ES3036796T3 - Method for generating hydrogen and oxygen from a liquid feed stream comprising water, and device therefor - Google Patents

Method for generating hydrogen and oxygen from a liquid feed stream comprising water, and device therefor

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ES3036796T3 ES20839072T ES20839072T ES3036796T3 ES 3036796 T3 ES3036796 T3 ES 3036796T3 ES 20839072 T ES20839072 T ES 20839072T ES 20839072 T ES20839072 T ES 20839072T ES 3036796 T3 ES3036796 T3 ES 3036796T3
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Abstract

Se describe un método para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que contiene agua. El método consiste en pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica acuosa. El agua se introduce en la solución electrolítica acuosa mediante ósmosis forzada, donde la solución electrolítica acuosa entra en contacto con un primer lado (16) de una membrana de ósmosis forzada (11) y la corriente de alimentación líquida que contiene agua entra en contacto con un segundo lado (17) de la membrana de ósmosis forzada. El agua permea la membrana de ósmosis forzada del segundo lado al primero mediante una diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica acuosa. Además, se describe un dispositivo (1) para llevar a cabo el método descrito. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para generar hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, y dispositivo para ello
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, en particular una corriente de agua salina. La presente invención se refiere además a un dispositivo para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua.
Antecedentes de la técnica
Los electrolizadores de agua se usan para la generación de hidrógeno y oxígeno haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito para convertir electroquímicamente agua en hidrógeno (gas) y oxígeno (gas). Aunque en dichos electrolizadores de agua pueden usarse electrolitos poliméricos sólidos, con mayor frecuencia se emplean soluciones electrolíticas acuosas.
Los sistemas existentes son, por ejemplo, los electrolizadores de agua a alta presión, en donde una corriente de alimentación que comprende agua se alimenta en la celda electroquímica, es decir, una celda de electrólisis, a presiones de funcionamiento de entre 0,1 MPa (1 bar) y 20 MPa (200 bar). Los sistemas de alta presión permiten generar una salida de hidrógeno comprimido y, por lo tanto, se elimina la necesidad de un compresor externo para el hidrógeno gaseoso.
Puesto que se consume agua durante la generación de hidrógeno y oxígeno, los electrolizadores de agua requieren que se añada una alimentación de agua al electrolito, en particular, a una solución electrolítica acuosa. Con una población mundial en aumento, la expansión global de la actividad empresarial, la rápida urbanización y el cambio climático, existe una demanda creciente de agua dulce, con una escasez creciente de agua. Por consiguiente, sería beneficioso, en consecuencia, si el agua ya no procediera de fuentes de agua dulce, sino de otras corrientes de alimentación líquidas que comprendan agua, por ejemplo, una corriente salina, tal como agua de mar y agua salobre.
El documento CN 107881526 describe un sistema para preparar hidrógeno y oxígeno mediante el uso de la energía de las corrientes marinas y del agua de mar. El agua de mar se desaliniza mediante ósmosis inversa (OI) para obtener agua purificada que se usa en una unidad de electrólisis, donde el agua se convierte en hidrógeno y oxígeno. La ósmosis inversa retira en gran medida las sales disueltas forzando el agua que tiene un alto contenido de sales disueltas a altas presiones a través de membranas semipermeables dedicadas, que pueden estar hechas de diversos materiales poliméricos. Las membranas son susceptibles de ensuciarse y es necesario que otros procesos precedan al proceso de OI para evitar el ensuciamiento y aumentar la vida útil de la membrana de OI. En el documento CN 107881526, el agua purificada obtenida mediante un proceso de OI se usa directamente en la celda de electrólisis y no se usan, ni se hacen recircular, soluciones electrolíticas especiales.
El documento WO 02/16289 describe un electrolizador de alta presión para su uso a bordo de un buque marítimo. El agua de mar se purifica en primer lugar (desaliniza) usando las instalaciones de purificación disponibles a bordo, seguido de la electrólisis del agua dulce obtenida en hidrógeno gaseoso.
El documento US 2016/0362799 divulga una instalación en tierra en donde primero se purifica el agua de mar para convertirla en agua dulce y, después, el agua dulce se convierte en hidrógeno y oxígeno por medio de electrólisis.
El documento US 2011/0030365 divulga una instalación similar a la del documento US2016/0362799, que usa además la energía mecánica de las olas del mar como fuente de energía para los procesos que requieren energía eléctrica.
