MX2008000564A - Sistema, aparato y metodo de ablandamiento de agua, de vida extendida. - Google Patents

Abstract

Se describe un aparato y metodo para ablandar agua; en particular, se describe un aparato y metodo para ablandar agua sin la adicion de iones a la corriente de agua de descarga; el aparato incluye generalmente por lo menos un elemento de filtro de nanofiltracion configurado y dispuesto para recibir un flujo de entrada de agua dura, descargar un flujo de salida de agua de producto permeado que comprende una porcion del flujo de entrada, y descargar un flujo de salida de agua sin producto permeado que comprende una porcion del flujo de entrada; el elemento de filtro de nanofiltracion tiene tipicamente un tamano de poro promedio que permite el paso de agua y iones monovalentes, pero previene sustancialmente el paso de iones divalentes.

Description

SISTEMA. APARATO Y MÉTODO DE ABLANDAMIENTO DE AGUA. DE VIDA EXTENDIDA REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud provisional de E.U.A. número de serie 60/698,652, presentada en julio 12 de 2005, la cual se incorpora en su totalidad en la presente como referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida a métodos y sistemas para tratar agua. En particular, la invención está dirigida a métodos y sistemas para ablandar agua potable, y a métodos y sistemas para extender la operación de sistemas de ablandamiento de agua, en particular a métodos y sistemas que remueven iones del agua potable con menor pérdida de agua que los sistemas de ablandamiento convencionales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El agua que contiene altos niveles de iones calcio y magnesio se denomina "agua dura", debido a que estos dos iones pueden combinarse con otros iones y compuestos para formar una escala dura no atractiva. Millones de hogares tienen suministros de agua dura, en particular hogares que usan agua subterránea como su fuente de agua, ya sea a través de un pozo residencial o como parte de un suministro de agua municipal. El agua dura puede resultar en la formación de una película no atractiva alrededor de vertederos y vajillas, y pueden formarse depósitos de agua dura sobre la ropa, resultando en decoloración y suavidad reducida de la tela. Asimismo, algunos jabones y detergentes no funcionan tan bien con el agua dura como con el agua blanda. En dichas situaciones, películas de jabón molestas o de aspecto desagradable pueden quedar detrás sobre la persona o el objeto que está siendo lavado. Aproximadamente 7 a 12 por ciento de todos los hogares privados tienen reblandecedores de agua. El régimen de uso de reblandecedores de agua es mayor en áreas rurales que en las ciudades, con un 3 por ciento estimado de ciudadanos urbanos que usan un reblandecedor de agua. Un millón de reblandecedores de agua de intercambio iónico estimado se vende cada año sólo en los Estados Unidos, y cientos de millones de dólares se gastan en sal. La mayoría de estos reblandecedores se instalan en hogares y pequeños negocios que adquieren su suministro de agua de agua subterránea. Aunque los reblandecedores de intercambio iónico son adecuados para muchas aplicaciones, tienen limitaciones significativas. En particular, el ablandamiento de agua por intercambio iónico resulta en un incremento neto en la salinidad del agua descargada, debido a la descarga de salmuera. Este incremento neto en la salinidad de descarga puede ser problemático en áreas en donde operan regulaciones contra la descarga de salmuera. Estas regulaciones existen con frecuencia en localidades que reutilizan agua descargada para propósitos agrícolas, y las cuales desean evitar añadir exceso de sal a la tierra en la cual el agua descargada es aplicada. Además, los reblandecedores de intercambio iónico requieren reemplazo regular de las sales de sodio para la recarga de la resina, y costos de mantenimiento asociados con la compra de la sal. En vista de los problemas significativos asociados con el agua dura, así como las limitaciones de los reblandecedores de agua de intercambio iónico, se han hecho desarrollos recientes en la creación de reblandecedores de agua que usan elementos de nanofiltración que ablandan el agua residencial a presiones relativamente bajas y con alta eficiencia. La solicitud de patente de los Estados Unidos número de serie 09/909488, titulada Nanofiltration Water-Softening Apparatus and Method a Muralidhara eí al., es particularmente útil a este respecto. Sin embargo, a pesar de los avances recientes significativos en la tecnología del ablandamiento, existe la necesidad de métodos y sistemas mejorados para ablandar agua usando elementos de filtro de nanofiltración, y en particular existe la necesidad de elementos de membrana de vida incluso más larga que requieran de reemplazo de membrana menos frecuente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Algunas modalidades de la presente invención están dirigidas a métodos y sistemas para ablandar agua, en particular a métodos y sistemas para ablandar agua sin la adición de iones a la corriente de agua de descarga. Los sistemas usan elementos de filtro de nanofiltración que remueven selectivamente iones de dureza, en particular grandes iones (tales como los iones divalentes de calcio y magnesio), para ablandar el agua sin la adición de sal a la corriente de agua de descarga. Además, otras modalidades de la presente invención proveen métodos y sistemas para extender la vida de operación de los elementos de filtro de nanofiltración usados dentro de los sistemas de ablandamiento, y también métodos y sistemas para mejorar el desempeño de los sistemas de ablandamiento. Estos métodos y sistemas son particularmente útiles para sistemas de nanofiltración de elementos múltiples que tienen uno, dos, y más típicamente, tres o más, elementos de nanofiltración ensamblados en serie. En estos sistemas de ablandamiento por nanofiltración, agua potable entra a un primer elemento de nanofiltración, y es dividida en un flujo de agua de producto permeado ablandado y un flujo de agua de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. El flujo de agua de producto permeado ablandado es desviado para su uso, mientras que el flujo de agua de producto concentrado de la primera membrana es suministrado hacia un segundo elemento de nanofiltración. En el segundo elemento de nanofiltración, el agua del producto concentrado del primer elemento de nanofiltración es dividida de nuevo en un flujo de producto permeado ablandado y un flujo de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. En un sistema de tres elementos, el flujo de producto concentrado del segundo elemento de nanofiltración es suministrado hacia un tercer elemento de nanofiltración, en donde es separado de nuevo en un flujo de agua de producto permeado ablandado y un flujo de agua de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. El uso de elementos de nanofiltración múltiples puede ser ventajoso porque permite el uso más eficiente del agua, haciendo de esta manera que menos agua sea descargada en la corriente de agua de descarga. Sin embargo, cada elemento de nanofiltración subsiguiente recibe concentraciones cada vez más altas de calcio y magnesio. Esto puede resultar en varios problemas, más notablemente atascamiento de las membranas con precipitados de calcio y magnesio. De esta manera, por ejemplo, en un sistema de tres elementos, el tercer elemento puede experimentar precipitación significativa de calcio sobre la superficie de la membrana en el elemento de nanofiltración, reduciendo significativamente de esta manera el flujo de la membrana. En algunas circunstancias, esta precipitación puede resultar en atascamiento de las membranas a un grado que los elementos de nanofiltración deben reemplazarse prematuramente. Como se indicó anteriormente, algunas modalidades de la presente invención proveen métodos y sistemas para extender la vida de operación de los elementos de filtro de nanofiltración usados dentro de los sistemas de ablandamiento, y también métodos y sistemas para mejorar el desempeño de los sistemas de ablandamiento. Estos métodos y sistemas son particularmente útiles para sistemas de nanofiltración de elementos múltiples que tienen uno, dos, y más típicamente, tres o más, elementos de nanofiltración ensamblados en serie. Entre estas mejoras, están métodos para invertir periódicamente el flujo de agua a través del sistema de ablandamiento por nanofiltración, reduciendo de esta manera la formación de incrustaciones y el atascamiento de las membranas. Además, dichas modalidades proveen un modo de operación de limpieza por descarga de agua en el cual cada una de las membranas de nanofiltración es limpiada por descarga de agua con agua potable que remueve el exceso de calcio y magnesio de los elementos de nanofiltración. En ciertas modalidades, esta limpieza por descarga de agua incluye el uso de un ácido suave que disuelve precipitados de calcio y magnesio dentro de los elementos de nanofiltración. Estos precipitados son removidos entonces del sistema, y desechados en la corriente de agua de descarga. Algunas modalidades de la presente invención proveen varias mejoras sobre los sistemas de ablandamiento previos, incluyendo el tener agua blanda consistente que puede tener niveles reducidos de bacterias y pirógenos respecto al ablandamiento por intercambio iónico. Además, no requiere añadir sal al suministro de agua, siendo de esta manera más favorable desde el punto de vista ambiental.

