DESIONIZACION O DESALACION UTILIZANDO GRAFENO PERFORADO.

Desionización o desalación de grafeno perforado.

Procedimiento para la desionización de agua portadora de iones no deseados,

cuyo procedimiento comprende las siguientes etapas: disponer una hoja de grafeno con múltiples aberturas seleccionadas para permitir el paso de moléculas de agua e impedir el paso de un ión seleccionado de dichos iones no deseados; someter a presión dicha agua portadora de los iones no deseados para generar de esta manera, agua a presión; aplicar dicha agua a presión a una primera superficie de dicho grafeno perforado, de manera que las moléculas de agua pasan a un segundo lado de dicha hoja de grafeno perforado con preferencia a los iones; y recoger dichas moléculas de agua de dicho segundo lado de dicha hoja de grafeno.

Desionización o desalación de grafeno perforado

SOLICITUD RELACIONADA

La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de Patente de Estados Unidos Nº de serie 12/868.150 titulada “DESIONIZACIÓN O DESALACIÓN DE GRAFENO PERFORADO”, presentada en 25 de agosto de 2010, cuya materia queda incorporada por

lo tanto, a título de referencia, en su totalidad.

ANTECEDENTES

Al ser cada vez más escasos los recursos de agua potable, en muchos países se buscan soluciones que puedan convertir agua contaminada con sal, principalmente agua de mar, en agua limpia y potable.

Las técnicas existentes para la desalación del agua se clasifican en cuatro grandes categorías, a saber, destilación, procesos iónicos, procesos de membrana y cristalización.

Las más eficaces y más utilizadas de estas técnicas consisten en la destilación rápida en etapas múltiples (MSF) , evaporación de efecto múltiple (MEE) y ósmosis inversa (RO) . El coste es el factor determinante para la totalidad de estos procesos, para los que los costes de energía y de inversión son significativos. Tanto la tecnología RO como la tecnología MSF/MEE se han desarrollado por completo. En la actualidad, las mejores soluciones de desalación requieren entre dos y cuatro veces el límite de energía mínima teórica establecida mediante simple evaporación de agua, que es del orden de 3 a 7 kjulios/kg. Los métodos de desalación por destilación incluyen evaporación rápida en etapas múltiples, destilación de efecto múltiple, compresión de vapor, humidificación solar, y desalación geotérmica. Estos métodos comportan un enfoque común que es el cambio de estado del

agua para llevar a cabo la desalación. Estos enfoques utilizan transferencia de calor y/o presión de vacío para vaporizar soluciones de agua salada. El vapor de agua es condensado a continuación y recogido en forma de agua potable. Los métodos de desalación por proceso iónico se basan en interacciones químicas y eléctricas con los iones dentro de la solución. Entre los ejemplos de desalación por proceso iónico, se incluyen el

intercambio iónico, electrodiálisis y desionización capacitiva. El intercambio iónico introduce cambiadores de iones sólidos polímeros o minerales en la solución salina. Los cambiadores

de iones se unen a los iones deseados en solución de manera que puedan ser separados fácilmente por filtrado. La electrodiálisis es el proceso de utilización de membranas selectivas de catión y anión y un potencial de voltaje para crear canales alternativos para agua potable y solución salina o salmuera. La desionización capacitiva es la utilización de potencial de voltaje para extraer iones cargados de la solución, atrapando los iones mientras se permite el paso de las moléculas de agua. Los procesos de desalación por membrana eliminan iones de la solución utilizando filtrado y presión. La ósmosis inversa (RO) es una tecnología de desalación ampliamente utilizada que aplica presión a una solución salina para superar la presión osmótica de la solución de iones. La presión empuja las moléculas de agua a través de una membrana porosa hacia un compartimiento de agua potable mientras los iones quedan retenidos, creando una solución de salmuera de alta concentración. La presión es el factor de coste predominante para estos enfoques, dado que se necesita superar la presión osmótica para captar el agua potable. La desalación por cristalización se basa en el fenómeno de que se forman cristales preferentemente sin iones incluidos. Al crear agua cristalizada, en forma de hielo o como hidrato de metilo, se puede aislar agua pura de los iones disueltos. En el caso de simple congelación, el agua es enfriada por debajo de su punto de congelación, creando hielo. El hielo es fundido para conseguir agua pura. El proceso de cristalización de hidrato de metilo utiliza gas metano percolado a través de una solución de agua salada para formar hidrato de metano, lo que tiene lugar a una temperatura más baja que la de la congelación del agua. El hidrato de metilo sube, facilitando la separación, y es calentado posteriormente para descomponerlo en metano y agua desalada. El agua desalada es recogida, y el metano es reciclado.

