar agua y el pozo colector de agua 16 cuerdas estabilizadoras 70. Además, al aumentar el tamaño, puede ser ventajoso prever una atadura 72 desde el alambique para destilar agua (tal como desde el fondo del pozo colector de agua 16) hasta un ancla flotante o algo similar. Esta atadura 72 puede opcionalmente actuar como un conducto para retirar agua del pozo colector de agua 16.
Otra posible variante de diseño puede realizarse mediante el uso de un aspa rotativa 74 accionada por el viento, acoplada mecánicamente a la columna central 22 y dispuesta para a través de un eje adecuado accionar a un ventilador 76 situado en el interior. A pesar de que aumenta la complejidad de la mecánica de toda la estructura, hay un mejoramiento de la velocidad de circulación del aire con alto contenido de humedad dentro de la cámara 20, y entre la cámara 20 y el pozo colector de agua 16, lo cual correspondientemente estimula la condensación y mejora el flujo de aire por sobre la superficie de la membrana hidrofílica, incrementando por consiguiente la pervaporación desde la misma. Un sistema mecánico de este tipo no requiere un suministro externo de energía y es meramente dependiente del viento que a menudo sopla en las zonas costeras. Podían emplearse otras formas del ventilador 76, tales como las que aprovechan el accionamiento que proporciona la energía de las olas o la energía solar. En general, el ventilador interno 76 se dispone para hacer que circule el aire por toda la cámara 20 y en particular hacia, de una a otra parte de y a través de las superficies de condensación y el pozo colector de agua 16.
Las características opcionales que se muestran en la Fig. 6 pueden también ser incorporadas al sistema que constituye el alambique básico para destilar agua de la Fig. 1 (o a la estructura que constituye el alambique de cualquier otra Figura, si se desea). El detalle específico de la Fig. 6 muestra un sistema de bombeo 80 y la vista en sección de un pozo (o recipiente) colector de agua preferido 82. Como se ha indicado anteriormente, el pozo colector de agua 82 tiene un reborde que sobresale ligeramente con respecto a un plano de referencia sustancialmente horizontal para la base de membrana hidrofílica 14. La realización específica de la Fig. 6 también contiene al menos una toma 84-86 que está situada un poco más arriba del fondo del pozo colector de agua 82. La toma (en este caso una pluralidad de tomas) alimenta a una red de tubería 88 que está conectada al sistema de bombeo 80. Se apreciará que el agua potable que pasa el interior de la red de tubería puede también aprovechar el efecto de refrigeración y las capacidades de difusión del calor del agua circundante (en caso de haberla).
La Fig. 7 muestra un alambique 100 para destilar agua que incorpora la presente invención e incluye un adicional depósito de alimentación. Los principios constructivos han sido expuestos en general anteriormente, si bien esta realización incluye un depósito (o saco o bolsa) 102 que es sustancialmente impermeable y está acoplado a la base de membrana hidrofílica 14. El depósito (o saco) impermeable 102 incluye una abertura de entrada 104 por la cual puede ser introducida agua no limpia o de otro modo contaminada. El depósito (o saco o bolsa) impermeable 102 es en general flexible para así permitir que el agua no limpia o de otro modo contaminada sea aplicada a presión contra la base de membrana hidrofílica 14 al ser sometido a una presión por contacto con una superficie, tal como el suelo. Esta realización es particularmente aplicable en relación con un equipo de supervivencia para el desierto, puesto que la orina, que consta sustancialmente de agua, puede ser usada para llenar diariamente el depósito (o saco o bolsa) impermeable 102, asegurando la membrana hidrofílica que se obtenga del alambique 100 para destilar agua un suministro de agua potable y estéril. En uso, el depósito 102 deberá ser llenado antes del amanecer para que la alta temperatura diurna permita obtener unas altas velocidades de pervaporación a través de la base de membrana hidrofílica 14. La parte exterior en bóveda 12 puede ser entonces expuesta a las mucho más bajas temperaturas nocturnas para favorecer la condensación de agua durante la noche. Este sistema puede ser optimizado adicionalmente, por ejemplo, previendo tan sólo un pequeño espacio 20 dentro de la parte exterior en cúpula 12 para que sea optimizado el efecto de refrigeración; o incluso usando una estructura inflable inicialmente desinflada para crear el espacio de aire 20 para que el mismo se dilate al pasar el vapor de agua a través de la membrana 14. Un alternativo o adicional método de optimización es el de usar una parte del agua impura para que se evapore desde la superficie exterior de la parte exterior en cúpula 12 para refrigerar el interior de la misma y para así contribuir a la condensación.
