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Title:
METHOD AND DEVICE FOR ASYMMETRIC POLARITY INVERSION IN ELECTROMEMBRANE PROCESSES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/014781
Kind Code:
A1
Abstract:
Methods and circuits for a device for interrupting the concentration-related polarisation phenomenon and for the self-cleaning of electromembrane processes by application of asymmetric inverse-polarity pulses with high intensity and variable frequency are described. The device, a bipolar switch, is based on the use of solid-state electronic elements such as MOSFET (Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) to carry out polarity inversion in a range of frequencies, intensities and pulse widths in order to prevent or reduce the formation of precipitates on the surfaces of the membranes. The inversion protocol, with a frequency that varies as a function of the appearance of dirt on the membranes, as measured by the decrease in voltage or electrical resistance of the membrane cell during electromembrane processes, is also provided. High frequencies can be applied, either alone or together with other physicochemical in situ cleaning procedures (CIP, cleaning in place), when cleaning of the system is required. Various solid-state electronic elements can be connected in parallel. Said plurality of elements allows the application of higher powers. This device and configuration provides the application of modulated and stable high-intensity pulses using a second power source. Electromembrane processes can be easily updated by replacing the electrodes, suitable for polarity inversion, and adding a second power source and the bipolar switch described.

Inventors:
GONZÁLEZ VOGEL, Álvaro Mauricio (Camino el Venado 253, Depto 32A San Pedro de la Paz, Concepción 24, 4131124, CL)
JOUTSIMO, Olli Pekka (Sämääjänkatu 1 B, Lappeenranta, 53300, FI)
BORNHARDT BRACHMANN, Klaus Erwin (Calle San Pedro 640 casa 5, San Pedro de la Paz.Concepción, 02, 4130002, CL)
Application Number:
CL2017/050033
Publication Date:
January 24, 2019
Filing Date:
July 18, 2017
Export Citation:
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Assignee:
INVESTIGACIONES FORESTALES BIOFOREST S.A. (Camino a Coronel Kilómetro 15, Concepción, 00, 4190000, CL)
International Classes:
B01D65/02
Domestic Patent References:
WO2010143945A12010-12-16
WO2011056066A12011-05-12
Foreign References:
JP4591703B22010-12-01
Attorney, Agent or Firm:
SARGENT & KRAHN (Avenida Andrés Bello 2711, piso 19 Las Condes, Santiago 11, 7550611, CL)
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Claims:
REIVINDICACIONES

Método para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, CARACTERIZADO porque comprende:

- proporcionar una celda de electromembrana que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, un electrodo que actúa como ánodo (5) y otro como cátodo (6), y un conjunto de membranas;

- proporcionar un interruptor bipolar que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido, con una configuración de puente-H para el ajuste de la intensidad, en donde en condiciones de operación normal, algunos elementos (8 y 1 1 ) se cierran, y otros elementos (9 y 10) se abren para darle dirección a la corriente;

- proporcionar un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso;

- proporcionar una o dos fuentes de poder distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana, en donde una de las fuentes (1 ) promueve el proceso de electromembrana en condiciones normales y la otra fuente (2) promueve la aplicación de pulsos de polaridad reversa en la celda de electromembrana;

- hacer pasar una corriente continua a través del interruptor bipolar en distintas direcciones, hacia los electrodos, en donde se llevan a cabo las reacciones redox; - generar un potencial electroquímico en los electrodos para inducir el movimiento de los iones hacia distintos compartimentos de la celda;

- proporcionar un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad;

- medir en forma continua la caída de tensión y/o resistencia eléctrica en la celda de electromembrana;

- definir un valor umbral para la caída de tensión y/o para la resistencia eléctrica de la celda de electromembrana;

- realizar la limpieza de las membranas una vez alcanzado dicho valor umbral, mediante aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa, con frecuencia variable, anchos de pulsos cortos y preferencialmente con intensidades superiores a los de la operación en condiciones normales o aplicación de pulsaciones pausadas.

Método de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el microcontrolador o generador de pulso se programa con los valores de caída de tensión y/o resistencia eléctrica umbral, que indica la necesidad de invertir la polaridad para limpieza de las membranas.

Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza mediante la aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa con alta intensidad, en donde se invierten los elementos de estado sólido, los elementos que se encontraban cerrados (8 y 1 1 ) se abren y los que se encontraban abiertos (9 y 10) se cierran, se invierte la polaridad en los electrodos, en donde el electrodo que actuaba como ánodo (5) actuará como cátodo y el electrodo que actuaba como cátodo (6) actuará como ánodo, los pulsos se aplican con una frecuencia de 10"2 a 103 Hz con un ancho de pulso que varía entre 10"5 y 10o segundos.

Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza mediante la aplicación de pulsaciones pausadas, en donde todos los elementos sólidos (8, 9, 10, 1 1 ) se encuentran abiertos durante el tiempo de pausa aplicado, donde dicha pausa corresponde a pulsos aplicados cada 10o a 103 segundos con un ancho de pulso que varía entre 10" 2 y 103 segundos.

Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es continuo, se aplican los pulsos con mayor frecuencia hasta alcanzar un valor umbral de frecuencia, se detiene la operación y se aplica una pulsación de alta frecuencia de 101 a 107 Hz durante 10"1 a 104 segundos, para limpiar exhaustivamente las membranas.

Método de acuerdo a la reivindicación 5, CARACTERIZADO porque el valor umbral de la frecuencia es elegido cuando el ciclo de trabajo del proceso alcanza los 80,0 a 99,9%, lo que indica la necesidad de una limpieza exhaustiva de las membranas con procedimientos de limpieza in situ (CIP).

Método de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza en conjunto con protocolos de limpieza (CIP) tradicionales.

Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque se incrementa la densidad de corriente límite en comparación con la densidad de corriente límite alcanzada por un sistema convencional, intensificando con ello el proceso de electromembrana.

9. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana se selecciona de un proceso de: electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible (EDR), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI), electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización mediante polarización por concentración de iones (ICP).

10. Método de acuerdo a la reivindicación 3 y 9, CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es un proceso de electrodiálisis reversible (EDR), donde la polaridad invertida se mantiene para continuar con la operación en forma normal, realizando el cambio en los flujos hidráulicos correspondientes para el proceso EDR, y continuando con las pulsaciones. 1 1 . Método de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque se utiliza sólo una fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas.

12. Método de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es un proceso de electrodiálisis inversa (RED), en donde el potencial electroquímico generado por los gradientes salinos genera energía eléctrica y una fracción de esta energía es usada para la auto-limpieza periódica de las membranas y para métodos de protocolo de limpieza in situ (CIP).

13. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de limpieza se lleva a cabo a frecuencias que varían entre 10"2 y 103 Hz.

14. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el valor umbral de la caída de tensión y/o resistencia eléctrica son 1 ,1 a 10 veces los valores de los mismos en condiciones normales. 15. Sistema para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, CARACTERIZADO porque comprende: - una celda de electromembrana (4) que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, donde uno actúa como ánodo (5) y el otro actúa como cátodo (6) y un conjunto de membranas;

- un interruptor bipolar (3) que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ), con una configuración de puente-H para el ajuste de la intensidad de los pulsos de polaridad inversa, en donde 2 de dichos elementos se encuentra cerrados (8 y 1 1 ) y los otros 2 se encuentran abiertos (9 y 10);

- un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso;

- una o dos fuentes de poder (1 , 2) distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana (4);

- un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad, acorde a variables del proceso, en donde el microcontrolador se encuentra integrado en la circuitería del interruptor bipolar (3); en donde el interruptor bipolar (3) puede encontrarse ubicado dentro de las fuentes de poder (1 , 2) o entre las fuentes de poder (1 , 2) y la celda de electromembrana (4).

16. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque el interruptor bipolar (3) se ubica entre las fuentes de poder

(1 , 2) y la celda de electromembrana (4) en sistemas de procesos de electromembrana ya instalados.

17. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque la celda de electromembrana (4) corresponde a una celda para: electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible

(EDR), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI), electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización mediante polarización por concentración de iones (ICP).

18. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque las membranas de la celda de electromembrana (4) corresponden a membranas de intercambio iónico o membranas bipolares. 19. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) corresponden a los utilizados en transistores del tipo MOSFET (transistor de de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) o IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). 20. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) se conectan en paralelo para poder suplir mayores cantidades de energía a las celdas.

21 . Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) poseen diodos de protección que protegen de las fuerzas contra- electromotrices que se generan por los gradientes salinos dentro de los compartimentos de las celdas.

22. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque el microcontrolador integrado en el interruptor bipolar (3) procesa información del sistema para modificar las variables de aplicación de pulsos. 23. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 7, CARACTERIZADO porque se utiliza sólo 1 fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas.

Description:
MÉTODO Y APARATO PARA INVERSIÓN ASIMÉTRICA DE POLARIDAD EN PROCESOS DE ELECTROMEMBRANA

Campo de invención:

Las realizaciones de la invención se refieren al campo de la mitigación del ensuciamiento e incrustaciones y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana (EM) como la electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible (EDR, por sus siglas en inglés "Electrodialysis Reversal", en donde se invierte la polaridad cada 15 - 30 minutos para auto-limpieza de las membranas), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI) , electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED, por sus siglas en inglés "Reverse Electrodialysis", en donde gradientes salinos son utilizados para obtener energía), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización con polarización por concentración de iones (ICP) y aquellas operaciones mejoradas asociadas con todos los sistemas mencionados.

