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ES2566536T3 - Dispositivo y procedimiento de electrodesionización que comprende el control de la corriente eléctrica mediante la medición de la expansión del material de intercambio iónico - Google Patents

Dispositivo y procedimiento de electrodesionización que comprende el control de la corriente eléctrica mediante la medición de la expansión del material de intercambio iónico Download PDF

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ES2566536T3
ES2566536T3 ES10290370.5T ES10290370T ES2566536T3 ES 2566536 T3 ES2566536 T3 ES 2566536T3 ES 10290370 T ES10290370 T ES 10290370T ES 2566536 T3 ES2566536 T3 ES 2566536T3
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ion exchange
exchange material
electric current
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ES10290370.5T
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Andrej Grabowski
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EMD Millipore Corp
Original Assignee
EMD Millipore Corp
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Publication date
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Application filed by EMD Millipore Corp filed Critical EMD Millipore Corp
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Abstract

Dispositivo (2, 20, 22, 27) de electrodesionización para la eliminación de iones desde un líquido (F) polar, en el que el dispositivo comprende electrodos, al menos un compartimiento (14, 14', 14") que comprende al menos una entrada (4) para un flujo (F) de líquido polar entrante y al menos una salida (5) para un flujo (D, F') de líquido desionizado saliente, en el que en dicho compartimiento (14, 14', 14") un material (17, 17', 17") de intercambio iónico regenerable electroquímicamente llena una zona, a través de cuya zona puede pasar un flujo de líquido, en el que el dispositivo (2, 20, 22, 27) está caracterizado por que comprende al menos un sensor (1, 1'; 1") de al menos un cambio dimensional del material (17, 17', 17") de intercambio iónico que llena dicha zona, y por que comprende un aparato (10, 11, 100) conectado al sensor que es capaz de analizar el cambio dimensional del material de intercambio iónico y controlar la corriente eléctrica que puede ser conducida a través de dicho compartimiento o a través de dicho dispositivo.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo y procedimiento de electrodesionizacion que comprende el control de la corriente electrica mediante la medicion de la expansion del material de intercambio ionico
La presente invention se refiere a un dispositivo y un procedimiento de electrodesionizacion especializados (EDI). Dichos dispositivos y procedimientos se emplean para la production de un lfquido al menos parcialmente desionizado a partir de una corriente de alimentation de lfquido polar.
En la presente memoria, "desionizado" significa "desanionizado", "descationizado", o "completamente desionizado" (es decir, des-anionizado y des-cationizado) independientemente del grado de desionizacion conseguido.
La EDI continua o no continua se conoce en la tecnica como un procedimiento que elimina, al menos parcialmente, especies ionizadas e ionizables de lfquidos polares, tales como agua, usando medios electricamente activos y una diferencia de potencial electrico para accionar el transporte de iones. La desionizacion se lleva a cabo en al menos un compartimiento de diluido de EDI, que es un compartimiento en el dispositivo electroqmmico en el que se produce la purification, es decir, la elimination de contaminantes.
En la actualidad, EDI se refiere a las tecnicas de desionizacion de agua estandar. Su principio original, es decir, el uso de una resina de intercambio ionico de lecho mixto en el compartimiento de diluido de una pila de electrodialisis, ha sido comercializado por Millipore Corporation desde 1987.
En general, un modulo EDI comprende al menos un par de electrodos y compartimientos, que pueden estar separados por membranas, en el que el compartimiento o los compartimientos de diluido estan llenos de un material de intercambio ionico. Tfpicamente, los compartimientos son compartimientos de diluido y compartimientos de concentrado alternos y las membranas que separan estos compartimientos son membranas de intercambio ionico, generalmente membranas de intercambio anionico y de intercambio cationico alternas. Los compartimientos que comprenden los electrodos, es decir, compartimientos con electrodo, pueden actuar como compartimientos de diluido o como compartimientos de concentrado, dependiendo del concepto.
Los materiales de intercambio ionico son generalmente materiales de intercambio de cationes y de intercambio de aniones en la forma de perlas (resinas de intercambio ionico convencionales), polvos, fibras (textiles tejidos o no tejidos) y bloques porosos. Ocupan un cierto volumen como un lecho en un compartimiento, y permiten que una corriente de fluido fluya a traves del volumen de huecos, y que la corriente electrica de los iones sea conducida a traves del material de intercambio ionico. Se conocen generalmente como "resinas".
En la tecnica anterior, son posibles diferentes disposiciones de los materiales de intercambio ionico en un compartimiento de diluido de un dispositivo de EDI. La disposition original es un lecho mixto de resinas de intercambio ionico. Una disposition alternativa es la alternancia de capas de resinas de intercambio cationico e intercambio anionico, denominada lechos en capas. Se conoce tambien el uso de resina de intercambio cationico y resina de intercambio anionico en compartimientos de diluido completamente separados, regeneradas electroqmmicamente en un modo continuo. En ciertos esquemas, la solution acuosa de alimentacion fluye a traves de los lechos de resina de intercambio cationico y de resina de intercambio anionico en serie y los iones H+ y OH- producidos por ejemplo, en las reacciones en los electrodos se usan para la regeneration de las resinas.
En los procedimientos conocidos de EDI y los dispositivos relacionados con regeneracion electroqmmica del material de intercambio ionico, el flujo de lfquido es suministrado a y sale de cada compartimiento por separado o es distribuido entre los compartimientos paralelos de un modulo a traves del colector comun colocado fuera de los compartimientos. El lfquido tfpico usado como alimentacion es agua pre-tratada, tal como permeado de osmosis inversa.
