Membranas bipolares texturadas para dispositivo electroquímico de intercambio iónico.

Una membrana bipolar texturada (10) de disociación del agua que comprende:

(a) una capa (12) de intercambio de aniones superpuesta a una capa (14) de intercambio de cationes para formar una membrana laminar y para formar entre las mismas una superficie heterogénea (18) de contacto de disociación del agua; y

(b) una superficie texturada al descubierto que tiene un patrón de atributos (26) de textura que comprende picos (28) y valles (30) separados entre sí.

Membranas bipolares texturadas para dispositivo electroquímico de intercambio iónico Antecedentes Las realizaciones de la presente invención se refieren a una membrana texturada de disociación del agua y a un procedimiento de fabricación de una célula de intercambio iónico.

Las células de intercambio iónico se usan para eliminar o sustituir iones en disoluciones, por ejemplo en la producción de agua de gran pureza por desionización, en el tratamiento de aguas residuales y en la sustitución selectiva de iones en disolución. Los materiales de intercambio iónico incluyen materiales de intercambio de cationes y aniones que contienen iones sustituibles o que reaccionan químicamente con iones específicos de una corriente de disolución, para intercambiar cationes o aniones, respectivamente. Una célula convencional típica de intercambio iónico comprende perlas de resina de intercambio iónico que llenan columnas y se hace pasar por la columna una corriente de disolución a ser tratada. Los iones de la disolución son eliminados o sustituidos por el material del intercambio iónico, y de la salida de la columna emergen la disolución producto o desechos. Cuando el material de intercambio iónico se ve abrumado con iones procedentes de la disolución, las perlas son regeneradas con una disolución adecuada. Por ejemplo, el documento WO 02/14224 A1, de Carson et al., da a conocer una célula de electrodiálisis que comprende membranas enrolladas en espiral de intercambio monopolar de aniones y cationes. Las resinas de intercambio de cationes se regeneran comúnmente usando disoluciones ácidas o salmuera (por ejemplo, para descalcificadoras) , y lo más común es que las resinas de intercambio de aniones se regeneren con disoluciones o salmueras básicas.

El intercambio electroquímico de iones usa una membrana de intercambio iónico de disociación del agua (denominada también membrana bipolar, doble o laminar) colocada entre dos electrodos enfrentados con un separador dieléctrico entre las membranas, según se describe, por ejemplo, en la patente estadounidense, transferida legalmente, nº 5.788.826 (Nyberg) . Como ejemplo adicional, el documento US 6.103.078, de Hitchems et al., enseña membranas bipolares que tienen pasos internos para promover el paso del agua. Las membranas de disociación del agua tienen tanto una capa de intercambio de cationes como una capa de intercambio de aniones. Cuando se aplica un campo eléctrico suficientemente intenso a través de la membrana aplicando una tensión a los dos electrodos, el agua se disocia o se “separa” irreversiblemente en los iones componentes H+ y OH-en el límite entre las capas de intercambio de cationes y de aniones. Los iones H+ y OH-resultantes migran y se difunden por las capas de intercambio iónico en la dirección del electrodo que tiene polaridad opuesta (por ejemplo, H+ migra al electrodo negativo) . Durante la etapa de regeneración, los iones H+ y OH-formados en la superficie de contacto de la membrana causan el rechazo de los cationes y los aniones quitados en una etapa previa de desionización, volviendo a formar las formas ácida y básica de los materiales de intercambio de cationes y aniones. La regeneración eléctrica evita así el uso, y los posteriores problemas de eliminación, de productos químicos peligrosos que se usan para regenerar las perlas convencionales de intercambio iónico.

Las membranas de intercambio iónico de la técnica anterior son normalmente lisas y planas, y, a menudo, también tienen un grosor uniforme en sección transversal para minimizar las variaciones en las densidades de la corriente entre las membranas en células electroquímicas. Normalmente, también se coloca un separador dieléctrico separado, tal como un material reticular plástico, entre las membranas para mantener las membranas a una distancia mutua uniforme para reducir adicionalmente la variación de la densidad de la corriente y mantener coherentes las velocidades de transporte de masas y las caídas de presión en el espacio entre las membranas. Se mantiene uniforme el grosor de las membranas para proporcionar una separación constante entre las membranas de intercambio iónico para generar densidades uniformes de corriente entre las superficies de las membranas. Pueden usarse diversos procedimientos para mantener un grosor uniforme de la membrana. La membrana también debería ser plana y lisa para facilitar el lavado a contracorriente de las resinas de intercambio iónico en dispositivos de electrodesionización, así como la sustitución periódica de estas resinas. Que las membranas tengan una superficie llana lisa también reduce la caída de presión entre membranas adyacentes. Sin embargo, las membranas convencionales de intercambio iónico generalmente proporcionan velocidades más lentas de intercambio iónico y, en consecuencia, caudales y rendimientos de tratamientos de disoluciones más lentos que los sistemas convencionales de perlas de intercambio iónico. En consecuencia, los sistemas de membranas tienen una utilidad limitada debido a consideraciones de volumen de espacio en contraposición con el rendimiento del tratamiento de disoluciones.

