ES2642087T3 - Dispositivo de electrodesionización con resistencia mejorada a la formación de incrustaciones - Google Patents

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Vladimir Grebenyuk
Li Zhang
Keith J. Sims
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Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de electrodesionizacion con resistencia mejorada a la formacion de incrustaciones ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION
La invencion se refiere a un aparato para llevar a cabo la electrodesionizacion para purificar agua, y mas particularmente a un dispositivo de electrodesionizacion con resistencia mejorada a la formacion de incrustaciones.
DESCRIPCION DE LA TECNICA RELACIONADA
La electrodesionizacion (EDI) es una tecnica de desionizacion de separacion con membrana que combina las tecnicas de electrodialfsis e intercambio ionico. El aparato de purificacion de EDI tiene muchas ventajas, tales como, producir agua de forma continua, regenerar resinas de intercambio ionico sin utilizar alcalis ni acidos, funcionando automaticamente, etc. Ha resultado una alternativa estandar al lecho mezclado como el aparato de tratamiento de agua final utilizado en sistemas de preparacion de agua pura. Un aparato de EDI de tipo de placa y bastidor incluye un anodo, un catodo, membranas permeables a aniones y membranas permeables a cationes. Las membranas estan dispuestas alternativamente de tal manera que forman alternativamente compartimentos de concentracion y compartimentos de desalacion (compartimentos de dilucion) en una pila entre el anodo y el catodo. Los compartimentos de desalacion son llenados con un intercambiador ionico tal como unas perlas de resina de intercambio ionico. El lfquido que es tratado en los compartimentos de dilucion es mermado de iones mientras el lfquido en compartimentos de concentracion resulta enriquecido con los iones transferidos a traves de su membrana respectiva y los transporta en forma concentrada.
Los iones de cationes y aniones en el agua alimentada para el aparato de EDI pueden realizar intercambio ionico con el H+ y OH- en las resinas de intercambio cationico y anionico respectivamente, y por tanto se unen de manera ionica a las partfculas de resina. Los iones migran bajo la influencia del campo electrico a traves del paso de flujo ionico formado por partfculas de resina. Esto se debe a que en los sistemas de aplicacion del EDI, la conductividad electrica de la resina es varias magnitudes mas elevada que la de la solucion de agua. Los iones migran a la camara de concentracion a traves de las membranas de intercambio ionico, y por lo tanto completan el proceso de desionizacion del agua. Bajo una cierta cafda potencial, el agua es descompuesta en H+ y OH- debido a la disociacion de agua asistida en la interfaz de los dos diferentes tipos de resinas y membranas y la resina es por tanto regenerada.
Los compartimentos de dilucion son llenados con materiales solidos que intercambian iones porosos produciendo huecos entre las partfculas a traves de las cuales fluye el agua que ha de ser desionizada. Los materiales que intercambian iones son comunmente mezclas de resinas de intercambio de cationes y resinas de intercambio de aniones y fibras tejidas y no tejidas. Un conjunto de uno o mas pares de compartimentos de dilucion y concentracion, denominados como un "par de celdas", esta limitado a ambos lados por un anodo y un catodo que aplican tfpicamente un campo electrico perpendicular a la direccion general del flujo lfquido. Sin embargo, en otras configuraciones, la corriente y el lfquido fluyen en la misma direccion o en direcciones opuestas. El campo electrico aplicado hace que los aniones se muevan desde el compartimento de dilucion a traves de la membrana de intercambio de aniones al compartimento de concentracion mas cerca del anodo y los cationes se muevan desde el compartimento de dilucion a traves de la membrana de intercambio de cationes al compartimento de concentracion mas cerca del catodo. Los aniones y cationes resultan atrapados en los compartimentos de concentracion ya que el movimiento de aniones hacia el anodo es bloqueado por una membrana de intercambio de cationes, y el movimiento de cationes hacia el catodo es bloqueado por una membrana de intercambio de aniones. Un flujo de agua es establecido para eliminar los iones de los compartimentos de concentracion. El resultado neto del proceso es la eliminacion de iones desde la corriente de agua que fluye a traves de los compartimentos de dilucion y su concentracion en el agua que fluye a traves de los compartimentos de concentracion.
