Conceptos Básicos IEX Parte I

gamma química
de venezuela c.a.
Pretratamiento OI
Ultrafiltración
gamma química
de venezuela c.a.
Procesos de Filtración
• Filtración: son técnicas de separación mediante medios porosos
basadas en el mecanismo de Exclusión por Tamaño (Cribado),
siendo capaces de retener partículas, materia en suspensión
(incluyendo virus y bacterias), materia coloidal y en general
especies de alto peso molecular.
• Sin embargo, no retienen sales disueltas, iones, materia
orgánica disuelta ni solutos de bajo peso molecular
(dependiendo del PM).
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Procesos de Filtración
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Ionic Range
Molecular Range
Macro Molecular Range
Angstrom Units (Log Scale)
1
10
100
Micro Particle Range
Macro Particle Range
104
1000
106
105
Latex / Emulsions
Metal
Ions
Endotoxins/Pyrogens
Bacteria
Colloids
Insecticides
Viruses
Soluble Salts
Algae
Dissolved Organics
Human Hair
Giardia
Antibiotics
Crypto
Microfiltration
Reverse Osmosis
IX
Particle Filtration
Nanofiltration
Electrodeionization
Ultrafiltration
0.001
0.0001
Micrometers (Log Scale)
Technology within Dow Water Solutions
0.01
0.1
1.0
100
10
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Procesos de Filtración
Tipos de flujo
•
Filtración con extremo cerrado (Dead End)
•
Filtración de flujo cruzado (Cross Flow)
EXTREMO CERRADO
FLUJO CRUZADO
ALIMENTACIÓN
CONCENTRADO
ALIMENTACIÓN
PERMEADO
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Procesos de Filtración
En la filtración dead-end, el
flujo del fluido es
perpendicular a la superficie
del filtro.
En la filtración cross-flow, el flujo del
fluido es paralelo a la superficie del
filtro y aumenta la concentración de
las partículas conforme el filtrado
pasa por los poros.
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Procesos de Filtración
• Los tamaños de poro normalmente definen el proceso:
• Filtración
• Microfiltración
• Ultrafiltración
Tamaño de poro 1,00 micrón
Tamaño de poro 0,10 micrón
Tamaño de poro 0.01 micrón
• Las caídas de presiones normales en medios filtrantes
• Filtración
• Microfiltración
• Ultrafiltración
Caída de presión
0.3-0.6 Bar
Caída de presión
0.1-3.0 Bar
Caída de presión
0.1-6.0 Bar
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Tendendias en tratamiento de agua
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Ventajas respecto a Filtración Convencional
• Reducción del
ensuciamiento
coloidal en las
membranas de OI.
• Posibilidad de
operar la OI a mayor
flux.
• Reducción de las
frecuencias de
limpieza de las
membranas de OI.
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Ultrafiltración
•
DOWTM UF es una membrana de fibra hueca con
flujo de fuera hacia dentro
 Amplio rango de tolerancia a variaciones en calidad de
Agua de Alimentación
 Diseño Simple vertical
 Operación con filtración tipo extremo ciego
•
Fibras Huecas de ∅1.3 x 0.7 mm de PVDF
 Alta Resistencias Química y Mecánica
 Tratadas para tener mayor hidrofilicidad
•
Tamaño de Poro 0.03 μm
 Fibras Huecas de pared doble con mínimos macroporos
 Excelente combinación de gran rechazo y alta
permeabilidad
 Tasas de Filtración estables a largo plazo
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Tipos de membranas UF
Tubulares
Fibra Hueca
Planas
Arrolladas en espiral
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Sistemas de Ultrafiltración
Permeado
Alimentación
Bomba
Membrana
Bomba
Permeado
• Presurizado:
Módulos de UF externos en donde la
alimentación es impulsada a presión
bien por dentro o por fuera de las
fibras.
• Sumergido:
El módulo se encuentra sumergido
en el volumen de alimentación y el
filtrado se extrae por vacío por el
interior de las fibras.