Además, las capas de separadores dieléctricos que se usan para separar las membranas en las células electroquímicas tienen que ser suficientemente gruesas para ser autoportantes y estructuralmente sólidas para soportar la manipulación cuando se insertan entre las membranas en la fabricación de una célula. Normalmente, las capas separadoras se fabrican de polímero, tal como polietileno o polipropileno, y pueden tener un patrón regular. Un grosor típico de la capa separadora está entre aproximadamente 0, 25 y aproximadamente 1 mm. Las capas separadoras más delgadas de 0, 25 mm son difíciles de manipular y pueden dar como resultado el estiramiento de las hebras separadoras, el desgarro o el arrugamiento, en el montaje de células, y generalmente también son más caras y difíciles de hacer. Un problema adicional en la tentativa de reducir el grosor del separador surge porque es

preciso aumentar la presión de la disolución que pasa por la célula para producir el mismo caudal de disolución. Así, generalmente, en la célula electroquímica se usan capas separadoras relativamente gruesas, lo que aumenta adicionalmente el volumen aparente de la célula y reduce el rendimiento del tratamiento de disoluciones por unidad de volumen de espacio de la célula.

La pila de membranas y separadores también es difícil de montar en la célula y de quitar de la misma para su limpieza o su sustitución. Normalmente, en una célula se usan varias membranas y varios espaciadores, y ello es deseable para poder manipular con mayor facilidad la pila de membranas. La pila de membranas también puede perder fácilmente su orientación en la célula durante el montaje de la célula o durante el uso. Además, cuando las membranas están selladas en células electroquímicas estancas, resulta difícil abrir las células para sacar las membranas sin dañar la célula o las membranas. Es deseable una estructura de célula que pueda ser montada o abierta fácilmente.

Así, es deseable contar con una célula electroquímica de intercambio iónico capaz de proporcionar buenas velocidades de intercambio iónico. También es deseable contar con una membrana de disociación del agua y un separador que presenten suficiente resistencia en su manipulación y su uso y que no sean excesivamente gruesos. También es deseable limitar el número de etapas necesarias para la fabricación de tales células, reducir el número de partes para el montaje y reducir los errores de montaje. También es deseable contar con una célula que pueda ser montada o desmontada con facilidad sin dañar ni provocar que las membranas pierdan su orientación.

Sumario Una membrana bipolar texturada de disociación del agua comprende una capa de intercambio de aniones superpuesta a una capa de intercambio de cationes para formar entre las mismas una superficie heterogénea de contacto de disociación del agua y una superficie texturada al descubierto que tiene un patrón de atributos de textura que comprende picos y valles separados entre sí.

La membrana también puede comprender un separador integral en la superficie texturada. El separador integral puede ser, por ejemplo, filamentos sobre la superficie texturada de la membrana o un revestimiento sobre los picos de los atributos de textura. El separador separa las membranas entre sí.

Un cartucho para una célula electroquímica de intercambio iónico comprende varias membranas texturadas superpuestas entre sí, teniendo cada membrana (i) una capa de intercambio de aniones superpuesta a una capa de intercambio de cationes para formar entre las mismas una superficie heterogénea de contacto... [Seguir leyendo]

1. Una membrana bipolar texturada (10) de disociación del agua que comprende:

(a) una capa (12) de intercambio de aniones superpuesta a una capa (14) de intercambio de cationes para formar una membrana laminar y para formar entre las mismas una superficie heterogénea (18) de contacto 5 de disociación del agua; y

(b) una superficie texturada al descubierto que tiene un patrón de atributos (26) de textura que comprende picos (28) y valles (30) separados entre sí.

2. Una membrana (10) según la reivindicación 1 en la que o bien:

(i) los picos (28) son crestas (36a, b) y los valles (30) comprenden surcos (38a, b) entre crestas adyacentes (36a, b) , siendo las crestas (36a, b) y los surcos (38a, b) generalmente paralelos a la dirección que la disolución recorre a través de la membrana (10) durante el uso de la membrana (10) ; o (ii) los picos (28) comprenden salientes cónicos (48) o mesetas (50) , y los picos (28) se proyectan hacia fuera desde una zona de superficie sustancialmente plana que define los valles (30) .

