Dispositivo de electrodeionización (10) para la eliminación de iones de líquidos que pasan a su través,

que comprende:

al menos una cámara de dilución (20) que tiene una región de entrada y una región de salida dispuestas entre membranas permeables (22, 24) selectivas de iones y que contienen material de intercambio iónico;

al menos una cámara de concentración (21) colocada adyacente a por lo menos una de dichas membranas permeables selectivas de iones;

al menos un componente resistivo (32) acoplado a dicha al menos una membrana permeable selectiva de iones próxima a dicha región de salida para aumentar la resistencia eléctrica de dicha región de salida con relación a dicha región de entrada, para aumentar así la distribución de corriente en dicha región de entrada.

Procedimiento y aparato para cambiar la distribución de corriente en sistemas de electrodeionización.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un sistema electrodeionización mejorada, y más particularmente, se refiere a un sistema electrodeionización y a procedimiento en el cual se puede alterar la conductividad de las zonas particulares en el lecho de resina para mejorar el proceso de deionización.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de electrodeionización (EDI) se utilizan para eliminar iones de líquidos, especialmente agua. Estos sistemas requieren un suministro de energía que aplica tensión al módulo EDI para refinar agua para procesos industriales de pureza ultra alta para su uso en las industrias de energía, microelectrónica, alimentación, químicas, farmacéuticas, y otras.

En los dispositivos de electrodeionización típicos, la corriente eléctrica fluye a través del lecho de resina de intercambio iónico. El lecho de resina está contenido en cada lado, perpendicular a la corriente que fluye, mediante membranas de intercambio iónico. La corriente pasa a través del lecho a través de la migración de iones a través de la solución y las cuentas de intercambio iónico, con la disociación de agua produciéndose en las interfaces anióncatión, cuenta-cuenta y cuenta-membrana. El potencial eléctrico necesario para pasar esta corriente es dependiente de la movilidad de los iones en la fase de intercambio iónico de las cuentas y la membrana, la movilidad de los iones en la solución que rodean las cuentas y el potencial necesario para la disociación del agua.

En un dispositivo de electrodeionización, los iones de impurezas se introducen en un extremo del lecho, perpendicular al flujo de corriente aplicada y el agua pura sale en el otro extremo del lecho de intercambio iónico. Esta situación establece un gradiente para los iones de impurezas desde la entrada hasta la salida del lecho, por ejemplo, con un NaHCO3 que alimenta el medio de intercambio iónico en la entrada será predominantemente en forma de Na+ y HCO3-, y disminuirá gradualmente en las concentraciones de Na+ y HCO3- hacia la salida. En la región de salida, el medio de intercambio iónico es predominantemente en forma de H+ y OH- regenerado. En un dispositivo de electrodeionización con cámara de disolución mezclada o en capas que procesa un permeado de ósmosis inversa normal, este gradiente en la especiación, desde la entrada a la salida, resulta en la entrada del dispositivo que es menos conductor que la salida debido a las movilidades relativas de Na+ y HCO3- que son mucho menores que las de H+ y OH-. En consecuencia, cuando se aplica un potencial constante a través del dispositivo de EDI, la corriente que fluye a la salida es significativamente mayor que la corriente en la entrada.

Hay varios factores que se sabe que influyen en la movilidad de los iones en un lecho de medio de intercambio iónico, tales como: (1) la naturaleza de las especies iónicas, es decir, para los cationes, H+ vs. Na+ vs. Ca2+; (2) la naturaleza del material de intercambio iónico que incluye la reticulación de porcentaje, la concentración de sitios de intercambio iónico, la distribución de los sitios de intercambio iónico, y la estructura de la superficie de las cuentas;

(3) la concentración de las especies iónicas; (4) la cantidad de interfaces de anión-catión cuenta-cuenta; (5) la calidad de las interfaces catión-anión cuenta-cuenta; (6) la composición del solvente que se procesa a través del dispositivo; y (7) la temperatura.