Los elementos de filtro de nanofiltración tienen típicamente un tamaño de poro promedio que permite el paso de agua y la mayoría de los iones monovalentes, pero previene sustancialmente el paso de la mayoría de los iones divalentes. De esta manera, el aparato de ablandamiento no añade iones a la corriente de agua, sino más bien remueve por lo menos algunos de los iones del flujo de entrada, y los descarga en el flujo de salida sin producto permeado desechado. Varios elementos de filtro de nanofiltración diferentes son adecuados para su uso con la invención, incluyendo elementos de filtro que contienen una membrana cargada positivamente. No se pretende que la breve descripción anterior de algunas modalidades de la presente invención describa cada modalidad descrita o cualquier implementación de la presente invención. Las figuras y la descripción detallada que siguen, ejemplifican más particularmente estas modalidades.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Modalidades de la presente invención se exponen en la siguiente descripción, y se muestran en los dibujos. Números similares se refieren a partes similares en todos los dibujos. La figura 1 muestra un diseño esquemático simplificado de un sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración hecho de conformidad con una implementacíón de la invención, el sistema de nanofiltración conteniendo tres elementos de nanofiltración. La figura 2 muestra un diseño esquemático simplificado de un sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración hecho de conformidad con una implementacíón de la invención, el sistema de nanofiltración conteniendo tres elementos de nanofiltración, el sistema siendo operado con corriente progresiva estándar de agua de alimentación. La figura 3 muestra un diseño esquemático simplificado de la operación del sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración mostrado en la figura 2, el sistema siendo operado con flujo inverso de agua de alimentación. La figura 4 muestra un diseño esquemático simplificado de un sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración hecho de conformidad con una implementación de la invención, el sistema siendo operado en modo de limpieza por descarga de agua con una derivación de flujo de agua. La figura 5 muestra un diseño esquemático simplificado de un reblandecedor de agua de nanofiltración hecho de conformidad con una implementación de la invención, el sistema configurado para, y operado con, un modo de limpieza por descarga de ácido que remueve precipitados de los elementos de nanofiltración. La figura 6 es una gráfica que indica el efecto del lavado con ácido sobre el flujo del sistema de ablandamiento de agua. La figura 7 es una gráfica que indica el efecto de la limpieza por descarga de agua de los elementos de nanofiltración, sobre el flujo de agua a través del sistema de ablandamiento. La figura 8 es una gráfica que indica el efecto de la limpieza por descarga de agua y la inversión del flujo sobre el flujo de agua a través del sistema de ablandamiento. La figura 9 muestra el efecto del lavado con ácido sobre el flujo de agua a través del sistema de ablandamiento. La figura 10 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y rechazo del producto permeado. La figura 11 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y la dureza del producto permeado. La figura 12 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo del producto permeado para la alimentación de una caldera. La figura 13 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y la dureza del producto permeado. La figura 14 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y rechazo del producto permeado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS -Se pretende que la siguiente descripción de la invención ilustre varias modalidades de la invención. Como tal, no se considerará que las modificaciones específicas discutidas son limitaciones del alcance de la invención. Será evidente para los expertos en la técnica que varios equivalentes, cambios y modificaciones pueden hacerse sin que se aparten del alcance de la invención, y se entiende que dichas modalidades equivalentes sean incluidas en la misma. En una modalidad de la presente invención, se provee un aparato y método para ablandar agua, en particular un aparato y método para ablandar agua sin la adición de iones a la corriente de agua de descarga. La presente modalidad provee métodos y sistemas para extender la vida de operación de los elementos de filtro de nanofiltración usados dentro de los sistemas de ablandamiento, y también métodos y sistemas para mejorar el desempeño de los sistemas de ablandamiento. Entre estas mejoras, están métodos para invertir periódicamente el flujo de agua a través del sistema de ablandamiento por nanofiltración, evitando de esta manera la formación de incrustaciones y el atascamiento de las membranas. Además, la presente modalidad provee un modo de operación de limpieza por descarga de agua en el cual cada una de las membranas de nanofiltración es limpiada por descarga de agua con agua potable que remueve el exceso de calcio y magnesio de los elementos de nanofiltración. En ciertas modalidades, esta limpieza por descarga de agua incluye el uso de un ácido suave que disuelve cualquier precipitado de calcio y magnesio, los cuales son removidos entonces del sistema y desechados en la corriente de agua de descarga. La presente modalidad provee métodos y sistemas para extender la vida de operación de los elementos de filtro de nanofiltración usados dentro de los sistemas de ablandamiento, y también métodos y sistemas para mejorar el desempeño de los sistemas de ablandamiento. Estos métodos y sistemas son particularmente útiles para sistemas de nanofiltración de elementos múltiples que tienen por lo menos uno, con frecuencia dos, y más típicamente tres o más, elementos de nanofiltración ensamblados en serie. En estos sistemas de ablandamiento por nanofiltración, agua potable entra a un primer elemento de nanofiltración, y es dividida en un flujo de agua de producto permeado ablandado y un flujo de agua de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. El flujo de agua de producto permeado ablandado es desviado para su uso, mientras que el flujo de agua de producto concentrado del primer elemento de nanofiltración es suministrado hacia un segundo elemento de nanofiltración. En el segundo elemento de nanofiltracíón, el agua del producto concentrado del primer elemento de nanofiltración es dividida de nuevo en un flujo de producto permeado ablandado y un flujo de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. En un sistema de tres elementos, el flujo de producto concentrado del segundo elemento de nanofiltración es suministrado hacia un tercer elemento de nanofiltración, en donde es separado de nuevo en un flujo de agua de producto permeado ablandado y un flujo de agua de producto concentrado que contiene iones calcio y magnesio retenidos. El contar con elementos de nanofiltración múltiples es ventajoso porque permite una mayor eficiencia del uso del agua, haciendo típicamente de esta manera que menos agua sea descargada en la corriente de agua de descarga. Cada elemento de nanofiltración subsiguiente recibe concentraciones cada vez más altas de calcio y magnesio. Esto puede resultar en varios problemas, más notablemente atascamiento de las membranas con precipitados de calcio y magnesio. De esta manera, por ejemplo, en un sistema de tres elementos, el tercer elemento puede experimentar precipitación significativa de calcio sobre la superficie de la membrana en el elemento de nanofiltración, reduciendo dramáticamente de esta manera el flujo. En algunas circunstancias, esta precipitación puede resultar en atascamiento de la membrana a un grado que debe reemplazarse prematuramente. Un diagrama esquemático generalizado de una primera implementación de la invención, se muestra en la figura 1. El sistema 10, mostrado en la figura 1 , incluye tres elementos de nanofiltración 12, 14 y 16 conectados en serie. Como se indicó anteriormente, los sistemas hechos de conformidad con la presente invención pueden incluir más o menos de tres elementos de nanofiltración. De esta manera, por ejemplo, en algunas implementaciones el sistema 10 incluye sólo dos elementos de nanofiltración, mientras que en otras implementaciones el sistema 10 incluye cuatro, cinco o más elementos. Asimismo, ciertos aspectos de la invención, tales como la limpieza por descarga de agua del elemento de nanofiltración con una solución de bajo pH, son adecuados para su uso con incluso sólo un elemento de nanofiltración.

