osmosis inversa.

Transcripción

osmosis inversa.

CONTROL Y CALIDA DEL AGUA
OSMOSIS INVERSA.
INTRODUCCIÓN
La osmosis inversa es una tecnología relativamente moderna, ya que empezó
a realizarse de manera industrial en el año 1965 en Estados Unidos.
Sin embargo y debido a su gran desarrollo, se puede decir que es el
tratamiento de aguas más utilizado a escala industrial en la desalinización de
agua salobres y cada día esta teniendo mas arraigo en la utilización doméstica.
Prueba de ello, es que es más frecuente atender a particulares, que piden
información y presupuesto para la potabilización química de su agua por
osmosis inversa, generalmente para hacer agua potable un agua de alta
salinidad o con algún contaminante químico en particular.
Por dicha causa acuden a profesionales con la seguridad que les atenderán
correctamente, pero por desgracia no todos lo que se denominan profesionales
del ramo, tienen los conocimientos y conceptos necesarios para asesorar al
usuario de una forma objetiva y real. No debemos de perder de vista que la
mejor y la más barata publicidad es la que nos realiza nuestros propios clientes
cuando quedan satisfechos por el rendimiento y la calidad de la adquisición
realizada, por dicho motivo, recomendamos al lector de este manual, que lo lea
cuidadosamente y pregunte las dudas que le pudieran surgir. Vamos a tratar el
tema de una forma sencilla y sin entrar sin tecnicismos, los conceptos teóricos
y algunas reglas básicas para poder formarse una criterio sobre la OSMOSIS
INVERSA.
La gran ventaja de la osmosis inversa de otras tecnologías es a un coste
constante podemos retirar el 95% de las sales que a él llegan, aunque las
aguas sean totalmente salobres, igualmente elimina prácticamente el 100% de
los virus y bacterias que se encuentran el agua de alimentación.
Evidentemente, el primer cálculo para instalación de una osmosis inversa, y en
este caso más que nunca, será obtener un ANALISIS DE AGUA COMPLETO.
También será fundamental determinar claramente el uso que se le va a dar a
éste agua.
Es más fácil procesar agua de cultivos, que pueden tolerar hasta 1200 mg/l de
sólidos disueltos que procesan agua ultrapura para calderas o para la industria
de microelectrónica. Evidentemente, si parte del consumo va a ir destinado al
consumo de agua potable, esto requiere precauciones adicionales como la
cloración previa si esta no existe, la esterilización con UV o ozonización.
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PRINCIPIOS DE LA OSMOSIS INVERSA.
OSMOSIS NATURAL O DIRECTA.
La osmosis es un proceso natural que tienen lugar en todas las células vivas, y
que permite obtener agua relativamente pura a partir del agua del medio
natural, por la difusión y paso de las membranas de las células de carácter
SEMIPERMEABLE (solamente pasa el agua de zonas de baja concentración
en sales, el exterior de la célula, a zona de alta concentración, el interior de la
célula), en resumen, puede resumirse por el fenómeno por el cual el disolvente,
agua, en este caso, de una disolución diluida, pasa a través de una membrana
permeable sólo el disolvente, y que no permite el paso de los solutos a su
través. El proceso de paso de agua a través de esta membrana semipermeable
continua hasta el punto de equilibrio, intentando igualar las concentraciones de
solutos a ambos lados de la membrana.
MEMBRANAS SEMIPERMEABLES.
Se da el nombre de membrana semipermeable a cualquier membrana ya sea
vegetal, animal o sintética, que deja pasar con más facilidad el agua que las
sales contenidas en una disolución.
Un ejemplo de la osmosis natural, es el hecho de como las plantas extraen el
agua pura contenida en el suelo a través de las raíces, para diluir la alta
concentración de sabia, que se va concentrando constantemente por la
evaporación de agua por las hojas.
En todos los procesos de osmosis natural el agua pura obtenida, se convierte
en una disolución concentrada de sales y azúcares que conforman los fluidos
vitales de los seres vivos.
Este fenómeno realizado en la naturaleza, se puede reproducir en laboratorio,
mediante el empleo de un tubo en forma de U y en cuya rama horizontal y a
manera de pared divisoria, hemos colocado la membrana semipermeable como
puede ser la piel de una patata (Fig. 1), llenamos las dos ramas verticales
hasta el mismo nivel, una con agua salobre y otra con agua pura. Al cabo de
unos minutos observaremos que el agua fluye de la zona de agua pura a la
zona de agua salobre, ya que observaremos una diferencia de nivel
hidroestático entre las dos ramas del tubo y cuya fuerza impulsora esta
causada por la diferencia de concentraciones.
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OSMOSIS INVERSA.