Una desventaja de las instalaciones mencionadas anteriormente es que el agua salina tiene que desalinizarse en una corriente de agua dulce antes de poderse alimentar al electrolizador para su conversión en hidrógeno y oxígeno.
El documento US 2019/0323132 divulga un método y un dispositivo para producir hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso por medio de electrólisis de agua en una solución electrolítica acuosa. La solución electrolítica acuosa se repone con agua fresca obtenida de una corriente de alimentación líquida, en particular, agua salina, por medio de un proceso de ósmosis directa mediad por vacío. En el proceso de ósmosis directa mediada por vacío, primero se evapora el agua de la corriente de alimentación líquida, en donde el vapor de agua pasa a través de un túnel de transferencia de vapor y se condensa en la solución electrolítica acuosa. Una desventaja de este sistema es que se requiere energía para la evaporación del agua de la corriente de alimentación salina a la solución electrolítica acuosa.
Por otro lado, el documento US 2017/0129796 describe un sistema para la producción de agua pura mediante desalinización de agua de mar que incluye un reactor de ósmosis directa (OD) y un reactor de electrodesionización (EDI). Una solución electrolítica acuosa fluye entre el reactor de OD y el reactor de EDI. En el reactor de OD, la solución electrolítica acuosa arrastra agua a través de la membrana de OD. En el reactor de EDI, el agua se divide en hidrógeno y iones hidroxilo mediante el uso de membranas de intercambio de cationes y aniones junto con resinas de intercambio iónico fuertes que permiten que el reactor de EDI funcione electroquímicamente para transferir protones y iones hidroxilo a través de las membranas para su recombinación en agua pura, dejando sólo una solución polimérica concentrada en el reactor para su reciclaje al reactor de OD. Se usa una tensión impresa de 0,8 VCC, que impide la electrólisis del agua que produciría oxígeno e hidrógeno gaseosos. En el sistema del documento US 2017/0129796, por lo tanto, el agua no se electroliza, sino que sólo se produce la separación iónica y el transporte de cationes hidrógeno y aniones hidroxilo a través de las membranas pertinentes, después de lo cual se recombinan en agua pura.
Las fuerzas impulsoras osmóticas en la OD pueden ser significativamente mayores que las fuerzas impulsoras hidráulicas en la OI, lo que conduce a mayores velocidades y recuperaciones de flujo de agua. Una ventaja adicional de los sistemas de OD es que no son sistemas presurizados, lo que permite diseños con materiales más ligeros, compactos y económicos. Otra ventaja es que el funcionamiento de los sistemas de OD requiere menos energía. Estos factores se traducen en un ahorro tanto de capital como de costes operativos. Además, la menor cantidad de salmuera de rechazo altamente concentrada producida mediante los procesos de OD también puede gestionarse más fácilmente. El documento WO 2017/090431 divulga un dispositivo y un método para la reducción electrolítica de agua con moléculas de hidrógeno disueltas.
Sumario
La presente invención pretende resolver uno o varios de los problemas de los dispositivos y métodos del estado de la técnica. Un objetivo de la invención es proporcionar un método mejorado y un dispositivo relacionado para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, que, entre otras ventajas, implica un número reducido de etapas de procesamiento, es más eficiente y reduce el consumo de energía.
La invención pretende además proporcionar un dispositivo mejorado para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, que, entre otras ventajas, es de construcción más sencilla.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, por lo tanto, se proporciona un método para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua. El método consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica acuosa. De este modo se genera hidrógeno (gas) y oxígeno (gas). Ventajosamente, el hidrógeno y/o el oxígeno se separan o se extraen de la solución electrolítica. El agua se alimenta a la solución electrolítica acuosa por medio de ósmosis directa. La solución electrolítica acuosa se pone en contacto con un primer lado de una membrana de ósmosis directa y la corriente de alimentación líquida que comprende agua se pone en contacto con un segundo lado de la membrana de ósmosis directa. El agua penetra a través de la membrana de ósmosis directa del segundo lado al primer lado por medio de una diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica acuosa.
Ventajosamente, la solución electrolítica acuosa tiene una osmolaridad de al menos 1700 mOsm/l. Ventajosamente, la corriente de alimentación líquida tiene una osmolaridad de 1250 mOsm/l o menos. Ventajosamente, la diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica acuosa es de al menos 2 MPa (20 bar).