Es conocida la capacidad del dispositivo de EDI para eliminar los iones de impurezas y, por lo tanto, que producir agua de alta pureza del producto es significativamente dependiente de la distribución de la corriente de regeneración. Se han hecho intentos para modificar la conductividad de las fases intercambio iónico de aniones y cationes de en un dispositivo de EDI para mejorar el rendimiento de la deionización, tales como los descritos en las patentes US 6, 284, 124 y 6, 514, 398 de DiMascio et al. Los dispositivos de DiMascio et al. se caracterizan por un compartimento de vaciado de iones que tiene capas alternas de material de resina de intercambio iónico en el que un material dopante se añade a una de las capas para reducir la diferencia en la conductividad entre las capas alternas.

Lo que no se enseña o se sugiere mediante la técnica anterior es un dispositivo de EDI mejorado que comprenda al menos un componente resistivo acoplado a la interfaz de cuenta-membrana cerca de la región de salida del dispositivo para aumentar la resistencia eléctrica de la región de salida respecto a la región de entrada del dispositivo de una manera relativamente sencilla y económica, aumentando así la distribución de la corriente en la región de entrada del dispositivo respecto a la región de salida del dispositivo y mejorar el rendimiento deionización global del dispositivo. También sería deseable disponer de un dispositivo de EDI mejorado que sea fácilmente adaptable a una variedad de aplicaciones diferentes.

El dispositivo US-A-5891328 divulga un elemento de marco integral monolítico que tiene una porción de membrana semipermeable e integral con el mismo una porción de marco, teniendo la porción de marco una o más cavidades, con cada cavidad yuxtapuesta a la porción de membrana, teniendo cada cavidad al menos un conducto de entrada de fluido que se comunica con una abertura del colector de entrada y al menos un conducto de salida de fluido que se comunica con una abertura del colector de salida. La membrana de marco integral monolítica puede ser utilizada en un aparato para realizar separación de gas; microfiltración; ultrafiltración; nanofiltración; ósmosis inversa (es decir, hiperfiltración) : diálisis de difusión; diálisis Donnan; electrodiálisis (incluyendo electrodiálisis de celda cargada; es decir, electrodeionización) ; pervaporación; piezo-diálisis; destilación de membrana, ósmosis; termo ósmosis; y electrólisis con membranas.

El documento US-B-6274019 divulga el tratamiento de agua mediante el flujo a través de una serie de cámaras de desalinización llenas con resinas de intercambio iónico en las cuales se eliminan los iones de impurezas en el agua de alimentación. Cada cámara de desalinización consiste en una membrana permeable a los cationes en un lado con una membrana permeable a los aniones en el otro lado. El espacio entre las dos membranas está lleno con las resinas de intercambio iónico y hay cámaras de concentración a cada lado de las membranas. Hay una cámara de cátodos o una cámara de ánodos, cada una situada en cada extremo del conjunto de las cámaras de desalinización y de concentración alternas. Al hacer circular el agua de concentrado mientras que se añade ácido al agua de concentrado para mantener su acidez, se impide la deposición de escala dentro de las cámaras de concentración y la cámara de electrodo, de manera que la capacidad de deionización de todo el conjunto puede mantenerse.

El documento US-B-6284124 divulga un aparato de electrodeionización que incluye un compartimiento de vaciado de iones en el que están colocadas las capas alternas de un medio electroactivo. Una de las capas alternas está dopada para proporcionar una distribución de corriente más equilibrada a través del aparato.

