ABAD GARRIDO, Francisco Javier (C/ Escuelas. 17, - Santa Cruz, 30162, ES)
ABAD GARRIDO, Francisco Javier (C/ Escuelas. 17, - Santa Cruz, 30162, ES)
| R E I V I N D I C A C I O N E S 1. DISPOSITIVO DESALINIZADOR POR MEMBRANAS SELECTIVAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS, formado por un imán exterior (1), otro interior (2), y un cuerpo intermedio (3) en el que se disponen membranas selectivas a iones (6 y 7) caracterizado por el hecho de que cada membrana selectiva a los iones negativos tiene a ambos lados una membrana selectiva a iones positivos. 2. DISPOSITIVO DESALINIZADOR POR MEMBRANAS SELECTIVAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS, según reivindicación número uno, caracterizado porque las membranas selectivas a iones positivos están dispuestas de tal forma que a ambos lados siempre tienen una membrana selectiva a iones negativos. 3. DISPOSITIVO DESALINIZADOR POR MEMBRANAS SELECTIVAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS, según reivindicaciones número uno y dos caracterizado porque tanto el cuerpo exterior (1) como el interior (T) y la cámara de membranas (3) se configuran a partir de una geometría prismática. 4. DISPOSITIVO DESALINIZADOR POR MEMBRANAS SELECTIVAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS, según reivindicaciones número uno a tres caracterizado porque la distancia entre membranas selectivas a iones positivos y membranas selectivas a iones negativos está en un rango entre 0,2 cm y 2 cm. 5. DISPOSITIVO DESALINIZADOR POR MEMBRANAS SELECTIVAS Y CAMPOS MAGNÉTICOS, según reivindicaciones número uno a tres caracterizado porque se dispone arrollada en la superficie exterior del cuerpo exterior (1) y el cuerpo interior (2) de uno o más pares de bobinas de material superconductor. |
CAMPOS MAGNÉTICOS
D E S C R I P C I Ó N
CAMPO DE APLICACIÓN
Este es un dispositivo que resuelve de manera satisfactoria la separación física de los iones disueltos en una disolución acuosa, de las moléculas de agua de dicha disolución. Está pensado, básicamente, para la desalinización de agua de mar.
ANTECEDENTES
Los antecedentes de dispositivos desalinizadores por membranas selectivas hacen referencia a máquinas o conjunto de elementos que producen la separación de los iones disueltos en una disolución acuosa, a partir de un potencial eléctrico entre dos electrodos conectados a una fuente de potencia externa, es decir, basados en la electrodiálisis. Nuestro dispositivo desalinizador no incorpora electrodos para generar dicho potencial. Por tanto no está basado en los conceptos existentes actualmente de electrodiálisis de agua salada.
La patente americana US2004/0262234 de un aparato y método para la purificación de fluidos es quizá el invento más cercano a nuestro dispositivo desalinizador por membranas selectivas y campos magnéticos que no utiliza electrodos. Utiliza un campo magnético rotativo y pilas de membranas selectivas a iones, pero siguen existiendo, al menos, un canal rico en aniones y otro canal rico en cationes, que generan un potencial eléctrico. Esto no ocurre en la patente que se solicita. Los titulares de la presente memoria conocen la existencia de los modelos de utilidad españoles con número de publicación 1066215 (Dispositivo de desalación por campo magnético y membranas selectivas a iones según su carga eléctrica) y 1067217 (Dispositivo de desalación por rotación de campo magnético y membranas selectivas según su carga Eléctrica). En ambos documentos se describen dispositivos que logran la desalación de parte de un flujo de agua marina a partir de la disposición de un campo magnético, obteniendo corrientes separadas de agua producto y de rechazo en diferentes canales, si bien en ambos casos se lograba el objetivo propuesto mediante una estructura de canales tal que existía un canal que se llenaba solo con iones positivos y otro canal con iones negativos (los canales de los extremos) mientras los centrales permanecen neutros debido a que se llenaban o vaciaban con el mismo número de iones positivos e iones negativos. El canal del extremo que se llena de iones positivos creaba un potencial positivo. El otro canal, del otro extremo, que sólo se llena con iones negativos crea un potencial negativo. De esta forma, la diferencia de potencial crea un campo eléctrico perjudicial para el objetivo buscado, dado que las fuerzas eléctricas creadas se oponen a las fuerzas del campo magnético, inhibiendo el movimiento de los iones y dificultando por tanto su estratificación en canales de diluido y concentrado.