Membrana
Tanque de
Alimentación
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Materiales de fibras UF
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Propiedades de las membranas UF
• Poros de tamaño pequeño
para producir un permeado
de alta calidad
• Alta porosidad para producir
alto caudal
• Alta Resistencia Mecánica y
Química
• Fácil de limpiar
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Propiedades de las membranas UF
•
La UF es más eficiente en
la remoción de
contaminantes del agua, ya
que elimina compuestos
patógenos (incluyendo
virus), coloides y elementos
orgánicos de peso
molecular mediano a alto.
•
La tasa de filtración de la
UF es mas constante que
la de otros procesos porque
la mayoría de las partículas
son retenidas en la
superficie de la
membrana en lugar de
quedar atrapadas en la
estructura de la membrana.
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Propiedades de las membranas UF
•
Alta resistencia del polímero: El
Material de fabricación es Floruro de
Polivinildeno (PVDF) de alto peso
molecular
•
La alta resistencia mecánica de la
estructura porosa de la membrana
no requiere materiales de refuerzo.
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Propiedades de las membranas UF
•
Las fibras PVDF mantienen sus propiedades bajo las
condiciones más agresivas de limpieza química. Mejor que
cualquier otro material.
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Propiedades de las membranas UF
Nominal 100 nm,
Competition
30 nm
Dow
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Propiedades de las membranas UF
Tensión de la Superficie [Dyne/cm]
Las membranas DOWTM UF de PVDF son fabricadas con propiedades
hidrofílicas producidas a través de un proceso que mejora su resistencia a
ensuciamiento con materia orgánica y con otras sustancias hidrofóbicas.
60
OEE PVDF
55
PAN
PAN
PES
50
CA
45
PS
40
PVDF
35
HDPE
30
PP
25
PTFE
20
15
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Ángulo de Contacto [Grados, º]
™Trademark of The Dow Chemical Company ("Dow") or an affiliated company of Dow
120
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Operación de las membranas UF
Fuera-Dentro
Otros
Dentro-Fuera
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Ventajas de las membranas UF
•
•
•
•
•
•
•
Sistemas más compactos y modulares debido a mayor área activa
Mayor calidad del filtrado (poro de 0,03 micras)
Elimina patógenos resistentes al cloro
Mayor estabilidad de operación y consistencia de la calidad del
filtrado, independientemente de las fluctuaciones en la calidad del
agua a tratar (operación outside-in)
Menor consumo de reactivos químicos (coagulante, floculantes,
ajuste de pH, etc) debido a barrido con aire.
Mantenimiento/Operación más sencillos y operación manual ó
completamente automatizada
Alta resistencia química (fibras de PVDF)
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Términos utilizados
Log Removal Value (LRV): Eficiencia de eliminación
Recuperación: Porcentaje del volumen de alimentación que pasa a ultrafiltrado
TMP: Presión Trans-Membrana (bar, psi)
Flux: Caudal de filtrado dividido por el área de membrana (L/m2.h o LMH)
Flux Normalizado: Flux corregido a una temperatura de referencia,
normalmente 20ºC.
Permeabilidad o Flujo Específico: Flux dividido por la TMP (LMH/bar)
Ensuciamiento: Pérdida gradual de caudal a presión de operación constante
debido a la adsorción o deposición de contaminantes en o
sobre la membrana.
