unt - osmosis inversa - papers
TRANSCRIPT
-
Introduccin a la smosis Inversa
Ing. Mario Villarino
Octubre de 2010
-
ii
PALABRAS CLAVES
smosis Inversa membrana espiral arrollada - flujo cruzado alimentacin - permeado
rechazo o concentrado flushing o enjuague pasos etapas pretratamiento ndice de
Saturacin de Langelier (LSI) - antiescalante fouling o ensuciamiento.
-
iii
TABLA DE CONTENIDOS
CARTULA ..................
PALABRAS CLAVES ..................
TABLA DE CONTENIDOS ....................
INDICE DE FIGURAS .....................
INDICE DE TABLAS .......................
INTRODUCCIN ....................
CAPITULO 1: PROCESOS DE FILTRACIN POR MEMBRANAS ..............
1.1 Perspectiva Histrica de la Tecnologa de membranas de RO ................... 1.2 Tecnologas de Desalinizacin Comparacin ............................................ 1.3 Filtracin en Flujo Cruzado .......................1.4 Procesos de Filtracin por Membranas en Flujo Cruzado .............................
1.4.1 Microfiltracin (MF) ....................
1.4.2 Ultrafiltracin (UF) ......................
1.4.3 Nanofiltracin (NF) ......................
1.4.4 smosis Inversa (RO) ..........................
1.5 Materiales utilizados en las membranas ...........................
1.6 Estructura de las membranas ....................................
1.7 Configuracin de los Membranas (mdulos) .......................
1.8 Mdulos Espirales Rotativos ..............................
i
ii
iii
vi
viii
1
3
3
5
7
8
9
9
10
11
14
19
22
25
-
iv
CAPITULO 2: SMOSIS INVERSA ................................................................
2.1 Principios de la smosis Inversa .................................................................
2.2 Definiciones y trminos en smosis Inversa ...........
2.3 Descripcin de proceso de smosis Inversa ............
2.4 Factores que afectan la Performance de la smosis Inversa .....................
2.4.1 Efecto de la presin .....................................................................................
2.4.2 Efecto de la temperatura ................................................................
2.4.3 Efecto de la concentracin de la alimentacin .............................
2.4.4 Efecto de la recuperacin ...............................................................
2.4.5 Efecto del pH ....................................................................................
29
29
30
34
37
41
42
44
45
46
CAPITULO 3: QUIMICA DEL AGUA Y PRETRATAMIENTO ......................
3.1 Introduccin ....................................................................................................
3.2 El agua y la smosis Inversa .........................................................................
3.3 Tipo y anlisis de agua de alimentacin.........................................................
3.3.1 Agua de Mar .....................................................................................
3.3.2 Aguas Salobres .................................................................................
3.4 Prevencin de incrustacin de sales inorgnicas ..........................................
3.4.1 Adicin de cido ..............................................................................
3.4.2 Adicin de anti-incrustantes (antiescalantes) ................................
3.4.3 Ablandamiento .................................................................................
3.4.4 Mtodo de limpieza preventiva ...................................................................
3.4.5 Ajuste de variables operativas ....................................................................
3.5 Clculos de tendencia a la Incrustacin de sales inorgnicas .............................
3.5.1 Conceptos Generales ....................................................................................
3.5.2 Prevencin de incrustaciones para el Carbonato de Calcio .....................
Agua Salina (ndice de Saturacin de Langelier) ....................................
Agua de alta salinidad (ndice de Saturacin de Stiff & Davis)...............
3.5.3 Uso de software de diseo ............................................................................
48
48
49
51
52
54
56
59
60
61
62
63
64
64
67
67
73
76
-
v
3.6 Prevencin de ensuciamiento con slidos en suspensin y
partculas coloidales ...................................................................................................
3.6.1 Conceptos Generales ...................................................................................
3.6.2 Qu representa el valor del SDI y como se puede reducir? ...................
3.6.3 Hay un procedimiento estndar para medir el SDI? ..............................
3.6.4 Clculo del SDI .............................................................................................
3.7 Prevencin de ensuciamiento biolgico ....................................................................
3.7.1 Conceptos Generales ...................................................................................
3.7.2 Medicin del potencial de ensuciamiento biolgico ..................................
Tcnicas de cultivo .....................................................................................
Conteo de bacterias totales .........................................................................
3.7.3 Cloracin / Decloracin ...............................................................................
Qumica de la Cloracin ............................................................................
Decloracin ................................................................................................
3.7.4 Otros mtodos ...............................................................................................
3.8 Prevencin de ensuciamiento con materia orgnica ................................................
3.8.1 Conceptos Generales ....................................................................................
78
78
79
81
81
82
82
84
85
86
86
88
89
91
92
92
APNDICES .....................................................................................................................
APNDICE N 1: Clculo del ndice de Saturacin de Langelier ..............................
APNDICE N 2: Procedimiento para determinar el SDI15 ........................................
APNDICE N 3: Clculos de diseo de un sistema de smosis Inversa ..................
APNDICE N 4: Diagramas de Tubos de presin CodeLine .................................
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ..........................................................................
94
95
99
103
116
119
-
vi
INDICE DE FIGURAS
Figura N 1: El Profesor Sidney Loeb y el ingeniero Edward Selover ensayando la
membrana de smosis Inversa fabricada en 1960 en el CIRCA..................................
Figura N 2: Procesos de desalacin ms utilizados......................................................
Figura N 3: Esquema comparativo de la filtracin en flujo convencional o directo
(modo deposicin) y cruzado (modo suspensin)...........................................................
Figura N 4: Esquema de separacin de las membranas de Microfiltracin..............
Figura N 5: Esquema de separacin de la Ultrafiltracin...........................................
Figura N 6: Esquema de separacin de la Nanofiltracin...........................................
Figura N 7: Esquema de separacin de la smosis Inversa........................................
Figura N 8: Rangos de los procesos de filtracin o espectro de filtracin.................
Figura N 9: Estructura y simetra de las membranas..................................................
Figura N 10: Membranas de UF Asimtricas...............................................................
Figura N 11: a) Esquema de un mdulo de Membrana Espiral indicando los
sentidos de flujo y los componentes. b) Secuencia de construccin interna de un
mdulo de membrana espiral arrollada.........................................................................
Figura N 12: Unin de cada par de hojas planas de elementos de membrana
espirales adherida al tubo colector de permeado...........................................................
Figura N 13: Fotografas de Membranas Espiral........................................................
Figura N 14: Esquema tpico de membranas espiral (RO/NF), dentro de tubo de
presin...............................................................................................................................
Figura N 15: Esquema del fenmeno de Osmosis y Osmosis Inversa........................
Figura N 16: Esquema de aplicacin prctica de la Osmosis Inversa........................
Figura N 17: Esquema sistema de filtracin por membranas Recuperacin.........
Figura N 18: Esquema sistema de filtracin por membranas Recuperacin y
rechazo..............................................................................................................................
Figura N 19: Contenido de sales en Concentrado con 75% recuperacin y 99%
rechazo de sales................................................................................................................
Figura N 20: Contenido de sales en Concentrado con 50% recuperacin y 99%
rechazo de sales................................................................................................................
Figura N 21: Innovaciones segn el paradigma Caudal / Rechazo...........................
4
6
7
9
10
11
12
13
19
20
27
28
28
28
29
34
35
35
36
36
38
-
vii
Figura N 22: Seccin transversal de la membrana......................................................
Figura N 23: Lneas de encolado: (a) Manual y (b) Automatizado, Filmtec.............
Figura N 24: Performance vs. Presin..........................................................................
Figura N 25: Performance vs. Temperatura................................................................
Figura N 26: Performance vs. Concentracin de la alimentacin..............................
Figura N 27: Performance vs. Recuperacin................................................................
Figura N 28: Comparacin de los parmetros operativos y de limpieza entre
Membranas FT-30 de Filmtec (PA) y membranas de Acetato de Celulosa (CA).......
Figura N 29: Principales tipos de agua tratadas por RO............................................
Figura N 30: pH versus Alcalinidad Total/CO2 libre..................................................
Figura N 31: ndice de Saturacin de Langelier (LSI)................................................
Figura N 32: Conversin de Calcio y Alcalinidad a pCa y pAlc.................................
Figura N 33: Constante K versus fuerza inica y temperatura..............................
Figura N 34: Esquema del equipo de medicin del SDI..............................................
Figura N 35 Las fotos muestran daos mecnicos en los elementos debido a una
alta presin diferencial.....................................................................................................
Figura N 36 Correlacin entre ORP, concentracin de cloro y pH............................
39
40
42
43
45
46
47
52
71
72
76
77
82
84
91
-
viii
INDICE DE TABLAS
Tabla N 1: Resumen de los materiales utilizados comnmente en la fabricacin
de membranas.................................................................................................................
Tabla N 2: Materiales de Membranas Polimricas comercialmente disponibles...
Tabla N 3 Tamao nominal de poro de las membranas, micrones...........................
Tabla N 4 Propiedades para los principales tipos de mdulos de membranas........
Tabla N 5 Gua para evitar la compactacin de las membranas (no vlida para
Acetato de Celulosa)........................................................................................................
Tabla N 6 Composicin del agua de mar estndar.....................................................
Tabla N 7 Salinidad y conductividad del agua de mar..............................................
Tabla N 8 Ejemplos de composicin de aguas salobres.............................................
Tabla N 9 Procedimientos Normalizados relevantes para anlisis de agua con
aplicaciones en RO/NF...................................................................................................
Tabla N 10 Gua de seleccin para tipo de membrana y elementos Filmtec...........
Tabla N 11 Datos de diseo para membranas de 8 Filmtec....................................
Tabla N 12 Datos de diseo para membranas de 2.5 y 4, Filmtec de Dow...........
Tabla N 13 Nmero de etapas en un sistema con agua salobre................................
Tabla N 14 Nmero de etapas en un sistema con agua de mar.................................
14
16
21
23
44
53
54
55
58
105
107
108
111
111
-
1
INTRODUCCIN
El Objetivo del presente trabajo es introducir a los interesados, en la tecnologa de
membranas con nfasis en la smosis Inversa, sin abordar el diseo de los mismos.