Por ese motivo se hace necesario el disponer de un par de electrodos que se comunican entre sí por un hilo conductor externo para conseguir que se pueda cerrar el circuito eléctrico. Al cerrarse dicho circuito, los potenciales provocan que aparezca un movimiento de electrones. Estos electrones a su vez provocan las reacciones redox en los extremos. Estas reacciones redox tienen como consecuencia que los canales de los extremos se neutralizan y desaparece (en gran medida, siempre existe un remanente que alimenta el movimiento de electrones) el potencial eléctrico en los extremos.
Mediante la especial configuración del dispositivo que se preconiza, en la que no hay canales extremos donde se generen potenciales, se consigue eliminar las fuerzas eléctricas que se contraponían a las fuerzas de Lorentz creadas sobre los iones por el campo magnético, de modo que el movimiento de iones puede seguir dándose sin necesidad de la incorporación de los electrodos y evitando ventajosamente la aparición de reacciones redox. Además, se consigue que la energía que en los dispositivos descritos en los modelos de utilidad se empleaba en la creación de un potencial eléctrico que generaba el movimiento de electrones, minimizando así el campo eléctrico, deje de ser necesaria dado que dicha energía se empleaba en la neutralización del potencial de los extremos pero no en el movimiento útil de los iones, lo que supone una importante disminución de los costes de operación del dispositivo y una considerable mejora en su rendimiento.
Por tanto, no se conoce por parte de los titulares de la presente invención ningún dispositivo similar para la realización de labores citadas de desalinización de aguas, por lo que se hace evidente la novedad de la presente invención, que proporcionará cuantiosas ventajas a la industria relativa a desalación de aguas salobres para su aprovechamiento.
Se incluyen además en la presente memoria, unas mejoras propuestas para el dispositivo que tienen como objeto mejorar los rendimientos de producción de agua así como los rendimientos energéticos y la operatividad del dispositivo, para lo cual se centran en los siguientes aspectos concretos:
Por una parte en la inclusión de la posibilidad de realizar los componentes que forman el dispositivo en geometrías prismáticas, en lugar de cilindricas como se mencionaba en la patente principal.
Por otra, en la determinación de la separación necesaria entre membranas dentro de la cámara para obtener el máximo rendimiento posible del dispositivo. Finalmente, se incluye la posibilidad de lograr el campo magnético necesario para general el movimiento de iones mediante la disposición de espiras de material superconductor por las que circulará una corriente eléctrica.
El dispositivo basa su funcionamiento en la ausencia de cámaras extremas. De este modo se logra que todos los canales se mantengan eléctricamente neutros, evitando así la generación de potenciales que perjudican el proceso de desalinización. De esta configuración se infería un modelo de realización cilindrico, con todos los cuerpos montados en torno a un eje común. El hecho de sustituir la geometría cilindrica original por otra prismática abre nuevas posibilidades de funcionamiento del dispositivo, facilitando asimismo la fabricación de estos elementos.
Por otra parte, la separación entre membranas resulta un parámetro de gran importancia a la hora de determinar los rendimientos energéticos del sistema, siendo un factor de gran importancia el potencial de Donnan. Dentro de un mismo canal la concentración de iones no será uniforme, dado que debido a la atracción que ejercen los iones libres existentes dentro de las membranas selectivas, en las zonas próximas a éstas se produce una mayor concentración.
La mayor concentración iónica en las proximidades a estas membranas generará por tanto un pequeño potencial eléctrico, potencial de Donnan, que dificultará el movimiento de los iones provocado por el campo magnético. Ante la imposibilidad de eliminar esta circunstancia, se hace determinante el fijar una distancia adecuada entre membranas de cada tipo con el fin de minimizar los efectos perjudiciales citados.
La obtención de un campo magnético de intensidad suficiente para lograr una correcta desalinización del agua a tratar resulta dificultosa mediante el empleo de imanes permanentes, dada la complejidad existente en la tarea de magnetizar un cilindro hueco disponiendo un polo en la cara externa y otro en la cara interna. Mediante la introducción de espiras arrolladas en la cara exterior tanto del cilindro exterior como del cilindro interior es posible la obtención de un dipolo magnético en cuyo campo magnético el sentido de las líneas de campo será radial entre ambos cilindricos. Además, esta disposición permite regular la intensidad de dicho campo mediante la actuación sobre la corriente de las espiras, generando así evidentes ventajas tanto en coste de fabricación como en operatividad del dispositivo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Se trata de un dispositivo que es capaz de desalinizar parte del caudal de agua salada que le entra. Por tanto el agua que entra en este dispositivo es convertido en dos efluentes diferentes. Un efluente con una concentración de sal muy pequeña y menor que en el caudal de entrada y otro con una concentración de sal mayor que el de entrada.