Tal como hemos visto en la osmosis directa, a partir de agua pura obtenemos
agua que se contamina o concentra en la OSMOSIS INVERSA. Tal como su
nombre indica es el proceso desarrollado por el hombre, por el que tendemos a
invertir la osmosis directa para obtener agua pura, partiendo de agua
contaminada o salobre.
Este proceso se realiza aplicando una presión exterior hidráulica al agua con
mayor concentración de sales, de tal manera que creamos una corriente
inversa de agua pura a través de la membrana semipermeable (Fig. 2). La
velocidad a la que se difunde el agua pura a través de la membrana dependerá
de la presión HIDRAULICA APLIACADA.
La difusión a través de la membrana, únicamente tiene lugar para el agua y no
para las sales, por lo que dejará todos sus contaminantes esta purificación de
agua es lo que denominamos OSMOSIS INVERSA.
PRINCIPIOS TEORICOS DE LA OSMOSIS INVERSA.
Sin el tubo que hemos visto en la figura 1, tiramos agua pura en el ramal que
hemos llenado con agua salobre, llegaremos a alcanzar un nivel en el cual no
se produce difusión a través de la membrana, con lo que el sistema queda en
equilibrio, no se produce caudal de agua pura ni en inverso ni en directo.
Definiremos la presión osmótica de la solución mas concentradas como la
presión hidráulica ejercida por la columna líquida cuya altura es la diferencia de
niveles entre los dos ramales del tubo en U.
6 = H2 – H1
La presión osmótica se designa por la letra griega pi, i depende entre otros
factores de la concentración de la misma de tal manera que a mayor
concentración mayor presión osmótica tendremos. A modo de calculo rápido,
sólo como regla mnemotecnia, se puede tomar la presión osmótica como
6 (en psi) = TDS / 100
6(en kg/cm2) = TDS / 1470
PRESION NETA DE TRABAJO.
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Sin el tubo de la figura 3, una vez estabilizado el sistema, queremos hacer que
se produzca el paso inverso a través de la membrana de la solución más
concentrada a la más diluida, deberemos aplicar una presión exterior superior a
la solución concentrada a la de su presión osmótica. La presión neta de trabajo
la definiremos como la diferencia existente entre la presión exterior total
aplicada menos la presión osmótica de la solución.
Pn = Pt - 6
Presión neta de trabajo
Fig. 4.
Si trasladamos todos los conceptos definidos hasta ahora, a una instalación
real de osmosis inversa, la presión exterior total se obtiene por el bombeo del
agua salobre y llevándola por tuberías adecuadas, hasta llevarlas a la
membrana y allí hacerlas pasar a través de ellas. En todo este proceso existen
unas pérdidas de presión por la fricción del agua con las tuberías, por la
configuración hidráulica de las membranas y por la contrapresión propia que
ejerce cada membrana, por lo tanto la presión neta real, vendrá dada por la
siguiente fórmula:
Pn real = Pt. (6 + Dp)
Dp = pérdida total de presión del sistema
Dado que el % de la concentración está en función de la concentración
molecular de lo elementos disociados y el grado de disociación en equilibrio, la
presión osmótica es una característica de la disolución y aumenta conforme lo
hace ésta como lo hemos dicho antes.
Así por ejemplo, ensayos de laboratorio nos han permitido establecer,
tomando, como base una disolución acuosa de cloruro sódica, la presión
osmótica aumenta, teóricamente 0,7 bares por g/l de salinidad. Por su parte las
moléculas orgánicas de bajo peso molecular, originan disoluciones con
presiones osmóticas menores, del orden de 0,07 bar/g/l. En la siguiente tabla
vamos a ver diferentes presiones osmóticas en función de diversas
disoluciones y su concentración.
Disolución acuosa
Cloruro de sodio
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Concentración mg/l
35.000
Presión osmótica bar.
27,86
Cloruro sódico
Sulfato de sodio
Sulfato de magnesio
Bicarbonato de sodio
Cloruro de calcio
Cloruro de magnesio
Sacarosa
Dextrosa
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
1.000
0,79
0,42
0,25
0,89
0,58
0,67
0,0725
0,13976
Varias teorías han intentado explicar el fenómeno por el cual el agua se separa
de las sales minerales en la membrana algunos autores suponen una
adsorción negativa de las sales disueltas en el agua por la pared
semipermeable de la membrana lo que lleva a la existencia de una lamina de
agua pura de espesor muy fino. En este supuesto el agua atravesaría la
membrana por los poros cuyo diámetro fuese del orden del espesor de la
lamina de agua pura. Otros autores sostienen que se rige mediante un modelo
de difusión o por repulsión entre iones próximos.
PRODUCTIVIDAD DE LAS MEMBRANAS.
Hasta ahora hemos visto como se efectúa el proceso de la osmosis inversa
pero no hemos hablado del caudal de agua que se puede obtener por dicho
proceso.
