Procedimiento de desalinización de agua y aparato para el mismo.

Procedimiento para purificar agua mediante la retirada de una sal de baja solubilidad,

MY, de un flujo de agua con el fin de evitar que la sal de baja solubilidad precipite en el flujo de agua, comprendiendo el procedimiento:

alimentar una solución salina que contiene una sal disuelta, NX, a un dispositivo separador de iones para formar un primer flujo salino que contiene un anión, X, y un segundo flujo salino que contiene un catión, N; alimentar el flujo de agua que contiene la sal de baja solubilidad, MY, a un dispositivo separador de iones para añadir el catión, M, al primer flujo salino y para añadir el anión, Y, al segundo flujo salino, comprendiendo la sal de baja solubilidad, MY, una sal divalente, y en la que N comprende Li, Na, K+, Cs, Rb+, NH4

+ o una amina, y en la que X comprende Cl, Br-,

I-, NO3 o un ion orgánico, y en la que ambas sales, NY y MX, son más solubles en agua que las sales MY.

Procedimiento de desalinización de agua y aparato para el mismo Antecedentes de la invención Con el crecimiento de la población, se está incrementando la presión sobre las reservas de agua potable en todo el mundo. Algunos factores, tales como un clima agradable, los recursos minerales y el crecimiento del empleo y de los salarios han contribuido al crecimiento de la población. En 2025, aproximadamente 2.700 millones de personas, casi un tercio de la población prevista, estará viviendo en áreas con grave escasez de agua. Muchas regiones prósperas y en rápido crecimiento: el sudoeste estadounidense, Florida, Asia u Oriente Medio, disponen de reservas de agua potable insuficientes. Las necesidades de agua de los municipios, la industria y los ciudadanos deben ser satisfechas, a pesar de que se incrementan las dificultades y costes para obtener nuevos recursos hídricos.

La desalinización es una opción que ha crecido en popularidad en las regiones que disponen de abundante agua que no resulta adecuada para su uso debido a su elevada salinidad y donde existe la posibilidad de instalar plantas de desalinización que utilicen energía térmica, eléctrica o mecánica para separar el agua de las sales. La elección del procedimiento de desalinización depende de muchos factores, entre ellos los niveles de salinidad del agua no tratada, la cantidad de agua requerida y la forma de energía disponible.

La ósmosis inversa está aceptada de manera general como el método más económico y energéticamente eficiente para la desalinización de agua altamente salina. Las modernas membranas de ósmosis inversa permiten conseguir una retención de sal tan elevada que son capaces de producir agua potable, de <500 ppm de salinidad, a partir de agua marina (nominalmente de 35.000 ppm de salinidad) en un único paso a través de la membrana. Además, algunos sistemas modernos de ósmosis inversa son capaces de conseguir una recuperación de hasta 50% de agua potable a partir de agua marina. Con una recuperación de 50% la salinidad de la salmuera concentrada se incrementa hasta aproximadamente 70.000 ppm. La gestión de dichas salmueras implica costes y retos significativos para la industria de la desalinización, lo que ha resultado en plazos de puesta en marcha más prolongados y un coste más alto del agua. La gestión de las salmueras en aguas superficiales en los Estados Unidos requiere permisos de vertido de aguas residuales que impiden la construcción en determinadas áreas de elevada demanda. Existen tres maneras básicas de gestionar las salmueras procedentes de la desalinización de agua marina: el vertido al mar, la inyección en pozos profundos y los sistemas de vertido cero de líquidos. El vertido de salmueras de vuelta al mar puede afectar a los organismos vivos en el área de vertido.

La evaporación y la electrodiálisis, los cuales son procedimientos probados de desalinización del agua marina, pueden producir una salmuera de concentración considerablemente superior a la que puede recuperarse de la ósmosis inversa, pero estos procedimientos consumen más energía que la ósmosis inversa en la desalinización del agua marina.

