PROCESOS DE MEMBRANA Fuentes: - IBRAHIM PERERA, JUAN CARLOS. Desalación de Aguas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección Seinor nº 23. España. 1999. - FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. - MEDINA SAN JUAN, JOSÉ ANTONIO. Desalación de Aguas. Ósmosis Inversa. Mundi-Prensa. España. 2000.
Las membranas juegan un papel importante en la separación de sales en la naturaleza. Nos referimos a los procesos de diálisis y ósmosis que se producen en el cuerpo humano. Las membranas se utilizan en dos procesos de desalación comerciales importantes: electrodiálisis y ósmosis inversa.
En cada proceso se utiliza la habilidad de la membrana para diferenciar y seleccionar las sales del agua. Sin embargo, esta habilidad se utiliza de forma diferente en cada proceso. La electrodiálisis separa selectivamente las sales del agua usando un potencial eléctrico, dejando al agua potable como producto del proceso. En la ósmosis inversa el agua potable atraviesa la membrana utilizando presión, dejando las sales atrás que quedan con mayor concentración disueltas en el agua producto.
Desde principios de siglo se han investigado estas técnicas pero su comercialización para desalar aguas se ha desarrollado en los últimos 30 años.
1. ELECTRODIÁLISIS Y ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE
1.1. INTRODUCCIÓN La electrodiálisis (ED) se introdujo comercialmente a principios de los años sesenta, unos diez años antes que la ósmosis inversa. Su desarrollo supuso la disponibilidad de desalar el agua salobre a costos razonables y se implantó rápidamente. La electrodiálisis depende de los siguientes principios generales:
•
La mayoría de las sales disueltas en el agua son iónicas, cargadas positivamente (cationes) o negativamente (aniones)
•
Estos iones son atraídos hacia electrodos con carga eléctrica contraria.
•
Las membranas se diseñan y construyen para permitir el paso selectivo bien de aniones o de cationes.
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Los constituyentes iónicos disueltos en una solución salina como el sodio (Na+), cloro (Cl-), calcio (Ca++) y carbonatos (CO3=), se presentan dispersos en el agua, neutralizándose efectivamente sus cargas individuales. Cuando en un recipiente con contenido de agua salina se introducen dos electrodos conectados a una fuente de energía como, por ejemplo, una batería, la corriente eléctrica atraviesa la solución desplazando los iones hacia el electrodo de carga opuesta.
Por esta razón las membranas utilizadas en este proceso permiten el paso de aniones o de cationes (pero no de ambos) y se colocan entre un par de electrodos. Se sitúan así alternativamente membranas aniónicas y catiónicas, colocando una tela espaciadora entre cada par de membranas de tal forma que el agua pueda fluir a lo largo de la superficie de la membrana.
Un espaciador crea un canal por el que circula el agua de alimentación (que se transforma en agua producto al desplazarse los iones), y el siguiente, crea otro canal por el que circula la salmuera. Si los electrodos están cargados y se mantiene un flujo de agua salina a lo largo del canal creado por el espaciador, los aniones contenidos en el agua son atraídos y desplazados hacia el electrodo positivo, con lo que se diluye la sal contenida en el agua de alimentación. Los aniones atraviesan la membrana selectiva aniónica, pero no pueden atravesar la membrana selectiva catiónica, bloqueando su paso atrapando los iones en el canal de salmuera.
De igual forma, bajo la influencia del electrodo negativo, los cationes se desplazan en sentido opuesto a través de la membrana selectiva catiónica hacia el canal de salmuera en la otra cara, quedando atrapados los cationes debido a la selectividad aniónica de la otra membrana permitiendo así el desplazamiento hacia el otro electrodo.
Con este funcionamiento se consiguen soluciones concentradas y diluidas en los espacios creados entre las membranas situadas alternativamente (aniónicas y catiónicas). Estos espacios existentes entre cada dos membranas (una aniónica y la otra catiónica) se denominan celdas. Un par de celdas está formada por dos celdas; una, desde la que emigran los iones (celda que contiene el agua diluida que se transforma así en agua producto) y la otra, en la que se encuentran los iones (celda que contiene el agua concentrada o salmuera).
1.2. PROCESO DE ELECTRODIÁLISIS (ED)
1.2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL La unidad básica de un proceso de electrodiálisis consiste en un paquete formado por varios cientos de pares de celdas con electrodos opuestos en el exterior que se denomina pila.
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El agua de alimentación atraviesa simultáneamente en paralelo todas las celdas creándose así un flujo continuo de agua desalada y otro de salmuera. En función del diseño del sistema será necesario añadir productos químicos a la pila para reducir las posibles incrustaciones. Una unidad de electrodiálisis debe contener los siguientes elementos básicos:
-
Pretratamiento.
-
Pilas de membranas.
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Bomba para circulación a baja presión.
-
Potencia eléctrica para corriente continua (con rectificador).
-
Sistema de limpieza de las membranas.
PRETRATAMIENTO El pretratamiento del agua de alimentación a una planta electrodiálisis consiste en:
Filtración Aunque las membranas de ED son bastante resistentes al ensuciamiento, es necesario eliminar la materia en suspensión contenida en la corriente de alimentación. La eliminación se consigue haciendo pasar esta corriente de alimentación a través de un lecho filtrante. En una planta ED los filtros más utilizados son los granulares ya sean de presión o de gravedad, el número de capas filtrantes y de etapas de filtración depende de la calidad del agua de alimentación. En el caso de aguas extraídas directamente de pozo o de galerías que presenten un bajo contenido en sólidos disueltos se puede omitir la filtración granular.
Posteriormente, a la entrada de cada uno de los módulos se realiza una filtración de afino en filtros de cartuchos, los cartuchos filtrantes están realizados en diferentes tejidos sintéticos (teflón, polipropileno, etc...) y poseen un grado de filtración de 10 a 5 micras nominales.
Regulación de pH El pH de la corriente de concentrado es relativamente alto (en torno a 8), esto facilita la precipitación de sales poco solubles
principalmente los carbonatos y los sulfatos de calcio.
Disminuyendo el pH mediante la adición de un ácido principalmente sulfúrico permite trabajar a unas concentraciones mayores sin peligro de incrustaciones.
En la mayoría de las instalaciones se realiza la adición de ácido sulfúrico concentrado de forma continua hasta conseguir un pH en la corriente de concentrado entre 5 -6 unidades de pH. La adición del ácido se realiza a la entrada del módulo en la corriente de salmuera.
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Tratamiento Antiincrustante Los procesos de ED tienen unos porcentajes muy elevados de recuperación que se consiguen recirculando la corriente de concentrado. Con este sistema, en esta corriente de concentrado se alcanza una saturación del sulfato de calcio mayor de 150 %. La adición a esta corriente de una sustancia antiincrustante como el hexametafosfato sódico permite trabajar con saturación de 300400 % sin problemas de incrustaciones.
PILAS ED La unidad fundamental de trabajo en un sistema ED es la pila de membranas. Los espacios entre las membranas representan las zonas de flujo de las corrientes desmineralizada y concentrada; estas zonas o áreas de paso del agua están formadas por separadores plásticos llamados espaciadores de flujo de agua desmineralizada y espaciadores de flujo de agua concentrada. Estos espaciadores están fabricados con polietileno de baja densidad y están dispuestos de tal forma en la pila que todas las corrientes de desmineralizado están unidas, lo mismo que todas las de concentrado. Así existe una unidad que se repite llamada "par de célula" que está constituida por:
1.
Membrana de transferencia de cationes.
2.
Espaciador de flujo de agua desmineralizada.
3.
Membrana de trasferencia de aniones.
4.
Espaciados de flujo de agua concentrada.
Una pila típica suele tener entre 400 y 600 pares de células. Las tapas superiores e inferiores de la pila son bloques de acero unidos entre sí con tirantes y tuercas para comprimir la pila, sellando de este modo las membranas y espaciadores para proporcionar pasos de agua definidos y evitar las fugas desde el interior de la pila. La corriente de agua de alimentación que llega a la pila fluye en paralelo a través de los compartimentos de desmineralización, mientras que la de concentrado hace lo mismo a través de los compartimentos de concentración.
Debemos señalar que el agua fluye sobre las membranas y no a través de ellas. A medida que el agua fluye sobre la superficie de la membrana, los iones son transferidos eléctricamente desde la corriente de desmineralizado a la de concentrado bajo la influencia del potencial aplicado.
El agua de los dos compartimentos de electrodos no se mezcla con las corrientes de desmineralizado y concentrado. A la salida de la pila, la corriente de electrodo es enviada a un desgasificador para expulsar los gases de la reacción.
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MEMBRANAS En el proceso de electrodiálisis se utilizan dos tipos de membranas: aniónicas y catiónicas. Ambas membranas se parecen físicamente a una hoja de plástico, son esencialmente impermeables al agua bajo presión, y están reforzadas con un material de fibra sintética. Debido a que las membranas son translúcidas, dicho material es visible, y las superficies son uniformemente planas con una textura lisa. Las siguientes propiedades son comunes a ambas membranas de transferencia:
1.
Baja resistencia eléctrica.
2.
Insoluble en soluciones acuosas.
3.
Semirígida para facilitar el manejo durante el montaje de la pila.
4.
Resistente a cambios de pH entre 1 y 10.
5.
Utilizable a temperaturas superiores a 46 ºC.
6.
Resistente al paso osmótico cuando se coloca entre dos soluciones salinas, una de 220 ppm y otra de 30.000 ppm.
7.
Vida útil elevada.
8.
Resistente al ensuciamiento.
9.
Impermeable al agua bajo presión.
Membranas Catiónicias La membrana catiónica es esencialmente una resina de intercambio catiónico en forma de lámina con las características químicas necesarias para permitir el paso de cationes e impedir el paso de agua y aniones.
Las membranas catiónicas son de color ámbar. Sobre la superficie de la membrana puede leerse, en tinta azul, la palabra "CATION" junto con un número de serie de producción y un número de código. Durante la fabricación de la membrana catiónica, se fijan cargas negativas en distintas posiciones de la membrana base.
Las cargas negativas fijadas son grupos sulfonatos que repelen a los iones negativos (aniones) y permiten la transferencia de los iones positivos (cationes) a través de la membrana.
Membrana Catiónica Gruesa La membrana catiónica gruesa tiene todas las propiedades de una membrana
catiónica
normal pero es dos veces más gruesa, al objeto de poder soportar mayores presiones diferenciales. Esta membrana se utiliza en los compartimentos de electrodo.
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Membrana Aniónica La membrana aniónica es esencialmente una resina de intercambio aniónico en forma de lámina, con las características químicas necesarias para permitir el paso de aniones e impedir el paso tanto de agua como de cationes. Las membranas aniónicas son blanquecinas con un tinte amarillo pálido. Sobre la superficie de la membrana puede leerse, en tinta roja, la palabra "ANION" junto con un número de serie de producción y un número de código.
Durante la fabricación de la membrana aniónica, se fijan cargas positivas en distintas posiciones de la membrana base. Estas cargas positivas fijadas son iones de amonio cuaternario que repelen los iones positivos (cationes) y permiten la transferencia de los iones negativos (aniones) a través de la membrana.
La membrana aniónica tiene la misma forma, tamaño y orificios de distribución que la catiónica. Las dos membranas pueden distinguirse visualmente por el color.
Espaciadores Los espaciadores están formados por dos capas de polietileno de baja densidad con orificios de distribución emparejados con los de la membrana. Cuando una pila de membranas está montada adecuadamente, los orificios de distribución de las membranas y espaciadores generan colectores verticales en la pila. El agua fluye en un espaciador entre dos membranas a través de los pasos de agua que están conectados a los orificios de distribución. Hay dos tipos de orificios de distribución en los espaciadores, que permiten que el agua sea selectivamente canalizada entre las membranas para generar los caudales de concentrado y desmineralizado independientes.
Las dos distribuciones de los espaciadores están dispuestas alternativamente entre las membranas aniónicas y catiónica y constituyen la base de los dos pasos independientes de agua. Hay que señalar que los dos tipos de espaciadores son en realidad uno sólo. Por simple rotación de 180 º, puede obtenerse tanto la orientación de desmineralización como la de concentración, eliminándose así la necesidad de fabricar y almacenar dos espaciadores diferentes.
Electrodo Los electrodos metálicos localizados en cada extremo de la pila de membranas se usan para conducir la alimentación de C.C. en la pila. Un electrodo es generalmente de titanio recubierto de platino.
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Las zonas de los electrodos que están enfrente de los distribuidores, tienen una junta para evitar un cortocircuito eléctrico entre los electrodos a través de los distribuidores y evitar la fragilización del electrodo debida al hidrógeno que puede ocurrir en los bordes de los cortes de los distribuidores.
La junta alrededor del distribuidor y de las entradas del caudal de electrodo se compone de un compuesto similar a una goma no conductora y la zona enmascarada que cubre el distribuidor bloqueado es una cinta no conductora.
La vida de un electrodo depende generalmente de la composición iónica de la corriente de electrodo y del amperaje transportado por área unitaria del electrodo. En general, amperajes altos y aguas con cantidades altas de cloruro o con gran tendencia a la formación de incrustaciones tenderán a acortar la vida del electrodo.
Compartimentos de los Electrodos Los compartimentos de los electrodos están localizados normalmente en la parte superior y en la parte inferior de la pila de membranas y están formados por un electrodo, un espaciador de flujo de agua de electrodo, y una membrana catiónica gruesa.
El espaciador de electrodo tiene seis capas en vez de las 2 capas de espesor del normal. Esto permite que fluya un volumen de agua más grande por los electrodos reduciendo, por tanto, la formación de incrustaciones e impurezas en los electrodos.
La membrana catiónica gruesa se usa para soportar la ligera presión diferencial que se mantiene entre la corriente de electrodo (aproximadamente 2 psi [libra por pulgada cuadrada] más bajo) y las corrientes del flujo principal en la pila de membrana.
El espaciador de electrodos tiene cortes en canal que impiden que el agua del compartimento del electrodo entre en los distribuidores principales de la pila. Cuando se sitúa adyacente a la membrana catiónica gruesa, el espaciador de electrodo forma un paso de agua independiente.
El efluente del compartimento del ánodo (electrodo positivo) contiene oxígeno (O2) gaseoso, iones de hidrógeno (H+), y en el caso de agua conteniendo cloruros, gas cloro (Cl2). Los iones de hidrógeno reducen el pH del agua en este compartimento, creando un entorno ácido. El efluente del compartimento del cátodo (electrodo negativo) contiene gas hidrógeno (H2) e iones hidróxido (OH-). Los iones hidróxido incrementan el pH del agua en este compartimento creando un entorno alcalino o incrustante.
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Una vez que salen de la pila de membranas, las dos corrientes de electrodo se envían a través de un desgasificador para extraer y eliminar de forma segura los gases de la reacción de los electrodos.
1.2.2. DISEÑO DE LA PILA DE MEMBRANAS
Cada sistema ED se diseña para las necesidades particulares de la aplicación. La capacidad del sistema (la cantidad de agua tratada necesaria) determina el tamaño de la unidad ED (es decir bombas, canalización y tamaño de las pilas). La fracción de sal a extraer determina la configuración del conjunto de pilas de membrana.
La manera en que se dispone el conjunto de pilas de membranas se llama diseño por etapas. El propósito del mismo es suministrar un área suficiente de membrana y tiempo de retención para eliminar una fracción de sal especificada de la corriente desmineralizada. Se usan dos tipos de diseños por etapas: el hidráulico y el eléctrico. La pila de membranas descrita en las secciones previas, es un ejemplo de una pila de una etapa hidráulica y una eléctrica. Cada incremento de agua, una vez que ha entrado en la pila, pasa una sola vez sobre la superficie de la membrana entre un par de electrodos y abandona el sistema. Debe observarse que en una pila de membrana de Ionics, el agua fluye en múltiples pasos paralelos sobre las superficies de las membranas, pasando solamente una vez sobre un espaciador situado entre dos membranas y saliendo a través del distribuidor de la toma de salida.
a) ETAPAS HIDRÁULICAS Típicamente, la máxima extracción de sal de una etapa hidráulica es del 55 -60 % con valores normales de diseño del 40-50%. Para aumentar la cantidad de sal extraída en un sistema de ED, deben incorporarse etapas hidráulicas adicionales. En sistemas donde se precisan altas capacidades, se incorpora etapas hidráulicas adicionales simplemente adicionando más pilas en serie para obtener
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la pureza del agua deseada. En esta disposición cada pila sólo tiene una etapa eléctrica, es decir, un solo ánodo y un solo cátodo.
En sistemas donde las adicionales etapas hidráulicas se incorporan en el interior de un única pila, se utiliza una o más membranas interetapas. Esta membrana es una membrana catiónica gruesa con todas las propiedades de una membrana catiónica normal. Sin embargo su espesor es el doble (1 mm) que el de una membrana catiónica normal (0,5 mm) para resistir una mayor presión diferencial que la de una membrana normal. La membrana catiónica gruesa tiene sólo dos colectores, al contrario de los cuatro colectores que tiene un a membrana corriente.
La membrana catiónica gruesa se incluye como uno de los componentes que forman el par de células, puesto que su función es la misma que la función de una membrana catiónica corriente. Una etapa hidráulica se forma colocando la catiónica gruesa, o membrana interetapa, en el lugar apropiado en la pila de membranas. Las dos aberturas de los colectores se colocan sobre los colectores de salida de la pila.
Un ejemplo ilustrará las etapas hidráulicas. Si el agua de entrada tiene 2.000 ppm y la salinidad del agua producto deseada es de 250 ppm, se requerirían tres etapas hidráulicas, suponiendo una extracción de sal por etapa del 50 %. La eliminación de sal por etapa sería como sigue:
Etapa hidráulica 1 - 2.000 ppm entrada - 1.000 ppm salida (50 % extracción) Etapa hidráulica 2 - 1.000 ppm entrada -
500 ppm salida (50 % extracción)
Etapa hidráulica 3 -
250 ppm salida (50 % extracción)
500 ppm entrada -
Puede verse en este ejemplo que la cantidad de sal extraída en cada etapa sucesiva disminuye.
Etapa hidráulica 1 - 1.000 ppm Etapa hidráulica 2 -
500 ppm
Etapa hidráulica 3 -
250 ppm
La extracción de sal de un volumen de agua dado es directamente proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la proporción de flujo a través de cada par de células. Corrientes más altas transferirán mayores cantidades de sal. Proporciones de flujo más altas disminuirán las cantidades de sal a ser extraídas de una cantidad de agua dada debido al menor tiempo de retención en la pila.
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Si las tres etapas hidráulicas están contenidas en el interior de una única etapa eléctrica, con lo cual la corrientes y por tanto la sal extraída por cada par permanece constante, la proporción de flujo por par de células tendrá que ser doblada para cada etapa sucesiva para obtener la disminución de la concentración de desmineralizado mostrada en el ejemplo.