Estado del arte:

En la actualidad, el ensuciamiento y la incrustación de los procesos de electromembrana siguen siendo problemas que limitan la aplicación de estas tecnologías. La mitigación del ensuciamiento e incrustaciones mediante la inversión de la polaridad es una estrategia comúnmente utilizada en operaciones de EDR, la función de inversión se aplica cada 15 a 30 min, donde cada vez que se invierte la polaridad eléctrica, los compartimentos de agua desmineralizada cambian a ser compartimentos de concentrado y viceversa. Esta operación también requiere un cambio en la correspondiente trayectoria del flujo hidráulico. Esto resulta en la necesidad de un flujo hidráulico complicado y control con válvulas automáticas que toma al menos 40 segundos. La consecuente pérdida de tiempo y la mezcla del producto con la corriente de rechazo es una i pérdida inevitable que representa alrededor del 5% de la producción total. En consecuencia, EDR no se utiliza para la producción de químicos finos debido a la pérdida de tiempo de trabajo y productos valiosos.

Por otro lado, la polarización por concentración es un fenómeno inherente de los procesos de EM que restringen también la operación de dichos sistemas. En algún punto, cuando se aumenta la corriente eléctrica que pasa a través del sistema, se alcanza eventualmente un límite debido a la polarización por concentración. En la operación de procesos de EM este valor es llamado densidad de corriente límite (LCD), el cual depende de muchos parámetros, debido a lo cual es usualmente determinado de forma empírica. Cuando se trabaja con valores de LCD (o por encima de este valor), el pH se descontrola en la celda EM, debido a la disociación del agua, provocando problemas de incrustaciones y ensuciamiento. En la práctica, se aplica solamente el 80-90% del LCD. Generalmente es deseable aumentar estos valores de LCD a modo de intensificar los procesos, disminuyendo el área de la membrana a utilizar y consecuentemente el tamaño del equipamiento y el costo de capital.

La utilización de ciclos de corriente continua se describió en la patente US 3.029.196 hace más de 50 años. La patente US 8.038.867 B2 se refiere a una aplicación ambigua de pulsos eléctricos en electrodiálisis, sin mención detallada acerca de un aparato para realizar la metodología. La solicitud WO 2010/143945 se refiere a un método de auto-limpieza de membranas utilizando la inversión de pulsos eléctricos para ED, RED, CDI, y MFC. Esta descripción menciona un dispositivo de electrodiálisis, pero ningún aparato se ha descrito para la realización de un campo eléctrico pulsado (PEF, por sus siglas en inglés: "Pulsed Electric Field"). La solicitud WO 2010/143945 reivindica un dispositivo y un método para la limpieza de membranas usando pulsos eléctricos de polaridad inversa. Sin embargo, sólo se menciona una generación de funciones para la aplicación de anchos de pulso, sin detalles acerca de los circuitos electrónicos empleados. Esta solicitud no describe la aplicación de pulsos asimétricos basado en los parámetros del proceso, la utilización de un puente-H y de qué manera se modula la intensidad, frecuencia y ancho de los pulsos. La solicitud patente US 2016/228820 se refiere a un método para mejorar la realización de la electrodiálisis utilizando diferentes métodos, entre ellos se describe la polaridad reversa pulsada. Los autores mencionan que la aplicación de pulsos es sólo para la limpieza de los electrodos y que no es necesario cambiar la electrónica e hidráulica de los sistemas. No existe ninguna referencia acerca de la utilización de algún puente-H, interrupción del ensuciamiento y la incrustación en las superficies de las membranas utilizando pulsos asimétricos, y la variación de la frecuencia, intensidad y ancho de pulso con respecto a la resistencia eléctrica de la celda cuando está en operación.

Por otro lado, el documento CN 104.022.676 describe un método para producir ondas cuadradas de pulso asimétrico utilizando una configuración de medio puente con MOSFETs y una fuente de poder. La circuitería difiere completamente con la configuración de un puente-H (puente completo) alimentado por dos fuentes de poder. Más aún, el propósito del aparato es la generación de PWM (modulación de ancho de pulso, por sus siglas en inglés: "Pulse Width Modulation"), sin mención acerca de la aplicación en procesos de EM. La solicitud de patente US 2014/0254204 se relaciona con un convertidor DC/DC (corriente continua/corriente continua) basado en una configuración de medio puente para alcanzar una operación de voltaje cero, utilizando pulsos asimétricos. La circuitería y aplicación descrita en este documento difieren completamente de la presente invención.

