Fundamentos: Ósmosis Inversa

Fundamentos: Ósmosis Inversa
Por Ryan Lessing
E
equipo en el sistema de pre-tratamiento, y éste sirve además de
l uso de sistemas de ósmosis inversa en la industria de
protección para otras tecnologías de pre-tratamiento en las que
acondicionamiento del agua sigue aumentando. A medida
hay sedimentos presentes. Idealmente, el método de control de
que aumenta el número de sistemas en servicio, es
sedimento deberá ser seleccionado para asegurar un valor del
importante que los profesionales de la industria de calidad del
índice de densidad de cieno (SDI, en inglés) de tres o menos.
agua expandan sus conocimientos sobre esta tecnología. Este
SDI se discute más adelante bajo el encabezado de tasas de
artículo introductorio está escrito para ayudar a los profesionales
flujo. De no ser abordado, los valores de SDI mayores de tres
de este oficio a familiarizarse más con los sistemas de ósmosis
pueden causar la saturación prematura de la membrana. El
inversa que utilizan una bomba de alimentación para distribuir
sistema de ósmosis inversa tiene que ser cerrado cuando el
una presión de alimentación de 130- a 200-psi a las membranas.
filtro de sedimento es retrolavado para que el sedimento o altos
Aunque parte de esta información es pertinente para los sistemas
valores de SDI no estén presentes en el agua de alimentación
residenciales que se colocan debajo de encimeras, la intención
de ósmosis inversa.
de este artículo consiste en cubrir el tema de los sistemas de tipo
comercial/para todo el hogar, en aplicaciones de agua citadina.
Decloración
Los suministros de agua privada, no regulada pueden contener
Habitualmente se lleva a cabo utilizando carbón activado
otras impurezas, tales como altos niveles de orgánicos, hierro,
a una tasa de 3.7 gpm (galones por minuto) por pie cúbico de
manganeso, sulfuro de hidrógeno, y otros constituyentes que
caudal de servicio de carbón. El filtro de carbón deberá ser de
pueden afectar el rendimiento y duración de las membranas de
un tamaño adecuado para satisfacer la demanda de caudal
ósmosis inversa, pero no se discuten en este artículo.
de alimentación del sistema de ósmosis inversa, no la tasa de
La ósmosis inversa es un proceso en el que el agua es
permeado ni el número de galones por día que el sistema está
alimentada a una membrana semi-permeable. En la superficie de
clasificado para producir, ya que estos son dos caudales muy
la membrana, el agua es separada de su contenido de minerales
distintos. El caudal de alimentación siempre será mayor que el
disueltos totales. En este punto del proceso, el agua purificada, al
caudal del permeado. El carbón activado también reduce los
pasar por la membrana, es capturada y se convierte en agua de
orgánicos; sin embargo, se requieren caudales bastante menores
permeado (también conocida como agua de producto) y el agua
para lograr la reducción orgánica. La ósmosis inversa tiene que
residual es enviada al drenaje (véase el Ejemplo 1).
ser cerrada cuando el filtro de carbón es retrolavado para que
Los sólidos disueltos totales (SDTs) que se encuentran
a menudo en el agua, consisten principalmente de
Ejemplo 1. Diagrama de flujo básico de una membrana
cationes de calcio, magnesio, sodio, y potasio, además
de aniones de cloruro, sulfato, silicato y bicarbonato.
También presentes en el agua se encuentran cantidades
pequeñas de materia orgánica, suciedad, arcilla, cieno,
partículas minerales y microbios, además de múltiples
cationes y aniones traza. Estos constituyentes traza
pueden ser: hierro, estroncio, bario, nitrato, plomo, cobre,
fluoruro, manganeso…la lista sigue extendiéndose.
Un análisis minucioso del agua es el mejor comienzo
de un proyecto de ósmosis inversa y además sirve de
herramienta útil para diagnosticar problemas con los sistemas
el agua clorada no dañe las membranas de ósmosis inversa. La
que se encuentran actualmente en funcionamiento. Ayuda a
inyección química de metabisulfito de sodio puede ser también
asegurar que el pretratamiento sea seleccionado y medido de
utilizada para la decloración, inyectándose a una tasa de dos
manera adecuada, y ayuda a establecer normas para las tasas
ppm (partes por millón) por cada ppm de cloro libre. Los filtros de
de permeado y la recuperación general del sistema.
sedimento y carbón tienen que ser programados para retrolavar
a distintos momentos. Esto asegurará que haya disponible una
Pre-tratamiento
presión y volumen amplio de agua para retrolavar cada filtro.