Tfpicamente, el agua alimentada al EDI es inicialmente tratada previamente en una operacion de osmosis inversa para reducir la carga ionica y los contaminantes coloidales en esta, antes de ser dirigidos hacia la electrodesionizacion. Esta practica prolonga la vida util de las perlas de resina utilizadas en la electrodesionizacion. Sin embargo, incluso cuando se utiliza una operacion de tratamiento previo de osmosis inversa, la concentracion de cationes de calcio y/o magnesio y de aniones de sulfato y/o carbonato pueden provocar la asf llamada "formacion de incrustaciones" en los compartimentos de concentracion debido a la precipitacion. La consecuencia de esta formacion de incrustaciones es un flujo concentrado restringido, un aumento en la resistencia electrica de la pila, una cafda en la densidad de corriente y eventualmente una disminucion aguda en la pureza del agua del producto. Esto afecta negativamente a las caracterfsticas de rendimiento aumentando el coste operativo, disminuyendo la calidad del agua producida, o haciendo el apilamiento de EDI inoperable.
Se desea tener un dispositivo y metodo de electrodesionizacion con resistencia a la formacion de incrustaciones mejorada.
El documento WO 2005/011849 A2 se refiere a un modulo de electrodesionizacion para utilizar en un aparato para purificar lfquidos acuosos para producir agua de alta pureza. El modulo tiene membranas de intercambio de aniones y cationes alternativas con la disposicion anodo-A-C-A-C-A.. ,-catodo que forma un apilamiento (empleando A para
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membrana de intercambio de aniones, C para membrana de intercambio de cationes). Siendo los compartimentos limitados A-C compartimentos de dilucion y siendo los compartimentos limitados C-A compartimentos de concentracion. La alimentacion es introducida en un compartimento de dilucion. Los compartimentos de dilucion estan conectados en serie, con entradas y salidas opuestas, dando como resultado una direccion de flujo opuesta en el siguiente compartimento de dilucion. Hay una salida de producto en el ultimo compartimento de dilucion. Los compartimentos de concentracion estan tambien conectados en serie. Los compartimentos de concentracion comprenden separadores y tejidos y los compartimentos de dilucion comprenden perlas de intercambio de iones, que funcionan tambien como separadores.
RESUMEN DE LA INVENCION
En un aspecto, la invencion esta dirigida a un aparato de electrodesionizacion segun las reivindicaciones adjuntas.
La presente invencion y sus ventajas sobre la tecnica anterior resultaran evidentes tras la lectura de la descripcion detallada siguiente y de las reivindicaciones adjuntas con referencia a los dibujos adjuntos.
Aunque las figs. 1 y 2 son para comprension general y no estan de acuerdo con la invencion, la fig. 3 representa una realizacion segun la invencion.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Las caractensticas antes mencionadas y otras caractensticas de esta invencion resultaran mas evidentes y la propia invencion sera mejor comprendida por referencia a la descripcion siguiente de realizaciones de la invencion tomadas en union con los dibujos adjuntos, en los que:
La fig. 1 ilustra una vista esquematica de un sistema para reducir contaminantes organicos recalcitrantes.
La fig. 2 ilustra una vista esquematica de un sistema para reducir contaminantes organicos recalcitrantes.
La fig. 3 ilustra una vista esquematica de un sistema para reducir contaminantes organicos recalcitrantes segun una realizacion de la invencion.
Caracteres de referencia correspondientes indican partes correspondientes a lo largo de las vistas de los dibujos. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La invencion sera ahora descrita en la descripcion detallada siguiente con referencia a los dibujos, en donde las realizaciones preferidas son descritas en detalle para habilitar la practica de la invencion.
Con referencia a la fig. 1, se ha mostrado un aparato 10 de electrodesionizacion que tiene una pluralidad de camaras 12 de dilucion y una pluralidad de camaras 13 de concentracion como sera descrito ademas a continuacion que tienen tanto resina de intercambio de aniones como resina de intercambio de cationes contenidas en ellas. Cada camara 12 de dilucion comprende en un primer compartimento 14 de dilucion y un segundo compartimento 16 de dilucion. Cada camara 13 de concentracion esta dividida en un primer compartimento 15 de concentracion y en un segundo compartimento 17 de concentracion. Como se ha visto en la fig. 1, el aparato 10 de electrodesionizacion esta hecho de grupos G repetitivos de componentes que comprenden el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion y el primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion.
El aparato 10 de electrodesionizacion incluye un compartimento 20 de anodo provisto con un anodo 22, y un compartimento 24 de catodo espaciado del compartimento de anodo y provisto con un catodo 25. Cada uno de los compartimentos 20, 24 esta configurado para recibir un flujo de material 26 electrolftico, tal como agua o una solucion acuosa alimentada. El anodo 22 y el catodo 25 estan configurados para acoplarse a una fuente de alimentacion de corriente continua para producir una diferencia de potencial electrico entre el anodo 22 y el catodo 25 y por lo tanto influir en el transporte de material ionico en un medio ftquido y en un medio de intercambio de iones por la influencia de la diferencia de potencial electrico. Ya que el compartimento 20 de anodo y el compartimento 24 de catodo pueden, en algunos casos, estar dispuestos adyacentes a una camara 13 de concentracion, los compartimentos 20 y 24 pueden ser considerados tambien como camaras 12 de dilucion.
