PROCESOS DE MEMBRANA

Fuentes:
- IBRAHIM PERERA, JUAN CARLOS. Desalación de Aguas. Colegio de Ingenieros
   de Caminos, Ca...
Los constituyentes iónicos disueltos en una solución salina como el sodio (Na+), cloro (Cl-),

calcio (Ca++) y carbonatos ...
El agua de alimentación atraviesa simultáneamente en paralelo todas las celdas creándose así

un flujo continuo de agua de...
Tratamiento Antiincrustante

         Los procesos de ED tienen unos porcentajes muy elevados de recuperación que se consi...
MEMBRANAS

         En el proceso de electrodiálisis se utilizan dos tipos de membranas: aniónicas y catiónicas.

Ambas me...
Membrana Aniónica

           La membrana aniónica es esencialmente una resina de intercambio aniónico en forma de

lámina...
Las zonas de los electrodos que están enfrente de los distribuidores, tienen una junta para

evitar un cortocircuito eléct...
Una vez que salen de la pila de membranas, las dos corrientes de electrodo se envían a

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la pureza del agua deseada. En esta disposición cada pila sólo tiene una etapa eléctrica, es decir, un

solo ánodo y un so...
Si las tres etapas hidráulicas están contenidas en el interior de una única etapa eléctrica,

con lo cual la corrientes y ...
El concepto de etapa conduce a una gran flexibilidad en el diseño del sistema usando componentes

estándares. Si se necesi...
1.2.5. TRANSFERENCIA DE AGUA

        Pequeñas cantidades de agua se transfieren eléctricamente (pero no hidráulicamente) ...
El otro flujo principal recirculado por el sistema es el flujo de concentrado. Su misión es recoger la

sal que se transfi...
Este cambio en la polaridad invierte la dirección del movimiento de iones dentro de la pila de

membranas, controlando de ...
Los sistemas EDR tienen una flexibilidad única en elecciones de diseños que puedan

maximizar la recuperación del agua don...
1.5.3. INVERSIÓN SECUENCIAL

        El sistema de inversión secuencial EDR se basa en controlar independientemente la inv...
1.6 DIFERENCIAS DE LA ED CON OTROS PROCESOS DE MEMBRANAS

         Las principales diferencias entre la ED y otros proceso...
2. ÓSMOSIS INVERSA


2.1 EL FENOMENO DE LA ÓSMOSIS



ÓSMOSIS NATURAL

        La ósmosis es un proceso natural. En un rec...
El proceso industrial consiste en una bomba que envía la solución a tratar a una presión superior a la

osmótica hacia la ...
TÉCNICA DE FABRICACIÓN                       De máquina     Inversión de fase
                                            ...
Las membranas de esta naturaleza se obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a

partir de una solución del mis...
•   Se puede variar a voluntad el espesor de la capa activa adecuándolo a las necesidades específicas

    de cada aplicac...
Las membranas de fibra hueca que se fabrican son, por el momento, exclusivamente

“integrales”, dada la dificultad técnica...
La tabla 2 recoge de forma resumida las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas

con acetato de celulosa.


...
Tabla 3: quot;Membranas de Poliamida Aromáticaquot;.

                             Ventajas                               ...
Compactación                                Alta              Alta            Baja             Baja

Temperatura máxima (º...
i.   Polisulfona sulfonada

     En estos momentos, las membranas quot;Compuestas de capa finaquot; de poliamida aromática...
Millipore              PSRO                      Compuesta      Plana


     (*) No disponible en la actualidad.
     Fuen...
C.   Fosfacenos

     Las membranas fabricadas con este polímero pueden soportar temperaturas de hasta 250 ºC en

     pre...
Aniónicas

          Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es negativa. Pueden igualmente

ser fu...
En la actualidad, las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado pueden

encuadrarse en una de las cuatro cate...
2.2.8. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA TÉCNICA DE FABRICACIÓN

         Atendiendo a la técnica utilizada para su fabricación, las ...
•   Obtener el máximo rendimiento de las membranas.

        •   Conseguir un sistema lo más compacto posible.

        • ...
Membranas, espaciadores y placas porosas de un módulo de placas




                       Módulo de placas. Distribución ...
Cada “paquete”, consta de una lámina rectangular de membrana semipermeable doblada por

la mitad de forma que la capa acti...
Disposición transversal de un módulo espiral

        Si se utiliza un único “paquete” de membranas para fabricar los módu...
La solución de aporte se introduce a presión en el tubo central quien la reparte radial y

uniformemente a través de todo ...
-    DOW CHEMICAL (DOWEX)




2.3.2. COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES

        De las cuatro configuracione...
Desgraciadamente, en la actualidad, esta posibilidad sólo existe en los módulos espirales. Se

puede construir una planta ...
Unidad de ósmosis inversa.

          Limpieza de las membranas.

          Postratamiento del agua producida.