El dispositivo se configura a partir de tres partes fundamentales, consistentes en un imán exterior, un imán interior y un cuerpo intermedio entre estos por donde se introducirá el caudal de agua a desalar y el cual se verá afectado por el campo magnético generado por sendos imanes. Estos tres elementos estarán montados de forma coaxial. De esta configuración se infiere un modo de realización óptimo a partir de cuerpos cilindricos, si bien es posible la realización del dispositivo a partir de cualquier geometría prismática.
Los imanes empleados para el presente dispositivo podrán ser tanto imanes permanentes como superconductores arrollados en espiras alrededor del imán exterior. El elemento intermedio dispuesto entre ambos imanes tendrá sección hueca, y en su interior se dispondrá un determinado número de membranas dispuestas asimismo en sentido radial, alternándose una membrana selectiva a iones positivos con otra a iones negativos, de forma tal que una membrana de un tipo estará siempre rodeada de dos membranas del tipo contrario. Del mismo modo, cada canal de este cuerpo intermedio dispondrá de una membrana selectiva a iones positivos a un lado, y otra selectiva a iones negativos al otro. Se logra mediante esta especial geometría el que no existan canales extremos donde se generen los potenciales eléctricos perjudiciales para el proceso.
Este dispositivo se basa en las fuerzas de Lorentz generada cuando un fluido conductor atraviesa con cierta velocidad un campo magnético. Dicha fuerza produce un desplazamiento de los iones presentes en el fluido. Las membranas selectivas son las encargadas de crear canales de fluido diluido (producto) y canales de fluido concentrado (rechazo).
El dispositivo desalinizador por membranas selectivas y campos magnéticos que no utiliza electrodos utiliza una geometría especial tanto en la disposición de los polos magnéticos como en la disposición de las membranas selectivas a iones según su carga de manera que se hace innecesaria la utilización de electrodos.
Debido a que las fuerzas de Lorentz actúan en una dirección determinada en función de la carga del ion sobre el que actúan, éstos se verán obligados a pasar a través de las membranas selectivas, con el resultado de que se obtendrá alternadamente un canal de diluido en el cual los iones negativos han salido a través de una membrana y los positivos a través de la membrana opuesta; y canales de concentrado, en el que han entrado por una membrana iones positivos y por otra iones negativos. Dado que en todos estos canales será igual el número de iones positivos y negativos que salgan o entren, éstos se mantendrán eléctricamente neutros, evitando la formación de potenciales eléctricos que perjudicarían el funcionamiento del dispositivo.
El desarrollo de esta geometría y disposición modifica la electroquímica de funcionamiento de la desalinización típica por dispositivos de electrodiálisis. La nueva química de funcionamiento utiliza un consumo energético que se acerca mucho al mínimo consumo necesario desde el punto de vista termodinámico.
La geometría utilizada en este nuevo dispositivo permite que las cargas eléctricas en los canales de diluido y de concentrado siempre estén equilibradas por lo que no se crean potenciales eléctricos entre las celdas y por tanto no aparecen reacciones de reducción u oxidación ni circulación de una corriente eléctrica.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando, y con objeto de facilitar una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria como parte integrante de la misma, unos dibujos realizados con carácter ilustrativo y no limitativo, que a continuación se procede a describir:
La figura 1 muestra la forma geométrica de los polos magnéticos así como su posición relativa dentro del dispositivo.
La figura 2 muestra la cámara de membranas, pudiendo observarse la disposición de éstas con respecto a las paredes del tubo de modo que conforman los canales por donde discurrirá el agua a desalar y las corrientes de diluido y concentrado obtenidas.
La figura 3 muestra en alzado frontal el dispositivo con sus componentes montados, donde se puede además observar el movimiento que realizan los iones al verse afectados por el campo magnético producido, atravesando las membranas selectivas y creando así canales de diluido y de concentrado. También se representan los polos magnéticos de cada uno de los cilindros exterior e interior, indicados con las letras N para norte y S para sur.
