XIII

Ingeniera para el Tratamiento de

Aguas Especiales

2do SEGMENTO TERICO

PRETRATAMIENTO Y POSTRATAMIENTO EN EL USO DE TECNOLOGAS DE MEMBRANAS CONFIGURACIONES

Dr. Eduardo Mrquez Canosa

INDICE

Pginas

I. Sistemas de OI

4

I. Sistema de pre-tratamiento

4

II. Bomba de alta presin

15

III. Mdulos de membranas

17

III.1. Simple pase con aprovechamiento de rechazo

19

III.2. Doble pase de OI

20IV. Sistemas de post-tratamiento

21IV.1. Eliminacin del CO2

21

IV.2. Ajuste del pH

22

IV.3. Ajuste de la dureza

23IV.4. Filtracin y esterilizacin

23

IV.5. Control de color, olor y sabor

24

V. Requerimientos esenciales a considerar en un proyecto de tratamiento por osmosis inversa

25

Bibliografa

33

INDICE DE FIGURAS Y TABLAS

PginasTabla 1. Mtodos de tratamientos para diferentes impurezas presentes en el agua a tratar

10Tabla 2. Salinidad presente en diferentes calidades de agua

14

Tabla 3. Comparacin de 4 tipos de cartuchos de OI que operan con agua de alimentacin con TDS ( 1000 ppm a 25C

28

Figura 1. Filtro con arena utilizado en el pretratamiento

11Figura 2. Tipos de filtros utilizados en la microfiltracin

12

Figura 3. Sistema de ablandamiento mediante resina de intercambio 13

Figura 4. Imagen de una planta de tratamiento de agua de mar por osmosis inversa, con su equipo de bombeo

15Figura 6. Equipo de bombeo y mdulos de membranas en una planta de tratamiento de agua por osmosis

17Figura 7. Esquema del arreglo de simple pase

18

Figura 8. Esquema del simple paso en paralelo

19

Figura 9. Esquema del simple paso en serie

20

Figura 10. Esquema del doble pase por osmosis

21

Figura 11. Esquema de un descarbonatador

22

Figura 12. Sistema de filtracin en postratamiento

23

Figura 13. Esquema tecnolgico de la produccin de agua para la industria farmacutica

27

I. Sistemas de OIHay cuatro componentes importantes en una planta de OI los cuales son:

I. Sistema de pre-tratamiento.

II. Bomba de alta presin.

III. Mdulo de membranas.

IV. Sistema de post-tratamiento.

I. Sistema de pre-tratamientoEl pre-tratamiento es el conjunto de procesos fsico-qumicos, que es preciso realizarle al agua de alimentacin de una planta de OI para que la misma rena las condiciones establecidas por el fabricante de las membranas con el objetivo de lograr el mximo rendimiento y duracin de dichas membranas. Este conjunto de procesos previenen el ensuciamiento, la incrustacin, el ataque qumico o microbiano a las membranas y la obstruccin del sistema.

La funcin del mismo es aumentar hasta el mximo, utilizando como referencia el plazo de 5 aos, la vida til de las membranas, siendo estas el componente principal en los costos de inversin y operacin.

El pre-tratamiento debe estudiarse en cada caso a partir de las caractersticas del agua a tratar, para evitar los fenmenos de formacin de pelculas que implicarn una prdida de productividad.

No hay un mtodo universal de pre-tratamiento, ste va a estar en dependencia de la calidad y cantidad del agua a tratar, del tipo de membrana y su configuracin. Para garantizar la cantidad de permeado y la retencin de sal por largos perodos, se requiere un pre-tratamiento extenso del agua que va a ser alimentada al mdulo de membranas.

Es esencial un anlisis del agua de alimentacin antes de decidir el diseo del mismo. Los anlisis que se deben incluir al caracterizar la fuente de abasto son: la turbidez, el color, la temperatura (mxima, mnima, promedio), los SDI, los LSI o los (S+DSI), el pH, la conductividad elctrica o la determinacin de iones Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Fe2+,Mn4+, Ba2+, Sr2+, Al3+, Cl-, SO42 -,NO3-, PO43 -, HCO3-, CO32 -, F-, la determinacin de SiO2, de CO2 libre, de O2 libre, de Cl2 libre, de H2S libre, los slidos totales disueltos, el anlisis microbiolgicos y la determinacin de materia orgnica (demanda bioqumica de oxgeno, demanda qumica de oxgeno y carbono orgnico total).