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  1. 1. PROCESOS DE MEMBRANA Fuentes: - IBRAHIM PERERA, JUAN CARLOS. Desalación de Aguas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección Seinor nº 23. España. 1999. - FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. - MEDINA SAN JUAN, JOSÉ ANTONIO. Desalación de Aguas. Ósmosis Inversa. Mundi-Prensa. España. 2000. Las membranas juegan un papel importante en la separación de sales en la naturaleza. Nos referimos a los procesos de diálisis y ósmosis que se producen en el cuerpo humano. Las membranas se utilizan en dos procesos de desalación comerciales importantes: electrodiálisis y ósmosis inversa. En cada proceso se utiliza la habilidad de la membrana para diferenciar y seleccionar las sales del agua. Sin embargo, esta habilidad se utiliza de forma diferente en cada proceso. La electrodiálisis separa selectivamente las sales del agua usando un potencial eléctrico, dejando al agua potable como producto del proceso. En la ósmosis inversa el agua potable atraviesa la membrana utilizando presión, dejando las sales atrás que quedan con mayor concentración disueltas en el agua producto. Desde principios de siglo se han investigado estas técnicas pero su comercialización para desalar aguas se ha desarrollado en los últimos 30 años. 1. ELECTRODIÁLISIS Y ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE 1.1. INTRODUCCIÓN La electrodiálisis (ED) se introdujo comercialmente a principios de los años sesenta, unos diez años antes que la ósmosis inversa. Su desarrollo supuso la disponibilidad de desalar el agua salobre a costos razonables y se implantó rápidamente. La electrodiálisis depende de los siguientes principios generales: • La mayoría de las sales disueltas en el agua son iónicas, cargadas positivamente (cationes) o negativamente (aniones) • Estos iones son atraídos hacia electrodos con carga eléctrica contraria. • Las membranas se diseñan y construyen para permitir el paso selectivo bien de aniones o de cationes. 1
  2. 2. Los constituyentes iónicos disueltos en una solución salina como el sodio (Na+), cloro (Cl-), calcio (Ca++) y carbonatos (CO3=), se presentan dispersos en el agua, neutralizándose efectivamente sus cargas individuales. Cuando en un recipiente con contenido de agua salina se introducen dos electrodos conectados a una fuente de energía como, por ejemplo, una batería, la corriente eléctrica atraviesa la solución desplazando los iones hacia el electrodo de carga opuesta. Por esta razón las membranas utilizadas en este proceso permiten el paso de aniones o de cationes (pero no de ambos) y se colocan entre un par de electrodos. Se sitúan así alternativamente membranas aniónicas y catiónicas, colocando una tela espaciadora entre cada par de membranas de tal forma que el agua pueda fluir a lo largo de la superficie de la membrana. Un espaciador crea un canal por el que circula el agua de alimentación (que se transforma en agua producto al desplazarse los iones), y el siguiente, crea otro canal por el que circula la salmuera. Si los electrodos están cargados y se mantiene un flujo de agua salina a lo largo del canal creado por el espaciador, los aniones contenidos en el agua son atraídos y desplazados hacia el electrodo positivo, con lo que se diluye la sal contenida en el agua de alimentación. Los aniones atraviesan la membrana selectiva aniónica, pero no pueden atravesar la membrana selectiva catiónica, bloqueando su paso atrapando los iones en el canal de salmuera. De igual forma, bajo la influencia del electrodo negativo, los cationes se desplazan en sentido opuesto a través de la membrana selectiva catiónica hacia el canal de salmuera en la otra cara, quedando atrapados los cationes debido a la selectividad aniónica de la otra membrana permitiendo así el desplazamiento hacia el otro electrodo. Con este funcionamiento se consiguen soluciones concentradas y diluidas en los espacios creados entre las membranas situadas alternativamente (aniónicas y catiónicas). Estos espacios existentes entre cada dos membranas (una aniónica y la otra catiónica) se denominan celdas. Un par de celdas está formada por dos celdas; una, desde la que emigran los iones (celda que contiene el agua diluida que se transforma así en agua producto) y la otra, en la que se encuentran los iones (celda que contiene el agua concentrada o salmuera). 1.2. PROCESO DE ELECTRODIÁLISIS (ED) 1.2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL La unidad básica de un proceso de electrodiálisis consiste en un paquete formado por varios cientos de pares de celdas con electrodos opuestos en el exterior que se denomina pila. 2
  3. 3. El agua de alimentación atraviesa simultáneamente en paralelo todas las celdas creándose así un flujo continuo de agua desalada y otro de salmuera. En función del diseño del sistema será necesario añadir productos químicos a la pila para reducir las posibles incrustaciones. Una unidad de electrodiálisis debe contener los siguientes elementos básicos: - Pretratamiento. - Pilas de membranas. - Bomba para circulación a baja presión. - Potencia eléctrica para corriente continua (con rectificador). - Sistema de limpieza de las membranas. PRETRATAMIENTO El pretratamiento del agua de alimentación a una planta electrodiálisis consiste en: Filtración Aunque las membranas de ED son bastante resistentes al ensuciamiento, es necesario eliminar la materia en suspensión contenida en la corriente de alimentación. La eliminación se consigue haciendo pasar esta corriente de alimentación a través de un lecho filtrante. En una planta ED los filtros más utilizados son los granulares ya sean de presión o de gravedad, el número de capas filtrantes y de etapas de filtración depende de la calidad del agua de alimentación. En el caso de aguas extraídas directamente de pozo o de galerías que presenten un bajo contenido en sólidos disueltos se puede omitir la filtración granular. Posteriormente, a la entrada de cada uno de los módulos se realiza una filtración de afino en filtros de cartuchos, los cartuchos filtrantes están realizados en diferentes tejidos sintéticos (teflón, polipropileno, etc...) y poseen un grado de filtración de 10 a 5 micras nominales. Regulación de pH El pH de la corriente de concentrado es relativamente alto (en torno a 8), esto facilita la precipitación de sales poco solubles principalmente los carbonatos y los sulfatos de calcio. Disminuyendo el pH mediante la adición de un ácido principalmente sulfúrico permite trabajar a unas concentraciones mayores sin peligro de incrustaciones. En la mayoría de las instalaciones se realiza la adición de ácido sulfúrico concentrado de forma continua hasta conseguir un pH en la corriente de concentrado entre 5 -6 unidades de pH. La adición del ácido se realiza a la entrada del módulo en la corriente de salmuera. 3
  4. 4. Tratamiento Antiincrustante Los procesos de ED tienen unos porcentajes muy elevados de recuperación que se consiguen recirculando la corriente de concentrado. Con este sistema, en esta corriente de concentrado se alcanza una saturación del sulfato de calcio mayor de 150 %. La adición a esta corriente de una sustancia antiincrustante como el hexametafosfato sódico permite trabajar con saturación de 300- 400 % sin problemas de incrustaciones. PILAS ED La unidad fundamental de trabajo en un sistema ED es la pila de membranas. Los espacios entre las membranas representan las zonas de flujo de las corrientes desmineralizada y concentrada; estas zonas o áreas de paso del agua están formadas por separadores plásticos llamados espaciadores de flujo de agua desmineralizada y espaciadores de flujo de agua concentrada. Estos espaciadores están fabricados con polietileno de baja densidad y están dispuestos de tal forma en la pila que todas las corrientes de desmineralizado están unidas, lo mismo que todas las de concentrado. Así existe una unidad que se repite llamada quot;par de célulaquot; que está constituida por: 1. Membrana de transferencia de cationes. 2. Espaciador de flujo de agua desmineralizada. 3. Membrana de trasferencia de aniones. 4. Espaciados de flujo de agua concentrada. Una pila típica suele tener entre 400 y 600 pares de células. Las tapas superiores e inferiores de la pila son bloques de acero unidos entre sí con tirantes y tuercas para comprimir la pila, sellando de este modo las membranas y espaciadores para proporcionar pasos de agua definidos y evitar las fugas desde el interior de la pila. La corriente de agua de alimentación que llega a la pila fluye en paralelo a través de los compartimentos de desmineralización, mientras que la de concentrado hace lo mismo a través de los compartimentos de concentración. Debemos señalar que el agua fluye sobre las membranas y no a través de ellas. A medida que el agua fluye sobre la superficie de la membrana, los iones son transferidos eléctricamente desde la corriente de desmineralizado a la de concentrado bajo la influencia del potencial aplicado. El agua de los dos compartimentos de electrodos no se mezcla con las corrientes de desmineralizado y concentrado. A la salida de la pila, la corriente de electrodo es enviada a un desgasificador para expulsar los gases de la reacción. 4