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Términos utilizados
BW: Contralavado (BackWash)
CEB: Contralavado Químico (Chemically Enhanced Backwash)
CIP: Limpieza intensiva (Cleanning In Place)
AS: Limpieza con aire (Air Scour, Air Scrub)
AIT: Prueba de Integridad con Aire (Air Integrity Test)
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Especificaciones y Rangos de Operación
Módulos DOWTM UF
SFP-2660
SFP-2680
SFP-2860
SFP-2880
1860 mm
1500 mm
2360 mm
2000 mm
1860 mm
1500 mm
2360 mm
2000 mm
165 mm (6.5")
165 mm (6.5")
225 mm (8.9")
225 mm (8.9")
Área de Membrana
33 m2
44 m2
51 m2
77 m2
Volumen
Peso (Lleno)
Peso (Transporte)
16 L
41 kg
25 kg
20 L
53 kg
33 kg
35 L
83 kg
48 kg
39 L
100 kg
61 kg
Rango de Caudal
1.3 - 4.0 m3/h
1.8 - 5.3 m3/h
2.0 - 6.1 m3/h
3.1 - 9.2 m3/h
Altura
Longitud de Fibras
Diámetro del Módulo
Especificaciones
Técnicas
Características de
las Fibras
Condiciones de
Operación
Requisitos de
Alimentación
Tipo de Flujo
Material de Fibras
Tamaño de Poro
Temperatura
Fuera a Dentro
H-PVDF
0.03 µm
1 - 40ºC
Max. Pres. Entrada
6 bar
Max. TMP
pH, Continuo
Max. NaOCl
Flux Contralavado
Max. MES
Max. Turbidez
Max. Tamaño
Partícula
2.1 bar
2-11
2,000 ppm
100-150 L/m2.h
100 mg/L
300 NTU
300 µm
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Guías de Diseño
Fuente
Pozo/Subterránea
Municipal/Potable
Superficial
(Pretratada)
Superficial
Agua de Mar
Efluente
Turbiedad(NTU)
TOC (ppm)
Flux (LMH)
BW (min)
%
<2
<1
90
60
97
<5
<5
80
60
96
<3
<2
75
60
95
2–5
<2
75
60
95
<5
<5
75
40
93
5 – 15
<5
60
40
92
15 – 50
<5
50
20
80
< 10
<5
60
30
90
< 20
<5
50
30
87
<5
<5
55
30
90
<10
<10
45
30
85
<30
<10
40
20
75
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DOWTM UF - Certificados
Certificado NSF/ANSI Standard 61
( National Science Foundation – Drinking Water System
Components – Health Effects)
Certificado por CDPH para la eliminación de:
• > 4 log Cryptosporidium
• > 4 log Giardia
• 2.8-5.1 log Virus
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Módulos de DOWTM UF
SFP 2860
SFP 2660
SFP 2880
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Principales causas de ensuciamiento
•
Cambios en agua de alimentación (TOC, TSS, Temp.)
•
Pretratamiento insuficiente (malla previa, arrastres de químicos)
•
Fallas en sistemas de dosificación de químicos
•
Sistema de control operacional inapropiado (alto flux, largos ciclos)
•
Crecimiento de algas estacionarios
•
Programas de retrolavados inadecuados
•
Procedimientos inadecuados de parada y preservación de módulos
•
Selección inadecuada de materiales de construcción (bombas, tuberías)
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Cuando limpiar?
Maximum allowable
pressure
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Secuencia de Operación
Filtración
(20-60 min)
Barrido con Aire (20s)
Contralavado (40-60s)
Desplazamiento (30-60s)
(Limpieza Física)
CEB (On-Line); Cada 1-7 días
CIP (Off-Line); Cada 1-12 meses
(Limpieza
Química)
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Filtración
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Barrido con aire
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Barrido con aire (Paso de drenado)
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Barrido con aire
•
Flujo de 7 Nm3/hr o 12 Nm3/hr por modulo (Dependiendo del diámetro
del módulo)
•
Presión de aire <1 bar
•
Típicamente cada 6 horas
•
La frecuencia puede incrementarse por sólidos altos en el agua de
alimentación (>50 ppm TSS)
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Retrolavado superior
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Retrolavado inferior
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Enjuague
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Retrolavado
•
El retrolavado es agua de permeado, dosificado frecuentemente con
15 ppm de NaClO
•
El caudal es 200% del flujo de diseño
•
Los pasos de retrolavado incluyen lavado hacia adelante a través de
la parte superior del módulo y drenaje por gravedad, a través del
fondo del módulo, típicamente ~30 segundos cada uno.