El pre-tratamiento para la mayoría de sistemas de ósmosis
Cerrar la ósmosis inversa para que no pueda funcionar mientras
inversa puede dividirse en cuatro tipos de pre-tratamiento:
los filtros de sedimento y carbón están retrolavando, asegura que
la bomba de ósmosis inversa no cavite si estos filtros no tienen
Control de sedimentos
un dispositivo de desvío automático. Si estos filtros tienen un
No se deberá depender solamente en el prefiltro en sí de
dispositivo de desvío automático, entonces el sistema de ósmosis
un sistema de ósmosis inversa ensamblado en la fábrica como
inversa debiera apagarse de cualquier forma para prevenir el daño
único control de sedimentos para el sistema. Es preferible tener
a la membrana por parte del cloro y el sedimento.
un filtro de retrolavado de sedimento como primer pieza de
Control de escamas
Esto se logra más comúnmente con suavizantes de agua
tradicionales. El suavizante deberá consistir de un Sistema
mellizo, alternante, a no ser que la demanda de agua de ósmosis
inversa sea baja, la dureza sea baja, exista un almacenamiento
apropiado para el permeado, y la ósmosis inversa pueda ser
cerrada por el suavizante durante la regeneración. La inyección
de productos químicos antiescamas en vez del suavizado es
también un medio popular de control de escamas. Un análisis
mineral es especialmente importante al utilizar antiescamas
químicos porque todos los minerales y metales se encuentran
aún en el agua de alimentación. Por lo tanto, la recuperación del
sistema dependerá de los niveles de estos constituyentes y del
rendimiento del producto químico antiescamas. Si algún tipo de
control de escamas, una membrana de ósmosis inversa puede
llenarse de escamas en unas cuantas horas, dependiendo de
la química del agua de alimentación y de la recuperación del
sistema,
Control biológico
Un esterilizante ultravioleta (UV) que produce una radiación
UV germicida de 254 nanómetros y dosis de 30,000 microvatios
segundos por centímetro cuadrado, es una buena defensa contra
los microbios generales. Los microbios pueden formar biopelículas
en la superficie de la membrana, lo cual reduce la producción
de permeado. El sistema UV deberá ser pre-filtrado con un filtro
de cartucho de cinco micras para maximizar la transmitancia UV
en el agua. Si se utiliza un suavizante tradicional de agua como
método para el control de escamas para el sistema de ósmosis
inversa, entonces el esterilizante UV recibirá el beneficio adicional
de una reducción en la formación de escamas en la manga de
cuarzo del sistema UV. Esto mejorará la transmitancia UV en el
agua y reducirá los intervalos de limpieza de la manga de cuarzo,
de tal manera que el sistema UV deberá instalarse después del
suavizante de agua. Si se está utilizando un producto químico
antiescamas en lugar de un suavizante tradicional de agua como
control de escamas para la membrana, consulte con el fabricante
del producto antiescamas para verificar que el sistema UV no
tendrá un efecto adverso en el rendimiento del producto químico
antiescamas.
Porcentaje de recuperación
Se pone un gran énfasis en el porcentaje de recuperación
al cual funciona la ósmosis inversa. Si un sistema de ósmosis
inversa está siendo alimentado dos gpm y manda un gpm al
desagüe (rechazo) y un gpm al tanque de agua de permeado, esto
se conoce como 50 por ciento de recuperación. El porcentaje de
recuperación de un Sistema de ósmosis inversa puede calcularse
de la siguiente manera:
gpm de permeado / gpm de agua de alimentación gpm x
100 = % recuperación
Si la ósmosis inversa está produciendo 6.5 gpm de permeado y
3.5 gpm de agua de rechazo (6.5 + 3.5 = 10), entonces el flujo de
alimentación será de 10 gpm. Por lo tanto, la recuperación es de
6.5 / 10 x 100 = 65%. La recuperación es importante porque todas
las sales disueltas en el agua tienen una limitación en qué tan
alto pueden estar concentradas en las membranas y mantenerse
disueltas. La química del agua en un sistema de ósmosis inversa
cambia del extremo de alimentación de la membrana al extremo
de rechazo. Las aguas residuales de un sistema de ósmosis
inversa tienen un mayor SDT que el agua de alimentación del
sistema. La diferencia en SDT entre el agua de alimentación y
el agua de desagüe está directamente relacionada con la tasa
de recuperación a la cual está funcionando la ósmosis inversa.