En el Captulo N 1, comenzamos con una perspectiva histrica del desarrollo de la
tecnologa de separacin por membranas de Osmosis Inversa hasta el presente.
Luego describimos los Procesos de separacin (filtracin) por membranas en general,
poniendo nfasis en los de Flujo cruzado. Se describen los materiales utilizados en las
membranas, as como en la estructura de las mismas (simtricas, asimtricas y
compuestas) y las diversas configuraciones de los mdulos de membranas. Entre las
diversas configuraciones, las ms utilizadas para desmineralizacin son las espirales
arrolladas, y de hecho son las membranas que nosotros utilizamos.
En el Captulo N 2, profundizamos los conceptos especficos de la smosis Inversa
(RO), comenzando por los principios en los que se basa esta tecnologa, definiendo el
lenguaje utilizado con el objetivo de que las palabras utilizadas se comprendan en su
real dimensin. Luego realizamos una descripcin del proceso de Osmosis Inversa y
los factores que afectan la Performance de un sistema, con el propsito de
contemplarlos en el diseo y operacin del mismo.
En el Captulo N 3, desarrollamos todo lo relacionado a la qumica de la fuente de
agua empleada, con el objetivo de disear el pretratamiento adecuado de tal manera
de lograr la mejor opcin tcnico-econmica, balanceando el incremento de costos de
inversin para obtener la mejor agua posible contra la vida til de las membranas,
para una determinada calidad de producto. Debemos tener en cuenta que la calidad de
agua se va deteriorando lentamente a medida que envejecen las membranas lo que
podemos combinar con un determinado diseo del pretratamiento y mantenimiento
preventivo (limpiezas qumicas, conservacin de las membranas, etc.). El lmite de
tolerancia de esa depreciacin, va a depender de la aplicacin especfica del producto,
donde en el caso de ser agua de reposicin para ciclos de vapor con calderas de alta
presin, la tolerancia para proteger las mismas, as como las Turbinas de vapor
asociadas, es relativamente baja.
Las dimensiones de aplicacin de la desalacin con membranas de smosis inversa en
el mundo, facilita la toma de decisiones, ya que hay una enorme experiencia
acumulada y el avance de la tecnologa en los ltimos 30 aos ha sido fenomenal.
-
2
Podemos afirmar que esta tecnologa esta reemplazando a muchos tratamientos
convencionales debido a su fcil operacin, la obtencin de una calidad constante de
producto en el mediano plazo (meses) y porque no involucra el uso de la energa
trmica.
-
3
CAPITULO 1: PROCESOS DE FILTRACIN POR MEMBRANAS
1.1 Perspectiva Histrica de la Tecnologa de membranas de RO
La smosis reversa es un proceso para la desalacin de agua usando membranas que
son permeables al agua, pero esencialmente impermeables para las sales. La
capacidad de membranas de separar pequeos solutos del agua se conoce desde hace
mucho tiempo. Pfeffer, Traube y otros estudiaron fenmenos osmticos con las
membranas de cermica en la dcada de 1850. En 1931 el proceso fue patentado
como mtodo de desalacin de agua, y el trmino smosis inversa fue acuado
desde entonces.
Los mayores esfuerzos en buscar caminos diferentes a la evaporacin para obtener
agua pura a partir de agua de mar, fueron realizados a partir de la dcada 50 por la
Oficina de Agua Salina del Departamento del Interior de Estados Unidos y del Estado
de California, dando sus primeros frutos cuando en la Universidad de Florida los
Profesores Reid y Brenton (1959) fueron capaces de demostrar las propiedades de
desalinizacin de las membranas de Acetato de Celulosa. Sus membranas eran de 5
20 m de espesor as que los flujos eran muy bajos pero, presurizando la solucin de
sal en la alimentacin a 1000 PSI, obtuvieron una remocin de sal del 98% en el agua
permeada1.
Pero las investigaciones realizadas por la Universidad de California (UCLA)
significan un quiebre y en 1962 realizan la primer demostracin prctica del proceso
de smosis Inversa (RO por sus siglas en Ingles).
En aquella poca, Samuel Yuster y dos de sus estudiantes, Sidney Loeb y Srinivasa
Sourirajan, producen una membrana de RO de acetato de celulosa asimtrica1, 2. Esta
membrana tena un flujo de permeado 10 veces superior a las membranas de Reid y
Breton1, con similar rechazo de sales (equivalente) y empleando menores presiones.
La membrana era tambin ms duradera, y se poda colocar en una variedad de
configuraciones geomtricas.
-
4
(a) (b)
Figura N 1: (a) El Profesor Sidney Loeb y el ingeniero Edward Selover ensayando la membrana de Osmosis Inversa fabricada en 1960 en el CIRCA. (b) El Profesor Sidney Loeb, co-inventor de la Osmosis Inversa con aplicacin prctica para la desalacin de agua de mar (foto actual).
En 1960, como jefe del Laboratorio de Conversin de Agua Salina, Joseph W.
McCutchan condujo un grupo pequeo para el desarrollo de la smosis inversa en
planta piloto usando las membranas nuevas de UCLA. La consecuencia de ese
proyecto fue la construccin y operacin exitosa de una planta de smosis inversa en
la ciudad de Coalinga, California. Esta instalacin, fue la primera planta comercial de
RO del mundo, que comenz su operacin en 1965, captando la atencin alrededor
del mundo. Sidney Loeb encabeza los esfuerzos en Coalinga, donde continu con el
perfeccionamiento del proceso de smosis inversa desarrollando la primera membrana
asimtrica de Acetato de Celulosa. Mientras que la planta de Coalinga produca hasta
6.000 galones por da de agua pura a partir de agua subterrnea salobre, una planta
experimental subsecuente construida en La Jolla abord el problema mucho ms
difcil de extraer agua dulce a partir del agua de mar. El contenido de sal del agua del
ocano es 10 veces mayor que la media de agua salobre. Subsecuente a eso, una
planta experimental fue construida en la comunidad agrcola de Firebaugh cerca de
Fresno para la recuperacin de agua de mar para uso agrcola.
Durante los perodos de sequa en el sudoeste de EEUU, se volvi a considerar la
alternativa de desalacin mediante smosis inversa, y realiz el montaje de una planta
de RO, que proporciona hasta el 50% del agua dulce para los residentes de Catalina
Island. Ms adelante, una gran planta de RO fue construida en Santa Brbara.
Otros investigadores y docentes que estuvieron involucrados en las primeras
investigaciones sobre la tecnologa de membranas en EEUU fueron Edward Selover,
-
5
Serop Majikian, James S. Johnson, F. Milstein, Gerald Hassler, Julio Glater, y Mary
Justice.
El descubrimiento en la UCLA y el desarrollo de una metodologa para hacer que las
membranas semipermeables sean prcticas para la desmineralizacin del agua de mar,
ha creado una nueva industria que ha crecido rpidamente.
La investigacin sobre esta tecnologa prometedora result en nuevos y mejores
desarrollos de los elementos de RO. A comienzo de los aos 80, la investigacin en
laboratorios del gobierno de los EEUU dio lugar a la primera membrana compuesta
de Poliamida (PA). Estas membranas tienen un flujo y rechazo de sales mayores
respecto a las membranas de acetato de celulosa. Hoy, la industria produce
predominantemente membranas espiral rotativas de PA, y ha logrado incrementar el
flujo unas 20 veces y con una disminucin en un orden de magnitud en el pasaje de
sales, respecto a las membranas de Acetato de celulosa originales.3
Para finalizar podemos decir que el impacto de este descubrimiento se ha sentido por
todo el mundo, extendindose los usos desde los desmineralizadores hogareos hasta
instalaciones de la desalacin en el Oriente Medio y frica del norte, en donde se
producen millones de metros cbicos de agua pura cada da. Cerca de 60 % de la
capacidad de la desalacin del mundo estn situados en la pennsula arbiga.
1.2 Tecnologas de Desalinizacin - Comparacin
La tecnologa de smosis Inversa (RO, por sus siglas en ingles) y Nanofiltracin (NF)
ofrecen muchas ventajas respecto a los tratamientos de agua convencionales. Tiene
una serie de ventajas respecto a las tecnologas clsicas de desalinizacin, entre las
que podemos destacar las siguientes:
1) Es una tecnologa de primer nivel y de "Tratamiento Limpio, ya que casi hace
desaparecer el uso de qumicos en la operacin.
2) Reduce importantes costos de operacin y disposicin.
3) Posee sistemas automatizados, mediciones ms controladas y confiables.
4) Ocupa espacios reducidos.
5) Posee flujos y calidad de agua constantes.
6) Son fcilmente escalables y combinables con otros procesos, etc.
-
6
Todas estas bondades combinadas dan como resultado que los procesos de separacin
por membranas son ms econmicos y efectivos y en los ltimos aos est
desplazando en forma acelerada a las dems alternativas.
La smosis Inversa y la Nanofiltracin reducen los costos de regeneracin y desechos
cuando es usado en forma independiente, o en combinacin con otros procesos como
por ejemplo el Intercambio Inico.
La Figura N 2 muestra los rangos de salinidad donde los cuatro principales procesos
de desalinizacin tienen la mayor ventaja econmica.4
Como se puede observar el rango de la smosis Inversa es muy amplio.
Figura N 2: Procesos de desalacin ms utilizados.
Las tecnologas de filtracin pueden ser categorizadas sobre la base del tamao de
partcula que remueve de la corriente de alimentacin. La macrofiltracin de slidos
suspendidos es lograda pasando una corriente de alimentacin a travs del medio
filtrante en direccin perpendicular. La solucin entera atraviesa el medio, obteniendo
una sola corriente de salida. Ejemplos de estos dispositivos de filtracin incluyen los
filtros de cartucho, filtros bolsa, filtros de arena, etc. La capacidad de separacin de la
macrofiltracin esta limitada a partculas mayores a 1 micrn.