3. Una membrana (10) según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizada porque los atributos (26) de textura 15 comprenden al menos una de entre:

(i) una dimensión mayor que el grosor de una capa estancada formada en la superficie de la membrana (10) por una disolución que recorre la superficie de la membrana (10) ;

(ii) una dimensión de al menos aproximadamente 2 micrómetros;

(iii) una distancia dpp entre picos de al menos aproximadamente 10 micrómetros; 20 (iv) una distancia dpv entre pico y valle de al menos aproximadamente 10 micrómetros;

(v) una relación de aspecto dpv/dpp de al menos aproximadamente 0, 1; o

(vi) una relación de aspecto dpv/dpp de más de aproximadamente 0, 1.

4. Una membrana (10) según las reivindicaciones 1 o 2 que, además, comprende canales (40) que atraviesan los picos (28) .

5. Una membrana (10) según las reivindicaciones 1 o 2 en la que la capa de intercambio de aniones comprende grupos -NR3A y la capa de intercambio de cationes comprende grupos -SO3M, siendo A el anión y M el catión.

6. Una membrana (10) según las reivindicaciones 1 o 2 que, además, comprende un separador integral (80) unido a la superficie texturada, estando caracterizado el separador integral (80) por al menos uno de entre:

(i) filamentos sobre la superficie texturada (24) ; 30 (ii) un revestimiento sobre los picos (28) de los atributos (26) de textura;

(iii) un grosor inferior a aproximadamente 1000 micrómetros; o (iv) un grosor inferior a aproximadamente 500 micrómetros.

7. Un cartucho (100) para una célula electroquímica (102) de intercambio iónico, comprendiendo el cartucho (100) :

una pluralidad de membranas texturadas (10) superpuestas entre sí, siendo cada membrana (10) una membrana (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

8. Un cartucho (100) según la reivindicación 7 caracterizado porque los atributos (26) de textura comprenden al menos una de entre:

(i) una dimensión mayor que el grosor de una capa estancada formada en la superficie de la membrana (10) 40 por una disolución que recorre la superficie de la membrana (10) ;

(ii) una dimensión de al menos aproximadamente 2 micrómetros;

(iii) una distancia dpp entre picos de al menos aproximadamente 10 micrómetros;

(iv) una distancia dpv entre pico y valle de al menos aproximadamente 10 micrómetros;

(v) una relación de aspecto dpv/dpp de al menos aproximadamente 0, 1; o 45 (vi) una relación de aspecto dpv/dpp de más de aproximadamente 0, 1.

9. Un cartucho (100) según la reivindicación 7 que comprende un separador integral (80) sobre las membranas texturadas (10) , estando caracterizado el separador integral (80) por al menos uno de entre:

(i) filamentos sobre la superficie texturada (24) ;

(ii) un revestimiento sobre los picos (28) de los atributos (26) de textura; 50 (iii) un grosor inferior a aproximadamente 1000 micrómetros; o

(iv) un grosor inferior a aproximadamente 500 micrómetros.

10. Un cartucho (100) según la reivindicación 7 en el que las membranas texturadas (10) están enrolladas en espiral en torno a un tubo central (106) y están cerradas por tapones terminales (1114a, b) .

11. Un cartucho (100) según la reivindicación 10 en el que al menos un tapón terminal tiene un agujero (133a, b) a través del cual puede pasar un electrodo (124, 128) .

12. Un cartucho (100) según la reivindicación 10 en el que las membranas texturadas (10) enrolladas en espiral están desplazadas entre sí.

13. Un cartucho (100) según la reivindicación 12 en el que las membranas texturadas (10) enrolladas en espiral están desplazadas entre sí una distancia do = 3, 14*dc/n, siendo dc el diámetro exterior del tubo central (106) sobre el que están enrolladas las membranas (10) , y denotando n el número de membranas (10) a usar en el

cartucho (100) .

14. Un cartucho (100) según la reivindicación 12 en el que los extremos superiores (113) de las membranas desplazadas (10) están unidos entre sí.

15. Un cartucho (100) según la reivindicación 10 en el que ambos tapones terminales (114a, b) tienen juntas tóricas (160) .

16. Una célula electroquímica (102) para eliminar o intercambiar iones de una corriente (20) de disolución, comprendiendo la célula electroquímica (102) un cartucho (100) según la reivindicación 7 y comprendiendo, además, un alojamiento (129) que comprende electrodos primero y segundo (124, 128) en torno al cartucho (100) .

