ES2978452T3

ES2978452T3 - Un método para producir agua ultrapura

Info

Publication number: ES2978452T3
Application number: ES18703607T
Authority: ES
Inventors: Ichiro Kano; Gabriela Dima; Yann Ratieuville
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: CN110300734A; EP3580179A1; WO2018146318A1; JP2020506050A; JP7132932B2; EP3580179B1; US20200024156A1; US11629071B2

Abstract

La presente invención se refiere a un método para producir agua purificada que comprende una etapa (a) de pasar agua a través de un primer intercambiador de iones de lecho mixto que comprende perlas que tienen un diámetro de entre 0,5 y 0,7 mm y una etapa (b) de pasar agua a través de un segundo intercambiador de iones de lecho mixto que comprende perlas que tienen un diámetro de menos de 0,5 mm. La invención se refiere además a un módulo que comprende el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto y a un sistema de tratamiento de agua para producir agua ultrapura que comprende el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un método para producir agua ultrapura

La presente invención se relaciona con un método para producir agua purificada que comprende un paso (a) de hacer pasar agua a través de un primer intercambiador de iones de lecho mixto y un paso (b) de hacer pasar agua a través de un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de partícula de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, caracterizado porque el paso (a) se realiza antes del paso (b), y caracterizado porque la relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5. La invención se relaciona además con un sistema de tratamiento de agua para producir agua ultrapura que comprende un primer y un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, en donde el primer intercambiador de iones de lecho mixto precede al segundo intercambiador de iones de lecho mixto, caracterizado porque la relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5.

El agua ultrapura de laboratorio se prepara a partir de agua municipal a través de una combinación de varias tecnologías. Típicamente son el carbón activo, la ósmosis inversa, las resinas de intercambio iónico, la micro/ultrafiltración, la irradiación ultravioleta y la microfiltración de grado estéril los que se usan solos o en combinación para purificar el agua. El pulido del agua ultrapura es el último paso de la purificación del agua. Milli-Q® (un producto comercial de Merck KGaA, Darmstadt, Alemania) emplea resinas de intercambio iónico, carbón activado, una lámpara UV germicida y/o de fotooxidación, microfiltración y/o ultrafiltración.

El agua ultrapura (o agua de tipo 1) típicamente es caracterizada por una resistividad mayor a 18 MQ-cm (a 25 °C) y un valor de compuesto orgánico total (TOC, por sus siglas en inglés) menor a 20 partes por billón (ppb). El agua de tipo 2 se caracteriza típicamente por una resistividad mayor a 1,0 MQ-cm y un valor de TOC menor a 50 ppb. El agua de tipo 3 es el agua de laboratorio de grado más bajo, recomendada para enjuagar cristalería o calentar baños, por ejemplo, o para alimentar sistemas de agua de laboratorio de tipo 1. Se caracteriza por una resistividad mayor a 0,05 MQ-cm y un valor de TOC menor a 200 ppb.

En la técnica actual, el paso final de pulido en la producción de agua ultrapura se realiza usando medios de intercambio iónico que permiten la eliminación de aniones y cationes.

Los intercambiadores de iones, también llamados resinas de intercambio iónico a lo largo de esta invención, son conocidos y probados para eliminar impurezas iónicas del agua en la producción de agua pura y ultrapura. Típicamente son esferas de estireno polimerizadas esféricamente con 0 a 16 % de reticulación de divinilbenceno, funcionalizadas por sulfonación para el intercambio catiónico y por aminación para el intercambio aniónico, y regeneradas por soluciones ácidas fuertes y básicas fuertes, respectivamente, u otras técnicas tales como la regeneración electroquímica. En lo sucesivo, los términos “resina” o “esfera de resina” se usan para el material de intercambio iónico propiamente dicho (es decir, las esferas de intercambio iónico), y los términos “ lecho de resina” o “capa de resina” se usan para el lecho de resina que se va a usar en una disposición específica. La “resina” es típicamente un medio mixto de resinas de intercambio aniónico y catiónico en una proporción de mezcla adecuada que resulta en una capacidad igual para ambos tipos de iones o una capacidad asimétrica para aplicaciones específicas del agua. Las resinas que se van a usar para la producción de agua pura y ultrapura requieren un alto grado de regeneración, tal como de 95 a 99 %, o incluso mayor. Esto significa que este porcentaje de sitios de intercambio iónico se regenera a la forma H para el intercambio de cationes y a la forma OH para el intercambio de aniones. Para el pulido de agua ultrapura se requiere una alta pureza de la resina, es decir, con un contenido muy bajo de contaminantes, así como una lixiviación extremadamente baja de carbono orgánico total. Por esta razón, las resinas típicamente son más purificadas.

La desionización del agua para la producción de agua pura y ultrapura en la ciencia y la industria se realiza típicamente por esferas de resina de intercambio iónico. El tamaño de los cartuchos de desionización depende de la tasa de flujo prevista, del volumen que se vaya a tratar y de la calidad del agua producida. Por ejemplo, un cartucho desechable para un pequeño sistema de agua de laboratorio puede contener de 1 a 3 L de resina, mientras que un frasco de resina para una gran escala industrial típicamente contiene de 5 a 20 L de resina.

Hoy en día, las resinas granulares tipo esfera son los únicos medios disponibles en la industria y el mercado. Todos los medios granulares comprenden partículas de alrededor de 600 a 700 pm de diámetro, siendo el tamaño estándar en el uso industrial de la desionización del agua por intercambio iónico. Típicamente, cuando se usa agua municipal pretratada por ósmosis inversa (5-25 pS/cm de conductividad) para alimentar un sistema de agua ultrapura, la altura de la columna del cartucho debe ser de 700 a 1000 mm para conseguir una calidad de agua que presente una resistividad de 18,2 MQ-cm. Con el fin de permitir un tiempo de contacto adecuado para eliminar los iones en un tratamiento de una sola pasada, se determina el diámetro del cartucho. Por ejemplo, el anterior sistema Milli-Q® (Millipore) con 4 cubetas tiene un diámetro interior de cartucho de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 900 mm, lo que refleja la altura mínima necesaria del lecho de resina para conseguir una calidad de agua ultrapura. La reducción de la altura del cartucho puede resultar en una disminución de la calidad del agua (es decir, no se puede alcanzar el grado ultrapuro) o en una disminución de la vida útil del cartucho.

En la vida útil de un cartucho de intercambio iónico para la desionización del agua, se pueden definir tres zonas, como se ilustra en la Figura 8. La altura mínima del lecho de resina se denomina “zona de intercambio iónico”, que es la responsable de conseguir la calidad del agua esperada. La altura es variable en función de la calidad de la alimentación de agua, la velocidad y la calidad del efluente objetivo. Un cartucho de tratamiento de agua con solamente esta zona de intercambio iónico rinde lo suficiente para conseguir la calidad del agua, pero con una capacidad nula. Cuando se continúa con el tratamiento del agua, esta zona avanza debido a la saturación del lecho de resina. La altura de la zona depende de la cinética de la resina: Una resina cinética más rápida tiene una zona más corta, una resina cinética más lenta una zona más larga. La zona cadena arriba de esta zona de intercambio se denomina “zona de capacidad”. Cuanto más larga sea esta zona, mayor será la capacidad obtenible.

Esto significa que, en la técnica actual, el tamaño del cartucho solamente se puede reducir al disminuir la zona de capacidad, lo que reduce la capacidad del cartucho; mientras que la zona de intercambio iónico no se puede acortar sin perder calidad de agua. La única forma de reducir esta zona es mejorar la cinética de la resina. La última zona de intercambio iónico cadena abajo se llama “zona de eliminación de trazas”, que se usa especialmente para cartuchos usados en sistemas de agua ultrapura de laboratorio. Esta zona garantiza un agua ultrapura libre de oligoelementos que no pueden ser detectados tempranamente por un indicador de calidad del agua tal como un resistivímetro.