-
7
1.3 Filtracin en Flujo Cruzado
Para remover partculas pequeas y sales disueltas se usa la filtracin en FLUJO
CRUZADO. Esta utiliza una corriente de alimentacin presurizada que fluye en forma
paralela a la superficie de la Membrana (Figura N 3). Una fraccin de la
alimentacin atraviesa a la membrana mientras que la otra en su flujo tangencial a la
superficie de la misma arrastra las partculas que no atraviesan la membrana y por lo
tanto no permite su acumulacin.
En la filtracin convencional o flujo directo, hay una corriente de entrada y una de
salida.
En la filtracin en flujo cruzado, hay una corriente de alimentacin y dos corrientes de
salida. Estas dos corrientes son:
1) La solucin que pasa a travs de la superficie de la membrana, denominada
permeado.
2) La corriente que contina en sentido paralelo a la membrana, denominada
concentrado o rechazo, la cual arrastra las partculas que no atraviesan la membrana.
modo deposicin
modo suspensin
Figura N 3: Esquema comparativo de la filtracin en flujo convencional o
directo (modo deposicin) y cruzado (modo suspensin).
En la Figura N 3 se puede visualizar y entender el hecho de filtrar partculas tan
pequeas con el flujo cruzado sin que se tape la membrana. El flujo paralelo a la
membrana mantiene en suspensin las partculas y estas son eliminadas en la corriente
de concentrado, evitando as que se depositen en la superficie de la membrana.
Esta es la gran ventaja de la filtracin en flujo cruzado.
-
8
1.4 Procesos de Filtracin por Membranas en Flujo Cruzado
Son cuatro los procesos de filtracin por Membranas en flujo cruzado que ms se
utilizan en la industria y los podemos clasificar de acuerdo al rango de partculas que
son capaces de separar como:
MICROFILTRACIN (MF) ULTRAFILTRACIN (UF) NANOFILTRACIN (NF) SMOSIS INVERSA (RO, por sus siglas en Ingles)
A pesar de que la Electrodilisis (ED) utiliza membranas y por lo tanto es clasificado
como un proceso de Separacin por Membranas, NO constituyen un proceso de
Filtracin por Membranas, y la USEPA lo define de esta manera en la LT2ESWTR
(40CFR 141.2) 5. A diferencia de la NF y RO, donde se utiliza la presin para forzar
al agua a travs de la membrana mientras que rechaza slidos disueltos, la fuerza
impulsora para la separacin en la ED es el potencial elctrico, y una corriente
aplicada se utiliza para transportar especies inicas a travs de membranas
selectivamente permeables. La primera es una Membrana Aninica cuya estructura
se puede sintetizar mediante el grupo funcional unido a la red polimrica que se
encarga de trasportar los Aniones, como: Estructura SoporteN+(CH3)3. Por otro lado tenemos una Membrana Catinica cuya estructura se puede sintetizar mediante
el grupo funcional unido a la red polimrica que se encarga de trasportar los Cationes,
como: Estructura SoporteS-=(O)3). Entonces, los iones son trasportados a travs de las membranas, el agua no pasa fsicamente a travs de las mismas y la materia
particulada (slidos no disueltos) no es removida, por lo que las membranas de ED
son aplicadas especficamente para remover constituyentes inicos disueltos (sales
disueltas). Por esta razn el proceso de Electrodesionizacin no es considerado un
proceso de FILTRACIN.
Hecha esta aclaracin, continuamos con el desarrollo de los Procesos de Filtracin
por Membranas.
-
9
1.4.1 Microfiltracin (MF)
La microfiltracin remueve partculas en el rango aproximado de 0,1 a 3 micrones.
Las partculas suspendidas y grandes partculas coloidales son removidas, mientras
que las macromolculas y los slidos disueltos pasan a travs de la membrana de MF.
Las aplicaciones incluye la remocin de bacterias, material floculado o slidos
suspendidos totales. La presin a travs de la membrana es tpicamente de 10 psi (0,7
bar).
Figura N 4: Esquema de
separacin de las
membranas de
Microfiltracin.
1.4.2 Ultrafiltracin (UF)
La ultrafiltracin remueve partculas en el rango aproximado de 50 a 1000 ngstrom
(0,005 a 0,1 micrn). Son removidos las partculas coloidales, protenas,
contaminantes microbiolgicos y macromolculas (peso molecular de 1000 a 10000
Dalton), mientras que los slidos disueltos pasan a travs de la membrana de UF.
La presin de operacin de la membrana es tpicamente de 15 a 100 psi (1 a 7 bar).
-
10
Figura N 5: Esquema de
separacin de la
Ultrafiltracin.
1.4.3 Nanofiltracin (NF)
La Nanofiltracin se refiere a un proceso de membrana donde se eliminan partculas
de un rango aproximado de 1 a 5 nanmetros (10 a 50 ), de ah el trmino
nanofiltracin. La NF opera entre la UF y la smosis inversa. Son removidas
molculas con alto peso molecular (200 a 400 Dalton). Son eliminadas las sales
disueltas con una eficiencia del 20 a 98%. Las sales con aniones monovalentes (NaCl,
CaCl2, etc.) son removidas entre un 20 a 80%, mientras que las sales con aniones
divalentes (sulfato de magnesio) con una eficiencia del 90 al 98%. Las aplicaciones
tpicas son la remocin de color y Carbono Orgnico Total (TOC) de aguas
superficiales, dureza y radio de agua de pozo, la reduccin global de slidos disueltos
totales y la separacin de materia orgnica e inorgnica en el tratamiento de agua de
desecho y la industria alimenticia.
En la industria, los ablandadores por intercambio inico estn comenzando a ser
reemplazados por unidades de NF. El rango de presin a travs de la membrana es
tpicamente de 50 a 225 psi (3,5 a 16 bar).
-
11
Figura N 6: Esquema de
separacin de la
Nanofiltracin.
1.4.4 smosis Inversa (RO)
La smosis Inversa (RO) es el ltimo nivel de filtracin posible. Las membranas de
RO separan todas las sales disueltas y molculas inorgnicas, as como molculas
orgnicas con un peso molecular mayor a 100 Dalton. Las molculas de agua pasan a
travs de la membrana creando una corriente de producto purificado. El rechazo de las
sales disueltas es tpicamente de 95% a 99,9%.
Las aplicaciones de la smosis Inversa son numerosas y variadas, e incluyen la
desalinizacin de agua de mar o agua salina para consumo humano, recuperacin de
agua de desecho, procesamiento de alimentos y bebidas, separaciones biomdicas,
purificacin de agua de bebida domstica y agua de proceso industrial.
Una de las aplicaciones ms importantes es la obtencin de agua ultrapura para ser
utilizada en la industria de semiconductores, generacin elctrica (agua de
alimentacin de calderas), y aplicaciones en laboratorios de investigacin mdica.
Utilizando la smosis Inversa (RO) antes del intercambio inico (IX - Ion Exchange)
se reducen ampliamente los costos operativos y la frecuencia de regeneracin de los
sistemas de intercambio inico. Los rangos de operacin de estas membranas varan
de 75 psig (5 bar) para agua salina a 1200 psig (84 bar) para agua de mar. En algunos
casos especiales se pueden alcanzar mayores presiones.
En nuestro trabajo vamos a poner nfasis en las membranas de smosis Inversa (RO)
aplicadas a agua salina, ya que son stas las que utilizamos en el proyecto.
-
12
Figura N 7: Esquema
de separacin de la
smosis Inversa.
A los procesos de smosis Inversa y Nanofiltracin se los suele agrupar
denominndolos hiperfiltracin.
Las principales caractersticas de estos procesos de filtracin se resumen en el
espectro de filtracin de la Figura N 8.
Aqu se puede observar que a medida que separamos partculas ms pequeas, el
tamao de poro de la membrana es ms pequeo y la presin de operacin ms
elevada.
-
13
Figura N 8: Rangos de los procesos de filtracin o espectro de filtracin.
El peso molecular est expresado en Dalton.
-
14
1.5 Materiales utilizados en las membranas
La fabricacin de membranas consiste en la obtencin de un material permeable a un
costo razonable5 y son diversos dependiendo del fluido a tratar, temperatura, pH, etc.
Hay dos formas bsicas de enfocar la clasificacin de los materiales que se utilizan en
los procesos de separacin por membranas. En la primera a partir del proceso (MF,
UF, NF o RO) se indican los materiales utilizados, y en la segunda, partiendo del
material se indica en que proceso se utiliza. En la Tabla N 1, se seleccion el primer
enfoque para continuar con el orden de los procesos de filtracin.
Tabla N 1: Resumen de los materiales utilizados comnmente en la fabricacin
de membranas (referencias 5, 6, 7 y 8).
Tecnologa Materiales de Membranas Carcter
Polar
Mecanismo
Microfiltracin
(MF)
Polipropileno (PP)
Polietileno (PE)
Policarbonato (PC)
Cermico (CC)
Metlica
No polar
No polar
No polar
No polar
Tamizado
Ultrafiltracin
(UF)
Polisulfona (PSO)
Dynel
Acetato de celulosa (CA)
Cermico (CC)
Metlica
No polar
No polar
No polar
No polar
No polar
Tamizado
Nanofiltracin
(NF)
Acetato de celulosa (CA)
Poliamida (PA)
Poli(fluoruro de vinilideno)
(PVDF)
Polar
Polar
Polar
Tamizado
Osmosis Inversa
(RO)
Acetato de celulosa (CA)
Poliamida (PA)
Nylon
Polar
Polar
Polar
Difusin
Solucin
-
15
Las membranas Cermicas y Metlicas se utilizan principalmente para Microfiltracin
y Ultrafiltracin. Ellas tienden a ser altamente inertes, resistiendo temperaturas
elevadas y pH extremos (de 0 a 14) 8.
La microfiltracin en cartucho (MFC), no es considerada tradicionalmente un proceso
de tratamiento por membranas, aunque es semejante a la MF y UF 5, pudiendo ser
incluida dentro de los procesos de filtracin tradicionales para tamaos de partculas
mayores a 1 micrn (flujo directo). Se la utiliza como pretratamiento a los procesos de
filtracin en flujo cruzado, principalmente NF y RO. El material ms utilizado en este
caso es el Polietileno (PE).