Cuando se aplica un voltaje electrico entre los electrodos, la corriente electrica de iones es conducida principalmente a traves de este material de intercambio ionico. La eliminacion de los iones desde la corriente de alimentacion se lleva a cabo directamente en el material de intercambio ionico, donde se intercambian con iones H+ u OH". Durante la regeneracion, los iones H+ y OH- generados, por ejemplo, generados mediante disociacion de agua mejorada electroqmmicamente, regeneran el material de intercambio ionico correspondiente mientras producen un concentrado como residuo. Normalmente, se requiere un grado espedfico de regeneracion de las resinas para proporcionar suficiente eliminacion de contaminantes ionicos desde el material de intercambio ionico y, en caso de aplicacion en la desionizacion de agua, para producir agua de alta resistividad. Si el grado de regeneracion de las resinas no es suficientemente alto, la resistividad del diluido, es decir la calidad del agua producida, disminuira.
A un caudal y una composition de agua de alimentacion fijos, es decir, la concentration de todos los contaminantes, el grado de regeneracion del material de intercambio ionico es proporcional a la corriente electrica directa. Cabe senalar que la resina en la forma regenerada, es decir, en forma de iones H+ para la resina de intercambio cationico y en forma de iones OH- para la resina de intercambio anionico, se hincha mas fuertemente, es decir, tiene mas volumen que en su
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forma de sal (original).
Si el compartimiento de diluido de un modulo EDI esta completamente lleno de resina, el aumento del grado de regeneracion de dicha resina resulta en una expansion de la resina y una tension mecanica sobre las paredes del compartimiento. Esta tension resulta en una deformacion de compresion sobre los elementos que forman el compartimiento, es decir, deforma membranas, bastidores, distribuidores de flujo, etc. Esto puede conducir a fugas internas o externas. Ademas, el mantenimiento de una corriente electrica a un nivel significativamente mas alto que un nivel suficiente para mantener el grado de regeneracion requerido resultana en un consumo de energfa excesivo.
Por otra parte, si el grado de regeneracion y el volumen de del lecho se reducen, entonces el compartimiento no puede ser llenado completamente con el lecho de resina, y puede resultar en un aumento de la resistencia electrica en la zona vada, la fluidizacion del lecho de resina y un soporte mecanico debil de las membranas. Todos estos fenomenos no son ventajosos para el rendimiento del modulo y su tiempo de vida. Ademas, una intensidad de corriente electrica, que no es suficientemente alta para crear una regeneracion suficiente de resinas y una eliminacion de contaminantes, resultana en la produccion de agua de mala calidad.
De esta manera, para un funcionamiento sostenible y fiable de un modulo EDI, se requiere un ajuste correcto de la corriente con el fin de prevenir los inconvenientes indicados anteriormente.
Normalmente, cuando se miden los parametros del agua de alimentacion, tales como la conductividad y las concentraciones de CO2 disuelto y silicio para el permeado de osmosis inversa, puede calcularse una corriente electrica optima para el EDI, teniendo en cuenta un caudal fijo. Sin embargo, las caractensticas del agua de alimentacion pueden cambiar con el tiempo, lo que puede ser causado por la inestabilidad del tratamiento aguas arriba o por cambios en la calidad del agua usada por el sistema. Ademas, el caudal a traves del aparato de EDI puede variar durante el tiempo de vida del dispositivo. Debido a todos estos posibles cambios, la corriente electrica establecida puede desviarse de la optima y esto puede ocasionar un mal funcionamiento.
Algunos documentos de la tecnica anterior han senalado la importancia del control de la corriente electrica en un dispositivo de EDI. Normalmente se supervisan diferentes parametros como una senal para el control de la corriente electrica.
Por ejemplo, la solicitud de patente US 2004/060823 describe un procedimiento para controlar automaticamente la corriente electrica establecida a traves de un conjunto de unidad de EDI. La carga ionica del agua alimentada a la unidad es supervisada continuamente mediante la medicion de la conductividad del agua de alimentacion y usando la salida del medidor de conductividad para ajustar automaticamente la corriente electrica a traves de la unidad de EDI. La limitacion del procedimiento es que la medicion de la conductividad estima solo el contenido de especies ionizadas y no de moleculas ionizables. La concentracion de CO2, que es una molecula ionizable, es generalmente comparable con la concentration de iones de sal en una composition tfpica de agua de alimentacion de EDI. De esta manera, la regulation de la corriente segun este procedimiento no es satisfactoria.
El documento US N° 7.264.737 B2 describe un sistema de tratamiento de agua que incluye un analizador de boro. Un controlador responde a una concentracion de boro detectada en el agua producida, ajustando la corriente o el voltaje en la unidad de EDI y manteniendo una parte de la resina de intercambio ionico en el compartimiento de diluido en un estado sustancialmente regenerado. Sin embargo los analizadores de boro en lmea son caros y requieren un mantenimiento especial, por lo tanto su uso segun esta patente no es una solution facil para la persona con conocimientos en la materia.
En el documento US 2008/0156710 A1, un aparato productor de agua con un dispositivo de EDI, comprende medios de detection, que miden la temperatura del agua en las diferentes etapas del procedimiento, y medios de control, que controlan un voltaje aplicado o una corriente electrica suministrada al dispositivo de EDI en base a estas temperaturas del agua. Debido a que la temperatura no esta directamente relacionada con el nivel de contaminantes, el uso de la temperatura como un parametro para la regulacion de la corriente en el dispositivo de EDI no es satisfactorio.
El documento EP 0862942 describe un aparato de EDI que comprende compartimientos llenos con membranas de intercambio ionico dispuestas de manera alterna para formar compartimientos. Hay dispuesto un separador en cada compartimiento para mantener el espesor del compartimiento. Las membranas se incorporan en su estado seco al aparato de EDI. Las membranas se hinchan durante el uso del aparato. Se llevan a cabo algunas mediciones externas con el fin de determinar la presion en un momento determinado, comparando el volumen de la membrana y el volumen de la misma membrana a medida que se hincha en un recipiente de metal exterior.
El documento US 2008/308482 se refiere a un aparato de EDI. Al igual que el documento EP 0862942, este documento reconoce el problema tecnico del hinchamiento y el encogimiento de las membranas o resinas de intercambio ionico cuando se lleva a cabo la operation de dicho aparato. La solucion propuesta en el documento US 2008/308482 es la de usar la mezcla de una resina monolftica y una resina de intercambio ionico.