  5. 5. MEMBRANAS En el proceso de electrodiálisis se utilizan dos tipos de membranas: aniónicas y catiónicas. Ambas membranas se parecen físicamente a una hoja de plástico, son esencialmente impermeables al agua bajo presión, y están reforzadas con un material de fibra sintética. Debido a que las membranas son translúcidas, dicho material es visible, y las superficies son uniformemente planas con una textura lisa. Las siguientes propiedades son comunes a ambas membranas de transferencia: 1. Baja resistencia eléctrica. 2. Insoluble en soluciones acuosas. 3. Semirígida para facilitar el manejo durante el montaje de la pila. 4. Resistente a cambios de pH entre 1 y 10. 5. Utilizable a temperaturas superiores a 46 ºC. 6. Resistente al paso osmótico cuando se coloca entre dos soluciones salinas, una de 220 ppm y otra de 30.000 ppm. 7. Vida útil elevada. 8. Resistente al ensuciamiento. 9. Impermeable al agua bajo presión. Membranas Catiónicias La membrana catiónica es esencialmente una resina de intercambio catiónico en forma de lámina con las características químicas necesarias para permitir el paso de cationes e impedir el paso de agua y aniones. Las membranas catiónicas son de color ámbar. Sobre la superficie de la membrana puede leerse, en tinta azul, la palabra quot;CATIONquot; junto con un número de serie de producción y un número de código. Durante la fabricación de la membrana catiónica, se fijan cargas negativas en distintas posiciones de la membrana base. Las cargas negativas fijadas son grupos sulfonatos que repelen a los iones negativos (aniones) y permiten la transferencia de los iones positivos (cationes) a través de la membrana. Membrana Catiónica Gruesa La membrana catiónica gruesa tiene todas las propiedades de una membrana catiónica normal pero es dos veces más gruesa, al objeto de poder soportar mayores presiones diferenciales. Esta membrana se utiliza en los compartimentos de electrodo. 5
  6. 6. Membrana Aniónica La membrana aniónica es esencialmente una resina de intercambio aniónico en forma de lámina, con las características químicas necesarias para permitir el paso de aniones e impedir el paso tanto de agua como de cationes. Las membranas aniónicas son blanquecinas con un tinte amarillo pálido. Sobre la superficie de la membrana puede leerse, en tinta roja, la palabra quot;ANIONquot; junto con un número de serie de producción y un número de código. Durante la fabricación de la membrana aniónica, se fijan cargas positivas en distintas posiciones de la membrana base. Estas cargas positivas fijadas son iones de amonio cuaternario que repelen los iones positivos (cationes) y permiten la transferencia de los iones negativos (aniones) a través de la membrana. La membrana aniónica tiene la misma forma, tamaño y orificios de distribución que la catiónica. Las dos membranas pueden distinguirse visualmente por el color. Espaciadores Los espaciadores están formados por dos capas de polietileno de baja densidad con orificios de distribución emparejados con los de la membrana. Cuando una pila de membranas está montada adecuadamente, los orificios de distribución de las membranas y espaciadores generan colectores verticales en la pila. El agua fluye en un espaciador entre dos membranas a través de los pasos de agua que están conectados a los orificios de distribución. Hay dos tipos de orificios de distribución en los espaciadores, que permiten que el agua sea selectivamente canalizada entre las membranas para generar los caudales de concentrado y desmineralizado independientes. Las dos distribuciones de los espaciadores están dispuestas alternativamente entre las membranas aniónicas y catiónica y constituyen la base de los dos pasos independientes de agua. Hay que señalar que los dos tipos de espaciadores son en realidad uno sólo. Por simple rotación de 180 º, puede obtenerse tanto la orientación de desmineralización como la de concentración, eliminándose así la necesidad de fabricar y almacenar dos espaciadores diferentes. Electrodo Los electrodos metálicos localizados en cada extremo de la pila de membranas se usan para conducir la alimentación de C.C. en la pila. Un electrodo es generalmente de titanio recubierto de platino. 6
  7. 7. Las zonas de los electrodos que están enfrente de los distribuidores, tienen una junta para evitar un cortocircuito eléctrico entre los electrodos a través de los distribuidores y evitar la fragilización del electrodo debida al hidrógeno que puede ocurrir en los bordes de los cortes de los distribuidores. La junta alrededor del distribuidor y de las entradas del caudal de electrodo se compone de un compuesto similar a una goma no conductora y la zona enmascarada que cubre el distribuidor bloqueado es una cinta no conductora. La vida de un electrodo depende generalmente de la composición iónica de la corriente de electrodo y del amperaje transportado por área unitaria del electrodo. En general, amperajes altos y aguas con cantidades altas de cloruro o con gran tendencia a la formación de incrustaciones tenderán a acortar la vida del electrodo. Compartimentos de los Electrodos Los compartimentos de los electrodos están localizados normalmente en la parte superior y en la parte inferior de la pila de membranas y están formados por un electrodo, un espaciador de flujo de agua de electrodo, y una membrana catiónica gruesa. El espaciador de electrodo tiene seis capas en vez de las 2 capas de espesor del normal. Esto permite que fluya un volumen de agua más grande por los electrodos reduciendo, por tanto, la formación de incrustaciones e impurezas en los electrodos. La membrana catiónica gruesa se usa para soportar la ligera presión diferencial que se mantiene entre la corriente de electrodo (aproximadamente 2 psi [libra por pulgada cuadrada] más bajo) y las corrientes del flujo principal en la pila de membrana. El espaciador de electrodos tiene cortes en canal que impiden que el agua del compartimento del electrodo entre en los distribuidores principales de la pila. Cuando se sitúa adyacente a la membrana catiónica gruesa, el espaciador de electrodo forma un paso de agua independiente. El efluente del compartimento del ánodo (electrodo positivo) contiene oxígeno (O2) gaseoso, iones de hidrógeno (H+), y en el caso de agua conteniendo cloruros, gas cloro (Cl2). Los iones de hidrógeno reducen el pH del agua en este compartimento, creando un entorno ácido. El efluente del compartimento del cátodo (electrodo negativo) contiene gas hidrógeno (H2) e iones hidróxido (OH-). Los iones hidróxido incrementan el pH del agua en este compartimento creando un entorno alcalino o incrustante. 7
  8. 8. Una vez que salen de la pila de membranas, las dos corrientes de electrodo se envían a través de un desgasificador para extraer y eliminar de forma segura los gases de la reacción de los electrodos. 1.2.2. DISEÑO DE LA PILA DE MEMBRANAS Cada sistema ED se diseña para las necesidades particulares de la aplicación. La capacidad del sistema (la cantidad de agua tratada necesaria) determina el tamaño de la unidad ED (es decir bombas, canalización y tamaño de las pilas). La fracción de sal a extraer determina la configuración del conjunto de pilas de membrana. La manera en que se dispone el conjunto de pilas de membranas se llama diseño por etapas. El propósito del mismo es suministrar un área suficiente de membrana y tiempo de retención para eliminar una fracción de sal especificada de la corriente desmineralizada. Se usan dos tipos de diseños por etapas: el hidráulico y el eléctrico. La pila de membranas descrita en las secciones previas, es un ejemplo de una pila de una etapa hidráulica y una eléctrica. Cada incremento de agua, una vez que ha entrado en la pila, pasa una sola vez sobre la superficie de la membrana entre un par de electrodos y abandona el sistema. Debe observarse que en una pila de membrana de Ionics, el agua fluye en múltiples pasos paralelos sobre las superficies de las membranas, pasando solamente una vez sobre un espaciador situado entre dos membranas y saliendo a través del distribuidor de la toma de salida. a) ETAPAS HIDRÁULICAS Típicamente, la máxima extracción de sal de una etapa hidráulica es del 55 -60 % con valores normales de diseño del 40-50%. Para aumentar la cantidad de sal extraída en un sistema de ED, deben incorporarse etapas hidráulicas adicionales. En sistemas donde se precisan altas capacidades, se incorpora etapas hidráulicas adicionales simplemente adicionando más pilas en serie para obtener 8
  9. 9. la pureza del agua deseada. En esta disposición cada pila sólo tiene una etapa eléctrica, es decir, un solo ánodo y un solo cátodo. En sistemas donde las adicionales etapas hidráulicas se incorporan en el interior de un única pila, se utiliza una o más membranas interetapas. Esta membrana es una membrana catiónica gruesa con todas las propiedades de una membrana catiónica normal. Sin embargo su espesor es el doble (1 mm) que el de una membrana catiónica normal (0,5 mm) para resistir una mayor presión diferencial que la de una membrana normal. La membrana catiónica gruesa tiene sólo dos colectores, al contrario de los cuatro colectores que tiene un a membrana corriente. La membrana catiónica gruesa se incluye como uno de los componentes que forman el par de células, puesto que su función es la misma que la función de una membrana catiónica corriente. Una etapa hidráulica se forma colocando la catiónica gruesa, o membrana interetapa, en el lugar apropiado en la pila de membranas. Las dos aberturas de los colectores se colocan sobre los colectores de salida de la pila. Un ejemplo ilustrará las etapas hidráulicas. Si el agua de entrada tiene 2.000 ppm y la salinidad del agua producto deseada es de 250 ppm, se requerirían tres etapas hidráulicas, suponiendo una extracción de sal por etapa del 50 %. La eliminación de sal por etapa sería como sigue: Etapa hidráulica 1 - 2.000 ppm entrada - 1.000 ppm salida (50 % extracción) Etapa hidráulica 2 - 1.000 ppm entrada - 500 ppm salida (50 % extracción) Etapa hidráulica 3 - 500 ppm entrada - 250 ppm salida (50 % extracción) Puede verse en este ejemplo que la cantidad de sal extraída en cada etapa sucesiva disminuye. Etapa hidráulica 1 - 1.000 ppm Etapa hidráulica 2 - 500 ppm Etapa hidráulica 3 - 250 ppm La extracción de sal de un volumen de agua dado es directamente proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la proporción de flujo a través de cada par de células. Corrientes más altas transferirán mayores cantidades de sal. Proporciones de flujo más altas disminuirán las cantidades de sal a ser extraídas de una cantidad de agua dada debido al menor tiempo de retención en la pila. 9