Los materiales polimricos se utilizan bsicamente para tratar agua y tienen una
resistencia limitada a los solventes orgnicos. Solamente el PTFE y el PVDF pueden
ser considerados altamente estables a este respecto, aunque, su estabilidad mecnica y
permeabilidad intrnseca son limitadas, adems de ser materiales muy costosos 6.
En general, la principal limitacin de los materiales polimricos ms robustos, en
trminos de resistencia al ataque oxidativo y la degradacin hidroltica debido a los
pHs extremos, es su Hidrofobicidad. Esta caracterstica las hace muy susceptible al
ensuciamiento con contaminantes orgnicos contenidos en el agua, los que reducen la
permeabilidad de la membrana 6.
Todas estas caractersticas de las membranas polimricas con sus ventajas y
desventajas estn descriptas en la Tabla N 2.
En el caso de ser membranas compuestas como en la NF y RO estn indicados los
materiales que son slo soporte o sustrato - no es el material clave que me permite
definir el proceso de filtracin- el cual forma parte de la membrana y le aporta
resistencia mecnica. Esto ltimo se va a ver con ms detalle ms adelante, cuando
abordemos el estudio de las membranas de smosis Inversa.
-
16
Tabla N 2: Materiales de Membranas Polimricas comercialmente disponibles
(ref. 6).
Polmero a Ventajas Desventajas Proceso b
CA
Resistente al cloro.
Econmica.
Mayor resistencia al ensuciamiento
que la PA.
Susceptible a la hidrlisis alcalina
a pH > 8 (en operacin).
Susceptible a la biodegradacin.
Limitada estabilidad trmica y
qumica.
Limitada permeselectibidad (95% de rechazo de sales)
Permeabilidad levemente baja.
RO, NF, UF
PA Mayor estabilidad global que CA. Mayor permeselectibidad que CA.
Muy limitada tolerancia al Cloro. RO, NF
PAN Alta resistencia a la hidrlisis. Alta resistencia a la oxidacin.
Hidrofbica.
Requiere co-polmeros para
hacerla menos frgil.
UF, RO sust.
PSU, PES Muy buena estabilidad global. Fuerte mecnicamente.
Hidrofbica.
UF, RO sust.
PVDF,
PTFE
Extremadamente alta estabilidad
qumica.
Alta estabilidad trmica.
Altamente hidrofbica.
Limitada estabilidad mecnica.
Limitada permeabilidad intrnseca.
Alto Costo.
MF, UF
PEI Alta estabilidad qumica. Alta estabilidad trmica.
Fuerte mecnicamente.
Hidrofbica.
Menos resistente a los solventes
que el PVDF.
Estabilidad alcalina ms pobre que
el PSU y PAN.
UF, RO sust.
PP Econmico. Hidrofbica.
MF, UF
a CA, acetato de celulosa (predominantemente di- o tri-acetato); PA, poliamida (aromtica); PAN, poliacrilonitrilo; PSU, polisulfona; PES, poli (ter sulfona); PVDF, poli (fluoruro de vinilideno); PTFE,
politetrafluoretano (tefln); PEI, polieterimida; PP, polipropileno. b La principal aplicacin est indicada en negritas.
-
17
Desarrollos recientes
El principal objetivo es la bsqueda de nuevos materiales de membranas con
caractersticas superiores respecto a la permeabilidad; y a la resistencia qumica,
trmica y biolgica.
La principal propiedad deseada es la resistencia al ensuciamiento (fouling), y esto
exige el desarrollo de membranas con una afinidad baja a los contaminantes presentes
en las diversas matrices de agua a tratar, que tengan tendencia al fouling.
Probablemente el desarrollo de un producto sea aplicable a una familia o tipo de
contaminante, puesto que la superficie membrana no se puede modificar para poder
rechazar contaminantes de diferentes cargas e hidrofobicidad. En general los
contaminantes naturales tienden a llevar carga negativa, lo que entonces exige que la
membrana tambin tenga carga negativa para rechazar dicho contaminante.
Sin embargo el concepto tambin puede ser el inverso y de hecho se han desarrollado
algunos filtros que tienen una carga positiva en la superficie (por ejemplo, el filtro de
Pall "Posidyne" en base al nylon), para atraer los materiales suspendidos cargados
negativamente. Pero estos son filtros de profundidad diseados para retener partculas
ms bien que para rechazarlas (no son de flujo cruzado).
Una aplicacin que ha recibido mucho inters es la remocin de materia orgnica
natural de las aguas superficiales para la produccin de agua potable usando
membranas del nanofiltracin. Este tipo de contaminante se cuantifica mediante el
Carbono Orgnico Total (TOC). La materia orgnica natural contiene una gran
variedad de familia de contaminantes de los cuales los cidos hmicos son una de
ellas. Los cidos hmicos, que contienen los grupos funcionales fenlicos y
carboxilato, tienden a estar cargados negativamente, de tal manera que se puede
esperar que una membrana con elevadas cargas negativas, rechace estos
contaminantes permitiendo la operacin con flujos mayores a los que normalmente
alcanzaramos sin ensuciarse. Esto ha enfocado el esfuerzo hacia el desarrollo de
membranas con elevada densidad de cargas negativas; en particular, las
combinaciones de polieter-etercetona Sulfonada (SPEEK) o polieter-etersulfona
Sulfonada (SPEES) con la polisulfona o el polietersulfona, respectivamente (Bowen
et al., 2001; Knoell et al., 1999). Estas membranas podrn ser comercializadas en los
prximos aos.
-
18
Otro esfuerzo importante en el uso de membranas para agua de proceso industrial es
su resistencia a las condiciones extremas de pH y, ms especialmente, a solventes
orgnicos. Unos pocos materiales de membranas, principalmente PTFE y PVDF, son
intrnsecamente resistentes al ataque de solventes orgnicos clorados e hidroxilados o
carboxilados, mientras que, la PSU, PES y PEI soportan algunos solventes orgnicos
pero no los compuestos clorinados como el cloroformo.
Recientemente, una gama de membranas orgnicas de nanofiltracin (SelRO,
comercializada por Koch) que estn disponibles, puede al parecer emplearse en
solventes orgnicos puros no clorados. Estas membranas son probablemente un
material reticulado modificado del Poliacrilonitrilo (PAN).
Detalles de otras membranas de UF y de NF resistentes a solventes recientemente
disponibles o bajo desarrollo son proporcionados por Nunes y Peinemann (2001).
Otros avances se estn dando con el desarrollo de las membranas cermicas llamadas
filtros Anopore producidas a partir de la electro-oxidacin del aluminio, para generar
una estructura casi perfecta tipo panal con una distribucin de tamao de poro
extremadamente estrecha y una porosidad superficial hasta del 50%. Hoy la
tecnologa slo permite su uso en escala laboratorio.
-
19
1.6 Estructura de las membranas
Una caracterstica que influye en el funcionamiento de todas las membranas es la
simetra a travs de la membrana (tras-wall symmetry), la que describe el nivel de
uniformidad a travs de la seccin transversal de la membrana. Hay tres tipos de
diseos que se utilizan en la produccin membranas: simtrico, asimtrico y
compuesto. En la Figura N 9, se esquematizan las membranas de acuerdo a su
estructura y simetra.
Figura N 9: Estructura y simetra de las membranas.
Las membranas simtricas se construyen de un slo material (homogneas), mientras
que las membranas compuestas utilizan diversos materiales (heterogneas). Las
membranas asimtricas pueden ser homogneas o heterogneas.5
En una membrana simtrica, la membrana es uniforme en densidad o estructura del
poro a travs de la seccin trasversal, mientras que en una membrana asimtrica hay
un cambio en la estructura del poro con la profundidad, disminuyendo gradualmente
la densidad desde la alimentacin hacia la salida del filtrado de la membrana.
En otras membranas asimtricas, no hay una transicin gradual, y se componen de
una capa fina permeselectiva y una subestructura macroporosa que ms bien es
-
20
soporte. La capa fina y densa en la cara superior de la membrana permite obtener altos
rechazos de las sustancias a separar, y la capa soporte ms porosa permite tener altos
flujos de permeado. Esta caracterstica es lo que permiti hacer prctica y
econmicamente viable la desalinizacin de agua de mar mediante la tecnologa de
smosis Inversa (ver Pg. 5).
El espesor de la capa fina es tpicamente de 3 a 20 micrones5,6, y la membrana en su
totalidad tiene un espesor 100 - 170 micrones, por lo que el material restante le
proporciona simplemente soporte estructural a la capa delgada que es la que realmente
separa las partculas. Este tipo de membranas, para el caso de la UF, se pueden
observar con ms detalle en la micrografa obtenida con SEM de la Figura N 10.
(a) (b)
Figura N 10: Membranas de UF Asimtricas: (a) polimrica (se indica el espesor
de la capa delgada), y (b) cermica.
Al igual que las membranas asimtricas de capa superficial densa (skin), las
membranas compuestas tienen una capa superior ms delgada y con tamaos de poros
menores, la cual recibe de frente el producto que se tratar y es la que sirve como la
barrera de filtracin. La misma es fina, y tpicamente menor a 0,2 micrones 4,5,9. Sin
embargo, en las membranas compuestas, la capa superior delgada es de distinto
material que la subestructura porosa sobre la cual se asienta. Esta capa superficial es
fina para limitar resistencia de la membrana al flujo del agua, que pasa ms
libremente a travs de la subestructura porosa. La membrana en su totalidad tiene un
espesor 100 - 200 micrones, por lo que el material restante le proporciona
simplemente soporte estructural a la capa delgada que es la que realmente separa las
-
21
partculas. La construccin de las membranas de NF y de RO es tpicamente
asimtrica o compuesta, mientras que la mayora de las membranas de MF y UF son
simtricas o asimtricas.
Las membranas compuestas (heterogneas), son las ms utilizadas hoy en da en la
smosis Inversa. En este caso el material soporte se llama sustrato.