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De esta manera, los procedimientos de la tecnica anterior para controlar la corriente electrica en los aparatos de EDI son insuficientes o excesivamente caros, y existe una necesidad de procedimientos sencillos y fiables para regular la corriente electrica y mantener un grado de regeneracion suficiente del material de intercambio ionico en EDI. Ademas, ninguno de estos documentos de la tecnica anterior considera o ni siquiera sugiere la expansion de la resina de intercambio ionico como un parametro para controlar la corriente electrica.
La solucion descrita en la presente memoria proporciona una manera sencilla para controlar la corriente electrica en un dispositivo de EDI. Esta solucion al problema es menos cara y, ademas, proporciona la posibilidad de optimizar el consumo de energfa (costo de funcionamiento) de la desionizacion, mientras que proporciona la calidad requerida del agua producida y evita danos mecanicos en el dispositivo (por ejemplo, una fuerte deformacion de la membrana, o fugas internas o externas).
Por consiguiente y de manera ventajosa, la presente invention proporciona dispositivos y procedimientos que abordan uno o mas de los problemas discutidos anteriormente, de una manera simple, eficiente y rentable.
La invencion proporciona un dispositivo de electrodesionizacion para la elimination de iones desde un lfquido polar, en el que el dispositivo comprende electrodos, al menos un compartimiento que comprende al menos una entrada para un flujo de lfquido polar entrante y al menos una salida para un flujo de lfquido desionizado saliente, en el que en dicho compartimiento un material de intercambio ionico regenerable electroqmmicamente llena una zona a traves de cuya zona puede pasar un flujo de lfquido, en el que el dispositivo esta caracterizado por que comprende al menos un sensor de al menos un cambio dimensional del material de intercambio ionico que llena dicha zona.
El compartimiento es un compartimiento de diluido o un compartimiento de purification, ya que produce un lfquido purificado y diluido. Esta zona es una zona de purificacion o una zona de diluido.
Segun la invencion, un compartimiento esta compuesto de un medio de intercambio ionico y un bastidor que es un elemento de plastico que mantiene los medios en su interior. El compartimiento de diluido es un compartimiento en el que, segun la invencion, hay al menos una zona de diluido en la que puede producirse la desionizacion. Segun la invencion, un modulo es un conjunto de compartimientos y electrodos.
Dicho sensor es capaz de detectar y, preferiblemente, detectar y registrar, al menos un cambio dimensional del material de intercambio ionico. Normalmente, dicho cambio dimensional se produce en un desplazamiento de los lfmites del material de intercambio ionico. Dicho desplazamiento puede ser un desplazamiento lineal.
Los cambios dimensionales del material de intercambio ionico son principalmente el cambio de volumen de dicho material en el interior del compartimiento, que causa una tension mecanica. Este cambio de volumen depende del contenido ionico del material. El volumen del material de intercambio ionico en su forma regenerada normalmente es mayor que su volumen en forma de sal. Por ejemplo, un material de intercambio cationico tfpico que comprende el 8% en peso de agente de reticulation tiene un volumen 7% mas grande en forma de iones H+ que el volumen en forma de iones Na+. Un material de intercambio anionico tfpico que comprende 8% de agente de reticulacion tiene un volumen 20% mas grande en forma de iones OH- que el volumen en forma de iones Cl-.
Cuando el material de intercambio ionico esta constituido por perlas esfericas ngidas, estas perlas cambian su diametro con respecto a su forma ionica, conduciendo de esta manera a un cambio correspondiente del volumen total (tres dimensiones) del lecho formado por estas perlas. Por ejemplo, si un lecho de material de intercambio ionico llena completamente un compartimiento restringido en todos los lados por paredes, un incremento del volumen total del lecho creara una tension mecanica sobre las paredes del compartimiento.
El grado de expansion y la tension mecanica causada por la resina expandida es dependiente del tipo, el grado de reticulacion y el grado de regeneracion del material de intercambio ionico, asf como de los parametros geometricos del compartimiento y de la cantidad de material de intercambio ionico colocada originalmente en este compartimiento. Tambien vana con la temperatura, las propiedades mecanicas de las membranas y los bastidores, y otros parametros tal como conoce la persona con conocimientos en la materia.
Una ubicacion preferible del sensor es completamente dentro del compartimiento en el que se espera un cambio mas fuerte de la expansion de la resina.
Segun la invencion, la tension mecanica creada por la expansion de la resina es medida por al menos un sensor de tension mecanica, por ejemplo un sensor piezorresistivo, un sensor magnetorresistivo, o un sensor magnetoestrictivo, montado preferiblemente en el bastidor del compartimiento, y se usa como un parametro para el control de la corriente electrica mediante la expansion de la resina, que es una medida del grado de regeneracion. La senal de este sensor de tension mecanica es proporcionada preferiblemente a un dispositivo electronico que controla la corriente electrica aplicada al dispositivo de EDI. La medicion de la tension mecanica dentro del compartimiento se usa de manera ventajosa para controlar de manera suficiente la corriente electrica que debe aplicarse al compartimiento para producir agua de la calidad
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requerida sin danar el compartimiento.
En una variante, el sensor comprende un sensor de tension mecanica que generalmente esta colocado completamente dentro de o en contacto con la zona. Por ejemplo, el sensor de tension mecanica esta montado en el bastidor del compartimiento, por ejemplo, en una pared de dicho bastidor. La tension medida por dicho sensor es una suma de la presion hidraulica del agua en el interior del compartimiento y una tension adicional creada mecanicamente por el material de resina de intercambio ionico que se hincha.
El sensor de tension mecanica puede comprender tambien un sensor piezorresistivo, un sensor magnetorresistivo, un sensor magnetoestrictivo o de otro tipo, tal como conoce la persona con conocimientos en la materia, tal como un transformador diferencial lineal variable. El sensor de tension mecanica generalmente determina la posicion del lfmite del material de intercambio ionico, y es capaz de generar una senal en relacion con esta posicion. La senal de salida del sensor es usada tfpicamente como un parametro para el control de la corriente electrica.