Ha habido algunos intentos de mejorar la cinética de tales medios de intercambio iónico estándar con el fin de proporcionar soluciones de pulido de mejor rendimiento. Varios de los documentos del estado de la técnica proponen usar medios de intercambio iónico de esferas pequeñas para mejorar su cinética. A este respecto, es evidente que los medios de adsorción de menor tamaño presentan una cinética más rápida debido a su mayor superficie de contacto por volumen de lecho. Al mismo tiempo, esto resulta en la desventaja de una mayor presión hidráulica.

Típicamente, la reducción del diámetro de las esferas de resina de intercambio iónico de 550 a 250 pm aumentaría la caída de presión por aproximadamente 5 veces. Las esferas de menor tamaño permiten una cinética dos veces más rápida, pero con una tensión hidráulica 4 veces mayor. En la configuración del sistema hidráulico, la caída de presión es uno de los parámetros más importantes que determinan el tamaño de la bomba, que es el componente que más energía consume. Desde un punto de vista teórico, una doble presión requiere el doble de potencia, lo que también influye en todas las pérdidas eléctricas y mecánicas. Además, una mayor presión aplicada a la columna de lecho de resina requiere una mayor robustez de todos los sistemas de tuberías hidráulicas. Los pequeños sistemas de producción de agua ultrapura en laboratorio típicamente funcionan a aproximadamente 0,2-0,3 MPa [2-3 bar] de presión con una bomba de refuerzo. Los sistemas se instalan a menudo en ambientes de laboratorio silenciosos, en donde el ruido procedente de bombas potentes molestaría a los usuarios.

Además, una presión elevada aplicada a la columna de lecho de resina provoca una tensión mecánica en las esferas de resina, lo que puede resultar en su rotura. Tales partículas pueden contaminar el agua y los fragmentos de esferas más pequeños pueden aumentar aún más la caída de presión.

US 5250187 describe el uso de resinas de alta cinética para aplicaciones de intercambio iónico. La resina propuesta es del tipo de malla fina con pequeños diámetros de partícula. La resina se usa en un lecho fluidizado en flujo ascendente para superar el inconveniente de la alta presión hidráulica. Este mecanismo requiere un diseño específico del recipiente de resina. El lecho fluidizado presenta el inconveniente de la fuga de trazas de iones no tratados. Esto es tolerable en aplicaciones de ablandamiento de agua, pero no sería adecuado para el pulido de agua en la producción de agua ultrapura.

El objetivo de US 2009/101586 A1 es la eliminación eficiente de radionucleidos del agua de las centrales nucleares. En este sentido, la resina de gel común tiene ciertas limitaciones en cuanto a la eficiencia de eliminación de radioelementos. Por lo tanto, este documento sugiere usar adicionalmente una capa de resina de intercambio aniónico de tipo macroporoso de pequeño tamaño y/o resina quelante de tipo macroporoso de pequeño tamaño.

WO 2013/151654 A1 describe el uso de medios de adsorción granulares de pequeño tamaño junto con un aglutinante polimérico en un dispositivo de filtración. La combinación con un aglutinante permite reducir la caída de presión y posibilitar una filtración de baja tensión.

EP 1533033 A1 propone medios de intercambio iónico monolíticos con una mayor superficie de contacto que las resinas de intercambio iónico normales como medios de intercambio iónico de cinética rápida sin aumento de la caída de presión.

US 4421652 describe un método para tratar fluidos usando una resina de esferas pequeñas. El lecho de resina está poco compacto para evitar una caída de presión elevada.

EP 0880469 B1 describe un método y un aparato para purificar el agua y, particularmente, un método y un aparato para purificar el agua de modo tal que esté sustancialmente libre de contaminantes orgánicos e iónicos. Divulga además que las resinas de intercambio iónico están disponibles en tamaños de partícula en el rango de aproximadamente 200 pm y aproximadamente 2 mm, y además que se ha comprobado que sustituyendo esferas de resina catiónica más pequeñas, con un diámetro nominal de partícula de 350 pm, por esferas de resina catiónica con un diámetro nominal de partícula de aproximadamente 590 pm en una configuración alternante de carbón activado y lecho mixto de resina de intercambio aniónico y catiónico, se incrementaba la capacidad total de untilización de las resinas de intercambio iónico mixtas.

Asimismo, EP 0880469 B1 divulga que si el tamaño de la esfera de anión se reduce similarmente, tal que se forme una mezcla de tamaño de esfera de resina aproximadamente uniforme, se espera que aumente el uso de la capacidad total.

US 2002/0179508 A1 divulga un sistema para la producción de agua ultrapura que, en una realización, comprende dos resinas de intercambio iónico de lecho mixto de grado semiconductor en secuencia.

Debido a las diversas desventajas descritas anteriormente, las resinas de esferas pequeñas nunca se han usado para la desionización del agua o la producción de agua pura/ultrapura, a pesar de su ventajosa cinética más rápida.

Por lo tanto, sigue habiendo demanda de soluciones que permitan usar medios de intercambio iónico de cinética rápida sin generar una caída de presión elevada.

El objeto de la presente invención es por lo tanto proporcionar una solución para usar medios ventajosos de intercambio iónico de cinética rápida en métodos de purificación de agua, sin enfrentarse a las desventajas antes mencionadas, tales como una elevada caída de presión.

Sorprendentemente se descubrió que la combinación de medios de intercambio iónico estándar con medios de intercambio iónico de esferas pequeñas resulta en un muy buen rendimiento en el tratamiento del agua mejorando al mismo tiempo la capacidad de los medios y la compacidad del consumible.

Una primera realización de la presente invención es, por lo tanto, un método para producir agua purificada que comprende un paso (a) de hacer pasar agua a través de un primer intercambiador de iones de lecho mixto y un paso (b) de hacer pasar agua a través de un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de partícula de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, caracterizado porque el paso (a) se realiza antes del paso (b), y caracterizado porque la relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5.

De acuerdo con la presente invención, el término agua purificada se refiere al agua de tipo 1, tipo 2 o tipo 3, o agua DI (desionizada, por sus siglas en inglés), como se define anteriormente. En una realización preferida, el agua purificada es agua ultrapura, es decir, agua de tipo 1, caracterizada por una resistividad mayor a 18 MQ-cm (a 25 °C) y un valor de compuesto orgánico total (TOC) menor a 20 partes por billón (ppb).

En el método de la presente invención, el paso (a) se realiza antes del paso (b). En este caso, el agua se hace pasar primero por el primer intercambiador de iones de lecho mixto compuesto por esferas con un diámetro entre 0,5 y 0,7 mm y, posteriormente, por el segundo intercambiador de iones de lecho mixto compuesto por esferas con un diámetro menor a 0,5 mm.

Un intercambiador de iones es una matriz insoluble, típicamente en forma de esferas, fabricada a partir de un sustrato de polímero orgánico (resina de intercambio iónico). De acuerdo con la presente invención, se usa un intercambiador de iones de tipo gel, que comprende una mezcla de partículas de intercambio aniónico y partículas de intercambio catiónico en forma de esferas, respectivamente (“lecho mixto”).