El compartimento 20 de anodo y/o el compartimento 24 de catodo son considerados una camara 12 de dilucion, y el compartimento 20 de anodo y/o el compartimento 24 de catodo estan configurados para recibir la solucion 40 de alimentacion. El compartimento 20 de anodo y/o el compartimento 24 de catodo es considerado una camara 13 de concentracion, y el compartimento 20 de anodo y/o el compartimento 24 de catodo esta configurado para recibir la primera solucion 51 de concentracion o la segunda solucion 55 de concentracion.
En la fig. 1, el compartimento 20 de anodo esta configurado como una camara 12 de dilucion y recibe la solucion 40 de alimentacion. Sin embargo, el compartimento 24 de catodo, que no esta configurado ni como una camara 12 de dilucion ni como una camara 13 de concentracion, recibe un flujo de material 26 electrolftico.
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Una pluralidad de membranas 28 de intercambio de aniones y de membranas 30 de intercambio de cationes estan dispuestas alternativamente entre el compartimento 20 de anodo y el compartimento 24 de catodo para formar el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion y el primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion. Como se ha utilizado aqm, el termino "membrana de intercambio de aniones" significa una membrana que esta configurada para permitir preferentemente el transporte de aniones sobre el de cationes desde el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion al primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion y el termino "membrana de intercambio de cationes" significa una membrana que esta configurada para permitir preferentemente el transporte de cationes sobre el de aniones desde el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion al primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion durante el funcionamiento del aparato 10 de electrodesionizacion. Los flujos ionicos ilustrados a traves de las membranas 28, 30 en la fig. 1 estan limitados a iones de Sodio, Calcio, Hidrogeno, Hidroxido, Cloruro y Carbonato por razones de simplicidad. Un experto en la tecnica comprendera que otros iones senan transferidos de una manera similar.
Cada uno del primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion estan limitados por una membrana 28 de intercambio de aniones en el lado del anodo (es decir, el lado mas cercano al anodo 22) y una membrana 30 de intercambio de cationes en el lado del catodo (es decir, el lado mas cercano al catodo 25). Cada uno del primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion estan limitados por una membrana 30 de intercambio de cationes en el lado del anodo y una membrana 28 de intercambio de aniones en el lado del catodo. Las membranas 28 de intercambio de aniones estan configuradas para permitir el transporte preferencial de aniones a los compartimentos 15, 17 de concentracion. Las membranas 30 de intercambio de cationes estan configuradas para permitir el transporte preferencial de cationes a los compartimentos 15, 17 de concentracion. La fig. 1 muestra el aparato 10 de electrodesionizacion con tres grupos G repetitivos. Un experto en la tecnica entendera que el numero de grupos repetitivos puede ser mas o menos.
Los componentes mostrados en la fig. 1 son montados juntos como un apilamiento entre placas de presion (no mostrada) mantenidas juntas por pernos o un cilindro hidraulico o en un alojamiento que contiene los componentes y proporciona multiples para dirigir el lfquido entrante a y el lfquido saliente desde los compartimentos 14, 16 de dilucion y los compartimentos 15, 17 de concentracion. Los compartimentos 14, 16 de dilucion y los compartimentos 15, 17 de concentracion estan tipicamente entre alrededor de 1,0 mm a 10,0 mm de grosor, y hay tipicamente alrededor de 10 a 300 compartimentos de dilucion en el aparato 10. El area de la superficie de cada membrana 28, 30 de intercambio esta tipicamente entre alrededor de 0,5 (0.0465 m2) y 5,0 pies cuadrados (0.465 m2).
Una solucion 40 de alimentacion (tipicamente la salida de agua del producto de un aparato de RO) entra en la entrada 42 del primer compartimento 14 de dilucion. El primer compartimento de dilucion esta separado por la membrana 30 de intercambio de cationes del primer compartimento 15 de concentracion y por la membrana 28 de intercambio de aniones del segundo compartimento 17 de concentracion. De manera deseable, una porcion mayor de contaminantes ionicos presentes en la solucion 40 de alimentacion es transferida al primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion adyacentes durante el trayecto a traves del primer compartimento 14 de dilucion. Asf, la mayona de cationes senan transferidos al primer compartimento 15 de concentracion y la mayona de aniones senan transportados al segundo compartimento 17 de concentracion.