Ventajosamente, la solución electrolítica acuosa comprende un electrolito alcalino. Ventajosamente, la solución electrolítica acuosa es una solución electrolítica alcalina acuosa. Ventajosamente, el electrolito alcalino comprende KOH y/o NaOH.
Ventajosamente, la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina.
Ventajosamente, la corriente eléctrica pasa a través de la solución electrolítica acuosa en una celda electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo. El agua de la solución acuosa se consume ventajosamente en la celda electroquímica.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua. Los dispositivos de acuerdo con el presente aspecto se configuran ventajosamente para realizar métodos para la generación de hidrógeno y oxígeno como se describe en el presente documento. El dispositivo comprende una celda electroquímica y una unidad de ósmosis. Comprendiendo la celda electroquímica un ánodo, un cátodo y un compartimento de electrolito para contener una solución electrolítica acuosa. La celda electroquímica se configura para hacer pasar una corriente eléctrica a través del compartimento de electrolito. Al hacerlo, se genera hidrógeno (gas) y oxígeno (gas). La unidad de ósmosis comprende una membrana de ósmosis directa, un primer compartimento conectado de forma fluida con el compartimento de electrolito, y un segundo compartimento que comprende una entrada de alimentación y una salida de alimentación. El primer compartimento está en contacto con un primer lado de la membrana de ósmosis directa para hacer pasar la solución electrolítica acuosa a lo largo del primer lado de la membrana de ósmosis directa. El segundo compartimento está en contacto con un segundo lado de la membrana de ósmosis directa para hacer pasar una corriente de alimentación líquida a lo largo del segundo lado de la membrana de ósmosis directa. Preferentemente, el compartimento de electrolito está en contacto fluido con el ánodo y/o el cátodo.
El dispositivo de acuerdo con la invención puede comprender un primer compartimento de electrolito para alimentar una primera solución electrolítica al ánodo y un segundo compartimento de electrolito para alimentar una segunda solución electrolítica al cátodo. El primer compartimento de la unidad de ósmosis está ventajosamente conectado de forma fluida con uno o ambos de los compartimentos de electrolito primero y segundo.
El dispositivo puede comprender medios para separar el hidrógeno y/o el oxígeno. Los medios para separar el hidrógeno y/o el oxígeno pueden formar parte del compartimento de electrolito y estar conectados de forma fluida con la unidad de ósmosis, o pueden comprender una unidad conectada de forma fluida entre el compartimento de electrolito y el primer compartimento de la unidad de ósmosis. Los medios para separar el hidrógeno y/o el oxígeno pueden ser un sistema de extracción que comprenda una o más salidas de extracción para evacuar respectivamente el hidrógeno gaseoso y/o el oxígeno gaseoso del compartimento de electrolito.
Ventajosamente, la membrana de ósmosis directa del dispositivo de la invención es una membrana semipermeable. Preferentemente, la membrana de ósmosis directa es una membrana no porosa, selectivamente permeable al agua. Preferentemente, el material de la membrana de ósmosis directa se selecciona del grupo que consiste en poliamida aromática asimétrica, acetato de celulosa opcionalmente reforzado con cargas minerales y triacetato de celulosa.
Ventajosamente, el primer lado de la membrana de ósmosis directa del dispositivo de la invención forma una pared del primer compartimento de la unidad de ósmosis. Ventajosamente, el segundo lado de la membrana de ósmosis directa del dispositivo de la invención forma una pared del segundo compartimento de la unidad de ósmosis.
Breve descripción de las figuras
A continuación se describirán con más detalle aspectos de la presente invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en donde los mismos números de referencia ilustran las mismas características y en donde:
La Figura 1 representa esquemáticamente un dispositivo de acuerdo con una primera realización de la invención; La Figura 2 representa esquemáticamente un dispositivo de acuerdo con una segunda realización de la invención.