Si un sistema de ósmosis inversa está siendo suministrado con
un SDT de 500 ppm y está funcionando a una recuperación
del 50 por ciento, la corriente residual tendrá un SDT de 1,000
ppm. A una recuperación del 60 por ciento, las aguas residuales
tendrán 1,250 de SDTs, y 2,000 ppm a 75 por ciento de
recuperación. Un sistema de ósmosis inversa tendrá una mayor
probabilidad de ensuciamiento o formación de escamas a altas
tasas de recuperación. A medida que aumenta el SDT del agua
en la membrana, los minerales menos solubles empezarán a
formar escamas de minerales precipitados en la superficie de
la membrana.
El ejemplo 2 muestra el paso típico de flujo a través de un
sistema comercial multi-etapas de ósmosis inversa. Este tipo
particular de configuración es conocido como un arreglo 4:2:1.
Una bomba alimenta los primeros cuatro recintos de membrana
en paralelo. Las aguas residuales de estos cuatro recintos de
membrana proveen agua de alimentación para la segunda etapa,
la cual consiste de dos recintos de membrana alimentados en
paralelo. Las aguas residuales generadas por estos dos recintos
de la segunda etapa proveen agua de alimentación para la tercera
Ejemplo 2. Módulo de ósmosis inversa comercial de varias membranas
o última etapa. El agua de rechazo que sale de la membrana
de la tercera etapa tiene el más alto SDT. Debido a que la(s)
membrana(s) en la tercera o última etapa está(n) sujeta(s) al agua
de mayor SDT, es más probable que aquí se formen escamas
primero y ésta es la que se escama más rápido en caso que
el pre-tratamiento para escamas, sea éste un suavizante o un
químico antiescamas, deje de funcionar o no sea mantenido de
manera apropiada.
En un sistema de ósmosis inversa bien diseñado, cada
membrana convierte a permeado un máximo de 15 por ciento del
agua que es alimentada. El 85 por ciento restante se convierte en
agua de reposición para la siguiente membrana o, de no haber
presentes otras membranas, una porción de esta agua es enviada
al desagüe mientras que la porción restante es alimentada de
vuelta al lado de succión de la bomba de alimentación. Reciclando
una porción de las aguas residuales y reintroduciéndolas al lado
de succión de la bomba de alimentación es un concepto conocido
como reciclaje del rechazo. Esto ahorra una gran cantidad de agua
pero aumenta el SDT del agua de alimentación a la membrana
porque el agua de alimentación cruda está ahora siendo mezclada
con aguas residuales con un mayor SDT.
Porcentaje de rechazo iónico
Al confirmar el rechazo iónico de una membrana, recuerde
que el SDT del agua de alimentación no es el SDT del agua que
viene del suavizante y del filtro de carbón, sino que el SDT del
agua después de la combinación del reciclaje del rechazo con el
agua de alimentación. Dependiendo del diseño del sistema, un
sistema de ósmosis inversa de una sola membrana, alimentado
a una tasa de 500-ppm de agua de SDT operando a una tasa
de recuperación de 50 por ciento con reciclaje del rechazo
podría tener un SDT de agua de alimentación de la membrana
combinada de 750 ppm. Para calcular el rechazo iónico de una
membrana, utilice la siguiente fórmula:
(SDT del agua de alimentación de la membrana – SDT del
agua de permeado) /
SDT del agua de alimentación de la membrana x 100 = %
rechazo iónico
Al chequear el porcentaje de rechazo iónico de una
membrana contra la hoja de datos de producto de la membrana,
recuerde que los exámenes de los fabricantes de membranas se
llevan a cabo bajo parámetros muy específicos o bajo condiciones
estándar; pH, temperatura, presión del agua de alimentación, SDT
del agua de alimentación, y tipo de ion (por lo general cloruro de
sodio) se indican por lo general en la hoja de datos del producto
porque cada uno de estos afecta el rechazo iónico. Distintos iones
poseen distintos valores de rechazo. El pH afecta el rechazo
iónico de muchos iones. La temperatura, presión del agua de
alimentación, y SDT afectan la tasa de flujo o gpd por pie cuadrado
del material de una membrana. Por ejemplo, podrá notar que un
Sistema de ósmosis inversa genera agua con menor SDT a una
mayor presión de alimentación a la membrana que a presiones
menores de alimentación. Esto se debe a que la migración de
sales iónicas a través de la membrana es bastante constante;
sin embargo, la mayor presión del agua de alimentación causa
que se genere más agua purificada, diluyendo de tal manera los
iones inevitables en el permeado a un menor nivel, causando
un menor contenido general de SDTs en el agua de permeado.