El tamao del poro de las membranas se puede clasificar, en trminos amplios, como
se indica en la Tabla N 3.
Tabla N 3 Tamao nominal de poro de las membranas, micrones.9, 10
Proceso Tamao de poro (m)
MF 3 a 0,1
UF 0,1 a 0,005
NF, RO 0,001 (terico)
Los rangos de tamaos de poros no concuerdan exactamente en toda la bibliografa
pero lo importante es tener en cuenta los rdenes. En las membranas de RO o NF no
se han observado poros9 usando el microscopio electrnico (SEM), pero a pesar de
esto, el agua pasa a travs de la membrana y la sal es rechazada. La carencia de poros
en membranas de NF y RO significa incluso que los cientficos especialistas en
membranas realmente no saben en detalle cmo funcionan stas, 45 aos despus de
la produccin de la primera membrana. Es ms, comprobaron que era posible la
aplicacin de la tecnologa de membranas, cuando pudieron por primera vez obtener
agua desalinizada con un sentido prctico (econmico). Si hubieran mirado
solamente la membrana a travs de un microscopio, ellos podran haber rechazado la
misma puesto que no se observaba ningn poro.
De ah que el mecanismo de separacin no sea de tamizado, y se plantee como
modelo de separacin la solucin-difusin (Tabla N 1).
A pesar de nuestra carencia de conocimiento, podemos predecir el funcionamiento de
una membrana del RO en un cierto grado a tal punto de dominar la tecnologa. Con
las membranas de NF, es ms difcil, y hoy, si ms de tres solutos estn presentes en
una solucin, uno puede hacer solamente una conjetura educada en cuanto a los
-
22
resultados del proceso de NF, incluso cuando el anlisis exacto y completo de la
alimentacin est disponible.
1.7 Configuracin de los Membranas (mdulos)
Los medios de filtracin de membrana se fabrican generalmente en dos formas
geomtricas: como hoja plana o en forma cilndrica, a partir de los que se configuran
los diversos tipos de mdulos de la membrana. Un mdulo de la membrana representa
la unidad discreta de filtracin ms pequea en un sistema de la membrana. Son
varias las configuraciones o arreglos de los mdulos o elementos disponibles en el
mercado, las que describiremos a continuacin indicando las ventajas y desventajas,
lo que determina la aplicacin que se le da a los mismos.
La configuracin ptima de los mdulos de membranas debe tener en cuenta las
siguientes caractersticas:
(a) alta rea de la membrana en relacin al volumen del mdulo.
(b) alto grado de turbulencia para la promocin de la transferencia de masa del lado
de la alimentacin.
(c) bajos gastos energticos por unidad volumen del agua producida.
(d) un bajo costo por unidad de rea de membrana.
(e) un diseo que facilite la limpieza.
(f) un diseo que permita la modularizacin.
Todos los diseos de mdulos de membrana, por la definicin, permiten la
modularizacin (f), y sto representa una de las caractersticas ms atractivas para su
aplicacin.
Sin embargo, algunas de las caractersticas mencionadas anteriormente son
mutuamente excluyentes.
Por ejemplo, promover la turbulencia (b) da lugar a un aumento en el consumo de
energa (c). La limpieza mecnica directa de la membrana (e) es solamente posible en
las unidades con baja relacin rea/volumen (a) en donde la membrana es accesible.
Eso vale tambin para la limpieza qumica.
-
23
Tales diseos de mdulo aumentan inevitablemente el costo total por unidad de rea
de la membrana (d). Finalmente, no es posible producir membranas con una alta
relacin rea de membrana/volumen de mdulo, sin producir una unidad que tenga
estrechos canales de la alimentacin y que no se vea afectada la promocin de la
turbulencia (b).
Hay cuatro configuraciones principales empleadas actualmente en los procesos de
separacin por membrana, llamadas: Tubular, Fibra hueca, de Placa y marco, y
Espiral arrollada.
En la Tabla N 4 se comparan las cuatro configuraciones mencionadas anteriormente
5,6,7,9.
Tabla N 4 Propiedades para los principales tipos de mdulos de membranas.
Tipo de Mdulo Parmetro Tubular Fibra hueca Placa y marco Espiral
Superficie de
membrana (m2/m3)
150 - 300
1500 5000 (Cap.)
10000 20000 (HFF)
100 - 300
800 - 1200
Produccin
(m3perm./m3
membrana)
100 - 1000
450 - 1500
200 - 500
300 - 1000
Velocidad (cm/seg)
100 - 500
0,5
100 - 300
25 - 50
Perdida de presin
(bar)
2 3
turbulento
0,3
laminar
1 2
laminar
1 2
laminar
Requerimiento de
pretratamiento
Simple
Alto
Simple
Promedio
Facilidad de
limpieza
Buena
Riesgo de
obstruccin o
Nula (HFF)
Poca
Regular
Cambio de una
membrana
Fcil
Imposible
Fcil
Difcil
Costo Muy alto Bajo Alto Bajo
Tendencia al
ensuciamiento
Bajo
Bajo (capilares)
Muy alto (HFF)
Promedio
Promedio
-
24
Aqu podemos ver que la membrana Espiral conjuga una combinacin razonable de
costo, relacin rea/volumen, tendencia al ensuciamiento y facilidad de limpieza por
lo que son las membranas ms usadas en el mundo.
El consumo total de membranas en el mundo, basados en el rea de superficie de la
misma, tienen aproximadamente la siguiente distribucin9:
Membranas de RO compuestas: 85%
Membranas de NF compuestas: 3 5%
Membranas de UF y MF (Polisulfona): 5 7%
Otras membranas: 3 5%
Materiales como Poliacrilonitrilo (PAN), cermicos (SiO2) y celulosa (acetato de
celulosa hidrolizada), son incluidos en el grupo otras membranas.
A continuacin describiremos en detalle los mdulos de membrana ms utilizadas en
smosis Inversa que son los mdulos espiral arrollado.
-
25
1.8 Mdulos Espiral arrollado
Este tipo de configuracin se usa bsicamente para Osmosis Inversa (RO) y
Nanofiltracin (NF). Tienen menor relacin rea/volumen pero se alcanzan altos
flujos por lo que son menos susceptibles al ensuciamiento que las Membranas de fibra
hueca finas, tambin utilizadas para desalinizar agua.
Los elementos espirales se construyen a partir de membranas de hoja plana. El
material de la membrana puede ser celulsico (membrana de acetato de celulosa) o no
celulsico (membrana compuesta). En las membranas de acetato de celulosa - que
fueron las primeras en desarrollarse - las dos capas son del mismo material pero con
diferentes densidades como se representan en la Figura N 9 (seccin 1.6), y por esta
razn se las denomina asimtricas.
Las membranas modernas de hoja plana consisten de una capa densa y delgada, y una
capa esponjosa porosa que es el sustento (sustrato) de la capa activa, generalmente de
polisulfona. Hay una tercera capa cuya funcin es netamente de soporte con el
objetivo de proporcionar resistencia mecnica. Como podemos apreciar las tres capas
son materiales (polmeros) distintos y por esta razn se las denomina membranas
compuestas.
En el diseo espiral, a la membrana se le da la forma de un sobre, sellando con
pegamentos dos hojas en tres lados, con la capa filtrante del lado externo. Una rejilla
soporte, llamada portador de permeado (carrier permeate), se coloca en el interior
separando ambas membranas (Figura N 11 (a)). El lado abierto se sella a un tubo
colector central perforado como se muestra ampliado en la Figura N 12. De esta
forma, varios de estos conjuntos de pares de membranas armadas se unen al tubo
central, con un material espaciador entre estos. ste es el espaciador de
alimentacin/concentrado, el cual permite la canalizacin de dichas corrientes. Los
pares de hojas selladas se enrollan alrededor del tubo de permeado, formando
espirales como se observa en la Figura N 13 (a), de ah el nombre de esta
configuracin. Cada extremo del mdulo finaliza con una tapa moldeada plstica,
llamada "dispositivo anti-telescopio, y estos estn unidos a un cilindro delgado de
fibra de vidrio donde va alojado el conjunto entero de pares de membranas para
proteger las mismas y darle un grado de compactacin. Este tubo de fibra de vidrio
-
26
del elemento puede resistir presiones diferenciales de hasta 1 bar (15 psi) por
elemento para nuestra aplicacin.
En la Fig. N 11 (b) se muestra una secuencia de armado de un elemento filtrante
espiral aunque solo es esquemtica a los fines de interpretar esta configuracin, por lo
que no representa un mtodo de fabricacin propiamente dicho.
Los elementos se acoplan en serie dentro de recipientes de presin, que generalmente
son de fibra de vidrio y se construyen para distintas presiones de operacin (250 psi,
400 psi, 600 psi, 900 psi, etc.). El recipiente de la figura N 13 (a) es de 600 psi de la
firma CodeLine, donde se puede apreciar el espesor de la pared. Los mayores
espesores se utilizan, lgicamente, en desalinizacin de agua de mar ya que se
requiere mayor presin para vencer su presin osmtica que para agua salobre
(menor salinidad). En el Captulo 3 se vern las diferentes matrices de agua en
funcin del contenido de sales.
El agua de alimentacin atraviesa el espiral sobre las superficies de la membrana,
paralelo al tubo colector del producto. Parte del agua permea a travs de las
membranas en sentido perpendicular al flujo de alimentacin y dicho permeado fluye
en una trayectoria espiral dentro del par de membranas selladas hasta el tubo central
que colecta el producto. Un sello de goma circular o junta trica (junta de salmuera),
colocado en una hendidura del dispositivo anti-telescopio de la membrana, fuerza al
agua de alimentacin a atravesar el elemento. En la Figura N 14 se muestra un
esquema tpico con las membranas en un recipiente de presin y todos los elementos
que lo componen.
-
27
(a)
(b)
Figura N 11: a) Esquema de un mdulo de Membrana Espiral indicando los sentidos
de flujo y los componentes. b) Secuencia de construccin interna de un mdulo de
membrana espiral arrollada.