El pre-tratamiento es usualmente convencional pero ms elaborado que el requerido para los procesos de destilacin. Su costo puede ser de un 60-65% del costo capital del proceso total y alrededor de un tercio del costo de instalacin total. Los costos de instalacin deben verse a la luz de los costos para limpieza, reemplazamiento de membranas y otros costos asociados con el transcurso del tiempo.

Los distintos componentes de este sistema pueden ser:

1. Dosificacin de productos qumicos.

2. Sistema de filtracin a travs del material poroso. (Filtracin por arena).

3. Filtro con carbn activado (Adsorcin).

4. Microfiltracin.5. Resina de intercambio Inico (Ablandamiento, desmineralizacin).

1. Dosificacin de productos qumicos

a) Dosificacin de hipoclorito sdico (NaClO)

La funcin de la dosificacin del hipoclorito sdico es la reduccin de la materia orgnica presente en el agua residual influente, para prevenir las contaminaciones de carcter biolgico que puedan afectar a las membranas.

Se debe mantener una concentracin de 1 a 1,5 mg/L de cloro libre en el agua residual teniendo en cuenta, de utilizar este producto, la estructura de la membrana (acetato de celulosa, poliamida, etc) y el efecto oxidante de este producto sobre su estructura, aspecto tratado por el fabricante en su informacin tcnica.b) Dosificacin de cido sulfrico H2SO4El objetivo de la dosificacin de este cido es evitar la precipitacin de los carbonatos en el interior de las membranas. De acuerdo al ndice de Lagelier y a la composicin del agua, la dosificacin de este producto puede ser muy efectiva, siempre que se controle la concentracin de sulfato y la dureza en el agua. La incrustacin de sulfato de calcio puede implicar dao en la superficie de la membrana por su carcter de dureza permanente no eliminado por mtodos qumicos.El cido sulfrico facilita la accin oxidante del hipoclorito al reducir el pH. La dosificacin habitual de cido sulfrico es de 20 mg/L.

c) Dosificacin de coagulante

El coagulante se emplea previo a la filtracin sobre filtros de arena, con el objetivo de aumentar la eliminacin de slidos en suspensin.

El coagulante ms utilizado es el cloruro frrico FeCl3 con dosificacin de 2 mg/L.d) Dosificacin de bisulfito sdicoSu objetivo es eliminar el cloro residual del agua a tratar ante su llegada a las membranas, se declorar qumicamente mediante la adicin de un reductor que, generalmente, es bisulfito sdico. Adems de eliminar el cloro residual, el bisulfito elimina el oxigeno disuelto del agua residual.

La dosificacin del bisulfito se realiza previamente a la microfiltracin, en dosis de 6 mg/L.

e) Dosificacin de dispersanteLa dosificacin de dispersante o anti-incrustante se realiza con el objetivo de evitar la precipitacin de sales en las membranas de smosis. Las sales empleadas como reactivo son polifosfatos a dosificaciones de 10 mg/L.

En general, otras variantes para evitar los problemas de incrustaciones en las membranas, pueden ser mediante el cambio en las variables operacionales, como por ejemplo:

1. Control de la conversin para evitar exceder los lmites de solubilidad.

2. Remocin de uno de los iones responsables de compuestos formadores de incrustacin.

3. Inhibicin del crecimiento del cristal de un compuesto formador de incrustacin.

De forma general, los mtodos de tratamiento ms usuales para algunas impurezas se reportan en la tabla 1.Tabla 1. Mtodos de tratamientos para diferentes impurezas presentes en el agua a tratar.SulfatosSuavizamiento.

Secuestrantes.

Evitar condiciones de saturacin.

SliceSuavizamiento.

Elevar la temperatura.

CarbonatosRemover Ca2+ y Mg2+ (suavizamiento)

Remover CO32- y HCOs- por dosificacin de cido para prevenir scaling y reducir la velocidad de oxidacin de Fe2+.