17. Un sistema electroquímico de intercambio iónico que comprende la célula electroquímica (102) de la 20 reivindicación 15 y, además, comprende:

(a) una fuente (134) de alimentación para suministrar una tensión a los electrodos primero y segundo (124, 128) ; y

(b) una bomba (130) para hacer fluir una corriente (20) de disolución a través de la célula electroquímica (102) .

18. Un procedimiento de fabricación de un cartucho (100) para una célula electroquímica (102) de intercambio 25 iónico, comprendiendo el procedimiento:

(a) formar una pluralidad de membranas texturadas (10) , teniendo cada membrana (10) (i) materiales aniónicos y catiónicos de intercambio de iones superpuestos entre sí para formar una membrana laminar y para formar entre las mismas una superficie heterogénea (18) de contacto de disociación del agua y (ii) una superficie texturada al descubierto que tiene un patrón de atributos (26) de textura que comprende picos (28) y valles (30) separados entre sí;

(b) formar una pila (119) de membranas desplazadas de membranas texturadas (10) que están desplazadas entre sí;

(c) proporcionar un tubo central (106) y enrollar la pila (119) de membranas desplazadas alrededor del tubo

central (106) para formar un rollo (72) de cartucho (100) ; y 35 (d) unir los tapones terminales superior e inferior (114a, b) al rollo de cartucho (100) .

19. Un procedimiento según la reivindicación 18 que comprende la formación de membranas texturadas (10) con atributos (26) de textura que tienen al menos una de:

(i) una dimensión mayor que el grosor de una capa estancada formada en la superficie de la membrana (10)

por una disolución que recorre la superficie de la membrana (10) ; 40 (ii) una dimensión de al menos aproximadamente 2 micrómetros;

(iii) una distancia dpp entre picos de al menos aproximadamente 10 micrómetros;

(iv) una distancia dpv entre pico y valle de al menos aproximadamente 10 micrómetros;

(v) una relación de aspecto dpv/dpp de al menos aproximadamente 0, 1; o

(vi) una relación de aspecto dpv/dpp de más de aproximadamente 0, 1.

20. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que (b) comprende poner unas membranas (10) encima de otras de modo que los extremos superiores (113) de las membranas (10) estén desplazados entre sí en la misma dirección.

21. Un procedimiento según la reivindicación 20 que comprende desplazar los extremos superiores (113) de las membranas (10) una distancia do = 3, 14*dc/n, siendo dc el diámetro exterior del tubo central (106) sobre el que 50 están enrolladas las membranas (10) , y denotando n el número de membranas (10) a usar en el cartucho (100) .

22. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que (b) comprende formar una o más pilas de subconjuntos de membranas (10) .

18

23. Un procedimiento según la reivindicación 18 que comprende unir entre sí los extremos superiores (113) de las membranas desplazadas (10) mediante pinzas, adhesivo, encastrado térmico, remaches, cosido, grapas, unión

o soldadura ultrasónica.

24. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que (c) comprende colocar la superficie inferior (91) de la pila (119) de membranas desplazadas sobre el tubo central (106) y enrollar la pila alrededor del tubo central (106) mientras se mantiene una tensión en la pila traccionando la pila de membranas (10) o aplicando una fuerza radial.

25. Un procedimiento según la reivindicación 18 en el que (c) comprende, además, sujetar un manguito externo (110) sobre el rollo de cartucho (100) .

26. Un procedimiento según la reivindicación 25 que comprende sujetar el manguito externo (110) a las membranas (10) antes del enrollamiento, y unir el manguito externo (110) consigo mismo con adhesivo, con una soldadura o con una fibra.

27. Un procedimiento de fabricación de un cartucho (100) para una célula electroquímica (102) de intercambio iónico según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 26, comprendiendo el procedimiento:

(b) formar la pila (119) de membranas desplazadas de membranas texturadas (10) poniendo unas membranas (10) encima de otras de modo que los extremos superiores (113) de las membranas (10) estén desplazados entre sí en la misma dirección, y uniendo entre sí los extremos superiores (113) de las membranas desplazadas (10) ; comprendiendo el procedimiento, además, enrollar un manguito externo (110) alrededor del rollo de cartucho (100) para que se solape sobre sí mismo.

28. Un procedimiento de formación de una célula electroquímica (102) , comprendiendo el procedimiento:

(a) proporcionar un alojamiento (129) que tiene entradas (116) y salidas (118) de la disolución;

(b) colocar un rollo de cartucho (100) formado según el procedimiento de la reivindicación 18 dentro del alojamiento (129) de la célula electroquímica (102) , de modo que el tubo central (106) tenga conexión de fluido con la salida (118) del alojamiento (129) .