El sistema 10 de la figura 1 incluye un suministro 70 de agua fuente, tal como agua de un pozo residencial o de una fuente municipal. La figura 1 y las figuras subsiguientes se han simplificado para indicar claramente los elementos primarios y las disposiciones de esos elementos. Por ejemplo, el sistema 10 incluye generalmente numerosas válvulas que permiten cambios en las direcciones de flujo. Típicamente, estas válvulas no se ¡lustran en las figuras, sino se infieren de la descripción del flujo de agua. El agua del suministro 70 va primero típicamente a través de uno o más prefiltros o pasos de tratamiento, tal como a través de un filtro 60 de materia en partículas y un filtro 62 de carbón activado. Estos filtros 60, 62, aunque generalmente opcionales, pueden mejorar significativamente la vida de operación de los elementos de nanofiltración 12, 14, 16. Después de que pasa a través de los prefiltros 60, 62, el agua viaja a lo largo del conducto 20 (típicamente un tubo o tubería de plástico o metal) para entrar al primer elemento de nanofiltración 12. El agua que entra al elemento de nanofiltración 12 es separada en dos flujos: un flujo de producto permeado de agua ablandada y un flujo de producto concentrado de agua no ablandada, este flujo de producto concentrado teniendo una mayor dureza que el agua que entró al elemento de nanofiltración 12. El flujo de producto permeado sale del elemento de nanofiltración 12, y es desviado por el conducto 30 hacia un tanque de retención 40, o puede ser suministrado directamente para uso final, tal como siendo sondeado directamente en un suministro de agua residencial. El flujo de producto concentrado sale del elemento de nanofíltración 12, y es desviado por el conducto 22 hacia el segundo elemento de nanofiltración 14. Agua que entra al segundo elemento de nanofiltración 14 es de nuevo separada en un flujo de producto permeado y un flujo de producto concentrado. El flujo de producto permeado es desviado por el conducto 32 hacia el tanque de retención 40, o puede ser suministrado directamente para uso final. Típicamente, los flujos de producto permeado del conducto 30 y 32 son manejados en forma similar, siendo suministrados hacia un tanque de retención común, o suministrados directamente en un suministro de agua. El flujo de producto concentrado del elemento de nanofiltración 14 sale del elemento 1 por medio del conducto 24, que suministra el flujo hacia el elemento de nanofiltración 16. El elemento de nanofiltración toma este flujo de producto concentrado del elemento 14, el cual está más concentrado que el flujo de producto concentrado del elemento 12, y lo suministra hacia el elemento de nanofiltración 16. El elemento de nanofiltración 16 separa de nuevo el flujo entrante en dos flujos salientes distintos. El primero es un flujo de agua de producto permeado ablandada que sale del elemento 16 por medio del conducto 34, en donde es dirigido en el tanque de retención 40, o de otra manera usado como agua ablandada. El flujo de producto concentrado del elemento de nanofiltración 16 es desechado a través del conducto 26 hacia el destino de descarga 50, que es típicamente una línea de alcantarilla sanitaria u otro destino de agua de descarga. La figura 2 muestra un sistema de nanofiltración similar como el que se muestra en la figura 1 , salvo que el sistema de nanofiltración 10 incluye la capacidad para invertir el flujo a través de los elementos de nanofiltración 12, 14, 16 para prevenir o reducir el desarrollo de sales que se precipitan sobre los elementos de nanofiltración, especialmente sales de calcio y magnesio. Las flechas describen la dirección del flujo de agua dentro del sistema 10 de la figura 2. El sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración 10 incluye un conducto adicional 25 que permite que el flujo de agua de la fuente 70 hacía el conducto 26, después de lo cual entra al elemento de nanofiltración 16, entonces al elemento de nanofiltración 14, y finalmente al elemento de nanofiltración 12, salga del elemento de nanofiltración 12, y sea desviado por el conducto 27 de regreso hacia un conducto de descarga 31 , dejando el destino de descarga 50. Los conductos 34, 32 y 30 continúan removiendo agua de producto permeado ablandada de los elementos de nanofiltracíón, mientras que los conductos 24 y 22 conectan a los elementos de nanofiltracíón. La ventaja de operación del sistema como se muestra en la figura 2 es que permite la circulación de los flujos de agua, de modo que el flujo es invertido periódicamente en su orden a través de las membranas. Por un primer período, el agua fluye en una primera dirección, mientras que en el segundo período el agua fluye en la dirección opuesta. Esto evita el desarrollo de concentraciones excesivas de iones calcio y magnesio sobre la membrana de nanofíltración final, que resulta en la precipitación de iones sobre la membrana. Dependiendo de las características del agua de alimentación, algunos precipitados pueden ser removidos incluso de la membrana de nanofíltración tras la inversión del flujo. La figura 3 muestra el mismo sistema de ablandamiento de agua por nanofiltración como el que se describe en la figura 2, pero el orden de flujo a través de los elementos de nanofiltración 12, 14, 16 ha sido invertido, como se muestra por medio de las flechas de flujo. Varios elementos de filtro de nanofiltración pueden usarse con la presente invención. Los elementos de filtro deben ser adecuados para su uso en el ablandamiento de agua dura a presiones relativamente bajas, mientras que provean regímenes de flujo y regímenes de recuperación convenientemente altos. De esta manera, no todos los elementos de nanofiltración proveen regímenes de rechazo adecuados de iones de dureza, flujo de agua y regímenes de recuperación de agua. Elementos de nanofiltración adecuados se describen en mayor detalle más adelante. Las dimensiones del elemento de nanofiltración se seleccionan generalmente con base en la aplicación para la cual se usarán. De esta manera, puede seleccionarse la longitud, el ancho y el área de superficie del elemento de nanofiltración para mejorar la conveniencia del aparato de ablandamiento para usos específicos. Los elementos de nanofiltración vienen en varias configuraciones, que incluyen membranas devanadas espirales, fibras huecas y tubulares. En general, el elemento de nanofiltración es una membrana devanada espiral. El elemento de nanofiltración tiene en general un área de superficie mayor de 2.0 metros cuadrados, pero menor de 40 metros cuadrados, y más típicamente de 7 a 40 metros cuadrados. Los elementos de nanofiltración no deben ser demasiado largos que requieran la producción de un gran alojamiento que no se ajustará en una residencia. En general, los elementos de nanofiltración se seleccionan de modo que el aparato de ablandamiento se ajuste en el área de utilidad de un hogar. Elementos adecuados pueden tener, por ejemplo, una longitud de filtro total de 40 a 125 centímetros. Elementos de nanofiltración adecuados para su uso con la invención, tienen típicamente un diámetro de 5 a 25 cm. Membranas de nanofiltración adecuadas para su uso con el aparato de ablandamiento de agua incluyen, por ejemplo, la Dow Film Tec NF90, que es una membrana de material mixto de película delgada de poliamida, la Dow Film Tec NF270, que es una membrana de material mixto de película delgada de poliamida, la Dow Film Tec NF 200, que es una membrana de material mixto de película delgada de poliamída, la Trisep TS 83, que es una membrana de película delgada de poliamida aromática, la Trisep TS 80, que es una poliamida aromática, y la PTI-AFM NP, que es un material mixto de película delgada de poliamida, y las membranas de Koch TFC-SR1 , una membrana de poliamida de material mixto de película delgada. Se ha demostrado que la membrana Dow Film Tec NF 90 es una membrana particularmente útil, teniendo un paso de soluto de aproximadamente 5 a 15 por ciento, y un flujo de 21.4 LMH, con una dureza total de 15 ppm, ¡ón calcio de 3 ppm y ion magnesio de 2 ppm. El cuadro 1 siguiente muestra los resultados del uso de seis membranas diferentes y el análisis de producto permeado y agua de alimentación para dureza con agua municipal. Todos los experimentos se llevaron a cabo a 4.921 kg/cm2 usando una membrana de hoja plana y a temperatura ambiente.