Evitar condiciones de saturacin.

ColoidesSuavizamiento, coagulacin, filtracin.

HierroCoagulacin-Floculacin.

Secuestrante Secuestrante

Slidos suspendidosFiltracin por arena

Filtracin por membrana o cartucho

BacteriasEsterilizacin y filtracin.

Slidos suspendidos. Las partculas ms grandes (5 30 (m) deben ser removidas para prevenir el bloqueo de los canales de flujo de la salmuera. Esto se logra con filtros de arena o multimedia seguidos de filtros de cartucho, para remover cualquier slido que pueda escapar del filtro de arena. Los filtros que usan arena, carbn u otros materiales, generalmente reduce el SDI del efluente por un factor de 2, por lo que corrientes con SDI(6 nos darn los requerimientos necesarios para membranas que requieran SDI ( 3.

2. Sistema de Filtracin a travs de material poroso. (Filtracin por arena)La velocidad de filtracin sobre los filtros de arena ser de 10 m3/m2/h para eliminar slidos en suspensin, la cual puede ser incrementada al usar coagulantes que permiten operar como filtros clarificadores muy eficiente en la eliminacin de slidos coloidales. La velocidad de lavado de los filtros es de 36 m3/m2/h.

Figura 1. Filtro con arena utilizado en el pretratamiento.2.1. Filtracin en filtro bicapaLos filtros bicapa estn compuestos de 2 componentes, silex y antracita. Constituye otra variante de la filtracin a travs de medios porosos. La velocidad de filtracin para eliminacin de slidos en suspensin es de 16 m3/m2/h y la de lavado de filtros de 36 m3/m2/h.

3. Filtro con carbn activado. (Adsorcin)

El uso de columnas de filtracin del agua a tratar a travs de material poroso, el carbn activado, es una variante de eliminacin del cloro y materia orgnica en el pre-tratamiento en muchos sistemas de osmosis inversa. An su efectividad en la remocin de estos contaminantes a niveles aceptables muchos diseadores y especialistas prefieren evitarlo y no lo proponen, en el sistema de pretratamiento, dado que en su operacin existe la posibilidad de crecimiento microbiano contaminando al agua de salida por microorganismos.4. MicrofiltracinPara retener los slidos de pequeo tamao que puedan pasar a travs de los filtros, que produciran anomalas de funcionamiento tanto en las bombas de alta presin como en las membranas de smosis, se puede instalar en el pre tratamiento una micro filtracin.Se utilizan filtros de tamao de poro de 50, 25, 5, 2 y 0,2 micras en funcin de la calidad de entrada y el objetivo deseado, normalmente se suele encontrar una combinacin de filtros instalados.

Figura 2. Tipos de filtros utilizados en la microfiltracin.5. Resina de intercambio Inico. (Ablandamiento, desmineralizacin)El control de impurezas inicas responsables de la formacin de incrustaciones en la superficie de las membranas se puede lograr de forma eficiente desde el punto de vista tcnico y econmico a travs de las resinas de intercambio. Varias pueden ser las configuraciones de resinas utilizadas:

a. Ablandamiento.

b. Desalcalizacin.

c. Desmineralizacin.

El primero consiste en una resina catinica fuerte ciclo sodio para la remocin del calcio y magnesio (sales de dureza). La Desalcalizacin es una alternativa que adems de eliminar la dureza elimina la alcalinidad presente en el agua disminuyendo as la concentracin de slidos disueltos en la entrada al proceso de osmosis.

Figura 3. Sistema de ablandamiento mediante resina de intercambio.La desmineralizacin a travs de resinas catinicas y aninicas permite lograr un agua con baja conductividad de excelente calidad para el proceso de osmosis, aumentando el costo del metro cbico del agua tratada por el sistema.El uso o la seleccin de un mtodo u otro dependen del agua de partida a tratar, la configuracin de las membranas y la cantidad y calidad del agua tratada que se necesite.La tabla 2 reporta los valores medios de slidos totales disueltos presentes en diferentes calidades de agua de partida o tratada.

Tabla 2. Salinidad presente en diferentes calidades de agua.

