Tra ratam tamiento de Agu Aguas
Una mejora en el sistema de electrodesionización de aguas E. Salem Graver Water/ Ecodyne Limited (Reino Unido)
1. Introducción
La cogeneración se ha convertido en una opción predominante en la industria de la generación de energía. Los sistemas de tratamiento de aguas son similares, en muchos casos, a los utilizados para las centrales térmicas tradicionales. No obstante, la utilización de la tecnología EDI (electrodesionización), recientemente desarrollada para el tratamiento de aguas a nivel industrial, es un método probado para alcanzar la ISO 14000, reduciendo el uso de productos químicos, eliminando las corrientes de residuos peligrosos, respetando el medio ambiente y sin comprometer la calidad final del agua producto.
En enero de 1998, tras una revisión técnica exhaustiva, Ecodyne comenzó a emplear la tecnología de electrodesionización E-Cell (conocida por EDI), aguas abajo de un equipo de ósmosis inversa (RO), en el diseño de sistemas básicos de desionización. En paralelo con la implantación de la tecnología E-Cell, dirigimos un estudio del rendimiento de esta tecnología en la planta piloto que Graver tiene en Cranford, New Jersey. En la Conferencia Internacional del Agua de 1998, fuimos coautores de un documento que describía los beneficios de la tecnología E-Cell/EDI, aportando datos técnicos de plantas pilotos e instalaciones comerciales. En el mismo año, también fuimos coautores de un documento que mostraba las ventajas e inconvenientes entre RO/E-Cell frente a RO/MB (lecho mixto) [2]. Este documento cubría algunos de los trabajos realizados en la planta piloto que dirigimos en cooperación con el grupo de investigación de E-Cell. La EDI (electrodesionización) es una alternativa efectiva a los lechos mixtos de intercambio iónico colocada inmediatamente después de una etapa de ósmosis inversa, integrada en un tren básico de desionización. La combinación RO/EDI puede producir sustanciales beneficios en los costes de inversión y operación en los modernos sistemas industriales de tratamiento de aguas. La aceptación de esta tecnología se puede medir por el creci-
miento en las ventas de los equipos compactos E-Cell. En mayo de 1998, se vendieron unidades para un caudal equivalente de 1.700 m3 /h; para para julio de de 1999, esta cifra alcanzaba los 4.200 m 3 /h, lo que suponía un incremento de 2.500 m3 /h. Las ventas totales de todos todos los diseños EDI se estiman en más de 9.080 m3 /h a lo largo de todo el mercado mundial.
2. Fundamentos de la EDI El proceso básico (Fig. 1) usa una placa y armazón dispuestos en forma de pares de celdas, similar a las usadas en electrodiálisis. La principal diferencia es la presencia de una resina de intercambio iónico en el compartimiento de alimentación (diluida). La presencia de esta resina permite la producción de un agua de gran pureza (gran resistividad eléctrica) usando unos razonables requerimientos de energía. Cada par de celdas consiste en una membrana de intercambio aniónico y catiónico, separadas para permitir el flujo del agua. La sección o parte de la celda en la cual los iones son retenidos se le llama “compartimiento concentrado”. Se apilan pares múltiples de celdas, dispuestas en una configuración de flujo paralelo. Este grupo de pares de celdas está limitada por un conjunto de electrodos (cátodo y ánodo). La disposición entera es lo que se conoce como equipo compacto EDI. Bajo la aplicación de un potencial CC (corriente continua), los iones son transportados desde
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las industrias, se requiere un producto de gran resistividad; así tendremos valores de 8 a 10 MOhm cm (0,125-0,1 µS/cm) para algunas aplicaciones farmacéuticas y mayores de 16 MOhm.cm (< 0,0625 µS/cm) para aplicaciones en la generación de energía y las industrias de los semiconductores. Además, este último tipo de industrias (generación de energía y semiconductores) requieren a menudo concentraciones de sílice < 10 a 20 ppb. - Sistemas: Las configuraciones del sistema EDI deben ser capaces de suministrar el rango completo de caudales que las aplicaciones industriales requieren para los sistemas de desionización, desde unos pocos m3 /h hasta hasta cientos cientos de de m3 /h. Figura 1. Esquema de proceso de electrodesionización (EDI)