Esto es, el número de pares de células en la etapa dos tendría que ser la mitad de las de la etapa 1, etc. Esto requiere que la proporción de flujo de la etapa 2 sea dos veces el de la etapa 1, y el flujo de la etapa 3 sea dos veces el de la etapa 2. Puesto que el flujo total en cada etapa es idéntico, el único modo de aumentar la proporción de flujo por par de células en las sucesivas etapas es disminuir el número de pares de células en aquellas etapas. Sin embargo, esta disposición puede dar lugar a un problema hidráulico. Disminuyendo el número de pares de células en una etapa hidráulica, y aumentando la proporción de flujo por par de célula, se aumenta la caída de presión en cada etapa. En algún punto, la caída de presión a través de la pila completa, excederá el límite de presión a la entrada de la pila (3.4 bar). Con el fin de conseguir que la presión en todos los puntos sea inferior al límite, es necesario incorporar un tipo de etapa adicional, conocida como etapa eléctrica, que se describe a continuación.
b) ETAPAS ELÉCTRICAS Las etapas eléctricas se llevan a cabo insertando pares de electrodos adicionales en la pila de membranas. Esto da flexibilidad en el diseño del sistema, previendo las proporciones máximas de extracción de sales mientras que se evitan polarizaciones y las limitaciones de presiones hidráulicas.
Cada etapa eléctrica permite el uso de una corriente eléctrica controlada (Y) a cada par de células en una etapa. En el ejemplo anterior, las etapas hidráulicas 1 y 2 son ahora la ahora la etapa eléctrica 1, y la etapa hidráulica 3, está en la etapa eléctrica 2. Con la posibilidad ahora de introducir una corriente eléctrica más baja en la etapa hidráulica 3, pueden adicionarse más pares de células para disminuir la caída de presión a un nivel aceptable.
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El concepto de etapa conduce a una gran flexibilidad en el diseño del sistema usando componentes estándares. Si se necesita un 75 % de desmineralización, entonces suficientes etapas se instalarán para obtener este porcentaje. Si se necesitaran más etapas, aún en una planta que ya haya estado en operación algún tiempo, pueden adicionarse. Esto supone una ventaja, por ejemplo, si se encuentra que un acuífero salobre se hace más salino con el tiempo; o se desea usar el mismo sistema con un acuífero más salino en el mismo lugar o en otro diferente; o si se desea producir un producto con mayor pureza.
1.2.3. CAÍDA DE PRESIÓN La caída de presión a través de una pila de membranas es la suma de caídas de presiones a través de cada etapa hidráulica, la cual depende a su vez del tipo de espaciador, la proporción de flujo por etapa, y del número de pares de células de cada etapa. Cada uno de los espaciadores de camino turbulento de IONICS, tiene un perfil diferente de presión - velocidad. Las curvas de presión velocidad predicen las caídas de presión para los diferentes modelos de espaciadores a través de una única etapa uva vez que la velocidad en esa etapa haya sido calculada.
1.2.4. PRESIÓN DIFERENCIAL La presión diferencial es la diferencia de presión hidráulica entre los flujos desmineralizado y concentrado. Durante la operación normal de la pila de membranas, la presión del flujo desmineralizado se mantiene de (25 a 75 cm de columna de agua) más alta que la presión del flujo de concentrado. El propósito de mantener esta presión del flujo desmineralizado mayor que el de concentrado es asegurar que si ocurren pérdidas internas en la pila (fugas cruzadas) entre los colectores de desmineralizado y concentrado, sea el flujo desmineralizado el que pase el de concentrado y no al revés ya que entonces resultaría contaminado el flujo desmineralizado por el concentrado.
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1.2.5. TRANSFERENCIA DE AGUA Pequeñas cantidades de agua se transfieren eléctricamente (pero no hidráulicamente) a través de las membranas con los iones. La cantidad de agua transferida varía con el tipo de membranas y la concentración de la solución. Normalmente se transfiere el 0,5 % del flujo desmineralizado por 1.000 ppm de sal extraída. Esto representa el límite de pérdida de agua de un sistema ED. / EDR.
1.2.6. LÍMITE DE TEMPERATURA Las pilas de IONICS tienen un límite superior de temperatura entre 40 - 45 ºC. Este límite está determinado por el material de polietileno de baja densidad de los espaciadores, que tiende a perder su rigidez a elevadas temperaturas. Las membranas de transferencia aniónica y catiónica, pueden resistir mayores temperaturas, generalmente en la escala de 60 a 70 ºC.
1.3. SISTEMA DE LIMPIEZA DE LAS MEMBRANAS Las membranas de ED deben limpiarse periódicamente para eliminar las incrustaciones de sales y coloides sobre su superficie. En las plantas se realizan periódicamente, dependiendo de la calidad del agua de alimentación, ciclos de limpieza utilizando una solución diluida de ácido clorhídrico. Con esta limpieza se consigue además la desinfección del sistema.
Las pilas ED pueden desmontarse para realizar la limpieza manual de las membranas.
1.4. SISTEMAS DE ELECTRODIÁLISIS (ED) En esta sección se explicarán varios sistemas de ED, así como su evolución histórica.
ED POR LOTES El primer sistema de ED desarrollado comercialmente era el sistema de lotes. En un sistema de lotes, el agua de alimentación salina o salobre se recircula desde un tanque de apoyo a través de los espaciadores desmineralizadores de una única pila hasta que se alcanza la pureza final deseada. La gama de producción es, por tanto, dependiente de la concentración de minerales disueltos en el agua de alimentación y el grado de desmineralización deseado.
Existen dos corrientes principales: flujo de desmineralizado y flujo de recirculado. Estas dos corrientes fluyen en paralelo a través de la pila de membranas.
El flujo desmineralizado va disminuyendo su contenido en sales a medida que es recirculado por el sistema. Al final del ciclo es recuperado como flujo producto.
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El otro flujo principal recirculado por el sistema es el flujo de concentrado. Su misión es recoger la sal que se transfiere del flujo desmineralizado. El flujo de concentrado se recircula para disminuir la cantidad de agua de rechazo. La recirculación, sin embargo, aumenta la concentración del flujo a un nivel mucho más alto que el del agua de alimentación. Para controlar la concentración de minerales y prevenir las incrustaciones de la pila de membranas, se envía una fracción del flujo de concentrado al rechazo y se necesita una continua adición de agua de alimentación.
ED CONTINUO El segundo sistema comercial fue el de tipo unidireccional continuo. En este sistema, la pila de membranas contiene dos etapas en serie, conectadas internamente de modo que los dos flujos pasan primero a través de la primera etapa y luego por la segunda etapa. Se puede disponer más de dos etapas en una o en varias pilas dispuestas en serie.
El flujo de desmineralizado hace un único recorrido por las pilas y sale como agua producto. El flujo de concentrado es parcialmente reciclado para reducir el desecho y se inyecta ácido y otros agentes químicos para evitar las incrustaciones en la pila (ver pretratamiento).
En estos sistemas el movimiento iónico es unidireccional, los cationes se moverán hacia el cátodo fijo y los aniones se moverán hacia el ánodo fijo. En tal sistema, se necesita, normalmente, adición de productos químicos para evitar la incrustación producida por la precipitación del carbonato y el sulfato de calcio sobre las superficies de las membranas (ver apartado de pretratamiento). Además de la formación de incrustaciones, pueden acumularse sobre la superficie de las membranas de transferencia aniónicas partículas coloidales o barros, al ser ligeramente electronegativas y causar obstrucciones.
ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE (EDR) A principios de los años 70 se introdujo la Electrodiálisis Reversible (EDR) que opera bajo los mismos principios generales que la Electrodiálisis (ED), con la diferencia de que los canales de agua producto y de salmuera son iguales. La polaridad de los electrodos se invierte en intervalos de varias veces por horas alternando simultáneamente el flujo del agua. De este modo, el canal de salmuera se convierte en canal de agua producto, y el canal de agua producto se trasforma en canal de salmuera. El flujo de concentrado que permanece en la pila con una salinidad mayor que la de alimentación, tiene que ser desalado por encontrarse después de la inversión en el compartimento de desmineralizado. Esto crea un breve período de tiempo en el cual la salinidad del flujo de desmineralizado (agua producto) es mayor que el nivel especificado y se denomina Producto Fuera de Norma (PFN). La regulación de los flujos durante el período de inversión se realiza mediante una válvula motorizada de tres vías comandada por un conductivímetro.
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Este cambio en la polaridad invierte la dirección del movimiento de iones dentro de la pila de membranas, controlando de este modo la formación de la película de suciedad y la formación de incrustaciones. Por lo tanto, el cambio de polaridad tiene un efecto de limpieza en las celdas. Las descargas reversibles permiten operar reduciendo el pretratamiento
y el ensuciamiento de las
membranas ya que ningún compartimento de la pila es expuesto a altas concentraciones por un período de más de 15 ó 20 minutos. Para resumir, el proceso EDR tiene cinco efectos positivos en un sistema de membranas:
1.
Rompe la capa de polarización 3 ó 4 veces cada hora, evitando incrustaciones y polarizaciones.
2.
Rompe incrustaciones recientes y las elimina antes de que puedan crecer y dar lugar a problemas.
3.
Reduce la suciedad o formaciones similares sobre la superficie de las membranas por inversión eléctrica del movimiento de las partículas coloidales.
4.
Elimina la complejidad de problemas prácticos asociados a la necesidad de alimentación continua de ácidos u otros productos químicos.
5.
Limpia automáticamente los electrodos con ácido formado durante la etapa anódica.
Diagrama de flujo E.D.R.
1.5. SISTEMAS DE ALTA RECUPERACIÓN En muchos lugares del mundo, obtener un suministro de agua de calidad, se está convirtiendo en un problema de creciente dificultad. Se debe tener mucho cuidado en la utilización de los recursos disponibles. Para aliviar esta situación, la recuperación de agua se ha convertido en una consideración importante cuando se diseña y especifica un sistema desalinizador.
La recuperación de agua se
define como la cantidad de agua producida respecto a la cantidad de agua total suministrada.
% Re cuperción =
Pr oducto ⋅ 100 Alimentación 14
Los sistemas EDR tienen una flexibilidad única en elecciones de diseños que puedan maximizar la recuperación del agua donde quiera que este factor sea importante.
1.5.1. RECICLADO DEL CONCENTRADO La recirculación del flujo de concentrado, se llama reciclado del concentrado. Las proporciones de flujo de agua concentrada y desmineralizada a través de las pilas son
iguales
esencialmente, puesto que la diferencia de presión entre los dos flujos tiene que ser muy pequeña (presión diferencial de 0,03 a 0,07 kg/cm2). En el caso más simple, esta igualdad de flujo podría conducir a una recuperación del agua desmineralizada de sólo la mitad del agua salina tratada. Sin embargo, en casi todas las plantas de ED y EDR una gran parte del concentrado (con algo de agua de alimentación) se recicla, con el consiguiente ahorro de agua de alimentación.
La fracción de concentrado que puede ser reciclado está limitada por la solubilidad de la sal menos soluble. Esto es, la fracción de flujo del concentrado reciclado, puede aumentarse hasta que la menos soluble de las sales precipite. Este nivel de concentrado es controlado enviando una fracción de flujo de concentrado al rechazo y adicionando un volumen de nueva agua de alimentación a este flujo de reciclado.
1.5.2. RECICLADO DE PRODUCTO FUERA DE NORMA (PFN) Durante la inversión de una unidad de EDR, los flujos de desmineralizado y concentrado se intercambian en la pila de membranas. La salinidad del compartimento original concentrado cambia su valor desde, dependiendo de los casos, unos 10.000 ppm, al valor del producto de 250 ppm. La duración del período de (PFN, alta salinidad) es el tiempo requerido para que el agua de alimentación entrante en la entrada del originalmente concentrado en el momento de la inversión de polaridad, pase completamente por el sistema de membranas. Por tanto, cuanto mayor sea el número de etapas, mayor será el tiempo de (PFN)
En los sistemas de EDR estándar, tanto los flujos de agua como la polaridad de las pilas se invierten simultáneamente. El agua producto existente en el sistema entre los tiempos 0 y 30 segundos, se rechaza, puesto que su salinidad es mayor que la requerida por las especificaciones.
Sin embargo, retrasando la inversión de las válvulas de salida durante un período de tiempo controlado se consigue disminuir la salinidad del (PFN) a un punto donde, en la mayoría de los casos, es más baja que la salinidad del agua de alimentación. El (PFN) puede ser, entonces, enviado nuevamente al sistema de alimentación.
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1.5.3. INVERSIÓN SECUENCIAL El sistema de inversión secuencial EDR se basa en controlar independientemente la inversión de las válvulas de entrada, la polaridad eléctrica de cada etapa y las válvulas de salida. La secuencia se inicia con la inversión de las válvulas de entrada. Esto crea un volumen de agua de inversión (una mezcla de flujos desmineralizados y concentrados) el cual fluye entonces a través del sistema. A medida que este volumen de agua atraviesa cada etapa consecutiva, la etapa correspondiente cambia su polaridad. Finalmente se invierten las válvulas de salida. Por tanto, el agua total de inversión es la contenida por una única etapa en vez de la que contiene el sistema completo. El tiempo de PFN se reduce al tiempo necesario para que el agua pase por una sola etapa sin tener en cuenta el número de etapas de la línea en operación.
La inversión secuencial aumenta la recuperación aumentando la cantidad de agua producto, mientras mantiene constante la cantidad total de agua consumida.
Frecuencia de inversión Pruebas recientes han demostrado que, en la mayoría de los casos, las incrustaciones de las membranas pueden ser controladas eficientemente con una frecuencia de inversión de polaridad reducida. Donde quiera que los sistemas estándar utilicen un ciclo de polaridad de 15 minutos (tiempo entre cada inversión de polaridad), la mayoría de las unidades pueden operar eficientemente con un ciclo de polaridad de 30 minutos.
Cortando la frecuencia de polaridad a la mitad, la parte de producto global que se rechaza (PFN) se reduce al 50 %. En el caso de la unidad base, el tiempo de PFN es del 10%. Doblando el ciclo de polaridad a 30 minutos, el porcentaje de (PFN) se reduce a un 5%, con lo cual se aumenta la producción neta, aumentado la recuperación y disminuyendo el consumo de energía.
1.5.4. RECICLADO DEL FLUJO DE ELECTRODOS Cuando se combinan los flujos del ánodo y cátodo, se neutralizan químicamente el uno al otro con un pH y salinidad resultante aproximadamente igual que la del agua de alimentación. Los gases que contienen estos flujos combinados son extraídos, después de lo cual el líquido es enviado normalmente al rechazo. Sin embargo, puesto que este líquido es esencialmente el mismo que el de alimentación, puede retornar al tanque de alimentación, junto al (PFN) y así incrementar la recuperación del sistema, mientras que se reduce la cantidad total de agua de desecho. En grandes sistemas, el flujo de electrodos representa una cantidad relativamente pequeña de la cantidad total de agua que está siento tratada. Sin embargo, en sistemas más pequeños, el flujo de electrodos puede representar una parte significativa del agua tratada.
16
1.6 DIFERENCIAS DE LA ED CON OTROS PROCESOS DE MEMBRANAS Las principales diferencias entre la ED y otros procesos de membranas son las siguientes:
1)
Utiliza energía eléctrica directa en vez de energía de presión.
2)
Las membranas de ED son impermeables.
3)
La desalación se efectúa por eliminación de los iones del fluido a tratar al ser éstos los que pasan a través de la membrana.
4)
El proceso no necesita energía de presión. En la práctica hay que suministrar al fluido la pérdida de carga a través del equipo (máxima 3,5 kg/cm2).
5)
Las membranas son de dos tipos: catiónicas, cargadas negativamente y aniónicas, cargadas positivamente.
6)
El consumo energético es directamente proporcional a la cantidad de sales desplazadas.
7)
El rechazo de sales por etapa es del 40-50 %.
8)
Sólo se eliminan partículas cargadas eléctricamente.
9)
Las pérdidas de agua son muy bajas, oscilando entre el 5 y el 20 %.
10) Los productos químicos se añaden al circuito de salmuera con lo que las cantidades a utilizar son siempre muy inferiores a las de otros sistemas. 11) Las necesidades de pretratamiento son muy ligeras, ya que las membranas son muy resistentes a los oxidantes y al ensuciamiento orgánico, por lo que se obtienen muy buenos resultados en el tratamiento de efluentes de plantas de aguas residuales. 12) Las membranas admiten un nivel continuo de cloro libre residual de hasta 0,3 ppm, y valores de pH entre 1 y 10. 13) La salmuera puede trabajar con índices de Langelier positivos hasta 1,8 y niveles de saturación de sulfato cálcico de 150 % sin adición de productos químicos. Con pequeñas adiciones de hexametafosfato en el circuito de salmuera, pueden alcanzarse saturaciones de hasta el 400 %. 14) El costo de instalación suele ser mayor y el de operación menor, siendo el costo total en la mayoría de los casos menor que el de ósmosis inversa. 15) El diseño de los sistemas EDR permite limpiar las membranas de tres formas: 16) Continuamente por medio del cambio de polaridad 17) Periódicamente por limpieza química 18) Ocasionalmente, y de ser necesario por el desmontaje y limpieza manual de las membranas individualmente. 19) La producción de cloro gas como subproducto origina u ahorro extra en los usos agrícolas. 20) Es insensible a la cantidad de sílice existente en el agua bruta La electrodiálisis se utiliza normalmente para desalar aguas salobres, operando, en la mayoría de los casos, con corriente continua como alimentación a los electrodos que crean el potencial necesario para separa las sustancias no iónicas en la pila de membranas.
17
2. ÓSMOSIS INVERSA
2.1 EL FENOMENO DE LA ÓSMOSIS
ÓSMOSIS NATURAL La ósmosis es un proceso natural. En un recipiente que contiene dos soluciones con los mismos constituyentes pero con distintas concentraciones separadas por una membrana semipermeable, es decir, que sólo permita la difusión a su través de uno de los constituyentes, como por ejemplo el agua, se produce la difusión del agua desde el compartimento de mayor concentración al de menor aumentando su nivel. Al alcanzar el equilibrio la difusión del agua terminará. En este momento la presión generada por el aumento de nivel contrarresta el potencial que hace difundir el agua a través de la membrana.
Si la solución diluida fuera agua pura (C = 0), a la diferencia de alturas que existiría entre ambos compartimentos cuando se alcanzase el equilibrio, se la llamaría “presión osmótica” de la solución concentrada.
La presión osmótica de agua pura se considera nula por convenio.
ÓSMOSIS INVERSA Considerando el mismo sistema anterior pero suponiendo que sobre el compartimento de la solución concentrada ejercemos una presión superior a la diferencia de presión osmótica. Esta presión provocaría la difusión del agua hacia la solución más diluida. A este fenómeno se le conoce con el nombre de “ósmosis inversa”.