Tal como hemos explicado en el apartado anterior, el flujo de agua depende de
la presión neta pero hay otro factor que hasta ahora no hemos considerado
pero también influye EL ÁREA DE LA MEMBRANA. A mayor área obtendremos
mayor producción de agua a la misma presión neta.
A partir de ahora tendremos en cuenta diversos factores para diseñar una
osmosis inversa:
-
La presión osmótica de la presión a tratar, ya que cuanto mayor esta sea,
mayor será la presión a aplicar para obtener una misma producción.
La presión neta real aplicada, pues cuanto mayor sea esta presión mayor
será el paso de agua a través de la membrana.
El área de las membranas ya que si aumentamos el área con una misma
presión.
Todo lo anteriormente expuesto lo expresaremos por las siguientes
ecuaciones:
Qp = A . S. Pn
Qp = A . S . (Pt - 6 - Dp)
Lo cual nos dice que el caudal de producto de agua depurada esta en función
directa de la superficie de la membrana de la presión neta y de un factor que
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denominaremos
CONSTANTE
DE
PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA. Posteriormente entraremos con mayor
detalle en la productividad de la membrana y en los factores que le afectan, ya
que es necesario definir otros conceptos y definir como son las membranas en
la practica.
LA OSMOSIS INVERSA EN LA PRACTICA.
Tal como hemos indicado anteriormente, al producirse la osmosis inversa, las
sales contenidas son retenidas por la membrana. Si consideramos la OI como
un filtro este se colmataria muy rápidamente si no efectuaremos una purga
continuada de los elementos contenidos, en la practica la OI deja pasar
solamente el agua pura y las sales concentradas son arrastradas por un caudal
continuo de aguas denominado CONCENTRADO O RECHAZO, a la vez que a
l agua pura obtenida se le denomina permeada. Es por lo tanto un proceso
continuo de separación o concentración y como tal puede emplearse
dependiendo del liquido que nos interesa recuperar ya sea el permeado o el
concentrado.
En el caso de tratamientos de agua, el fluido que nos interesa recuperar es el
permeado y, o utilizamos para la eliminación entre el 80 y el 99% de las sales
disueltas y el 99,99 % de bacterias y virus, con lo cual logramos la desalacion y
potabilización de aguas salobres y marinas.
Un tratamiento donde la OI actúa como concentrador y nos interesa obtener el
concentrado es en la concentración de zumos de frutas ya que al ser un
proceso físico-mecánico no se destruyen los aromas cosa que ocurre con
tratamientos térmicos.
MEMBRANAS Y MODULOS DE OSMOSIS INVERSA.
Como deducción de todo lo que hemos visto hasta ahora, es lógico pensar que
la parte fundamental de una instalación de hoy son la membranas.
Los avances de la tecnología a logrado membranas de permeabilidad
controlada, lo cual permite la separación de moléculas de peso molecular muy
próximos, uno de los primeros materiales empleados fueron acetato de
celulosa (CA) muy poco utilizado actualmente ya que se han encontrado
materiales mucho más resistentes como son las poliamidas, (PA). En el grupo
de las poliamidas, las que han tenido mas éxito son las denominadas TFC
(Thin Film Composite) o de película delgada la cual se fabrica en forma de
sabana mediante la unión química de enlaces cruzados de la poliamida
depositada sobre un soporte de polisulfona, es importante que todas las
membranas denominadas como TFC se fabrican como lo anteriormente
descrito, ya que muchos fabricantes se limitan a pegar la membrana sobre el
soporte no ofreciendo las mismas garantías. La capa semipermeable oscila
entre una anchura de 0,25 a 0,5 micras.
Los materiales de fabricación de las membranas se resumen en los siguientes:
Diacetato de celulosa.
Diacetato de celulosa
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Blend (membranas compuestas).
Poliamida.
Thin Film Composite.
Las membranas se encuentran en el mercado en diferentes configuraciones y
se montan dentro de contenedores normalmente cilíndricos denominados
PORTA MEMBRANAS, diseñados mecánicamente para resistir presiones de
trabajo y ser químicamente resistentes a las aguas a tratar, el rango de las
presiones utilizadas es muy variable dependiendo de las aplicaciones:
-
Uso domestico o pequeños equipos de 3 a 8 kg/cm2.
Aguas de salinidad media de 8 a 21 kg/cm2.
Aguas salobres de 21 a 40 kg/cm2
Agua de mar de 50 a 78 kg/cm2.
Los materiales de construcción empleados son normalmente PVC o polietileno
de alta densidad para presiones inferiores a 8 kg. y para presiones superiores
acero inoxidable y poliester reforzado con fibra de vidrio.