Por lo tanto, es deseable un aparato que permita actualizar los procesos de EM, disminuyendo la ocurrencia de ensuciamiento e incrustaciones, aumentando el valor de LCD mediante la disrupción del fenómeno de polarización por concentración, e incrementando el ciclo de reversión de polaridad eléctrica e hidráulica en EDR. Para esto es necesario, un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, tal como los que tiene EDR, una segunda fuente de poder y el aparato descrito. Este dispositivo se puede integrar a fuentes de poder para la aplicación de pulsos asimétricos con polaridad inversa con frecuencia, ancho de pulso, e intensidades variables. El término asimétrico se refiere a la variación de la frecuencia, ancho (tiempo) e intensidad de los pulsos, en una forma dinámica, de acuerdo con los requerimientos de cada sistema.

Resumen de la invención : El ensuciamiento en tecnologías de electromembrana se puede evitar mediante la inversión periódica de la polaridad eléctrica con frecuencias e intensidades variables, siempre y cuando ellas posean electrodos de inversión adecuados (ambos pueden ser utilizados como ánodo o cátodo), una segunda fuente de poder y un interruptor bipolar diseñado para este tipo de aplicaciones. Los pulsos de polaridad reversa interrumpen la formación de nuevas incrustaciones minerales y el ensuciamiento con materia orgánica, evitando el daño irreversible de las membranas de intercambio iónico y membranas bipolares. Por otro lado, los pulsos periódicos de polaridad inversa interrumpen el fenómeno de polarización por concentración, mediante la generación de turbulencia, permitiendo un aumento de la intensidad del proceso debido a las mayores densidades de corriente limites (LCD) que se pueden alcanzar. Más aún, la interrupción de la polarización por concentración ayuda a estabilizar los valores de pH, disminuyendo en consecuencia la aparición de incrustaciones.

Para los procesos EM, este cambio en la polaridad se debe aplicar como pulsos asimétricos, con frecuencia variable, anchos de pulso cortos e intensidades superiores a los valores normales de operación. Es necesario entonces un interruptor bipolar adecuado que sea diseñado para procesos con EM, simple y de bajo costo, tanto en términos de inversión de capital, costos de instalación y de operación. A diferencia de EDR, con la utilización de pulsos asimétricos, no se requerirían cambios en los flujos hidráulicos y en consecuencia utilización de válvulas automáticas con complejas trayectorias de flujo.

Este interruptor bipolar se basa en una configuración de puente-H, una técnica usada en motores eléctricos para cambiar la dirección de rotación. Es la primera vez que se usa un puente-H en sistemas de electromembrana, y que el puente-H es alimentado por dos fuentes de poder distintas para el ajuste de la intensidad de los pulsos de polaridad inversa. Más aún, es la primera vez que la frecuencia, intensidades y anchos de pulso son ajustados automáticamente de acuerdo a las características del proceso. El método permite la inversión de la polaridad en una variedad de sistemas de electromembranas, disminuyendo la adición de productos químicos y el mantenimiento de estos sistemas, aumentando la estabilidad y la vida útil de las membranas, e intensificando el proceso (con altas densidades de corriente límite) a través de la disrupción del fenómeno de polarización por concentración.

El sistema descrito está compuesto por una o dos fuentes de poder (de alimentación o de energía), un interruptor bipolar y una celda EM. La celda de electromembranas es un término general que incluye una variedad de procesos previamente mencionados, en donde se utiliza sólo una fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas. Esta celda contiene dos electrodos y un conjunto de membranas, usualmente membranas de intercambio iónico y/o membranas bipolares. Los electrodos en las celdas de electromembranas deben ser adecuados para trabajar como cátodo y ánodo, disminuyendo el riesgo de deterioración durante la inversión de la polaridad. La segunda fuente de poder permite ajustar la intensidad de los pulsos, si se desea incluir esa función. La(s) fuente(s) de poder entrega(n) energía a la celda de electromembrana a través del interruptor bipolar. Una corriente continua, pasa a través del interruptor bipolar, controlando la dirección de esta corriente. La energía eléctrica es recibida por los electrodos donde reacciones redox se llevan a cabo. Se genera un potencial electroquímico en los electrodos, induciendo el movimiento de iones hacia distintos compartimentos de la celda, la disociación de moléculas de agua, etc. En algunos procesos, el potencial electroquímico generado por los gradientes salinos puede producir energía eléctrica, en este caso, una fracción de la energía producida puede ser usada para una auto-limpieza periódica de las membranas y como método de protocolos de limpieza in situ (CIP, por sus siglas en inglés).

Breve descripción de las figuras:

Figura 1 : es una representación esquemática de un proceso de electromembrana acoplado a un interruptor bipolar para invertir la polaridad periódicamente.

Figura 2: es la circuitería de un puente-H para la inversión de la polaridad en los procesos de electromembrana, con intensidad variable, utilizando una segunda fuente de poder. Figura 3A: es una caída de tensión aproximada y/o resistencia eléctrica a través de una pila de membranas en procesos de electromembrana convencionales, electrodiálisis reversible y sistemas de electromembrana con pulsos asimétrico de polaridad reversa.