Un problema especialmente preocupante en muchos procedimientos de desalinización es la formación de un precipitado no deseado, tal como las incrustaciones de sulfato de calcio. El sulfato de calcio se encuentra presente típicamente en el agua marina y presenta una solubilidad en agua relativamente baja. De esta manera, es conocido que el sulfato de calcio precipita durante los procedimientos de ósmosis inversa, provocando diversos problemas. Por ejemplo, en los procedimientos de evaporación, la elevada temperatura en las superficies de intercambio térmico provoca una sobresaturación local debido a la reducida solubilidad del sulfato de calcio a temperaturas elevadas, incluso en el caso de que la solución en bruto no se encuentre saturada. En procedimientos en los que se utiliza la ósmosis inversa y la nanofiltración (NF) , pueden darse condiciones de sobresaturación en la superficie de la membrana debido a la acumulación de concentraciones iónicas en la capa límite. El agua subterránea salobre con frecuencia presenta suficientes iones calcio y sulfato para limitar la cantidad de agua potable que puede ser recuperada mediante desalinización.

La gestión de la salmuera concentrada procedente de las plantas de ósmosis inversa también constituye un problema importante. La presencia de sales disueltas se suma a la densidad del agua. La gravedad específica (a 20ºC) del agua marina (3, 5% de sales) es de aproximadamente 1, 0263, y la gravedad específica del rechazo de la ósmosis inversa de alto rendimiento (7, 0% de sales) es de aproximadamente 1, 0528. En el caso de que este rechazo denso de la ósmosis inversa deba inyectarse directamente en el mar, puede acumularse en el fondo, con un posible efecto adverso sobre los organismos que habitan el fondo marino.

Aparte del retorno al mar, las alternativas de gestión de las salmueras procedentes de las plantas de desalinización son limitadas. Las balsas de evaporación resultan generalmente no deseables y caras debido al coste del suelo. Además, resultan útiles únicamente en climas en los que las tasas de evaporación exceden la precipitación. Con frecuencia se utiliza el vertido en pozos profundos para los residuos peligrosos, y se ha utilizado para las salmueras de desalinización en Florida, aunque los costes de capital para el procedimiento son prohibitivos. Además, la aplicabilidad de la inyección en pozos profundos para las plantas de desalinización de grandes dimensiones es cuestionable debido a que el volumen de salmuera es enorme.

En algunas aplicaciones, las salmueras procedentes de las plantas de desalinización también pueden contener diversos contaminantes que no deben verterse, ni siquiera a bajas concentraciones. Por ejemplo, el arsénico, el selenio y similares se encuentran ocasionalmente presentes en agua marina, agua subterránea o agua superficial. Las concentraciones de tan sólo unas cuantas partes por millón de selenio o arsénico, por ejemplo, pueden considerarse peligrosas. Por ejemplo, las actividades agrícolas del Valle Central de California presentan un problema significativo con el selenio en las aguas de drenaje que impide reutilizar el agua para la irrigación o para otros fines. De esta manera, los contaminantes anteriormente indicados también pueden limitar la utilización de los procedimientos de ósmosis inversa.

El agua marina presenta muchos constituyentes valiosos, aunque su valor sólo se materializa si pueden recuperarse de manera económica. Existen maneras de recuperar muchos de dichos constituyentes valiosos del agua marina, aunque la rentabilidad de la recuperación con frecuencia es bajísima debido a las reducidas concentraciones de los constituyentes y a la interferencia con otros constituyentes del agua marina.