Típicamente, una partícula de intercambio aniónico es capaz de intercambiar aniones de hidróxido con aniones en solución. Las partículas de intercambio catiónico son capaces de intercambiar iones de hidrógeno con cationes en solución. La mezcla de partículas de intercambio aniónico y partículas de intercambio catiónico también puede incluir partículas de carbón activado que adsorben especies orgánicas cargadas o no cargadas que pueden estar presentes en el agua. En una realización preferida, el intercambiador de iones de lecho mixto consiste en una mezcla de partículas de intercambio aniónico y partículas de intercambio catiónico.

El diámetro de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm. Esta resina también se denomina “resina estándar” o “intercambiador de iones estándar”.

El diámetro de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm. En una realización preferida, el diámetro de las esferas es de 0,3 a 0,45 mm. Tal resina también se denomina “resina de esferas pequeñas” o “intercambiador de iones de esferas pequeñas”.

Preferiblemente, la relación entre el diámetro de las esferas con un diámetro menor a 0,5 mm y el diámetro de las esferas con un diámetro entre 0,5 y 0,7 mm es menor a 0,9. Más preferiblemente, esta relación es menor a 0,8, más preferiblemente menor a 0,7. Por ejemplo, si las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto tienen un diámetro medio de 0,6 mm y las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto tienen un diámetro medio de 0,4 mm, tal relación sería de 0,67.

Los diámetros indicados en la presente invención representan el diámetro de las esferas en su estado regenerado. El diámetro dado representa el diámetro medio de las partículas.

Preferiblemente, las esferas de intercambio aniónico y las esferas de intercambio catiónico son monodispersas, respectivamente. El tamaño de las esferas se puede determinar por instrumentos de técnicas de imagenología microscópica, tales como Camsizer (Horiba Camsizer XL), microscopio Nikon SMZ-2T o microscopio Olympus BX41 con cámara digital CCD DP71 y software de imagenología Cell.

Todos los materiales de intercambio iónico conocidos por un experto en la técnica se pueden usar en la presente invención. Típicamente, las resinas de intercambio iónico se basan en copolímeros de estireno y divinilbenceno. La copolimerización de estireno y divinilbenceno resulta en polímeros reticulados, con un grado de reticulación de 0 a 16 %. Los sitios de intercambio iónico se introducen posteriormente, tras la polimerización. Por ejemplo, la sulfonación permite la producción de resinas de intercambio catiónico con grupos de ácido sulfónico y la clorometilación seguida de aminación lleva a la introducción de funciones amino cuaternarias para la producción de resinas de intercambio aniónico. Los procesos de fabricación de resinas de intercambio iónico están bien establecidos y una persona experta en la técnica está familiarizada con los pasos, reactivos y condiciones adecuados.

En una realización preferida, el primero y el segundo intercambiadores de iones de lecho mixto están basados, independientemente, en un copolímero de estireno y divinilbenceno. Más preferiblemente, los intercambiadores de iones de lecho mixto se basan en copolímero de estireno divinilbenceno sulfonado (intercambio catiónico) y copolímero de estireno divinilbenceno modificado con grupos amino cuaternarios (intercambio aniónico).

Las capacidades típicas de la resina de intercambio aniónico pueden ser, por ejemplo, 1 eq/L y para la resina de intercambio catiónico 2 eq/L. Sin embargo, estas cifras no son limitantes.

Típicamente, los intercambiadores de iones de lecho mixto comprenden una mezcla de intercambiadores de aniones y cationes en una relación tal que tienen capacidades iguales para ambos tipos de iones.

Por ejemplo, las resinas de intercambio iónico disponibles en el mercado con pequeñas esferas de entre 0,2 y 0,4 mm de diámetro son:

DOW, DOWEX MONOSFERA 99Ca/310, 290-317 |jm, promedio 307 |jm

DOW, DOWEX MONOSFERA 99Ca/320, 302-352 jm , promedio 317 ± 15 jm

DOW, DOWEX MONOSFERA 99Ca/350, 317-382 jm , promedio 347 ± 15 jm

DOW, DOWEX malla fina, 50-100 mallas (300-150 jim), 100-200 mallas (150-74 jim), 200-400 mallas (74-38 jim)

Mitsubishi, Diaion UBK530K (350 jm )

Mitsubishi, Diaion MS01 SS (350 jm )

En la tabla siguiente se enlistan otras resinas de intercambio iónico adecuadas, disponibles en el mercado, con esferas pequeñas de menos de 0,5 mm de diámetro:

En la actualidad, los fabricantes de resinas de intercambio iónico no ofrecen resinas de intercambio iónico de lecho mixto altamente regeneradas listas para usar para la producción de agua pura con un tamaño de esfera más pequeño. Las resinas arriba enlistadas típicamente son vendidas para otras aplicaciones, tales como purificación de azúcar y derivados relacionados del jugo de azúcar bruto (resinas de intercambio catiónico) o purificación de biomoléculas para propósitos farmacéuticos por cromatografía (resinas de intercambio aniónico). Por lo tanto, tales resinas no regeneradas o no tratadas para la producción de agua ultrapura se tienen que regenerar y purificar antes de usarlas según la presente invención. Un experto en la técnica conoce bien los pasos necesarios. Por ejemplo, se puede usar el siguiente procedimiento: Se llena una columna de preparación con resina y se enjuaga por un flujo continuo de agua ultrapura con 18,2 MQ-cm y 60 BV/h (BV = volumen del lecho) por > 15 min. Se pasa HCl 2 N (para el intercambiador de cationes) o NaOH 2 N (para el intercambiador de aniones) a 4 BV/h por 1 hora. La columna se enjuaga mediante un flujo continuo de agua ultrapura de 18,2 MQ-cm y 60 BV/h por > 15 min. El intercambiador de cationes y el intercambiador de aniones se mezclan en una relación de isocapacidad de 1/1.

Las resinas de intercambio iónico comercialmente disponibles con esferas de entre 0,5 y 0,7 mm de diámetro adecuadas de acuerdo con la presente invención son, por ejemplo:

La relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5. La cantidad del primer intercambiador de iones de lecho mixto se selecciona dentro de la velocidad lineal (LV, por sus siglas en inglés) recomendada para una desionización óptima indicada por el proveedor de la resina. Sin embargo, en el contexto de la presente invención, la altura se puede elegir mucho más baja de lo recomendado.

La cantidad del segundo material de intercambio iónico de lecho mixto se selecciona basado en los requisitos de profundidad del medio adecuados para adsorber completamente los iones filtrados de la capa de resina superior. La capacidad dinámica se debe aproximar a la fuga total de iones de la primera resina de intercambio iónico de lecho mixto durante la vida útil del cartucho combinado.

El diámetro y la altura del lecho de resina vienen determinados por la tasa de flujo objetivo de producción de agua ultrapura. Por ejemplo, la resina de intercambio iónico de lecho mixto típica se opera de forma óptima a una velocidad lineal de 0,89 cm/s, es decir, una columna de 69 mm de diámetro es adecuada para tratar agua a una tasa de flujo de 2 L/min. Una resina típica da agua de unos 18 MQ-cm (a 25 °C) con una altura de lecho de 8 cm cuando se introduce en la columna una solución de NaCl equivalente a 1 MQ-cm.

La resina de esferas pequeñas tiene una cinética de intercambio iónico mayor, por ejemplo, 2 veces más rápida que una resina de intercambio iónico de lecho mixto típica. En tal caso, la resina de esferas pequeñas solamente necesita 1/2 de la altura del lecho para conseguir la misma cinética de intercambio iónico que un lecho de resina convencional. La altura prevista en uso es, por lo tanto, aproximadamente 1/2.