-
28
Figura N 12: Unin de cada par de hojas planas de elementos de membrana espirales
adherida al tubo colector de permeado.
(a) (b)
Figura N 13: Fotografas de Membranas Espiral. (a) vista de frente, dentro de un tubo
de presin, tomada durante un mantenimiento (Membrana de 8 de dimetro - Filmtec
BW30-400), (b) Elementos Hydranautics de 4 y 8.
Figura N 14: Esquema tpico de membranas espiral (RO/NF), dentro de tubo de
presin.
-
29
CAPTULO 2: SMOSIS INVERSA
2.1 Principios de la smosis Inversa
El fenmeno de la SMOSIS ocurre cuando fluye agua pura a travs de una membrana
semipermeable, desde una solucin salina diluida hasta una solucin salina concentrada.
Este fenmeno es representado en la figura N 15, donde una membrana semi-permeable es
colocada entre los dos compartimentos. La palabra semi-permeable significa que la misma
es permeable para algunas sustancias y para otras no. En nuestro caso se asume que es
permeable para el agua pero no para las sales.
Si colocamos iguales volmenes de una solucin salina diluida de un lado y una solucin
salina concentrada del otro, el agua va a fluir en una direccin, desde el compartimento de la
solucin diluida al de la solucin concentrada hasta que llegan a un equilibrio (Figura N 15 -
smosis). La presin hidrosttica resultante de la diferencia de altura de las dos columnas es
la diferencia de PRESIN OSMTICA entre ambas soluciones (en el caso de que una sea
agua pura y la otra una solucin salina es la presin osmtica de la solucin salina).
Figura N 15 Esquema del fenmeno de smosis y smosis Inversa.
-
30
La relacin entre la concentracin de una solucin y su presin osmtica se representa a travs
de la ecuacin de Vant Hoff para la presin osmtica.
= c . RT (1)
donde es la presin osmtica (atm), c es la concentracin en (mol/L) y RT es el producto de
la constante de los gases (R [=] atm L/ mol K) por la temperatura absoluta (T [=] K), en
unidades compatibles.
Se puede ver la similitud con la ley de los gases ideales.16
Si se aplica a la solucin salina concentrada una presin mayor a la presin osmtica la
direccin del flujo de agua puede ser invertida, esto es que podemos forzar al agua a pasar
hacia la solucin diluida. Por esta razn a este proceso se lo denomina SMOSIS
INVERSA.
Como se puede apreciar en el esquema se obtiene un volumen mayor de solucin diluida
respecto a la inicial donde los volmenes eran iguales y este es el principio de purificacin de
agua en cuestin.
2.2 Definiciones y trminos en smosis Inversa
Hay un nmero de conceptos generales que son aplicables a todos los sistemas de filtracin
por membranas en flujo cruzado que utilizan la presin como fuerza impulsora, los cuales se
utilizan para su diseo y operacin. Estos conceptos incluyen el flux, recuperacin y balance
de flujo volumtrico o de masa.
A continuacin se definen las palabras claves utilizadas en el proceso de smosis Inversa y
Nanofiltracin 4,5:
Flujo de Alimentacin: Agua que entra al sistema de smosis inversa luego de un pretratamiento y acondicionamiento. El mismo se mide en m3/h o gpm (galones por
minuto).
-
31
Flujo de Producto (Permeado): Agua permeada a travs de la membrana. El mismo se mide en m3/h o gpm (galones por minuto).
Flujo de Concentrado (Rechazo): Agua de arrastre a la salida del sistema, que contiene las sales que han sido separadas por las membranas, y es la diferencia entre la
alimentacin y el permeado. El mismo se mide en m3/h o gpm (galones por minuto).
Recuperacin: Es la relacin del Caudal de permeado respecto al Caudal de alimentacin, o lo que es lo mismo, la fraccin de alimentacin que se transforma en producto.
Y = Qp/Qf (2) donde: Y = Recuperacin de la unidad de membrana
Qp = Caudal de producto (m3/h)
Qf = Caudal de alimentacin (m3/h)
Rechazo de sales: Es el porcentaje de soluto del agua de alimentacin removido por la membrana a travs del concentrado. En la smosis Inversa es importante una alta
rejeccin de slidos disueltos totales (TDS).
Pasaje de sales: Lo opuesto a rejeccin, es el porcentaje de sales disueltas en el agua de alimentacin que pasan a travs de la membrana, constituyendo un contaminante si el
objetivo es la desalacin.
Presin Neta Aplicada (Net Driving Pressure, NDP): Es la fuerza impulsora promedio que resulta de restar el gradiente de presin hidrulica a travs de la membrana (filtracin
convencional), al gradiente de presin osmtica a travs de la membrana. Es la
modificacin del gradiente de presin utilizado en la filtracin convencional, MF y UF, ya
que en la RO y NF hay rechazo de sales y por consiguiente diferencia entre la presin
osmtica de alimentacin respecto a la del permeado.
NDP = P - (3)
donde:
NDP = Presin Neta Aplicada (bar)
P = gradiente de Presin media (bar)
= gradiente de Presin Osmtica (bar)
-
32
TDS . 0,145 bar/(mg/L), (para agua)18 P = ((Pf + Pc)/2) Pp
= [((TDSf + TDSc)/2) TDSp].0,145 bar/(mg/L)
Pf y Pc = presin alimentacin y concentrado
TDSf y TDSc = Slidos Disueltos Totales en
alimentacin y concentrado.
El subndice p indica permeado
(producto).
Como podemos observar los valores premembrana de la presin y concentracin de sales
utilizados para calcular los gradientes es la media entre la alimentacin y el concentrado. Se
toma el valor medio ya que la misma vara a medida que avanzamos por las membranas desde
la alimentacin hasta el concentrado o rechazo. A las medias le restamos los valores del
permeado y el resultado me da el gradiente tanto de presin hidrulica como de presin
osmtica.
Flux de agua: Es el caudal de permeado por unidad de rea de membrana, usualmente medida en litros por metro cuadrado y hora (L/m2 h) o galones por pie cuadrado y da
(GFD).
Jw = Qp/Am (4) donde: Jw = Flux (m3/[m2 h])
Qp = Caudal volumtrico de producto (m3/h)
Am = rea de permeacin (m2)
La relacin entre el flujo de agua a travs de la membrana, la presin aplicada y la salinidad
del agua de alimentacin y est descripta por la ecuacin:
Jw = A NDP = A (P ) (5)
donde A es el Coeficiente de permeabilidad de agua en m/[h bar].
-
33
Flujo de sales: Es la cantidad de sal disuelta que pasa a travs de la membrana, y es descripta por la ecuacin:
Js = B Cs (6)
Donde:
Js = Flujo de sal a travs de la membrana mol/(m2 h).
B = Coeficiente de permeabilidad de sales m/h.
Cs = diferencia de concentracin a travs de la membrana mol/m3.
Los coeficiente de permeabilidad de agua y de sales, son funcin del espesor, la difusividad de
la membrana y las condiciones operativas (varan con la salinidad, temperatura, presin y pH),
an cuando se supone que son caractersticas intrnsecas de la membrana. A pesar de esto, se
pueden considerar constantes para un rango operativo, ya que el efecto es mnimo.
Se puede apreciar que el trasporte de soluto a travs de la membrana no est directamente
relacionado con el diferencial de presin transmembrana.
A = (kw/) y B = (ks/) (7)
Donde:
kw = difusividad especifica del agua en la membrana, m2/[h bar].
ks = difusividad especfica de las sales en la membrana, m2/h.
= espesor de la membrana, m.
-
34
2.3 Descripcin de proceso de smosis Inversa
El proceso simplificado se muestra en la Figura N 16.
Figura N 16 Esquema de aplicacin prctica de la smosis Inversa.
Mediante una bomba de Alta Presin, el agua de alimentacin es continuamente bombeada al
sistema de membranas (equipo). Dentro del equipo, la alimentacin es separada en dos
corrientes, obteniendo una purificada o de baja salinidad (permeado) y otra de alta salinidad
(concentrado o rechazo). Con la presin de alimentacin y la vlvula de concentrado se
regulan los flujos de alimentacin y rechazo respectivamente, y permite controlar el
porcentaje de agua permeada respecto al agua de alimentacin que es posible obtener
(recuperacin). Si no se genera una contrapresin en el concentrado, el flujo de
alimentacin sera igual al de concentrado por lo que no se obtendra producto o permeado.
Esto es as ya que existe una resistencia al flujo muy grande a travs de la membrana. Estos
conceptos son muy importantes y estn relacionadas con una de las modificaciones
propuestas en el rediseo de la Planta de Agua (Captulo N 5 - seccin 5.3.2).
Se puede observar dentro del elemento representado en la Figura N 16, que la flecha que
atraviesa la membrana es mayor a la que continua paralela a la misma, esto representa la
proporcin habitual de los caudales de permeado y rechazo para aguas salinas (no para agua
de mar).
Para un elemento simple se pueden esquematizar las definiciones vistas anteriormente, como
por ejemplo, la recuperacin de agua.
-
35
Si se alimenta un sistema de membranas con 100 m3/h (el concepto es vlido para una
membrana) y se quiere obtener un 75% de recuperacin, el caudal del permeado debe ser de
75 m3/h y el concentrado de 25 m3/h.
Figura N 17 Esquema sistema de filtracin por membranas - Recuperacin
En forma general, si denominamos a la recuperacin con la letra Y, podemos hallar su
relacin con las concentraciones de alimentacin y concentrado:
Qf = Qp + Qc
Qf = Y . Qf + Qc Qf (1-Y) = Qc
Qf 1
Qc =
1 - Y (8)
Si adems de la recuperacin de agua tenemos que el rechazo de una sal por parte de la
membrana es del de 99% y realizamos el balance de masa para dicha sal, tenemos:
Figura N 18 Esquema sistema de filtracin por membranas Recuperacin y rechazo
Alimentacin 100 m3/h
Permeado 75 m3/h
Concentrado 25 m3/h
% Recuperacin = [75 m3/h / 100 m3/h]. 100 % = 75%
Alimentacin 100 m3/h 100 mg/L
Permeado 75 m3/h 1 mg/L
Concentrado 25 m3/h X mg/L
% Recuperacin = [75 m3/h / 100 m3/h]. 100 % = 75%
Rechazo de sal = 99%
-
36
100 m3/h .100 mg/L = 75 m3/h .1 mg/L + 25 m3/h .X
100 m3/h .100 mg/L - 75 m3/h .1 mg/L = 25 m3/h .X
X = (100 m3/h .100 mg/L - 75 m3/h .1 mg/L) / 25 m3/h
X = 397 mg/L
Figura N 19 Contenido de sales en Concentrado con 75% recuperacin y 99% rechazo
de sales.