Figura 3B: es la forma de onda aproximada aplicada como pulsos de polaridad reversa, frecuencia variable y opcionalmente utilización de pulsos de alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza convencionales. Figura 4A: es el modo de operación de EDR aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad entre cada ciclo de inversión, manteniendo las válvulas automáticas para cambios de flujo hidráulico. La frecuencia de aplicación de los pulsos es variable, y pulsos de alta frecuencia pueden ser usados de forma opcional cuando se efectúen lavados químicos de las membranas.

Figura 4B: es el modo de operación de procesos de electromembrana aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad, con frecuencia variable, y pulsos de alta frecuencia opcionales cuando se aplican protocolos de lavado.

Figura 5A: es el modo de operación de EDR actualizado, aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad con intensidades más altas que en una operación normal, frecuencia variable, y opcionalmente alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza en el lugar. El sistema es pulsado entre cada ciclo de inversión, manteniendo las válvulas automáticas para cambios de flujo hidráulico.

Figura 5B: es el modo de operación de procesos de electromembrana aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad, con intensidades más altas que en una operación normal, frecuencia variable, y opcionalmente alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza convencionales.

Descripción detallada de la invención:

La invención se refiere a un método para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, que comprende las etapas de: proporcionar una celda de electromembrana (4), que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, un electrodo que actúa como ánodo (5) y otro como cátodo (6), y un conjunto de membranas; proporcionar un interruptor bipolar que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido, con una configuración de puente-H para el direccionamiento de la corriente eléctrica, en donde en condiciones de operación normal, algunos elementos (8 y 1 1 ) se cierran, y otros elementos (9 y 10) se abren para darle la dirección correspondiente a la corriente; proporcionar un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso de EM; proporcionar una o dos fuentes de poder distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana, en donde una de las fuentes (1 ) promueve el proceso de electromembrana en condiciones normales y la otra fuente (2) promueve la aplicación de pulsos de polaridad reversa en la celda de electromembrana; hacer pasar una corriente continua a través del interruptor bipolar en distintas direcciones, hacia los electrodos, en donde se llevan a cabo reacciones redox; generar un potencial electroquímico en los electrodos para inducir el movimiento de los iones hacia distintos compartimentos de la celda; proporcionar un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad; medir en forma continua la caída de tensión y/o resistencia eléctrica en la celda de electromembrana;

- definir un valor umbral para la caída de tensión y/o para la resistencia eléctrica de la celda de electromembrana;

- realizar la limpieza de las membranas una vez alcanzado dicho valor umbral, mediante aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa, con frecuencia variable, anchos de pulsos cortos y preferencialmente con intensidades superiores a los de la operación en condiciones normales o aplicación de pulsaciones pausadas.

Además la invención se refiere a un sistema para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, que comprende:

- una celda de electromembrana (4), que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, donde uno actúa como ánodo (5) y el otro actúa como cátodo (6) y un conjunto de membranas;

- un interruptor bipolar (3) que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ), con una configuración de puente-H para el direccionamiento de la corriente eléctrica, en donde 2 de dichos elementos se encuentra cerrados (8 y 1 1 ) y los otros 2 se encuentran abiertos (9 y 10);

- un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso; - una o dos fuentes de poder (1 , 2) distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana (4);

- un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad, acorde a variables del proceso, en donde el microcontrolador se encuentra integrado en la circuitería del interruptor bipolar (3);

- en donde el interruptor bipolar (3) puede encontrarse ubicado dentro de las fuentes de poder (1 , 2) o entre las fuentes de poder (1 , 2) y la celda de electromembrana (4).

El microcontrolador podrá integrar información del proceso y ajustar la intensidad, frecuencia y ancho de pulso, acorde al requerimiento del proceso. Un generador de pulsos podrá controlar la reversión de polaridad con una frecuencia, intensidad y ancho de pulso fijos, sin posibilidad de ajuste automático acorde a los requerimientos del proceso.

La Figura 1 muestra una vista general de un proceso de electromembrana actualizado mediante la utilización de un interruptor bipolar 3 para invertir periódicamente la polaridad en la celda 4. La intensidad de los pulsos puede ser ajustada con una segunda fuente de poder 2, mientras la operación normal es energizada por 1.

La Figura 2 es un diagrama esquemático de la forma de realización principal de esta invención. Un microcontrolador o un generador de pulsos (no mostrado en la figura) controla la apertura y cierre de los elementos del puente-H a través de los circuitos 12, 13, 14 y 15, en base a una condición óptima previamente establecida para un proceso determinado, o automatizada mediante mediciones continuas de la caída de tensión o de la resistencia eléctrica en la celda de electromembrana 4. El proceso es usualmente llevado a cabo con la fuente de poder 1 , mientras que la fuente de poder 2 es utilizada para la aplicación de pulsos de alta intensidad. Ambas fuentes de poder comparten la misma tierra, 7.