Las pequeñas esferas o resinas de intercambio iónico en polvo con un diámetro menor a 0,5 mm tienen una gran superficie de contacto con el agua a tratar, que es la razón principal que permite una rápida tasa de intercambio iónico en comparación con las resinas de intercambio iónico de tamaño convencional de un diámetro promedio de 600 pm. Sin embargo, los medios de adsorción muy finos tienen el grave inconveniente de resultar en una caída de presión extremadamente elevada. Sin embargo, esta combinación de estos dos tipos de medios permite sorprendentemente obtener un pulidor de agua de alto rendimiento, en donde las resinas convencionales son responsables de la capacidad y las resinas de esferas pequeñas de cinética rápida son responsables de la zona cinética y de la calidad. Esta combinación resulta además ventajosa en el diseño de cartuchos de desionización de agua más compactos, en una vida útil más larga y en una mayor calidad del agua de producto.

En otra realización de la presente invención, el método comprende un paso adicional (c) de hacer pasar agua a través de un lecho de carbón activado.

El carbón activado es capaz de eliminar los compuestos orgánicos disueltos y el cloro. El carbón activado está formado por partículas porosas de material orgánico que contienen un laberinto de pequeños poros, lo que resulta en una gran superficie específica. Las moléculas orgánicas disueltas en agua pueden penetrar en los poros y unirse a sus paredes por fuerzas de Van der Waals.

De acuerdo con la presente invención se puede usar carbón activado natural o sintético. El carbón activado natural se puede producir al tratar productos vegetales tales como cáscaras de coco molidas carbonizadas a alta temperatura, lo que resulta en granos de forma irregular y una extracción de minerales muy elevada. El carbón activado sintético se produce por la pirólisis controlada de esferas esféricas sintéticas. Preferiblemente, se usa carbón activado sintético. De acuerdo con la presente invención, el paso (c) se puede realizar antes de los pasos (a) y (b), entre los pasos (a) y (b), o dentro de los pasos (a) y/o (b).

Tales alternativas se ilustran con los siguientes ejemplos:

El agua pasa primero por el lecho de carbón activado (paso (c)), después por el primer intercambiador de iones de lecho mixto (paso (a)) y posteriormente por el segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)).

El agua pasa a través del primer intercambiador de iones de lecho mixto (paso (a)), posteriormente a través del lecho de carbón activado (paso (c)), y posteriormente a través del segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)). El agua pasa a través del primer intercambiador de iones de lecho mixto (paso (a)), posteriormente a través de una primera porción del segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)), después a través del lecho de carbón activado (paso (c)), y posteriormente a través de una segunda porción del segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)), es decir, el paso (c) se realiza dentro del paso (b).

El agua pasa por el primer intercambiador de iones de lecho mixto mezclado con carbón activado (paso (a) y paso (c)) y posteriormente por el segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)).

El agua pasa a través de una primera porción del primer intercambiador de iones de lecho mixto mezclado con carbón activado (paso (a) y paso (c)), posteriormente a través de una segunda porción del primer intercambiador de iones de lecho mixto (paso (a)) y posteriormente a través del segundo intercambiador de iones de lecho mixto (paso (b)).

De acuerdo con la presente invención, el primer intercambiador de iones de lecho mixto, por lo tanto, se puede mezclar con carbón activado.

La presente invención se dirige además a un método como el definido anteriormente, caracterizado porque el método comprende un paso adicional (d) de tratar el agua por ósmosis inversa y/o un paso adicional (e) de tratar el agua por electrodesionización (EDI, por sus siglas en inglés), en donde el paso (d) y el paso (e) se realizan antes de los pasos (a) y (b).

Una persona experta en la técnica está familiarizada con los pasos de la ósmosis inversa y la electrodesionización. El paso de la ósmosis inversa (RO, por sus siglas en inglés) puede eliminar muchos contaminantes en el agua, tales como partículas, bacterias y orgánicos > 200 Dalton de peso molecular. La RO típicamente es realizada usando una membrana semipermeable, rechazando tales contaminantes. Se aplica presión hidráulica a la solución concentrada para contrarrestar la presión osmótica. El agua depurada se puede recolectar cadena abajo de la membrana.

Las membranas de ósmosis inversa se fabrican típicamente a partir de acetato de celulosa o de compuestos de poliamida en película fina sobre un sustrato de polisulfona.

La electrodesionización combina la electrodiálisis y el proceso de intercambio iónico, resultando en un proceso que desioniza efectivamente el agua, mientras que los medios de intercambio iónico se regeneran continuamente por la corriente eléctrica de la unidad. La electrodesionización permite la eliminación efectiva de inorgánicos disueltos, hasta una resistividad mayor a 5 MQ-cm a 25 °C (correspondiente a un nivel de contaminación iónica total de aproximadamente 50 ppb). De acuerdo con la presente invención, se usa preferiblemente un módulo Elix® para la electrodesionización. Los sistemas de purificación de agua para producir agua ultrapura son conocidos y normalmente están compuestos por componentes periféricos como un bastidor de soporte, recursos de control de la calidad del agua, una bomba, electroválvulas y celdas de conductividad y un mecanismo de conexión para montar de forma segura uno o dos cartuchos de purificación por conectores complementarios interconectados. Dado que, con el tiempo, los medios de purificación se agotan y/o las membranas se obstruyen, es necesario sustituirlas puntualmente o en función del consumo de agua. Por lo tanto, los medios y/o membranas típicamente son empaquetados en cartuchos para facilitar el correcto intercambio de estos medios consumibles del respectivo sistema de purificación de agua.

Un módulo comprende el primer intercambiador de iones de lecho mixto que comprende esferas con un diámetro entre 0,5 y 0,7 mm, y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto que comprende esferas con un diámetro menor a 0,5 mm. Tal módulo se puede usar en un método, como se describe anteriormente.

Típicamente, un módulo es un cartucho reemplazable que comprende los medios respectivos. El módulo puede tener forma de tubo, por ejemplo. Para establecer el contacto con el sistema de purificación de agua, el módulo dispone de conectores que permiten una conexión estanca entre los puertos del cartucho y los conectores del sistema. Un conector adecuado se describe, por ejemplo, en WO 2016/128107 A2.

Dentro del módulo, el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto están dispuestos en serie. A este respecto, el primer intercambiador de iones de lecho mixto se puede colocar en la parte superior del módulo y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto en la parte inferior, o viceversa. Opcionalmente, se puede usar una malla o pantalla separadora para mantener el material en su sitio dentro del módulo.

Las formas de realización preferidas de las resinas de intercambio iónico de lecho mixto en los módulos son como se definen anteriormente.

El módulo de acuerdo con la presente invención puede comprender además un lecho de carbón activado, como se define anteriormente. En tal tal caso, el lecho de carbón activado puede estar situado o bien cadena arriba del primer y del segundo intercambiador de iones de lecho mixto, o bien entre el primer y el segundo intercambiadores de iones de lecho mixto. En otra realización, el carbón activado se mezcla con dicho primer intercambiador de iones de lecho mixto.

La altura y el diámetro del lecho de resina en el tubo se determinan en función de la alimentación de agua, la calidad del agua que se desea obtener y la capacidad del cartucho, lo que puede hacer fácilmente un experto en la técnica.

Por ejemplo, de acuerdo con las especificaciones estándar de la resina UP6150 de Dow/Rohm (una resina típica como la mencionada anteriormente), se requiere una altura mínima del lecho de resina de 900 mm, mientras que la tasa de flujo de servicio se sitúa entre 30 y 40 volúmenes de lecho por hora (BV/h) para la desionización y el pulido de agua ultrapura. Un sistema típico de agua ultrapura de laboratorio está diseñado para dispensar 2 L/min. Una resina de 3-4 L con la altura y el volumen de lecho necesarios para procesar 2 L/min requiere un diámetro interior de columna de 65,2 mm a 75,2 mm con una velocidad lineal (LV) de 1 cm/s a 0,75 cm/s (36 m/h a 27 m/h).