La figura 4 muestra en perspectiva el dispositivo una vez montado.
La figura 5 muestra en sección longitudinal el dispositivo, habiéndose representado con líneas de trazo y punto las líneas del campo magnético generado en el interior del dispositivo y con flechas la dirección del flujo de agua, efectos que combinados producen el movimiento sobre los iones representado en la figura anterior.
La figura 6 muestra una variante de obtención del dispositivo mediante el empleo de elementos prismáticos, en particular se representa una geometría a base de prismas pentagonales.
La figura 7 muestra una disposición de espiras arrolladas en los cilindros exterior e interior mediante la cual se logra la obtención de un campo magnético con líneas de campo en sentido radial entre ambos cilindros.
DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
El dispositivo desalinizador por membranas selectivas y campos magnéticos que no utiliza electrodos puede ser construido siguiendo la siguiente exposición.
Los campos magnéticos pueden ser generados por imanes permanentes o por imanes superconductores. Para esta forma constructiva se hace referencia a imanes permanentes. El cilindro de mayor diámetro exterior (1) está hecho de hierro magnetizado de tal forma que en la zona del diámetro interior está el polo norte y en la zona del diámetro exterior está el polo sur. El diámetro exterior de este tubo formado por hierro magnetizado es de cien centímetros y el diámetro interior es de noventa centímetros.
El cilindro de menor diámetro (2) exterior está hecho de hierro magnetizado de tal forma que en el diámetro interior está el polo norte y en el diámetro exterior está el polo sur. El diámetro exterior de este tubo es de cuarenta centímetros y el diámetro interior es de treinta centímetros.
El tubo intermedio (3) tiene unas dimensiones de diámetro exterior de ochenta y cinco centímetros y un diámetro interior de cuarenta y cinco centímetros. La sección que hay entre el diámetro interior y exterior no es uniforme y maciza, sino que se descompone de la siguiente forma.
La sección es hueca, la pared en el diámetro exterior tiene un espesor de 5 milímetros al igual que la pared del diámetro interior. Ambas paredes son de polietileno de alta densidad.
La pared exterior (4) y la pared interior (5) están unidas por unas membranas dispuestas en forma radial de tal forma que cada membrana (6 Y 7) va desde la pared del diámetro interior al diámetro exterior. Las membranas están dispuestas de forma que se alternan membranas selectivas a iones positivos (6) con membranas selectivas a iones negativos (7); y colocadas de forma paralela al eje del tubo por lo que los espacios que quedan entre membrana y membrana, denominados canales (8), son sectores circulares. Es por el interior de estos canales (8) por los que ha de transcurrir el agua salda. Los canales de diluido están alternados con los canales de concentrado al igual que las membranas selectivas a iones negativos (7) están alternadas con las membranas selectivas a iones positivos (6).
Dentro de las mejoras introducidas a este modelo inicial, cabe incluir la posibilidad de realizar los componentes del dispositivo en una geometría prismática, que podrá concretarse en prismas de base triangular, base cuadrada y , en definitiva, cualquier tipo de figura geométrica adecuada en función del proceso de fabricación a utilizar.
La segunda mejora consiste en fijar una distancia adecuada entre membranas de forma que se minimice en lo posible el efecto negativo creado por los potenciales de Donnan. Para esto, se hace necesario contraponer este efecto a otros efectos hidráulicos como son la pérdida de carga generada por un número excesivo de membranas y otros parámetros como el volumen final de cada uno de los canales creados. Así, una separación entre membranas en un rango de entre 0,2 cm y 2 cm posibilita la obtención de la distancia óptima para la obtención de un rendimiento máximo del dispositivo.
La tercera mejora se consigue mediante el arrollamiento de espiras de material superconductor en la cara externa de los cilindros interior e interior. Estas espiras se disponen a una distancia predeterminada que estará en función de la intensidad de corriente que circula por ellas, teniendo dicha corriente un sentido alterno en cada espira. Así, se dispondrán las espiras por parejas, siendo el sentido de circulación de la corriente alterno en cada una de las espiras. De esta forma se logra generar una serie de polos magnéticos norte y sur en el dispositivo, resultando de la suma de todos los campos magnéticos generados el que las líneas de campo resultantes en la zona intermedia entre ambos dispositivos tenga sentido radial.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.