PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA, PARTICULARMENTE PARA LA DESALINIZACIÓN DE AGUA MEDIANTE DESTILACIÓN POR MEMBRANA.

Procedimiento para el tratamiento de agua, particularmente para la obtención de agua dulce a partir de agua salada,

mediante destilación por membrana, en el que el agua a tratar se mantiene en una cámara de aportación (2), cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana hidrófoba (3) permeable al vapor de agua, paralela a la membrana hidrófoba (3) se extiende una membrana hidrófila (5), que en comparación con la membrana hidrófoba (3) tiene un espesor superior y una conducción térmica por unidad de superficie inferior y mediante efecto de bombeo se genera una diferencia de presión de vapor entre el agua a tratar y el agua dulce, de manera que la destilación por membrana se acciona por la diferencia de presión de vapor resultante del efecto de bombeo, condensándose el agua en los poros (3a) de la membrana hidrófila (5)

La invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento de agua y a un dispositivo correspondiente. El área de aplicación más importante es la obtención de agua dulce ("agua no salobre") a partir de agua salada (particularmente agua marina o agua salobre). A continuación se hace referencia de modo ilustrativo a esta área de aplicación. Sin embargo, la invención es adecuada también para otros fines de aplicación, en los que se plantea el objetivo de obtener agua depurada a partir de agua contaminada mediante destilación. Esto incluye particularmente también la depuración de agua contaminada con bacterias o virus (por ejemplo, agua residual o agua de río).

La desalinización del agua marina y otros procedimientos de tratamiento del agua son de máxima importancia para el abastecimiento a la población mundial de agua potable. Del total de las aguas superficiales de la tierra sólo aproximadamente un 2,5% es agua no salobre. De esto, aproximadamente el 80% está congelada en los casquetes polares o está unida como humedad del suelo, por lo que sólo aproximadamente un 0,5% del total de las aguas superficiales está disponible como agua potable. A esto hay que añadir que las existencias de agua potable están distribuidas de manera muy desigual. Por este motivo, una gran parte de la población de la tierra sufre escasez de agua.

Para la superación de este problema ya se han propuesto numerosos procedimientos para la desalinización del agua marina. A este respecto es necesario satisfacer requisitos complicados, entre otros porque el agua marina tiene una salinidad de aproximadamente 30 g/l, mientras que el agua potable según la Organización Mundial de la Salud (OMS) no debe superar una salinidad de 0,5 g/l. En los procedimientos de destilación convencionales el agua salada se evapora mediante la aportación de energía térmica y se condensa de nuevo en una superficie de refrigeración. Para reducir los costes del gran consumo de energía relacionado con ello, se intenta a menudo emplear energía solar como fuente de energía. En la publicación Bouchekima y col.: “The performance of the capillary film solar installed in South Algeria” de Desalination 137 (2001) 31-38 se describe una instalación ("solar still") de este tipo especial, en la que, mediante la utilización de una estructura capilar en el lado superior de la superficie de condensación se debe conseguir una condensación mejorada del agua evaporada.

Además se debate ya desde hace tiempo sobre diferentes procedimientos de membrana. A estos pertenece la ósmosis inversa, en la que el agua salada se presiona con presión a través de una membrana, cuyos poros están dimensionados de tal manera que la sal queda retenida. Otro procedimiento es la electrodiálisis, en la que dos electrodos se sumergen en una solución de electrolitos. En el campo eléctrico de una tensión continua se provoca en el agua salada una migración de iones. Mediante una conexión en serie alternante de las membranas de intercambio de cationes y aniones entre los electrodos de una celda de electrolisis se puede conducir el flujo de iones de tal manera, que en las cámaras exteriores tiene lugar un aumento de la concentración, mientras que en la cámara central se puede comprobar una reducción de la concentración de los electrolitos, es decir, una desalinización.

A los procedimientos de membrana pertenece también la destilación por membrana, en la que el agua a tratar, que en adelante se denomina también por motivos de simplificación agua salada, se mantiene en una cámara de aportación, cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana porosa hidrófoba. A este respecto, el tamaño de los poros de la membrana, teniendo en cuenta sus propiedades hidrófobas (es decir, su tensión superficial con respecto al agua), debe estar dimensionado de tal manera, que el agua salada no llene los poros de la membrana, o sea, que los poros de la membrana hidrófoba contengan aire. En otras palabras, la presión hidrostática máxima denominada presión de burbuja (bubble-pressure), a la que todavía no tiene lugar un paso del agua a través de la membrana hidrófoba, tiene que ser inferior a la presión que se presenta en el funcionamiento del procedimiento dentro de la cámara de aportación.