Como se puede observar la sal en el concentrado es casi 4 veces superior a la de la
alimentacin si la recuperacin es del 75% y el rechazo de la sal es del 99%. ste es el orden
de rechazo para sales como ClNa, por parte de las membranas de RO compuestas (poliamida),
que son las ms utilizadas en la industria.
Si para la misma membrana (99% rechazo de sales) disminuimos la recuperacin de agua,
tambin lo hace la concentracin de sales en la corriente de concentrado. Por ejemplo si es
del 50%, la concentracin de la sal en la corriente de concentrado es de 199 mg/L.
Figura N 20 Contenido de sales en Concentrado con 50% recuperacin y 99% rechazo
de sales.
Alimentacin 100 m3/h 100 mg/L
Permeado 75 m3/h 1 mg/L
Concentrado 25 m3/h 397 mg/L
% Recuperacin = [75 m3/h / 100 m3/h]. 100 % = 75%
Rechazo de sal = 99%
Alimentacin 100 m3/h 100 mg/L
Permeado 50 m3/h 1 mg/L
Concentrado 50 m3/h 199 mg/L
% Recuperacin = [50 m3/h / 100 m3/h]. 100 % = 50%
Rechazo de sal = 99%
-
37
A simple vista vemos que las veces que se concentra en sales el concentrado respecto a la
alimentacin, es aproximada al cociente de los caudales de alimentacin y concentrado.
Qf Cc
Qc = FC
Cf
(9)
Qf FC =
Qc = 4
Combinando las ecuaciones (8) y (9), obtenemos:
Qf 1 FC =
Qc =
1 - Y (10)
Esta relacin se denomina Factor de Concentracin, donde para nuestro primer ejemplo,
dicho valor es 4.
A medida que el rechazo de una sal disminuye, el FC se diferencia ms de la relacin de
caudales. Para el mismo ejemplo pero con un rechazo de sales del 90%, la relacin de
concentracin entre rechazo y alimentacin es 3,7 contra 3,97 para un rechazo del 99% de
sales.
Este dato es muy importante para poder estimar la concentracin de una sal en el concentrado
a partir de la concentracin en la alimentacin, lo que representa un dato relevante para
evaluar la disposicin del concentrado con su correspondiente implicancia ambiental, as
como tambin, para evaluar la tendencia a la formacin de incrustaciones en el equipo.
2.4 Factores que afectan la Performance de la smosis Inversa
La performance de la smosis inversa es encontrar la relacin ptima entre calidad y flujo de
permeado.
Hay dos aspectos a tener en cuenta, los relacionados con el diseo de las membranas y los
factores operativos.
-
38
Respecto a los relacionados con el diseo de las membranas el rumbo de la tecnologa de
membrana de los ltimos aos se ha basado en la hiptesis (paradigma) que asume que el
coeficiente de transporte del agua y del soluto (sal) a travs de la membrana, son dependientes
el uno del otro. Este fenmeno se conoce como el Paradigma de Caudal/Rechazo (Figura
N 21). Segn este paradigma, en el lmite de diseo todo aumento de caudal a travs de una
membrana de smosis inversa va a causar una reduccin en el rechazo de sales de la misma.
Se requiere de una innovacin para que, a partir de la condicin lmite, podamos aumentar el
caudal y el rechazo18.
Figura N 21 Innovaciones segn el paradigma Caudal / Rechazo
Hay diferentes opciones para romper con el paradigma y lograr mayores caudales, con el
mismo, o ms alto rechazo. Estas opciones se basan en cambios de los componentes
caractersticos de la membrana:
Capa poliamdica
Estructuras de soporte
Construccin del elemento (rea activa)
La capa poliamdica de membrana es la barrera a las sales. Todo cambio fundamental en la
qumica de esta capa debe considerarse seriamente, ya que potencialmente puede influenciar y
cambiar substancialmente las propiedades de separacin. Estos cambios se efectan
-
39
aadiendo, eliminando o cambiando ciertos compuestos qumicos que se usan en la
fabricacin de la membrana, o cambiando las condiciones de reaccin.
Hasta la utilizacin de un estereoismero particular (entre seis) de un monmero puede influir
en la resistencia al cloro activo19.
En la membrana de smosis inversa, y en el elemento o mdulo mismo se usan varias capas
que soportan la delgada capa de poliamida: una capa de polisulfona y un soporte de polister
en la membrana (Figura N 22), y un espaciador del permeado en el elemento. Cada uno de
estos soportes se puede mejorar. Las capas inferiores se pueden optimizar para lograr ms
estabilidad y evitar la compactacin. El material de la polisulfona se puede optimizar para
obtener poros ms permeables y ms estables. Tambin se puede usar un espaciador que cause
menos prdida de carga.
Figura N 22: Seccin transversal de la membrana.
Adems se pueden conseguir innovaciones en los temas relativos a la superficie de membrana
y construccin de elementos. Con hojas de membrana ms cortas en el sentido transversal se
alcanza un caudal ms alto, porque la distancia al tubo de permeado se acorta y en
consecuencia la prdida de carga en el espaciador del permeado es mas baja. Menor prdida
de carga conduce a una productividad ms elevada.
Para aumentar la superficie se pueden aadir ms pginas u optimizar la lnea de encolado [2].
Para aadir ms pginas de membrana al tubo del permeado, algunos productores reducen
-
40
el espesor del espaciador de alimentacin. Para conseguir un aumento de pginas (y rea)
sin comprometer el espaciador de alimentacin, se necesita indefectiblemente una
construccin automatizada.
En la Figura N 23 se pueden observar las diferentes lneas de encolado de una membrana
fabricada en forma automatizada (BW30-400, Filmtec), comparada a una semi-automatizada
(pegado manual, CPA3 Hydranautics). Se observa que segn el mtodo convencional, pegado
manual, las lneas de encolado son de 2 hasta 4 (5 10 cm). La construccin automatizada
permite reducir las lneas a - 1.0 (2 2.5 cm).
Considerando que la hoja tpica tiene 38 despus de cortarla, su longitud activa se reduce a
36 con construccin automatizada, y a 30 34 con construccin convencional. Esto
representa una diferencia evidente de rea activa, de 6 20% (promedio = 13%).
Hydranautics, en membranas para desalinizacin, introdujo la tecnologa de manufactura
automatizada y realiz una mejora en la qumica de la membrana con el nuevo modelo SWC5.
sto le permite aumentar un 52% la capacidad de permeado20 (manteniendo prcticamente la
calidad del mismo), comparada con el modelo SWC3 introducido en el mercado mundial en el
ao 2000. sto demuestra la velocidad de avance de las innovaciones.
(a)
(b)
Figura N 23: Lneas de encolado: (a) Manual y (b) Automatizado, Filmtec.
El caudal especfico de permeado y el rechazo de sales, tambin son funcin de los
parmetros operativos como ser: Presin, Temperatura, Concentracin de la alimentacin,
Recuperacin de agua y pH.
-
41
2.4.1 Efecto de la presin
En las grficas se observa la variacin del Flujo de permeado y el rechazo de sales en funcin
de estos parmetros operativos.
La figura N 24 y la Ecuacin (5) demuestran que el flujo del agua es directamente
proporcional a la presin aplicada. El punto de interseccin de la grfica presin-flujo con el
eje de las abscisas representa la presin osmtica de la solucin de alimentacin. 1
Cuando aumentamos la Presin de alimentacin aumenta el flujo y aumenta tambin el
rechazo de sales, esto es, el permeado tiene un menor contenido de sales (TDS). sto se puede
apreciar en la Figura N 24. 1,4
A mayores presiones, el agua de alimentacin es forzada contra la membrana a una velocidad
ms alta, haciendo que un mayor nmero de impurezas en la corriente de la alimentacin
interacten con la superficie de la membrana.
Los problemas de incrustaciones son mayores a altas presiones. Las sales que se acumulan en
la superficie de la membrana aumentan la presin osmtica local. Como la presin superficial
excede la presin osmtica de la corriente principal, los iones difunden alejndose de la
superficie de la membrana. A mayores presiones de funcionamiento, las sales tienen que
concentrarse antes de que la difusin pueda ocurrir, y dar lugar a la precipitacin de sales
levemente solubles.8,17
El hecho de que a mayor presin aumenta el flujo y rechazo, parece ser una contradiccin con
la paradoja caudal-rechazo, pero no es as. La paradoja se da a partir del lmite de presin
que resisten las membranas para las condiciones operativas ensayadas.
El lmite de presin se presenta cuando comienza la compactacin y deformacin de la
membrana. En el caso de las primeras membranas de acetato de celulosa eran menos
tolerantes a la compactacin que las actuales de Poliamida.9
En las primeras etapas de la compactacin, la estructura de la membrana se comprime,
restringiendo el flujo del agua y de la sal. El resultado es una disminucin del flujo del agua
acompaado por el aumento en calidad del producto. Si la condicin contina, la membrana
puede ser forzada dentro de la malla del acarreador de permeado, produciendo pequeos
rasgones en la hoja8,17. Esto produce un dao irreversible de la membrana, caracterizado por
un aumento en flujo del agua as como un aumento en paso de la sal, y sta s es la paradoja
caudal-rechazo, la cual me determina el lmite de aplicacin para la membrana. Nunca
debemos perder de vista que los materiales son polimricos.
-
42
El factor tiempo para la compactacin depende de otros parmetros operativos. Las altas
temperaturas, el pH alto, y la presencia de oxidantes acelerarn el proceso de compactacin.