El mismo cálculo para la resina Lanxess UP1292/1294 con una especificación dada de la altura mínima del lecho de 600 mm y una tasa de flujo de 48 BV/h, resulta en un diámetro óptimo de 73 mm y una velocidad lineal de 0,8 cm/s (28 m/h).

Los sistemas de agua ultrapura típicos de laboratorio, tales como Milli-Q, respetan esta regla, lo que lleva a un diámetro de columna de 69 mm.

De acuerdo con la presente invención, la altura total del lecho de resina en el cartucho es típicamente entre 10 y 40 cm. Preferiblemente, la altura total del lecho de resina está entre 10 y 30 cm. En una realización muy preferida, la altura total del lecho de resina es de alrededor de 25 cm.

El cartucho se rellena con los distintos tipos de resinas. Típicamente, la altura del lecho de resina del primer lecho de resina de intercambio iónico del cartucho está entre 5 y 20 cm, preferiblemente entre 5 y 15 cm. La altura del lecho de resina del segundo lecho mixto de resina de intercambio iónico está típicamente entre 5 y 20 cm, preferiblemente entre 5 y 15 cm.

Típicamente son en forma de tubo con un diámetro interior entre 65 y 75 mm, preferiblemente alrededor de 69 mm.

La combinación de una resina estándar y una resina de esferas pequeñas de acuerdo con la presente invención es muy ventajosa en vista de la técnica anterior. Desde un punto de vista cinético, una resina de esferas pequeñas solamente necesita una altura de lecho de resina de 10 cm para conseguir 18,2 MQ-cm a partir de una alimentación de agua de 25 pS/cm, mientras que una resina estándar requiere una altura de lecho de más de 20 cm. Dado que la última zona de 10 cm del cartucho desempeña el papel cinético en la determinación de la capacidad dinámica, el tipo de resina antes de esta zona no influye en la capacidad. En otras palabras, un cartucho completamente lleno de resina de esferas pequeñas puede mostrar la misma capacidad que un cartucho lleno de una combinación de resina de esferas pequeñas y resina estándar. En este sentido, la sustitución de 10 cm de la zona inferior de un cartucho lleno de resina estándar por una resina de esferas pequeñas resulta en un efecto extraordinario que se refleja en un aumento de la capacidad de casi 1.000 L. Por otra parte, la combinación de resina estándar y resina de esferas pequeñas también es ventajosa desde el punto de vista de las pérdidas hidráulicas. En comparación con un lecho de resina de esferas pequeñas de 30 cm, un paquete combinado de 20 10 solamente presenta una caída de presión de 2/3. En otras palabras, en comparación con un cartucho de medio estándar de 30 cm, el paquete combinado de lecho de resina estándar de 20 cm y lecho de resina de esferas pequeñas de 10 cm resulta en una caída de presión un 30 % mayor, pero con una capacidad incrementada en un 50 %. En otras palabras, el cartucho combinado 20 10 presenta casi la misma caída de presión que un cartucho de lecho de resina estándar de 40 cm, pero tiene una altura de columna reducida en 25 %, y 20 % más de capacidad.

Las posibles disposiciones de las resinas en los módulos son, por ejemplo:

(1) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 25 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 15 cm, se rellena con el primer intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 10 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

(2) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 31 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 20 cm, comprende el primer lecho mixto de resina mezclada con carbón activado; la sección inferior, con una altura de 11 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

(3) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 30 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 20 cm, se rellena con el primer intercambiador de iones de lecho mixto o con una mezcla homogénea de carbón activado esférico y el primer intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 10 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

Preferiblemente, usaremos la disposición (1).

Las configuraciones anteriores son, por ejemplo, adecuadas cuando se usa alimentación de agua con una conductividad de 25 pS/cm, que es típicamente la de un agua pretratada por ósmosis inversa. Si se usa un sistema de pretratamiento más avanzado, tal como ósmosis inversa combinada con desionización o electrodesionización, o destilación, la alimentación del sistema de pulido final puede tener una conductividad de hasta 1 pS/cm. En este caso, se pueden usar módulos aún más cortos, tales como:

(4) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 15 cm comprende tres secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 5 cm, se rellena con carbón activado; la sección central, con una altura de 5 cm, se rellena con el primer intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 5 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

(5) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 15 cm comprende tres secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 5 cm, se rellena con carbón activado; la sección central, con una altura de 5 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 5 cm, se rellena con el primer intercambiador de iones de lecho mixto.

(6) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 15 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 10 cm, comprende el primer lecho mixto de resina mezclada con carbón activado; la sección inferior, con una altura de 5 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

(7) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 10 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 5 cm, comprende el primer intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 5 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

Usando un segundo intercambiador de iones de lecho mixto con diámetros de esferas muy pequeños, tales como menores a 120 pm, la altura de la zona de intercambio de iones se puede reducir aún más, resultando en una compacidad muy elevada del cartucho de pulido. El aumento de la caída de presión relacionado con la reducción del diámetro de las esferas se compensa con la reducción del volumen del lecho de resina. Cuando se usa una alimentación de 1 pS/cm y un segundo intercambiador de iones de lecho mixto con un diámetro menor a 120 pm, se podría usar el siguiente módulo de acuerdo con la presente invención: (8) Un módulo en forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 8 cm comprende dos secciones de lecho de resina: La sección superior, con una altura de 5 cm, comprende el primer intercambiador de iones de lecho mixto; la sección inferior, con una altura de 3 cm, se rellena con el segundo intercambiador de iones de lecho mixto.

En otra realización, la presente invención se refiere a un sistema de tratamiento de agua para producir agua ultrapura que comprende un primer intercambiador de iones de lecho mixto y un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está comprendido entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es inferior a 0,5 mm.7 mm, y en donde el diámetro medio de partícula de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, caracterizado porque el paso (a) se realiza antes del paso (b), y caracterizado porque la relación del volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto al volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5.

Los sistemas de tratamiento del agua son conocidos en la técnica. Típicamente son componentes periféricos como un marco de soporte, recursos de control de la calidad del agua, bombas, electroválvulas y celdas de conductividad. Cuando los intercambiadores de iones de lecho mixto están proporcionados en módulos, también se requiere un mecanismo de conexión para montar de forma segura uno o más de tales módulos interconectando conectores complementarios. Un mecanismo de conexión que se puede usar de acuerdo con la presente invención se describe, por ejemplo, en WO 2016/128107 A1.

La presente invención por lo tanto también se relaciona con el sistema de tratamiento de agua como se define anteriormente en donde el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto están proporcionados en un solo módulo como se define anteriormente.

En una realización alternativa, el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto están proporcionados en al menos dos módulos. Por ejemplo, el primer intercambiador de iones de lecho mixto puede estar proporcionado en un primer cartucho y la segunda resina de intercambio iónico de lecho mixto en un segundo cartucho. Los módulos pueden ser proporcionados individualmente, o moldeados juntos.

El sistema de tratamiento del agua puede comprender además un lecho de carbón activado, como se define anteriormente.

De nuevo, el primer intercambiador de iones de lecho mixto, el segundo intercambiador de iones de lecho mixto y el lecho de carbón activado pueden estar proporcionados en un único módulo, como se define anteriormente.