CUADRO 1 En general, los elementos de nanofiltración adecuados para su uso con la invención tienen un alto índice de rechazo de iones divalentes, junto con flujo de agua suficiente a través de los elementos de nanofiltración a presiones relativamente bajas para proveer un régimen de flujo de agua y régimen de recuperación que sea suficientemente alto para satisfacer las necesidades de la mayoría de los clientes residenciales. Estos ¡ones divalentes ¡ncluyen numerosos ¡ones de dureza, tales como calcio y magnesio. Por régimen de flujo se entiende el régimen de flujo pico promedio a través del filtro. Por régimen de recuperación, se entiende el porcentaje de agua de entrada que es recuperada como agua ablandada, respecto a la cantidad de agua que entra al reblandecedor de agua. Aunque todos estos parámetros específicos son individualmente importantes, la combinación de estos parámetros es particularmente importante para proveer un reblandecedor de agua que sea adecuado para su uso en residencias y pequeños negocios. El elemento de filtro de nanofiltración tiene típicamente un tamaño de poro promedio que permite el paso de agua y iones monovalentes, pero rechaza sustancialmente el paso de iones divalentes, en particular iones dívalentes asociados con la dureza del agua. Aunque varios iones pueden usarse para medir el índice de rechazo, un ion adecuado para hacer dichas determinaciones es el ion calcio. Los elementos de filtro de nanofiltración típicos útiles con la presente invención, restringen normalmente más de 80 por ciento de los iones calcio que pasan a través del elemento de filtro bajo condiciones de operación. Elementos de filtro más adecuados restringen más de 85 por ciento de los iones calcio que pasan a través del filtro bajo condiciones de operación. Elementos de filtro incluso más adecuados tienen un régimen de rechazo mayor de 90 por ciento de iones calcio. Los elementos de nanofiltracíón deben tener flujo de agua de producto permeado suficiente. Por ejemplo, en ciertas modalidades, el flujo de agua desionizado a través de los elementos de nanofiltracíón es de alrededor de 30 litros por metro cuadrado de membrana del filtro por hora (Imh) a 2J 09-4.218 kg/cm2. Los elementos de nanofiltración adecuados tienen típicamente un diámetro de limitación de filtración de peso molecular de 20 a 500, aún más comúnmente de 100 a 400, y más comúnmente de 200 a 300. Como se usa en la presente, la limitación de filtración (expresada en peso molecular) sigue la convención usada en las mediciones de filtración, y se refiere a una gama de pesos moleculares de materiales que son excluidos a altos regímenes. Sin embargo, cantidades generalmente pequeñas de material pasarán a través de dichas membranas que tengan pesos moleculares dentro de la escala de limitación. Además, regímenes de exclusión relativamente altos de moléculas fuera de la escala de limitación pueden ocurrir, pero dicha exclusión es generalmente a un régimen menor que dentro de la escala de limitación. Mediante el uso de un filtro con una limitación de peso molecular mayor, es posible incrementar el flujo de agua. De esta forma, la exclusión suficiente de iones calcio, y paso adecuado de agua, ocurren con un elemento de filtración que tenga una escala de limitación de peso molecular de 200 a 300. El aparato está construido en forma ventajosa de modo que no incremente sustancialmente los niveles de sal totales respecto al flujo de entrada de agua. De esta manera, el aparato de ablandamiento no añade iones a la corriente de agua, sino más bien remueve por lo menos algunos de los iones del flujo de entrada, y los desecha en el flujo de salida sin producto permeado. Varios elementos de filtro de nanofiltración diferentes son adecuados para su uso con la invención, incluyendo elementos de filtro que contienen una membrana cargada positivamente, debido a que dichas membranas repelen en general los iones de dureza divalentes positivos y limitan el paso a través de la membrana.