La evaporación y condensación para la desalación se considera de manera general como eficiente en cuanto a energía, pero requiere una fuente de calor concentrado. Cuando se lleva a cabo en gran escala, la evaporación y condensación para desalación son situadas conjuntamente de manera general con centrales de potencia, y tienden a restricción de distribución geográfica y de dimensiones.

La desionización capacitiva no se utiliza de manera amplia posiblemente porque los electrodos capacitivos tienden a ensuciarse con sales eliminadas y requieren mantenimiento frecuente. El voltaje requerido tiende a depender de la separación de las placas y del caudal, pudiendo ser peligroso el voltaje.

Los filtros de ósmosis inversa (RO) son ampliamente utilizados para la purificación de agua. El filtro RO utiliza una membrana porosa o semipermeable realizada de manera típica a partir de acetato de celulosa o de un compuesto de poliimida de capa delgada, típicamente con un grosor de 1 mm. Estos materiales son hidrofílicos. La membrana es arrollada frecuentemente en espiral en forma de tubo para su manipulación cómoda y soporte de la membrana. La membrana muestra una distribución de aberturas con tamaños al azar, en la que la abertura de dimensión máxima es suficientemente pequeña para permitir el paso de moléculas de agua y para impedir o bloquear el paso de iones tales como sales disueltas en el agua. A pesar del grosor de un milímetro (1 mm) de una membrana típica de RO, la estructura intrínseca al azar de la membrana RO define rutas largas y tortuosas para el agua que atraviesa la membrana, y estas trayectorias pueden tener mucho más de un milímetro de longitud. La longitud y configuración al azar de las trayectorias requiere una presión sustancial para separar las moléculas de agua en la superficie con respecto a los iones y a continuación desplazar las moléculas de agua a través de la membrana contra la presión osmótica. De este modo, el filtro RO tiende a ser poco eficiente en cuanto a energía.

La figura 1 es una ilustración conceptual de una sección transversal de una membrana RO -10-. En la figura 1, la membrana -10- define una superficie de la parte superior, según el sentido de la corriente -12-, dirigida a la solución iónica acuosa de la parte de arriba -16- y una superficie de la parte de abajo -14- según el sentido de la corriente. Los iones que se han mostrado en el lado de arriba son seleccionados como sodio (Na) con una carga + y cloro (Cl) con una carga -. El sodio se ha mostrado asociado a cuatro moléculas de agua solvatante (H2O) . Cada molécula de agua comprende un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno (H) . Una de las trayectorias -20- para el flujo de agua en la membrana RO -10- de la figura 1 se ha mostrado extendiéndose desde una abertura -20u- de la superficie superior -12- a una abertura -20d- de la superficie inferior -14-. La trayectoria -20- se ha mostrado con una serie de curvas, sin embargo no es posible mostrar la naturaleza tortuosa real de una trayectoria típica. Asimismo, la trayectoria mostrada con el numeral -20- se puede esperar que quede interconectada con múltiples aberturas de la parte superior y múltiples aberturas de la parte inferior. Las trayectorias -20-, a través de la membrana RO -10-, no solamente presentan curvas sino que pueden cambiar con el tiempo al bloquearse algunas de las aberturas por residuos inevitables.

Desalación o desionización alternativa de agua según deseo.