El sensor de tension mecanica puede ser usado en relacion con miembros de soporte, tales como muelles y placas, proporcionando una mejor precision de la medicion de la tension mecanica. En una realization preferida, la posicion del lfmite del material de intercambio ionico es fijada por una placa, soportada generalmente por un muelle. En otra realizacion, el sensor de tension mecanica es una parte movil, por ejemplo una varilla, accionada por el material de intercambio ionico, y esta parte movil esta conectada mecanicamente con una parte movil de un potenciometro que regula la corriente electrica.
Segun la invention, el sensor puede comprender un foto-sensor colocado generalmente fuera del compartimiento.
Segun una implementation preferida, el sensor comprende un foto-sensor que comprende un elemento mecanico, colocado generalmente en el interior de o en contacto con la zona, y un foto-detector del desplazamiento de dicho elemento mecanico que comprende un transceptor, colocado generalmente fuera del compartimiento, y en el que el compartimiento alrededor del elemento mecanico tiene al menos una pared transparente (o ventana) de manera que la senal optica desde el transmisor al receptor pueda cruzar dicho compartimiento adyacente al elemento mecanico.
La description no se limita ni al tipo de dispositivo (diseno del modulo, sensores, etc.), ni a los miembros de soporte (muelle, accesorios, etc.), si los hay, ni al tipo de sensor. El control de la corriente electrica descrito en la presente memoria puede ser aplicado a diferentes conceptos de dispositivos de EDI (con lecho mixto, con lechos en capas o separados, etc.), y usando diferentes materiales de intercambio ionico en el dispositivo (lecho de perlas de resina, bloques de intercambio ionico, etc.). La transmision de la senal desde el sensor al controlador, asf como desde el controlador a la fuente de alimentation del EDI puede realizarse por medio de cables, asf como mediante diferentes tecnologfas inalambricas. La regulation de la corriente electrica puede realizarse tambien con relacion a la expansion del material de intercambio ionico en un compartimiento de concentrado y/o en un compartimiento de electrodos, si dicha medida se considera que es mas ventajosa para ciertas configuraciones de EDI.
Segun la invencion, el dispositivo puede comprender tambien otro sensor, generalmente diferente del sensor segun la invencion, que es capaz de medir la presion hidraulica del flujo de lfquido que puede circular a traves de la zona (y solo esta presion hidraulica). Si el sensor segun la invencion reacciona tanto a la tension mecanica creada por el material de intercambio ionico expandido como a la presion hidraulica del lfquido, debenan deducirse las mediciones adicionales de la presion hidraulica del lfquido polar de las mediciones realizadas por el sensor segun la invencion. De esta manera, pueden obtenerse mediciones mas precisas de los cambios dimensionales del material de intercambio ionico.
El sensor segun la invencion normalmente es capaz de medir la presion hidraulica del lfquido en el interior del compartimiento y los cambios dimensionales del material de intercambio ionico mientras que el otro sensor es capaz de medir la presion hidraulica del lfquido dentro del compartimiento. Por ejemplo, si otro sensor supervisa la presion aguas abajo del compartimiento, y si el sensor segun la invencion dentro del compartimiento supervisa la tension, las mediciones de estos dos sensores pueden ser usadas para calcular la tension mecanica causada por el material de intercambio ionico. En caso de que la presion relativa aguas abajo del dispositivo sea cercana a cero (por ejemplo, un flujo a un tanque a presion atmosferica), las mediciones de la tension en un sensor colocado cerca de la salida del compartimiento, por ejemplo, un compartimiento de diluido, pueden ser consideradas como la medicion de la tension mecanica debida a los cambios dimensionales del material de intercambio ionico en este compartimiento. Tambien en el caso en el que se proporciona una presion constante de lfquido en un amplio intervalo de velocidades de flujo, por ejemplo usando un regulador de presion o una valvula de retention, en general, no se requiere la supervision adicional de esta presion hidraulica y normalmente se resta un valor predefinido y constante de presion hidraulica de las mediciones del sensor dentro del compartimiento, para deducir la tension mecanica de la expansion de la resina.
Segun la invencion, el dispositivo de electrodesionazacion comprende un aparato conectado al sensor y que es capaz de analizar el cambio dimensional del material de intercambio ionico y controlar la corriente electrica conducida a traves de dicho compartimiento o a traves del dispositivo.
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La invention comprende tambien un procedimiento para la elimination de iones desde un Ifquido polar en un dispositivo de electrodesionizacion segun la invencion, en el que al menos una parte de dicho Kquido polar pasa como una corriente a traves del material de intercambio ionico regenerable electroqmmicamente situado en el compartimiento en el que se aplica un campo electrico de manera que los iones a ser eliminados migren,
en el que el procedimiento comprende una etapa de control de la corriente electrica conducida a traves de dicho compartimiento,
en el que el procedimiento esta caracterizado por que incluye una etapa de medicion de al menos un cambio dimensional del material de intercambio ionico y por que la etapa de control de la corriente electrica tiene en cuenta este cambio dimensional del material de intercambio ionico.
La etapa de control de la corriente electrica esta relacionada al menos con la corriente electrica en el compartimiento, pero puede controlar tambien la corriente en el dispositivo en el que esta comprendido el compartimiento.
En una realization, la migration de los iones a ser eliminados es preferiblemente en una direction opuesta al flujo de la corriente a traves de dicho material de intercambio ionico. De esta manera, el flujo de lfquido usado para la eliminacion de iones puede ser dirigido en una direccion opuesta, es decir, en contracorriente, a la migracion de los iones en el interior del material de intercambio ionico. Los iones correspondientes desde la corriente de alimentation seran eliminados mediante intercambio ionico, migraran adicionalmente al interior del material de intercambio ionico y finalmente seran liberados en el electrodo a una corriente de concentrado para ser desechados.