Figura N 24: Performance vs. Presin
2.4.2 Efecto de la temperatura
En la Figura N 25, se observa la variacin del Flujo de permeado y el rechazo de sales en
funcin de la temperatura. El rechazo de sales es lo inverso al pasaje de sales a travs de la
membrana.
El flujo de permeado y el pasaje de sales aumentan con el aumento de la temperatura del agua
de alimentacin. El efecto del aumento de la temperatura en el agua, se debe al aumento de la
entalpa de todo el sistema incluyendo las membranas de RO y NF. Los enlaces dentro de la
matriz de la membrana estn ms relajados, y las molculas de agua y las sales son ms
activas a temperaturas ms altas (>25 C). El agua pasa a travs de la membrana con una
menor presin aplicada que la requerida a temperaturas ms bajas. Hasta cierto punto, el flujo
de sal tambin aumenta con el incremento de la temperatura, aunque el efecto no es
importante a temperaturas de operacin normal.
Para tener en cuenta este efecto, los fabricantes de membranas proporcionan una tabla o una
frmula para determinar el Factor de Correccin por Temperatura (TCF). El TCF es
proporcional al cambio de presin necesario para mantener la tasa de flujo de agua a 25 C y
-
43
es igual a 1, cuando la temperatura del agua es 25 C. Si aumenta la temperatura por encima
de 25 C, aumentar el flujo de agua a travs de la membrana (figura N 25) y por lo tanto
debo disminuir la presin de alimentacin para volver a tener el flujo a 25 C.
Figura N 25:
Performance vs.
Temperatura
Para obtener el flujo normalizado a 25 C, se debe multiplicar el flujo por el TCF a la
temperatura de operacin, en donde el TCF es mayor a 1 cuando la temperatura est por
debajo de 25 C y menor a 1 cuando esta por encima de 25 C.
Jw (25 C) = Jw (T) . TCF(T) (11)
Otros fabricantes eligen dividir el flujo a normalizar por el TCF para la temperatura de
operacin, por lo tanto los TCF de ambos fabricantes son inversos multiplicativos.
Las membranas celulsicas o las compuestas, tienen lmites mximos de temperatura de 40 a
45 C, por lo que son adecuadas para la mayora de las fuentes de agua superficial y
subterrnea.
El calor excesivo en el sistema del RO puede causar una variedad de problemas. La
incrustacin del carbonato de calcio es ms probable en temperaturas ms altas, la
compactacin de la membrana es realzada, y el ensuciamiento causado por flujo creciente del
agua es tambin ms probable. La mayora de las membranas puede manejar agua de
alimentacin hasta temperaturas de 1 C sin problema. La matriz de las membranas llega a
ser ms rgida a bajas temperaturas y el flujo del agua disminuye.
-
44
En la Tabla N 5 se pueden observar los lmites de presin y temperatura para evitar la
compactacin de membranas de Poliamida. Los valores expresados en dicha tabla, se aplican
principalmente en las limpiezas de las membranas.
Tabla N 5 Gua para evitar la compactacin de las membranas (no vlida para Acetato
de Celulosa) 9.
Parmetro Lmite Efecto
Presin < 20 bar Compactacin mnima
< 15 C Compactacin mnima sin importar la presin
15 a 50 C Presin restringida a 30 bar como mx.
> 50 C Es posible una severa compactacin Temperatura
> 80 C Manteniendo la presin por debajo de 5 bar igual la
compactacin es inevitable
2.4.3 Efecto de la concentracin de la alimentacin
En la Figura N 26, se observa la variacin del Flujo de permeado y el rechazo de sales en
funcin de la concentracin de la alimentacin. En esta grfica se observa que el flujo de
permeado decrece con el aumento de la concentracin de la alimentacin.
Este hecho se debe al aumento de la presin osmtica de la solucin, lo que genera una
disminucin del flujo de permeado como lo muestra la ecuacin (5) (seccin 2.2), ya que
disminuye la Presin Neta Aplicada (NPD). Adems de este hecho, el aumento de la
concentracin de la alimentacin tambin afecta la concentracin por polarizacin en la
superficie de la membrana.
Por otro lado, el rechazo de sales decrece con el aumento de la concentracin de la
alimentacin debido al aumento del delta de concentracin entre alimentacin y permeado, el
cual es directamente proporcional al flujo de sales a travs de la membrana como se aprecia
en la ecuacin (6) y la figura correspondiente.
-
45
Figura N 26: Performance vs. Concentracin de la alimentacin
2.4.4 Efecto de la recuperacin
De la Figura N 27 se deduce que si se aumenta el porcentaje recuperacin (y la presin del
agua de alimentacin permanece constante), se incrementan las sales en la solucin
concentrada y la presin osmtica aumentar hasta que sea tan alta como la presin aplicada
(NPD = 0), como lo muestra la ecuacin (5).
El aumento de la recuperacin, va reduciendo la fuerza impulsora de la presin de
alimentacin, disminuyendo o deteniendo el proceso de smosis inversa. Se observa en la
Figura N 27, que a partir de un valor lmite se produce una disminucin brusca del flujo de
permeado y del rechazo de sales.
En la prctica, la recuperacin mxima posible para un sistema de RO no depende
generalmente de la presin osmtica limitadora, sino de la concentracin de las sales
presentes en el agua de alimentacin y de su tendencia a precipitarse en la superficie de la
membrana como incrustacin mineral. Esto significa que antes de llegar a la presin osmtica
que me genere una disminucin del flujo aparecern problemas con la saturacin e
incrustaciones inorgnicas.
Las sales poco solubles ms comunes en los sistemas de RO son el carbonato de calcio
(CaCO3), el sulfato del calcio (yeso), y la slice (SiO2).
-
46
Se le puede realizar un tratamiento qumico al agua de alimentacin para inhibir la
incrustacin de sales inorgnicas, lo que permite aumentar la recuperacin de agua hasta un
cierto lmite.
Figura N 27: Performance vs. Recuperacin.
2.4.5 Efecto del pH
El principal problema del pH es el ataque que sufre la membrana en condiciones extremas de
operacin o de limpieza, las cuales estn indicadas en la Figura N 28 para las membranas de
poliamida FT-30 de Filmtec. stas varan de acuerdo a los materiales de las membranas como
se muestra en la Tabla N 2. En condiciones operativas, el pH del agua de alimentacin puede
afectar, adems de la estructura de la membrana, el potencial de la formacin de
incrustaciones de sustancias inorgnicas en la corriente del concentrado.
Las membranas celulsicas tienen una gama operacional estrecha de pH de 4 a 6 segn la
mayora de las publicaciones 1,7,8,17, aunque otras elevan el lmite superior operativo9,24 a pH 8
como se observa en la Figura N 28 (Filmtec - Dow). Algunas membranas tienen un rango de
pH tan estrecho como 5,5 a 6,0 17. El problema de las membranas de acetato de celulosa es
que si estn expuestas a un pH fuera de este rango, las mismas se hidrolizan. Los enlaces
qumicos en la matriz de la membrana se rompen y son substituidos por los iones oxhidrilo,
generando agujeros en la misma (Murphy, 1990). Las membranas compuestas de pelcula
-
47
delgada (Thin Film Composite) de Poliamida, tienen un rango operativo de pH mucho ms
amplio. Las cermicas y metlicas resisten condiciones de pH, ms severas an.
El pH del agua de alimentacin puede necesitar el ajuste para controlar las incrustaciones de
sales inorgnicas en el concentrado. Por ejemplo, la solubilidad de los depsitos de slice
aumenta abruptamente a pH > 7.7, y a temperaturas ms altas; por lo tanto un problema de
incrustacin de slice puede ser controlado elevando el pH o la temperatura del agua de
alimentacin.
El carbonato del calcio, por otra parte, es ms soluble en bajas temperaturas y a pH menores
de 8,0. Por esta razn, una alternativa a los dispersantes o al ablandamiento del agua para
disminuir los problemas de incrustacin de carbonato de calcio consiste en dosificar cido
clorhdrico para bajar el pH y disminuir la alcalinidad total de la alimentacin lo que significa
que disminuye el producto de solubilidad del carbonato de calcio (seccin 3.4.1).
Aqu se puede ver que los cambios en temperatura o pH para mejorar la solubilidad de uno,
pueden causar la saturacin del otro, por lo tanto, se debe tomar el cuidado para encontrar la
condicin ptima con el propsito de evitar la saturacin e incrustacin de cualquier sustancia
inorgnica.
Ms adelante se ver con ms detalle este tema, adems de ver la aplicacin con un software
de diseo.
Figura N 28:
Comparacin de los
parmetros operativos y
de limpieza entre
Membranas FT-30 de
Filmtec (PA) y
membranas de Acetato
de Celulosa (CA).
-
48
CAPTULO 3: QUMICA DEL AGUA Y PRETRATAMIENTO
3.1 Introduccin
El agua es uno de los elementos fundamentales en cualquier planta industrial. En realidad, el
progreso industrial del hombre se puede describir en funcin del aprovechamiento de los
recursos acuferos del Planeta. El progreso industrial futuro depender en gran medida del uso
racional que se haga de este recurso.
Con todo esto podemos decir que el abastecimiento seguro del agua constituye un factor
bsico en la seleccin de la locacin de cualquier planta industrial.
La principal fuente de agua del mundo son los ocanos, tanto por su utilizacin directa, como
por el hecho de que el agua continental se genera debido a la evaporacin de sta en los
mismos y la consiguiente precipitacin en los continentes. La mayor parte del agua que
precipita se evapora y slo una parte queda disponible para abastecimiento.
El agua que se evapora en los ocanos para formar las nubes es prcticamente pura, pero
cuando precipita en forma de lluvia o nieve absorbe gases de la atmsfera, principalmente
oxgeno y dixido de carbono. Al llegar a la tierra, el agua disuelve algunos materiales con los
que entra en contacto. La cantidad de materia disuelta va a depender de la solubilidad del
suelo o rocas de la zona y del tiempo