El reblandecedor de agua de la presente invención está diseñado generalmente para proveer ablandamiento de agua de alta calidad sobre la escala pequeña necesaria para aplicaciones residenciales (y similares). El reblandecedor de agua provee normalmente suficiente flujo de agua, de modo que no sea necesario tener un depósito o tanque de presión conteniendo agua almacenada y ablandada. Por lo tanto, el reblandecedor de agua provee normalmente ablandamiento de agua instantáneo adecuado para satisfacer las necesidades de una familia típica. La prevención del uso de tanques de almacenamiento es benéfica para los consumidores, debido a que disminuye la probabilidad de contaminación en el tanque de almacenamiento por microorganismos. Además, la prevención del uso de un tanque de retención reduce el tamaño y el costo del dispositivo de ablandamiento de agua. Sin embargo, en algunas aplicaciones se usa un contenedor para contener por lo menos cierta cantidad de agua ablandada para satisfacer las demandas pico de agua. Varios prefiltros son también adecuados para su uso con la invención para mejorar el desempeño y la longevidad del elemento de nanofiltración. Por ejemplo, puede usarse un prefiltro para remover gran material suspendido que de otra manera taponaría al elemento de filtro de nanofiltracíón. Otros prefiltros adecuados para su uso con la invención son prefiltros de hierro que remueven hierro de la fuente de agua de entrada, prefiltros de sedimento que remueven sedimento de la fuente de agua de entrada, prefiltros de cloro que remueven cloro de la fuente de agua de entrada, y prefiltros biológicos que remueven bacterias, protozoarios y otros microorganismos. Además del uso de prefiltros, el agua puede pretratarse para mejorar el desempeño calentando el agua suficientemente para mejorar los regímenes de flujo sin que cause formación de incrustaciones, o pretratando magnéticamente el agua de entrada para inhibir la formación de incrustaciones. Otros pasos de pretratamiento, tales como pretratamiento químico, son adecuados para su uso con las implementaciones de la invención. En general, el agua ablandada en la presente invención es agua potable, tal como la provista de una fuente de agua subterránea. Por ejemplo, el agua puede ser de un pozo residencial privado, de un suministro de agua municipal (típicamente conteniendo agua subterránea), u otra fuente. Aunque el agua suministrada es usualmente potable, es posible usar agua no potable en implementaciones específicas proveyendo prefiltro que remuevan contaminantes (tales como Cryptosporidium). El reblandecedor de agua de la invención está dimensionado normalmente de modo que pueda colocarse en un espacio igual a o menor que el espacio requerido para un reblandecedor de agua de intercambio iónico convencional. Esto permite que el dispositivo de ablandamiento sea usado como un reemplazo de reblandecedores existentes. En ciertas implementaciones, el reblandecedor de la invención se construye de modo que sea significativamente más pequeño que los reblandecedores de intercambio iónico de capacidad de ablandamiento similar. Dichos ahorros en tamaño son posibles debido a que no es necesario tener medios de intercambio iónico o un tanque de recarga. Como se discutió anteriormente, los reblandecedores de agua de la presente invención se construyen y disponen típicamente, de modo que puedan ser operados a presiones relativamente bajas, generalmente menores de 17.575 kg/cm2. Esta baja presión evita el uso de equipo de presurización costoso. Modalidades específicas de la invención proveen un aparato configurado y dispuesto para tener un flujo de salida de agua de producto permeado de 757 litros o más por período de 24 horas. En general, el aparato puede tener un régimen de flujo de salida pico de agua de producto permeado que sea menor de 37.85 litros por minuto, aun más generalmente un régimen de flujo de salida pico de agua de producto permeado que sea de 18.92 a 37.85 litros por minuto. El aparato de ablandamiento es también en general altamente eficiente, y capaz de producir un flujo de salida de agua de producto permeado que contenga más de 80 por ciento del flujo de entrada. En ciertas modalidades, el flujo de salida de agua de producto permeado contiene más de 90 por ciento del flujo de entrada. El flujo de salida de agua de producto permeado puede tener en general, por ejemplo, una dureza menor de 25.66 mg/l. En ciertas modalidades, la función del elemento de membrana se mejora invirtiendo el flujo entre los elementos de membrana y limpiando por descarga de agua el producto concentrado por medio de la alimentación, resultando en desempeño mejorado y comportamiento de atascamiento reducido, ayudando de esta manera a mantener un flujo sostenible. Las modalidades de la invención están dirigidas también a la regeneración de elementos de ablandamiento por nanofiltración limpiando por descarga de agua las membranas con una solución acida que disuelve los precipitados de calcio y magnesio. El enjuague con ácido se realiza típicamente mientras el sistema de nanofiltración no esté funcionando para ablandar el agua para uso final, y de esta manera es deseable planear cualquier función de enjuague con ácido por horas cuando el uso de agua es reducido, tal como después en la noche. Asimismo, en general, los elementos de nanofiltración que serán limpiados por descarga de agua son aislados fácilmente del resto del sistema, de modo que el ácido pueda ser limpiado por descarga de agua a través de los elementos de nanofiltración en un sistema cerrado que no suministre agua acida hacia el usuario final. Más bien, después de la limpieza por descarga de agua del ácido a través de los elementos de nanofiltración, el agua acida puede ser desechada a través de una línea de agua de descarga, típicamente la misma línea que lleva el producto concentrado desde el elemento de nanofiltración final. Los ácidos usados para regenerar el elemento de nanofiltración son deseablemente aprobados por la Food and Drug Administration (FDA) para consumo humano, y son de calidad adecuada para alimento. Ácidos adecuados incluyen, por ejemplo, ácido acético, ácido mu ático y ácido láctico, y combinaciones de los mismos. Otros ácidos adecuados incluyen ácido fosfórico, ácido cítrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, etc. Mezclas deseables incluyen, por ejemplo, de 2 a 3 por ciento de ácido acético, de 3 a 5 por ciento de ácido muriático, y de 0.05 a OJ por ciento de ácido láctico. Niveles de pH adecuados ¡ncluyen, por ejemplo, un pH de 2 a 2.5. Niveles de pH aceptables son con frecuencia menores de 6.0, típicamente menores de 5.0, pueden ser menores de 4.0, y son menores de 3.0 en algunas implementaciones. La solución acida puede ser más efectiva a temperaturas elevadas, y de esta manera el sistema puede incluir también un calentador para calentar la solución acida antes de dirigirla a través de los elementos de nanofiltración. Temperaturas adecuadas para la limpieza por descarga de agua con ácido están, por ejemplo, arriba de 25°C, arriba de 30°C, arriba de 40°C y abajo de 50°C. Asimismo, pueden usarse escalas de temperatura de 25 a 45°C, asi como temperaturas de 30°C a 40°C, y temperaturas de 40 a 45°C. La figura 6 muestra el efecto del uso de un enjuague con ácido a través de las membranas de nanofiltración para promover el flujo incrementado de los elementos de nanofiltracíón. Los experimentos mostrados en las figuras 9, 10 y 11 se llevaron a cabo usando una membrana Dow Film Tec NF90-4040, con un área de membrana de aproximadamente 22.3 metros cuadrados. Se procesó agua de alimentación municipal de Savage, Minnesota a una presión de 3.30 kg/cm2 y una temperatura de 18 grados Celsius. La membrana tenía un flujo de agua desionizada original de 8.51 litros por minuto, pero después del uso por un período de 160 horas, en el cual se ablandaron 53,936.25 litros de agua, la membrana se había atascado a un punto que su flujo había disminuido hasta aproximadamente 2.83 litros por minuto. Mediante el lavado de la membrana atascada con 37.85 litros de agua conteniendo 3 a 5 por ciento de solución de ácido muríático por un período de 30 a 45 minutos, el flujo se incrementó hasta 4.73 litros por minuto. Mediante el lavado de la membrana atascada con 37.85 litros de una solución de ácido muriático a 3 a 5 por ciento junto con ácido láctico a 0.05-OJ por ciento por un período de 30 a 45 minutos, el flujo de agua desionizada se incrementó hasta 8.32 litros por minuto. La figura 10 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y rechazo de producto permeado, que demuestra que incluso con una disminución en flujo con el tiempo, el rechazo continúa estando arriba de 95%, y la figura 11 muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y la dureza del producto permeado, que demuestra que incluso con una disminución en flujo con el tiempo, la dureza del producto permeado total continúa estando abajo de aproximadamente 15 ppm. Las figuras 10 y 11 demuestran que las modalidades de la presente invención son particularmente adecuadas para aplicaciones de ablandamiento extendidas. En algunas modalidades, las membranas de nanofiltración son limpiadas por descarga de agua cada 100 horas por un período de 5 minutos con una solución acida que tenga un pH de 4 a 4.5 a una temperatura de por lo menos 30°C. En otras implementaciones, las membranas de nanofiltración son limpiadas por descarga de agua cada 100 horas por un período de 5 minutos con una solución acida que tenga un pH de 3 a 3.5 a una temperatura de por lo menos 25°C. En otras implementaciones, las membranas de nanofiltración son limpiadas por descarga de agua cada 100 horas por un período de 5 minutos con una solución acida que tenga un pH de 2 a 2.5 a una temperatura de por lo menos 20°C. En otra modalidad de la presente invención, se provee un método y aparato para remover la dureza del agua de alimentación de una caldera para el uso a largo plazo efectivo de la caldera. Reduciendo al mínimo la dureza del agua de alimentación de la caldera, la vida de la caldera puede extenderse, y los costos de energía y los costos de tratamiento químico para operar la caldera pueden reducirse. La presente modalidad hace uso de cualquier modalidad o una combinación de las modalidades anteriores, para el tratamiento del agua de alimentación de la caldera. Además, antes de la nanofiltración como se describió anteriormente, el agua de alimentación de la caldera puede pretratarse usando carbón u otros filtros u otros métodos de tratamiento conocidos en la técnica, dependiendo de la constitución del agua de alimentación de entrada de la caldera. Con relación a la figura 12, se muestra el efecto del tiempo sobre el flujo de producto permeado. Como puede verse en la figura 12, después de uso extendido, más de 800 horas de operación sin interrupción, el flujo ha disminuido por 33%. Después de tratamiento con un ácido mineral o su similar, el flujo original puede restaurarse. Con relación a la figura 13, se muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y la dureza del producto permeado. Como puede verse en la figura 13, después de uso extendido, más de 800 horas de operación sin interrupción, la dureza continúa estando abajo de aproximadamente 8 ppm, indicando el campo de aplicación del presente método y aparato para aplicaciones de agua de alimentación de una caldera. Con relación a la figura 14, se muestra el efecto del tiempo sobre el flujo y rechazo de producto permeado. Como puede verse en la figura 14, después de uso extendido, más de 800 horas de operación sin interrupción, el rechazo continúa estando arriba de aproximadamente 95%, indicando de nuevo el campo de aplicación del presente método y aparato para aplicaciones de agua de alimentación de una caldera. Otras modalidades de la invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la especificación y la práctica de la invención descrita en la presente. Se pretende que la especificación sea considerada sólo como ejemplo, con el alcance y espíritu completos de la invención siendo indicados por las siguientes reivindicaciones. Mientras que en la especificación anterior esta invención se ha descrito con relación a ciertas modalidades preferidas de la misma, y muchos detalles se han expuesto para propósitos de ilustración, será evidente para los expertos en la técnica que la invención es susceptible a modalidades adicionales, y que algunos de los detalles descritos en la presente pueden hacerse variar considerablemente sin que se aparten de los principios básicos de la invención.