En una realizacion, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es mayor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion. En otra realizacion, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es de alrededor de dos a cuatro veces mayor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion. En una realizacion adicional, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es de alrededor de cuatro a ocho veces mayor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion.
Ademas, en otra realizacion, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es menor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion. En otra realizacion, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es aproximadamente dos a cuatro veces menor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion. En una realizacion adicional, el grosor del primer compartimento 14 de dilucion es alrededor de cuatro a ocho veces menor que el grosor del segundo compartimento 16 de dilucion.
Despues de pasar a traves del primer compartimento 14 de dilucion, la solucion de alimentacion entra en el segundo compartimento 16 de dilucion. Durante esta etapa, son eliminados los contaminantes de traza restantes. Los iones predominantes que atraviesan a traves de las membranas 28, 30 de intercambio de aniones y de intercambio de cationes adyacentes desde el segundo compartimento 16 de dilucion son iones de hidrogeno e hidroxido producidos a partir de la division del agua. Mas particularmente, en la interfaz entre las resinas de intercambio de iones y las resinas de intercambio de iones y la membrana 28, 30 de intercambio de iones el agua es disociada activamente para formar H+ y OH-. En tal caso, parte de los iones H+ penetrara a traves de la membrana 30 de intercambio de cationes a la segunda camara 17 de concentracion y la parte de OH- penetrara a traves de la membrana 28 de intercambio de aniones a la primera camara 15 de concentracion. La superficie del lado de la camara de concentracion de la membrana 30 de intercambio de cationes exhibe comportamiento acido fuerte, que indica la existencia de una elevada concentracion de H+ local. Como comparacion, la superficie del lado de la camara de concentracion de la membrana 28 de intercambio de aniones exhibe un comportamiento alcalino fuerte, que indica la existencia de una elevada concentracion de OH-. Como resultado, la corriente en el primer compartimento 15 de concentracion transporta una mayona de cationes y tiene un pH
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elevado, y la corriente en el segundo compartimento 17 de concentracion transporta una mayona de aniones y tiene un pH bajo. La segregacion de cationes/aniones proporciona tiempos de contacto reducidos entre cationes de formacion de incrustaciones y aniones de formacion de incrustaciones de modo que se reduzca el riesgo de formacion de incrustaciones de calcio/magnesio carbonato/sulfato dentro del aparato de electrodesionizacion.
La solucion 40 de alimentacion es purificada en el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion y es descargada como un flujo del lfquido purificado a traves de la salida 48. El primer compartimento 15 de concentracion esta configurado para recibir un primer flujo 51 de concentracion de lfquido, tal como agua o una solucion acuosa, que acepta los iones que transporta desde el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion adyacentes, fuera del primer compartimento 15 de concentracion. Un flujo 53 de lfquido, que esta concentrado en estos iones, es descargado desde el primer compartimento 17 de concentracion. El segundo compartimento 17 de concentracion esta configurado para recibir un segundo flujo 55 de concentracion del lfquido, tal como agua o una solucion acuosa, que acepta los iones que transporta desde el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion adyacentes, fuera del segundo compartimento 17 de concentracion. Un flujo 59 de lfquido, que esta concentrado en estos iones, es descargado desde el segundo compartimento 17 de concentracion. El lfquido que fluye a traves del primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion puede fluir en una direccion a favor de corriente o contracorriente o transversal a la corriente, u otras posibles configuraciones de flujo, con relacion al lfquido de la solucion 40 de alimentacion que fluye a traves del primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion.
Como se ha ilustrado en la fig. 2, un grupo G repetitivo consiste de un primer separador 114 de compartimento de dilucion y un segundo separador 116 de compartimento de dilucion para diluir corrientes, un primer separador 115 de compartimento de concentracion y un segundo separador 117 de compartimento de concentracion para concentrar corrientes, dos membranas 30 de intercambio de cationes y dos membranas 28 de intercambio de aniones. Los separadores 114, 115, 116, 117 y las membranas 28, 30 estan colocados de manera alternativa. Las membranas 28, 30 de intercambio de aniones y cationes son sustancialmente impermeables para flujo lfquido y corrientes separadas en separadores adyacentes. Cada separador tiene orificios que permiten la entrada y salida de corriente correspondiente o que proporcionan conexion aislada para otras corrientes como sera descrito a continuacion.