II. Bomba de alta presin

La funcin de este componente es impulsar el agua de alimentacin a la membrana, dotndola de una presin lo suficientemente alta para que el proceso de smosis inversa tenga lugar. La presin de operacin requerida puede ser hasta el triple de la presin osmtica para desalacin de agua de mar (dependiendo de las resistencias y prdidas en la trayectoria del flujo). Las bombas de alta presin, constituyen una de las partes ms importantes del equipamiento, ya que es el nico elemento mecnico en movimiento permanente, el cual determina el mantenimiento y el costo del m3 de agua tratada en funcin de la energa elctrica consumida.

Figura 4. Imagen de una planta de tratamiento de agua de mar por osmosis inversa, con su equipo de bombeo.Las caractersticas principales que deben poseer una bomba de alta presin para una planta de OI son las siguientes:

Fiabilidad.

Buen rendimiento hidrulico.

Resistente a los agentes abrasivos.

Bajas necesidades de mantenimiento.

Fcil reparacin en caso de averas.

Las ms comnmente empleadas son:

Bombas centrfugas. Son las ms utilizadas en OI para aguas salobres y dentro de ellas las multicelulares. Son fiables y necesitan muy poco mantenimiento. Se fabrican de acero inoxidable 316L o equivalente.

Figura 5. Bombas centrifugas en una planta de osmosis inversa. Bombas de pistn o bombas de desplazamiento positivo. Tienen mejor rendimiento hidrulico que las anteriores pero generalmente son ms delicadas y necesitan mayor vigilancia. Se utilizan ocasionalmente en plantas de OI de pequea capacidad. Normalmente se construyen los cuerpos de estas bombas de acero inoxidable, o una aleacin aluminio-bronce, mientras que los pistones suelen ser de material cermico.

Figura 6. Equipo de bombeo y mdulos de membranas en una planta de tratamiento de agua por osmosis.

III. Mdulos de membranasEl agua de alimentacin presurizada por la bomba de alta presin entra en los mdulos de membranas.

Una caracterstica fundamental en un mdulo de OI es que, los canales por los que circula la disolucin alimentacin salmuera estn perfectamente sellados con respecto a los canales por los que circula el agua producto, para evitar cortocircuitos hidrulicos. Adems de los aspectos analizados, los mdulos deben presentar otras caractersticas como son: Mantener condiciones de flujo ideal sobre la superficie de la membrana an si la carga vara.

Mantener las prdidas friccionales en un mnimo en el paso de la salmuera y el producto.

Que los permeadores permitan la toma de muestras.Existen dos tipos de arreglo: de simple paso y de doble paso, pudiendo combinarse elementos en serie y paralelo para acomodar los flujos deseados de alimentacin y producto obteniendo as la mxima recuperacin.

En la de simple paso, el agua producto ha pasado a travs de la membrana una sola vez y se utiliza para limitar al mximo la prdida de agua de un sistema. Puede ser:

Figura 7. Esquema del arreglo de simple pase. III.1. Simple paso con aprovechamiento de rechazoConsiste en alimentar a un primer grupo de mdulos en paralelo y con el rechazo obtenido alimentar a un segundo grupo de mdulos, el cual debe ser menor en cantidad que el primero para evitar bajos caudales en los mismos. Se logran altos valores de recobrado, ms que los que se logran en las disposiciones paralelo y serie las cuales analizaremos a continuacin. (Figuras 8 y 9). 1. Simple paso en paralelo En esta disposicin dos o ms mdulos son colocados en paralelo de manera que reciban el mismo caudal de alimentacin a la misma presin. El permeado que se obtiene de cada mdulo se mezcla en una conexin comn al igual que para la corriente de rechazo. El flujo de recobrado total del sistema se regula mediante una nica vlvula situada en el colector general de la salmuera. Esta disposicin es til cuando no se desea incrementar mucho la salinidad del rechazo con respecto a la salinidad de la alimentacin.