  10. 10. Si las tres etapas hidráulicas están contenidas en el interior de una única etapa eléctrica, con lo cual la corrientes y por tanto la sal extraída por cada par permanece constante, la proporción de flujo por par de células tendrá que ser doblada para cada etapa sucesiva para obtener la disminución de la concentración de desmineralizado mostrada en el ejemplo. Esto es, el número de pares de células en la etapa dos tendría que ser la mitad de las de la etapa 1, etc. Esto requiere que la proporción de flujo de la etapa 2 sea dos veces el de la etapa 1, y el flujo de la etapa 3 sea dos veces el de la etapa 2. Puesto que el flujo total en cada etapa es idéntico, el único modo de aumentar la proporción de flujo por par de células en las sucesivas etapas es disminuir el número de pares de células en aquellas etapas. Sin embargo, esta disposición puede dar lugar a un problema hidráulico. Disminuyendo el número de pares de células en una etapa hidráulica, y aumentando la proporción de flujo por par de célula, se aumenta la caída de presión en cada etapa. En algún punto, la caída de presión a través de la pila completa, excederá el límite de presión a la entrada de la pila (3.4 bar). Con el fin de conseguir que la presión en todos los puntos sea inferior al límite, es necesario incorporar un tipo de etapa adicional, conocida como etapa eléctrica, que se describe a continuación. b) ETAPAS ELÉCTRICAS Las etapas eléctricas se llevan a cabo insertando pares de electrodos adicionales en la pila de membranas. Esto da flexibilidad en el diseño del sistema, previendo las proporciones máximas de extracción de sales mientras que se evitan polarizaciones y las limitaciones de presiones hidráulicas. Cada etapa eléctrica permite el uso de una corriente eléctrica controlada (Y) a cada par de células en una etapa. En el ejemplo anterior, las etapas hidráulicas 1 y 2 son ahora la ahora la etapa eléctrica 1, y la etapa hidráulica 3, está en la etapa eléctrica 2. Con la posibilidad ahora de introducir una corriente eléctrica más baja en la etapa hidráulica 3, pueden adicionarse más pares de células para disminuir la caída de presión a un nivel aceptable. 10
  11. 11. El concepto de etapa conduce a una gran flexibilidad en el diseño del sistema usando componentes estándares. Si se necesita un 75 % de desmineralización, entonces suficientes etapas se instalarán para obtener este porcentaje. Si se necesitaran más etapas, aún en una planta que ya haya estado en operación algún tiempo, pueden adicionarse. Esto supone una ventaja, por ejemplo, si se encuentra que un acuífero salobre se hace más salino con el tiempo; o se desea usar el mismo sistema con un acuífero más salino en el mismo lugar o en otro diferente; o si se desea producir un producto con mayor pureza. 1.2.3. CAÍDA DE PRESIÓN La caída de presión a través de una pila de membranas es la suma de caídas de presiones a través de cada etapa hidráulica, la cual depende a su vez del tipo de espaciador, la proporción de flujo por etapa, y del número de pares de células de cada etapa. Cada uno de los espaciadores de camino turbulento de IONICS, tiene un perfil diferente de presión - velocidad. Las curvas de presión velocidad predicen las caídas de presión para los diferentes modelos de espaciadores a través de una única etapa uva vez que la velocidad en esa etapa haya sido calculada. 1.2.4. PRESIÓN DIFERENCIAL La presión diferencial es la diferencia de presión hidráulica entre los flujos desmineralizado y concentrado. Durante la operación normal de la pila de membranas, la presión del flujo desmineralizado se mantiene de (25 a 75 cm de columna de agua) más alta que la presión del flujo de concentrado. El propósito de mantener esta presión del flujo desmineralizado mayor que el de concentrado es asegurar que si ocurren pérdidas internas en la pila (fugas cruzadas) entre los colectores de desmineralizado y concentrado, sea el flujo desmineralizado el que pase el de concentrado y no al revés ya que entonces resultaría contaminado el flujo desmineralizado por el concentrado. 11
  12. 12. 1.2.5. TRANSFERENCIA DE AGUA Pequeñas cantidades de agua se transfieren eléctricamente (pero no hidráulicamente) a través de las membranas con los iones. La cantidad de agua transferida varía con el tipo de membranas y la concentración de la solución. Normalmente se transfiere el 0,5 % del flujo desmineralizado por 1.000 ppm de sal extraída. Esto representa el límite de pérdida de agua de un sistema ED. / EDR. 1.2.6. LÍMITE DE TEMPERATURA Las pilas de IONICS tienen un límite superior de temperatura entre 40 - 45 ºC. Este límite está determinado por el material de polietileno de baja densidad de los espaciadores, que tiende a perder su rigidez a elevadas temperaturas. Las membranas de transferencia aniónica y catiónica, pueden resistir mayores temperaturas, generalmente en la escala de 60 a 70 ºC. 1.3. SISTEMA DE LIMPIEZA DE LAS MEMBRANAS Las membranas de ED deben limpiarse periódicamente para eliminar las incrustaciones de sales y coloides sobre su superficie. En las plantas se realizan periódicamente, dependiendo de la calidad del agua de alimentación, ciclos de limpieza utilizando una solución diluida de ácido clorhídrico. Con esta limpieza se consigue además la desinfección del sistema. Las pilas ED pueden desmontarse para realizar la limpieza manual de las membranas. 1.4. SISTEMAS DE ELECTRODIÁLISIS (ED) En esta sección se explicarán varios sistemas de ED, así como su evolución histórica. ED POR LOTES El primer sistema de ED desarrollado comercialmente era el sistema de lotes. En un sistema de lotes, el agua de alimentación salina o salobre se recircula desde un tanque de apoyo a través de los espaciadores desmineralizadores de una única pila hasta que se alcanza la pureza final deseada. La gama de producción es, por tanto, dependiente de la concentración de minerales disueltos en el agua de alimentación y el grado de desmineralización deseado. Existen dos corrientes principales: flujo de desmineralizado y flujo de recirculado. Estas dos corrientes fluyen en paralelo a través de la pila de membranas. El flujo desmineralizado va disminuyendo su contenido en sales a medida que es recirculado por el sistema. Al final del ciclo es recuperado como flujo producto. 12
  13. 13. El otro flujo principal recirculado por el sistema es el flujo de concentrado. Su misión es recoger la sal que se transfiere del flujo desmineralizado. El flujo de concentrado se recircula para disminuir la cantidad de agua de rechazo. La recirculación, sin embargo, aumenta la concentración del flujo a un nivel mucho más alto que el del agua de alimentación. Para controlar la concentración de minerales y prevenir las incrustaciones de la pila de membranas, se envía una fracción del flujo de concentrado al rechazo y se necesita una continua adición de agua de alimentación. ED CONTINUO El segundo sistema comercial fue el de tipo unidireccional continuo. En este sistema, la pila de membranas contiene dos etapas en serie, conectadas internamente de modo que los dos flujos pasan primero a través de la primera etapa y luego por la segunda etapa. Se puede disponer más de dos etapas en una o en varias pilas dispuestas en serie. El flujo de desmineralizado hace un único recorrido por las pilas y sale como agua producto. El flujo de concentrado es parcialmente reciclado para reducir el desecho y se inyecta ácido y otros agentes químicos para evitar las incrustaciones en la pila (ver pretratamiento). En estos sistemas el movimiento iónico es unidireccional, los cationes se moverán hacia el cátodo fijo y los aniones se moverán hacia el ánodo fijo. En tal sistema, se necesita, normalmente, adición de productos químicos para evitar la incrustación producida por la precipitación del carbonato y el sulfato de calcio sobre las superficies de las membranas (ver apartado de pretratamiento). Además de la formación de incrustaciones, pueden acumularse sobre la superficie de las membranas de transferencia aniónicas partículas coloidales o barros, al ser ligeramente electronegativas y causar obstrucciones. ELECTRODIÁLISIS REVERSIBLE (EDR) A principios de los años 70 se introdujo la Electrodiálisis Reversible (EDR) que opera bajo los mismos principios generales que la Electrodiálisis (ED), con la diferencia de que los canales de agua producto y de salmuera son iguales. La polaridad de los electrodos se invierte en intervalos de varias veces por horas alternando simultáneamente el flujo del agua. De este modo, el canal de salmuera se convierte en canal de agua producto, y el canal de agua producto se trasforma en canal de salmuera. El flujo de concentrado que permanece en la pila con una salinidad mayor que la de alimentación, tiene que ser desalado por encontrarse después de la inversión en el compartimento de desmineralizado. Esto crea un breve período de tiempo en el cual la salinidad del flujo de desmineralizado (agua producto) es mayor que el nivel especificado y se denomina Producto Fuera de Norma (PFN). La regulación de los flujos durante el período de inversión se realiza mediante una válvula motorizada de tres vías comandada por un conductivímetro. 13
  14. 14. Este cambio en la polaridad invierte la dirección del movimiento de iones dentro de la pila de membranas, controlando de este modo la formación de la película de suciedad y la formación de incrustaciones. Por lo tanto, el cambio de polaridad tiene un efecto de limpieza en las celdas. Las descargas reversibles permiten operar reduciendo el pretratamiento y el ensuciamiento de las membranas ya que ningún compartimento de la pila es expuesto a altas concentraciones por un período de más de 15 ó 20 minutos. Para resumir, el proceso EDR tiene cinco efectos positivos en un sistema de membranas: 1. Rompe la capa de polarización 3 ó 4 veces cada hora, evitando incrustaciones y polarizaciones. 2. Rompe incrustaciones recientes y las elimina antes de que puedan crecer y dar lugar a problemas. 3. Reduce la suciedad o formaciones similares sobre la superficie de las membranas por inversión eléctrica del movimiento de las partículas coloidales. 4. Elimina la complejidad de problemas prácticos asociados a la necesidad de alimentación continua de ácidos u otros productos químicos. 5. Limpia automáticamente los electrodos con ácido formado durante la etapa anódica. Diagrama de flujo E.D.R. 1.5. SISTEMAS DE ALTA RECUPERACIÓN En muchos lugares del mundo, obtener un suministro de agua de calidad, se está convirtiendo en un problema de creciente dificultad. Se debe tener mucho cuidado en la utilización de los recursos disponibles. Para aliviar esta situación, la recuperación de agua se ha convertido en una consideración importante cuando se diseña y especifica un sistema desalinizador. La recuperación de agua se define como la cantidad de agua producida respecto a la cantidad de agua total suministrada. Pr oducto % Re cuperción = ⋅ 100 Alimentación 14