Generalmente, el material de intercambio ionico es regenerado electroqmmicamente de manera continua. De esta manera, los iones desde la corriente de alimentacion pueden ser intercambiados de manera continua y se obtiene un flujo sustancialmente libre de iones de la sal correspondiente.
El grado de regeneration de dicho material es usado como un parametro para controlar la corriente electrica, mediante el cambio del volumen de dicho material.
Las caractensticas del lfquido polar pueden cambiar con el tiempo debido a la inestabilidad de un tratamiento aguas arriba (por ejemplo, efecto de la temperatura, la descamacion, el ensuciamiento o el envejecimiento) o por cambios en la calidad del agua utilizada por el sistema (cambio de la fuente por el proveedor de agua, cambios estacionales, etc.). El caudal a traves del EDI puede variar tambien durante la vida util del modulo. De manera ventajosa, el procedimiento de la invencion proporciona un procedimiento operativo con todas estas condiciones cambiantes con un buen nivel de control de la corriente electrica.
El lfquido tfpico usado como lfquido polar es agua pre-tratada, tal como el permeado de una osmosis inversa, nanofiltracion o ultrafiltracion.
El principio de los procedimientos y los dispositivos de la presente invencion usados para eliminar los componentes ionicos e ionizables de un lfquido polar pueden ser aplicados no solo a las soluciones acuosas de electrolitos, sino tambien a soluciones en otros disolventes polares o en mezclas de agua/disolvente polares.
Preferiblemente, la tension mecanica maxima permitida que determina el valor maximo de la corriente electrica para el dispositivo de EDI se define experimentalmente para cada diseno de dispositivo de EDI. Si se alcanza este maximo, entonces el controlador reducira la corriente electrica conducida a traves del compartimiento para prevenir una expansion excesiva de la resina y la posterior deformation en el bastidor y en las membranas. Esto reducira el riesgo de posibles fugas y el consumo de energfa del compartimiento. Tambien puede establecerse un lnriite inferior de la tension mecanica para restringir la corriente electrica. Por ejemplo, si la relation entre la forma de sal y la forma regenerada de la resina disminuye, las perlas de resina se contraen y la tension mecanica recibida por el sensor puede desaparecer. En este caso, el controlador debena aumentar la intensidad de la corriente electrica para alcanzar un valor por encima del valor mmimo establecido.
El penodo de tiempo entre los cambios de la corriente electrica y la expansion de la resina debenan ser tenidos en cuenta por el controlador. El sistema puede necesitar mucho tiempo para alcanzar un estado estable, donde la expansion de la resina corresponde a una nueva corriente aplicada, y este hecho debe ser considerado en el control de la corriente electrica. Los detalles de los algoritmos de control (regulation) y la comunicacion entre el sensor, el controlador y la fuente de alimentacion no se describen en detalle en este documento y son facilmente accesibles para una persona con conocimientos en la materia.
Sin embargo, en la presente memoria se describen posibles formas de regulacion de corriente sin especificar los detalles de los algoritmos.
La expansion del lecho de resina en el dispositivo de EDI es medida con ciertos intervalos predefinidos. El tiempo entre las
mediciones debe ser seleccionado segun el diseno y las dimensiones del modulo, as^ como las condiciones de funcionamiento. Puede durar desde unos pocos minutos a unas pocas horas de operacion. Preferiblemente, se realizan varias mediciones y se calcula y se tiene en cuenta una medicion promedio.
Un cierto intervalo de expansion de resina, registrado por un sensor, se define como un "intervalo optimo", donde no se 5 realiza ningun ajuste y el modulo esta trabajando bajo una corriente electrica constante.
Hay dos intervalos de expansion "aceptable" fuera de este intervalo optimo, donde se regula la corriente electrica. Si la expansion es menor que en el intervalo optimo, la corriente electrica debe ser aumentada. El incremento del aumento de corriente puede ser predeterminado o puede depender de la diferencia entre el valor medido de la expansion y el valor optimo correspondiente predefinido, por ejemplo, el incremento incrementara proporcionalmente a esta diferencia. El 10 tiempo entre el momento en el que se cambia la corriente electrica y el momento en el que se tiene en cuenta una medicion de expansion siguiente puede ser fijo o puede variar, por ejemplo dependiendo del incremento de la intensidad de la corriente electrica.
Si la expansion esta en un "intervalo aceptable", pero mas alto que el intervalo optimo, la corriente electrica debe ser disminuida de una manera similar a la manera descrita anteriormente.
15 Una expansion fuera de los intervalos optimos y aceptables no es deseable. Cuando la expansion del lecho de resina es inaceptablemente baja, esto puede conducir a una disminucion de la calidad del agua producida. Cuando la expansion del lecho de resina es inaceptablemente alta, esto puede conducir a un consumo de energfa ineficiente y posibles fugas. Si la expansion es inaceptablemente baja, la corriente electrica puede ser ajustada a un valor maximo, por ejemplo, a un valor preestablecido o la corriente mas alta disponible para la fuente de alimentacion, con el objetivo de facilitar la regeneracion 20 de la resina y aproximar la expansion de la resina al intervalo optimo. Si la expansion es inaceptablemente alta, la corriente electrica puede ser ajustada a un valor mmimo, por ejemplo, a un valor preestablecido o puede apagarse completamente la fuente de alimentacion. La expansion en el intervalo inaceptable debena ser supervisada continuamente hasta que los valores medidos se mueven al intervalo aceptable u optimo.
Segun la invencion, la etapa de medicion del cambio dimensional del material de intercambio ionico se lleva a cabo por 25 medio de un sensor.
En una realizacion, el sensor comprende un foto-sensor.
En una realizacion preferida, independiente o no de la realizacion anterior, el sensor comprende un sensor de tension mecanica.