Al conjunto de la membrana y el portamembrana se le denomina MODULO DE
OSMISIS INVERSA y como máxima contiene 6 membranas. Lógicamente cada
modulo tendrá una entrada de agua de alimentación y dos salidas una para
permeado y otra para rechazo.
CONFIGURACIONES
MEMBRANAS TUBULARES.
Como su nombre indica consisten en tubos de 1,5 a 3 metros de longitud y de
1/2 pulgada a 1, cuya pared exterior es la membrana y se montan
concéntricamente un tubo dentro del otro recogiéndose el producto en la pared
exterior de la membrana o bien por pequeños orificios practicados en la pared
de l contenedor por los cuales gotea el producto. Actualmente esta en desuso
en el tratamiento de aguas por su escasa superficie y productividad
utilizándose sobretodo en la industria alimentaria ya que permite la circulación
de líquidos muy cargados y se limpian con gran facilidad.
MEMBRANAS PLANAS.
Generalmente de formato cuadrado, rectangular o circular que se montan sobre
bastidores os cuales se agrupan de la misma forma que las placas en un filtro
prensa.
El agua de rechazo y permeado salen por unos pequeños tubos desmontables
lateralmente y si unimos esto a que las placas son separables entre si tenemos
un sistema perfectamente lavable, esto hace que su utilidad se de
fundamentalmente en la industria farmacéutica y alimentaria ya que son
perfectamente esterilizables y permite recuperar fluidos a tratar como los
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productos generalmente muy valiosos. No se
suelen utilizar en el tratamiento de aguas.
MEMBRANAS DE FIBRA HUECA.
Están constituidos por millones de capilares huecos , como cabellos, cuyos
extremos se insertan en un soporte de resina epoxi. El agua de alimentación
circula por el exterior de las fibras mientras que el agua de permeado se recoge
en el interior del capilar vertiendo en una cámara de recogida. Generalmente
operan a una presión de 28 kg./cm2 y se comercializan en diámetros de 4 y 8
pulgadas con longitudes de 20 y 40”.
Tiene la ventaja de tener una mayor productividad por su gran área en poco
espacio ocupado, pero presentan unos problemas serios de ensuciamiento y
un elevado costo de reposición. Hace unos años era el tipo que predominaba y
a quedado relevada prácticamente a la desalinización del agua de mar.
MEMBRANAS ESPIRALES.
Son las mas utilizadas en el tratamiento del agua. Consisten en membranas
dobladas en forma de sobre y en cuyo interior se coloca un material espaciador
que forma el canal de alimentación. Sobre las membranas se dispone un tejido
poroso que actúa como canal del producto, todo este conjunto se enrolla sobre
un tubo perforado de PVC que actúa como colector final, se fabrican en
diámetros de 1.5, 1.8, 2, 2.5, 4 y 8 “ y en longitudes de 12, 14, 21 y 40”,
presentan una productividad que las de fibra hueca, pero esta desventaja
queda ampliamente compensada por las siguientes ventajas:
-
Mucho más económicas.
Muy resistentes al ensuciamiento lo que permite trabajar con aguas más
cargadas.
Fácil reposición.
Mayor facilidad y efectividad de lavado.
Mejor control de la calidad de fabricación.
RESISTENCIA QUIMICA Y BACTERIOLOGICA.
pH.
La poliamida es estable en pH entre 3 y 12 pudiendo resistir durante 30 min. pH
comprendidos entre 1 y 13.
El acetato esta sometido al fenómeno de la hidrólisis y su gama de trabajo de
pH es entre 5 y 8, siendo el pH óptimo 5,5 durante periodos cortos puede
trabajar entre 4 y 9.
OXIDANTES.
Las membranas de poliamida son muy sensibles a los oxidantes por lo que
tienen que trabajar en aguas decloradas ya que cloro superiores a 0,1 ppm
destruye rápidamente la membrana.
El acetato resiste la acción de los oxidantes, pudiendo soportar cantidades de
cloro libre de hasta 2 ppm.
ATAQUE BACTERIANO.
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Las membranas de poliamida no son atacadas por las bacterias, mientras que
las de acetato son fácilmente atacada por ellas.
TEMPERATURA.
El acetato trabaja entre 4 y 40 ºC, mientras que la poliamida y el TFC pueden
llegar hasta 50 y 70 ºC respectivamente.
RESISTENCIA QUIMICA.
La poliamida y el TFC tienen buena resistencia a detergentes y disolventes de
lavado siendo un poco más delicados el TFC, utilizando los recomendado por
el fabricante. El acetato de celulosa tiene una buena resistencia a los
detergentes pero muy mala a los disolventes.
CONCEPTOS A TENER EN CUENTA EN UNA PLANTA DE OI.