  15. 15. Los sistemas EDR tienen una flexibilidad única en elecciones de diseños que puedan maximizar la recuperación del agua donde quiera que este factor sea importante. 1.5.1. RECICLADO DEL CONCENTRADO La recirculación del flujo de concentrado, se llama reciclado del concentrado. Las proporciones de flujo de agua concentrada y desmineralizada a través de las pilas son iguales esencialmente, puesto que la diferencia de presión entre los dos flujos tiene que ser muy pequeña (presión diferencial de 0,03 a 0,07 kg/cm2). En el caso más simple, esta igualdad de flujo podría conducir a una recuperación del agua desmineralizada de sólo la mitad del agua salina tratada. Sin embargo, en casi todas las plantas de ED y EDR una gran parte del concentrado (con algo de agua de alimentación) se recicla, con el consiguiente ahorro de agua de alimentación. La fracción de concentrado que puede ser reciclado está limitada por la solubilidad de la sal menos soluble. Esto es, la fracción de flujo del concentrado reciclado, puede aumentarse hasta que la menos soluble de las sales precipite. Este nivel de concentrado es controlado enviando una fracción de flujo de concentrado al rechazo y adicionando un volumen de nueva agua de alimentación a este flujo de reciclado. 1.5.2. RECICLADO DE PRODUCTO FUERA DE NORMA (PFN) Durante la inversión de una unidad de EDR, los flujos de desmineralizado y concentrado se intercambian en la pila de membranas. La salinidad del compartimento original concentrado cambia su valor desde, dependiendo de los casos, unos 10.000 ppm, al valor del producto de 250 ppm. La duración del período de (PFN, alta salinidad) es el tiempo requerido para que el agua de alimentación entrante en la entrada del originalmente concentrado en el momento de la inversión de polaridad, pase completamente por el sistema de membranas. Por tanto, cuanto mayor sea el número de etapas, mayor será el tiempo de (PFN) En los sistemas de EDR estándar, tanto los flujos de agua como la polaridad de las pilas se invierten simultáneamente. El agua producto existente en el sistema entre los tiempos 0 y 30 segundos, se rechaza, puesto que su salinidad es mayor que la requerida por las especificaciones. Sin embargo, retrasando la inversión de las válvulas de salida durante un período de tiempo controlado se consigue disminuir la salinidad del (PFN) a un punto donde, en la mayoría de los casos, es más baja que la salinidad del agua de alimentación. El (PFN) puede ser, entonces, enviado nuevamente al sistema de alimentación. 15
  16. 16. 1.5.3. INVERSIÓN SECUENCIAL El sistema de inversión secuencial EDR se basa en controlar independientemente la inversión de las válvulas de entrada, la polaridad eléctrica de cada etapa y las válvulas de salida. La secuencia se inicia con la inversión de las válvulas de entrada. Esto crea un volumen de agua de inversión (una mezcla de flujos desmineralizados y concentrados) el cual fluye entonces a través del sistema. A medida que este volumen de agua atraviesa cada etapa consecutiva, la etapa correspondiente cambia su polaridad. Finalmente se invierten las válvulas de salida. Por tanto, el agua total de inversión es la contenida por una única etapa en vez de la que contiene el sistema completo. El tiempo de PFN se reduce al tiempo necesario para que el agua pase por una sola etapa sin tener en cuenta el número de etapas de la línea en operación. La inversión secuencial aumenta la recuperación aumentando la cantidad de agua producto, mientras mantiene constante la cantidad total de agua consumida. Frecuencia de inversión Pruebas recientes han demostrado que, en la mayoría de los casos, las incrustaciones de las membranas pueden ser controladas eficientemente con una frecuencia de inversión de polaridad reducida. Donde quiera que los sistemas estándar utilicen un ciclo de polaridad de 15 minutos (tiempo entre cada inversión de polaridad), la mayoría de las unidades pueden operar eficientemente con un ciclo de polaridad de 30 minutos. Cortando la frecuencia de polaridad a la mitad, la parte de producto global que se rechaza (PFN) se reduce al 50 %. En el caso de la unidad base, el tiempo de PFN es del 10%. Doblando el ciclo de polaridad a 30 minutos, el porcentaje de (PFN) se reduce a un 5%, con lo cual se aumenta la producción neta, aumentado la recuperación y disminuyendo el consumo de energía. 1.5.4. RECICLADO DEL FLUJO DE ELECTRODOS Cuando se combinan los flujos del ánodo y cátodo, se neutralizan químicamente el uno al otro con un pH y salinidad resultante aproximadamente igual que la del agua de alimentación. Los gases que contienen estos flujos combinados son extraídos, después de lo cual el líquido es enviado normalmente al rechazo. Sin embargo, puesto que este líquido es esencialmente el mismo que el de alimentación, puede retornar al tanque de alimentación, junto al (PFN) y así incrementar la recuperación del sistema, mientras que se reduce la cantidad total de agua de desecho. En grandes sistemas, el flujo de electrodos representa una cantidad relativamente pequeña de la cantidad total de agua que está siento tratada. Sin embargo, en sistemas más pequeños, el flujo de electrodos puede representar una parte significativa del agua tratada. 16
  17. 17. 1.6 DIFERENCIAS DE LA ED CON OTROS PROCESOS DE MEMBRANAS Las principales diferencias entre la ED y otros procesos de membranas son las siguientes: 1) Utiliza energía eléctrica directa en vez de energía de presión. 2) Las membranas de ED son impermeables. 3) La desalación se efectúa por eliminación de los iones del fluido a tratar al ser éstos los que pasan a través de la membrana. 4) El proceso no necesita energía de presión. En la práctica hay que suministrar al fluido la pérdida de carga a través del equipo (máxima 3,5 kg/cm2). 5) Las membranas son de dos tipos: catiónicas, cargadas negativamente y aniónicas, cargadas positivamente. 6) El consumo energético es directamente proporcional a la cantidad de sales desplazadas. 7) El rechazo de sales por etapa es del 40-50 %. 8) Sólo se eliminan partículas cargadas eléctricamente. 9) Las pérdidas de agua son muy bajas, oscilando entre el 5 y el 20 %. 10) Los productos químicos se añaden al circuito de salmuera con lo que las cantidades a utilizar son siempre muy inferiores a las de otros sistemas. 11) Las necesidades de pretratamiento son muy ligeras, ya que las membranas son muy resistentes a los oxidantes y al ensuciamiento orgánico, por lo que se obtienen muy buenos resultados en el tratamiento de efluentes de plantas de aguas residuales. 12) Las membranas admiten un nivel continuo de cloro libre residual de hasta 0,3 ppm, y valores de pH entre 1 y 10. 13) La salmuera puede trabajar con índices de Langelier positivos hasta 1,8 y niveles de saturación de sulfato cálcico de 150 % sin adición de productos químicos. Con pequeñas adiciones de hexametafosfato en el circuito de salmuera, pueden alcanzarse saturaciones de hasta el 400 %. 14) El costo de instalación suele ser mayor y el de operación menor, siendo el costo total en la mayoría de los casos menor que el de ósmosis inversa. 15) El diseño de los sistemas EDR permite limpiar las membranas de tres formas: 16) Continuamente por medio del cambio de polaridad 17) Periódicamente por limpieza química 18) Ocasionalmente, y de ser necesario por el desmontaje y limpieza manual de las membranas individualmente. 19) La producción de cloro gas como subproducto origina u ahorro extra en los usos agrícolas. 20) Es insensible a la cantidad de sílice existente en el agua bruta La electrodiálisis se utiliza normalmente para desalar aguas salobres, operando, en la mayoría de los casos, con corriente continua como alimentación a los electrodos que crean el potencial necesario para separa las sustancias no iónicas en la pila de membranas. 17
  18. 18. 2. ÓSMOSIS INVERSA 2.1 EL FENOMENO DE LA ÓSMOSIS ÓSMOSIS NATURAL La ósmosis es un proceso natural. En un recipiente que contiene dos soluciones con los mismos constituyentes pero con distintas concentraciones separadas por una membrana semipermeable, es decir, que sólo permita la difusión a su través de uno de los constituyentes, como por ejemplo el agua, se produce la difusión del agua desde el compartimento de mayor concentración al de menor aumentando su nivel. Al alcanzar el equilibrio la difusión del agua terminará. En este momento la presión generada por el aumento de nivel contrarresta el potencial que hace difundir el agua a través de la membrana. Si la solución diluida fuera agua pura (C = 0), a la diferencia de alturas que existiría entre ambos compartimentos cuando se alcanzase el equilibrio, se la llamaría “presión osmótica” de la solución concentrada. La presión osmótica de agua pura se considera nula por convenio. ÓSMOSIS INVERSA Considerando el mismo sistema anterior pero suponiendo que sobre el compartimento de la solución concentrada ejercemos una presión superior a la diferencia de presión osmótica. Esta presión provocaría la difusión del agua hacia la solución más diluida. A este fenómeno se le conoce con el nombre de “ósmosis inversa”. Esquema de principio de la ósmosis inversa 18