Alternativamente, en una realización preferida, el lecho de carbón activado está proporcionado en un módulo adicional, que comprende el lecho de carbón activado solo, o alternativamente junto con un intercambiador de iones de lecho mixto que comprende esferas que tienen un diámetro de menos de 0,5 mm.

Por ejemplo, en una realización preferida, el sistema de purificación de agua puede comprender dos módulos: El primer módulo comprende el primer intercambiador de iones de lecho mixto y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto. El segundo módulo, colocado cadena abajo del primer módulo, comprende carbón activado granular y otro intercambiador de iones de lecho mixto que comprende esferas con un diámetro menor a 0,5 mm. Entre los dos módulos hay un dispositivo de fotooxidación UV.

El primer módulo, que tiene forma de tubo con un diámetro interior de 69 mm y una altura total del lecho de resina de 25 cm, está diseñado para desionizar agua pretratada, tal como agua pretratada por ósmosis inversa, desionización, electrodesionización, destilación, filtración o combinaciones de estos métodos, hasta agua ultrapura de hasta 18,2 MQ-cm antes de la reducción fotooxidativa del TOC. La combinación de una resina estándar (es decir, la primera resina de intercambio iónico de lecho mixto) con una resina cinética rápida (es decir, la segunda resina de intercambio iónico de lecho mixto) garantiza la máxima capacidad dinámica. Se puede usar una celda de resistividad intermedia para medir la calidad del agua después del primer cartucho para indicar el final de la “vida útil” del primer cartucho, lo que a su vez indica que se acerca el final de la “vida útil” de todo el paquete emparejado (es decir, ambos cartuchos). El uso de la zona cinética rápida en el primer cartucho asegura la máxima capacidad del par de cartuchos y un mínimo de iones traza que se filtran al segundo cartucho. El diámetro interior del cartucho es típicamente de alrededor de 69 mm y se rellena en su sección de 15 cm cadena arriba con resina de intercambio iónico estándar como zona de capacidad, y en su sección de 10 cm cadena abajo con resina cinética rápida como zona de intercambio iónico.

El diámetro interior del segundo cartucho es también típicamente de alrededor de 69 mm y se rellena en su sección de 12,5 cm cadena arriba con carbón activado, y en su sección de 12,5 cm cadena abajo con resina cinética rápida. El segundo módulo sirve como zona de eliminación de trazas durante el periodo de operación nominal o como zona de intercambio iónico y zona de eliminación de trazas tras la saturación del primer cartucho. Se coloca una capa de carbón separada en la cadena arriba (entrada) del cartucho para eliminar los contaminantes orgánicos del agua. Al mismo tiempo, el carbono atrapará los subproductos nocivos de la fotooxidación, tales como radicales, peróxidos, etc., generados por el dispositivo de fotooxidación.

Figuras:

Figura 1: Montaje experimental para la prueba de capacidad dinámica, como se describe en el Ejemplo 1.

Figura 2A: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una solución sintética de NaCl de 25 pS/cm como alimentación de agua, como se describe en el Ejemplo 2.

Figura 2B: Comparación de la pérdida hidráulica de diferentes configuraciones de medios, como se describe en el Ejemplo 2.

Figura 3A: Configuraciones de cartuchos de prueba, como se describe en el Ejemplo 3.

Figura 3B: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una solución sintética de NaCl de 25 pS/cm como alimentación, como se describe en el Ejemplo 3.

Figura 3C: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una alimentación de agua de ósmosis inversa, como se describe en el Ejemplo 3.

Figura 4: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una alimentación de agua de osmosis inversa, como se describe en el Ejemplo 4.

Figura 5: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una solución sintética de NaCl de 25 pS/cm como alimentación de agua, como se describe en el Ejemplo 5.

Figura 6: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una alimentación de agua Elix, como se describe en el Ejemplo 6.

Figura 7: Comparación de la capacidad de diferentes configuraciones de medios usando una alimentación de agua Elix, como se describe en el Ejemplo 7.

Figura 8: Tres zonas de un cartucho de intercambio iónico.

Ejemplos

Ejemplo 1: Resinas de lecho mixto usadas en los Ejemplos y montaje experimental para simular diferentes condiciones del agua

La tabla siguiente resume los parámetros característicos de los tipos de lecho mixto de resina de esferas pequeñas y resina estándar:

En los ejemplos siguientes se usa la resina de intercambio iónicoBde lecho mixto de esferas pequeñas. La resina de intercambio iónico de lecho mixto de esferas pequeñasAes igualmente adecuada para los fines de la presente invención y su uso en los experimentos que se indican a continuación dará lugar a resultados similares.

Las resinas no regeneradas o no tratadas para la producción de agua ultrapura se regeneran y purifican de acuerdo con el siguiente procedimiento: Se llena una columna de preparación con resina y se lava con un flujo continuo de agua ultrapura con 18,2 MQ-cm y 60 BV/h (BV = volumen del lecho) por > 15 min.

Se hace pasar una solución de HCl 2 N (preparada a partir de HCl al 25 % (EMSURE, Merck KGaA)) (para el intercambiador de cationes) o una solución de NaOH 2 N (preparada a partir de NaOH al 50 % (EMSURE, Merck KGaA)) (para el intercambiador de aniones) a 4 BV/h por 1 hora.

La columna se enjuaga por un flujo continuo de agua ultrapura con 18,2 MQ-cm y 60 BV/h por > 15 min.

El intercambiador de cationes y el intercambiador de aniones se mezclan en una relación de isocapacidad de 1/1. La resina mezclada se almacena en una bolsa de plástico termosellada o en un frasco bien cerrado.

Condición de prueba de capacidad dinámica:

Para simular las condiciones típicas de la alimentación de agua en laboratorio, se introduce NaCl (Merck EMSURE®) hasta una conductividad de 25 pS/cm en agua ultrapura preparada con el sistema Elix® 100 (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania), SDS 200 (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania) y Mill-Q® Reference A+ (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania).

En el banco de pruebas, el agua ultrapura almacenada en un tanque de PE (por sus siglas en inglés) de 10 L recircula a través de un pulidor de reposición (cartucho de pulido Quantum<t>E<x>, Merck KGaA, Darmstadt, Alemania) y una columna de prueba que contiene muestras de resina de intercambio iónico. Cadena arriba de la probeta se encuentra un punto de inyección de sal en el que una bomba de inyección precisa (bomba de proceso ISMATEC MCP-CPF cabezal de bomba PM0CKC) inyecta una solución salina concentrada preparada a 30 g/L hasta alcanzar una conductividad objetivo de 25 pS/cm. Los sensores de resistividad (Thornton 770MAX, Mettler Toledo) miden la resistividad del agua a la entrada y a la salida de la columna de prueba.

El diámetro de la columna de prueba es de 35 mm como modelo a escala 1/4, o de 69 mm como modelo a escala 1/1. La tasa de flujo de la recirculación de agua se ajusta a una velocidad lineal de 0,89 cm/s, es decir, 0,5 L/min o 2,0 L/min para ambos diámetros de columna, respectivamente.

El montaje experimental se muestra en la Figura 1.

Condición real de la alimentación de agua:

Generalmente, el agua ultrapura para uso en laboratorio se produce a partir de agua del grifo por técnicas de pretratamiento tales como la ósmosis inversa (RO), la ósmosis inversa-desionización (RO-DI), la ósmosis inversaelectrodesionización (RO-EDI), la destilación o una combinación de éstas, antes de los pasos finales de pulido con resinas de intercambio iónico de alta calidad. Son posibles dos categorías de alimentación de agua:

1) alimentación de agua de alta carga iónica, a menudo procedente de un sistema de ósmosis inversa con una conductividad de 5-50 pS/cm, que incluye CO<2>disuelto. El sistema RiOs (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania) se usa para preparar agua de ósmosis inversa con agua municipal de alimentación (Guyancourt, Francia). La calidad promedio del agua es de 15-25 pS/cm con 15-20 ppm de CO<2>.