Esto tiene un impacto directo en el porcentaje de rechazo iónico
de una membrana, por lo que los fabricantes de membranas
han establecido condiciones estándar de prueba para eliminar
estas variables.
Tasas de flujo
La tasa de flujo de una membrana de ósmosis inversa es
la cantidad de agua de permeado que la membrana produce
por pie cuadrado de material de membrana por día (por lo
general expresado en gfd o galones por pie cuadrado por día).
Por ejemplo, las membranas comunes de 4x40 tienen un área
total de 87 pies cuadrados. Por lo general son clasificadas como
membranas de 1,800-gpd. Para calcular la tasa de flujo en gfd
de esta membrana, divida el número de galones por día por el
número de pies cuadrados: 1,800 / 87 = 20.
Imagínese que esta membrana está funcionando a 20 gfd.
Las tasas de flujo de la membrana están limitadas por la SDI del
agua de alimentación. SDI es la característica del agua que tapa
los filtros debido al sedimento microfino. Todas las aguas tienen
distintos SDIs. El agua de pozo por lo general tiene un SDI más
bajo y las aguas superficiales por lo general tienen uno más
alto, aunque no siempre es así. Un SDI de uno es mejor que un
SDI de tres. Por encima de un SDI de tres, es más probable que
ocurra el ensuciamiento de las membranas a altos caudales. Si
eso ocurre, disminuya la tasa de flujo de la ósmosis inversa a 16
o 17 gfd, disminuyendo la presión del agua de alimentación a las
membranas y produciendo menos permeado. En un sistema multietapas de ósmosis inversa comerciaI, como el que se muestra
en el Ejemplo 2, no toda membrana produce la misma cantidad
de agua de permeado.
La presión del agua de alimentación a las membranas es
mayor en la primera etapa, menor en la segunda etapa, y aún
más baja en la tercera y última etapa. Esto se debe a que con
cada etapa, ocurre una pérdida de presión de alimentación a la
membrana. El contenido de sólidos disueltos totales (SDTs) del
agua de alimentación de la membrana en la primera etapa es
menor que en la segunda y tercera etapas porque la segunda
etapa es alimentada con agua de rechazo de la primera etapa
y la tercera etapa es alimentada con agua de rechazo de la
segunda etapa. Estas dos características funcionales de los
sistemas multi-etapas de ósmosis inversa resulta en que las
membranas de primera etapa funcionen a un mayor caudal que
las segundas dos etapas. Dependiendo del diseño del sistema,
el ensuciamiento por partículas puede ocurrir en las membranas
de primera etapa antes que en las de segunda y tercera etapa
debido a un mayor caudal.
Autopsia de la membrana
Las membranas pueden ser limpiadas siguiendo las guías
del fabricante del producto químico de limpieza o del fabricante
de la membrana. Como regla general, si las membranas requieren
hasta un 15 por ciento más de presión de alimentación para
producir la misma cantidad de permeado que cuando eran
nuevas, o hacer hasta un 15 por ciento menos de permeado
a la misma presión de alimentación y temperatura que cuando
aran nuevas, entonces pueden ser limpiadas. Si se sobrepasa el
punto de referencia del 15 por ciento, las membranas podrían no
responder adecuadamente a la limpieza. Hacerle una autopsia
a la membrana es útil para determinar que está causando los
problemas de formación de escamas o ensuciamiento.