Descripción de las realizaciones
Los métodos para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida acuosa comprenden una etapa de electrólisis en la que se hace pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica acuosa. El agua contenida en la solución electrolítica acuosa se agota a medida que el agua se convierte en hidrógeno y oxígeno, y se obtiene una solución electrolítica concentrada. La solución electrolítica concentrada se repone (diluye) con agua en una etapa de ósmosis directa. De acuerdo con un aspecto de la invención, la solución electrolítica concentrada actúa como solución de extracción en la etapa de ósmosis directa, lo que permite extraer agua de una corriente de alimentación. La solución electrolítica concentrada se pone entonces en contacto con un primer lado de una membrana de ósmosis directa. Una corriente de alimentación líquida que comprende agua se pone en contacto con un segundo lado de la membrana de ósmosis directa, opuesto al primer lado. El agua penetra a través de la membrana de ósmosis directa del segundo lado al primer lado debido a una diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica concentrada.
De acuerdo con la presente invención, en la etapa de electrólisis, el hidrógeno (gas) y el oxígeno (gas) se generan haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica acuosa. Al hacerlo, se obtiene la electrólisis del agua contenida en la solución electrolítica acuosa. Como el proceso de electrólisis agota el agua de la solución electrolítica acuosa, debe alimentarse agua fresca en la corriente de solución electrolítica. Sorprendentemente, los inventores han descubierto ahora que el agua puede alimentarse ventajosamente a la solución electrolítica acuosa a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua por medio de ósmosis directa. Por consiguiente, la sal electrolítica puede usarse en un bucle sin fin entre el proceso de ósmosis directa para actuar como una denominada solución de extracción que tiene una mayor concentración de la sal electrolítica, y el proceso de electrólisis en el que actúa como electrolito en una solución electrolítica acuosa que tiene una menor concentración de la sal electrolítica, para convertir el agua en hidrógeno y oxígeno.
El agua se alimenta desde la corriente de alimentación líquida a través de la membrana de ósmosis directa a la solución electrolítica acuosa por medio de una diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica acuosa. Con el fin de alimentar el agua de la corriente de alimentación líquida a la solución electrolítica acuosa, la presión osmótica de la solución electrolítica acuosa es mayor que la presión osmótica de la corriente de alimentación líquida. La diferencia de presión osmótica depende de la concentración osmótica u osmolaridad de ambas corrientes líquidas. En otras palabras, la osmolaridad de la solución electrolítica acuosa es mayor que la osmolaridad de la corriente de alimentación líquida con el fin de permitir la transferencia de agua de la corriente de alimentación líquida a la solución electrolítica acuosa a través de ósmosis directa.
La solución electrolítica acuosa tiene ventajosamente una concentración osmótica u osmolaridad de al menos 1500 mOsm/l, ventajosamente al menos 1700 mOsm/l, ventajosamente al menos 1750 mOsm/l, ventajosamente al menos 2000 mOsm/l, ventajosamente al menos 2250 mOsm/l, ventajosamente al menos 2500 mOsm/l. Ventajosamente, la osmolaridad de la solución electrolítica acuosa es inferior o igual a 75 Osm/l, ventajosamente inferior o igual a 50 Osm/l, ventajosamente inferior o igual a 30 Osm/l, ventajosamente inferior o igual a 25 Osm/l, ventajosamente inferior o igual a 20 Osm/l. La osmolaridad de la solución electrolítica acuosa se determina ventajosamente para la solución (concentrada) que se alimenta a la unidad de ósmosis para su reposición con agua.
La solución electrolítica acuosa tiene ventajosamente una presión osmótica de al menos 4 MPa (40 bar), tal como al menos 5 MPa (50 bar), 7,5 MPa (75 bar), 10 MPa (100 bar), 12,5 MPa (125 bar), 15 MPa (150 bar), 17,5 MPa (175 bar), 20 MPa (200 bar), 25 MPa (250 bar), 30 MPa (300 bar), 35 MPa (350 bar), 40 MPa (400 bar), 45 MPa (450 bar), hasta al menos 50 MPa (500 bar). Preferentemente, la presión osmótica es de entre 12,5 y 35 MPa (125 y 350 bar), incluso más preferentemente entre 14 MPa y 30 MPa (140 bar y 300 bar).
La corriente de alimentación líquida que comprende agua tiene ventajosamente una concentración osmótica u osmolaridad de 2000 mOsm/l o menos, tal como 1750 mOsm/l o menos, 1500 mOsm/l o menos, o 1250 mOsm/l o menos. Preferentemente, la osmolaridad de la corriente de alimentación líquida que comprende agua es de aproximadamente 1000 mOsm/l. La osmolaridad de la corriente de alimentación líquida es ventajosamente de al menos 5 mOsm/l, ventajosamente al menos 10 mOsm/l, ventajosamente al menos 20 mOsm/l. La osmolaridad de la corriente de alimentación líquida se determina ventajosamente a la entrada de la unidad de ósmosis.