2) alimentación de agua de baja carga iónica procedente de sistemas RO-DI, RO-EDI o destilados que contengan solamente hasta 1 pS/cm de sales equivalentes. Para preparar este tipo de agua se usa el sistema Elix® (Merck KGaA, Darmstadt, Alemania) con alimentación de agua municipal (Guyancourt, Francia). La calidad promedio del agua es de 0,1-1 pS/cm con ppm de CO<2>por debajo del límite de detección (< 1 ppm).

Los siguientes ejemplos muestran el rendimiento de los medios en ambas condiciones.

La calidad del agua se mide a la salida de la columna o del cartucho usando un sensor de resistividad y/o un analizador de TOC (A100/A1000, Anatel).

Ejemplo 2: Capacidad de los distintos medios

Un único tubo de 30 cm (35 mm de diámetro) se rellena con resinas de lecho mixto. Las columnas de lecho de resina se hacen funcionar con una solución de NaCl de 25 pS/cm a 0,5 L/min, equivalente a una velocidad de 0,89 cm/s, para comprobar los cambios de resistividad del efluente y las capacidades de los cartuchos. Se aplica un valor de consigna de 10 MQ-cm al punto final de capacidad. Adicionalmente, las pérdidas hidráulicas de cada configuración se miden usando un manómetro diferencial. Los resultados se normalizan con respecto al valor obtenido con un lecho de resina estándar de 30 cm.

Se analiza el rendimiento de las siguientes columnas de lecho de resina:

1) Lecho de resina estándar, Jetpore: 20 cm de altura (STD20) (comparación)

2) Lecho de resina estándar, Jetpore: 30 cm de altura (STD30) (comparación)

3) Lecho de resina estándar, Jetpore: 40 cm de altura (STD40) (comparación)

4) Combinación de lecho de resina estándar de 20 cm (cadena arriba) y lecho de resina de esferas pequeñas de 10 cm (cadena abajo) (STD20 SB10) (invención)

5) Lecho de resina de esferas pequeñas: 30 cm de altura (SB30) (comparación)

Los resultados se muestran en la Figura 2A: La columna 1, rellena con un lecho de resina estándar de 20 cm, no alcanza una resistividad de 18 MQ-cm (a 25 °C). Las columnas 2 y 3, rellenas con 30 cm y 40 cm de lecho de resina estándar, pueden mantener una meseta de calidad de agua ultrapura. La combinación de 20 cm de lecho de resina estándar y 10 cm de lecho de resina de esferas pequeñas (columna 4) presenta una capacidad mucho mayor que la misma altura (30 cm) de lecho de resina estándar (columna 2). Además, la capacidad es incluso mejor que la de una columna más alta (40 cm) de lecho de resina estándar (columna 3). El experimento con la columna 5, rellena con 100 % de lecho de resina de esferas pequeñas, resulta en casi la misma curva que la columna 3 combinada, a pesar de la cantidad mucho mayor de lecho de resina cinética rápida.

La Figura 2B muestra los resultados de la pérdida hidráulica de las columnas de prueba. En comparación con la columna 4 (20 cm de STD 10 cm de SB), la columna 3 (40 cm de STD) muestra casi la misma pérdida hidráulica en cuanto a caída de presión, mientras que esta configuración tiene mucha menos capacidad a pesar de tener una mayor cantidad de lecho de resina.

Ejemplo 3: Alimentación de agua con alta carga iónica, caso 1

Milli-Q® Direct de Merck Millipore, disponible en el mercado, es un sistema todo en uno que trata el agua del grifo hasta convertirla en agua ultrapura a través de un pretratamiento con carbón activo, ósmosis inversa, tanque de almacenamiento, fotooxidación UV y desionización. En el último paso de DI, se usan resinas de intercambio iónico. Típicamente, el agua del grifo que está entre 100 y 2000 pS/cm se purifica iónicamente con un rechazo de 96 % a 99 %, así la carga iónica de alimentación está entre unos pocos microSiemens y 50 pS/cm. En la técnica, el cartucho de pulido final, Q-PAK TEX, tiene dos veces 1,2 L de volumen de medio de purificación granular (diámetro 69 mm, altura 320 mm), y contiene 1,2 L de Organex (que es una mezcla homogénea de carbón activado esférico y resina de intercambio iónico de lecho mixto estándar) en el primer tubo, y 1,2 L de lecho mixto de resina en el segundo tubo. La operación se realiza a 2 L/min (velocidad lineal 0,89 cm/s).

Las pruebas siguientes se realizan en un modelo a escala 1/4, manteniendo la velocidad lineal, mientras que la sección de la columna y la tasa de flujo se reducen en 4, el diámetro es de 35 mm y la tasa de flujo es de 0,5 L/min. Los cartuchos se prueban en modo de flujo continuo a una tasa de flujo determinada con una solución sintética de NaCl de 25 pS/cm y, en algunos casos, con una alimentación de agua de ósmosis inversa. El eje X de la curva de capacidad se indica como equivalente a 69 mm.

Se prueban las siguientes configuraciones:

Las configuraciones de prueba se ilustran en la Figura 3A.

Los resultados se muestran en la Figura 3B (alimentación de solución sintética de NaCl de 25 pS/cm) y en la Figura 3C (alimentación de agua de ósmosis inversa): La configuración de paquete estándar (1) con 32 cm de lecho de resina Organex y 32 cm de lecho de resina estándar muestra una caída de la resistividad por debajo de 18 MQ-cm (a 25 °C) a 4000 L.

La misma configuración, pero con una altura de solamente 20 cm para cada lecho de resina (2), resulta en una drástica pérdida de capacidad.

En la configuración (3) se sustituyen 20 cm de lecho de resina estándar por 10 cm de lecho de resina de esferas pequeñas. A pesar de la reducción del volumen del lecho de resina, esta configuración es capaz de mantener casi la misma capacidad que la configuración original (1).

Si el nivel de contaminación orgánica no es sensible a las aplicaciones, la configuración (4) es una alternativa beneficiosa a la configuración (3) proporcionando una mayor compacidad.

La configuración (5) es un diseño de paquete extremadamente compacto. Esta configuración, que solamente tiene la mitad del volumen del medio, puede producir agua ultrapura de 18,2 MQ-cm.

A modo de comparación, en la configuración (6) se muestra el resultado para un lecho de resina estándar de 30 cm.Ejemplo 4: Alimentación de agua con alta carga iónica, caso 2

Milli-Q® Advantage de Merck Millipore, disponible comercialmente, es un sistema de pulido ultrapuro alimentado por un sistema de pretratamiento tales como RO, RO-DI, RO-EDI, DI y/o destilación. El sistema está equipado con los siguientes módulos: “Q-Gard T1”, un módulo de dos tubos, que contiene 1,2 L de lecho de resina Organex y 1,2 L de lecho mixto de resina estándar, reactor UV de fotooxidación de 17 W, y “Quantum TEX”, un módulo de un tubo, que contiene 0,5 L de lecho de resina Organex y 0,5 L de lecho mixto de resina. El diámetro del empaque es de 69 mm. El primer módulo de dos tubos tiene una altura de 32 cm, el segundo cartucho de un tubo una altura de 25 cm. El sistema es capaz de dispensar 2 L/min.