Yo sigo un simple procedimiento que puede ser muy
revelador. Comience haciendo un corte leve en el empaque
exterior de la membrana, de arriba para abajo. Quite el envoltorio
de cinta o fibra de vidrio. Haga nuevamente un corte de arriba para
abajo, esta vez a través de la primera capa de la membrana. La
membrana debiera ahora desenrollarse como un rollo de toallas
de papel. Mire que hay en la superficie de la membrana. En este
punto, dados los resultados del análisis del agua, puede empezar
a formar algunas conclusiones. El color rojo podría indicar la
presencia de hierro o arcilla, o ambos. Un color gris a negro podría
indicar la presencia de manganeso (gris también podría indicar la
presencia de cieno). U polvo fino, desprendido, podría ser cieno.
Arenilla dura (con una textura empastelada, parecida a la de una
lija), indica escamas. Seque una sección de la membrana con
la escama, raspe una muestra de la escama y póngale ácido
hidroclórico. Si forma espuma, se trata posiblemente de algún tipo
de carbonato de calcio o magnesio; esto podría significar que el
suavizado o el químico de pretratamiento anti-escamas no está
funcionando adecuadamente.
Si la escama parece un cristal de azúcar y no forma espuma
cuando se le aplica ácido hidroclórico, puede tratarse de una
escama a base de sulfato de calcio. Aún en estos casos se
requiere calcio para hacer este tipo de escama, por lo que el
suavizante podría ser el problema. Colecte más de esta escama
y déjela en remojo durante la noche en una pequeña cantidad de
agua desionizada. Al siguiente día, lleve a cabo una prueba de
dureza en el agua desionizada que contenía la escama en remojo
para ver si el contenido de dureza se ha elevado por encima del
nivel original del agua desionizada. Esto indica y confirma que
una escama de dureza está presente. ¿Está limosa la membrana?
Permita que la membrana se caliente a temperatura ambiente
y huélala. ¿Huele a pescado? El ensuciamiento microbiológico
podría ser el problema.
Con cada una de estas pruebas, revise el pre-tratamiento
responsable para abordar este problema. ¿Está funcionando de
manera apropiada; tiene las dimensiones correctas? Luego puede
usted hacer los ajustes adecuados o agregar el componente que
podría faltar. Identificar la naturaleza del ensuciamiento también
ayudará a seleccionar el producto de limpieza apropiado para
las membranas.
Conclusión
La tecnología de ósmosis inversa es un campo amplio con
muchas aplicaciones de la vida real. Las plantas embotelladoras
de agua y de proceso de alimentos tienen sistemas de ósmosis
inversa incorporados en sus plantas para asegurar un producto
de mayor consistencia. Las plantas de enchapado y acabado
de metales están utilizando agua de ósmosis inversa para
aplicaciones de lavado, soluciones de enchapado, y enjuague.
Las instalaciones de lavado de carros utilizan sistemas de
ósmosis inversa para eliminar del agua la mayoría de minerales
que generan manchas, para ofrecerles a sus clientes un enjuague
sin manchas. Las calderas de vapor que utilizan ósmosis
costo de productos químicos. Con el transcurso de los
años, los sistemas de desionización de lechos separados han
sido reemplazados por sistemas de ósmosis inversa, eliminado
la gestión en el sitio de productos químicos ácidos y cáusticos.
La ósmosis inversa se ha convertido en un artefacto común en
los restaurantes, laboratorios, hospitales, y una amplia gama de
plantas de manufactura. Siga educándose a sí mismo(a) en esta
área. Al hacer esto, estará abriendo puertas para su negocio tanto
en el área de ventas como de servicio.
Acerca del autor
El Sr. Ryan Lessing es Gerente de Productos para Watts Water
Quality y está basado en San Antonio, Texas. Ha trabajado
en la industria de acondicionamiento del agua por 19 años y
su experiencia incluye servicio, determinación de problemas,
aplicación de equipo y diseño de sistemas. El Sr. Lessing puede
ser contactado por correo electrónico en [email protected]