Esquema de principio de la ósmosis inversa
18
El proceso industrial consiste en una bomba que envía la solución a tratar a una presión superior a la osmótica hacia la membrana semipermeable. En uno de sus lados de la membrana la presión se mantiene alta, con lo que se fuerza al solvente a atravesar la membrana y junto con él lo hará una pequeña cantidad de soluto. Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada por ella se evacuan en continuo de sus compartimentos. Una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo controla el porcentaje de solución que es convertida en producto.
Esquema del proceso industrial de la ósmosis inversa
2.2 MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA Fuente:
-
FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. Las membranas pueden clasificarse en función de distintos parámetros, como muestra la
tabla 1.
Tabla 1: "Clasificación de las membranas de ósmosis inversa" Parámetros ESTRUCTURA NATURALEZA FORMA
COMPOSICIÓN QUÍMICA CARGA SUPERFICIAL
MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE PRESIÓN DE TRABAJO
Tipos Simétrica Asimétrica Integrales Compuestas de capa fina Planas Tubulares Fibra hueca Orgánicas Inorgánicas Neutras Catiónicas Aniónicas Lisas Rugosas Muy baja Baja Media Alta
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TÉCNICA DE FABRICACIÓN
De máquina
Inversión de fase Poli condensación entre fases Polimerización Plasma
Dinámica
2.2.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA ESTRUCTURA Atendiendo a la estructura que presentan
en un corte transversal a la superficie en
contacto con la solución a tratar, las membranas pueden ser:
Simétricas Se llaman membranas “simétricas” u “homogéneas” a aquellas cuya sección transversal ofrece una estructura porosa uniforme a lo largo de todo su espesor, no existiendo zonas de mayor densidad en una o ambas caras de la membrana.
Fueron las primeras membranas utilizadas por C.E. Reid (C. E. Reid et. Al., Water and Ion Flow Trough Imperfect Osmotic Membranes, Res. Develop. Progr. Rept., nº 16, Office of Saline Water, U.S. Dept. Interior.)
en los inicios del desarrollo de la ósmosis inversa. Las membranas
simétricas presentan varios inconvenientes: elevada permeabilidad al solvente y bajo rechazo de sales. Actualmente se utilizan en otras técnicas pero no son aptas para la ósmosis inversa.
Asimétricas Un corte transversal de una membrana de este tipo presenta en la cara en contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada bajo la cual aparece un lecho poroso.
Esta capa densa y delgada se denomina “capa activa” y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del soluto. El resto de la membrana constituye el soporte de la capa activa ofreciendo una resistencia mínima al paso del solvente.
Las membranas asimétricas son los utilizadas industrialmente en proceso de la
ósmosis
inversa.
2.2.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA NATURALEZA Atendiendo a su naturaleza, las membranas “asimétricas” de ósmosis inversa pueden ser:
Integrales En las membranas “integrales” existe continuidad entre la capa activa y el lecho poroso soporte siendo ambos del mismo polímero. Los dos tienen la misma composición química y entre ellos no hay una clara separación, sino un aumento progresivo de la porosidad.
20
Las membranas de esta naturaleza se obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a partir de una solución del mismo. Posteriormente a la coagulación del polímero, se introduce la película en una serie de baños de agua a distintas temperaturas. Con estos baños se forma la capa activa y la estructura porosa, a la vez que se eliminan los distintos disolventes residuales que hayan quedado en la membrana, procedentes de la fase de fabricación de la película.
El espesor de la capa activa es del orden de las 0,25 micras y el del lecho poroso que le sirve de soporte es de unas 99,75 micras, lo que hace un espesor total de 100 micras aproximadamente.
El principal inconveniente de este tipo de membranas es que al ser ambas capas del mismo polímero y tener misiones contrapuestas, toda mejora de las características de la capa activa viene acompañada de un peor comportamiento del lecho poroso y viceversa.
Compuestas de capa fina En las membranas compuestas de capa fina, la “capa activa” y el sustrato microporoso que le sirve de soporte son de materiales diferentes. La membrana consta de tres capas de distintos materiales que, en orden descendente, son:
•
Capa superior: Capa activa.
•
Capa intermedia: Lecho poroso de la capa activa.
•
Capa inferior: Tejido reforzado responsable de la resistencia mecánica de la membrana.
A diferencia de las membranas integrales, las compuestas de capa fina se fabrican en dos etapas. En la primera etapa se deposita la capa intermedia sobre una tela de refuerzo que constituye la capa inferior. El espesor del lecho poroso ronda las 40 micras.
En la segunda etapa se deposita sobre la capa intermedia la capa superior o capa activa cuyo espesor es de 0,2 a 0,5 micras. Variando el tipo de polímero utilizado y los parámetros de fabricación se obtienen membranas con distintas características tanto de rechazo de sales como de flujos de permeado por unidad de superficie.
Las membranas “compuestas de capa fina” son la evolución tecnológica de las integrales. Presentan, frente a estas últimas, las siguientes ventajas:
•
Cada capa (activa, lecho soporte o tejido reforzado) puede desarrollarse y optimizarse separada e independientemente, adecuando cada una a su trabajo específico.
21
•
Se puede variar a voluntad el espesor de la capa activa adecuándolo a las necesidades específicas de cada aplicación.
•
Puede alterarse la porosidad de la capa activa y, por tanto, su porcentaje de rechazo de sales así como el flujo de permeado, en función de las necesidades.
2.2.3. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA Atendiendo a la forma que presenta la membrana, una vez fabricada, se pueden distinguir los siguientes tipos:
Planas Este tipo de membranas, como indica su nombre, presenta una capa activa plana. Se fabrican en forma de lámina de papel continuo cortándose posteriormente para adoptar distintas formas geométricas en función de la técnica empleada para su posterior ensamblaje: rectangular, disco, circular, elíptica, oval, etc.
Tubulares Las membranas tubulares se construyen en forma de tubo huevo, de distintas longitudes. Su diámetro interior oscila entre 6 y 25 mm. La capa activa en este tipo de membranas suele encontrarse en la superficie interior del tubo. El resto del espesor presenta como ya se ha dicho una estructura porosa y sirve de soporte a la capa activa.
La solución a tratar circula por el interior, el permeado fluye radialmente del interior hacia el exterior y el rechazo se obtiene en el otro extremo del tubo. Las membranas fabricadas con esta forma son mayoritariamente “integrales”, aunque unos pocos fabricantes también suministran membranas “compuestas de capa fina” tubulares.
Fibra hueca A estas membranas también se las llama “capilares” ya que su aspecto es el de una fibra de tejer hueca o el de un tubo capilar hueco del tamaño de un cabello humano. Como todas las membranas de ósmosis inversa disponen de una película muy densa en su parte exterior que constituye la “capa activa”. Bajo esta fina película y hacia el centro del tubo se encuentra la estructura porosa que se sirve de soporte.
El diámetro interior de la fibra varía según el fabricante y el tipo de aplicación entre 42 y 120 micras y los diámetros exteriores correspondientes entre 85 y 250 micras.
La solución a tratar circula por el exterior de la fibra. El permeado fluye radialmente desde el exterior hacia el interior, recogiéndose en el extremo de la fibra.
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Las membranas de fibra hueca que se fabrican son, por el momento, exclusivamente “integrales”, dada la dificultad técnica que entraña hacer membranas “compuestas de capa fina” con esta forma.
Las membranas de fibra hueca presentan una gran superficie por unidad de volumen, por lo que se utilizan con polímeros cuyo caudal de permeado por unidad de superficie sea bajo.
2.2.4. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA Atendiendo a la composición química de la capa activa, las membranas pueden clasificarse en dos grandes grupos:
•
Orgánicas.
•
Inorgánicas.
Membranas Orgánicas Reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánico.
Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la ósmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de membranas de ósmosis inversa son:
a.
Acetato de celulosa (CA) Acetilando la celulosa procedente de la madera o del algodón se obtiene un producto llamado
acetato de celulosa. Tratándolo con agentes saponificantes se hidroliza una pequeña parte de los grupos acetato, mejorando así su solubilidad y dando lugar al acetato de celulosa modificado.
La primera membrana semipermeable "asimétrica" de ósmosis inversa para la desalación de agua la obtuvieron Loeb y Sourirajan a partir de una mezcla de acetatos de celulosa. Es, por tanto, un polímero muy experimentado. Gran parte de los fabricantes de membranas siguen contando con este material.
Las membranas de acetato de celulosa tras su formación se someten
a unos tratamientos
complementarios o "curado". El objeto de este "curado" es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas utilizadas. Existe una gran diversidad de membranas dependiendo de los resultados de estos tratamientos.
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La tabla 2 recoge de forma resumida las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con acetato de celulosa. Tabla 2: "Membranas de acetato de celulosa". Ventajas
Inconvenientes
Alta permeabilidad
Alta sensibilidad a la hidrólisis
Elevado porcentaje de rechazo de sales
Posibilidad de degradación
Tolerancia al cloro libre
Alto riesgo de disolución de la membrana
Bajo costo
Aumento del paso de sales con el tiempo Elevadas presiones de trabajo
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. b. Triacetato de Celulosa (CTA) El triacetato de celulosa tiene un mejor comportamiento que el acetato de celulosa frente a la hidrólisis, lo que se traduce en la posibilidad de trabajar en una gama de pH algo más amplia.
Este polímero, además de los inconvenientes señalados para el acetato de celulosa, presenta el añadido de tener un caudal de permeado por unidad de superficie más bajo. Estas circunstancias hacen que los fabricantes que lo utilizan elaboren con él
membranas de fibra hueca ya que la
superficie por unidad de volumen que se consigue con esta forma es elevada, contrarrestando así el bajo flujo de permeado.
Algunos fabricantes utilizan también mezclas de acetato, diacetato y triacetato de celulosa, dependiendo de las características de las membranas que quieran obtener.
c. Poliamida Aromática (AP) Dentro de este apartado existen dos polímeros básicos muy similares entre sí desde el punto de vista químico y, por tanto, con características de resistencia química parecidas. Dichos polímeros son:
a) Poliamida aromática lineal (LAP) Este tipo de polímero se utiliza para fabricar membranas "integrales" tanto planas como de fibra hueca.
b) Poliamida aromática entrecruzamientos (CAP) Este polímero se utiliza para fabricar membranas compuestas de capa fina. La tabla 3 muestra las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con una poliamida aromática.
24
Tabla 3: "Membranas de Poliamida Aromática". Ventajas
Inconvenientes
Alto porcentaje de rechazo de sales
Sensibilidad frente a los oxidantes
Ausencia de hidrólisis
Fácil
ensuciamiento
y
aparición de
desarrollos
biológicos No biodegradabilidad
Alto costo
Alta estabilidad química Constancia del paso de sales a lo largo del tiempo Presiones de trabajo reducidas
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. d. Poliéter-Urea Las membranas con esta formulación son siempre "compuestas de capa fina". Este tipo de membranas contiene un exceso de grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónica.
La tabla 4 compara las membranas de acetato de celulosa, las de poliamida y las de poliéter-urea. Estos polímeros son los utilizados habitualmente para fabricar membranas de ósmosis inversa. Tabla 4: "Comparación de Membranas de celulosa, poliamida y poliéter-Urea". Parámetro
Celulósicas
Poliamida
Poliéter-Urea
Lineal
Entrecruzada
Alta
Baja
Alta
Alta
75
96,0
98,0
97,5
95 - 97,5
96,0
98,2
99,0
99,0
99,4
99,4
99,2
85,0
88,0 - 94,0
98,0
94,0
90,0 - 93,0
88,0 - 94,0
98,0
95,0
Presión de trabajo Baja
16
16
10
16
(bar)
30
30
20
25
60 - 70
70 - 84
60 - 70
56 - 70
Hidrólisis
Sí
No
No
No
Biodegradabilidad
Sí
No
No
No
4,5 - 6,5
4-9
4 - 11
5 - 10
< 1 ppm
0 ppm
1.000 ppm
0 ppm
Moderada
Mala
Regular
Muy mala
Neutra
Aniónica
Aniónica
Catiónica
Morfología de la superficie
Lisa
Lisa
Muy irregular
Irregular
Riesgo de ensuciamiento
Bajo
Medio
Alto
Bajo
Permeabilidad Rechazo
de Baja presión
cloruros %
Media presión Alta presión
Rechazo de nitratos % Rechazo de sílice %
Media Alta
PH de trabajo Resistencia al cloro libre Resistencia a otros oxidantes fuertes Carga de la superficie
25
Compactación Temperatura máxima (ºC)
Alta
Alta
Baja
Baja
35
40
45
45
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. e. Poliacrilonitrilo Las membranas fabricadas con este polímero se comportan muy bien ante los disolventes orgánicos. El rechazo de sustancias orgánicas que presentan es también muy bueno. Sin embargo, desde el punto de vista del rechazo de sales minerales o de flujo de permeado, son mucho menos interesantes que las fabricadas con poliamidas aromáticas.
f. Polibencimidazola Las membranas fabricadas con este polímero presentan una excelente resistencia tanto a pH extremos como a diferentes productos químicos, lo que permite aplicarlas en galvanoplastia y otros procesos industriales.
La pérdida de caudal y de rechazo de sales que se produce durante su almacenamiento ha limitado, sin embargo, considerablemente su desarrollo.
g. Polipiperacidamidas Estas membranas son mucho más resistentes al cloro y otros oxidantes que las de poliamida y poliurea. Aunque presentan un elevado rechazo de iones divalente, el rechazo de iones monovalentes es mucho menor, por lo que sólo pueden utilizarse para casos especiales.
Con este polímero puede fabricarse tanto membranas "integrales" como "compuestas de capa fina".
h. Polifurano sulfonado Aunque estas membranas producen los máximos rechazos conocidos tanto de sales como de solventes orgánicos de entre todas las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado, son extraordinariamente sensibles a la oxidación, hasta tal punto que el propio oxígeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las destruye, lo que limita considerablemente su utilización.
Estas membranas son siempre "compuestas de capa fina".
26
i.
Polisulfona sulfonada En estos momentos, las membranas "Compuestas de capa fina" de poliamida aromática poseen un
conjunto de características de flujo, rechazo de sales y resistencia química excelentes. Si además fuesen resistentes al cloro libre y a otros oxidantes fuertes, tendríamos las membranas soñadas.
Se ha pensado que la polisulfona sulfonada podría ser el polímero ideal que aglutine las ventajas de las membranas de poliamida con la resistencia al cloro libre.
Para conseguir que las membranas de este polímero presenten flujos de permeado adecuados y rechazos de sales correctos, es necesario alcanzar un determinado contenido de grupos sulfónicos, lo que por el momento, está resultando difícil de lograr.
Tabla 5: "Clasificación de las distintas membranas orgánicas disponibles". Polímero
Acetato de Celulosa modificado
Triacetato de Celulosa Poliamidas aromáticas lineales
Fabricante Fluid Systems Hydranautics Nitto DenKo Toray Desalination Systems Permetec Osmonics Trisep Toyobo Dow Chemical
Roga CAB NTR 1500/1600 SC Desal CA AC Sepa SB Hollosep Dowex LP, SP
Clasificación Naturaleza Forma Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Plana Integral Fibra Hueca Integral Fibra Hueca
Du pont Du pont *
B9, B10 B -15
Integral Integral
Fibra Hueca Fibra Hueca
TFCL CPA/SWC/ESPA NTR/SF/SR/UP/SWC PA SU 700/800 Desal 3 FT - 30 ACM ZF 99 TFC CPA 1 NTR - 7100 SU 400 A 15/X20 NTR7250/729HF SU-200/600 LP Desal 5 NF 410 PEC 1000 NTR 7400 Desal plus
Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta
Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Tubular Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana
Fluid systems Hydranautics aromáticas con Nitto DenKo entrecruzamientos Permetec Toray Desalination Systems Filmtec Trisep PCI Fluid Systems Polieter-Urea Hydranautics Nitto Denko Toray Trisep Nitto Denko Polipiperacidamida Toray Permetec Desalination Systems Filmtec Polifurano sulfonado Toray Polisulfona sulfonada Nitto Denko Desalination Systems Poliamidas
Nombre Comercial
27
Millipore
PSRO
Compuesta
Plana
(*) No disponible en la actualidad. Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. La tabla 5 muestra la clasificación aproximada de las distintas membranas orgánicas de ósmosis inversa existentes en el mercado, en función de su composición química.
Membranas Inorgánicas Las membranas orgánicas presentan dos limitaciones importantes que reducen su campo de aplicación: su estabilidad química y la resistencia a la temperatura. La búsqueda de soluciones a estos dos problemas ha desembocado en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Los cuatro grandes grupos en que se pueden clasificar las membranas inorgánicas son:
A.
Cerámicas Las membranas cerámicas han sido, hasta estos momentos, las más investigadas. De entre los distintos productos cerámicos, el más utilizado para la fabricación de membranas ha sido la alúmina (AlO3) en sus distintas variedades (Alfa, Beta y Gamma).
Partiendo de un compuesto orgánico de aluminio, controlando la formación del gel y variando tanto las condiciones de precipitación como las de calcinación, se puede modificar el tamaño de los poros de la membrana obtenida.
B.
Vidrios Utilizando como materias primas, en proporciones adecuadas, cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, a los que se suele añadir óxido potásico, calcio y alúmina para aumentar su resistencia a los álcalis, y controlando durante la fusión tanto el régimen de temperaturas como su duración, se obtiene una mezcla de dos fases: una de vidrio de silicio casi pura y otra de ácido bórico rica en borato sódico.
Tratando dicho vidrio con ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación puede controlarse el tamaño de los poros obtenidos.
Con esta técnica pueden fabricarse membranas planas, tubulares o capilares. Tanto las membranas cerámicas como las de vidrio presentan el inconveniente de su fragilidad y su escasa resistencia a las vibraciones.
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C.
Fosfacenos Las membranas fabricadas con este polímero pueden soportar temperaturas de hasta 250 ºC en presencia de disolventes o ácidos y bases fuertes.
D.
Carbonos Las membranas de esta naturaleza presentan habitualmente una estructura compuesta. El lecho soporte suele ser de carbono sinterizado y la capa filtrante de óxidos metálicos a base de zirconio (ZrO2).
Las membranas de este tipo pueden soportar valores extremos del pH (0-14) y temperaturas hasta 300 ºC.
Como características comunes a las membranas inorgánicas cabe señalar que su desarrollo acaba de comenzar, disponiéndose solamente de membranas de microfiltración y ultrafiltración, no existiendo todavía en el mercado, en estos momentos, ninguna membrana de ósmosis inversa de esta naturaleza.
Otras características comunes a estas membranas son su elevado costo (entre 5 y 10 veces el de una membrana orgánica) y la dificultad que presentan para elaborar módulos con ellas.
2.2.5. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CARGA SUPERFICIAL A veces los polímeros orgánicos con que se fabrican las membranas de ósmosis inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos (aminas, sulfónicos, carboxílicos, etc.), lo que confiere a la superficie activa de éstas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse determinando su "potencial Z". Este parámetro da una idea de la carga eléctrica existente por unidad de superficie.
Atendiendo a esta naturaleza, las membranas pueden ser:
Neutras Aquellas que no presentan ninguna carga eléctrica. En estas membranas su "potencial Z" sería nulo.
Catiónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es positiva. Atendiendo al mayor o menor valor de la carga eléctrica y, por tanto, del "potencial Z", las membranas pueden ser fuertes o débilmente catiónicas.
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Aniónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es negativa. Pueden igualmente ser fuerte o débilmente aniónicas.
Los distintos grupos químicos pueden hidrolizarse o no, dependiendo del pH del medio, lo que altera la carga eléctrica resultante sobre la superficie de la membrana. Consecuentemente, dicha carga dependerá, en general, no sólo de la naturaleza del polímero sino también del pH de la solución de aporte.
La naturaleza y magnitud de la carga eléctrica existente sobre la superficie de una membrana tiene mucho que ver tanto con su ensuciamiento como con la aparición y crecimiento de desarrollos biológicos sobre la misma.
De esto se deduce que una membrana catiónica tendrá gran afinidad por los coloides, tanto orgánicos como minerales, de signo opuesto (aniónicos) que tenderán a depositarse sobre su superficie. Lo mismo sucederá con las membranas aniónicas y los coloides catiónicos.
2.2.6. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA MORFOLOGÍA DE SU SUPERFICIE Atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas pueden ser:
Lisas Son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa.
Rugosas Son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es rugosa. La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa, además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar.
2.2.7. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa en la presión de trabajo. Como dicha presión debe ser varias veces superior a la presión osmótica de la solución de aporte, debido, por un lado, a los fenómenos de polarización de la membrana, y por otro, al aumento de concentración que se produce a medida que se va generando permeado, su valor vendrá condicionado por la salinidad de la solución a tratar.
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En la actualidad, las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado pueden encuadrarse en una de las cuatro categorías siguientes:
Membranas de muy baja presión Son las que trabajan con presiones comprendidas entre 5 y 10 bares. Se utilizan para desalar aguas de baja salinidad (entre 500 y 1.500 mg/l) y fabricar agua ultra pura.
Estas membranas, de reciente aparición en el mercado, han sido concebidas igualmente para competir contra el proceso de desmineralización de agua con resinas intercambiadoras de iones.
Membranas de baja presión Este tipo de membranas trabajan a una presión comprendida entre 10 y 20 bares, Se utilizan para desalar aguas de salinidad media (entre 1.500 y 4.000 mg/l), así como para reducir o eliminar de ella ciertos compuestos como nitratos, sustancias orgánicas, pirógenos, etc.
Membranas de media presión La presión de trabajo de estas membranas está comprendida entre 20 y 40 bares. Desde el punto de vista histórico, éstas fueron las primeras membranas que se comercializaron. Aunque se han venido empleando para desalar aguas de elevada salinidad (entre 4.000 y 10.000 mg/L), en la actualidad sus aplicaciones se han generalizado utilizándose en múltiples procesos de separación y concentración.
Membranas de alta presión Estas membranas se han desarrollado para poder obtener agua potable a partir del agua del mar. Su presión de trabajo, debido a la elevada presión osmótica del agua de mar (20-27 bares, llegando en el Mar Rojo a 35 bares), está comprendida entre 50 y 80 bares.
La meta de los distintos fabricantes de este tipo de membranas no fue sólo obtener agua potable a partir de agua de mar, sino hacerlo en un sólo paso. Como recomendaciones de la O.M.S. para el agua potable indicaban que su contenido máximo en sales disueltas no debía ser superior a 500 mg/L., el porcentaje mínimo de rechazo de sales que debían presentar estas membranas tenía que ser del orden del 99 %.
Aunque inicialmente (en la década de los años 70) muy pocos fabricantes ofrecían esta posibilidad, en la actualidad todos los importantes disponen de membranas con rechazos de sales comprendidos entre el 99,2 y el 9,5 %.
31
2.2.8. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA TÉCNICA DE FABRICACIÓN Atendiendo a la técnica utilizada para su fabricación, las membranas de ósmosis inversa pueden ser:
De máquina Son aquellas en las que las reacciones entre los distintos compuestos que intervienen en su formación y la consiguiente fabricación de la membrana tienen lugar en una máquina destinada a tal fin.
Dinámicas A diferencia de las membranas de máquina, las membranas dinámicas se fabrican in situ, esto es, en la instalación donde van a utilizarse. Para ello se filtra a través de un soporte poroso una solución que contiene determinadas sustancias coloidales o disueltas (óxidos de zirconio, ácidos poliacrílico y poliestirensulfónico, etc.).
Si el tamaño de los poros del sustrato es adecuado, estas moléculas quedan retenidas en la superficie formando una pequeña película o "Capa Activa" que puede presentar una alta permeabilidad y un cierto rechaza de sales, en función de las condiciones de formación.
La utilidad de estas membranas en el campo de la ósmosis inversa es, por el momento, escasa. Se utilizan solamente para aumentar el rechazo de sales de una membrana convencional. Así por ejemplo, recirculando una solución de ácido tánico a través de una membrana de ósmosis inversa de poliamida lineal, se consigue reducir su paso de sales a un tercio o a un quinto de su valor inicial.
Este tipo de membranas presenta dos problemas importantes. El primero es que se van destruyendo con el tiempo. Por lo que deben ser formadas de nuevo periódicamente. El segundo es la variabilidad de los distintos parámetros ya que los valores que se obtiene suelen ser con frecuencia aleatorios.
2.3. MÓDULOS Industrialmente las membranas se colocan en una configuración determinada con el fin de que puedan soportar las diferentes presiones de trabajo. Para obtener un caudal dado de agua producto con las características óptimas, es necesario colocar en paralelo varias unidades elementales de producción. A estas unidades elementales se les llama módulos y consiste en una agrupación de membranas con una configuración determinada.
Los objetivos que se pretenden conseguir con cada configuración son:
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•
Obtener el máximo rendimiento de las membranas.
•
Conseguir un sistema lo más compacto posible.
•
Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas.
•
Facilitar la sustitución de la membranas deterioradas.
•
Mejorar la limpieza de las membranas sucias.
Existen varias configuraciones encaminadas a conseguir varios de estos objetivos. 2.3.1. CONFIGURACIONES Las configuraciones actualmente disponibles para los módulos o unidades de producción son:
Módulos de placas Este tipo de configuración es el más antiguo. Está formado por un conjunto de membranas planas, recortadas generalmente en forma rectangular o de disco circular. Se apoyan sobre mallas de drenaje o placas porosas que les sirven de soporte. Las membranas se mantienen separadas entre sí por medio de espaciadores cuya anchura el del orden de los 2 mm.
El módulo se obtiene apilando “paquetes” formados por espaciador - membrana - placa porosa - membrana. El conjunto así formado se comprime mediante un sistema de espárragos de manera que pueda soportar la presión de trabajo. La estanqueidad se logra mediante juntas elásticas colocadas en los extremos. La misión de los separadores o espaciadores es triple: •
Separar las capas activas de dos membranas consecutivas.
•
Lograr un correcto reparto hidráulico de la solución a tratar sobre las membranas permitiendo el paso de líquido entre ambas.
•
Recoger de manera uniforme el rechazo impidiendo la formación de caminos preferenciales. Así como las membranas son responsables de separar el permeado de la solución de aporte,
las placas soporte, además de suministrar resistencia mecánica a la membrana, deben recoger el permeado de forma uniforme y evacuarlo al exterior.
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Membranas, espaciadores y placas porosas de un módulo de placas
Módulo de placas. Distribución de flujos en cada paquete
Módulos tubulares El nombre de esta configuración se debe a que los módulos se fabrican a partir de membranas tubulares y tubos perforados o porosos que les sirven de soporte, pudiendo así resistir el gradiente de presiones con que deben trabajar. Como
esta
configuración
suele
utilizarse
para
el
tratamiento de líquidos cargados (aguas residuales, zumos, etc.), se colocan, a veces, en el interior de los tubos, dispositivos especiales destinados a producir altas turbulencias que aseguren elevadas velocidades de circulación sobre la superficie de las membranas e impidan la deposición sobre ellas de las distintas sustancias en suspensión existentes en el líquido a tratar.
Módulos espirales
Módulo tubular
Esta configuración se llama así porque está formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo central.
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Cada “paquete”, consta de una lámina rectangular de membrana semipermeable doblada por la mitad de forma que la capa activa quede en su exterior. Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales para recoger el permeado que atraviese la membrana y conducirlo hacia el tubo central de recogida. Encima de la capa activa de la membrana se coloca una malla provista de canales de distribución para repartir homogéneamente la solución de aporte sobre toda la superficie de la membrana.
Para conseguir la estanqueidad entre la solución de aporte y el permeado se colocan, en los laterales de la lámina de ósmosis inversa, cordones de cola entre el tejido colector de permeado y las membranas, de forma que el sellante penetre totalmente en los tejidos.
Los laterales del tejido colector del permeado se encolan igualmente al tubo central que es de material plástico y va provisto de orificios.
El paquete así formado se enrolla alrededor del tubo central dando lugar a un cilindro al que se le colocan en sus extremos dos dispositivos plásticos para evitar su deformación, tras lo cual se recubre el conjunto con una capa de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio para darle la rigidez y la resistencia mecánica necesarias.
Módulo de espiral de una hoja
Este tipo de módulos se fabrican en los cuatro diámetros exteriores siguientes:
2 ½” 4” 8” 10”
65 mm 100 mm 200 mm 250 mm
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Disposición transversal de un módulo espiral Si se utiliza un único “paquete” de membranas para fabricar los módulos de gran diámetro, se requerirían hojas muy largas, lo que originaría problemas hidráulicos en la recogida del permeado y, por tanto, en el reparto de la solución a tratar. Por este motivo, los módulos suelen fabricarse enrollando varios “paquetes” de membranas como los descritos pero de longitud reducida. Un módulo de 8” suele llevar entre 16 y 18 paquetes.
La circulación habitual de flujos en este tipo de módulos es la mostrada en la figura 4.5. La solución de aporte circula en dirección axial, paralela al tubo central, conducida por la malla distribuidora existente entre las capas activas de dos membranas consecutivas. El permeado que atraviesa la membrana es recogido por el tejido colector, que lo lleva espiralmente al tubo central del que sale al exterior por uno de sus extremos. El rechazo o solución de aporte que no atraviesa la membrana continúa su avance en dirección axial, abandonando la malla distribuidora por el otro extremo.
Los módulos espirales se interconexionan en serie dentro de un tubo destinado a soportar la presión de trabajo. En el interior de cada tubo pueden instalarse hasta siete módulos, alcanzándose longitudes totales superiores a los siete metros.
La solución de aporte, a medida que va atravesando los distintos módulos instalados en serie, se va concentrando, siendo evacuada del tubo de presión por el extremo opuesto a su entrada. El permeado puede ser recogido en el mismo extremo que el rechazo o en el opuesto, según convenga.
Módulos de Fibra Hueca Se llaman así porque se fabrican con varios centenares de miles de membranas de fibra hueca dobladas en forma de “U” y colocadas paralelamente a un tubo central. Las membranas se fijan en ambos extremos mediante resina epoxi para dar estabilidad al haz así formado.
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La solución de aporte se introduce a presión en el tubo central quien la reparte radial y uniformemente a través de todo el haz de fibras.
Cuando la solución a tratar entra en contacto con la superficie exterior de la fibra donde se encuentra la capa activa, una parte de la misma (el permeado) atraviesa la fibra moviéndose por su interior hueco hasta el extremo abierto.
Los finales abiertos de las fibras huecas están embebidos en una masa de resina epoxi, constituyendo uno de los extremos del haz. Esta masa, una vez mecanizada para abrir las fibras, se conoce con el nombre de “placa tubular”.
Cuando el permeado abandona el haz de la placa tubular, pasa a través de un bloque poroso antes de alcanzar
el exterior del módulo. El bloque poroso tiene por misión lograr un correcto
reparto hidráulico en la recogida de permeado y, por tanto, también en la distribución de la solución de aporte a través del haz de fibras.
El rechazo se mueve hacia la placa de epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras, saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre ésta y la carcasa exterior. Una junta tórica situada en la placa tubular impide que el permeado se mezcle con el rechazo.
El haz de fibras se instala en el interior de un tubo fabricado con epoxi y fibra de vidrio cuya misión es soportar, desde el punto de vista mecánico, las presiones de trabajo.
Esquema de un módulo de fibra hueca
Este tipo de módulos, en el campo de la ósmosis inversa, sólo son fabricados por tres compañías: -
DU PONT (PERMASEP)
-
TOYOBO (HOLLOSEP)
(ya no fabrica)
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-
DOW CHEMICAL (DOWEX)
2.3.2. COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES De las cuatro configuraciones presentadas, las más utilizadas en la ósmosis inversa son la espiral y la de fibra hueca.
Los módulos tubulares se comportan muy bien con líquidos cargados pero, por el contrario, como la superficie de membrana disponible por módulo es baja, se precisan muchos módulos y mucho espacio. Esto se traduce en una inversión costosa y un bajo mantenimiento al no ensuciarse. Los módulos de fibra hueca, sin embargo, son muy compactos ya que la superficie de membrana por unidad de volumen que presentan es elevada. Esa gran compacidad, que desde el punto de vista de la inversión es ventajosa, hace que sean más sensibles que otras configuraciones al ensuciamiento, tanto por sustancias coloidales como por sustancias en suspensión. Esta circunstancia recomienda su uso sólo en aplicaciones con líquidos muy limpios ya que en caso contrario, aunque la inversión fuese reducida, los costos de operación y mantenimiento serían elevados por las frecuentes limpiezas y deterioros de los módulos.
Todas las configuraciones, utilizando membranas con la misma química y la misma estructura, permiten obtener valores similares en el permeado. Pero ése no es el problema. Además de la química de la membrana, es preciso seleccionar la configuración o tipo de módulo a utilizar de forma que el costo total del producto que se obtenga con el proceso, entendiendo como tal la inversión inicial más los costos de operación y mantenimiento, sea mínimo.
Una característica de gran importancia a la hora de inclinarse por una u otra configuración, cuando ambas presentan análogos resultados económicos, es su sustitución e intercambiabilidad. Una vez construida una planta de ósmosis inversa se puede suceder que circunstancia no previstas inicialmente desaconsejen utilizar las membranas con la química seleccionada o bien que, con el tiempo, una determinada firma saque al mercado una membrana de mejores características (menor presión de trabajo, mayor rechazo de sales, mayor resistencia química, etc.). Si los módulos instalados pudiesen ser sustituidos por los de nueva aparición sin tener que cambiar los tubos de presión, las tuberías, soportes, válvulas etc., diríamos que serían intercambiables, lo que, llegado el caso, supondría un ahorro considerable. Adicionalmente, a la hora de reemplazar los módulos que se han ido deteriorando en una planta, puede obtenerse un mejor precio si, debido a su equivalencia en intercambiabilidad, se ponen varias firmas en competencia para hacerse con la sustitución.
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Desgraciadamente, en la actualidad, esta posibilidad sólo existe en los módulos espirales. Se puede construir una planta con los módulos espirales de una marca y pasar a trabajar al cabo del tiempo con los de otra firma sin ningún problema.
Tabla 6: "Comparación de los diferentes tipos de módulos". Características Superficie de membrana por módulo (m2) Volumen de cada módulo (m3) Caudal por módulo (m3/día) Grado de compactación (m2 de membrana m3) Productividad por unidad de superficie (m3/día por m2) Productividad por unidad de volumen (m3/día por m3) Conversión de trabajo por módulo (%) Pérdida de carga por tubo de presión (bar) Sustitución, intercambiabilidad por otra marca Tolerancia frente a sustancias coloidales Tolerancia frente a materia en suspensión Comportamiento Mecánica frente a las Química limpiezas Agua a presión Pretratamiento necesario
Aplicaciones
De placas (P&F) 15-50
Tipo de módulos Tubular (TU) Espiral (SW) 1,5-7 30-34
Fibra hueca (HF) 370-575
0,30-0,40 9-50 50-125
0,03-0,1 0,9-7 50-70
0,03 30-38 1.000-1.100
0,04-0,08 40-70 5.000-14.000
0,6-1
0,6-1
1-1,1
0,1-0,15
30-125
30-70
1.000-1.250
900-1.500
10
10
10-50
30-50
2-4
2-3
1-2
1-2
Nula
Nula
Total
Nula
Mala
Buena
Mala
Mala
Mala
Buena
Mala
Muy Mala
Regular Bueno Excelente Coagulación + filtración 5µm Alimentación
Bueno Bueno Bueno Filtración
No aplicable Bueno Bueno Coagulación + filtración 5µm Desalación de aguas salobres y de mar Obtención de aguas de alta pureza Concentración y recuperación de sustancias
No aplicable Bueno Bueno Coagulación + filtración 1µm Desalación de aguas salobres y de mar Obtención de aguas de alta pureza Concentración y recuperación de sustancias
Líquidos poco cargados Concentración y recuperación de sustancias
Alimentación
Aguas residuales y líquidos cargados Concentración y recuperación de sustancias
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. 2.4. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Una planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa consta esencialmente de siete partes claramente diferenciadas:
Área de captación de agua de mar. Pretratamiento físico químico. Bombeo a alta presión. Sistemas de recuperación de energía.
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Unidad de ósmosis inversa. Limpieza de las membranas. Postratamiento del agua producida.
Dependiendo del tamaño de la planta y de las características físicas y biológicas del agua bruta de mar, la instalación será simple o más o menos compleja, donde su diseño
obedecerá a
criterios económicos y a costos de explotación y mantenimiento.
2.4.1. CAPTACIÓN DEL AGUA DE MAR La localización de la toma de agua de mar es el factor que más determina el pretratamiento requerido del agua de alimentación. Hay dos tipos de captación del agua bruta de mar: toma profunda (pozo) y toma superficial (abierta).
El índice de ensuciamiento es menor y casi constante cuando la toma es profunda y alejada de la costa o playa, mientras que si la toma es superficial y cercana a la costa su valor será tanto mayor cuanto mayor sea la actividad biológica por la proximidad de desechos de residuos urbanos.
Desde el punto de vista del explotador, es preferible tener una captación del agua bruta de mar a través de pozos, lo que redundará en un menor coste de operación.
Normalmente en el caso de la toma de agua de mar sea profunda, la captación se realiza a través de bombas sumergibles o fundamentalmente con bombas centrífugas horizontales y autocebantes, para evitar los problemas de corrosión por contacto directo del agua de mar. Otro inconveniente que presenta la bomba sumergible es que su tamaño y prestaciones condicionan su elección, no teniendo el mercado una gran variedad para los grandes caudales a captar.
2.4.2. PRETRATAMIENTO FÍSICO QUÍMICO Fuente:
- MEDINA SAN JUAN, JOSÉ ANTONIO. Desalación de Aguas. Ósmosis Inversa. Mundi-Prensa. España. 2000. Para conseguir una operación con resultado satisfactorio, es necesario acondicionar el agua bruta de mar mediante un
pretratamiento físico químico, que garantice la total eliminación de
problemas al funcionamiento de las membranas de ósmosis inversa.