Durante la destilación por membrana, el agua salada se evapora a través de la membrana hidrófoba. En el lado del destilado (lado del agua dulce) se condensa el vapor. El procedimiento de destilación se basa (como en los procedimientos de destilación convencionales) en la diferencia de temperatura entre el agua marina, que se calienta, y el agua dulce en condensación, que se refrigera. Los diferentes procedimientos de destilación por membrana se describen, por ejemplo, en:

- Patente de Estados Unidos 3.340.186 (P. K. Weyl)

- Patente de Estados Unidos 4.545.862 (Gore y col.)

- Patentes de Estados Unidos 4.265.713, 4.476.024, 4.419.187 y 4.473.473 (todas de Cheng y col.).

- YING KONG y col.: “Plasma Polymerization of Octafluorocyclobutane and Hydrophobic Microporous Composite Membranes for Membrane Distillation” JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, páginas 191-199.

La invención se basa, con este fundamento, en el problema técnico de especificar un procedimiento para el tratamiento de agua, particularmente para la desalinización de agua, y un dispositivo correspondiente que se distingan por costes de funcionamiento y de inversión disminuidos.

Este problema técnico se soluciona mediante un procedimiento para el tratamiento de agua, en el que el agua salada se mantiene en una cámara de aportación, cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana hidrófoba permeable al vapor de agua, cuyo tamaño de poros está dimensionado de tal manera, que el agua salada no llena los poros, paralela a la membrana hidrófoba se extiende una membrana hidrófila, que tiene un espesor superior y una

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conducción térmica por unidad de superficie inferior en comparación con la membrana hidrófoba, y mediante efecto de bombeo se genera una diferencia de presión de vapor entre el agua salada y el agua dulce, de tal manera que la destilación por membrana se acciona por la diferencia de la presión de vapor resultante del efecto de bombeo, condensándose el agua en los poros de la membrana hidrófila.

También es objeto de la invención un dispositivo para el tratamiento de agua, particularmente para la obtención de agua dulce a partir de agua salada, mediante destilación por membrana, que comprende una cámara de aportación, cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana hidrófoba permeable al vapor de agua, cuyo tamaño de poros está dimensionado de tal manera, que el agua salada no llena los poros, una membrana hidrófila que se extiende paralela a la membrana hidrófoba, que, en comparación con la membrana hidrófoba, tiene un espesor superior y una conducción térmica por unidad de superficie inferior, de manera que el agua se condensa en los poros de la membrana hidrófila cerca de la superficie límite con la membrana hidrófoba, y un equipo de bombeo, mediante el que se genera una diferencia de presión de vapor entre el agua salada y el agua dulce, de manera que la destilación por membrana se acciona por la diferencia de presión de vapor resultante del efecto de bombeo, condensándose el agua en los poros de la membrana hidrófila.

Los términos "hidrófilo" e "hidrófobo" han de entenderse en el sentido de uso habitual: una superficie es "hidrófila" cuando la atracción relativa entre las moléculas de agua es inferior a la atracción entre las moléculas de agua y la superficie fija. Una superficie "hidrófoba" se rige por la enunciación opuesta. El ángulo de contacto entre el líquido y una sustancia hidrófila (humectable) asciende (en ausencia de otras fuerzas) a menos de 90°, mientras que en una superficie hidrófoba asciende a más de 90°.

La membrana hidrófoba debe ser lo más delgada posible. Preferentemente, su espesor es inferior a 100 µm, prefiriéndose particularmente valores de cómo máximo 10 µm o incluso de como máximo 1 µm. La permeabilidad a vapor de agua se produce normalmente debido a que la membrana hidrófoba es porosa con un tamaño de poros de al menos algunos nanómetros. Sin embargo, en el caso de una membrana hidrófoba extremadamente delgada, la permeabilidad a vapor de agua se puede basar también en una permeabilidad de la membrana que no puede considerarse porosidad en este sentido. El límite... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el tratamiento de agua, particularmente para la obtención de agua dulce a partir de agua salada, mediante destilación por membrana, en el que el agua a tratar se mantiene en una cámara de aportación (2), cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana hidrófoba (3) permeable al vapor de agua, paralela a la membrana hidrófoba (3) se extiende una membrana hidrófila (5), que en comparación con la membrana hidrófoba (3) tiene un espesor superior y una conducción térmica por unidad de superficie inferior y mediante efecto de bombeo se genera una diferencia de presión de vapor entre el agua a tratar y el agua dulce, de manera que la destilación por membrana se acciona por la diferencia de presión de vapor resultante del efecto de bombeo, condensándose el agua en los poros (3a) de la membrana hidrófila (5).