Este sistema anterior se compara con dos soluciones de acuerdo con la presente invención. Se han probado las siguientes configuraciones, usando alimentación de agua de ósmosis inversa, como se describe en el Ejemplo 1:

Los resultados se muestran en la Figura 4: En lugar de las tres columnas en serie (configuración 1) que se usan en la técnica anterior, la presente invención (configuración 3) permite usar una solución mucho más compacta.

Ejemplo 5: Sistema compacto de agua ultrapura

Direct-Q® de Merck Millipore, disponible en el mercado, es un sistema todo en uno que trata el agua del grifo hasta convertirla en agua ultrapura a través de un pretratamiento con carbón activado, ósmosis inversa, tanque de almacenamiento, fotooxidación UV y desionización. En el último paso de DI, se usan resinas de intercambio iónico. Típicamente, el agua del grifo que está entre 100 y 2000 pS/cm se purifica iónicamente con un rechazo de 96 % a 99 %, así la carga iónica de alimentación está entre unos pocos microSiemens y 50 pS/cm. En la técnica actual, el cartucho de pulido final, Smartpak DQ, tiene 1,0 L de volumen de medio de purificación granular (diámetro nominal 69 mm, altura 250 mm), y contiene 0,5 L de Organex (que es una mezcla homogénea de carbón activado esférico y resina de intercambio iónico de lecho mixto estándar) en el compartimento superior del tubo, y 0,5 L de lecho mixto de resina en el compartimento inferior. La operación está limitada a 0,7 L/min (velocidad lineal 0,31 cm/s) debido a la falta de resina de intercambio iónico que garantice

Las siguientes pruebas se realizan en un modelo a escala 1/1. Mientras que el cartucho de acuerdo con la técnica anterior se prueba a 0,7 L/min, el cartucho de acuerdo con la presente invención que usa resina de esferas pequeñas se prueba para operar a 2 L/min. Los cartuchos se prueban en modo de flujo intermitente a una tasa de flujo determinada por 3 dispensaciones de 6 L cada 2 horas con una alimentación de agua de ósmosis inversa.

Los resultados se muestran en la Figura 5: La solución de la técnica anterior está diseñada para producir agua ultrapura a 0,7 L/min con una altura total del lecho de resina de 25 cm. Sorprendentemente, la solución de acuerdo con la presente invención con una altura de lecho de resina de 25 cm consigue la misma calidad de agua y capacidad de cartucho a una tasa de flujo elevada de 2 L/min sin ninguna degradación del rendimiento. Al comparar las cantidades totales de intercambiadores de iones en ambos diseños, el cartucho de acuerdo con la presente invención permite una mayor tasa de flujo usando menos resina.

Ejemplo 6: Alimentación de agua con baja carga iónica

Milli-Q® Integral de Merck Millipore, disponible comercialmente, es un sistema todo en uno que trata el agua del grifo hasta convertirla en agua ultrapura por el pretratamiento con carbón activado, ósmosis inversa, electrodesionización, esterilizador en línea, tanque de almacenamiento, fotooxidación UV y desionización. En el último paso de DI, se usan resinas de intercambio iónico. Típicamente, el agua del grifo que está entre 100 y 2000 pS/cm se trata a través de los pasos de purificación aguas arriba del tanque hasta 1 pS/cm y 100 ppb de TOC. El agua del tanque pasa por una luz ultravioleta y un pulidor para obtener agua ultrapura a demanda. Como se ha descrito en los ejemplos anteriores, el diámetro típico de la columna es de 69 mm y la altura del paquete es de 25 cm, que comprende una resina Organex y una resina de intercambio iónico de lecho mixto estándar. La tasa de flujo es de 2 L/min (velocidad lineal 0,89 cm/s).

Las pruebas siguientes, usando alimentación de agua Elix como se describe en el Ejemplo 1, comparan la solución de la técnica anterior (tubo único de 69 mm de diámetro y 25 cm de altura) con las configuraciones de acuerdo con la presente invención. Estas configuraciones usan cartuchos individuales de solamente 15 cm de altura y 69 mm de diámetro con una combinación de carbón activo y diferentes capas de medios como se muestra en la siguiente tabla.

Los resultados se muestran en la Figura 6: La configuración 2, que combina un lecho de resina estándar de 5 cm y un lecho de resina de esferas pequeñas de 5 cm, puede producir de forma constante agua de calidad 18,2 MQ cm a partir de agua Elix. La capa adicional de 5 cm de carbón activado en la parte superior del lecho de resina de intercambio iónico garantiza un nivel adecuado de contenido de TOC en el agua ultrapura. La altura del cartucho de pulido de agua ultrapura de acuerdo con la presente invención es aproximadamente la mitad de la altura de la solución anterior comparada.

Otras pruebas se realizan usando la siguiente configuración:

Los resultados se muestran en la Figura 7: En lugar de separar el lecho de carbón activado y el lecho de resina de intercambio iónico, se aplica al primer medio resina Organex, que es una mezcla homogénea de carbón activado y resina de intercambio iónico. Se obtiene agua ultrapura 18,2 MQ-cm con por la invención, similar al ejemplo anterior TOC es bueno también.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir agua purificada que comprende un paso (a) de hacer pasar agua a través de un primer intercambiador de iones de lecho mixto y un paso (b) de hacer pasar agua a través de un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de partícula de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, caracterizado porque el paso (a) se realiza antes del paso (b), y caracterizado porque la relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el agua purificada es agua ultrapura.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el primer intercambiador de iones de lecho mixto consiste en una mezcla de partículas de intercambio aniónico y partículas de intercambio catiónico.

4. El método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el segundo intercambiador de iones de lecho mixto consiste en una mezcla de partículas de intercambio aniónico y partículas de intercambio catiónico.

5. El método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el primer intercambiador de iones de lecho mixto está basado en copolímero de estireno y divinilbenceno.

6. El método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el segundo intercambiador de iones de lecho mixto está basado en copolímero de estireno y divinilbenceno.

7. El método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el método comprende un paso adicional (c) de hacer pasar agua a través de un lecho de carbón activado.

8. El método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el método comprende un paso adicional (d) de tratar el agua por ósmosis inversa y/o un paso adicional (e) de tratar el agua por electrodesionización, en donde el paso (d) y el paso (e) se realizan antes de los pasos (a) y (b).

9. Un sistema de tratamiento de agua para producir agua ultrapura que comprende un primer intercambiador de iones de lecho mixto y un segundo intercambiador de iones de lecho mixto, en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del primer intercambiador de iones de lecho mixto está entre 0,5 y 0,7 mm, y en donde el diámetro medio de las partículas de las esferas del segundo intercambiador de iones de lecho mixto es menor a 0,5 mm, en donde el primer intercambiador de iones de lecho mixto precede al segundo intercambiador de iones de lecho mixto, caracterizado porque la relación entre el volumen del primer intercambiador de iones de lecho mixto y el volumen del segundo intercambiador de iones de lecho mixto está entre 10:1 y 1:5.

10. El sistema de tratamiento de agua de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado siempre que el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto están proporcionados en un único módulo.

11. El sistema de tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el primer intercambiador de iones de lecho mixto está basado en copolímero de estireno y divinilbenceno.

12. El sistema de tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el segundo intercambiador de iones de lecho mixto está basado en copolímero de estireno y divinilbenceno.

13. El sistema de tratamiento de agua de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado siempre que el primer y el segundo intercambiador de iones de lecho mixto están proporcionados en al menos dos módulos.

14. El sistema de tratamiento de agua de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque comprende además un lecho de carbón activado.

15. El sistema de tratamiento de agua de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque comprende además un lecho de carbón activado, que opcionalmente está mezclado con dicho primer intercambiador de iones de lecho mixto.