En muchos casos os habrá llegado a los oídos que instalaciones compradas
por usuarios a profesionales con falta de experiencia, hacen que al poco tiempo
de entrar en funcionamiento bajen su rendimiento rápidamente o empeoren la
calidad del permeado. Normalmente para la realización de una instalación
concreta la propiedad pide varios presupuestos a varios especialistas y cada
uno oferta instalaciones muy diferentes con precios muy dispares. Muy
frecuentemente se eligen las instalaciones de menor costo, puesto que todos
los ofertantes garantizan los resultados, cosa no cierta ya que no nos
encontraríamos con los casos explicados anteriormente. Al preguntarse el
porque de esta incongruencia, la respuesta normalmente dada es que existen
múltiples factores que invalidan la garantía dada a las membranas y que
fácilmente son imputables al usuario, las explicaciones posteriores tienen
finalidad dar solución al mayor número de estos factores y dar una idea de la
complejidad que puede tener el diseño de una instalación por pequeño que
este sea.
TEMPERATURA.
Es un factor importantísimo ya que afecta a la productividad de las membranas
a su degradación física y química al mismo tiempo que afecta a la solubilidad
de determinadas sales. La temperatura y al presión afectan a determinadas
propiedades del agua y en particular a su viscosidad.
Esta determina una mayor o menor facilidad de fluir y permear a través de las
membranas. Cuanto mayor sea la temperatura de diseño mayor la temperatura
de membranas.
La presión de operación disminuye un 4% por cada ºC que aumenta la
temperatura y viceversa.
CORRECION DE LA PRODUCTIVIDAD POR TEMPERATURA
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Se define el coeficiente corrector por
temperatura como el coeficiente de la productividad a la temperatura de
trabajo y la productividad a 25º manteniéndose constantes las otras
variables. Para temperaturas mayores de 25º se aplicará la formula :
TCF = PT/P 25ºC = 1’03(T-25)
Para temperaturas menores de 20º y
kgs./cm2 utilizaremos la formula :
presiones menores de 23
TCF = 0’35 + (0’26 x T)
En la tabla siguiente se dan los TFC para las siguientes temperaturas :
ºC
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
TCF
1
0’96
0’925
0’9
0’86
0’84
0’8
0’775
0’746
0’719
0’680
ºC
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
TCF
0’64
0’62
0’59
0’56
0’529
0’5
0’473
0’45
0’42
0’38
0’34
La temperatura excesiva puede ocasionar daños a la membrana. Todas
las membranas sufren el fenómeno conocido como compactación el cual
esta influenciado por la temperatura y presión y consiste en la
compactación de los lechos porosos soporte de la membrana, los cuales
van disminuyendo el tamaño de poros causando una disminución de
flujo de permeado.
AREA DE LA MEMBRANA INSTALADA
La superficie de la membrana instalada para la obtención de una determinada
producción es el factor fundamental para diseñar una instalación, este factor se
conoce como GPD e indica la cantidad de agua permeada en galones que
pasa por cada pie cuadrado de membrana. El único hecho real demostrado es
que si se aumenta los GPD de una instalación por aumento de temperatura o
por aumento de presión de trabajo, la vida de las membranas disminuye y
necesitan limpiezas mucho más frecuente. Los valores GPD son los siguientes
:
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Agua residual
326 – 407 litros/m2/día
Agua de mar
10 – 20
Agua salobre de superficie
20
Agua salobre de pozo
20 – 25
Agua ultrafiltrada
25 – 30
Agua osmotizada
30 –35
8 – 10
407 – 814
814
814 – 1017
1017 – 1221
1221- 1424
Es muy útil conocer el GPD de una instalación y para su calculo basta dividir
los galones por día por el área total de membrana instalada en pie cuadrado.
Algunos ejemplos son los siguientes :
Membrana 2’5 x 21
Membrana 2’5 x 40
Membrana 40 40
Membrana 8 40
12 FT2
26 FT2
80 FT2
330 FT2
1’11 m2
2.41 m2
7’42 m2
30’6 m2
Por ejemplo en una instalación cuya producción es de 60 m3/día y que
dispongamos de 12 membranas del tipo 4 40 el GPD será :
Producción en galones = 60 x 1000 x 0’264 = 15.873 galones por día.
Area de la membrana = 12 x 80 = 960 FT2
GPD = 15873 / 960 = 16’5 instalación sin problemas.
Si sobrepasamos el GPD de diseño es como si un automóvil funcionará a tope
de su potencia por lo tanto su vida media será mucho más corta. En el ejemplo
anterior si aumentáramos la presión de 18 kg. A 36 kg. En vez de producir 60
m3/día produciríamos 120, pero su GPD se doblaría hasta el valor de 33, con lo
cual tendríamos que lavar muy a menudo la membrana ya que el
ensuciamiento de la misma no guarda relación directa sino que es exponencial.