La corriente de alimentación líquida que comprende agua tiene ventajosamente una presión osmótica de entre 1 y 5 MPa (10 y 50 bar), tal como entre 1,5 y 4,5 MPa (15 y 45 bar), entre 2 y 4 MPa (20 y 40 bar) y preferentemente entre 2.5 y 3,5 MPa (25 y 35 bar). Por ejemplo, una corriente de alimentación de agua salina a 25 °C tiene una presión osmótica de aproximadamente 2,8 MPa (28 bar).
La diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica acuosa es de aproximadamente al menos 2 MPa (20 bar), ventajosamente entre 2 y 50 MPa (20 y 500 bar), tal como entre 3 y 47.5 MPa (30 y 475 bar), entre 5 y 45 MPa (50 y 450 bar), entre 7,5 y 40 MPa (75 y 400 bar) o entre 10 y 30 MPa (100 y 300 bar). Preferentemente, la diferencia de presión osmótica es de entre 12 y 27,5 MPa (120 y 275 bar).
Los valores anteriores de osmolaridad y presión osmótica se determinan a 25 °C y presión atmosférica.
La solución electrolítica acuosa comprende ventajosamente un electrolito alcalino, ventajosamente es una solución electrolítica alcalina. Preferentemente, el electrolito alcalino comprende KOH, NaOH o una mezcla de ambos.
La solución electrolítica acuosa tiene ventajosamente una concentración molar de entre 0,5 M y 15 M, preferentemente entre 0,75 M y 10 M, tal como entre 1 M y 8 M, o entre 2 M y 7 M, por ejemplo, 5 M.
Preferentemente, la solución electrolítica acuosa es una solución de KOH en un intervalo de concentración molar entre 1 M y 8 M.
La corriente de alimentación líquida puede ser cualquier tipo de corriente residual que comprenda agua. Preferentemente, la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina, tal como agua de mar o agua salobre.
La concentración iónica de la corriente de alimentación líquida es ventajosamente de entre 0,25 M y 5 M, tal como entre 0,5 M y 4 M, entre 0,75 M y 3 M, o entre 1 M y 1,5 M.
Preferentemente, la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina con una concentración iónica de entre 1 M y 1,5 M, tal como agua de mar con una concentración iónica de entre 1 M y 1,5 M.
Ventajosamente, la etapa de electrólisis como se ha descrito anteriormente se realiza en una celda electroquímica, ventajosamente una celda de electrólisis. La celda electroquímica comprende ventajosamente un ánodo, un cátodo y uno o más compartimentos de electrolito dispuestos en una trayectoria de corriente eléctrica entre el ánodo y el cátodo. Al menos uno de los uno o más compartimentos de electrolito se configura para contener la solución electrolítica acuosa. El ánodo y el cátodo permiten hacer pasar la corriente eléctrica a través de la solución electrolítica acuosa.
Cuando la corriente eléctrica pasa a través de la solución electrolítica acuosa, el agua se consume ventajosamente en la celda electroquímica. Preferentemente, el agua se consume en el lado del ánodo, donde se convierte en hidrógeno (gas) y iones hidróxido de acuerdo con la fórmula (I). En el lado del cátodo, los iones hidróxido se convierten en oxígeno (gas) y agua de acuerdo con la fórmula (II). La reacción neta muestra claramente el consumo de 2 moléculas de agua para la producción de 1 molécula de oxígeno y 2 moléculas de hidrógeno (fórmula (III)).
4H2O+ 4e-^ 2 H2 (g) 4OH- (I)
4OH- ^ O2(g)+ 2H2O4e- (II)
2 H2O ^ 2 H2 (g) O2(g)(III)
La presente invención se refiere además a un dispositivo para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua. En referencia a la Fig. 1, el dispositivo 1 comprende una celda electroquímica 2 que comprende un ánodo 3, un cátodo 4 y un compartimento 5 de electrolito para contener una solución electrolítica acuosa. Preferentemente, la celda electroquímica es una celda de electrólisis. La celda electroquímica 2 se configura para hacer pasar una corriente eléctrica 6 a través del compartimento 5 de electrolito. El compartimento 5 de electrolito está ventajosamente en contacto fluido con el ánodo 3 y/o el cátodo 4.