El grupo G comprende (de arriba a abajo) el primer compartimento 14 de dilucion, la membrana 30 de intercambio de cationes, el primer compartimento 15 de concentracion, la membrana 28 de intercambio de aniones, el segundo compartimento 16 de dilucion, la membrana 30 de intercambio de cationes, el segundo compartimento 17 de concentracion, y una membrana 28 de intercambio de aniones. La solucion 40 de alimentacion entra en el primer compartimento 14 de dilucion a traves del orificio 120 mostrado en la esquina frontal derecha del primer separador 114 del compartimento de dilucion y sale a traves de los dos orificios 122 sobre las esquinas mas alejadas del primer separador del compartimento de dilucion. Las flechas indican la direccion de la corriente. La mayona de cationes presentes en la solucion de alimentacion entrante son transferidos a traves de la membrana 30 de intercambio de cationes a la corriente de concentrado en el primer compartimento 15 de concentracion. Los orificios 122 de salida del primer compartimento 14 de dilucion estan conectados hidraulicamente con orificios 124 de entrada del segundo compartimento 16 de dilucion. Los orificios 124 estan mostrados en las esquinas mas alejadas del segundo separador 116 del compartimento de dilucion que forma el segundo compartimento 16 de dilucion. Las flechas muestran la direccion del flujo en el segundo compartimento 16 de dilucion. La corriente tratada esta saliendo del segundo compartimento 16 de dilucion a traves del orificio 128 mostrado en la esquina cercana a la izquierda. El primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion tienen corrientes que fluyen en paralelo a traves de los separadores 115, 117 correspondientes como se ha mostrado por las flechas de flujo. Las corrientes de concentracion tienen el orificio 130 de entrada comun (lado lejano, en el centro) y el orificio 132 de salida comun (lado cercano, en el centro).
Los orificios en los separadores, la colocacion relativa del separador, y otra conexion hidraulica necesaria permiten al primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion estar conectados en serie y al primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion estar conectados en paralelo todos dentro de cada grupo G repetitivo de componentes. De manera deseable, los parametros operativos del aparato 10 de electrodesionizacion son elegidos de tal manera que una fraccion sustancial de los iones que forman la incrustacion en la solucion 40 de alimentacion son transferidos al primer y segundo compartimentos 15, 17 de concentracion adyacentes desde el primer compartimento 14 de dilucion.
Un experto en la tecnica entendera que la corriente en el primer compartimento 14 de dilucion puede fluir a contracorriente o a favor de corriente a la corriente en el segundo compartimento 16 de dilucion, la corriente en el primer compartimento 15 de concentracion puede fluir a contracorriente o a favor de corriente a la corriente en el primer compartimento 14 de dilucion, la corriente en el primer compartimento 15 de concentracion puede fluir a contracorriente o a favor de corriente a la corriente en el segundo compartimento 17 de concentracion. Adicionalmente, el primer compartimento 14 de concentracion y el segundo compartimento 17 de concentracion pueden ser combinados de nuevo en su lugar, en donde la division/recombinacion de agua inducida electricamente esta ausente o puede ser mantenida de manera separada en el apilamiento y ser evaluada a traves de los orificios separados. El primer compartimento 15 de concentracion y el segundo compartimento 17 de concentracion pueden ser alimentados desde la misma fuente o pueden ser alimentados desde fuentes diferentes. El flujo de concentrado (al menos uno de los dos) puede ser alimentado por alimentacion diluida. Se contempla tambien que el flujo de concentrado (al menos uno de los dos) es alimentado por agua de producto diluida, o que el flujo de concentrado (al menos uno de los dos) es alimentado por agua
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de producto intermedia obtenida desde entre el primer y segundo compartimentos 14, 16 de dilucion. Alternativamente, el flujo de concentrado (al menos uno de los dos) puede ser alimentado por una fuente independiente de agua de baja dureza/de bajo contenido de carbono inorganico.
Los separadores 114, 115, 116, 117 estan interpuestos entre las membranas 28, 20 de intercambio de aniones y cationes alternativas de modo que mantengan la separacion entre las membranas 28, 20 de intercambio de aniones y cationes opuestas y por tanto proporcionar compartimentos 14, 15, 16, 17 con trayectos de flujo respectivos para el flujo de lfquido. Los separadores 114, 115, 116, 117 pueden incluir una malla, en donde la malla esta prevista para mantener la separacion entre las membranas opuestas, o una membrana opuesta y un conjunto de bastidor final, de las camaras de concentracion del aparato 10 de electrodesionizacion, y por tanto facilitar la provision de un trayecto de flujo de fluido dentro de los compartimentos de concentracion. Se entiende que los compartimentos de concentracion que contienen material de intercambio de iones no requieren necesariamente separadores con malla, ya que el material de intercambio de iones dentro de los compartimientos de concentracion facilita la provision de un trayecto de flujo en los compartimentos. Tal disposicion de resina de intercambio de iones de camara de concentrado puede ser encontrada en el documento US20080073215A. Una vez dicho esto, los compartimentos de concentracion cuya construccion incluye separadores con malla no son excluidos. Por consiguiente los separadores adecuados incluyen separadores con o sin una malla.