Al realizar muchísimos más lavados acortaremos la vida de la membrana y si
no lo realizamos el flujo de permeado puede caer muy rápidamente.
RECUPERACION O PORCENTAJE DE CONVERSION
Se define la recuperación de una instalación como el porcentaje del agua de
alimentación que se obtiene como producto.
Recuperación = Permeado / alimentación x 100 = QP/QA x 100 = RC
El rechazo lo definiremos como QA – QP. Si cerráramos la válvula de rechazo
tendríamos una planta que trabajaría al 100% de recuperación, pero todas las
sales se quedarían en la membrana y rápidamente se deterioraría. Es
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necesario pues realizar esa purga o rechazo.
Al igual que el GPD depende del agua a tratar , así tenemos las siguientes
recomendaciones :
Agua de mar
10%
Aguas negras y residuales 10%
Aguas salobres superficiales 15%
Aguas superficiales descalcificadas 17%
Agua de pozo descalcificada 19%
Aguas ultrafiltradas 25%
Aguas osmotizadas 40%
Esto por membrana.
Ya que la osmosis inversa es también un proceso concentrador de sales es
importante que no se alcance el limite de solubilidad de las mismas, sino
precipitarían sobre la membrana. El riesgo de precipitación va en aumento
cuando mayor sea el factor de recuperación. El factor de concentración a
aplicar al agua de alimentación se calcula por la siguiente formula :
FC = 1/1-RC
RC igual a recuperación
En la tabla siguiente se da la concentración en el rechazo designada por CC,
suponiendo que la concentración de alimentación sea CA.
RECUPERACION
CC
33%
41%
50%
67%
75%
80%
88%
90%
95%
1’5 CA
1’7 Ca
2 CA
3 CA
4 CA
5 CA
8 CA
10 CA
10 CA
Como ejemplo una agua alimentada con 2000 ppm trabajando a 75% de
recuperación el TDS del rechazo será de 8000 ppm.
DISPOSICION DE LOS MODULOS
Hay que hacer una distinción importante entre la recuperación de trabajo de
cada membrana que es lo que hemos visto anteriormente, y la recuperación
total de la instalación, ya que puede ser muy diferentes de acuerdo con el
numero de membranas instaladas.
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En la practica, para poder trabajar en
concentraciones comprendidas entre el 30 – 90% se hace necesario colocar los
módulos de membranas en varios pasos o etapas y en diferentes disposiciones
serie paralelo. Como la recuperación media de una membrana es del 15% y la
disposición máxima en un mismo contenedor es de 6 membranas en serie la
recuperación máxima de cada contenedor equipada con diferentes números de
membrana es la siguiente :
Nº de membranas en serie
6
AGUA DE MAR
AGUA SALOBRE
16
17
1
2
3
4
5
30
29
35
38
38
44
40
49
45
55
En la practica para trabajar a una recuperación del 25% se dispone de una
etapa hasta el 75% en dos etapas en relación 2 a 1 y hasta el 90% en tres
etapas 4, 2, 1.
Lo anteriormente expuesto se puede resumir diciendo que para poder trabajar
a una recuperación elevada hay que instalar el numero suficiente de
membranas y en la disposición correcta.
CONCENTRACION DE POLIRIZACION
Sobre la superficie de la membrana, siempre se crea una tapa con altas
concentraciones de sales que no se elimina correctamente por el arrastre de la
corriente que circula y que puede producir precipitación de sales. Esta
concentración es más elevada cuanto mayor sea la recuperación en la
membrana. La concentración de polarización viene expresada por la formula :
PP = e07 x RE
Indicaremos algunos valores de concentración de polarización para distintos
valores de recuperación :
Recuperación
Concentración de polarización
5%
10%
15%
20%
25%
30%
40%
50%
1’035
1’072
1’110
1’150
1’191
1’233
1’323
1’420
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Al disponer los módulos en etapas lo que
logramos es trabajar a un alto flujo y bajar recuperación por membrana, por lo
que la concentración de sales disminuye. Normalmente en el diseño de las
instalaciones se tiende a no sobrepasar el CP por encima de 1’1.
CAUDAL MINIMO DE RECHAZO
El caudal mínimo de rechazo de una membrana debe ser tal que el agua
circule por su interior creando turbulencias y no será inferior al recomendado,
ya que en caso contrario el régimen de circulación puede convertirse en
laminar con lo que se incrementa el riesgo de ensuciamiento y polarización
CAUDAL MINIMO DE RECHAZO
Membrana 2’5 x 21
Membrana 25 x 40
Membrana 4 x 40
Membrana 8 x 40
400 l/h
400 l/h
900 l/h
4500 l/h
SALINIDAD PROMEDIO EN EL INTERIOR DE LA MEMBRANA
La salinidad en el interior de la membrana no es la de la alimentación ni la de
salida de concentrado, ya que a lo largo de la membrana el flujo de
alimentación va disminuyendo conforme se va produciendo permeado. Esta
concentración está influenciada por la recuperación la salinidad de agua de
alimentación y el numero de orden que ocupe la membrana dentro de un
mismo tubo.