Preferentemente, la celda electroquímica comprende una membrana separadora 7. La membrana separadora 7 divide el compartimento 5 de electrolito en un compartimento 8 de electrolito del ánodo y un compartimento 9 de electrolito del cátodo. La membrana separadora puede ser un tejido de sulfuro de polifenileno de malla abierta recubierto simétricamente con una mezcla de un polímero y óxido de circonio (Zirfon), o una membrana de intercambio iónico generalmente conocida, tal como una membrana de intercambio iónico alcalina (AEM alcalina), una membrana de amianto, una membrana conductora de NiO o una membrana conductora de OH- cerámica.
El dispositivo 1 comprende además una unidad de ósmosis 10 que comprende una membrana de ósmosis directa 11, un primer compartimento 12 (lado del permeado) conectado de forma fluida con el compartimento 5 de electrolito, y un segundo compartimento 13 (lado de la alimentación) que comprende una entrada 14 de alimentación y una salida 15 de alimentación. La membrana de ósmosis directa 11 forma la pared de separación entre el primer compartimento 12 y el segundo compartimento 13. Un primer lado 16 de la membrana de ósmosis directa 11 está en contacto con el primer compartimento 12 que contiene la solución electrolítica concentrada extraída de la celda electroquímica 2. Un segundo lado 17 de la membrana de ósmosis directa 11 está en contacto con el segundo compartimento 13 que contiene la corriente de alimentación líquida.
La solución electrolítica concentrada y la corriente de alimentación líquida pueden hacerse fluir a lo largo de la membrana 11 según sea apropiado. Se pueden contemplar unidades de ósmosis con flujo contracorriente, flujo simultáneo, flujo cruzado o cualquier combinación adecuada de los mismos.
El dispositivo 1 comprende además una unidad 20 para separar el hidrógeno y/o el oxígeno de la solución electrolítica. La unidad 20 está ventajosamente conectada de forma fluida entre el compartimento 5 de electrolito y el primer compartimento 12 de la unidad de ósmosis 10.
En referencia a la Fig. 2, se presenta una segunda realización del dispositivo de la presente invención. El dispositivo 100 difiere del dispositivo 1 de la Fig. 1 en que el compartimento 8 de electrolito del ánodo y el compartimento 9 de electrolito del cátodo se alimentan con corrientes de solución electrolítica separadas. Un primer compartimento 18 de electrolito está conectado de forma fluida con el compartimento 8 de electrolito del ánodo de la celda electroquímica 2 para alimentar una primera solución electrolítica al ánodo 3. Un segundo compartimento 19 de electrolito está conectado de forma fluida con el compartimento 9 de electrolito del cátodo para alimentar una segunda solución electrolítica al cátodo 4. La membrana separadora 7 puede dividir el compartimento 8 de electrolito del ánodo del compartimento 9 de electrolito del cátodo. La primera solución electrolítica fluye en un bucle 180 en forma de una solución diluida del primer compartimento 18 de electrolito al compartimento 8 de electrolito del ánodo y en forma de una solución concentrada del compartimento de electrolito del ánodo de vuelta al primer compartimento 18 de electrolito. Análogamente, la segunda solución electrolítica fluye en un bucle 190 en forma de una solución diluida del segundo compartimento 19 de electrolito al compartimento de electrolito del cátodo y en forma de una solución concentrada de vuelta al segundo compartimento de electrolito.
En los compartimentos 18 y 19 de electrolito primero y segundo, las soluciones electrolíticas concentradas se diluyen con agua dulce producida mediante la unidad de ósmosis 10. Ventajosamente, parte de la solución electrolítica concentrada de los compartimentos de electrolito primero y/o segundo puede ser arrastrada al compartimento de permeado 12 de la unidad de ósmosis y proporcionar la fuerza impulsora para extraer agua de la solución de alimentación líquida del compartimento 13 de alimentación, es decir, a través de una diferencia de presión osmótica. Será conveniente señalar que las soluciones electrolíticas primera y segunda pueden tener una composición sustancialmente idéntica. A modo de ejemplo, las soluciones electrolíticas primera y segunda concentradas pueden extraerse de los compartimentos 18 y 19 de electrolito primero y segundo, respectivamente, y alimentarse a través de un bucle 120 al compartimento 12 de permeado. Las soluciones electrolíticas primera y segunda concentradas pueden mezclarse en el bucle 120 y/o en el compartimento 12 de permeado.