La fig. 3 es la realizacion segun la invencion del aparato 10' de electrodesionizacion. La fig. 3 muestra un unico grupo G repetitivo de componentes; sin embargo, un experto en la tecnica entendera que pueden disponerse mas grupos como un apilamiento en el aparato 10'. Un separador 212 (superior) del compartimento de dilucion tiene un orificio 220 de entrada en la esquina derecha proxima y sale a traves de un orificio 222 de salida en la esquina lejana izquierda. La primera mitad de este separador 212 de compartimento de dilucion forma un primer compartimento 214 de dilucion que opera de una manera similar a la operacion del primer compartimento 14 de dilucion descrito anteriormente. La segunda mitad del separador 214 de compartimento de dilucion forma un segundo compartimento 216 de dilucion que es similar al segundo compartimento 16 de dilucion en el ejemplo previo.
Un separador 213 de concentracion adyacente al separador 212 del compartimento de dilucion tiene un orificio 230 de entrada de concentrado en el centro del separador 213 y la corriente de concentracion entrante se divide en dos direcciones de flujo. El separador 213 del compartimento de concentracion forma un primer compartimento 215 de concentracion que recibe una porcion de la corriente dirigida en una primera direccion como se ha representado por las flechas de flujo 260 y forma un segundo compartimento 217 de concentracion que recibe una segunda porcion de la corriente dirigida en una segunda direccion como se ha representado por las flechas de flujo 262. El flujo 260 dirigido en la primera direccion es similar al flujo en el primer separador 115 de la fig. 2. Este flujo aceptarfa la mayona de cationes procedentes de la corriente de diluido por encima de el y la mayona de los hidroxidos procedente del flujo de diluido por debajo. El flujo 262 dirigido en la segunda direccion sena similar al flujo en el segundo separador 117 de compartimento de concentracion de la fig. 2. Estana recogiendo aniones procedentes de la corriente de dilucion por debajo e iones de hidrogeno procedentes de la corriente de dilucion por encima de ella. Los otros dos separadores 212' y 213' en la fig. 3 acomodan flujos similares a los flujos en los separadores 212 y 213, pero dirigidos en la direccion opuesta. Las condiciones de operacion permiten de manera deseable la transferencia de una mayona de los iones que forman incrustaciones dentro de un primer compartimento 215 de dilucion.
El ejemplo de membranas 28, 30 permeables de iones adecuadas incluye membranas de intercambio de iones heterogeneas y membranas permeables de iones homogeneas. Las membranas permeables de iones heterogeneas adecuadas incluyen, por ejemplo, Membranes International CMI-7000™ (una membrana de intercambio de cationes) y Membranes International AMI-7001S™ (una membrana de intercambio de aniones). La membrana permeable de iones homogenea adecuada incluye, por ejemplo, CR67HMP™ de GE Infrastructure Water and Process Technologies (antes IONICS) (una membrana de intercambio de cationes) y A103QDP™ de GE Infrastructure Water and Process Technologies (antes IONICS) (una membrana de intercambio de aniones). Se pueden proporcionar materiales de intercambio de iones fijos en hebras de materiales de intercambio de aniones y cationes combinados en telas tejidas, telas no tejidas (hebras orientadas aleatoriamente) o redes extruidas. Los materiales de intercambio de iones fijos podnan ser proporcionados tambien por espuma de celda abierta y por partfculas de intercambio combinadas. Las hebras utilizadas en las telas pueden tener tambien una variedad de formas. Las hebras pueden estar hechas en la forma de un haz de multiples filamentos, en la forma de hebras trenzadas, y en la forma de un filamento de partfcula de intercambio combinado, que esta hecho de partfculas de intercambio de cationes y partfculas de intercambio de aniones que son mantenidas juntas por adhesivo. La espuma de celda abierta incluye partfculas de intercambio de cationes, partfculas de intercambio de aniones y adhesivo y tiene una red interconectada de pasos de flujo a traves de ella. Las partfculas de intercambio de iones combinadas estan hechas de partfculas de intercambio de cationes, partfculas de intercambio de aniones y adhesivo y son lo suficientemente grandes para provocar una cafda de presion aceptablemente baja en los canales de flujo. En algunas realizaciones los materiales de intercambio de iones no son mezclados, sino que en su lugar incluyen solamente materiales o partfculas de intercambio de aniones o materiales o partfculas de intercambio de cationes en un canal entre las membranas o la region en un canal entre las membranas. Es posible tambien utilizar intercambio de iones empaquetado en los canales de dilucion y concentracion en los que el material de intercambio de iones es fijado en su lugar por compresion de los materiales de modo que limiten el movimiento del material en el dispositivo, vease el documento US 5.961.805.