La invencion describe tambien un procedimiento que comprende ademas una etapa de medicion de la presion hidraulica 30 del flujo de corriente que pasa a traves del material de intercambio ionico.
Preferiblemente, la etapa de control de la corriente electrica tiene en cuenta el cambio dimensional del material de intercambio ionico sin la influencia de la presion hidraulica del flujo de corriente.
Como una variante, el flujo de corriente es regulado mediante el ajuste hidrodinamico de la cafda de presion en la corriente saliente.
35 La presencia de una membrana de intercambio ionico es opcional. El hecho de que, opcionalmente, hay un material de intercambio ionico regenerable electroqmmicamente colocado en el compartimiento no significa necesariamente que este material llene completamente este compartimiento. Este material generalmente llena una zona en el compartimiento, por ejemplo, una zona comprendida entre dos membranas de intercambio ionico, o entre un electrodo y una membrana de intercambio ionico. En cualquier caso, el material de intercambio ionico llena esta zona generalmente como un lecho fijo 40 de material de intercambio ionico.
La resistencia hidrodinamica del dispositivo, correspondiente a la diferencia de presion entre los flujos de lfquido entrante y saliente, esta relacionada estrechamente con el diseno del dispositivo, tal como conoce la persona con conocimientos en la materia.
Segun la invencion, un dispositivo que contiene el material de intercambio anionico, tal como se ha descrito 45 anteriormente, puede ser usado para una eliminacion eficiente de los aniones de sales presentes en la corriente de alimentacion. Tambien es capaz de eliminar los acidos debilmente disociados presentes en forma de moleculas no disociadas, tales como acido carbonico (o CO2), acido silfcico, acido borico, etc.
Segun la invencion, un dispositivo lleno de material de intercambio cationico, tal como se ha descrito anteriormente, puede ser usado para la eliminacion eficiente de los cationes de sales presentes en la corriente de alimentacion. Tambien 50 es capaz de eliminar las bases presentes en la forma de moleculas no disociadas, tales como NH4OH (o NH3), aminas,
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etc.
El dispositivo descrito a continuacion puede ser usado para la eliminacion de acidos o bases desde un Ifquido polar, o para la produccion de bases o acidos a partir de su solucion acuosa de sal, intercambiando iones correspondientes por iones OH- o H+.
El material de intercambio ionico regenerable es normalmente un lecho de una resina de intercambio ionico. Mas generalmente, los materiales de intercambio ionico convencionales son perlas de resina, perlas de alta granulometna de resina de intercambio ionico, resina en polvo, asf como intercambiadores ionicos fibrosos o porosos. Pueden ser proporcionados como lechos o bloques.
Para la eliminacion tanto de cationes como de aniones, es decir, para una desionizacion completa, una solucion es el uso de dos dispositivos en serie, uno lleno de material de intercambio cationico y el otro lleno de material de intercambio anionico. En este caso, debe definirse una secuencia preferida de los dispositivos en serie teniendo en cuenta los tipos de contaminacion. Para los contaminantes tfpicos de aguas naturales o tratadas (por ejemplo mediante osmosis inversa), la secuencia de material de intercambio cationico y de material de intercambio anionico es generalmente ventajosa, pero no se limita a la misma. Si se desea, ambos dispositivos podnan estar integrados en el interior de una carcasa, sin estar fuera del alcance de la invention.
Otra solucion, usada de manera ventajosa para una desionizacion completa segun la invencion, reside en el uso de un dispositivo con el flujo de lfquido dirigido contra-corriente con relation a la electromigracion de iones dentro del material de intercambio ionico, en el que un electrodo bipolar o una membrana de intercambio ionico, preferiblemente una membrana bipolar, es utilizada para la formation de iones H+ y OH- regeneradores. El uso de una membrana bipolar es ventajoso, en un caso en el que el lfquido polar es una solucion acuosa, ya que resulta solo en una disociacion de agua mejorada electroqmmicamente en iones H+ y OH- sin formacion de gases y otros productos secundarios como ocurre con los electrodos.
Las tecnicas de la presente invencion se entenderan facilmente considerando la description detallada siguiente en conjuncion con los dibujos adjuntos, en el caso de una solucion acuosa a ser desionizada, en la que:
La Figura 1 es una representation esquematica del procedimiento segun la invencion que usa cualquier dispositivo de desionizacion segun la invencion,
La Figura 2 es una representacion esquematica de una primera implementation de un dispositivo de desionizacion segun la invencion,
La Figura 3 es una representacion esquematica de una segunda implementacion de un dispositivo de desionizacion segun la invencion, cuando el compartimiento esta lleno de perlas de resina,
La Figura 4 es una representacion esquematica de la segunda implementacion del dispositivo de desionizacion segun la invencion, cuando el compartimiento esta lleno de perlas de resina, y una tension mecanica es transmitida al bastidor,
La Figura 5 es una representacion esquematica de una segunda implementacion del dispositivo de desionizacion segun la invencion, cuando el compartimiento no esta completamente lleno de perlas de resina, y
La Figura 6 es una representacion esquematica de una tercera implementacion de un dispositivo de desionizacion segun la invencion.
Para facilitar la comprension, se han usado numeros de referencia identicos, cuando sea posible, para designar aquellos elementos identicos que son comunes a las Figuras. Los dibujos no estan a escala y las dimensiones relativas de los diversos elementos en los dibujos se representan esquematicamente y no a escala.
En todas las Figuras, el compartimiento esta definido por su bastidor.
La Figura 1 es una representacion esquematica del procedimiento segun la invencion de un dispositivo 2 de EDI segun la invencion.
El dispositivo 2 puede ser usado para la eliminacion de aniones o para la eliminacion de cationes, asf como para la desionizacion completa segun el procedimiento de la invencion.