El primer compartimento 18 de electrolito puede actuar como separador para extraer el hidrógeno gaseoso producido en el ánodo 3 de la primera solución electrolítica. El hidrógeno gaseoso puede evacuarse del primer compartimento 18 de electrolito por la salida de extracción 181. El segundo compartimento 19 de electrolito puede actuar como separador para extraer el oxígeno gaseoso producido en el cátodo 4 de la segunda solución electrolítica. El oxígeno gaseoso puede evacuarse del segundo compartimento 19 de electrolito por la salida de extracción 191.
La unidad de ósmosis 10 del dispositivo 100 puede ser sustancialmente idéntica a la unidad de ósmosis del dispositivo 1 de la Fig. 1. Preferentemente, el primer compartimento 12 de la unidad de ósmosis 10 está delimitado por el primer lado 16 de la membrana de ósmosis directa 11 y el segundo compartimento 13 de la unidad de ósmosis 10 está delimitado por el segundo lado 17 de la membrana de ósmosis directa 11.
De acuerdo con una realización alternativa (no mostrada), el dispositivo 100 de la Fig. 2 se altera para comprender dos unidades de ósmosis en lugar de una. Cada unidad de ósmosis puede estar conectada de forma fluida con uno de los respectivos compartimentos 18 y 19 de electrolito primero y segundo. Los segundos compartimentos 13 de las unidades de ósmosis pueden estar conectados de forma fluida en paralelo o en serie.
También es posible formar bucles separados entre, por un lado, el compartimento 8 de electrolito del ánodo, el primer compartimento 18 y el primer compartimento (de permeado) de la unidad de ósmosis 10 y, por otro lado, el compartimento 9 de electrolito del cátodo, el segundo compartimento 19 y el primer compartimento (permeado) de la unidad de ósmosis 10. Como alternativa, cada uno de los bucles separados puede estar conectado con una unidad de ósmosis separada, como se ha esbozado anteriormente.
El dispositivo de la presente invención puede comprender celdas electroquímicas adicionales, es decir, una pila de celdas electroquímicas. Preferentemente, cada celda electroquímica comprende una membrana separadora que divide el compartimento de electrolito en un compartimento de electrolito del ánodo y un compartimento de electrolito del cátodo.
Todas las celdas electroquímicas de la pila están preferentemente conectadas de forma fluida con la unidad de ósmosis como se ha indicado anteriormente. La pila puede comprender colectores de distribución de flujo apropiados para los compartimentos de electrolito del ánodo y para los compartimentos de electrolito del cátodo que están conectados de forma fluida con la unidad 20 o con los compartimentos 18 y 19 de electrolito primero y segundo, respectivamente. Los compartimentos de electrolito del ánodo de la pila, los compartimentos de electrolito del cátodo, o ambos pueden estar conectados de forma fluida en serie. Como alternativa, pueden estar conectados de forma fluida en paralelo.
La membrana de ósmosis directa 11 es ventajosamente una membrana semipermeable porosa que es selectiva hacia las moléculas de agua. Cuando la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina, tal como agua de mar o agua salobre, la membrana de ósmosis directa es ventajosamente impermeable a la sal, por ejemplo, con un rechazo superior al 90 %.
Preferentemente, la membrana de ósmosis directa 11 tiene una alta densidad de una capa activa para un alto rechazo del soluto, tal como la sal cuando la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina. La membrana de ósmosis puede comprender además una fina capa de soporte con una porosidad mínima para permitir un alto flujo de agua.
Preferentemente, la membrana de ósmosis directa es hidrófila. Una membrana de ósmosis hidrófila contribuye al flujo de agua, es decir, la cantidad de agua que se alimenta de la corriente de alimentación líquida a la solución electrolítica acuosa por unidad de tiempo. Una membrana hidrófila también contribuye a una reducción del ensuciamiento de la membrana en el segundo lado.
La membrana de ósmosis directa comprende ventajosamente una capa activa sustancialmente hecha de poliamida aromática asimétrica, acetato de celulosa opcionalmente reforzado con cargas minerales y triacetato de celulosa. Estas membranas pueden sintetizarse a través de inversión de fase. Se proporciona una amplia revisión de las características de las membranas de ósmosis directa y su aplicación actual en T.Y. Cathet al., J. Membrane Science,Vol. 281 (2006) págs. 70-87.