Sirva como ejemplo, una instalación constituido por 6 elementos y trabajando a
una recuperación al 50%, alimentada con agua de 4000 ppm. La primera será
la única que estará expuesta ha esta concentración, las demás recibirán
concentraciones cada vez mayores hasta que la salida de la ultima presentara
una concentración de 8000 ppm. La salinidad promedio será de 6000 ppm.
Dado que la concentración de sales en el interior de la membrana, determina
la presión osmótica, y esta a su vez la presión de trabajo, cuanto mayor
concentración mayor presión de operación requeriremos.
PROCEDIMIENTOS PARA AUMENTAR LA RECUPERACION
El hecho de que para aumentar la recuperación tengamos que poner muchas
membranas solas se cumple en instalaciones grandes. Por lo tanto en
instalaciones pequeñas para aumentar la recuperación sin aumentar el numero
de membranas, recurrimos a lo que denominamos RECIRCULACION. Pero ello
presenta una serie de factores limitantes, en principio necesitamos mayor
caudal de bombeo de caudal a la membrana, mayor presión osmótica del agua
a tratar y mayor fuga de sales en el permeado, o sea peor calidad de agua
producto.
PASO DE SALES
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No existe una membrana perfecta que elimine
el 100% de las sales. Las membranas actuales rechazan entre el 90 – 99’8 de
estas sales.
RECHAZO DE SALES
El rechazo de sales es el inverso del paso de las sales. A continuación se dan
los valores de rechazo de los iones presentes en el agua para membranas de
poliamida :
Sodio 98%
Calcio 99%
Magnesio 98%
Potasio 98%
Cloruro 98%
Bicarbonato 98%
Sulfatos 99%
Nitratos 92%
TEORIA DE LA OSMOSIS APLICADA A LA PRACTICA
En instalaciones correctamente diseñas tienen en cuenta los factores
anteriormente descritos y se calculan para producir el caudal y la calidad
diseñadas a tres años de su instalación. A título de resumen indicaremos las
reglas y conceptos más importantes que afectaran a su diseño y a su manejo.
-
-
A mayor temperatura de diseño más flujo de permeado y menor calidad.
Diseñar a temperaturas muy elevadas puede acortar la vida de las
membranas.
Cada membrana tiene una producción determinada, la cual no se debe
sobrepasar.
No se debe sobrepasar nunca los GPD de diseño de las membranas,
haciendolas trabajar a mayor presión.
Doblar el GPD a corta su vida en el orden de 4 veces.
Trabajar a recuperaciones altas, repercute la precipitación de sales
haciendo que se laven más frecuentemente y acortando la vida de las
membranas.
La recuperación de cada elemento no debe ser superior a la de diseño.
Si se trabaja a recuperación alta hay que instalar el numero adecuado de
membranas dispuestas en etapas, y el caudal de salida del ultimo elemento
de cada etapa no debe ser inferior al mínimo recomendado.
La calidad de permeado empeora con el aumento de la recuperación.
PRETRATAMIENTO EN LA O.I.
El pretratamiento es la instalación de los procesos químicos y físicos que
deben sufrir el agua de alimentación de las membranas, al objeto de obtener el
máximo rendimiento de las mismas.
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Un análisis muy detallado y reiterativo es muy
importante para el diseño de una planta.
Tenemos que determinar :
-
Muestreo : si hay variaciones importantes hay que recoger varias muestras
y en épocas diferentes
Origen : hay que señalar si el agua es de pozo o superficial
Temperatura : hay que indicar cual es la temperatura media de la planta, la
temperatura mínima a la que trabajara, la temperatura máxima y la
temperatura de diseño.
Cloración : es preciso saber si el agua de alimentación lleva cloro
Dureza : determinara si el agua tiene un carácter incrustante para las
membranas
Alcalinidad total : expresa el contenido de carbonatos, bicarbonatos e
hidróxidos y nos dará una idea también de su poder incrustante.
Sulfatos : el sulfato de calcio y magnesio normalmente determina la máxima
recuperación del equipo, ya que sus precipitados son muy difíciles de
determinar.
Conductividad : nos da una idea razonable de la salinidad del agua a tratar.
PRECIPITACION DE SALES
Las sales más frecuentes que se precipitan son las de carbonato cálcico,
sulfato cálcico y sílice.
Tendremos que poseer un agua con índice de Langhelier negativo o con un
índice de Reiznar no incrustante para evitar la precipitación de sales sobre las
membranas.