En el contexto de la descripción, las membranas hidrofílicas que están destinadas a ser usadas en los alambiques para destilar agua de las distintas realizaciones de la presente invención son de polímeros hidrofílicos. La expresión "polímero hidrofílico" significa un polímero que absorbe agua al estar en contacto con agua líquida a temperatura ambiente según la especificación ISO 62 de la Organización Internacional de Normas (equivalente a la especificación ASTM D 570 de la Asociación Americana para Pruebas y Materiales).
El polímero hidrofílico puede ser uno o una mezcla de varios polímeros. Por ejemplo, el polímero hidrofílico podría ser un elastómero de copolieterester o una mezcla de dos o más elastómeros de copolieterester, tales como los polímeros que son suministrados por la E.I. du Pont de Nemours and Company con el nombre comercial de HYTREL®. Como alternativa, el polímero hidrofílico podría ser poliéter-poliamida en bloques o bien una mezcla de dos o más poliéter-poliamidas en bloques, tales como los polímeros de la Elf-Atochem Company de París, Francia, que son suministrados bajos el nombre de PEBAX^{MF} (MF = marca de fábrica). Otros polímeros hidrofílicos incluyen poliéter-uretanos o una mezcla de los mismos, homopolímeros o copolímeros de alcohol polivinílico y mezclas de los mismos. La anterior enumeración no se considera exhaustiva, sino meramente ejemplificativa de las posibles selecciones de la membrana hidrofílica.
Un polímero particularmente preferido para la permeación de vapor de agua en esta invención es un elastómero de copolieterester o una mezcla de dos o más elastómeros de copolieterester que tienen una pluralidad de unidades éster de cadena larga recurrentes y unidades éster de cadena corta recurrentes unidas mediante enlaces éster, estando dichas unidades éster de cadena larga representadas por la fórmula:
1
y estando dichas unidades éster de cadena corta representadas por la fórmula:
2
en las que:
a) G es un radical divalente que queda tras la remoción de grupos hidroxilo terminal de un poli(óxido de alquileno)glicol que tiene un peso molecular medio en número de aproximadamente 400-4000;
b) R es un radical divalente que queda tras la remoción de grupos carboxilo de un ácido dicarboxílico que tiene un peso molecular de menos de aproximadamente 300;
c) D es un radical divalente que queda tras la remoción de grupos hidroxilo de un diol que tiene un peso molecular de menos de aproximadamente 250; opcionalmente
d) el copolieterester contiene un 0-68 por ciento en peso, sobre la base del peso total de copolieterester, de grupos óxido de etileno incorporados en las unidades éster de cadena larga del copolieterester;
e) el copolieterester contiene aproximadamente un 25-80 por ciento en peso de unidades éster de cadena corta.
La película de polímero preferida es adecuada para ser convertida en delgadas pero resistentes membranas, películas y recubrimientos. El polímero elastómero de copolieterester preferido y los métodos para fabricarlo son conocidos en la técnica, tal como se describe en la Patente US Nº 4.725.481 para un elastómero de copolieterester con una WVTR (WVTR = velocidad de permeación del vapor de agua) de 3500 g/m^{2}/24 h, o en la Patente US Nº 4.769.273 para un elastómero de copolieterester con una WVTR de 400-2500 g/m^{2}/24 h.
El uso de polímeros hidrofílicos comercialmente disponibles como membranas es posible en el contexto de la presente invención, si bien está claro que es preferible tener una WVTR tan alta como sea posible, puesto que el alambique para destilar agua está destinado a suministrar agua potable. Con la máxima preferencia, la presente invención usa membranas comercialmente disponibles que producen una WVTR de más de 3500 g/m^{2}/24 h, según medición efectuada en una película de un espesor de 25 micras usando aire a 23ºC y con una humedad relativa del 50% a una velocidad de 3 ms^{-1}.
El polímero puede ser combinado con estabilizadores antioxidantes, estabilizadores ultravioleta, estabilizadores contra la hidrólisis, colorantes, pigmentos, cargas, reactivos antimicrobianos y aditivos similares.
Una manera útil y perfectamente acreditada de hacer membranas en forma de películas es la de proceder a la extrusión del polímero en estado de fusión en una línea de extrusión comercial. Brevemente, esto supone calentar el polímero hasta una temperatura superior a su punto de fusión y extrusionarlo a través de una hilera plana o anular y moldear luego una película usando un sistema de rodillos o soplar la película desde el estado de fusión. Los materiales de soporte que son útiles incluyen los papeles, las telas y las mallas tejidos, no tejidos o ligados y los polímeros inorgánicos estables a la humedad, tales como el polietileno, el polipropileno, la fibra de vidrio y materiales similares. El material de soporte sirve tanto para incrementar la resistencia como para proteger la membrana. El material de soporte puede estar dispuesto en tan sólo un lado de la membrana de polímero hidrofílico, o bien en ambos lados. Cuando dicho material de soporte esté dispuesto en tan sólo un lado, el material de soporte podrá estar en contacto con el agua o bien apartado de la misma. Típicamente, el material de soporte es formado en el lado exterior del alambique para destilar agua, para así mejor proteger a la membrana contra los daños físicos.