el compartimiento diluido al compartimiento concentrado, produciendo agua desionizada en la corriente diluida. El concentrado puede ser enviado a drenaje o bien ser reutilizado por envío de vuelta a la alimentación del equipo de RO. La pequeña corriente de enjuague del electrodo, contiene gases (H 2, O2 y aproximadamente 0,8 ppm de Cl2), formados por las reacciones producidas en el mismo; dicha corriente se envía a drenaje, aunque también puede ser reutilizada, es decir, de vuelta a la alimentación con el agua bruta. Dentro del compartimento de alimentación, las resinas de intercambio iónico ayudan en el transporte de los iones al compartimiento concentrado. Como el agua va disminuyendo en su concentración de iones, se va produciendo la disociación del agua en la interfase de intercambio catiónico y aniónico, produciéndose un flujo continuo de hidrógeno e ion hidroxilo Estos iones sirven como regenerante para las resinas de intercambio iónico presentes en este compartimento y mantiene las resinas a la salida de éste, en un estado de gran regeneración, necesario para la producción de un agua producto con una gran resistividad.
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3. Selección de la tecnología EDI Para conseguir las especificaciones de la etapa final en los sistemas básicos de desionización, se debe prever un adecuado pretratamiento seguido por RO/EDI; así mismo, la tecnología EDI debe cumplir con una serie de requerimientos. Una breve descripción de los principales factores que fueron considerados en el actual proceso de selección se muestra a continuación: - Agua de alimentación: En el diseño de los sistemas básicos de desionización para uso en la mayoría de las industrias, la conductividad del agua de alimentación que entra a la unidad EDI desde la unidad RO se encuentra en el rango de 5 a 25 µS/cm, con aproximadamente 5 ppm de dióxido de carbono. Dentro de este rango, la unidad EDI debe ser capaz de asumir posibles variaciones en el flujo y características del agua de alimentación, tal como cambios en la temperatura o en la cantidad y naturaleza de los sólidos disueltos. - Agua producto: Cualquier agua que sale de una unidad de operación EDI debe cumplir unas concentraciones máximas específicas de contaminantes. Para la mayoría de
- Coste: Los costes totales de capital y operación deben ser competitivos con los de los sistemas de lecho mixto de capacidad comparable. Esto se ajusta a la realidad en sistemas con grandes caudales. - Equipos compactos EDI: De acuerdo a la idea de incorporar eficazmente los costes de la inclusión de un sistema básico de desionización con otras unidades de operación a lo largo del proceso, el equipo compacto EDI debe ser suficientemente robusto, fiable y fuerte para operar con presiones de alimentación por encima de 690 kPa (100 psi). - Flexibilidad: El sistema EDI debe permitir una instalación adecuada, operación, mantenimiento, ampliación y posibles o eventuales cambios o sustituciones de las unidades.
La tecnología E-Cell está disponible desde 1996, cumpliendo con los anteriores criterios [1]. En los primeros diseños, el espesor del compartimento diluido estaba limitado entre 2 y 3 mm [4 y 5]. Esta limitación en el espesor del compartimento fue superada en el equipo compacto básico EDI por medio del cuidado desarrollo del medio de intercambio iónico, así como de las membranas de conductividad iónica [6, 7 y 8]. El uso de cámaras de dilución de 8 mm de anchura, comparadas con las anteriores de 2-3 mm,
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reduce significativamente el número, coste y complejidad de los componentes del equipo compacto, mientras produce un agua producto con gran resistivida (>16 MOhm.cm ó <0,0625 µS/cm). La fuga de agua a presiones de operación por encima de los 690 kPa (100 psi) es eliminada por el diseño de un cierre mecánico y un doble perímetro sellado. Un sistema EDI para un caudal dado, se construye a partir de un número de módulos idénticos o equipos compactos EDI, al igual que la capacidad en el diseño de los sistemas RO se hace desde varios elementos RO ensamblados dentro de cajas de presión. De esta forma, los sistemas EDI abarcan un amplio rango de caudales desde 1,36 m3 /h (6 gpm) hasta cientos de m3 /h [9]. Para ganar flexibilidad en en el diseño, facilidad de ampliación y facilitar el mantenimiento de los sistemas, el uso de módulos normalizados facilita la aplicación de métodos de producción en serie, resultando en una mejora en la calidad, fiabilidad y menores costes de fabricación.