Normalmente en instalaciones pequeñas se realiza una descalcificación previa
por intercambio iónico, eliminando los cationes alcalinoterreos susceptibles de
precipitar.
En instalaciones mayores para bajar el índice de Langhelier y evitar la
incrustación se puede disminuir el pH mediante la dosificación de un producto
ácido normalmente el ácido clorhídrico ya que el sulfúrico incrementara el nivel
de sulfatos.
En otros casos se realiza la dosificación de secuestrantes y dispersantes que
forman complejos con la cal retardando su precipitación como los poliacrilatos.
Siempre que se produzca la dosificación de inhibidores se deberá dotar la
instalación con un sistema automático de membranas denominado FLUSHING
que actúa cuando la instalación para al objeto de desplazar el agua
concentrada que está en contacto con las membranas.
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La sílice se haya presente en aguas antiguas o
fósiles y es el enemigo numero uno junto con sulfatos para la osmosis, ya que
forma depósitos gelatinosos en las ultimas membranas. Esta se presenta en
dos formas :
-
sílice coloidal que afecta poco a las membranas espirales.
Sílice reactiva que en soluciones super saturadas puede polimerizar en gel
de sílice insoluble.
Estudios exhaustivos indican que en ausencia de óxidos metálicos podemos
trabajar hasta 150 ppm de sílice en el rechazo, para evitar su precipitación
podemos aumentar la temperatura ya que aumenta su solubilidad o aumentar
el pH hasta 8, pero en este caso pueden precipitar los carbonatos.
El hierro y otros metales presentes en el agua como hierro disuelto da
problemas a las membranas.
Hay que tratar el agua para eliminar el hierro y lo realizaremos mediante los
tratamientos explicados en capítulos anteriores. También tendremos que
eliminar todos los oxidantes ya que afectan muy negativamente a las
membranas por lo que si el agua lleva cloro se procederá a la decloración
previa de la misma. Esta la realizaremos por filtro de carbón activo en
instalaciones pequeñas y medianas y por dosificación de un reductor que
normalmente es el de bisulfito sódico, el cual reacción con el cloro formando
ácido clorhídrico y bisulfato sódico, lo que provoca una disminución del pH del
agua.
La dosis practica de 3 gr. De bisulfito por cada gramo de cloro. La dosificación
de bisulfito exige emplear un sistema de medición de cloro, para el caso de
producirse un fallo en la dosificación se pare automáticamente el equipo y no
se oxiden las membranas.
ENSUCIAMIENTO POR MATERIAL EN SUSPENSION
Otro punto muy importante es controlar la turbidez del agua, ya que es mucho
más barato utilizar filtros que hacer utilizas las membranas como filtros. Si hay
mucha materia en suspensión previamente se realizará una prefiltración en un
filtro dual y posteriormente una filtración por cartucho no superior a 5 micras.
En caso de que aparezca materia coloidal se tendrán que realizar procesos de
coagulación y posterior filtración o colocar tras el filtro dual filtros de diatomeas.
También se puede producir el ensuciamiento por materia orgánica por lo que si
detectamos un elevado índice de ésta, se tendrá que realizar una cloración
previa de 0’5 a 1 mg/l y posteriormente realizar una decloración como hemos
explicado anteriormente.
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También se puede producir una contaminación
por microorganismos que en el acetato produciría su deterioro y en la poliamida
pueden producir atascos siendo necesaria su limpieza.
LIMPIEZA DE MEMBRANAS
Durante la operación normal las membranas se van ensuciando ya sean por
precipitaciones salinas, materia coloidal, contaminación bacteriológica, etc. Por
lo que periódicamente habrá que recurrir a limpiezas químicas de las mismas.
Sin embargo se debe considerar la norma de que sean las mínimas posibles,
porque dichas limpiezas siempre producen el deterioro de las membranas.
También es muy importante realizar en todos los proyectos y presupuestos un
estudio sobre el coste de m3 de agua tratada, ya que muchas veces el cliente
es desconocedor de que la inversión se recupera rápidamente.
APLICACIONES DE LA OSMOSIS INVERSA
Producción de agua ultra pura para calderas de alta presión.
Osmosis como pretratamiento para intercambio ionizo
Para producción de agua ultra pura para circuitos.
Producción de agua pura para pintura electroforetica
Para fabricación de productos cosméticos
Para fabricación de productos farmacéuticos
Para fabricación de hielo
Para elaboración de cerveza
Para elaboración de refrescos
Producción de agua para riego
Para potabilización de agua de mar
Para producción de escarchados y glaseados en la industria del pescado
Para salinización y potabilización de agua de mar
Para potabilizaron de agua de consumo humano
Instalaciones domesticas para conseguir agua de alta calidad
Y otras muchas más que no describiremos aquí y que irán surgiendo.
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osmosis inversa.

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