  19. 19. El proceso industrial consiste en una bomba que envía la solución a tratar a una presión superior a la osmótica hacia la membrana semipermeable. En uno de sus lados de la membrana la presión se mantiene alta, con lo que se fuerza al solvente a atravesar la membrana y junto con él lo hará una pequeña cantidad de soluto. Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada por ella se evacuan en continuo de sus compartimentos. Una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo controla el porcentaje de solución que es convertida en producto. Esquema del proceso industrial de la ósmosis inversa 2.2 MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA Fuente: - FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. Las membranas pueden clasificarse en función de distintos parámetros, como muestra la tabla 1. Tabla 1: quot;Clasificación de las membranas de ósmosis inversaquot; Parámetros Tipos ESTRUCTURA Simétrica Asimétrica NATURALEZA Integrales Compuestas de capa fina FORMA Planas Tubulares Fibra hueca COMPOSICIÓN QUÍMICA Orgánicas Inorgánicas CARGA SUPERFICIAL Neutras Catiónicas Aniónicas MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE Lisas Rugosas PRESIÓN DE TRABAJO Muy baja Baja Media Alta 19
  20. 20. TÉCNICA DE FABRICACIÓN De máquina Inversión de fase Poli condensación entre fases Polimerización Plasma Dinámica 2.2.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA ESTRUCTURA Atendiendo a la estructura que presentan en un corte transversal a la superficie en contacto con la solución a tratar, las membranas pueden ser: Simétricas Se llaman membranas “simétricas” u “homogéneas” a aquellas cuya sección transversal ofrece una estructura porosa uniforme a lo largo de todo su espesor, no existiendo zonas de mayor densidad en una o ambas caras de la membrana. Fueron las primeras membranas utilizadas por C.E. Reid (C. E. Reid et. Al., Water and Ion Flow Trough Imperfect Osmotic Membranes, Res. Develop. Progr. Rept., nº 16, Office of Saline Water, U.S. Dept. Interior.) en los inicios del desarrollo de la ósmosis inversa. Las membranas simétricas presentan varios inconvenientes: elevada permeabilidad al solvente y bajo rechazo de sales. Actualmente se utilizan en otras técnicas pero no son aptas para la ósmosis inversa. Asimétricas Un corte transversal de una membrana de este tipo presenta en la cara en contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada bajo la cual aparece un lecho poroso. Esta capa densa y delgada se denomina “capa activa” y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del soluto. El resto de la membrana constituye el soporte de la capa activa ofreciendo una resistencia mínima al paso del solvente. Las membranas asimétricas son los utilizadas industrialmente en proceso de la ósmosis inversa. 2.2.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA NATURALEZA Atendiendo a su naturaleza, las membranas “asimétricas” de ósmosis inversa pueden ser: Integrales En las membranas “integrales” existe continuidad entre la capa activa y el lecho poroso soporte siendo ambos del mismo polímero. Los dos tienen la misma composición química y entre ellos no hay una clara separación, sino un aumento progresivo de la porosidad. 20
  21. 21. Las membranas de esta naturaleza se obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a partir de una solución del mismo. Posteriormente a la coagulación del polímero, se introduce la película en una serie de baños de agua a distintas temperaturas. Con estos baños se forma la capa activa y la estructura porosa, a la vez que se eliminan los distintos disolventes residuales que hayan quedado en la membrana, procedentes de la fase de fabricación de la película. El espesor de la capa activa es del orden de las 0,25 micras y el del lecho poroso que le sirve de soporte es de unas 99,75 micras, lo que hace un espesor total de 100 micras aproximadamente. El principal inconveniente de este tipo de membranas es que al ser ambas capas del mismo polímero y tener misiones contrapuestas, toda mejora de las características de la capa activa viene acompañada de un peor comportamiento del lecho poroso y viceversa. Compuestas de capa fina En las membranas compuestas de capa fina, la “capa activa” y el sustrato microporoso que le sirve de soporte son de materiales diferentes. La membrana consta de tres capas de distintos materiales que, en orden descendente, son: • Capa superior: Capa activa. • Capa intermedia: Lecho poroso de la capa activa. • Capa inferior: Tejido reforzado responsable de la resistencia mecánica de la membrana. A diferencia de las membranas integrales, las compuestas de capa fina se fabrican en dos etapas. En la primera etapa se deposita la capa intermedia sobre una tela de refuerzo que constituye la capa inferior. El espesor del lecho poroso ronda las 40 micras. En la segunda etapa se deposita sobre la capa intermedia la capa superior o capa activa cuyo espesor es de 0,2 a 0,5 micras. Variando el tipo de polímero utilizado y los parámetros de fabricación se obtienen membranas con distintas características tanto de rechazo de sales como de flujos de permeado por unidad de superficie. Las membranas “compuestas de capa fina” son la evolución tecnológica de las integrales. Presentan, frente a estas últimas, las siguientes ventajas: • Cada capa (activa, lecho soporte o tejido reforzado) puede desarrollarse y optimizarse separada e independientemente, adecuando cada una a su trabajo específico. 21
  22. 22. • Se puede variar a voluntad el espesor de la capa activa adecuándolo a las necesidades específicas de cada aplicación. • Puede alterarse la porosidad de la capa activa y, por tanto, su porcentaje de rechazo de sales así como el flujo de permeado, en función de las necesidades. 2.2.3. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU FORMA Atendiendo a la forma que presenta la membrana, una vez fabricada, se pueden distinguir los siguientes tipos: Planas Este tipo de membranas, como indica su nombre, presenta una capa activa plana. Se fabrican en forma de lámina de papel continuo cortándose posteriormente para adoptar distintas formas geométricas en función de la técnica empleada para su posterior ensamblaje: rectangular, disco, circular, elíptica, oval, etc. Tubulares Las membranas tubulares se construyen en forma de tubo huevo, de distintas longitudes. Su diámetro interior oscila entre 6 y 25 mm. La capa activa en este tipo de membranas suele encontrarse en la superficie interior del tubo. El resto del espesor presenta como ya se ha dicho una estructura porosa y sirve de soporte a la capa activa. La solución a tratar circula por el interior, el permeado fluye radialmente del interior hacia el exterior y el rechazo se obtiene en el otro extremo del tubo. Las membranas fabricadas con esta forma son mayoritariamente “integrales”, aunque unos pocos fabricantes también suministran membranas “compuestas de capa fina” tubulares. Fibra hueca A estas membranas también se las llama “capilares” ya que su aspecto es el de una fibra de tejer hueca o el de un tubo capilar hueco del tamaño de un cabello humano. Como todas las membranas de ósmosis inversa disponen de una película muy densa en su parte exterior que constituye la “capa activa”. Bajo esta fina película y hacia el centro del tubo se encuentra la estructura porosa que se sirve de soporte. El diámetro interior de la fibra varía según el fabricante y el tipo de aplicación entre 42 y 120 micras y los diámetros exteriores correspondientes entre 85 y 250 micras. La solución a tratar circula por el exterior de la fibra. El permeado fluye radialmente desde el exterior hacia el interior, recogiéndose en el extremo de la fibra. 22
  23. 23. Las membranas de fibra hueca que se fabrican son, por el momento, exclusivamente “integrales”, dada la dificultad técnica que entraña hacer membranas “compuestas de capa fina” con esta forma. Las membranas de fibra hueca presentan una gran superficie por unidad de volumen, por lo que se utilizan con polímeros cuyo caudal de permeado por unidad de superficie sea bajo. 2.2.4. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA Atendiendo a la composición química de la capa activa, las membranas pueden clasificarse en dos grandes grupos: • Orgánicas. • Inorgánicas. Membranas Orgánicas Reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánico. Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la ósmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de membranas de ósmosis inversa son: a. Acetato de celulosa (CA) Acetilando la celulosa procedente de la madera o del algodón se obtiene un producto llamado acetato de celulosa. Tratándolo con agentes saponificantes se hidroliza una pequeña parte de los grupos acetato, mejorando así su solubilidad y dando lugar al acetato de celulosa modificado. La primera membrana semipermeable quot;asimétricaquot; de ósmosis inversa para la desalación de agua la obtuvieron Loeb y Sourirajan a partir de una mezcla de acetatos de celulosa. Es, por tanto, un polímero muy experimentado. Gran parte de los fabricantes de membranas siguen contando con este material. Las membranas de acetato de celulosa tras su formación se someten a unos tratamientos complementarios o quot;curadoquot;. El objeto de este quot;curadoquot; es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas utilizadas. Existe una gran diversidad de membranas dependiendo de los resultados de estos tratamientos. 23