Sin pretender que la misma constituya la única teoría específica válida, se cree que el efecto purificante de la membrana hidrofílica, realizada ya sea en forma de un recubrimiento o bien en forma de una membrana sin soporte, al estar la misma en contacto con agua que puede contener impurezas en suspensión o en solución, sólidos y emulsiones, se produce debido al hecho de que las moléculas altamente dipolares, tales como las de agua, son preferencialmente absorbidas y transportadas a través de la membrana o recubrimiento, a diferencia de los iones, tales como los de sodio y cloruro. Cuando adicionalmente existe un gradiente de presión de vapor de una a otra parte de la membrana, el agua es liberada del lado que no está en contacto con la fuente de agua, pudiendo dicha agua liberada ser condensada para así obtener agua potable y agua para usos agrícolas, hortícolas, industriales y de otro
tipo.
En relación con las membranas hidrofílicas que se usan en las realizaciones preferidas de la presente invención, las características de permeación de agua se determinan en general usando el procedimiento de ensayo estándar ASTM E96-95 - Procedimiento BW (anteriormente conocido como y llamado procedimiento de ensayo ASTM E96-66 - Procedimiento BW). Estos procedimientos de ensayo estándar son usados para determinar la velocidad de permeación del vapor de agua (WVTR) de una membrana, y usan un montaje basado en una copa impermeable al agua (es decir, un "Thwing-Albert Vapometer"). La copa impermeable al agua contiene agua hasta un nivel de aproximadamente diecinueve milímetros debajo de la parte superior de la copa (específicamente, hasta un nivel de 19 mm \pm 6 mm). La boca de la copa es cerrada herméticamente con estanqueidad al agua con una membrana permeable al agua hecha del material de ensayo a medir, dejando un espacio intermedio de aire entre la superficie del agua y la membrana. En el procedimiento BW, la copa es entonces invertida, con lo cual el agua queda directamente en contacto con la membrana que se somete a ensayo. Se pone el aparato en una cámara de ensayo que está a una temperatura y humedad controlada, y entonces se sopla aire por el exterior de la membrana a una velocidad especificada. Los experimentos se efectúan por duplicado. Se miden a lo largo de un periodo de tiempo de varios días los pesos de los conjuntos formados por las copas, el agua y las membranas, y se promedian los resultados. La velocidad a la cual se produce la permeación del vapor de agua a través de la membrana es la llamada "velocidad de permeación del vapor de agua", medida como la pérdida de peso media del conjunto para un espesor de la membrana, una temperatura, una humedad y una velocidad del aire determinados, expresada como pérdida de masa por unidad de área superficial de la membrana y por unidad de tiempo. La WVTR de las membranas o películas según ASTM E96-95 - Procedimiento BW es típicamente medida en una película de un espesor de veinticinco micras y con una velocidad de circulación del aire de tres metros por segundo (3 ms^{-1}), una temperatura del aire de 23º Celsius (23ºC) y una humedad relativa del cincuenta por ciento (50%).
Ventajosamente, si se usa para hacer la base de membrana 14 un polímero hidrofílico tal como el HYTREL® (o un polímero similar), el vapor de agua que atraviesa la membrana es entonces estéril.
El alambique para destilar agua de las distintas realizaciones de la presente invención es en general sencillo de fabricar y puede ser desplegado rápidamente, de ser necesario. Además, el sencillo diseño mecánico hace que el alambique para destilar agua sea de relativamente bajo coste. Las distintas características preferidas y opcionales pueden ser mezcladas y adaptadas entre las distintas variantes de diseño que se muestran en las figuras acompañantes.
Es improbable que la cantidad de agua recogida (a lo largo de un periodo de tiempo de, digamos, veinticuatro horas) por cada alambique para destilar agua que incorpore los conceptos inventivos de la presente invención constituya una producción por unidad de área superficial tan alta como la que se obtiene en condiciones de laboratorio optimizadas. Sin embargo, esto puede compensarse incrementando el área superficial de la membrana en cada alambique para destilar agua, asegurando también al mismo tiempo que sea optimizado en la medida de lo posible el rendimiento del alambique para destilar agua, p. ej. procediendo a una eficaz remoción del vapor de agua del aire del interior de la cámara.
