Dispositivo de electrodeionización espiral y componentes del mismo.

Un dispositivo de electrodeionización (10) que comprende un alojamiento genéricamente cilíndrico que incluyeun electrodo radialmente interior (14) dispuesto en una forma genéricamente cilíndrica a lo largo de un eje;

una hoja que contiene dos membranas espaciadas (110, 120) y un espaciador (115) dispuesto como un bobinado enespiral alrededor del electrodo interior;

un electrodo radialmente exterior (116) que se extiende alrededor del bobinado en espiral,

en el que células diluidas y concentradas están definidas por espacios y por espacios intercalados dentro de dichobobinado en espiral en una región entre los electrodos radialmente interior (14) y radialmente exterior (16), formandolas células diluidas y concentradas trayectorias de flujo diluidos y concentrado correspondientes;

una corriente formada por dichos electrodos (14, 16) que tiene una densidad de corriente a través de dichas célulasque varía inversamente a la posición radial de una célula, y

medios (T) para hacer variar el flujo como una función de posición radial para utilizar de manera más efectiva lacorriente disponible, en el que los medios (T) para hacer variar el flujo comprende un número de orificios de flujo (T)posicionados en un extremo de la trayectoria de flujo y con un número o dimensión efectiva para proporcionar unmayor flujo en una posición menos radial.

Dispositivo de electrodeionización espiral y componentes del mismo

Antecedentes La presente invención se refiere a procedimientos y dispositivos de desmineralización de fluidos, y se refiere a cartuchos o módulos de filtración o tratamiento, que tienen un aspecto genéricamente cilíndrico y construido con capas de membranas permeables selectivamente enrolladas de manera espiral. Se refiere en particular a dispositivos de electrodiálisis y electrodeionización, en los que las membranas poseen selectividad iónica, y el dispositivo incluye electrodos para inducir transportes de especies a través de las membranas por conducción iónica.

En general, los dispositivos de electrodiálisis (ED) y de electrodeionización (EDI) operan proporcionando una estructura que dispone canales de flujo de manera que un flujo de un fluido de alimentación que ha de ser tratado es canalizado entre dos membranas de intercambio de iones de tipo de intercambio opuesto, al tiempo que se aplica un potencial eléctrico a través de las membranas transversales al flujo para mantener una corriente iónica que desmineraliza el fluido de alimentación, moviendo especies ionizables desde el fluido de alimentación en un canal, a través de la membranas, y dentro de canales adyacentes, produciendo de este modo un flujo de producto desmineralizado a partir de la alimentación. Unos espaciadores posicionan sucesivas membranas separadas para definir los canales de tratamiento de fluido o “diluir” espacios de flujo.

Una subclase de dispositivos de electrodiálisis (ED) , a menudo designados como dispositivos de electrodeionización (EDI) , incluye, además, un empaquetado de de material de intercambio de iones, típicamente perlas o fieltro, como un empaquetado permeable al flujo dentro de los canales de tratamiento de flujo y, en algunas construcciones, 20 dentro de los canales de recepción de minerales adyacentes. La presencia de material de intercambio en los canales o células de tratamiento mejora la zona de interacción de fluido activo y la captura de iones a partir de la alimentación, y proporciona un medio de transferencia estacionario de buena conductividad eléctrica e iónica para transportar los iones capturados a, y a través de, las membranas circundantes. Esta construcción ofrece un mecanismo robusto y eficiente para separar de manera efectiva muchos materiales disueltos a partir del flujo a lo largo de una trayectoria de flujo relativamente corta. El material de intercambio de iones se mantiene de manera continua en un estado al menos parcialmente regenerado (activo) por disociación de agua.

Durante muchos años, los promotores de estas unidades han explorado la idoneidad y las características operativas de dispositivos ED y EDI con un intervalo de geometrías de canales de flujo y velocidades de flujo, varias membranas que definen células de diferente espesor fijo o incluso progresivo, y varios rellenos de intercambio de iones distribuidos en varios modelos localizados (tal como barras, bandas, lechos mixtos o de monotipo especial) y otras variaciones. Para algunas aplicaciones, el uso de perlas con propiedades especiales de sorción, catalítica u otras propiedades han sido descritas para estabilizar características operativas o efectuar otros aspectos de tratamiento.

En estos dispositivos, el fluido de alimentación fluye una o más veces a través de espacios o células “diluidas”, que abandona sus iones, para emerger como flujo de producto sustancialmente desmineralizar o tratado, al tiempo que un fluido separado en células adyacentes “concentradas” o de “salmuera” recibe los minerales despojados de la alimentación por canalización iónica a través de las membranas, junto con tales pequeñas moléculas no iónicas ya que pueden pasar a través de las membranas. Varias implementaciones físicas de unidades ED y EDI son conocidas. La mayoría de los dispositivos comerciales, particularmente los dispositivos EDI, han empleado históricamente una arquitectura basada en “pilas” de placas planas – disposiciones de muchas células formadas apilando membranas sustancialmente oblongas, espaciadores, y rejillas – que forman colectivamente muchas células -entre placas de extremo, con electrodos y habitualmente orificios o colectores posicionados en los extremos de la pila. Pilas similares de células en forma de disco son históricamente conocidas. Además de estas construcciones de “pila”, muchas publicaciones describen también, y varias compañías tan comercializados 45 dispositivos ED o EDI de forma cilíndrica que tienen células formadas entre membranas de intercambio de iones que están enrolladas en espiral alrededor de un tubo o núcleo. Estos dispositivos tienen electrodos en posiciones radialmente interior y exterior para aplicar un campo eléctrico sustancialmente radial entre el núcleo y la envoltura exterior del dispositivo cilíndrico.