4. Características de operación
Tabla I. Resumen de las principales características de operación de un equipo compacto básico EDI de 2,84 m 3 /h (12,5 gpm )
Ag ua de al im en ta c ió n
Tipo TEA incluye incluyendo ndo CO CO2 Conductividad Sílice reactiva Dureza Carbono Orgánico Total (COT) Presión de entrada (690 kPa (100 psi)) Ag ua pr prod od u c to
Resistividad Sílice reactiva Rango de caudal Recuperación
Voltaje típico CC Corriente típica CC
200 a 600 V 1,5 a 4,5 A por equipo
RESIS ISTIV IVIDADDELPRODUCTO(MOhm.cm cm) 18 5.0A
16 4.0A
14 12
En el apartado que sigue a continuación se presentan unas curvas basadas en operación con cloruro sódico en un rango de temperaturas entre 21 y 26 ºC (70-80ºF). Para la mayoría de las aplicaciones, una corriente de 3 amperios por equipo suele ser suficiente para producir un agua satisfactoria.
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El trabajo en la planta piloto se llevó a cabo usando un equipo comercial disponible en el mercado EDI (alimentación tras RO), capaz de operar con uno o dos equipos compactos EDI, para suministrar un caudal en el rango de 1,36 a 5,68 m3 /h (6-25 gpm). El sistema puede ser convenientemente ali-
> 16 M Ohm.cm (< 0,0625 µS/cm) < 10 ppb 1,36 a 2,84 m3/h (6,0-12,5 gpm) 90 a 95%
Electricidad
Las características de operación principales de un equipo compacto básico EDI de 2,84 m 3 /h (12,5 gpm) se muestran en la Tabla I.
5. Planta piloto EDI
Salida de RO o equ equivale ivalente nte <25,0 ppm como CaCO 3 < 62,0 µS/cm (NaCl) <500 ppb como SiO2 < 1,0 ppm como CaCO3 <500 ppb <6990 kPa (100 psi) <6
10 8
2.0A
3.0A
40
60
1.0A
6
2 0 0
20
80
100
CONDUCTIVIDADDELAALIMENTACION ALIMENTACION(µS/cm) Figura 2. Curvas de rendimiento de electrodesionización (EDI)
mentado con un amplio rango de contaminantes y condiciones. Los sistemas industriales EDI están formados por equipos básicos compactos ensamblados. Los resultados de los estudios de la planta piloto para el caudal de estudio (1,36 a 5,68 m 3 /h) pueden ser aplicados directamente a sistemas con mayores caudales. La planta piloto estuvo ubicada en New Jersey. El sistema piloto se aplicó para caracterizar un rango
de aguas de alimentación y condiciones de operación. Los trabajos iniciales confirman las curvas de rendimiento publicadas, como se muestra en la figura 2. Trabajando estrechamente con E-Cell, emprendimos una investigación sobre el rendimiento de una nueva modificación de una adaptación de un equipo compacto de E-Cell. Nuestro principal interés era la posibilidad de producir un
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Tabla II. Condiciones de los ensayos en planta piloto
Conductividad a la entrada Composición aniónica Sílice Sales usadas Tem T emper perat atura ura Caudal de producto por equipo Corriente por equipo
22-60 µmho/cm 0 a 100% de iones ácidos débiles 100 a 200 ppb Cloruro sódico y bicarbonato sódico 14, 4,44 44 y 23, 23,33 33°°C (54 (54-7 -78° 8°F) F) 2,84 m3/h (12,5 gpm) 4,5 A
La tecnología moderna de EDI ofrece una alternativa efectiva a los lechos mixtos de intercambio iónico. La idoneidad para una efectiva eliminación de ácidos débiles como la sílice y bicarbonato ha sido demostrada. Nuestro entendimiento del rendimiento y las limitaciones del sistema nos permiten optimizar el diseño de estas unidades. Así, se continuará refinando esta tecnología de cara a mejorar el rendimiento de estos sistemas.