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TRATAMIENTO QUÍMICO El tratamiento químico consiste en la adición de una serie de reactivos al agua de alimentación con el fin de adecuar sus características a las mejores condiciones de operación de las membranas. Los tratamientos químicos típicos en una instalación son los siguientes:
Desinfección Cuando el agua bruta presenta una actividad biológica importante, es necesario esterilizar, con objeto de evitar que dichos organismos proliferen en el resto de la instalación. Normalmente se usa el hipoclorito sódico, en dosis que varían según la calidad del agua de entrada o en dosis de choque evitando que las bacterias se formen en un medio favorable. La adición de hipoclorito sódico presenta además la peculiaridad de ser un bactericida tanto más efectivo en intervalos reducidos de pH, por lo que es conveniente la utilización de un reactivo químico que acidifique el agua de mar, cómo el ácido sulfúrico.
En las instalaciones con toma de agua cerrada ó en pozo, si el agua es suficientemente limpia y no existe contaminación puede prescindirse de este pretratamiento. En ocasiones se da un tratamiento alternativo de choque cada 7 o 15 días para desinfección del sistema.
En otros casos se sustituye por bisulfito sódico que tiene también propiedades biocidas como dosis de choque.
Ambos tratamientos se aplican en el mismo pozo de captación y suele consistir en la aplicación de un depósito de 50 litros de hipoclorito ó un saco de 50 kg. Cuando se aplica hipoclorito debe tenerse siempre presente la escasa resistencia de las membranas de poliamida a este oxidante, por lo que deberán tomarse posteriormente las medidas oportunas.
En las tomas abiertas por el contrario la dosificación es en continuo. La inyección se realiza en la tubería de impulsión de agua desde la toma a la instalación. Dicha dosificación se realiza para mantener un contenido de Cl2 en el agua de 0,5 a 1 ppm, lo que en el caso del agua de mar supone unos 25-35 ppm de hipoclorito.
Si el agua contiene Nitrógeno o amoníaco las dosis serán superiores ya que se necesita primero neutralizar estos productos.
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En este tipo de tomas se suele emplear también dosis de choque que según las circunstancias pueden llegar a 500 ppm durante una hora, únicamente en la toma. Esta dosis de choque se realiza para evitar la actividad de moluscos en las rejillas de acceso a la toma.
Acidificación La adición de un ácido al agua de alimentación a la planta se realiza tanto para llevar el agua de alimentación a un pH en el que las membranas de poliamida son más eficientes ó evitar su hidrólisis cuando las membranas son de acetato de celulosa, como para evitar las precipitaciones de bicarbonatos.
Esta última aplicación es importante en el caso de aguas muy carbonatadas ó sulfatadas y en el caso del agua de mar cuyo pH está próximo a 8.
La reducción del pH se consigue con la adición de un ácido, principalmente sulfúrico, con ello se rebaja el pH hasta un valor próximo a 7 en el que el riesgo de precipitados es bastante menor y en el caso de membranas de acetato ó triacetato de celulosa es preciso incluso descender a valores próximos a 6.
El consumo de ácido en muchas instalaciones de agua de mar es el más elevado de todos los reactivos, con valores comprendidos entre 40 y 50 ppm. El ácido sulfúrico es más fuerte que el clorhídrico y otros ácidos que también podrían utilizar, pero además aunque peligroso lo es menos que el clorhídrico y lo que es más importante mucho más barato.
Ligado a la regulación del pH hay otro aspecto que es la efectividad del hipoclorito ó gas cloro como desinfectante. Como esta efectividad, está ligada a la presencia de ácido hipocloroso sin disociar, hay que tener en cuenta, también, el pH en el que el cloro es más activo. Esto nos lleva a considerar cual debe ser el punto de inyección en la instalación tanto del hipoclorito como del sulfúrico.
Aunque en las instalaciones de OI los precipitados se producen sobre las membranas, por tanto la regulación del pH podría hacerse en cualquier punto anterior a esta. Se hace lo más próxima posible a la captación de agua y es preferible que sea antes de la inyección del hipoclorito con objeto de que este pueda ser más efectivo.
Sin embargo no siempre se hace así y en ocasiones esto tiene que ver también con la posible acción como coagulante del hipoclorito que ayuda a la filtración.
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Coagulación Con objeto de evitar la precipitación sobre las membranas, las materias coloidales orgánicas e inorgánicas que se encuentran en suspensión en el agua de mar, es necesario agruparlas mediante un proceso de coagulación, gracias a la adición de un reactivo químico, polielectrolito o sales de hierro, cloruro férrico. Posteriormente en serie con la coagulación, se retienen en un lecho filtrante los flóculos agrupados.
La efectividad del cloruro férrico como coagulante es muy elevada en el caso del agua de mar. Su reducido coste hace de él el producto más utilizado como coagulante. Las dosis normales son entre 3 y 5 ppm, aunque en situaciones especiales se puede llegar a 7-10 ppm.
A veces se aplica de forma periódica durante un tiempo breve una dosis más elevada que puede llegar hasta 15 ppm. Este tipo de aplicación que se conoce como dosificación en nube, trata de crear una capa sobre el propio filtro multicapa para reforzar su acción coagulante. El consumo entonces es más elevado y puede pasar a los filtros de bujías que lo retienen fácilmente.
Decloración La gran mayoría de las membranas de ósmosis inversa no toleran el cloro residual u otros agentes oxidantes que lleve incorporado el agua de mar. Para eliminar toda posibilidad de que estos oxidantes lleguen a dañar las membranas, se recurre a los agentes reductores cómo el bisulfito sódico (SO3HNa) o a lechos de carbón activo. El método más usual es la dosificación de bisulfito sódico. La oxidación-reducción que se realiza es controlada en todo momento mediante un sistema de potencial redox.
Genéricamente se utiliza, en realidad, tanto del bisulfito sódico como el metabisulfito sódico (S2O5Na2). Su principal aplicación es la neutralización del cloro libre u otro agente oxidante, aunque también se puede utilizar como biocida en la toma ó incluso en el tratamiento continuo, dado que también permite reducir el pH aunque a un ritmo más lento y por tanto con un coste superior.
Antiincrustantes Las sales poco solubles cómo el sulfato cálcico, sulfato bárico, sulfato estróncico y fluoruro cálcico deben requerir una especial atención para evitar que las mismas pudieran precipitar sobre la membrana. Por razones de seguridad se recomienda utilizar un dispersante o antiincrustante compatible con la membrana.
Desde hace años han sido objeto de investigación aquellas sustancias que tienen la capacidad de aumentar la solubilidad de algunas sales. Estas investigaciones han comprobado que los meta y
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polifosfatos tenían
un papel importante como inhibidores de la formación de cristales. Los primeros
productos empleados, los pirofosfatos eran eficaces para el CO3Ca pero no para el SO4Ca. Posteriormente los fosfonatos se revelaron eficaces inhibidores de este último. A partir de ahí se ha desarrollado una industria de inhibidores ó antiincrustantes, cada vez más efectiva. El más frecuentemente usado es el hexametafosfato sódico (SHMP)
Otros productos comerciales muy usados son el osmoprot y el flocon 100, aunque cada vez existen más productos con este objetivo, que incluso tienen una acción específica sólo sobre ciertas sales, como por ejemplo los más modernos antiincrustantes contra la precipitación de sílice.
Estos
productos son en general más usados en aguas salobres que en agua de mar, aunque en algunas instalaciones de este tipo también se usan.
Cuando se utiliza el Flocón su reacción ácida es tan fuerte que puede prescindirse del sulfúrico ó cualquier otro ácido. Los productos más recientes tienen su base en distintos polímeros siendo los poliacrilatos los más empleados.
TRATAMIENTO FÍSICO Tratan de eliminar los elementos sólidos que el agua puede arrastrar. Por tanto en este grupo estarían comprendidos las partículas de tamaño variable entre arenas y coloides, las algas y la materia orgánica. Conociendo la sensibilidad de los equipos de desalación al contenido en elementos sólidos del agua, es conveniente estudiar como se mencionó anteriormente la forma de realizar la captación del agua de alimentación, puesto que una elección de esta idónea simplifica bastante la operación de la instalación.
La captación de agua es por tanto aunque sea de una forma indirecta el principal proceso de tipo físico. Una captación a través de un pozo, sea para agua subterránea salobre o playero para agua de mar, permite obtener un agua más limpia puesto que las distintas capas filtrantes del terreno actúan a manera de un primer filtro. Generalmente se trata de utilizar este sistema frente a lo que se conoce como toma abierta sea de río, embalse o mar. En estos casos se suele proteger la toma mediante una ó más rejillas, que si no tan selectivas como el propio terreno al menos separan partículas de un cierto tamaña y sobre todo algas y una parte de la materia orgánica. Otra parte de esta última es de naturaleza coloidal y atraviesa no sólo estas rejillas sino muchos de los sistemas de filtración.
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Pero en la mayoría de los casos es necesario recurrir a otros equipos de separación. A continuación se citan los más comunes en una instalación típica de ósmosis inversa.
Filtros de arena Con este nombre genérico se conocen los filtros que constan de una ó más capas de material filtrante sean o no de arena y en los que el agua se conduce por la parte superior y va percolando más o menos lentamente a través de las distintas capas, para recogerse el agua filtrada por la parte inferior. La velocidad de filtración depende de varios factores como: -
Presión aplicada
-
Granulometría utilizada
-
Profundidad de la capa o capas de material Existen dos tipos de filtros:
•
Abiertos o de gravedad
•
Cerrados o de presión
En los filtros abiertos las distintas capas de material se depositan sobre un depósito abierto, generalmente de forma rectangular. En su parte superior van provistos de un sistema de distribución de agua, normalmente en forma de vertedero, para conseguir que el agua se reparta lo más uniformemente posible sobre la superficie filtrante, y evitar que se produzcan caminos preferenciales de paso del agua, ó arrastre de material. Por su parte inferior llevan una serie de boquillas colectoras de líquido filtrante.
Los filtros cerrados están constituidos por un depósito cilíndrico, colocado de forma vertical u horizontal según los casos y provistos de sistemas de distribución y recogida de agua con la misma función que en los filtros abiertos.
En los primeros la altura de agua necesaria para efectuar la filtración es de 1 – 1,5 m y por ello la velocidad de filtración es pequeña. El agua se recoge en un depósito situado en la parte inferior de los filtros y desde él se vuelve a bombear hacia la siguiente fase del proceso de desalación. En otros casos el agua se recoge en un colector del que aspira la bomba de proceso correspondiente.
Los filtros de presión admiten velocidades de filtración más elevadas, pero son de menor tamaño por las limitaciones económicas derivadas del espesor de la chapa del material del depósito en relación con el diámetro.
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En estos son normales velocidades de 12 a15 m3 / m2 h pero en condiciones de aguas difíciles debe bajarse la velocidad a 9 – 11 m3 / m2 h. En los abiertos no se rebasa generalmente los 6 – 8 m3 / m2 h.
Los filtros se ensucian ú obstruyen al prolongarse el tiempo de filtración, por lo que en las instalaciones se prevé su limpieza periódica. Esta limpieza se efectúa cuando la pérdida de carga a través del filtro alcanza un determinado valor que no suele ser superior a lo 10 m en los filtros cerrados y a 0,5 en los abiertos. Generalmente se
realiza de forma sistemática en periodos
semanales o mensuales, alternando el ciclo de los diferentes aparatos.
Sobre el número de capas o la granulometría, aunque existen fórmulas de cálculo bastante complicadas para su determinación, puede afirmarse que no existe un sistema preciso de cálculo de forma que para un mismo tipo de agua se emplean soluciones muy distintas.
En los casos de captación a través de pozos se puede emplear una sola capa de arena de 0,3 0,5 mm. En tomas algo más complicadas
en las abiertas se prefieren varias capas, incluso en
ocasiones se utilizan dos etapas distintas de filtración con granulometrías también diferentes.
Filtros de Cartuchos Son imprescindibles en las instalaciones de ósmosis inversa, pues los filtros que hemos citado anteriormente solo alcanzan un nivel de filtración grosera, insuficiente para las membranas.
El nivel de filtración al que hay que llegar es 5 micras, pues este es el valor que imponen los fabricantes de membranas, como condición indispensable para garantizar el funcionamiento continuo de estas. En ocasiones se puede incluso descender hasta un nivel de filtración de 1 micra (Caso de Las Palmas III).
Se trata de depósitos de presión en cuyo interior se colocan los cartuchos que constituyen el elemento filtrante y están formados por un alma ó eje hueco, con perforaciones laterales, sobre el que se enrolla un hilo, que es el que garantiza el tamaño de poro acorde con las características de separación del filtro.
El eje debe ser de un material resistente a la corrosión, por lo que según los casos se emplean productos plásticos como PVC o aceros inoxidables 316 L o de alto contenido en Molibdeno según la aplicación se haga en aguas salobres o de mar.
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Existen también cartuchos formados por láminas que se pliegan alrededor de un eje similar al descrito. Tienen más superficie filtrante y por tanto mejoran la filtración.
Las partículas retenidas por los cartuchos incrementan las pérdidas de carga del mismo, por lo que cuando se alcanza un valor determinado se procede a su sustitución, puesto que éstas no se desprenden fácilmente, como ocurre con otros filtros.
Filtros Precapa En situaciones de trabajo difíciles, como en tomas abiertas con peligro de contaminación por vertidos,
es necesario reforzar la seguridad de filtración mediante la utilización de filtros de
precapa (caso de Las Palmas III).
También como en el caso de los filtros de arena existentes filtros de precapa abiertos y cerrados. El principio de ambos es el mismo y consiste esencialmente en un elemento de filtración que actúa a modo de soporte, sobre el que se deposita una capa de material filtrante muy fino, lo más frecuente arena de diatomeas, carbón activo o materiales inertes. El agua antes de atravesar el elemento de filtración tiene que atravesar esa precapa.
Sin embargo aunque el principio sea el mismo la aplicación y eliminación de la precapa requiere una técnica especial. Los filtros de precapa cerrados son similares a los de cartuchos y el elemento filtrante es el citado cartucho que puede tener una selectividad entre 5 y 10 micras.
Los abiertos consisten en un depósito de forma rectangular sobre el que se colocan una serie de elementos filtrantes, también de esta forma que quedan suspendidos en un bastidor.
El agua filtrada de las distintas láminas se recoge en un colector que se conecta a la aspiración de una bomba. Por tanto en lugar de impulsarse en agua a presión sobre los elementos filtrantes, se aspira el agua a través de dichos elementos.
Microfiltración Los equipos de microfiltración realizan una separación de partículas de hasta 0,1 micra. Las membranas que realizan esta separación están constituidas por un haz de fibras huecas de 2 mm de diámetro.
El agua pasa a través de las paredes sobre la que se depositan las partículas, y el alma central de la fibra constituye el colector o canal de recogida del agua producto.
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La acumulación de la suciedad del agua durante el funcionamiento origina la obstrucción de las fibras. Esta obstrucción deja al equipo fuera de servicio mientras se realiza su limpieza con agua y aire a contracorriente. Lo cual exige la existencia de un depósito regulador intermedio entre microfiltración y equipo de desalación, pues su elevado coste impide disponer de un equipo de reserva que permita el funcionamiento en continuo.
Aún en su forma más simple es un sistema enormemente caro que sólo en casos especiales como determinadas instalaciones de uso industrial, y menos frecuentemente en reutilización de aguas residuales justifican su instalación.
El pequeño tamaño de los poros de estas membranas les permite además la retención de bacterias y buena parte de los virus.
Ultrafiltración En este caso las membranas suelen ser de arrollamiento en espiral y se colocan dentro de un tubo de presión, generalmente en número no superior a tres. La separación se realiza a causa del tamaño del poro, siendo la selectividad de 0,01 micra.
Comercialmente se están desarrollando nuevas configuraciones para los módulos de ultrafiltración como lo son los de membrana almohadillada, compuesta por una placa, unos espaciadores a ambos lados de la placa para la circulación de permeado, y las membranas que envuelven la misma. La soldadura por ultrasonido garantiza la hermeticidad absoluta de estas membranas.
Las membranas se apilan alternándose con los espaciadores de goma y el conjunto se soporta en las dos secciones de una carcasa cilíndrica. El permeado se evacua a través de dos tubos de drenaje situados en el centro de la pila de membranas, que se conectan con los colectores integrados en la carcasa interior, que a su vez conducen el permeado al exterior del módulo.
Al igual que en el caso anterior sólo condiciones muy especiales justifican su uso.
2.4.3. BOMBAS DE ALTA PRESIÓN
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos,
tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
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Las bombas de alta presión son el corazón de la planta de ósmosis inversa ya que impulsan la solución a tratar hacia las membranas a la presión requerida por éstas.
Es aquí donde se consume la mayor parte de la energía del proceso, por lo que la decisión del tipo de bomba a instalar tiene una gran importancia. A la hora de seleccionar las bombas hay que tener en cuenta distintos parámetros como su rendimiento, la inversión necesaria, el mantenimiento requerido, la disponibilidad, los niveles de ruido, las vibraciones, etc.
En el proceso de ósmosis inversa se utilizan generalmente dos tipos de bombas:
•
Alternativas, o de desplazamiento positivo
•
Centrífugas
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO En las bombas de desplazamiento positivo el movimiento de rotación del motor eléctrico de accionamiento se convierte en un movimiento de vaivén mediante un mecanismo biela - manivela corredera. La corredera va unida a un émbolo o a un pistón, que es el artífice de la impulsión del fluido gracias a unas válvulas situadas en la aspiración e impulsión que sólo permiten que el fluido a bombear circule en un determinado sentido.
El fluido accede a la bomba a través del colector de aspiración y pasa a la cámara de impulsión a través de la válvula de aspiración que se encuentra abierta por la succión que produce el émbolo cuando retrocede, en decir, cuando se mueve hacia su punto muerto inferior. Durante este tiempo, la válvula de descarga permanece cerrada debido a la presión que ejercen sobre ella tanto el resorte con que suele ir provista como el fluido existente en el colector de impulsión.
A medida que el émbolo avanza hacia el punto muerto superior, es decir, cuando penetra en la cámara de impulsión, aumenta la presión del fluido existente en ésta cerrando la válvula de aspiración. Cuando la presión en la cámara se iguala con la existente en el colector de impulsión, la válvula de descarga se abre y el líquido es bombeado hacia el exterior repitiéndose la secuencia en cada embolada.
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Esquema de una bomba de desplazamiento positivo
Una bomba con este funcionamiento se dice que es de "simple efecto" ya que la cámara de presión se llena cuando el pistón retrocede y bombea cuando el pistón avanza hacia ella. En las bombas de "doble efecto", por el contrario, al retroceder el pistón, llena una cámara de presión con una de sus caras y, al mismo tiempo, con la otra cara impulsa el fluido de otra cámara contigua invirtiéndose la situación cuando el pistón avanza.