Claims (25)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un método para ablandar agua, el método comprendiendo: (i) proveer por lo menos un primer elemento de nanofiltración; (ii) proveer por lo menos un segundo elemento de nanofiltración configurado, dicho segundo elemento de nanofiltración en serie con el primer elemento de nanofiltración; (iii) proveer una fuente de agua potable; (iv) hacer pasar el agua potable: a) primero a través del primer elemento de nanofiltración por un primer período para generar una primer corriente de producto permeado de agua ablandada que tiene une menor dureza que la fuente de agua potable, y una primer corriente de producto concentrado de agua que tiene una mayor dureza que la fuente de agua potable, y b) hacer pasar subsiguientemente la primer corriente de producto concentrado a través del segundo elemento de nanofiltración para generar una segunda corriente de producto permeado de agua ablandada que tiene una menor dureza que la fuente de agua potable, y una segunda corriente de producto concentrado de agua que tiene una mayor dureza que la fuente de agua potable; (v) invertir el flujo del agua potable, de modo que pase agua potable desde la fuente de agua potable: a) primero a través del segundo elemento de nanofiltración por un segundo período para generar una corriente de producto permeado de agua ablandada que tiene una menor dureza que la fuente de agua potable, y una corriente de producto concentrado de agua que tiene una mayor dureza que la fuente de agua potable, y b) hacer pasar subsiguientemente la corriente de producto concentrado a través del primer elemento de nanofiltración para generar una corriente de producto permeado de agua ablandada que tiene una menor dureza que la fuente de agua potable; y repetir los pasos (iv) y (v).