Figura 8. Esquema del simple paso en paralelo.2. Simple paso en serie Consiste en alimentar el primer mdulo con la bomba de alta presin, el segundo con el rechazo del primero y as sucesivamente. En la medida que el rechazo del primer mdulo se convierte en la alimentacin del siguiente, la salinidad del agua se va incrementando, por lo que no se debe sobrepasar el valor de mxima salinidad recomendado por el fabricante para no provocar incrustaciones en las membranas. Esta disposicin se utiliza cuando la salinidad del agua de alimentacin no es elevada.

Figura 9. Esquema del simple paso en serie.

III.2. Doble pase de OILa de doble pase, es el tipo ms usado para aguas de alta pureza. En este caso el agua de alimentacin de la segunda etapa es el permeado de la primera; el concentrado de esta ltima se elimina y el de la segunda se recircula, unindolo a la alimentacin de la primera etapa. Se utiliza cuando la salinidad inicial es muy elevada y una etapa no es suficiente para una buena desalacin, o cuando se requiere un producto de mucha calidad.

Figura 10. Esquema del doble pase por osmosis.

IV. Sistemas de post-tratamientoLos tratamientos del agua producto como objeto completa los procesos de desalacin del agua, dejndola lista para su uso. Algunos de los procedimientos ms usuales son:

IV.1. Eliminacin del CO2Una elevada concentracin de CO2 en el permeado de una planta de OI puede ser perjudicial dado que:

1. El CO2 incrementa el carcter corrosivo del permeado.

2. Se produce un aumento del consumo de reactivos para adecuar el pH del agua para el consumo humano y para usos industriales.

El permeado puede tener un carcter corrosivo sobre todo si se le administr cido en el pre-tratamiento al agua de alimentacin. La formacin de CO2 libre que atraviesa fcilmente la membrana, o de H2S, le trasmite al permeado una cierta acidez que se elimina hacindolo pasar por un desgasificador.

Figura 11. Esquema de un descarbonatador.IV.2. Ajuste del pHSi la concentracin de CO2 en el permeado es inferior a 60 mg/L no es rentable usar un desgasificador atmosfrico para aumentar el pH. En ese caso y cuando se requiere un pH neutro, el pH se corrige aadiendo NaOH y KOH al permeado inyectando una disolucin de estos compuestos.

IV.3. Ajuste de la durezaSi se desea que el agua contenga un mnimo de dureza, por ejemplo, 75 mg/L de calcio (expresado como CaCO3), se le adicionan sales de calcio al producto, pudiendo inyectarse una disolucin de CaCO3 y carbonato/bicarbonato de sodio. Los carbonatos ayudan a controlar el pH del agua a la vez que se incrementa la dureza del agua producto.

IV.4. Filtracin y esterilizacinSe utilizan estas operaciones cuando se requiere agua de alta pureza libre de pirgenos, virus y bacterias.

Figura 12. Sistema de filtracin en postratamiento.IV.5. Control de color, olor y saborSi el agua va a ser destinada al consumo humano, el permeado puede contener pequesimas cantidades de constituyentes indeseables que alteran sus caractersticas organolpticas y que la hacen inadecuada para el consumo humano, en este caso se recomienda la utilizacin del filtro de carbn activado.

V. Requerimientos esenciales a considerar en un proyecto de tratamiento por osmosis inversaComo puede inferirse los elementos fundamentales para poder abordar un proyecto de tratamiento de agua por OI son:

Informacin detallada y exacta del agua a tratar.

Informacin sobre las condiciones de operacin de la planta.

Diseo adecuado del proceso de pre-tratamiento.

Diseo de la planta acorde a los fines de cantidad y calidad del agua de inters.

Establecimiento de las condiciones para una correcta operacin y mantenimiento de la planta.

Hay ms de un camino para obtener agua de determinada calidad, a manera de ejemplo analice la figura 13 que corresponde a la produccin de agua con fines farmacuticos.

Como ya tiene informacin suficiente sobre las caractersticas de los sistemas de OI analice tambin la tabla 3 en la que se establece una comparacin de membranas de diferente naturaleza, estableciendo los requerimientos de cada una de ellas en lo referente al: pre-tratamiento, diseo de equipos, propiedades del rechazo que presentan las mismas, condiciones para la sanitizacin y limpieza, comportamiento frente a los diferentes agentes de limpieza y la resistencia al ensuciamiento.