RESUMEN

Una disposición de separación aísla cloruro sódico y otros iones del agua. El agua cargada de iones es aplicada como mínimo a una hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para el paso de moléculas de agua y para impedir el paso de los más pequeños iones relevantes. El agua desionizada que pasa a través de la hoja de grafeno perforada es recogida. Los iones que nos han pasado pueden ser separados por purgado. En otra realización, el agua cargada de iones es aplicada a una primera hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para bloquear los iones de cloro y a través de una segunda hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para bloquear iones de sodio. Los iones de cloro y de sodio concentrados que se acumulan en la primera y segunda hojas perforadas de grafeno pueden ser recogidos separadamente.

Un método para desionizar agua que lleva iones no deseados comprende las etapas de perforar una hoja de grafeno con múltiples aberturas...

1. Procedimiento para la desionización de agua portadora de iones no deseados, cuyo procedimiento comprende las siguientes etapas:

disponer una hoja de grafeno con múltiples aberturas seleccionadas para permitir el paso de moléculas de agua e impedir el paso de un ión seleccionado de dichos iones no deseados;

someter a presión dicha agua portadora de los iones no deseados para generar de esta 10 manera, agua a presión;

aplicar dicha agua a presión a una primera superficie de dicho grafeno perforado, de manera que las moléculas de agua pasan a un segundo lado de dicha hoja de grafeno perforado con preferencia a los iones; y

recoger dichas moléculas de agua de dicho segundo lado de dicha hoja de grafeno.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicho ión seleccionado de dichos iones es cloro, y dichas aberturas para impedir el paso de dichos iones de cloro tienen 20 nominalmente de 0, 9 nanómetros.

3. Procedimiento, según la reivindicación 2, en el que dichas aberturas están separadas entre sí nominalmente en 15 nanómetros.

4. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicho ión seleccionado de dichos iones es sodio, y dichas aberturas para impedir el paso de dichos iones de sodio tienen nominalmente 0, 6 nanómetros.

5. Procedimiento, según la reivindicación 4, en el que dichas aberturas están nominalmente 30 separadas entre sí en 15 nanómetros 6. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicho ión seleccionado de dichos iones es cloro, y dichas aberturas para impedir el paso de dichos iones de cloro son nominalmente de 0, 9 nanómetros.

7. Procedimiento, según la reivindicación 6, en el que dichas aberturas están separadas nominalmente entre sí en 15 nanómetros.

8. Procedimiento, según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de refuerzo de 5 dicha hoja de grafeno perforado.

9. Procedimiento, según la reivindicación 8, en el que dicha etapa de refuerzo comprende la etapa de refuerzo por adoso.

10. Procedimiento, según la reivindicación 9, en el que dicha etapa de refuerzo por adosado comprende la etapa de adosado de una rejilla.

11. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que el material de dicha rejilla es politetrafluoroetileno. 15

12. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicha etapa de disponer una hoja de grafeno con múltiples aberturas seleccionadas para permitir el paso de moléculas de agua e impedir el paso del ión seleccionado de los iones no deseados, comprende la etapa de:

aplicar oxidante como mínimo a una parte de dicha hoja de grafeno para generar dichas aberturas.

13. Procedimiento, según la reivindicación 12, que además comprende la etapa, antes de dicha etapa de aplicación de oxidante, de ocultar las partes de dicho grafeno en las que no 25 se desean dichas aberturas.

14. Procedimiento para desionizar agua que lleva iones no deseados, cuyo procedimiento comprende las siguientes etapas:

disponer una primera hoja de grafeno perforado con múltiples aberturas de un diámetro seleccionado para impedir el paso de un primer ión seleccionado de dichos iones no deseados, y para permitir el paso de moléculas de agua cargadas con un segundo ión seleccionado de dichos iones no deseados;

disponer una segunda hoja de grafeno perforado con múltiples aberturas seleccionadas para permitir el paso de moléculas de agua y para impedir el paso de dicho segundo ión seleccionado de dichos iones no deseados, teniendo dichas aberturas de dicha segunda hoja de grafeno un diámetro más reducido que dichas aberturas de dicha primera hoja de grafeno perforado;