2.- El método para ablandar agua de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer elemento de nanofiltración está configurado para rechazar por lo menos 80 por ciento de iones calcio.

3.- El método para ablandar agua de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer elemento de nanofiltración está configurado para rechazar por lo menos 80 por ciento de iones calcio.

4.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende un tercer elemento de nanofiltración intermedio entre el primer y segundo elementos de nanofiltración.

5.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer período tiene menos de 2 horas de duración.

6.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer período tiene menos de 1 hora de duración.

7.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer período tiene menos de 30 minutos de duración.

8.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el primer período tiene por lo menos 10 minutos de duración.

9.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el segundo período tiene menos de 2 horas de duración.

10.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el segundo período tiene menos de 1 hora de duración.

11.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el segundo período tiene menos de 30 minutos de duración.

12.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el segundo período tiene por lo menos 10 minutos de duración.

13.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende purgar los elementos de filtro de nanofiltracíón por un período de por lo menos 30 segundos.

14.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende purgar los elementos de nanofíltración por un período menor de 5 minutos.

15.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende purgar los elementos de nanofiltración por un período menor de 10 por ciento del periodo de ablandamiento.

16.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende purgar los elementos de nanofiltración por un período menor de 5 por ciento del período de ablandamiento.

17.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende purgar el sistema con una composición acida.

18.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el ácido se selecciona del grupo que consiste de ácido muriático, ácido acético, ácido láctico, y combinaciones de los mismos.

19.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el ácido se selecciona del grupo que consiste de ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ácido cítrico, y combinaciones de los mismos.

20.- Un método para ablandar agua, el método comprendiendo: (i) proveer un primer elemento de nanofiltración configurado para rechazar por lo menos 80 por ciento de iones calcio; (ii) proveer un segundo elemento de nanofiltración configurado para rechazar por lo menos 80 por ciento de iones calcio, dicho segundo elemento de nanofiltración en serie con el primer elemento de nanofiltración; (iii) proveer una fuente de agua potable; (iv) hacer pasar el agua potable a través del primer elemento de nanofiltración, y entonces en el segundo elemento de nanofiltración por un primer período; (v) invertir el flujo del agua potable, de modo que pase a través del segundo elemento de nanofiltración y entonces en el primer elemento de nanofiltración por un segundo período, en donde el segundo período es más corto que el primer período; repetir los pasos (iv) y (v) durante la realización del método.

21.- El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende un tercer elemento de filtración, dicho tercer elemento de filtración posicionado intermedio entre el primer y segundo elementos, de modo que el flujo entre el primer y segundo elementos pase a través del tercer elemento.

22.- El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el primer período es de 20 a 30 minutos, y el segundo período es de 20 a 30 minutos.

23.- El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende la adición de ácido.

24.- El método para ablandar agua de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el flujo de entrada se provee a una presión de 0.703 a 14.06 kg/cm2.

25.- El método para ablandar agua de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el flujo de entrada se provee a una presión de 1.75 a 3.51 kg/cm2.