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Retrolavado Químico (CEB)
Ultrafiltrate
Chemicals
Backwash
Tank
Backwash
Pump
Feed Pump
Raw Water
Filter
200-300 µm
Effluent
Air
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Retrolavado Químico (CEB)
• Ácido
 Solución de HCl @ 500-1,000 ppm.
 Elimina coloides y sales inorgánicas que ensucian la
membrana interna y externamente.
• Alcalino
 Solución de NaOH @ 500 ppm.
 Combinado o no con NaClO @ 500-1,000 ppm.
 Elimina contaminantes orgánicos y biológicos de la
membrana.
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Limpieza intensiva (CIP)
•
Ácido
 HCl @ 2,000 ppm (pH ~2)
•
Alcalino
 NaOH @ 1,000 ppm.
 NaClO @ 2,000 ppm.
 pH 12
•
•
•
Frecuencia típica cada 1-3 meses
Caudal por módulo: 1.5-2.0 m3/h
Duración típica 120 minutos.
CIP Solution
(up to 40 ºC)
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CEB vs. CIP
•
Limpieza de mantenimiento.
• Limpieza intensiva.
•
Menor duración, pero mayor
frecuencia.
• Mayor duración, pero menor frecuencia.
•
Operación automática, no requiere
acción o supervisión por parte del
operador.
• La solución química se prepara con
agua desmineralizada u osmotizada, y
generalmente a mayores
concentraciones que en modo CEB.
•
Se realiza con agua ultrafiltrada.
•
La solución química se elimina del
sistema en continuo.
• La solución química se recircula por el
sistema.
•
No hay aumento de temperatura de
la solución química.
• Operación manual.
• Se recomienda aumentar la
temperatura de la solución química.
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Limpiezas
Tipo de
Ensuciamiento
Partículas
Biológico
Causa
Sólidos en
suspensión, materia
coloidal, turbidez.
Desarrollo de
bacterias.
Inorgánico
Precipitación de
minerales (Fe, Mn,
Ca).
Orgánico
Adsorción de materia
orgánicas: arcilla,
humus, ácidos
orgánicos,…
Prevención
Coagulación, clarificación,…
Control bacteriológico
(cloración, SBS,...).
Eliminación de nutrientes (PAC,
GAC, coagulación,…)
Oxidación/Precipitación +
filtración.
Cuando se llevan a cabo
contralavados a pH alto usar
agua osmotizada o de red.
Coagulación, PAC, GAC,…
Método de limpieza
Contralavado con
agua.
Contralavado y/o
remojo con biocidas
(Cl2, H2O2, SBS,…)
Contralavados ácidos a
pH ~ 2 (HCl, H2SO4,
Ácido cítrico,…)
Contralavados
alcalinos a pH ~ 12
(NaOH)
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Limpiezas
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Aplicaciones y Referencias
• > 200 sistemas de UF, como pretrataiento de otras operaciones
•
•
unitarias como RO y EDI.
> 900,000 m3/d de capacidad instalada.
Las aplicaciones incluyen:




Tratamiento de agua superficial para uso industrial o municipal.
Tratamiento/Reutilización de aguas residuales municipales.
Tratamiento de efluentes industriales.
Pretratamiento de OI para agua de mar.
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Ejemplo de bastidor de UF
Módulos convencionales vs. Integrapack
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Sistema DOWTM UF en doble piso
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Programa de Diseño - UFlow
Informe de 10 páginas, que incluye:
• Diagrama de Flujo del sistema.
• Detalles del diseño de la planta
(nº bastidores, nº y características de
los módulos de UF, conversión, etc.)
• Caudales instantáneos y medios.
• Dimensionamiento de tanques, válvulas,
tuberías.
• Estimación de consumo de reactivos
químicos.
• Estimación de consumo energético.
• Tablas con secuencias de operación.
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Software de Diseño - UFlow
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Gracias
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