Generalmente las bombas de "simple efecto" van provistas de "émbolos", mientras que las de doble efecto suelen incorporar "pistones".
En las plantas de ósmosis inversa se utilizan
generalmente bombas de émbolos, las bombas alternativas se fabrican con distinto número de cilindros.
Las bombas se accionan generalmente mediante motores eléctricos acoplados al eje del piñón de ataque bien directamente, a través de variadores - reductores o mediante un sistema de poleas y correas.
En una bomba alternativa, el caudal instantáneo tanto a la entrada como en la descarga es igual a la suma de los caudales aspirados e impulsados en cada momento por cada uno de sus émbolos, lo que da lugar a un caudal "pulsado". Estas fluctuaciones de caudal no son buenas para el funcionamiento de las membranas porque dan lugar a variaciones de la velocidad de arrastre sobre la superficie de la membrana y, por tanto, a fenómenos de polarización.
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La presión que suministra una bomba alternativa es igual a la que pide el sistema siempre que la resistencia mecánica de los elementos de transmisión y la potencia del motor instalado lo permitan, siendo en este sentido y a diferencia de las bombas centrífugas independiente del número de revoluciones.
Esta particularidad puede originar que en una planta de ósmosis inversa con este tipo de bombas se alcancen presiones elevadas si se cerrase accidentalmente cualquier válvula de la línea de impulsión o del rechaza de la planta, con el riesgo consiguiente que ello supondría. Con este tipo de bombas es, por tanto, imprescindible instalar válvulas de seguridad en la descarga para proteger la instalación frente a cualquier sobrepresión accidental.
Las pulsaciones de caudal originan variaciones en las velocidades del fluido a través de las válvulas y tuberías tanto de aspiración como de impulsión, lo que provoca, a su vez, fluctuaciones en la pérdida de carga del sistema.
Variaciones de caudal producidas en una bomba de deslizamiento positivo
Todo ello trae como consecuencia la aparición de pulsaciones de presión en la aspiración e impulsión de la bomba proporcionales a la diferencia de los cuadrados de las velocidades y, por tanto, a la diferencia de los cuadrados de los caudales.
Las pulsaciones de presión en la impulsión, dependiendo de las características de elasticidad de las tuberías, pueden llegar a los módulos de ósmosis inversa originando daños más o menos importantes según la magnitud de las pulsaciones. Las pulsaciones dan lugar a movimientos periódicos de los módulos y de sus piezas de interconexión dentro de los tubos de presión, lo que produce un alto desgaste de las juntas tóricas encargadas de asegurar la estanqueidad entre el permeado, la aportación y el rechazo. Todo ello se traduce en la aparición de fugas del rechazo hacia el permeado con el consecuente descenso de la calidad de éste.
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Complementariamente, si la frecuencia
de las pulsaciones coincide con la frecuencia de
vibración propia de las tuberías o bien con la de uno de sus armónicos, pueden producirse fallos tanto en las soldaduras por fatiga como en la bomba por ondas de choque.
La instalación de varias bombas alternativas aspirando de un colector común puede ocasionar problemas graves de vibraciones. Con objeto de reducir al mínimo los problemas señalados es necesario instalar, tanto en la aspiración como en la impulsión de las bombas, sendos amortiguadores de pulsaciones que son recipientes cargados con un gas y provistos de una membrana que separa el gas del líquido bombeado. La gran compresibilidad del gas permite amortiguar tanto las variaciones de presión como las de caudal y los efectos de la inercia.
Es conveniente instalar los amortiguadores lo más cerca posible de las bombas con objeto de minimizar los efectos de la inercia. Hay que tener en cuenta que la mayor parte de los amortiguadores no pueden funcionar más que con una presión estática positiva por lo que su funcionamiento puede presentar problemas cuando se colocan en la aspiración de las bombas sin las debidas precauciones.
Si se instalan varias bombas en paralelo, es aconsejable que cada bomba tenga sus propias tuberías de aspiración e impulsión con sus correspondientes amortiguadores, independientes de las demás.
Las bombas de desplazamiento positivo se utilizan en plantas de pequeña tamaño que requieran trabajar con elevadas presiones, como es el caso de la desalación del agua de mar, ya que es difícil encontrar otro tipo de bombas que reúnan las dos condiciones exigidas: que bombeen un reducido caudal a una presión elevada.
También se utilizan en plantas medianas (hasta 130 m3/h) cuando se precisan altos rendimientos energéticos en la impulsión de la solución a
tratar y, por tanto, bajos consumos
específicos de energía. Como contrapartida al buen rendimiento hidráulico,
este tipo de bombas
exige un costoso mantenimiento.
BOMBAS CENTRÍFUGAS Una bomba centrífuga en su concepción más simple consiste en un impulsor con alabes, llamado "rodete", que gira en el interior de una carcasa accionado desde el exterior mediante un eje. La energía de una fuente exterior aplicada al eje hace girar el impulsor dentro de la carcasa estacionaria. Los alabes del impulsor en rotación producen un descenso de la presión en la entrada de los mismos, lo que origina que el fluido se mueva hacia ellos desde la tubería de aspiración. El fluido,
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debido a la rotación del impulsor, es enviado hacia el exterior de los alabes aumentando su velocidad tangencial.
La velocidad adquirida por el fluido cuando abandona los alabes se transforma en presión cuando pasa al difusor saliendo al exterior a través de la tubuladura de descarga.
Los impulsores pueden ser cerrados, abiertos o semiabiertos. Los abiertos y semiabiertos se utilizan se utilizan para impulsar líquidos cargados o viscosos. Las bombas de las plantas de ósmosis inversa incorporan rodetes cerrados cuyo rendimiento es mayor que el de los abiertos y semiabiertos.
En las plantas de ósmosis inversa pueden utilizarse los cuatro tipos de bombas centrífugas siguientes: •
De segmentos.
•
De cámara partida
•
Con tubo Pitot.
•
De alta velocidad.
Esquema de una bomba centrífuga Bombas de segmentos Reciben este nombre porque cada bomba está formada por un conjunto de "rodajas" o "segmentos" transversales al eje de rotación aprisionados entre dos cabezales extremos mediante tirantes.
Bombas de cámara partida Se llaman así porque la carcasa o "cámara" de presión está partida horizontalmente. Las bombas de cámara partida tienen una construcción mucho más robusta que las de segmentos y su costo es consecuentemente mayor. Su diseño permite, sin embargo, un mantenimiento más sencillo.
Bombas con tubo Pitot
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El nombre con que se conoce a estas bombas se debe a que la energía cinética comunicada al fluido en el rotor se transforma en presión en un tubo de Pitot. El fluido a impulsar entra por el colector de toma y pasa al rotor a través de unos conductos radiales. Dentro del rotor, debido al giro de éste, aumenta su velocidad que es trasformada en presión en un tubo de Pitot que permanece estacionario en el interior, saliendo al exterior a través del brazo del mismo y del colector de descarga.
Estas bombas, en contraposición con las de segmentos y las de cámara partida, son de una etapa y no utilizan ni aros de desgaste ni casquillos de tolerancia.
Bombas de alta velocidad Este tipo de bombas posee uno o dos rodetes como máximo, por lo que la alta presión necesaria en la descarga se consigue haciéndolos girar a elevadas revoluciones, llegándose a superar los 15.000 rpm. El aumento de revoluciones se consigue habitualmente mediante un multiplicador de engranajes.
Este tipo de bombas presenta dos inconvenientes para su utilización en plantas de ósmosis inversa. El primero es su bajo rendimiento hidráulico en comparación con las de segmentos y las de cámara partida y, el segundo, la alta velocidad con que trabajan lo que complica el mantenimiento (cambio de rodamientos, aceite del multiplicador, etc.).
COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS DE BOMBAS Las bombas centrífugas especialmente las de segmentos y las de cámara partida, se utilizan mucho más frecuentemente que las de desplazamiento positiva ya que presentan, frente a ellas, una serie de ventajas, entre las que se pueden citar:
•
Ausencia de pulsaciones de presión y de caudal.
•
Mayor operatividad.
•
Inferior mantenimiento.
Tabla 7: "Comparación de los diferentes tipos de bombas". Tipo de bomba
Ventajas
Inconvenientes
Desplazamiento
Alto rendimiento hidráulico (superior al Suministran
positivo
90%).
"pulsados".
Bajo consumo específico de energía.
Requieren
Se
adaptan
ensuciamiento
a
la de
compactación las
y
un
un
caudal
cambio
y
una
presión
frecuente
de
al empaquetaduras y émbolos.
membranas, Pueden llegar a las membranas partículas
aumentando o reduciendo la presión de procedentes de las empaquetaduras.
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impulsión sin la intervención de ningún Elevado costo de mantenimiento.
Segmentos
sistema de control.
Vibraciones y alto nivel sonoro.
Económicas
El rendimiento hidráulico rara vez supera el 80 %. Es preciso desmontar las tuberías y toda la bomba para inspeccionar o cambiar un rodete. Riesgo de corrosión en las superficies de contacto entre segmentos.
Cámara partida
Buen rendimiento hidráulico (en el entorno Costo de inversión elevado. del 80%).
Repuestos caros.
Bombas muy robustas. Fácilmente desmontables, sin desconectar las tuberías. Se accede con facilidad a todas las piezas internas. Fáciles de mantener.
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. Las bombas de segmentos se utilizan tanto en las plantas pequeñas como en las de gran tamaño, si bien, con caudales inferiores a 25 m3/h y presiones superiores a 50 bar, su rendimiento decrece tanto que es más aconsejable utilizar bombas de desplazamiento positivo. Por encima de los 300 m3/h y presiones superiores a 50 bar, se puede obtener un rendimiento algo mejor con las bombas de cámara partida. Hay que estudiar entonces si el menor consumo de energía amortiza en un tiempo razonable la mayor inversión inicial requerida. Para caudales superiores a los 500 m3/h y presiones por encima de los 50 bar suele ser más interesante utilizar bombas de cámara partida. Las bombas con tubo de Pitot solo se utilizan en plantas pequeñas, hasta 25 m3/h y 70 bar, cuando el costo de la energía eléctrica no es importante.
Las bombas de alta velocidad sólo se utilizan en situaciones especiales y sobre todo combinadas con turbinas de recuperación de energía. Cada tipo de bomba considerado tiene ventajas e inconvenientes para su utilización en una planta de ósmosis inversa.
2.4.4. SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos,
tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
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La ósmosis inversa es un proceso en el que una parte importante de los costos de funcionamiento corresponden a la energía eléctrica consumida en el bombeo a alta presión. Con el fin de disminuir los costos de operación de la planta y por tanto el precio último del agua producto, se han incorporado una serie de mejoras tendentes a minimizar los consumos energéticos.
En la concepción más simple de una planta de ósmosis inversa la solución a tratar es aspirada por una bomba de alimentación que la impulsa hacia el pretratamiento donde se elimina todo aquello que pueda ensuciar y deteriorar las membranas. A continuación es impulsada por una de las bombas de alta presión que la envía, a la presión necesaria, hacia las membranas de ósmosis inversa.
En el interior de los módulos, una parte del solvente (entre un 40 y un 90 % según el porcentaje de recuperación) atraviesa las membranas dando lugar al permeado que abandona los módulos a una presión comprendida entre 1 y 3 bar. El resto (entre un 60 y un 10 % del caudal inicial), junto con las sales y sustancias rechazadas por las membranas, abandona los módulos a una presión ligeramente inferior a la que tenía a la entrada a los mismos, dando lugar a la corriente de rechazo.
Para poder mantener la presión de trabajo en el interior de los módulos es necesario colocar una válvula de control que cree la pérdida de carga necesaria en el rechazo de la ósmosis inversa, laminándolo y disipando su energía en forma de calor.
Una concepción más avanzada de la planta incorpora un sistema que permite recuperar la energía que, en forma de presión, posee el rechazo a la salida de los módulos. Como ya se ha señalado, dado el entorno económico en que nos movemos, para que esta innovación pueda introducirse es preciso que el ahorro económico que comporte compense la mayor inversión a realizar. Los sistemas utilizados en la actualidad para recuperar la energía del rechazo son:
•
Turbinas Pelton.
•
Turbinas de contrapresión.
•
Conversores hidráulicos centrífugos.
•
Conversores hidráulicos dinámicos.
TURBINAS PELTON En una máquina de este tipo, también llamada turbina de impulsión, la presión que posee el rechazo de la ósmosis inversa se transforma en energía cinética en forma de un chorro líquido a alta velocidad. Para ello el rechazo se hace pasar a través de un inyector consistente en una tobera provista de una aguja que regula la sección de salida y, por tanto, la velocidad del chorro.
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El inyector dirige el chorro líquido tangencialmente sobre una rueda provista de álabes en forma de dos cucharas unidas por el borde.
La rueda gira impulsada por el chorro líquido transformando la energía cinética del chorro en energía de rotación. El chorro líquido, tras golpear la rueda, se recoge a un nivel más bajo que ésta, a la presión atmosférica.
Representación esquemática de una turbina Pelton
Las turbinas Pelton se diseñan para trabajar a 1.500, 1.800, 3.000 y 3.600 rpm por lo que las distintas posibilidades de montaje de una turbina de esta naturaleza son:
a)
Acoplada a una bomba de desplazamiento positiva Generalmente las bombas de desplazamiento positivo trabajan a bajas revoluciones estando conectadas con el motor de accionamiento mediante un sistema de poleas o a través de un variador. En este caso la turbina suele acoplarse directamente al motor a través de una prolongación del eje de éste. A veces la turbina se acopla al motor de accionamiento también mediante poleas para poder instalarla en una posición elevada facilitando así la evacuación del rechazo.
b)
Acoplada a una bomba centrífuga multietápica Las bombas centrífugas multietápicas, tanto de segmentos como de cámara partida, están unidas directamente al motor mediante un acoplamiento elástico, girando bomba y motor a las mismas revoluciones.
En este caso la turbina se acopla también a una prolongación del eje del motor bien mediante un acoplamiento elástico o mediante un sistema de poleas y correas trapezoidales cuando se quiere instalar en una posición elevada. La turbina Pelton también puede montarse entre la bomba y el motor.
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c)
Acoplada a un generador eléctrico En determinadas situaciones, cuando la planta de ósmosis inversa está compuesta por varias líneas de producción y el porcentaje global de recuperación es elevado, el caudal de rechazo obtenido en cada línea no justifica dotar a cada bomba de una turbina. En tal caso suele instalarse una única turbina acoplada a un generador eléctrico.
Las turbinas Pelton recuperan energía desde el instante en que, tras presurizarse las tuberías, el inyector produce el chorro que mueve la rueda. Adicionalmente, mientras la turbina funciona en seco no consume más energía que la debida al rozamiento. Por ambas circunstancias no es necesario instalar un embrague entre el motor y la turbina que acople esta última en los arranques cuando se haya alcanzado la velocidad de régimen.
La potencia suministrada por el motor eléctrico que acciona la bomba de alta presión a la que está acoplada la turbina, es igual a la diferencia entre la absorbida por la bomba y la recuperada por la turbina. A este valor se le llama "potencia neta". Consecuentemente, no es necesario que la potencia del motor sea superior a la absorbida por la bomba, es suficiente que sea un 20 % superior a la potencia neta.
Los sistemas de recuperación de energía operan en condiciones más duras que las bombas de alta presión. Las presiones en ambos equipos son similares pero los sistemas de recuperación trabajan con soluciones mucho más concentradas en sales, estando muchas veces sobresaturadas. El rechazo de la ósmosis inversa suele contener CO2 en disolución debido a la corrección del pH realizada durante el pretratramiento. Este gas tiende a desprenderse de la salmuera cuando la presión del rechazo disminuye. En el caso de las turbinas Pelton hay que tener muy en cuenta esta circunstancia.
Las averías que suelen producirse con mayor frecuencia en este tipo de máquinas son:
•
Rotura por fatiga en el punto de unión del álabe con la rueda debido al empuje radial cíclico que se produce sobre el álabe.
•
Abrasión y/o corrosión de los álabes por la alta velocidad del rechazo y su elevado contenido en sales, pudiendo incluso encontrarse a veces en sobresaturación.
•
Rotura por fatiga de flexión del eje de la rueda.
•
Fallo de los cojinetes del eje de la rueda por los problemas anteriores.
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TURBINAS DE CONTRAPRESIÓN Las turbinas de contrapresión son bombas centrífugas que se han modificado tanto mecánicamente para que trabajen girando en sentido inverso, como hidráulicamente para funcionar con un flujo circulando en sentido contrario. Por este motivo también reciben el nombre de "bombas inversas".
El rechazo de la ósmosis inversa se introduce en la descarga de una bomba centrífuga previamente modificada y adaptada, de forma que la presión que posee se transforme en los rodetes en energía de rotación disponible en el eje, tras lo cual sale al exterior a través de la antigua tubuladura de aspiración que ahora pasa a ser la de descarga. Pueden trabajar como turbinas de contrapresión tanto las bombas de segmentos como las de cámara partida. Para este tipo de trabajo son mejores las bombas de difusores que las de volutas ya que los difusores pueden extraerse de la carcasa de la bomba para el mecanizado y ajuste de las superficies de circulación, de acuerdo con las exigencias hidráulicas.
Por el contrario, en las bombas de volutas, las superficies de circulación deben ajustarse ya sea eliminando material de las volutas o añadiéndoselo mediante soldadura seguida de un mecanizado y ajuste de las superficies de circulación, de acuerdo con las exigencias hidráulicas.
CONVERSORES HIDRÁULICOS CENTRÍFUGOS Los conversores hidráulicos transforman la presión del rechazo de la ósmosis inversa en presión de la solución de aporte. Los centrífugos utilizan para ello una turbobomba integral muy simplificada, sin suministro externo de energía.
La máquina consta de dos cámaras, provistas cada una de ellas de un rodete. Una de las cámaras corresponde al rechazo y funciona como una turbina, y la otra, a la solución de aporte, operando como una bomba. Los rodetes están unidos solidariamente mediante un eje que se apoya en un cojinete tipo camisa.
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Sección transversal de un conversor hidráulico centrífugo
Al penetrar el rechazo de la ósmosis inversa en la cámara correspondiente se encuentra con un rodete radial análogo al de una bomba inversa, transformando su presión en energía de rotación que se transmite, a través del eje, al impulsor situado en la cámara de la solución de aporte.
El rodete de la cámara de la solución de aporte es cerrado, similar al de una bomba centrífuga y transforma en presión la energía recibida a través del eje, impulsando la solución de aporte hacia las membranas.
El conversor se instala generalmente entre la descarga de la bomba de alta presión y las membranas. No utiliza ningún motor eléctrico. Aprovecha la energía del rechazo para suministrar una parte de la presión necesaria en la solución a tratar. El resto de la presión, hasta completar el valor requerido a la entrada de las membranas, debe ser aportado por la bomba principal. En algunas ocasiones el conversor centrífugo se utiliza para aumentar la presión de la solución que llega a la segunda etapa.