yuxtaponer dichas primera y segunda hojas de grafeno perforado para formar de esta manera una hoja yuxtapuesta con un primer lado definido por dicha primera hoja de grafeno perforado, un segundo lado definido por dicha segunda hoja de grafeno perforado, y una trayectoria para flujo de líquido entre ellas;

aplicar dicha agua que lleva iones no deseados a dicho primer lado de dicha hoja yuxtapuesta, de manera que las moléculas de agua fluyen a través de dicha hoja yuxtapuesta y dicha trayectoria hacia dicho segundo lado de dicha hoja yuxtapuesta con preferencia a los iones, para producir de esta manera agua nominalmente desionizada; y

recoger dichas moléculas de agua nominalmente desionizada de dicho segundo lado de dicha segunda hoja yuxtapuesta.

15. Procedimiento para desionizar agua, según la reivindicación 14, en el que dicha etapa de disponer una primera hoja de grafeno perforado y disponer una segunda hoja de grafeno perforado incluyen ambas la etapa de aplicar oxidante a una superficie de una hoja de grafeno no perforado.

16. Desionizador de agua, que comprende:

una hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para permitir el flujo de moléculas de agua e impedir el flujo de iones de un tipo específico;

una fuente de agua cargada con iones de dicho tipo específico; y

una trayectoria para el flujo de dicha agua cargada con iones de dicho tipo específico a través de dicha hoja de grafeno perforada con aberturas.

17. Desionizador, según la reivindicación 16, que comprende además un dispositivo de purga acoplado a dicha trayectoria para el flujo, para alejar dicho flujo de dicha hoja de 35 grafeno perforado con aberturas.

18. Separador, que comprende:

una primera hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para permitir el flujo de moléculas de agua e impedir el flujo de iones de un primer tipo;

una segunda hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para permitir el flujo de moléculas de agua e impedir el flujo de iones de un segundo tipo, de manera que dichos iones de dicho segundo tipo son menores que dichos iones de dicho primer tipo;

una fuente de agua cargada con iones de dicho primer y segundo tipos;

una trayectoria para aplicar un flujo de dicha agua cargada con iones de dichos primer y segundo tipos a dicha primera hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho primer tipo, de manera que (a) iones de dicho primer tipo se acumulan sobre el lado de más arriba, según el sentido de la corriente, de dicha primera hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el paso de dichos iones de dicho primer tipo y (b) agua cargada con iones de dicho segundo tipo fluye a través de dicha primera hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho primer tipo a un lado de más abajo de dicha hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho primer tipo;

una trayectoria para aplicar un flujo de dicha agua cargada con iones de dicho segundo tipo a un lado de más arriba de dicha hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho primer tipo, de manera que (a) iones de dicho segundo tipo se acumulan en el lado de más arriba de dicha segunda hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho segundo tipo y (b) agua libre de dichos iones de dichos primer y segundo tipos fluye a través de dicha segunda hoja de grafeno perforada con aberturas dimensionadas para impedir el flujo de dichos iones de dicho segundo tipo; y

un dispositivo de recogida acoplado para recibir dicha agua libre de dichos iones de dichos primer y segundo tipos.

19. Separador, según la reivindicación 18, que comprende además un dispositivo de recogida de iones acoplado para recibir dicha acumulación de uno de dichos iones de dicho primer tipo y dichos iones de dicho segundo tipo.

20. Procedimiento, según la reivindicación 1, que comprende además: dotar a dicha hoja de grafeno con un grosor aproximado de 2 nanómetros.

21. Procedimiento para la desionización de agua, según la reivindicación 14, que comprende además: dotar a cada una de dichas hojas de grafeno de un grosor aproximado de 2 10 nanómetros.

22. Desionizador, según la reivindicación 16, en el que dicha hoja de grafeno tiene un grosor aproximado de 2 nanómetros.

23. Separador, según la reivindicación 18, en el que cada una de dichas hojas de grafeno tiene un grosor aproximado de 2 nanómetros.