Con respecto a las técnicas de recogida, se contempla que pueden conectarse unos con otros muchos alambiques para destilar agua según los distintos aspectos de la presente invención, de forma tal que haya pasajes de interconexión entre las distintas cámaras individuales, o que el agua potable condensada pueda ser recogida y retirada, es decir sacada, centralmente.
Naturalmente, se comprenderá que la anterior descripción ha sido dada tan sólo a título de ejemplo, y que pueden hacerse modificaciones de detalle dentro del alcance de la presente invención. Por ejemplo, el alambique para destilar agua de la presente invención no está limitado en cuanto a la forma ni en cuanto al tamaño. Ciertamente, la toma de agua puede lograrse usando una o varias salidas, asegurando idealmente el diseño de la salida que el agua potable tomada del pozo colector de agua 16 y los contaminantes externos respectivamente no vuelva a entrar y no entren en el pozo colector de agua 16. A este último respecto, la toma podría ser del tipo de doble ventilación. Si el alambique para destilar agua fuese empleado en una zona de bajos niveles de agua, se contempla que el pozo colector de agua podría ser considerablemente aplanado para asegurar que quede optimizado el contacto entre la fuente de agua 24 y la base de membrana hidrofílica 14. Si bien es claramente preferible que la base sumergida esté hecha por entero de material de membrana para optimizar el contacto con el agua, ésta es claramente una opción de diseño, puesto que la membrana hidrofílica podría estar incorporada dentro de un bastidor impermeable (a efectos de resistencia), para que quede en contacto con la fuente de agua 24 meramente una considerable proporción de la superficie inferior (es decir, de la base) del alambique.

Claims (7)

1. Alambique (10) para purificar agua que está adaptado para purificar agua a partir de una capa de agua contaminada (24), comprendiendo dicho alambique (10):
una parte superior en cúpula (12) que está acoplada a un elemento (14) que constituye la base en una intersección (26) impermeable al agua, estando dicha parte superior en cúpula (12) hecha de un material sustancialmente impermeable; y
un pozo colector de agua (16) que tiene propiedades de difusor del calor;
formando dicha parte superior en cúpula (12), dicho elemento (14) que constituye la base y dicho pozo colector de agua (16) una cámara (20);
siendo transmitido vapor de agua al interior de dicha cámara (20) por pervaporación de dicha capa de agua contaminada (24) en virtud del contacto con medios hidrofílicos;
flotando dicho alambique (10) para destilar agua en el agua;
estando dicho alambique (10) para destilar agua adaptado para quedar orientado en dicha capa de agua contaminada (24) de forma tal que dicho pozo colector de agua queda sumergido en dicha capa de agua contaminada (24);
caracterizado por el hecho de que
dicho material sustancialmente impermeable de la parte superior en cúpula (12) es termoabsorbente, y
de que dicho elemento (14) que constituye la base es dichos medios hidrofílicos y queda sumergido en la capa de agua contaminada (24).
2. El alambique para destilar agua de la reivindicación 1, en el que dicho depósito colector de agua (16) está unido a dicho elemento (14) que constituye la base hidrofílica.
3. El alambique para destilar agua según la reivindicación 2, que incluye adicionalmente una pluralidad de bandejas de condensación (50 - 55) formadas dentro de la cámara (20).
4. El alambique para destilar agua según la reivindicación 2, teniendo la parte superior impermeable (12) una superficie interior sobre la cual se condensan gotitas de agua, incluyendo el alambique (10) para destilar agua adicionalmente un canal periférico y un sistema de conductos (60, 62) configurados para recoger las gotitas de agua que se forman sobre la superficie interior y dispuestos para dirigir las gotitas de agua así formadas al interior del pozo colector de agua (16).
5. Alambique para destilar agua según la reivindicación 2, que incluye adicionalmente una columna central (22) que está acoplada al pozo colector de agua (16) y discurre sustancialmente hacia arriba en el interior de la cámara (20), actuando la columna central (22) como al menos uno de los miembros del grupo que consta de un soporte estructural para la parte superior sustancialmente impermeable (12), una superficie de condensación y un camino térmico.
6. Alambique para destilar agua según la reivindicación 1, en el que la membrana base hidrofílica (14) comprende un elastómero de copolieterester con una velocidad de permeación del vapor de agua de al menos 400 g/m^{2}/24 h, y preferiblemente con una velocidad de permeación del vapor de agua de más de 1000 g/m^{2}/24 h.
7. Alambique para destilar agua según la reivindicación 1, en el que dicho pozo colector de agua (16) incluye una válvula (18).
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