Sumario de la invención

La presente invención se ha desarrollado en respuesta al estado actual de la técnica y, en particular, en respuesta a los problemas y las necesidades en la técnica que aún no han sido completamente resueltos por los dispositivos de EDI actualmente disponibles. En consecuencia, la presente invención ha sido desarrollada para proporcionar un aparato de electrodeionización (EDI) mejorado que comprende una cámara de dilución de vaciado de iones para la eliminación de iones de líquidos que pasan a su través, en el que al menos un componente resistivo está acoplado próximo a la región de salida de la cámara en una cualquiera o en ambas de las membranas de aniones y cationes adyacentes a la cámara de vaciado de iones. Las funciones de los componentes resistivos para aumentar la resistencia eléctrica a través de la región de salida de la cámara respecto a la región de entrada de la cámara gracias a la resistencia añadida del propio componente resistivo y/o porque el componente resistivo disminuye efectivamente el área de contacto cuenta-membrana. El componente resistivo puede colocarse en cualquiera de los lados de dilución o concentrado... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de electrodeionización (10) para la eliminación de iones de líquidos que pasan a su través, que comprende:

al menos una cámara de dilución (20) que tiene una región de entrada y una región de salida dispuestas entre membranas permeables (22, 24) selectivas de iones y que contienen material de intercambio iónico;

al menos una cámara de concentración (21) colocada adyacente a por lo menos una de dichas membranas permeables selectivas de iones;

al menos un componente resistivo (32) acoplado a dicha al menos una membrana permeable selectiva de iones próxima a dicha región de salida para aumentar la resistencia eléctrica de dicha región de salida con relación a dicha región de entrada, para aumentar así la distribución de corriente en dicha región de entrada.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que una de dichas membranas permeables selectivas de iones es una membrana aniónica (24) y la otra de dicha membrana permeable selectiva de iones es una membrana catiónica (22) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) comprende un material de malla de polímero.

4. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) comprende un material de resina de cuentas.

5. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana de aniones y dicha de cámara de dilución (20) .

6. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana aniónica y dicha cámara de concentración (21) .

7. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana catiónica y dicha cámara de dilución (20) .

8. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana catiónica y dicha cámara de concentración (21) .

9. Procedimiento para la eliminación de iones de líquidos en un dispositivo de electrodeionización, que comprende:

proporcionar al menos una cámara de dilución (20) que tiene una región de entrada y una región de salida dispuestas entre membranas permeables selectivas de iones (22, 24) y que contienen material de intercambio iónico;

proporcionar al menos una cámara de concentración (21) situada adyacente a por lo menos una de dichas membranas permeables selectivas de iones (22, 24) ;

acoplar al menos un componente resistivo (32) a dicho al menos una membrana permeable selectiva de iones próxima a dicha región de salida para aumentar la resistencia eléctrica de dicha región de salida respecto a dicha región de entrada;

pasar los líquidos a través de dicha cámara de dilución (20) desde dicha región de entrada a dicha región de salida; y

aplicar un campo eléctrico a través de dicha cámara de dilución (20) transversal a una dirección de flujo de dichos líquidos, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) aumenta una distribución de corriente eléctrica que fluye a través de dicha región de entrada con relación a dicha región de salida, para aumentar así la distribución de corriente en dicha región de entrada.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que dicho componente resistivo (32) comprende un material de malla de polímero, también comprendiendo dicho procedimiento la etapa de controlar la magnitud de dicho aumento en la resistencia eléctrica variando la apertura de dicha malla, variando el espesor de dicha malla, variando la longitud de dicha malla, variando la posición de dicha malla, variando la cantidad de dichas mallas, o mediante combinaciones de los mismos.

11. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que dicho componente resistivo (32) comprende un material de resina de cuentas.

12. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que una de dichas membranas permeables selectivas de iones

(24) es una membrana aniónica y dicha otra membrana permeable selectiva de iones es una membrana catiónica (22) .

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana aniónica (24) y dicha cámara de dilución (20) o entre dicha membrana aniónica (32) y dicha cámara de concentración (21) .

14. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que dicho al menos un componente resistivo (32) está acoplado entre dicha membrana catiónica (22) y dicho cámara de dilución (20) o entre dicha membrana catiónica (22) y dicha cámara de concentración (21) .