La operación normal se describe de la siguiente manera: Una fuente de poder 1 , promueve continuamente el proceso de electromembrana en la celda 4, con una tensión/densidad de corriente definida. El electrodo 5 trabaja como ánodo y el electrodo 6 como cátodo. Los elementos de estado sólido son al menos cuatro, 8, 9, 10 y 11 . En este momento, los elementos 8 y 11 están cerrados, y 10 y 9 están abiertos. Todos los elementos de estado sólido mencionados deberían tener diodos de rueda libre para protegerlos de fuerzas contra-electromotrices, generada por los gradientes salinos entre los compartimentos de la celda.

Para pulsos de polaridad inversa de intensidad mayor que en una operación normal: Una fuente de poder, 1 , promueve el proceso de electromembrana en la celda 4, cuando se aplica inversión de polaridad usando la segunda fuente de poder, 2, promoviendo el proceso por un tiempo corto con una intensidad mayor que la usada con la fuente de poder 1. Aquí, el electrodo 5 funciona como cátodo y el electrodo 6 como ánodo. En este momento los elementos de estado sólido 8 y 11 están abiertos, y 9 y 10 están cerrados. Esta inversión de polaridad puede ser programada en el microcontrolador o en el generador de pulsos. La inversión de polaridad puede ser considerada como un pulso con una frecuencia de aplicación de 10 "2 a 10 3 Hz y un ancho de pulso variando entre 10 "5 a 10° segundos. La frecuencia, ancho de pulso y amplitud o intensidad, son parámetros que deben ser definidos dependiendo de la ocurrencia de las incrustaciones y la naturaleza química de los precipitados. Si la fuente de poder 1 se utiliza tanto en la operación normal como en la inversión de la polaridad, el ancho de pulso y/o la frecuencia deben ser variables para mantener un desempeño óptimo del proceso de electromembrana en términos de mitigación de ensuciamiento o incrustaciones, a lo largo de todo el tiempo de operación. Si el propósito de los pulsos es solo la intensificación del proceso a través de la interrupción de la polarización por concentración, la frecuencia de los pulsos aplicados se puede mantener fija.

Para pulsaciones pausadas: Una fuente de poder, 1 , promueve el proceso de electromembrana en la celda 4 cuando se aplica una pausa (estado apagado). En este momento todos los elementos de estado sólido 8 a 11 están abiertos para el tiempo de pausa correspondiente. Las pausas pueden ser consideradas como un pulso aplicado cada 10° a 10 3 segundos, en función de la caída de voltaje de la celda y el ancho de pulso. El tiempo de pausa dependería de la naturaleza de los precipitados o incrustaciones en el proceso de electromembrana seleccionado. Un valor de ancho de pulso típico se encuentra entre 10 "2 a 10 3 segundos. El aparato descrito es capaz de realizar pausas de pulsos, pero es preferible aplicar pulsos de polaridad inversa en términos de intensidad, para perder lo menos posible tiempo de trabajo y disminuir el tamaño de los sistemas y consecuentemente el costo capital.

La Figura 3A es una caída de tensión aproximada o resistencia eléctrica a través de una celda EM en 17, EDR en 18, y para EM con inversión de polaridad asimétrica en 19. La tasa de ensuciamiento e incrustación depende de la composición de las corrientes liquidas procesadas, condiciones físico-químicas tales como pH y temperatura, y la disponibilidad de tratamientos previos.

La frecuencia de los pulsos aplicados depende del ensuciamiento en las superficies de las membranas. Valores típicos varían entre 10 "2 a 10 3 Hz. Por ejemplo: si se ensucian las membranas, la resistencia eléctrica de la pila de membranas se incrementará con la consiguiente mayor caída de tensión a través de la celda. Si esta caída de tensión o resistencia eléctrica alcanza un valor umbral definido, 21 , el dispositivo lo detectará e invertirá la polaridad por un período corto (ancho de pulso) que varía de 10 "5 a 10° segundos, con el fin de perturbar la precipitación sobre la superficie de las membranas. Cuando este proceso de electromembrana es continuo, las membranas serán más propensas a ensuciarse con el tiempo de la operación, por lo tanto, la frecuencia de pulsos aplicados aumentaría gradualmente hasta alcanzar un valor definido, 20. Cuando se alcanza la frecuencia umbral, la operación se detiene y se aplica opcionalmente una pulsación de alta frecuencia (limpieza) de alrededor de 10 1 a 10 7 Hz por 10 "1 a 10 4 segundos, preferentemente junto con protocolos de CIP tradicionales para restaurar las membranas sucias o incrustadas. En este punto, la polaridad puede ser invertida de forma permanente, para trabajar en esta polaridad como una operación normal. Esta inversión permanente se puede realizar sólo si el sistema de trabajo es EDR con el correspondiente cambio de los flujos hidráulicos.