2. Procedimiento para el tratamiento de agua según la reivindicación 1, caracterizado porque la destilación se realiza de manera prácticamente isotérmica, siendo la temperatura del agua dulce en condensación superior a la temperatura del agua a tratar en evaporación y ascendiendo preferentemente la diferencia de temperatura a menos de 30ºC, de forma particularmente preferente a menos de 10ºC, aun más preferentemente a menos de 1ºC.

3. Procedimiento para el tratamiento de agua según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la diferencia de presión de vapor se genera al menos parcialmente porque se extrae por bombeo el agua dulce de la membrana hidrófila (5) mediante un procedimiento de microbombeo con efecto de fuerza sobre las moléculas de agua que se encuentran en los poros de la membrana hidrófila.

4. Procedimiento para el tratamiento de agua según la reivindicación 3, en el que el procedimiento de microbombeo es un procedimiento de bombeo electro-osmótico.

5. Procedimiento para el tratamiento de agua según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la diferencia de presión de vapor se genera al menos parcialmente porque se bombea el agua a tratar con sobrepresión al interior de la cámara de aportación.

6. Dispositivo para el tratamiento de agua, particularmente para la obtención de agua dulce a partir de agua a tratar, mediante destilación por membrana, que comprende una cámara de aportación (2), cuya pared está formada al menos parcialmente por una membrana hidrófoba (3) permeable al vapor de agua, una membrana hidrófila (5) que se extiende paralela a la membrana hidrófoba (3), que tiene en comparación con la membrana hidrófoba (3) un espesor mayor y una conducción térmica por unidad de superficie inferior, de modo que el agua se condensa en los poros (5a) de la membrana hidrófila cerca de la superficie límirte con la membrana hidrófoba (3) y un dispositivo de bombeo, mediante el cual se genera una diferencia de presión de vapor entre el agua a tratar y el agua dulce, de forma que la destilación por membrana se acciona por la diferencia de presión de vapor resultante del efecto del bombeo, condensándose el agua en los poros de la membrana hidrófila.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que para la realización de un procedimiento de bombeo electro-osmótico están dispuestos dos electrodos planos (4, 6) paralelos a la membrana hidrófila (5) de tal manera, que al menos una capa de la membrana hidrófila (5) se extiende entre los dos electrodos, pudiendo ser los electrodos (4, 6) componentes de la membrana hidrófila y presentando la capa que se extiende entre los mismos una carga superficial eléctrica.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 ó 7, en el que la cámara de aportación (2) es resistente a la sobrepresión y está provista una bomba mediante la que el agua se bombea con sobrepresión al interior de la cámara de aportación.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones de 6 a 8, en el que la permeabilidad al vapor de la membrana hidrófoba (3) asciende al menos a 100 l/(h*m2) con una diferencia de presión de 6 MPa (60 bar).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el espesor de la membrana hidrófoba (3) asciende como máximo a 100 µm, preferentemente como máximo a 10 µm, de forma particularmente preferente como máximo a 1 µm.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el espesor de la membrana hidrófila (5) asciende al menos a 0,01 mm, preferentemente al menos a 0,1 mm, de forma particularmente preferente al menos a 1 mm.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la membrana hidrófila (5) es al menos 10 veces más gruesa, preferentemente al menos 100 veces más gruesa que la membrana hidrófoba.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la conducción térmica por unidad de superficie a través de la membrana hidrófoba (3) es al menos 3 veces superior a la conducción térmica por unidad de superficie a través de la membrana hidrófila.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el

que la membrana hidrófoba (3) es porosa y el tamaño de sus poros asciende como máximo a 100 µm, preferentemente como máximo a 5 µm.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5 o dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la membrana hidrófila (5) está configurada con varias capas y las capas individuales tienen propiedades diferentes.