Este sistema permite, por tanto, reducir la presión de impulsión de la bomba de alimentación de las membranas y consecuentemente tanto su número de rodetes como su costo.
Los cojinetes están lubricados por la solución de aporte. Consecuentemente, si la máquina funcionase "en seco", es decir, sólo con el rechazo y sin solución de aporte, se griparía. Como el rodete de la turbina es análogo al de una bomba inversa, tiene que existir cierta contrapresión en el rechazo.
El conversor descrito ocupa muy poco espacio pudendo instalarse en cualquiera de las unidades de ósmosis inversa existentes para aumentar su capacidad o reducir su consumo energético.
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La máquina descrita no es sofisticada ya que no incorpora varias etapas ni en la bomba ni en la turbina, lo que permitiría aprovechar mejor y transferir más energía del rechazo hacia la solución de aporte. No es, por tanto, un dispositivo al que haya que pedirle un alto rendimiento. A cambio de ello, debido a su simplicidad, puede tener un costo reducido de forma que el ahorro de energía que consiga, aunque no sea el máximo posible, permita amortizar rápidamente su inversión.
CONVERSORES HIDRÁULICOS DINÁMICOS Los conversores hidráulicos dinámicos utilizan cilindros o tuberías para transformar la presión del rechazo en presión de la solución de aporte. El sistema consiste básicamente en una tubería horizontal provista de cuatro válvulas (A- salida de la solución de aporte, B- entrada de rechazo, C- salida de rechazo, D- entrada de la solución de aporte). Las válvulas A y D se encuentran en el mismo extremo, I, del cilindro que corresponde a la alimentación del agua aporte. Las válvulas B y C se encuentran en el extremo contrario, II, correspondiente a la circulación del rechazo. Las válvulas abren u se cierran de acuerdo don la siguiente secuencia:
Esquema de un conversor hidráulico dinámico
a)
Llenado En esta fase las válvulas D y C se encuentran abiertas y las válvulas A y B cerradas. En esta situación la solución a tratar desplaza la existente en el cilindro que sale por la válvula C.
b)
Desplazamiento Cuando la solución a tratar alcanza el punto II extremo, se cierran las válvulas D y C y se abren A y B de forma que el rechazo penetra por la válvula B y desplaza la solución de aporte que sale por la válvula A. Cuando el rechazo llega al punto I se cierran las válvulas A y B y se abren D y C repitiéndose de nuevo el ciclo.
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El rechazo transmite de esta forma su presión a la solución de aporte. Ahora bien, como la presión del rechazo es ligeramente inferior a la que debe tener la solución de aporte a la entrada de las membranas ya que parte se ha perdido en atravesarlas, es necesario colocar una bomba que le comunique la presión perdida.
El caudal de la solución a tratar que suministra este sistema es igual al caudal de rechazo. Consecuentemente, el caudal que debe suministrar la bomba de alta presión es igual al caudal de permeado.
El caudal suministrado por un dispositivo de este tipo, al igual que el de una bomba
de
desplazamiento positivo con un único émbolo, sería pulsado. Para minimizar la amplitud de las pulsaciones, de la misma forma que en las bombas citadas se instalaban tres o más émbolos, suelen instalarse tres o más tubos en paralelo con secuencias desfasadas.
Tabla 8: "Comparación de los distintos sistemas de recuperación de energía". Características Espacio Necesario Funcionamiento en seco Flexibilidad de funcionamiento Rechazo que recibe By pass de la turbina Contrapresión % Caudal nominal para recuperar energía Rendimiento mecánico Plantas en que se utiliza
Turbina Pelton Reducido Posible Amplia
Turbina de Contrapresión Importante Imposible Reducida
Turbobomba integral Medio Imposible Reducida
Conversor Centrífugo Muy reducido Imposible Muy reducida
Todo No necesario No tolera 20
Parte Necesario Tolera/precisa 40
Parte Necesario Tolera/precisa 40
Todo Necesario Tolera/precisa 60
75-90% Medias- grandes
70-83% Medias - Grandes
65-78% Medias
40-70% Pequeñas – Medias
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
2.4.5. UNIDAD DE ÓSMOSIS INVERSA
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y
aplicaciones. McGrawHill. España 1999. Aunque dentro de una misma configuración de membranas, ya sea espiral, de fibra hueca, etc., existen módulos con diferentes tamaños y por tanto, con distintas producciones, el caudal de permeado necesario raramente coincide con el que puede suministrar un módulo concreto sino que suele ser bastante superior. Quiere esto decir que para alcanzar el caudal deseado es necesario agrupar varios módulos.
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Adicionalmente, para asegurar una cierta velocidad del flujo a través de la superficie de las membranas, reduciendo así el fenómeno de polarización y los riesgos de precipitación y atascamiento es absolutamente imprescindible mantener un caudal mínimo de rechazo en cada módulo. Asimismo, para no aumentar excesivamente su pérdida de carga, lo que produciría deformaciones en su interior, es también es necesario limitar el caudal máximo de rechazo.
Ambos límites en el caudal de rechazo dependen del tipo de módulo, de sus dimensiones, de las características de la membrana utilizada, etc. Estos valores a respetar limitan las conversiones máxima y mínima de cada módulo y, consecuentemente, tanto los porcentajes de recuperación de solvente como la concentración máxima del rechazo.
Si la conversión global con que se desea que trabaje el sistema supera la máxima admisible por cada módulo, es también necesario agruparlos de forma que se respeten sus condiciones límites de caudal de rechazo.
Así pues, tanto el caudal como la conversión de funcionamiento de la unidad de producción obligan a agrupar los módulos de una determinada forma.
AGRUPACIÓN DE MÓDULOS Los módulos de un sistema de ósmosis inversa pueden agruparse de dos formas:
•
En paralelo
•
En serie
En paralelo En este tipo de montaje, las alimentaciones y las salidas tanto de permeado como de rechazo de cada módulo se conectan con cada una de las correspondientes tuberías generales. Esta agrupación se utiliza tanto con módulos de placas, como tubulares y de fibra hueca. No así los espirales, como se verá más adelante.
Esta disposición se usa para producir un caudal “n” veces superior al suministrado por un módulo, siendo “n” el número de módulos instalados en paralelo. Como la máxima conversión de trabajo de cada módulo de este tipo es del orden del 40-50%, ésta será la conversión máxima que puede conseguirse con esta agrupación, lo que equivale a decir que la solución de aporte puede concentrarse entre 1,66 y 2 veces.
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Cuando los módulos trabajan en paralelo, la pérdida de carga entre el colector de aporte y el de rechazo es la misma para todos ellos, lo que quiere decir que el caudal de aporte que llega a cada uno dependerá de su grado de atascamiento y del caudal de permeado que produzca.
Es muy importante que, cuando varios módulos trabajen en paralelo, el grado de envejecimiento de sus membranas sea similar ya que en caso contrario se producirán desequilibrios en los flujos individuales que harán que las membranas menos deterioradas trabajen con conversiones elevadas y se atasque rápidamente.
Agrupación de los módulos en paralelo En Serie Cuando los módulos se montan en serie, el caudal de rechazo de cada módulo pasa a ser el aporte del siguiente y así sucesivamente. El permeado de los distintos módulos se recoge en un colector común a todos ellos donde se van mezclando los distintos flujo.
Cuando se instalan módulos espirales en el interior de un tubo de presión se utiliza este tipo de agrupación. Los módulos espirales pueden trabajar con conversiones máximas del 7 al 10 %, por lo que la conversión de cada tubo con 6 ó 7 módulos suele también oscilar entre el 40 y el 50%.
La agrupación de los módulos en serie hace que, para una conversión total determinada, cada módulo trabaja con una conversión menor que si trabajase en paralelo, lo que se traduce en un caudal de rechazo y, por tanto, una velocidad superficial sobre la membrana mayores. Esta agrupación se utiliza, consecuentemente, para reducir los fenómenos de polarización cuando los flujos de permeado de las membranas son altos o cuando se trabaja con elevadas conversiones.
Montaje de los módulos en serie
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AGRUPACIÓN DE ETAPAS Se llama “etapa” al conjunto de tubos contenedores que trabajan en paralelo, a la misma presión y alimentados desde la misma línea.
Si los módulos son de fibra hueca y de un solo haz, el número de tubos contenedores coincidirá con el número de módulos y todos ellos trabajarán con las mismas condiciones de presión y salinidad. Sin embargo, si los módulos son espirales, la etapa estará formada por el conjunto de tubos contenedores o de presión que trabajen en paralelo. En este caso, no todos los módulos de la etapa trabajan en las mismas condiciones.
De acuerdo con lo señalado anteriormente, la recuperación máxima de cada etapa no debe superar el 50 %. Si se requiere que la conversión global de la unidad esté por encima de dicho valor, hay que agrupar las etapas. Existen dos formas posibles de hacerlo:
•
Rechazo en serie.
•
Recirculación del rechazo.
Nótese que no tiene sentido hablar de agrupar dos etapas en paralelo porque equivaldría a una etapa primitiva con mayor número de tubos.
Rechazo en Serie En esta agrupación el rechazo de la primera etapa alimentaría a la segunda y el rechazo de ésta a la tercera.
No suelen agruparse más de tres etapas en serie porque la producción de cada etapa adicional, por encima de la tercera, sería muy reducida y resultaría antieconómica.
Agrupación de etapas con rechazo en serie
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Recirculación del Rechazo Utilizando una única etapa se puede superar el porcentaje máximo de recuperación del 50 % establecido para la misma. Se recurre para ello a recircular todo o parte del rechazo mezclándolo con la solución de aporte. Con este procedimiento puede alcanzarse conversiones de hasta el 75 % y, por tanto, concentraciones en el rechazo cuatro veces superiores a las de la solución de aporte.
Esta alternativa presenta un consumo específico de energía y una salinidad del permeado mayores que la de instalar dos etapas con rechazo en serie, por lo que sólo se utiliza cuando lo que se quiere es concentrar la solución de aporte. Si dicha solución de aporte presentase altos contenidos de materia en suspensión sería conveniente agrupar las etapas con el rechazo en serie, pero manteniendo la recirculación en cada etapa.
La bomba de recirculación de la primera etapa impulsa la solución de aporte mezclada con parte del rechazo de esa etapa. La de recirculación de la segunda etapa impulsa el rechazo de la primera mezclada con parte del rechazo de la segunda y así sucesivamente.
Las bombas de recirculación tiene un caudal varias veces superior al de la bomba de alta y su presión diferencial debe ser superior a la pérdida de carga de etapa correspondiente.
Con este montaje se consiguen velocidades sobre la superficie de las membranas muy elevadas, reduciéndose de forma considerable los fenómenos de polarización y los riesgos de ensuciamiento, todo ello a costa de un mayor consumo de energía eléctrica en los bombeos. Por este motivo no tiene sentido utilizar este montaje con soluciones “limpias” o poco cargadas, con bajo riesgo de que se depositen las sustancias en suspensión sobre las membranas.
Esquema de un montaje con recirculación del rechazo
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AGRUPACIÓN DE SISTEMAS Se llama “sistema” al conjunto de etapas agrupadas de la forma que fuere pero con una única bomba de alta presión. Al igual que las etapas, los sistemas pueden agruparse de dos formas: -
En paralelo
-
En serie
En Paralelo Cuando los sistemas se agrupan en paralelo, todas las bombas de alta presión trabajan también en paralelo e impulsan la misma solución de aporte. Esta agrupación se utiliza para subdividir el caudal total de permeado en varias unidades o líneas de producción.
Estas unidades de producción se dice que son de “un solo paso” ya que tanto el permeado como el rechazo finales se obtienen con un único bombeo a alta presión.
Esquema de dos sistemas trabajando en paralelo En Serie Cuando los sistemas se agrupan en serie, las bombas de alta presión trabajan también en serie, no impulsando todas ellas las mismas soluciones de aporte.
Una agrupación de esta naturaleza se dice que está formada por “pasos” y cada paso es un sistema. Existen tantos pasos como bombas de alta presión trabajando en serie, El número de pasos o de sistemas que trabajan en serie, raramente es superior a dos.
Según la procedencia de la solución de aporte al segundo sistema, la agrupación puede ser:
•
Permeado en serie
•
Rechazo en serie
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A.
Permeado en Serie En este montaje, todo o parte del permeado producido por el primer sistema es bombeado de
nuevo por una segunda bomba de alta presión, que lo impulsa hacia un segundo sistema.
Este tipo de montaje se utiliza cuando se quiere reducir la concentración de sales del permeado final. Generalmente el rechazo del segundo paso suele recircularse hacia el primero.
La reducción de la salinidad del permeado también puede lograrse manteniendo el mismo porcentaje de recuperación pero con un consumo específico de energía mayor, recirculando una parte del permeado.
Esquema de una unidad de producción con dos pasos, permeado en serie
B.
Rechazo en Serie En este montaje el rechazo de uno o varios sistemas que trabajan en paralelo es aspirado por
otra bomba que lo impulsa hacia un nuevo sistema. Este tipo de montaje se utiliza para recuperar algún producto existente en el rechazo de los primeros sistemas o bien para aumentar los porcentajes de recuperación del permeado.
Presenta ventajas frente a la agrupación de etapas con rechazo en serie ya que, en tal caso, las etapas finales trabajan con la solución más concentrada en sales y con una presión más baja que la suministrada por la bomba. En el presente montaje, por el contrario, la bomba que trabaja en serie permite optimizar y adecuar la presión de descarga a las necesidades del concentrado a tratar.
En el montaje que nos ocupa, las membranas del primer paso suelen ser de baja presión y las del segundo de alta debido a la mayor presión osmótica de la solución que les llega.
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Unidad de producción con dos pasos y rechazo en serie
TÉCNICAS DE FUNCIONAMIENTO Según el modo de trabajar con la unidad de ósmosis inversa, se pueden considerar dos tipos de funcionamiento: por lotes y en continuo.
Funcionamiento por lotes En este tipo de operación, toda solución a tratar se encuentra disponible previamente en una cuba. Nada más comenzar el proceso el permeado se evacua continuamente, pero el rechazo de la ósmosis inversa se retorna al depósito recirculándolo de nuevo. El proceso termina cuando se alcanza la concentración deseada en la solución existente en la cuba. Esta técnica permite obtener altas concentraciones en el rechazo con superficies de membranas relativamente bajas. Se utiliza fundamentalmente para concentrar soluciones, como por ejemplo para eliminar el agua de un zumo de frutas. En este proceso, lo que se aprovecha en general es el rechazo y no el permeado, siendo necesario esperar un cierto tiempo para que esté disponible.
Esquema de funcionamiento por lotes
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Funcionamiento en continuo En este tipo de operación, la solución de aporte bombeada hacia la ósmosis inversa es respuesta inmediatamente por otra nueva, tal y como se muestra en la figura inferior, no siendo imprescindible el depósito para su almacenamiento previo. En este proceso también puede recirculares parte del rechazo dependiendo del porcentaje de recuperación deseado y del número de etapas instaladas con el rechazo en serie. A diferencia de la técnica precedente, en la presente, tanto el permeado como todo o parte del rechazo se evacuan en continuo, disponiéndose de ambos inmediatamente.
Esta técnica se utiliza en general cuando lo que se aprovecha es el permeado.
Esquema del funcionamiento en continuo 2.4.6. LIMPIEZA DE LAS MEMBRANAS
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos,
tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
Cuando la solución de alimentación contiene sustancias que pueden depositarse sobre las membranas o quedar atrapadas en el interior de los módulos por los sistemas y mallas distribuidoras, aumenta la polarización de las membranas ya que los depósitos sobre las mismas retrasan la retrodifusión de las sales hacia la corriente principal. Los efectos de esta polarización son una disminución de la productividad y un aumento del paso de sales.
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Las sustancias atrapadas originan también aumentos localizados de la pérdida de carga dando lugar a un reparto irregular de los flujos a través de las membranas, lo que motiva que porciones de éstas trabajen con conversiones elevadas mientras otras lo hagan con conversiones más bajas, incluso cuando la conversión global de módulo o del sistema se mantenga constante. Esta irregularidad en el reparto de los flujos acelera notablemente la concentración por polarización y el ensuciamiento en las zonas de membranas que trabajan con conversiones elevadas.
Cuando el rendimiento de la planta de ósmosis inversa desciende por
debajo de unos
determinados límites, es necesario limpiar las membranas para restaurar, si es posible, sus características primitivas de funcionamiento. La limpieza de las membranas no puede ser un procedimiento alternativo a un pretratamiento inadecuado, pues al aumentar la frecuencia de las limpiezas de las membranas se aumenta su deterioro y se reduce consecuentemente su vida media. Es necesario analizar las causas de ensuciamiento prematuro de las membranas y someter la solución de aporte a los tratamientos preventivos adecuados.
FUENTES DE ENSUCIAMIENTO Las fuentes potenciales de ensuciamiento de las membranas son:
•
Precipitaciones.
•
Depósitos.
•
Otras.
A continuación se describen las características particulares de cada una de ellas.
Precipitaciones Los elementos que pueden precipitarse sobre la superficie de las membranas son: Sales minerales y óxidos metálicos.
Las sales minerales se producen cuando se superan los productos de solubilidad de las sales presentes en la solución de aporte. Las sales susceptibles de precipitar son:
•
Carbonato Cálcico, CaCO3.
•
Sulfato Cálcico, CaSO4.
•
Sulfato de bario, BaSO4.
•
Sulfato de estroncio, SrSO4.
•
Fluoruro Cálcico, CaF2.
•
Sílice, SiO2.
71
El riesgo de precipitación de una sal determinada puede calcularse teniendo en cuenta su concentración en la solución de aporte, su producto de solubilidad y el porcentaje de recuperación con que trabaja la planta.
Los óxidos metálicos que aparecen en la solución de aporte y son susceptibles de precipitar son:
a)
Hierro, que puede existir ya en la solución de aporte o incorporarse por la corrosión de los metales. En la forma de ión ferroso (Fe2+) el hierro es soluble, pero cuando se oxida a ion férrico (Fe3+), se podría formar hidróxido férrico Fe(OH)3 que precipitaría, ensuciando las membranas.
b)
Manganeso, presenta una química similar a la del hierro y cuando ambos están presentes suelen coprecipitar. La oxidación del manganeso exige por lo general un potencial de oxidación-reducción mayor que el hierro.
c) Aluminio, si el contenido en la solución de aporte es alto, puede precipitar en forma de hidróxido cuando se reduzca el pH par evitar la precipitación del carbonato cálcico o se supere su producto de solubilidad en las proximidades de las membranas.
Estas precipitaciones suelen ser de naturaleza coloidal y pueden dañar gravemente
las
membranas. En las plantas alimentadas con agua procedente de la red de abastecimiento público que haya sido coagulada previamente con sulfato de alúmina puede aparecer este tipo de problema. Es preciso dedicar especial atención en caso de plantas de ósmosis inversa que se utilizan para producir agua destinada a unidades de “hemodiálisis”, ya que una precipitación de hidróxidos de aluminio sobre las membranas aumentará considerablemente el gradiente de concentraciones a través de las mismas, apareciendo contenidos elevados de aluminio, altamente perjudiciales, en el permeado. Hay que señalar que los desendurecedores situados antes de la ósmosis inversa con que suele contar este tipo de instalaciones no retienen los hidróxidos de aluminio monovalentes que puedan existir en el agua bruta.