En una realizacion, el material de intercambio de iones esta dispuesto dentro de cada uno de los compartimentos 14, 16 de dilucion y de los compartimentos 15, 17 de concentracion. Por ejemplo el material de intercambio de iones es mezclado con material de intercambio de iones. Ejemplos de formas adecuadas de materiales de intercambio de iones incluyen perlas, partfculas de forma irregular, fibras, cilindros, tejidos, o monolitos porosos. Los materiales de intercambio 5 de iones pueden incluir tanto materiales naturales como sinteticos.
Como se ha utilizado en este documento, el termino "material de intercambio de aniones" significa material que es preferentemente conductor a especies anionicas. A este respecto, tal material es configurado para intercambiar de manera selectiva especies anionicas presentes en el material por especies anionicas procedentes del lfquido que lo rodea y facilitar la migracion de las especies anionicas intercambiadas bajo un campo electrico aplicado. Ejemplos de 10 material de intercambio de aniones incluyen perlas sinteticas de poliestireno reticulado con divinil benceno, siendo hechas funcionales tales perlas con grupos de trimetilamonio o de dimetiletanolamonio (por ejemplo, Mitsubishi DIAION SA10A™ o Mitsubishi DlAlON SA20A™). Como se ha utilizado en este documento, el termino "material de intercambio de cationes" significa material que es preferentemente conductor a especies cationicas. A este respecto, tal material es configurado para intercambiar de manera selectiva especies cationicas presentes en el material por especies cationicas 15 del lfquido que lo rodea y facilitar la migracion de las especies cationicas intercambiadas bajo un campo electrico aplicado. Ejemplos de material de intercambio de cationes adecuado incluye perlas sinteticas de poliestireno reticulado con divinil benceno, siendo hechas funcionales tales perlas con grupos de acido sulfonico (por ejemplo, Mitsubishi DIAION SK-1B™).

Claims (11)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Un aparato (10') de electrodesionizacion que comprende:
    un compartimento (20) de anodo provisto con un anodo (22);
    un compartimento (24) de catodo espaciado del compartimento de anodo y provisto con un catodo (25), en el que el anodo y el catodo estan configurados para acoplarse a una fuente de alimentacion de corriente continua para producir una diferencia de potencial electrico entre el anodo y el catodo y por lo tanto influir en el transporte de material ionico en un medio lfquido y en un medio de intercambio de iones por la influencia de la diferencia de potencial electrico;
    una entrada de alimentacion que recibe una solucion de alimentacion;
    una salida de producto de agua;
    una pluralidad de membranas (28) de intercambio de aniones y una pluralidad de membranas (30) de intercambio de cationes dispuestas alternativamente entre el compartimento de anodo y el compartimento de catodo; y
    una pluralidad de separadores (212, 213, 212', 213'), en la que dichos separadores y dichas membranas de intercambio de aniones y cationes estan dispuestas para formar un primer compartimento (214) de dilucion que recibe una solucion de alimentacion procedente de la entrada (220) de alimentacion, un segundo compartimento (216) de dilucion en serie con el primer compartimento (214) de dilucion y que entrega agua producida a la salida (222) de agua producida, un primer compartimento (215) de concentracion, y un segundo compartimento (217) de concentracion, en el que el primer y el segundo compartimentos (214, 216) de dilucion estan limitados por una membrana (28) de intercambio de aniones en el lado mas cercano al anodo y por una membrana (30) de intercambio de cationes en el lado mas cercano al catodo, y el primer y segundo compartimentos (215, 217) de concentracion estan limitados por una membrana de intercambio de cationes en el lado mas proximo al anodo y por una membrana de intercambio de aniones en el lado mas proximo al catodo;
    en el que dichos separadores que forman el primer y segundo compartimentos de dilucion y el primer y segundo compartimentos de concentracion y dichas membranas de intercambio de aniones y cationes juntos forman un grupo de electrodesionizacion, comprendiendo el aparato de electrodesionizacion una pluralidad de grupos (G) de electrodesionizacion repetitivos ensamblados juntos como un apilamiento;
    en el que los separadores comprenden un primer y segundo separadores (212, 212') de compartimento de dilucion y un primer y segundo separadores (213, 213') de compartimento de concentracion, en el que:
    un primero (212) de dichos separadores de compartimento de dilucion forma un primer y segundo compartimentos (214, 216) de dilucion, teniendo dicho primer separador de compartimento de dilucion un orificio de entrada (220) en un extremo y un orificio (222) de salida en un extremo opuesto, donde una primera parte del primer separador de compartimento de dilucion esta configurado para formar un primer compartimento (214) de dilucion que recibe solucion de alimentacion desde su entrada (220) de alimentacion y un segundo compartimento (216) de dilucion que recibe solucion de alimentacion desde dicho primer compartimento de dilucion,