La membrana de ósmosis directa puede utilizarse en forma de una lámina plana o en forma de una fibra hueca.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Método para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, comprendiendo el método hacer pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica acuosa para generar hidrógeno y oxígeno y se obtiene una solución electrolítica concentrada, caracterizado por que se alimenta agua a la solución electrolítica concentrada para obtener la solución electrolítica acuosa por medio de ósmosis directa, en donde la solución electrolítica concentrada se pone en contacto con un primer lado (16) de una membrana de ósmosis directa (11) y la corriente de alimentación líquida que comprende agua se pone en contacto con un segundo lado (17) de la membrana de ósmosis directa, en donde el agua penetra a través de la membrana de ósmosis directa (11) del segundo lado (17) al primer lado (16) por medio de una diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica concentrada.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la solución electrolítica concentrada tiene una osmolaridad de al menos 1700 mOsm/l.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la corriente de alimentación líquida tiene una osmolaridad de 1250 mOsm/l o menos.
4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la diferencia de presión osmótica entre la corriente de alimentación líquida y la solución electrolítica concentrada es de al menos 2 MPa (20 bar).
5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la solución electrolítica acuosa comprende un electrolito alcalino.
6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el electrolito alcalino comprende KOH y/o NaOH.
7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la corriente de alimentación líquida es una corriente de agua salina.
8. Dispositivo (1, 100) para la generación de hidrógeno y oxígeno a partir de una corriente de alimentación líquida que comprende agua, comprendiendo el dispositivo:
una celda electroquímica (2) que comprende un ánodo (3), un cátodo (4) y un compartimento (5) de electrolito para contener una solución electrolítica acuosa, en donde la celda electroquímica (2) se configura para hacer pasar una corriente eléctrica a través del compartimento (5) de electrolito para generar hidrógeno y oxígeno y obtener una solución electrolítica concentrada,
caracterizado por que el dispositivo comprende una unidad de ósmosis (10) que comprende una membrana de ósmosis directa (11), un primer compartimento (12) conectado de forma fluida con el compartimento (5) de electrolito en un bucle sin fin y configurado para contener la solución electrolítica concentrada extraída de la celda electroquímica, y un segundo compartimento (13) que comprende una entrada (14) de alimentación y una salida (15) de alimentación,
en donde el primer compartimento (12) está en contacto con un primer lado (16) de la membrana de ósmosis directa para hacer pasar la solución electrolítica concentrada en el primer lado (16) de la membrana de ósmosis directa, y el segundo compartimento (13) está en contacto con un segundo lado (17) de la membrana de ósmosis directa (11) para hacer pasar una corriente de alimentación líquida en el segundo lado de la membrana de ósmosis directa.
9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el compartimento (5) de electrolito está en contacto fluido con el ánodo (3) y/o el cátodo (4).
10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, que comprende un primer compartimento (18) de electrolito para alimentar una primera solución electrolítica al ánodo (3), un segundo compartimento (19) de electrolito para alimentar una segunda solución electrolítica al cátodo (4), en donde el primer compartimento (12) de la unidad de ósmosis está conectado de forma fluida con los compartimentos de electrolito primero y segundo.
11. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende medios (20, 181, 191) para separar el hidrógeno y/o el oxígeno de la solución electrolítica.
12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el medio para separar el hidrógeno y/o el oxígeno es una unidad (20) para separar el hidrógeno y/o el oxígeno conectada de forma fluida entre el compartimento (5) de electrolito y el primer compartimento (12) de la unidad de ósmosis (10).
13. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en donde la membrana de ósmosis directa (11) es una membrana semipermeable, preferentemente una membrana no porosa, selectivamente permeable al agua.
14. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde la membrana de ósmosis directa (11) está hecha de un material seleccionado del grupo que consiste en poliamida aromática asimétrica, acetato de celulosa opcionalmente reforzado con cargas minerales y triacetato de celulosa.
15. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, en donde el primer lado (16) de la membrana de ósmosis directa (11) forma una pared del primer compartimento (12) de la unidad de ósmosis y el segundo lado (17) de la membrana de ósmosis directa forma una pared del segundo compartimento (13) de la unidad de ósmosis (10).
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