Un componente valioso del agua marina es el cloruro sódico (NaCl) . Japón, por ejemplo, no dispone de depósitos salinos naturales y el suelo es excesivamente caro para permitir la utilización de balsas de evaporación para la fabricación de sal. Durante varias décadas, Japón se ha basado en la electrodiálisis para recuperar sal común a partir de agua marina. Se filtra el agua marina y se bombea a baja velocidad en un solo paso a través de compartimientos desalinizadores de pilas de electrodiálisis de gran tamaño. El voltaje aplicado a través de las membranas y compartimientos de solución fuerza el paso de los iones de Na+ a través de la membrana permeable a los cationes en un lado del compartimiento, y de los iones de Cl a través de la membrana permeable a los aniones en el otro lado del compartimiento. Los iones de Mg++, los segundos cationes más abundantes en agua marina, también migran en el campo eléctrico, pero el paso de Mg++ a través de la membrana permeable a los cationes resulta obstaculizado por un recubrimiento especial sobre la superficie de la membrana. El paso de iones de SO4= resulta obstaculizado por un recubrimiento sobre la membrana permeable a los aniones. De esta manera, la pureza del NaCl en la salmuera recuperada mediante electrodiálisis es sustancialmente superior a la pureza de la salmuera preparada mediante evaporación de agua marina en bruto. Tras la concentración a 20% mediante electrodiálisis, se evapora la salmuera a sequedad con el calor que es un producto secundario de la planta energética utilizada para generar la electricidad para la electrodiálisis.

También se utiliza agua marina como la materia prima para la producción de compuestos de magnesio y de bromo. Un método comercial para la recuperación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para purificar agua mediante la retirada de una sal de baja solubilidad, MY, de un flujo de agua con el fin de evitar que la sal de baja solubilidad precipite en el flujo de agua, comprendiendo el procedimiento:

alimentar una solución salina que contiene una sal disuelta, NX, a un dispositivo separador de iones para formar un primer flujo salino que contiene un anión, X, y un segundo flujo salino que contiene un catión, N; alimentar el flujo de agua que contiene la sal de baja solubilidad, MY, a un dispositivo separador de iones para añadir el catión, M, al primer flujo salino y para añadir el anión, Y, al segundo flujo salino, comprendiendo la sal de baja solubilidad, MY, una sal divalente, y en la que N comprende Li, Na, K+, Cs, Rb+, NH4+ o una amina, y en la que X comprende Cl, Br-, I-, NO3 o un ion orgánico, y en la que ambas sales, NY y MX, son más solubles en agua que las sales MY.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la solución salina que contiene la sal disuelta, NX, se deriva del flujo de agua que contiene la sal de baja solubilidad, MY.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la concentración de NX en el flujo de agua es inferior a la concentración de la sal de baja solubilidad, MY, en el flujo de agua.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la concentración de NX en el flujo de agua es inferior a un medio de la concentración de MY en el flujo de agua.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que M comprende un ion de bario o un ion de estroncio.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la sal de baja solubilidad, MY, comprende sulfato de calcio.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la sal, NX, comprende cloruro sódico.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que tanto la solución salina como el flujo de agua se alimentan a una pila de electrodiálisis para separar los aniones de los cationes.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la pila de electrodiálisis produce un flujo de producto que contiene cantidades residuales de MY, alimentando el flujo de producto a un dispositivo de desalinización para producir un flujo de agua purificada y un flujo salino, reciclando de vuelta el flujo salino a la pila de electrodiálisis y combinándola con el flujo de agua que se está alimentando a la pila de electrodiálisis.

10. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la pila de electrodiálisis comprende una celda repetitiva que incluye dispuestas alternadamente membranas permeables a aniones y membranas permeables a cationes.

11. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el flujo de agua comprende un flujo de subproducto obtenido de un procedimiento de desalinización.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el procedimiento de desalinización comprende ósmosis inversa, nanofiltración, electrodiálisis, intercambio iónico, evaporación o combinaciones de los mismos.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que, tras pasar el flujo de agua que contiene la sal de baja solubilidad, MY, a través del dispositivo separador de iones, por lo menos una parte del flujo de agua se devuelve al procedimiento de desalinización.

14. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de alimentar el primer flujo salino y el segundo flujo salino a una cámara de precipitación para precipitar y recoger la sal de baja solubilidad, MY.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que la cámara de precipitación produce un sobrenadante y en el que el procedimiento comprende además la etapa de alimentar el sobrenadante a través de una pila de electrodiálisis para formar una solución salina más concentrada que contiene la sal disuelta, NX.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, en el que la solución salina más concentrada se utiliza como la solución salina que se alimenta al dispositivo separador de iones para formar el primer flujo salino y el segundo flujo salino.

17. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que la cámara de precipitación produce un sobrenadante que contiene cationes no precipitados, M, y en el que el procedimiento incluye además la etapa de combinar el sobrenadante con una sal que provoca que el catión, M, forme una sal y precipite.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que la sal provoca que el catión, M, que precipita sea un carbonato soluble.

19. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la solución salina que contiene la sal disuelta, NX, se alimenta entre una membrana permeable a los cationes y una membrana permeable a los aniones contenidas dentro de la pila de electrodiálisis, en la que una o ambas membranas son selectivas para iones monovalentes.

20. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que la cámara de precipitación produce un sobrenadante, el cual contiene por lo menos un catión seleccionado de entre el grupo que incluye magnesio, cobre y cobalto, y en el que el procedimiento comprende además la etapa de alimentar el sobrenadante a una cámara de cristalización para cristalizar el catión en forma de sal.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que el catión comprende magnesio y el magnesio se cristaliza en forma de sulfato de magnesio o de cloruro de magnesio.

22. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que la cámara de precipitación produce un sobrenadante, el cual contiene por lo menos un anión seleccionado de entre el grupo que consiste de selenato y arsenato, y en el que el sobrenadante se combina con una sal que provoca que el anión precipite en forma de sal.

23. Procedimiento según la reivindicación 22, en el que el anión es el selenato y la sal que se combina con el sobrenadante comprende una sal de bario y en el que el selenio precipita en forma de selenato de bario.

24. Procedimiento según la reivindicación 22, en el que el anión es el selenato y la sal que se combina con el sobrenadante comprende una sal de cinc y en el que el arsenato precipita en forma de arsenato de cinc.

25. Procedimiento según la reivindicación 19, en el que la solución salina sale de la pila de electrodiálisis que contiene cantidades residuales de la sal disuelta, NX, saliendo la solución salina de la pila de electrodiálisis que se alimenta a un dispositivo de desalinización para producir un flujo de agua purificada y un flujo salino que contiene la sal disuelta, NX, combinando el flujo salino con la solución salina que contiene la sal disuelta, NX, a medida que se alimenta al dispositivo separador de iones.

26. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se produce un flujo de subproducto mediante la alimentación de un flujo de agua a través de un procedimiento de desalinización, conteniendo el flujo de subproducto dicha sal de baja solubilidad, MY, con iones de calcio y sulfato, Y, disueltos, en el que el procedimiento comprende además: pasar el flujo de subproducto entre un dispositivo separador de cationes y un dispositivo separador de aniones pertenecientes a dicho dispositivo separador de iones, con el fin de separar una parte sustancial de los iones calcio y de los iones sulfato, en el que los iones calcio pasan a dicho primer flujo salino, y en el que los iones sulfato pasan a dicho segundo flujo salino; en el que dicho primer flujo salino contiene iones cloruro, y en el que dicho segundo flujo salino contiene iones sodio; añadir separadamente el primer flujo salino y el segundo flujo salino a una cámara de precipitación de sulfato de calcio para precipitar el sulfato de calcio; y recoger el sulfato de calcio precipitado.

27. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que el dispositivo separador de cationes y el dispositivo separador de aniones se encuentran contenidos en una pila de electrodiálisis, en el que el dispositivo separador de cationes y el dispositivo separador de aniones comprenden membranas.

28. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que el primer flujo salino contiene los iones calcio a una concentración que es por lo menos el doble aproximadamente de la concentración de iones calcio contenidos en el flujo de subproducto y el segundo flujo salino contiene iones sulfato a una concentración que es por lo menos el doble aproximadamente de la concentración de iones sulfato en el flujo de subproducto.

29. Procedimiento según la reivindicación 27, en el que la pila de electrodiálisis contiene además una membrana permeable a los cationes y una membrana permeable a los aniones, y en el que el procedimiento comprende además la etapa de alimentar una solución acuosa que comprende cloruro sódico entre la membrana permeable a los cationes y la membrana permeable a los aniones para proporcionar iones cloruro al primer flujo saino e iones sodio al segundo flujo salino, respectivamente.

30. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que por lo menos una parte del cloruro sódico en la solución acuosa se deriva del flujo de agua original.

31. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que la solución acuosa que comprende cloruro sódico se deriva por completo del flujo de agua original.

32. Procedimiento según la reivindicación 30, en el que el cloruro sódico se deriva del flujo de agua previamente a la formación del flujo de subproducto.

33. Procedimiento según la reivindicación 30, en el que el cloruro sódico derivado del flujo de agua se obtiene haciendo pasar el flujo de agua o el flujo de subproducto a través del dispositivo de desalinización.

34. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que por lo menos una parte del cloruro sódico contenido en la solución acuosa se obtiene de un flujo de sobrenadante que sal de la cámara de precipitación de sulfato de calcio.

35. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que la membrana permeable a los cationes y la membrana permeable a los aniones son ambas selectivas para iones monovalentes.

36. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que la pila de electrodiálisis comprende celdas repetitivas que contienen el dispositivo separador de cationes, el dispositivo separador de aniones, la membrana permeable a los

cationes y la membrana permeable a los aniones.

37. Procedimiento según la reivindicación 36, en el que el flujo de subproducto se recircula continuamente a través de la pila de electrodiálisis, combinándose simultáneamente con nuevas cantidades del flujo de subproducto con el fin de mantener el suministro de iones calcio al primer flujo salino e iones sulfato al segundo flujo salino, y en el que partes del primer flujo salino y partes del segundo flujo salino se desvían a la cámara de precipitación de sulfato de calcio para precipitar el sulfato de calcio.

38. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que por lo menos partes del segundo flujo salino se alimentan a una cámara de cristalización de sulfato sódico anterior a la cámara de precipitación de sulfato de calcio, y en el que el sulfato sódico se cristaliza y se recoge en la cámara de cristalización de sulfato sódico, produciendo de esta manera un sobrenadante que se combina nuevamente con el segundo flujo salino.

39. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que se realiza un seguimiento de por lo menos uno de entre la concentración de iones sulfato o la concentración de iones calcio en la cámara de precipitación de sulfato de calcio y en el que, basándose en la concentración monitorizada, las cantidades relativas del primer flujo salino y del segundo flujo salino que se está alimentando a la cámara de precipitación de sulfato de calcio se controlan para mantener un exceso de iones calcio en la cámara.

40. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que la cámara de precipitación de sulfato de calcio produce un sobrenadante que contiene iones de sodio e iones cloruro y en el que el sobrenadante de la cámara de precipitación de sulfato de calcio se utiliza para proporcionar iones cloruro e iones sodio para el primer flujo salino y el segundo flujo salino, respectivamente.

41. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que la cámara de precipitación de sulfato de calcio produce un sobrenadante que contiene iones de calcio que no se precipitan dentro de la cámara, y en el que el procedimiento comprende además la etapa de combinar el sobrenadante con una sal carbonato para producir un precipitado de carbonato de calcio.

42. Procedimiento según la reivindicación 41, en el que la sal carbonato comprende carbonato sódico que, tras combinarse con el sobrenadante, se neutraliza con un ácido tras la separación del precipitado de carbonato de calcio.

43. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que el caudal del flujo de subproducto durante el procedimiento es de por lo menos 189.270 litros (50.000 galones) al día.

44. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que la solución de cloruro sódico contiene cloruro sódico a una concentración de entre aproximadamente 0, 01 eq./l y aproximadamente 5, 5 eq./l.

45. Procedimiento según la reivindicación 29, en el que la solución de cloruro sódico contiene cloruro sódico a una concentración que no es sustancialmente inferior a la concentración total de iones contenidos en el flujo de subproducto.

46. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que la cámara de precipitación de sulfato de calcio produce un sobrenadante y en el que el sobrenadante se alimenta entre una membrana permeable a los cationes monovalentes y una membrana permeable a los aniones monovalentes para separar los iones monovalentes de sodio, en el que el flujo de sobrenadante restante contiene por lo menos un ion metálico multivalente, en el que el flujo de sobrenadante se alimenta a una cámara de cristalización de metales para cristalizar el metal en forma de sal.

47. Procedimiento según la reivindicación 46, en el que el metal comprende magnesio y el magnesio se cristaliza en forma de sulfato de magnesio o de cloruro de magnesio.

48. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que la cámara de precipitación de sulfato de calcio produce un sobrenadante, en el que el sobrenadante contiene iones, incluyendo selenio, en el que el flujo de sobrenadante se combina con una sal que provoca que la sal de selenio precipite.

49. Procedimiento según la reivindicación 48, en el que la sal combinada con el sobrenadante comprende una sal de bario que provoca que el selenato de bario precipite.

50. Procedimiento según la reivindicación 27, en el que el procedimiento de desalinización para producir el flujo de subproducto comprende un dispositivo de ósmosis inversa que se mantiene a presión y en el que la pila de electrodiálisis se opera a sustancialmente la misma presión.

51. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que por lo menos partes del segundo flujo salino se alimentan a un dispositivo de electrodiálisis bipolar para separar los iones sulfato del segundo flujo salino previamente a la cámara de precipitación de sulfato de calcio.

52. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que el procedimiento de desalinización comprende un procedimiento de nanofiltración.

53. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además: alimentar una solución salina que contiene dicha sal disuelta, NX, a dicho dispositivo separador de iones para añadir el anión, X, a dicho primer flujo salino y para añadir el catión, N; a dicho segundo flujo salino, en el que la solución salina se deriva del flujo de agua que contiene la sal de baja solubilidad.

54. Procedimiento según la reivindicación 53, en el que el flujo de agua contiene la sal de baja solubilidad, MY, a una concentración que es superior a la concentración a la que el flujo de agua contiene la sal, NX.

55. Procedimiento según la reivindicación 54, en el que la concentración de MY en el flujo de agua es por lo menos el doble aproximadamente de la concentración de NX en el flujo de agua.

56. Procedimiento según la reivindicación 53, en el que la solución salina que contiene NX se deriva del flujo de

agua mediante la alimentación del flujo de agua a través del dispositivo de desalinización con el fin de separar la sal, NX.

57. Procedimiento según la reivindicación 56, en el que el procedimiento de desalinización comprende un dispositivo de nanofiltración.

58. Procedimiento según la reivindicación 53, que comprende además la etapa de alimentar el flujo de agua que sal

del dispositivo separador de iones a un dispositivo de desalinización para producir un flujo de agua purificada y un flujo salino que contiene MY, en el que el flujo salino que contiene MY se recicla de vuelta al flujo de agua.

59. Procedimiento según la reivindicación 53, que comprende además la etapa de alimentar la solución salina que sale del dispositivo separador de iones a un dispositivo de desalinización para producir un flujo de agua purificada y un flujo salino que contiene NX, en el que el flujo salino que contiene NX se recicla de vuelta a la solución salina.

60. Procedimiento según la reivindicación 53, en el que MY comprende sulfato de calcio y NX comprende cloruro sódico.

61. Procedimiento según la reivindicación 53, en el que el dispositivo separador de iones comprende una pila de electrodiálisis.