  24. 24. La tabla 2 recoge de forma resumida las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con acetato de celulosa. Tabla 2: quot;Membranas de acetato de celulosaquot;. Ventajas Inconvenientes Alta permeabilidad Alta sensibilidad a la hidrólisis Elevado porcentaje de rechazo de sales Posibilidad de degradación Tolerancia al cloro libre Alto riesgo de disolución de la membrana Bajo costo Aumento del paso de sales con el tiempo Elevadas presiones de trabajo Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. b. Triacetato de Celulosa (CTA) El triacetato de celulosa tiene un mejor comportamiento que el acetato de celulosa frente a la hidrólisis, lo que se traduce en la posibilidad de trabajar en una gama de pH algo más amplia. Este polímero, además de los inconvenientes señalados para el acetato de celulosa, presenta el añadido de tener un caudal de permeado por unidad de superficie más bajo. Estas circunstancias hacen que los fabricantes que lo utilizan elaboren con él membranas de fibra hueca ya que la superficie por unidad de volumen que se consigue con esta forma es elevada, contrarrestando así el bajo flujo de permeado. Algunos fabricantes utilizan también mezclas de acetato, diacetato y triacetato de celulosa, dependiendo de las características de las membranas que quieran obtener. c. Poliamida Aromática (AP) Dentro de este apartado existen dos polímeros básicos muy similares entre sí desde el punto de vista químico y, por tanto, con características de resistencia química parecidas. Dichos polímeros son: a) Poliamida aromática lineal (LAP) Este tipo de polímero se utiliza para fabricar membranas quot;integralesquot; tanto planas como de fibra hueca. b) Poliamida aromática entrecruzamientos (CAP) Este polímero se utiliza para fabricar membranas compuestas de capa fina. La tabla 3 muestra las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con una poliamida aromática. 24
  25. 25. Tabla 3: quot;Membranas de Poliamida Aromáticaquot;. Ventajas Inconvenientes Alto porcentaje de rechazo de sales Sensibilidad frente a los oxidantes Ausencia de hidrólisis Fácil ensuciamiento y aparición de desarrollos biológicos No biodegradabilidad Alto costo Alta estabilidad química Constancia del paso de sales a lo largo del tiempo Presiones de trabajo reducidas Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. d. Poliéter-Urea Las membranas con esta formulación son siempre quot;compuestas de capa finaquot;. Este tipo de membranas contiene un exceso de grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónica. La tabla 4 compara las membranas de acetato de celulosa, las de poliamida y las de poliéter-urea. Estos polímeros son los utilizados habitualmente para fabricar membranas de ósmosis inversa. Tabla 4: quot;Comparación de Membranas de celulosa, poliamida y poliéter-Ureaquot;. Parámetro Celulósicas Poliamida Poliéter-Urea Lineal Entrecruzada Permeabilidad Alta Baja Alta Alta Rechazo de Baja presión 75 96,0 98,0 97,5 cloruros % Media presión 95 - 97,5 96,0 98,2 99,0 Alta presión 99,0 99,4 99,4 99,2 Rechazo de nitratos % 85,0 88,0 - 94,0 98,0 94,0 Rechazo de sílice % 90,0 - 93,0 88,0 - 94,0 98,0 95,0 Presión de trabajo Baja 16 16 10 16 (bar) Media 30 30 20 25 Alta 60 - 70 70 - 84 60 - 70 56 - 70 Hidrólisis Sí No No No Biodegradabilidad Sí No No No PH de trabajo 4,5 - 6,5 4-9 4 - 11 5 - 10 Resistencia al cloro libre < 1 ppm 0 ppm 1.000 ppm 0 ppm Resistencia a otros oxidantes fuertes Moderada Mala Regular Muy mala Carga de la superficie Neutra Aniónica Aniónica Catiónica Morfología de la superficie Lisa Lisa Muy irregular Irregular Riesgo de ensuciamiento Bajo Medio Alto Bajo 25
  26. 26. Compactación Alta Alta Baja Baja Temperatura máxima (ºC) 35 40 45 45 Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. e. Poliacrilonitrilo Las membranas fabricadas con este polímero se comportan muy bien ante los disolventes orgánicos. El rechazo de sustancias orgánicas que presentan es también muy bueno. Sin embargo, desde el punto de vista del rechazo de sales minerales o de flujo de permeado, son mucho menos interesantes que las fabricadas con poliamidas aromáticas. f. Polibencimidazola Las membranas fabricadas con este polímero presentan una excelente resistencia tanto a pH extremos como a diferentes productos químicos, lo que permite aplicarlas en galvanoplastia y otros procesos industriales. La pérdida de caudal y de rechazo de sales que se produce durante su almacenamiento ha limitado, sin embargo, considerablemente su desarrollo. g. Polipiperacidamidas Estas membranas son mucho más resistentes al cloro y otros oxidantes que las de poliamida y poliurea. Aunque presentan un elevado rechazo de iones divalente, el rechazo de iones monovalentes es mucho menor, por lo que sólo pueden utilizarse para casos especiales. Con este polímero puede fabricarse tanto membranas quot;integralesquot; como quot;compuestas de capa finaquot;. h. Polifurano sulfonado Aunque estas membranas producen los máximos rechazos conocidos tanto de sales como de solventes orgánicos de entre todas las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado, son extraordinariamente sensibles a la oxidación, hasta tal punto que el propio oxígeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las destruye, lo que limita considerablemente su utilización. Estas membranas son siempre quot;compuestas de capa finaquot;. 26
  27. 27. i. Polisulfona sulfonada En estos momentos, las membranas quot;Compuestas de capa finaquot; de poliamida aromática poseen un conjunto de características de flujo, rechazo de sales y resistencia química excelentes. Si además fuesen resistentes al cloro libre y a otros oxidantes fuertes, tendríamos las membranas soñadas. Se ha pensado que la polisulfona sulfonada podría ser el polímero ideal que aglutine las ventajas de las membranas de poliamida con la resistencia al cloro libre. Para conseguir que las membranas de este polímero presenten flujos de permeado adecuados y rechazos de sales correctos, es necesario alcanzar un determinado contenido de grupos sulfónicos, lo que por el momento, está resultando difícil de lograr. Tabla 5: quot;Clasificación de las distintas membranas orgánicas disponiblesquot;. Polímero Fabricante Nombre Comercial Clasificación Naturaleza Forma Fluid Systems Roga Integral Plana Hydranautics CAB Integral Plana Nitto DenKo NTR 1500/1600 Integral Plana Acetato de Celulosa Toray SC Integral Plana modificado Desalination Systems Desal CA Integral Plana Permetec AC Integral Plana Osmonics Sepa Integral Plana Trisep SB Integral Plana Triacetato de Toyobo Hollosep Integral Fibra Hueca Dow Chemical Dowex LP, SP Integral Fibra Hueca Celulosa Poliamidas Du pont B9, B10 Integral Fibra Hueca Du pont * B -15 Integral Fibra Hueca aromáticas lineales Poliamidas Fluid systems TFCL Compuesta Plana Hydranautics CPA/SWC/ESPA Compuesta Plana aromáticas con Nitto DenKo NTR/SF/SR/UP/SWC Compuesta Plana entrecruzamientos Permetec PA Compuesta Plana Toray SU 700/800 Compuesta Plana Desalination Systems Desal 3 Compuesta Plana Filmtec FT - 30 Compuesta Plana Trisep ACM Compuesta Plana PCI ZF 99 Compuesta Tubular Polieter-Urea Fluid Systems TFC Compuesta Plana Hydranautics CPA 1 Compuesta Plana Nitto Denko NTR - 7100 Compuesta Plana Toray SU 400 Compuesta Plana Trisep A 15/X20 Compuesta Plana Polipiperacidamida Nitto Denko NTR7250/729HF Compuesta Plana Toray SU-200/600 Compuesta Plana Permetec LP Compuesta Plana Desalination Systems Desal 5 Compuesta Plana Filmtec NF 410 Compuesta Plana Polifurano sulfonado Toray PEC 1000 Compuesta Plana Polisulfona sulfonada Nitto Denko NTR 7400 Compuesta Plana Desalination Systems Desal plus Compuesta Plana 27
  28. 28. Millipore PSRO Compuesta Plana (*) No disponible en la actualidad. Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. La tabla 5 muestra la clasificación aproximada de las distintas membranas orgánicas de ósmosis inversa existentes en el mercado, en función de su composición química. Membranas Inorgánicas Las membranas orgánicas presentan dos limitaciones importantes que reducen su campo de aplicación: su estabilidad química y la resistencia a la temperatura. La búsqueda de soluciones a estos dos problemas ha desembocado en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Los cuatro grandes grupos en que se pueden clasificar las membranas inorgánicas son: A. Cerámicas Las membranas cerámicas han sido, hasta estos momentos, las más investigadas. De entre los distintos productos cerámicos, el más utilizado para la fabricación de membranas ha sido la alúmina (AlO3) en sus distintas variedades (Alfa, Beta y Gamma). Partiendo de un compuesto orgánico de aluminio, controlando la formación del gel y variando tanto las condiciones de precipitación como las de calcinación, se puede modificar el tamaño de los poros de la membrana obtenida. B. Vidrios Utilizando como materias primas, en proporciones adecuadas, cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, a los que se suele añadir óxido potásico, calcio y alúmina para aumentar su resistencia a los álcalis, y controlando durante la fusión tanto el régimen de temperaturas como su duración, se obtiene una mezcla de dos fases: una de vidrio de silicio casi pura y otra de ácido bórico rica en borato sódico. Tratando dicho vidrio con ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación puede controlarse el tamaño de los poros obtenidos. Con esta técnica pueden fabricarse membranas planas, tubulares o capilares. Tanto las membranas cerámicas como las de vidrio presentan el inconveniente de su fragilidad y su escasa resistencia a las vibraciones. 28
  29. 29. C. Fosfacenos Las membranas fabricadas con este polímero pueden soportar temperaturas de hasta 250 ºC en presencia de disolventes o ácidos y bases fuertes. D. Carbonos Las membranas de esta naturaleza presentan habitualmente una estructura compuesta. El lecho soporte suele ser de carbono sinterizado y la capa filtrante de óxidos metálicos a base de zirconio (ZrO2). Las membranas de este tipo pueden soportar valores extremos del pH (0-14) y temperaturas hasta 300 ºC. Como características comunes a las membranas inorgánicas cabe señalar que su desarrollo acaba de comenzar, disponiéndose solamente de membranas de microfiltración y ultrafiltración, no existiendo todavía en el mercado, en estos momentos, ninguna membrana de ósmosis inversa de esta naturaleza. Otras características comunes a estas membranas son su elevado costo (entre 5 y 10 veces el de una membrana orgánica) y la dificultad que presentan para elaborar módulos con ellas. 2.2.5. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CARGA SUPERFICIAL A veces los polímeros orgánicos con que se fabrican las membranas de ósmosis inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos (aminas, sulfónicos, carboxílicos, etc.), lo que confiere a la superficie activa de éstas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse determinando su quot;potencial Zquot;. Este parámetro da una idea de la carga eléctrica existente por unidad de superficie. Atendiendo a esta naturaleza, las membranas pueden ser: Neutras Aquellas que no presentan ninguna carga eléctrica. En estas membranas su quot;potencial Zquot; sería nulo. Catiónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es positiva. Atendiendo al mayor o menor valor de la carga eléctrica y, por tanto, del quot;potencial Zquot;, las membranas pueden ser fuertes o débilmente catiónicas. 29