Tabla III. Datos obtenidos en la planta piloto
7. Bibliografía P ru eb a
1
2
3*
4*
[1] Salem, E. y Tessier, D. F. "Advances in Electrodeionization", International Water Conference, octubre (1998).
30 30 16,9 107
27 100 28,4 200
60 0 24,4 500
20 0 8,4 500
[2] Edmonds, C. y Salem, E. "Electrodeionization - A Cost Competitive Alternative to Mixed Bed Ion Exchange", Ultrapure Water J., noviembre (1998).
>16 (< 0,0625) 18-21 4-6 17,7 ,78° 8°C C a 25 25°°C 4,3 3,0
[4] Ganzi, G. et al, "High Purity Water by Electrodeionization", Ultrapure Water, p. 43-50, abril (1987).
Agg u a de a li m en ta c ió n A
Conductividad (µS/cm) % Ácidos débiles TEA- ppm ppm como como CaC CaCO O3 Sílice- ppb Producto
Resistividad- M Ohm.cm (µS/cm) Sílice- ppb Tem T emper perat atura ura °C Corriente por equipo- A
17,6 17,3 (0,0568) (0,0578) 7 <8 14, 4,44 44°°C a 23 23,3 ,33° 3°C C 4,5 4,5
*Los trabajos de los ensayos fueron comunicados en la Conferencia Internacional del Agua de 1998 [1].
agua de gran calidad con aguas de alimentación con un gran porcentaje de ácidos débiles (bicarbonato y sílice).
Pruebas de la planta piloto. Resultados y discusión Las variaciones en las condiciones de los ensayos se muestran en la Tabla II. La sílice fue medida en continuo con un analizador de sílice Hach. Los resultados para la sílice se confirmaron con tomas de muestra usando un método aceptado ASTM. Los resultados de los ensayos confirmaron que el ion bicarbonato es eliminado principalmente como ion divalente, especialmente a la corriente utilizada en el ensayo. E-Cell presentará más datos en la próxima Conferencia Internacional del Agua .
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Se probaron cinco condiciones en el agua de alimentación, que contenía 0, 10, 20, 30 y 100% de ion bicarbonato. Los aniones totales intercambiados se calcularon para la eliminación del bicarbonato como ion divalente. Algunos de los datos obtenidos se muestran en la Tabla III. Los datos obtenidos indican que siempre y cuando el total de aniones intercambiados (TEA) sean menores de 24 ppm como CaCO 3, el agua producto debería tener una resistividad mayor o igual a 16 MOhm.cm (<0,0625 µS/cm) y contener menos de 20 ppb de sílice.
6. Conclusión La idoneidad o posibilidad de una combinación RO/EDI para sistemas básicos de desionización es ahora una tecnología aceptada.
[3] Edmonds, C. Private communication E-Cell Corp.
[5] Hernon, B. P. et al, "Applicationof Electrodeionization in Ultrapure Water Water Production"; International Water Conference (1994). [6] WO 97125147 - "Electrodeionization Apparatus having Geometric Arrangement of Ion Exchange Material", Glegg Water Conditioning, Inc., filed, 13 enero (1997). [7] EP 0 821 024 A2 - "Heterogeneous Ion Exchange Membrane and Process for its Production", Asahi Glass Co., filed, 23 julio (1997). [8] WO 92/34696 - "Method and Apparatus for Producing Deionized Water", Asahi Glass Co., Glegg Water Conditioning Inc., filed, 19 marzo (1996). [9] W097/28889 - "Modular Apparatus for the Demineralization of Liquids", Glegg Water Conditioning, Inc., filed, 10 febrero (1997).