La Figura 3B es la forma de onda aproximada de un proceso de electromembrana, con una amplitud de trabajo A1 en la operación normal. La frecuencia de trabajo, F1 , varía entre 10 "2 a 10 3 Hz, hasta alcanzar un valor umbral predefinido de frecuencia, con un valor mayor que al comienzo del proceso, correspondiente a una indicación para una limpieza profunda en 20. En este momento, la frecuencia cambia opcionalmente a valores más altos en F2, con valores que van de entre 10 1 a 10 7 Hz, con una amplitud variable, A2, con anchos de pulso cortos con valores que van de 10 "8 a 10 "2 segundos, y por el tiempo de tratamiento T2, determinado para la recuperación completa de la función de las membranas, basada en la operación óptima y la utilización de químicos para CIP. Luego de restaurar las membranas, la frecuencia de trabajo, F1 , volverá a condiciones iniciales, esto hasta alcanzar nuevamente la frecuencia umbral predefinida. La amplitud de los pulsos A3 está preferentemente por encima de la tensión/densidad de corriente usada en la operación normal, aunque es necesario evitar valores de alta tensión (superior a 3V por membrana) debido a la evolución de ozono, que pueden dañar las membranas. El ancho de pulso, T3, varía en función de la amplitud A3. Así, con intensidades bajas se requeriría más tiempo para romper la polarización por concentración o perturbar la formación de precipitados. Cuando se utiliza una sola fuente de poder, A3 es igual a A1. Cuando se aplican pulsos pausados, A3 es igual a 0. Como se mencionó, la amplitud de los pulsos A3 definirá el ancho de pulso T3. Entonces, si A3 se reduce en amplitud, el valor de T3 debe aumentar para asegurar la disrupción de los nuevos precipitados, y tiempo de trabajo en T1 se perderá. Ejemplos:

Los ejemplos siguientes utilizan el interruptor bipolar acoplado a sistemas de electromembranas para cambiar la polaridad del sistema mediante la programación preferentemente de un microcontrolador, o de un generador de pulsos en su defecto. El interruptor bipolar puede idealmente estar integrado dentro de la fuente de poder o ubicado físicamente como un componente extra entre la fuente de poder y la celda de electromembrana. La segunda opción es preferida para la actualización de procesos ya instalados.

En todos los tratamientos la frecuencia de trabajo puede ser dinámica, variando entre 10 "2 a 10 3 Hz, dependiendo de la ocurrencia del ensuciamiento e incrustaciones. Si el propósito de la aplicación de pulsos es la intensificación del proceso, entonces la frecuencia se puede mantener fija, usando el mismo rango de frecuencia previamente mencionado. Los valores umbrales de la caída de tensión / resistencia de corriente, que indican el momento para invertir la polaridad como un pulso, son determinados basados en dichos valores de la operación normal, con valores que se encuentran entre 1 ,1 a 10 veces los valores de operación normal. El valor umbral de la frecuencia es elegido cuando el ciclo de trabajo se encuentra entre 80,0 a 99,9%, que indica el momento para limpiar exhaustivamente las membranas con procedimientos CIP. Este valor puede ser optimizado para cada sistema. Por ejemplo, un ciclo de trabajo de 80,0% significa que el 20,0% del tiempo está en una condición de polaridad reversa. Este ciclo de trabajo se calcula basado en el ancho del pulso reverso y la frecuencia de pulsación. La composición química de las corrientes tratadas, los parámetros fisicoquímicos, las características de las membranas, el tiempo de operación, entre otras variables definirán todos estos valores mencionados y deberán ser optimizadas para cada proceso específico. Un interruptor bipolar con un microcontrolador dedicado, puede adquirir la información relacionada como la caída de tensión, densidad de corriente y resistencia eléctrica para evaluar el tiempo óptimo para pulsar y limpiar el sistema, todo de forma automatizada. Ejemplo 1 :

La Figura 4A es la actualización de EDR utilizando pulsos de polaridad inversa. Una frecuencia umbral definida, F4, es la indicación para la inversión permanente de polaridad con cambio de flujos hidráulicos en 23. Al mismo tiempo de cambio de flujos hidráulicos, se puede aplicar opcionalmente una alta frecuencia de pulsación con valores de entre 10 1 a 10 7 Hz por 10 1 a 10 4 segundos. La amplitud, A4, o intensidad del tratamiento en el período de trabajo es igual a la amplitud de pulsos A5, porque sólo una fuente de poder, 1 , está entregando energía a la celda EDR, 22. Aquí, el ancho de pulso, T4, puede ser variable, y su valor dependerá de las características del proceso.