Produccin de agua farmacutica

Pretratamiento

Figura 13. Esquema tecnolgico de la produccin de agua para la industria farmacutica.

Tabla 3. Comparacin de 4 tipos de cartuchos de OI que operan con agua de alimentacin con TDS ( 1000 ppm a 25C .ParmetrosPolisulfona sulfonada

(Espiral)

Hi - Flux CPPoliamida compuesta

(Espiral)Acetato de Celulosa

(Espiral)Poliamida

(Fibra hueca)

1. Requerimiento de pre-tratamiento

A- Slidos suspendidos

SDI mximo (15 min).

Facilidades de limpieza.

( 5,0

Excelente( 5,0

Buena( 5,0

Buena( 3,0

Regular

B- Slidos disueltos.

Lmite de incrustacin (LSI)

Resistencia qumica de la membrana para:

Alto TDS en agua de alimentacin.

Bajo TDS en agua de alimentacin.

Dureza ( 1,0 ppm

Buena

BuenaLSI debe ser negativo en la corriente de rechazo

Buena

Buena

LSI debe ser negativo en la corriente de rechazo

Buena

BuenaBuena

Mala

C- Resistencia al cloro.

Mximo en alimentacin continua (ppm de cloro libre)

( 5,0( 0,1( 1,50,0 si pH ( 8,0

( 0,25 si pH ( 8,0

D. Resistencia a bacterias.BuenaBuenaMalaBuena

E. Mxima temperatura del agua.35C45oC35oC35oC

F. Lmites de pH continuo. 4 - 112 - 114,0 7,54 - 11

2. Diseo de equipos.

A. Presin (psi)

Rango de presin transmembrana de operacin normal a 25C.200 40040 36040 400200 - 400

B. Flujo de diseo a 400 psi, 25C (gal/pie2.d).

Agua con alto SDI (5,0).

Agua con moderado SDI (3,0).

Agua con bajo SDI (1,0).

C. Recuperacin.

Mxima por cartucho.35 55

35 55

35 55

20% - 30%19 21

28

35 38

15% - 40%

20 25

20 25

20 25

14% - 17%ND

-

-

55% - 65%

3. Propiedades de rechazo.

A. Inico

Monovalente.

Polivalente.( 95%

ND( 96%

( 98%( 93%

( 96%( 90%

( 90%

B. Bacterias, pirgenos y partculas.( 99%( 99%( 99%( 99%

C. Slica.

A pH ( 10

A pH ( 780%

20%98%

98%ND

70 - 80%( 85%

( 85%

D. Orgnicos.

Rechazo.

MWCO( 99%

200( 99%

200( 99%

300ND

ND

4. Sanitizacin/limpieza.

A. Rango de pH

(Corto tiempo)

B. Rango de temperatura (oC)

(Corto tiempo)2 12

301 12

453 7,5

352,3 11,9

35

C. Agentes de limpieza.

cidos

Bases

Oxidantes fuertes

Sustancias reductoras

CloroG

G

L

G

G

G

G

L

G

NRNR

NR

L

G

LG

G

NR

G

NR

D. Sanitizacin

Tolerancia de cloro mximo (ppm)

(Corto tiempo)

Tolerancia de cloro total (ppm-horas)

( 100

40 000NR

1 000( 10

10 0000,0 si pH(8,0; 0,25 si pH(8,0

NR

E. Resistencia al ensuciamientoExcelenteRegularBuenaMala

ND: No definido G: Para uso general L: Uso limitado NR: No recomendado

Bibliografa

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7

6

5

Agua alimentacin

suavizador

Filtro carbn activado

Ablandamiento

FILTRO Multimedia

(Arena)

Esterilizador UV

(Tto. bacteriano)

Regulacin de pH

Prefiltro

5 micrn

Alimentar Bisulfito de Sodio

Antiescalantes

QCOS

UF

Lecho mixto interinico

Deionizacin

Filtro final 0,2 micron

Pulidor / depirogenacin

o

Destilacin

USP agua purificada a almacenar o distribuir

WFI a almacenar

A almacenar

Deionizacin contnua

(CDI)

2do. pase OI

1er. pase OI

Interc. inico

4

3

2

2

AA

1