El flujo de lfquido polar entrante (flecha F) entra al dispositivo 2 a traves de la entrada 4. El flujo de lfquido desionizado o diluido (flecha D) sale del dispositivo 2 a traves de la salida 6. El flujo de concentrado (flecha C) puede salir por la salida 5. Dos placas 7 y 8 de extremo, cada una de las cuales comprende un electrodo, definen un modulo (7, 8) de los compartimientos (9, 14'), en el que todos los compartimientos 9 y 14' estan llenos de material de intercambio ionico (no mostrado) y apilados por las placas 7 y 8 de extremo. El compartimiento 14' es identico a cualquier otro compartimiento 9,
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excepto que un sensor 1' de tension mecanica esta colocado dentro del mismo, preferiblemente en una pared y cerca de la salida 6. Este sensor 1' de tension mecanica mide la expansion de la resina, y proporciona una senal transmitida a un dispositivo o controlador 10 electronico a traves de un aparato 100, que es un aparato Quantity Transmitter (QT). Esto permite un control de la corriente electrica aplicada al dispositivo 2 de EDI, por medio de una fuente de alimentacion 11. La corriente electrica es conducida desde la fuente de alimentacion 11 al dispositivo 2 de EDI a traves de los cables 12 y 13 electricos.
Segun la invencion, sena posible tener un sensor 1' en mas de un compartimiento.
La interdependencia de la intensidad de corriente electrica y la expansion de la resina puede ser presentada como sigue: un aumento de la corriente electrica a traves del dispositivo 2 de EDI implica un aumento del grado de regeneracion de la resina. Este aumento del grado de regeneracion de la resina implica un aumento del hinchamiento de la resina que da lugar a una expansion mas fuerte de dicha resina. El control segun la invencion se basa en la medicion de esa expansion del lecho de resina en el interior del dispositivo de EDI, y actua sobre la intensidad de la corriente electrica.
La Figura 2 es una representacion esquematica de una primera implementacion de un dispositivo 20 de EDI segun la invencion. Solo se representa una parte de este dispositivo 20. Este dispositivo 20 comprende un bastidor 14 que define un compartimiento 14 y un electrodo 15 movil a traves del flujo. El compartimiento 14 es un compartimiento de diluido, completamente lleno de un material de intercambio ionico, que se muestra como un lecho de una resina 17. El flujo de lfquido polar entra en el compartimiento 14 por la entrada 4 (flecha F). Hay una salida 5 para el lfquido saliente que enjuaga el electrodo 15 (flecha C). El flujo de lfquido se dirige en direccion contraria a la electromigracion de los iones dentro del material 17 de intercambio ionico. Un sensor 1, colocado en su totalidad en una zona Z20 del compartimiento 20, comprende un muelle 3 presente entre el electrodo 15 movil y el sensor 16 de tension mecanica. Este sensor 16 de tension mecanica esta fijado perpendicularmente y conectado a un cable 26 conectado al controlador (no representado). En esta representacion, el muelle 3 empuja el electrodo 15 de manera que este electrodo 15 permanezca en contacto con el material 17 de intercambio ionico. Si el material 17 de intercambio ionico en el interior del compartimiento 14 cambia la expansion por hinchamiento, el electrodo 15 se movera y la tension transmitida al sensor 16 cambiara. Esto conducira a una deteccion de este movimiento y una estimacion del grado de regeneracion de la resina. El muelle 3 transmite la tension mecanica desde el electrodo 15 al sensor 16 de tension mecanica.
Por ejemplo, si el volumen de la resina disminuye, el electrodo 15 sera movido por el muelle 3 en la direccion a la resina 17. De esta manera, se reduce la tension mecanica transmitida a traves del muelle 3 al sensor 16.
En el caso en el que se aproxima a la tension mecanica mas baja establecida, el controlador puede aumentar la corriente electrica con el fin de aumentar el grado de regeneracion de la resina 17 cuyo volumen aumentara.
Esta configuracion permitina el uso de un material de intercambio ionico con un bajo grado de reticulacion, que normalmente muestra una expansion mas fuerte por hinchamiento.
Las Figuras 3, 4 y 5 son representaciones esquematicas de una segunda implementacion de un dispositivo 22 de desionizacion (mostrado parcialmente) segun la invencion.
El dispositivo 22 comprende un compartimiento 14' definido por su bastidor, lleno de un material 17' de intercambio ionico como un lecho de perlas de resina. El sensor 1', segun la invencion, esta colocado totalmente dentro de una zona Z del compartimiento 14'. El sensor 1' comprende un muelle 3', una barra 18 porosa que es un distribuidor de flujo, y un sensor 19 de tension mecanica, en la forma de un elemento T. Esta barra 18 porosa confina el lecho de la resina 17' desde un lado del compartimiento 14'. La corriente de flujo (flecha F) fluye a traves del lecho de perlas 17' distribuido de manera uniforme en el interior del compartimiento 14', pasa a traves de la barra 18 porosa, y sale del compartimiento 14' por la salida 5'a aguas arriba de la barra 18 porosa. El sensor 19 de tension mecanica esta fijado en la barra 18 cuyos movimientos son transmitidos por el muelle 3' desde el lado opuesto al lecho 17' de resina. La barra 18 porosa puede ser de material plastico de cierta elasticidad.
En el caso de la Figura 3, las condiciones en terminos de corriente electrica son normales. La expansion de la resina es normal: esta dentro de un "intervalo optimo". Esta es una operacion en estado estacionario, y la corriente electrica es constante.
En caso de una expansion excesiva del material de intercambio ionico mostrado en la Figura 4, una tension mecanica sera transmitira a la barra 18, que es deformada ligeramente y transmite una tension mecanica al sensor 19. La deformacion es detectada. Sin embargo, la expansion de la resina todavfa esta dentro del "intervalo aceptable", y la corriente electrica se reduce. Si la expansion de la resina entra en un valor fuera del intervalo aceptable, la corriente electrica se anularfa.