Esta actualización permitirá un aumento en el tiempo de trabajo entre los ciclos de inversión de polaridad eléctrica e hidráulica, con una consecuente disminución de la pérdida de productividad, debido a que la mezcla de productos cuando cambia el sistema hidráulico entre ciclos se hace menos frecuente. El único requisito para este modo de funcionamiento es el interruptor bipolar 3.

Ejemplo 2:

La Figura 4B muestra la actualización de los procesos de electromembrana utilizando pulsos de polaridad inversa. Una frecuencia umbral definida, F4, es la indicación para CIP en 20. La amplitud, A4, o intensidad de la operación, es igual a la amplitud de los pulsos aplicados, A5, porque sólo una fuente de poder, 1 , está energizando el sistema. El requisito para esta actualización es el interruptor bipolar, 3, y un par de electrodos adecuados, 5 y 6, para inversión de polaridad de la celda 4.

Ejemplo 3:

La Figura 5A es la actualización de EDR usando pulsos de polaridad inversa con intensidades superiores a la operación normal. Una frecuencia definida, F4, es la indicación para la inversión permanente de polaridad con el cambio de los flujos hidráulicos en 23. Al mismo tiempo de cambiar los flujos hidráulicos, una alta frecuencia de pulsaciones puede ser aplicada de forma opcional, con valores rondando los 10 1 a 10 7 Hz por 10 1 a 10 4 segundos. La amplitud, A6, o intensidad del tratamiento en el período de trabajo es diferente que la amplitud de los pulsos, A7, porque dos fuentes de poder, 1 y 2, están alimentando al sistema. La amplitud de los pulsos, A7, puede ser de alta intensidad para perturbar el precipitado en tiempos cortos. También la amplitud de estos pulsos, A7, puede ser 0 para trabajar como pausas, aunque este modo no es recomendado si el propósito es la intensificación del proceso y la auto- limpieza del sistema. En consecuencia, el ancho de pulso o tiempo de pulsación, T5, serán cortos cuando se aumente la intensidad y más extensos si se disminuye la intensidad, para alcanzar resultados similares en términos de perturbación en la formación de precipitados o disrupción del fenómeno de polarización por concentración. Esta actualización permite una extensión en el tiempo de trabajo entre los ciclos de inversión de polaridad eléctrica e hidráulica de EDR, la disminución de la pérdida de productividad debido a la mezcla de los flujos de líquidos y el tiempo de cambio del sistema hidráulico. El requisito para este modo de funcionamiento es el interruptor bipolar 3, y la segunda fuente de poder, 2.

Ejemplo 4:

La Figura 5B muestra la actualización de los procesos de electromembrana usando pulsos de polaridad inversa con intensidades superiores a la operación normal. Usando dos fuentes de poder, 1 y 2, es posible aplicar diferentes intensidades que en la operación normal a la celda EM 4. La segunda fuente de poder, 2, garantiza un buen desempeño y estabilidad cuando se cambia la polaridad. La amplitud de los pulsos, A7, puede ser de alta intensidad para perturbar fácilmente los precipitados sobre las superficies de las membranas. También se pueden aplicar pausas si la amplitud de A7 es 0, aunque este modo de operación es menos intensivo para auto-limpieza o para aumentar las densidades de corriente límite. Consecuentemente, el ancho de pulso de los pulsos, T5, será más angosto con altas intensidades y más ancho si la intensidad es disminuida, para alcanzar el mismo efecto en una limpieza periódica. Los requisitos para esta operación son una segunda fuente de poder 2, el interruptor bipolar 3, y un par de electrodos adecuados para invertir la polaridad, 5 y 6.

Ventajas de la invención:

Al aplicar el método y sistema de la invención se pueden lograr las siguientes ventajas comparativas con lo que actualmente se desarrolla en el estado del arte:

> al existir una auto-limpieza permanente de los sistemas, se disminuye la cantidad de químicos y la frecuencia de lavados necesarios para restaurar la función de las membranas. > debido a la disrupcion de la polarización por concentración, la intensidad de corriente límite se incrementa en comparación con un sistema convencional, con lo cual los procesos de electromembrana se intensifican.

> al intensificarse los procesos, el tamaño de los sistemas disminuye, el tiempo de trabajo disminuye, los procesos se aceleran.

> debido a la disrupcion de la polarización por concentración, se tiene mayor control sobre el pH, evitando la disociación del agua y consecuentemente la formación de incrustaciones minerales y precipitación de coloides.

> la reducción de incrustaciones minerales, reduce la utilización de compuestos químicos anti-incrustantes.

> hay un aumento en la producción al incrementar los tiempos entre cambio de ciclos en electrodiálisis reversible.

> se pueden procesar nuevos tipos de muestras, con un alto contenido de orgánicos o especies incrustantes.