Depósitos Este tipo de ensuciamiento se produce cuando quedan atrapadas sustancias en el interior de los módulos por los sistemas y mallas distribuidoras. Puede deberse a uno de los tres factores siguientes:
a.
Partículas de gran tamaño
Si la solución de aporte tuviese partículas en suspensión de gran tamaño, serían filtradas mecánicamente por los sistemas de reparto situados en el interior de los módulos y quedarían atrapadas entre las membranas.
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b. Coloides Los coloides son partículas muy pequeñas, del orden de 0,01 a 10 µm provistas de una carga eléctrica, generalmente negativa, sobre su superficie. Cuando estas partículas se encuentran en un medio acuoso, sus cargas superficiales, llamadas “cargas primarias”, atraen a los iones positivos presentes en el medio que junto con algunos negativos se adhieren fuertemente a las partículas, desplazándose con ellas, dando lugar a la “capa ligada”. Otros iones se adhieren débilmente originando la “capa difusa”.
Las cargas eléctricas y el lecho de agua que rodea las partículas coloidales tienden a alejarlas entre sí y, por tanto, a estabilizarlas en la solución.
Cuando la concentración de sales aumenta, las partículas tienden a perder su carga eléctrica, debilitándose. A este proceso se le llama “coagulación”. A partir de ese momento pueden aglomerarse y formar partículas de mayor tamaño. Este proceso recibe el nombre de “floculación”.
El ensuciamiento por partículas coloidales es debido a su coagulación (perdida de la carga eléctrica) y posterior floculación (aglomeración) en las proximidades de la superficie de las membranas.
Desarrollo biológicos El ensuciamiento biológico puede producirse cuando la solución de aporte contiene suficientes elementos nutritivos como para favorecer el rápido desarrollo de microorganismos en el interior de los módulos.
Dichos desarrollos pueden afectar al rendimiento de la instalación de tres formas distintas:
a)
Destruyendo la capa activada
Los desarrollos biológicos pueden digerir enzimáticamente la capa activa en el caso de las membranas de acetato de celulosa perdiendo éstas sus características. b)
Ensuciamiento de las membranas
Los desarrollos biológicos suelen formar una fina película sobre las membranas que produce los mismos efectos que un atascamiento por partículas coloidales. c)
Apareciendo bacterias en el permeado
Las membranas, por sí mismas, no permiten el paso de ninguna bacteria, virus, etc., desde la solución de aporte al permeado, pero, en todas las configuraciones, el permeado está separado del rechazo mediante juntas tóricas. La existencia de algún pequeño fallo en una de estas juntas
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permitiría el paso de algunas bacterias al permeado, contaminándolo. Esta presencia podría crear graves problemas si el permeado se utilizase en la industria farmacéutica o para la fabricación de semiconductores. En tales casos es imprescindible instalar un sistema de desinfección por radiación ultravioleta.
Otros Excepcionalmente pueden presentarse ensuciamientos extraños, como por ejemplo:
a)
Azufre coloidal
En el caso del agua, cuando en el pozo de captación existe H2S y se inyecta cloro o penetra aire en el mismo, se puede formar azufre coloidal como consecuencia de la oxidación del H2S por parte del oxígeno o del cloro. El azufre coloidal se elimina muy difícilmente.
b)
Compuestos orgánicos
La solución de aporte puede circunstancialmente contener trazas de compuestos orgánicos que pueden ensuciar o destruir las membranas.
c)
Aceites y grasas
Los hidrocarburos, aceites y grasas no deben estar presentes en la solución que llega a las membranas ya que forman una película sobre la superficie de éstas que reduce notablemente el porcentaje de rechazo de sales.
TÉCNICAS DE LIMPIEZA Cuando las membranas de una planta de ósmosis inversa se ensucian y sobre todo si dicho ensuciamiento tiene lugar en un corto período de tiempo, las posibilidades de recuperación dependen fundamentalmente de la rapidez con que se actúe una vez detectado el problema. Si las membranas se limpian nada más producirse su ensuciamiento su recuperación puede ser posible. Por el contrario, si una membrana sucia continúa trabajando, su deterioro puede ser irreversible, ya que se produce un atascamiento elevado que origina, a su vez, caminos preferenciales que impiden posteriormente que la solución de limpieza llegue a la suciedad o a los precipitados que hay que eliminar.
Los parámetros característicos de una planta de ósmosis inversa son su pérdida de carga, su producción y el porcentaje de rechazo de sales. Estos parámetros dependen, como ya se ha dicho, de un conjunto de variables entre las que pueden citarse:
•
La presión de funcionamiento.
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•
La temperatura.
•
La salinidad.
•
El porcentaje de recuperación.
Para determinar si se está produciendo un ensuciamiento o alguna precipitación en las membranas de una instalación es necesario observar la evolución con el tiempo de sus parámetros característicos en condiciones estacionarias, de forma que los valores sean comparables entre sí. Ahora bien, dada su variabilidad con las condiciones de funcionamiento, es preciso corregir los datos reales convirtiéndolos en valores “normalizados” o lo que es lo mismo, comparables entre sí.
La primera indicación de la existencia de un ensuciamiento o una precipitación en las membranas suele ser el incremento de la pérdida de carga a través de los módulos. Esta circunstancia suele presentarse generalmente antes de que el porcentaje de rechazo de sales o el caudal de permeado comiencen a disminuir.
Otro buen indicador del funcionamiento estable de las membranas en su paso de sales. Su valor, cuando las membranas están limpias, permanece constante durante largos períodos de tiempo.
Finalmente, otros indicadores de la necesidad de una limpieza son la variación de los caudales de rechazo y de permeado así como la necesidad de aumentar la presión de trabajo.
Cuando se sospeche que se está produciendo un ensuciamiento de las membranas conviene realizar limpiezas periódicas preventivas hasta que se corrija la situación. De todas formas, antes de iniciar cualquier limpieza es necesario asegurarse de que los cambios producidos en la planta no se deben a problemas mecánicos.
Las membranas también deben limpiarse antes de una parada prolongada de la instalación (más de una semana), antes de la adición de cualquier reactivo que restaure su paso de sales o su producción o cuando la planta vaya a permanecer parada más de 24 horas tras haber contenido un fluido o un reactivo orgánico susceptible de producir desarrollos biológicos (ácido cítrico, por ejemplo).
A modo de resumen puede decirse, como norma general, que es necesario realizar una limpieza de las membranas si ocurre cualquiera de las siguientes situaciones:
•
El paso de sales se incrementa respecto al valor precedente en más de un 15%.
•
La producción varía (aumenta o disminuye) en más de un 10%.
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•
El caudal de rechazo varía en más de un 10%.
•
La pérdida de carga de los módulos se incrementa en más de un 20%.
•
La presión de alimentación se incrementa en más de un 10%.
•
Ante largos periodos de parada (más de una semana)
•
Antes de aplicar cualquier reactivo de regeneración de las membranas.
•
Antes de una parada de más de 24 horas, tras haber operado con un producto orgánico que pueda favorecer los desarrollos biológicos.
Limpieza mecánica La limpieza mecánica de las membranas requiere pasar un cepillo o una esponja para desprender mecánicamente la suciedad depositada sobre ellas.
Este procedimiento requeriría tener acceso a la superficie activa de las membranas, lo cual sólo es posible en los módulos de placas. En los módulos tubulares podría hacerse circular por el interior de las membranas pequeñas bolas de esponja tal como se hace en los condensadores de las centrales térmicas. En los módulos espirales y en los de fibra hueca, debido a su fabricación, el acceso es imposible.
Hay que tener en cuenta, sin embargo, que el espesor de la capa activa es sumamente pequeño (del orden de 0,2 micras) y que una limpieza de esta naturaleza puede rayar y destruir dicha capa con las partículas abrasivas desprendidas, por lo que no es aconsejable utilizar esta técnica de limpieza.
Limpieza con permeado a presión (flushing) Este tipo de limpieza consiste en hacer llegar a las membranas, siguiendo el mismo camino que la solución a tratar, permeado exento de sustancias en suspensión y disueltas, susceptibles de depositarse sobre su superficie.
Esta técnica se utiliza normalmente durante las paradas del sistema con objeto de reducir el retorno de solvente debido al fenómeno de la ósmosis natural; y desplazar totalmente la solución a tratar del interior de las tuberías y de los módulos del sistema, impidiendo así la corrosión de las partes metálicas y la precipitación de aquellas sales que pudieran encontrarse en sobresaturación si se usase un dispersante.
Este procedimiento se utiliza también para desplazar los reactivos del interior de la planta cuando ésta se somete a una limpieza química.
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Los equipos de limpieza consisten normalmente en una o dos bombas que aspiran el permeado del depósito de almacenamiento y lo inyectan en la aspiración de las bombas de alta presión forzándolo a atravesar éstas y a llegar hasta las membranas a través de las tuberías de impulsión.
Limpieza química La limpieza química consiste en recircular a través de los módulos una serie de productos químicos capaces de disolver las precipitaciones o de eliminar los depósitos existentes sobre las membranas.
El producto químico a utilizar en la limpieza dependerá lógicamente de la naturaleza de las sustancias atascantes. Consecuentemente, lo primero que hay que conocer es el origen y el tipo de ensuciamiento producido para, por un lado tratar de eliminarlo de las membranas, y por otro, evitar que se vuelva a producir en el futuro.
La limpieza de las membranas se realiza recirculando a través de los módulos, en circuito cerrado, las soluciones preparadas. Estas soluciones habitualmente contienen productos muy corrosivos e incluso peligrosos, por lo que es necesario que el encargado de la unidad de limpieza tenga en cuenta las siguientes normas: •
Debe conocer y estar familiarizado con las normas de higiene y seguridad relativas al almacenamiento, manejo y preparación de cada reactivo utilizado.
•
Debe conocer el procedimiento a seguir para que el vertido de las soluciones de limpieza, una vez utilizadas, no contamine el medio ambiente.
•
Es aconsejable que durante el proceso de limpieza toda persona que manipule los distintos equipos vaya provista de guantes de goma, buzo de plástico y gafas protectoras de seguridad. En una zona próxima a la cuba de preparación debe existir una ducha con lavaojos.
•
Durante la preparación de las distintas formulaciones limpiadoras en necesario asegurarse de que todos los reactivos estén disueltos y correctamente mezclados antes de introducirlos en los módulos.
•
Antes y después de cada limpieza con una determinada formulación es imprescindible desplazar con permeado o bien con agua de alta calidad los fluidos existentes en el interior de las tuberías y módulos. Si no se realizase esta operación podrían reaccionar entre sí dos formulaciones consecutivas de limpieza originando precipitados o daños en las membranas.
•
Tras una limpieza química, a pesar de haber desplazado los reactivos utilizados, puede quedar alguna traza de los productos integrantes de la solución de limpieza. Estas trazas podrían pasar al permeado al entrar de nuevo la planta en funcionamiento. Por este motivo es aconsejable no aprovechar el primer volumen de permeado producido.
77
Es conveniente cambiar los cartuchos filtrantes de la unidad de limpieza tras finalizar la misma,
•
de forma que la siguiente se realice siempre con cartuchos nuevos.
La tabla siguiente detalla los efectos de cada tipo de ensuciamiento sobre los parámetros característicos.
Tabla 9: "Efectos del ensuciamiento sobre los parámetros característicos". Ensuciamiento
Paso de sales
Caudal de Pérdida de carga Localización del permeado problema Precipitación de Incremento Reducción Aumento En las últimas sales minerales importante (10- moderada o moderado o membranas o 25%) importe importante última etapa CaCO3 dependiendo del dependiendo del CaSO4 grado de grado de precipitación precipitación BaSO4 SrSO4 CaF2 SiO2
Precipitación de óxidos metálicos Fe(OH)3 Fe2O3 FeCO3 FeS2 MnO2 Mn2O3 MnCO3 Al(OH)3 Depósito de partículas abrasivas
Ensuciamiento coloidal
Desarrollos biológicos
Compuestos orgánicos
Incremento Reducción Aumento En la primera importante y importante y importante y etapa o primeras rápido, en 24 rápida (20-50%) rápido, ≥ 2 veces. membranas horas, ≥ 2 veces.
Método de confirmación Comprobación del LSI o S&DSI en el rechazo. Cálculo de los límites de solubilidad de las distintas sales en el rechazo. Análisis de los iones de la solución de limpieza. Análisis de los iones metálicos en la solución de limpieza.
Incremento Incremento Estable o ligera Sobre todo en la Presencia de según el alcance según el alcance reducción primera partículas en la del problema del problema membranas solución de aporte. Análisis destructivo de las membranas. Incremento Reducción Aumento notable Preferentemente Medida del SDI notable pero no importante pero pero no rápido, ≥ las primeras de la solución de rápido, puede no rápida, ≥ 50%. 2 veces. membranas de la aporte. requerir primera etapa. Análisis por semanas, ≥ 2 difracción de veces. rayos X Incremento Descenso gradual Incremento En todas las Recuento de gradual e e importante gradual e membranas pero bacterias en el importante sobre sobre todo tras importante sobre con mayor permeado como todo tras las las paradas si no todo tras las incidencia en las en le rechazo. paradas si no se se añade un paradas si no se situadas en los Existencia de añade un biocida, biocida, ≥ 50 %. añade un biocida, primeros lugares. desarrollos en ≥ 2 veces. ≥ 2 veces. tuberías y recipientes. Reducción Reducción Aumento muy En todas las Análisis moderada importante ligero membranas destructivo de las membranas
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Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
La tabla 10 señala las formulaciones de limpieza para membranas de acetato de celulosa. Tabla 10: "Formulaciones para la limpieza de membranas de acetato de celulosa". Formulación química
Ácido clorhídrico pH 3 Ácido cítrico al 2% ajuste pH 3 con NH4OH Detergente no iónico 0,1 Fosfato trisódico 2% Na4EDTA 2% pH 7-8 Fosfato trisódico 1% Tripolifosfato sódico 1% Dodecil sulfato sódico 0,1 % Na4EDTA 1% pH 9,0 EDTA Diamónico 5% Ácido eritórbico 1% pH 4-5 Ácido Cítrico 2,4 % Bisulfuro amónico 2,4 % pH 1,5-2,5X NaHMP 1% NaHSO3 2% Detergente no iónico 0,1% Na2S2O4 1 % Cloro libre 1-5 ppm pH 6,5-7,5 NaHSO3 0,1 % Formaldehído 0,1 %
CaCO3
CaF2
CaSO4 BaSO4 SrSO4
Tipo de ensuciamiento Óxidos Coloides Desarrollos metálicos inorgánicos biológicos
X
Compuestos orgánicos
Sílice
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
X X
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
La tabla 11 detalla las soluciones de limpieza para las membranas de poliamida aromática.
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Tabla 11: "Formulaciones para la limpieza de membranas de poliamida aromática". Formulación química Ácido clorhídrico pH 2 H3PO4 0,5 % NH2SO3H 0,2 % Ácido cítrico al 2% NH4OH hasta pH 4 Ácido cítrico al 2% Na2EDTA 2 % NH4OH hasta pH 4 Ácido cítrico al 2% NH4OH hasta pH 8 Na2EDTA 1,5 % NaOH hasta pH 7-8 Na4 EDTA 1,5 % HCl hasta pH 7-8 Na2EDTA 1% NaOH hasta pH 11-12 NaOH pH 11-12 Ácido Cítrico 2,4 % Bisulfuro amónico 2,4 % pH 1,5-2,5 Na2S2O4 1-2,4 % Fosfato trisódico 1% Trifosfato sódico Na2EDTA 1% Dodecil sulfato sódico 0,5 % NaOH hasta pH 11-12 Na2EDTA 0,1% NaOH hasta pH 11-12 NaHMP 1% Perborato sódico 0,3% Dodecil sulfato sódico 0,25 % pH 10 Trifosfato sódico 2 % Dodecil sulfato sódico 0,2% pH10 NaHSO3 0,1 % Formaldehído 0,1 %
CaCO3
CaF2
CaSO4
X X X X
Tipo de ensuciamiento Óxidos Coloides Desarrollos metálicos inorgánicos biológicos X
X X X
X X X
X
X
X
X
Compuestos orgánicos
Sílice
X
X
X
X
X X
X
X X
X
X X
X X
X
X
X
X X
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
X
X
X
X X
Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999.
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2.4.7. POST TRATAMIENTO El agua desalada mediante membranas tiene un pH bajo (5,5), es pobre en calcio y de baja alcalinidad, debido al elevado rechazo de estos iones por las mismas. Es por tanto un agua desequilibrada.
Su baja alcalinidad y la presencia de CO2, la hacen corrosiva,
pudendo disolver los
precipitados de las tuberías e incluso incumplir algunos aspectos de la normativa Técnico Sanitaria. Para estabilizarla hay que llevar estos parámetros a su equilibrio de saturación de CaCO3.
También en ocasiones contiene SH2, especialmente cuando se tratan aguas subterráneas.
La estabilización se consigue por tres procedimientos:
Descarbonatación o Desgacificación Se realiza mediante una torre en la que el agua entra por la parte superior mediante unos difusores y percola a través de un material que puede tener distintas formas y tamaños; determinando en función de estos la superficie de la cámara de desgacificación.
Simultáneamente se inyecta una corriente de gas distinto del que se pretende separar, a contracorriente; que generalmente se trata de aire.
De esta forma el CO2 se reduce a menos de 10 mg/ L y el pH queda entre 6 – 6,5 .
Adición de Productos Químicos Los productos químicos que se emplean generalmente en el equilibrado del agua procedente de la ósmosis son: cal (Ca[OH2]); carbonato cálcico (CO3Ca), que tienen el doble efecto de regular el pH y aumentar el contenido en calcio. La adición de esto productos se regula según el índice de Langelier.
También en la regulación se utiliza sosa (NaOH) ó soda ash (Na2CO3 ).
Mezcla con Otras Aguas En los casos en que el agua procedente del proceso de ósmosis inversa sea un porcentaje del consumo total, antes de su distribución se producirá la mezcla con el agua procedente de las otras fuentes. En este caso el agua desalada debe suponer al menos el 10% de la mezcla y la estabilización del producto de la ósmosis inversa se realiza por medio de las sales contenidas en el agua de las otras fuentes.
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Post Cloración Como el agua que se va a desalar, ha sido desprovista de sus características oxidantes mediante la dosificación de bisulfito sódico, en el producto no existen rastros de cloro residual.
Como antes de su uso final suele almacenarse en algún depósito, existen riesgos de que vuelva a contaminarse de nuevo.
Por ello si el agua se va a dedicar a abastecimientos urbanos es necesario volverla a clorar para cumplir la normativa sanitaria en cuanto a presencia de cloro residual de la red.
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