La Figura 5 es otra representacion esquematica de la segunda implementacion del dispositivo de desionizacion segun la invencion. La diferencia con las Figuras 3 y 4 es que el compartimiento 14' no esta completamente lleno de perlas de
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resina. Un lecho de perlas 17'a comprende una zona Z' que no esta completamente llena de perlas. Esta zona Z' podrfa representar a la zona superior de un lecho fluidizado de las perlas. Es una zona de resistencia electrica aumentada. No se transmite tension mecanica al sensor 1' y la corriente electrica debe ser aumentada.
La Figura 6 es una representacion esquematica en perspectiva de una tercera implementacion del dispositivo 27 de 5 desionizacion segun la invencion, donde solo se muestra un compartimiento 14". El compartimiento 14" esta representado muy esquematicamente, con el fin de mostrar como se implementa un foto-sensor segun la invencion.
En este caso, un sensor 1" segun la invencion comprende un foto-sensor que comprende un transmisor 23 de senal o luz optica (tal como se representa en la Figura 6, frente al compartimiento 14"), un receptor 24 (tal como se representa en la Figura 6, detras del compartimiento 14"), y un analizador 25 que esta conectado tanto al transmisor 23 como al receptor 10 24. El analizador 25 esta conectado a un controlador (no mostrado). Un muelle 3' esta fijado entre el compartimiento 14" y
una placa 18” movil. La placa 18” movil se considera aqu como una parte del sensor 1". El material 17” de intercambio ionico, en forma de perlas de resina, es proporcionado como un lecho en el compartimiento 14". El lecho 17" de perlas llena el compartimiento bajo la placa 18” movil, que fija la posicion del lecho 17" de resina dentro del compartimiento 14". Una membrana 26 de intercambio anionico y una membrana 27 de intercambio cationico definen dos paredes laterales 15 del compartimiento 14", respectivamente la pared derecha y la pared izquierda tal como se representa en la Figura 6. La placa 18” movil es detectable a traves de la ventana 28 transparente. La ventana 28 transparente forma una parte de la pared frontal (tal como se representa en la Figura 6) del compartimiento 14". El foto-sensor (23, 24, 25) esta colocado fuera del compartimiento 14". Es capaz de detectar pequenos cambios de la posicion de la placa 18", que corresponden a cambios dimensionales del volumen de la resina 17", haciendo posible el control de la corriente electrica.
20

Claims (11)

  1. 5
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    20
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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo (2, 20, 22, 27) de electrodesionizacion para la eliminacion de iones desde un Uquido (F) polar, en el que el dispositivo comprende electrodos, al menos un compartimiento (14, 14', 14") que comprende al menos una entrada (4) para un flujo (F) de lfquido polar entrante y al menos una salida (5) para un flujo (D, F') de lfquido desionizado saliente, en el que en dicho compartimiento (14, 14', 14") un material (17, 17', 17") de intercambio ionico regenerable electroqmmicamente llena una zona, a traves de cuya zona puede pasar un flujo de lfquido, en el que el dispositivo (2, 20, 22, 27) esta caracterizado por que comprende al menos un sensor (1, 1'; 1") de al menos un cambio dimensional del material (17, 17', 17”) de intercambio ionico que llena dicha zona, y por que comprende un aparato (10, 11, 100) conectado al sensor que es capaz de analizar el cambio dimensional del material de intercambio ionico y controlar la corriente electrica que puede ser conducida a traves de dicho compartimiento o a traves de dicho dispositivo.
  2. 2. Dispositivo (2, 20, 22, 27) segun la reivindicacion 1, en el que el sensor (1”) comprende un foto-sensor (23, 24, 25).
  3. 3. Dispositivo (2, 20, 22, 27) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que el sensor (1, 1') comprende un sensor (16, 19) de tension mecanica.
  4. 4. Dispositivo (2, 20, 22, 27) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sensor (1”) comprende un foto-sensor que comprende un elemento (18”) mecanico y un foto-detector (23, 24, 25) del desplazamiento de dicho elemento mecanico que comprende un transceptor (23, 24), y en el que el compartimiento (14”) alrededor del elemento (18”) mecanico tiene al menos una pared (28) transparente de manera que la senal optica desde el transmisor (23) al receptor (24) pueda atravesar dicho compartimiento (14”) adyacente al elemento (18”) mecanico.
  5. 5. Dispositivo (2, 20, 22, 27) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el dispositivo comprende otro sensor que es capaz de medir la presion hidraulica del flujo de lfquido que puede circular en la zona.
  6. 6. Procedimiento para la eliminacion de iones desde un lfquido (F) polar en un dispositivo de electrodesionizacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que al menos una parte de dicho lfquido (F) polar pasa como una corriente a traves del material (17, 17', 17") de intercambio ionico regenerable electroqmmicamente situado en el compartimiento (14, 14', 14") en el que se aplica un campo electrico de manera que los iones a ser eliminados migren,
    en el que el procedimiento comprende una etapa de control de la corriente electrica conducida a traves de dicho compartimiento (14, 14', 14”),
    en el que el procedimiento esta caracterizado por que incluye una etapa de medicion de al menos un cambio dimensional del material (17, 17', 17”) de intercambio ionico, y por que la etapa de control de la corriente electrica tiene en cuenta este cambio dimensional del material (17, 17', 17") de intercambio ionico.
  7. 7. Procedimiento segun la reivindicacion 6, en el que la etapa de medicion del cambio dimensional del material (17, 17', 17") de intercambio ionico es llevada a cabo por medio de un sensor (1; 1'; 1").
  8. 8. Procedimiento segun la reivindicacion 7, en el que dicho sensor (1”) comprende un foto-sensor (23, 24, 25).
  9. 9. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que dicho sensor comprende un sensor (1, 1', 18") de tension mecanica.
  10. 10. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende ademas una etapa de medicion de la presion hidraulica del flujo de corriente que pasa a traves del material (17, 17', 17") de intercambio ionico.
  11. 11. Procedimiento segun la reivindicacion 10, en el que la etapa de control de la corriente electrica tiene en cuenta el cambio dimensional del material (17, 17', 17") de intercambio ionico sin la influencia de la presion hidraulica del flujo de corriente.
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