Los dispositivos ED (sin relleno) han encontrado un uso en el tratamiento de numerosos fluidos de la industria 50 alimentaria. Una construcción enrollada en espiral similar a las unidades ED o EDI espirales se ha utilizado durante mucho tiempo en la fabricación de módulos de ósmosis inversa de flujo cruzado (RO) , microfiltración (MF) y otros tipos de módulos de filtración/separación para su uso con corrientes de alimentación de fluidos alimentarios o corrientes de productos de fermentación, por lo tanto la arquitectura espiral es bien aceptada en esa industria por sus características dinámicas de flujo, requisitos de fontanería, capacidad para manejar la presión elevada y otras 55 propiedades deseables. Estos otros dispositivos de filtración enrollados en espiral se basan típicamente en presión elevada para conducir el procedimiento de filtración o el producto a través de una membrana, en lugar de sobre un potencial eléctrico para transportar componentes ionizables a través de una membrana. Tales construcciones de filtro en espiral permiten típicamente solo pequeñas desviaciones, y pueden sostener altas presiones sin romper las membranas. El solicitante cree que una construcción EDI espiral puede disfrutar potencialmente de una construcción resistente a la presión que permitiría deseablemente un rendimiento mejorado, una longitud de trayectoria de tratamiento más eficiente y más larga u otra propiedad mejorada.

Entre los productos ED y EDI en espiral publicados o promocionados comercialmente, ejemplos tempranos de Ionics, Incorporated, como se muestra en el documento US 2.741.591, describen varias direcciones para los flujos diluidos y concentrados respectivos, tanto respecto del electrodo interior y exterior como el uno respecto del otro. La 10 compañía Christ, A.G. de Suiza ha comercializado más recientemente dispositivo EDI en espiral, de los cuales se muestran ejemplos en su patentes de los Estados Unidos nº 5.376.253, titulada Aparatus for the continuous electrochemical desalination of aqueous solutions, a nombre de los inventores Rychem et al.. La construcción mostrada en esa patente es un EDI enrollado en espiral con electrodos interior y exterior, que tienen sus células diluidas de tratamiento de fluido selladas a la pared de, y que se abren dentro de, el electrodo interior (que también sirve de tubo de flujo central) , y que tiene sus células concentradas abiertas a la pared cilíndrica circundante que forma un contraelectrodo.

Otra unidad EDI comercial de arquitectura en espiral, desarrollada originalmente en China, emplea una envoltura concentrada envuelta rellena de malla y proporciona un fluido diluido axialmente orientado entre los bobinados. Este dispositivo es comercializado en los Estados Unidos por Omexell, Inc de Houston, Texas. El dispositivo Omexell está 20 ilustrado en la patente de los Estados Unidos 6.190.528, a nombre de los inventores Xiang Li y Gou-Lin Luo. En esa construcción, un tubo central es tanto un electrodo como un distribuidor de agua, al tiempo que la barra o hilo de metal forma el electrodo exterior. Dos membranas que rodean un tejido de malla forman una envoltura sin ningún relleno de perlas de intercambio, y la envoltura está enrollada en espiral alrededor del tubo central para formar el espacio o espacios de flujo concentrado. Las regiones alternas entre espiras sucesivas de la envoltura están rellenas 25 con perlas de resina de intercambio de iones y la producción de producto tratada avanza el espacio de relleno de pelas de intercambio a lo largo de una dirección axial, desde un extremo del cilindro al otro, al tiempo que los flujos concentrados desde la entrada de alimentación de producto (realización #2, mostrada en la figura 4 de la patente 6.190.528 mencionada anteriormente) o desde una ranura a lo largo de la mitad del electrodo/tubo central... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de electrodeionización (10) que comprende un alojamiento genéricamente cilíndrico que incluye un electrodo radialmente interior (14) dispuesto en una forma genéricamente cilíndrica a lo largo de un eje;

una hoja que contiene dos membranas espaciadas (110, 120) y un espaciador (115) dispuesto como un bobinado en espiral alrededor del electrodo interior; un electrodo radialmente exterior (116) que se extiende alrededor del bobinado en espiral, en el que células diluidas y concentradas están definidas por espacios y por espacios intercalados dentro de dicho bobinado en espiral en una región entre los electrodos radialmente interior (14) y radialmente exterior (16) , formando las células diluidas y concentradas trayectorias de flujo diluidos y concentrado correspondientes; una corriente formada por dichos electrodos (14, 16) que tiene una densidad de corriente a través de dichas células que varía inversamente a la posición radial de una célula, y medios (T) para hacer variar el flujo como una función de posición radial para utilizar de manera más efectiva la corriente disponible, en el que los medios (T) para hacer variar el flujo comprende un número de orificios de flujo (T)

posicionados en un extremo de la trayectoria de flujo y con un número o dimensión efectiva para proporcionar un mayor flujo en una posición menos radial.

2. El dispositivo de electrodeionización (10) de la reivindicación 1, en el que la hoja es una hoja enrollada y los medios para hacer variar el flujo comprenden un número de orificios de flujo espaciado progresivamente a lo largo de su longitud.