    un segundo (212') de dichos separadores de compartimento de dilucion configurados de tal modo que sus orificios (220, 222) de entrada y salida estan en extremos opuestos al del primer separador (212) de compartimento de dilucion y ademas configurados de tal modo que el flujo a traves del segundo compartimento de dilucion esta en la direccion opuesta comparado al flujo en el primer separador de compartimento de dilucion, en el que dicho segundo separador de compartimento de dilucion forma un primer y segundo compartimentos de dilucion configurados en serie; y
    cada uno de dichos separadores (213, 213') tiene un orificio de entrada (230) que recibe corriente de concentrado en el centro del separador de concentracion, estando configurado el separador de concentracion de tal modo que dirige la corriente de concentrado entrante en dos direcciones de flujo (260, 262), en que el separador (213, 213') de compartimento de concentrado forma el primer y segundo compartimentos (215, 217) de concentrado, que estan configurados de tal modo que el primer compartimento de concentracion recibe una primera parte de la corriente de concentrado dirigida en una primera direccion (260), y el segundo compartimento de concentracion recibe una segunda parte de la corriente dirigida en una segunda direccion (262).
  2. 2. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que el grupo de electrodesionizacion tiene una primera y segunda membranas (30) de intercambio de cationes y una primera y segunda membrana (28) de intercambio de aniones y esta dispuesto con la primera membrana de intercambio de cationes adyacente al primer separador (212) de dilucion, el primer separador (213) del compartimento de concentrado adyacente a la primera membrana de intercambio de cationes, la primera membrana de intercambio de aniones adyacente al primer separador (213) del compartimento de concentrado, el segundo separador (212') del compartimento de dilucion adyacente a la primera membrana de intercambio de aniones, la segunda membrana de intercambio de cationes adyacente al segundo separador (212') del compartimento de dilucion, el segundo separador (213') adyacente a la segunda membrana de intercambio de cationes, y la segunda membrana de intercambio de aniones adyacente al segundo separador (213') del compartimento de
    5
    10
    15
    20
    25
    concentrado.
  3. 3. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, configurado de tal modo que una parte mayoritaria de contaminantes ionicos presentes en la solucion alimentada es transferida al primer y segundo compartimentos (215, 217) de concentracion durante un trayecto a traves del primer compartimento (214) de dilucion del primer y segundo separadores (212, 212') del compartimento de dilucion de tal modo que una mayona de cationes son transferidos al primer compartimento (215) de concentrado y una mayona de los aniones son transportados al segundo compartimento (217) de concentrado.
  4. 4. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 3, configurado de tal modo que el primer compartimento (215) de concentrado transporta una mayona de cationes y tiene un pH elevado, y el segundo compartimento (217) de concentrado transporta una mayona de aniones y tiene un pH bajo para reducir la formacion de incrustaciones dentro del aparato de electrodesionizacion.
  5. 5. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que los compartimentos (214, 216) de dilucion y los compartimentos (215, 217) de concentracion son de entre alrededor de 1,0 mm y 10,0 mm de grosor.
  6. 6. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es mayor que el grosor de dicho segundo compartimento (216) de dilucion.
  7. 7. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es de alrededor de dos a cuatro veces mayor que el grosor de dicho segundo compartimento (216) de dilucion.
  8. 8. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es de alrededor de cuatro a ocho veces mayor que el grosor de dicho segundo compartimento (216) de dilucion.
  9. 9. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 1, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es menor que el grosor de dicho segundo compartimento (216) de dilucion.
  10. 10. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 9, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es alrededor de dos a cuatro veces menor que el grosor de dicho segundo compartimento (216) de dilucion.
  11. 11. El aparato de electrodesionizacion de la reivindicacion 9, en el que el grosor de dicho primer compartimento (214) de dilucion es alrededor de cuatro a ocho veces menor que el grosor del segundo compartimento (216) de dilucion.
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