  30. 30. Aniónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es negativa. Pueden igualmente ser fuerte o débilmente aniónicas. Los distintos grupos químicos pueden hidrolizarse o no, dependiendo del pH del medio, lo que altera la carga eléctrica resultante sobre la superficie de la membrana. Consecuentemente, dicha carga dependerá, en general, no sólo de la naturaleza del polímero sino también del pH de la solución de aporte. La naturaleza y magnitud de la carga eléctrica existente sobre la superficie de una membrana tiene mucho que ver tanto con su ensuciamiento como con la aparición y crecimiento de desarrollos biológicos sobre la misma. De esto se deduce que una membrana catiónica tendrá gran afinidad por los coloides, tanto orgánicos como minerales, de signo opuesto (aniónicos) que tenderán a depositarse sobre su superficie. Lo mismo sucederá con las membranas aniónicas y los coloides catiónicos. 2.2.6. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA MORFOLOGÍA DE SU SUPERFICIE Atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas pueden ser: Lisas Son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa. Rugosas Son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es rugosa. La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa, además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar. 2.2.7. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa en la presión de trabajo. Como dicha presión debe ser varias veces superior a la presión osmótica de la solución de aporte, debido, por un lado, a los fenómenos de polarización de la membrana, y por otro, al aumento de concentración que se produce a medida que se va generando permeado, su valor vendrá condicionado por la salinidad de la solución a tratar. 30
  31. 31. En la actualidad, las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado pueden encuadrarse en una de las cuatro categorías siguientes: Membranas de muy baja presión Son las que trabajan con presiones comprendidas entre 5 y 10 bares. Se utilizan para desalar aguas de baja salinidad (entre 500 y 1.500 mg/l) y fabricar agua ultra pura. Estas membranas, de reciente aparición en el mercado, han sido concebidas igualmente para competir contra el proceso de desmineralización de agua con resinas intercambiadoras de iones. Membranas de baja presión Este tipo de membranas trabajan a una presión comprendida entre 10 y 20 bares, Se utilizan para desalar aguas de salinidad media (entre 1.500 y 4.000 mg/l), así como para reducir o eliminar de ella ciertos compuestos como nitratos, sustancias orgánicas, pirógenos, etc. Membranas de media presión La presión de trabajo de estas membranas está comprendida entre 20 y 40 bares. Desde el punto de vista histórico, éstas fueron las primeras membranas que se comercializaron. Aunque se han venido empleando para desalar aguas de elevada salinidad (entre 4.000 y 10.000 mg/L), en la actualidad sus aplicaciones se han generalizado utilizándose en múltiples procesos de separación y concentración. Membranas de alta presión Estas membranas se han desarrollado para poder obtener agua potable a partir del agua del mar. Su presión de trabajo, debido a la elevada presión osmótica del agua de mar (20-27 bares, llegando en el Mar Rojo a 35 bares), está comprendida entre 50 y 80 bares. La meta de los distintos fabricantes de este tipo de membranas no fue sólo obtener agua potable a partir de agua de mar, sino hacerlo en un sólo paso. Como recomendaciones de la O.M.S. para el agua potable indicaban que su contenido máximo en sales disueltas no debía ser superior a 500 mg/L., el porcentaje mínimo de rechazo de sales que debían presentar estas membranas tenía que ser del orden del 99 %. Aunque inicialmente (en la década de los años 70) muy pocos fabricantes ofrecían esta posibilidad, en la actualidad todos los importantes disponen de membranas con rechazos de sales comprendidos entre el 99,2 y el 9,5 %. 31
  32. 32. 2.2.8. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA TÉCNICA DE FABRICACIÓN Atendiendo a la técnica utilizada para su fabricación, las membranas de ósmosis inversa pueden ser: De máquina Son aquellas en las que las reacciones entre los distintos compuestos que intervienen en su formación y la consiguiente fabricación de la membrana tienen lugar en una máquina destinada a tal fin. Dinámicas A diferencia de las membranas de máquina, las membranas dinámicas se fabrican in situ, esto es, en la instalación donde van a utilizarse. Para ello se filtra a través de un soporte poroso una solución que contiene determinadas sustancias coloidales o disueltas (óxidos de zirconio, ácidos poliacrílico y poliestirensulfónico, etc.). Si el tamaño de los poros del sustrato es adecuado, estas moléculas quedan retenidas en la superficie formando una pequeña película o quot;Capa Activaquot; que puede presentar una alta permeabilidad y un cierto rechaza de sales, en función de las condiciones de formación. La utilidad de estas membranas en el campo de la ósmosis inversa es, por el momento, escasa. Se utilizan solamente para aumentar el rechazo de sales de una membrana convencional. Así por ejemplo, recirculando una solución de ácido tánico a través de una membrana de ósmosis inversa de poliamida lineal, se consigue reducir su paso de sales a un tercio o a un quinto de su valor inicial. Este tipo de membranas presenta dos problemas importantes. El primero es que se van destruyendo con el tiempo. Por lo que deben ser formadas de nuevo periódicamente. El segundo es la variabilidad de los distintos parámetros ya que los valores que se obtiene suelen ser con frecuencia aleatorios. 2.3. MÓDULOS Industrialmente las membranas se colocan en una configuración determinada con el fin de que puedan soportar las diferentes presiones de trabajo. Para obtener un caudal dado de agua producto con las características óptimas, es necesario colocar en paralelo varias unidades elementales de producción. A estas unidades elementales se les llama módulos y consiste en una agrupación de membranas con una configuración determinada. Los objetivos que se pretenden conseguir con cada configuración son: 32
  33. 33. • Obtener el máximo rendimiento de las membranas. • Conseguir un sistema lo más compacto posible. • Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas. • Facilitar la sustitución de la membranas deterioradas. • Mejorar la limpieza de las membranas sucias. Existen varias configuraciones encaminadas a conseguir varios de estos objetivos. 2.3.1. CONFIGURACIONES Las configuraciones actualmente disponibles para los módulos o unidades de producción son: Módulos de placas Este tipo de configuración es el más antiguo. Está formado por un conjunto de membranas planas, recortadas generalmente en forma rectangular o de disco circular. Se apoyan sobre mallas de drenaje o placas porosas que les sirven de soporte. Las membranas se mantienen separadas entre sí por medio de espaciadores cuya anchura el del orden de los 2 mm. El módulo se obtiene apilando “paquetes” formados por espaciador - membrana - placa porosa - membrana. El conjunto así formado se comprime mediante un sistema de espárragos de manera que pueda soportar la presión de trabajo. La estanqueidad se logra mediante juntas elásticas colocadas en los extremos. La misión de los separadores o espaciadores es triple: • Separar las capas activas de dos membranas consecutivas. • Lograr un correcto reparto hidráulico de la solución a tratar sobre las membranas permitiendo el paso de líquido entre ambas. • Recoger de manera uniforme el rechazo impidiendo la formación de caminos preferenciales. Así como las membranas son responsables de separar el permeado de la solución de aporte, las placas soporte, además de suministrar resistencia mecánica a la membrana, deben recoger el permeado de forma uniforme y evacuarlo al exterior. 33
  34. 34. Membranas, espaciadores y placas porosas de un módulo de placas Módulo de placas. Distribución de flujos en cada paquete Módulos tubulares El nombre de esta configuración se debe a que los módulos se fabrican a partir de membranas tubulares y tubos perforados o porosos que les sirven de soporte, pudiendo así resistir el gradiente de presiones con que deben trabajar. Como esta configuración suele utilizarse para el tratamiento de líquidos cargados (aguas residuales, zumos, etc.), se colocan, a veces, en el interior de los tubos, dispositivos especiales destinados a producir altas turbulencias que aseguren elevadas velocidades de circulación sobre la superficie de las membranas e impidan la deposición sobre ellas de las distintas sustancias en suspensión existentes en el líquido a tratar. Módulo tubular Módulos espirales Esta configuración se llama así porque está formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo central. 34
  35. 35. Cada “paquete”, consta de una lámina rectangular de membrana semipermeable doblada por la mitad de forma que la capa activa quede en su exterior. Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales para recoger el permeado que atraviese la membrana y conducirlo hacia el tubo central de recogida. Encima de la capa activa de la membrana se coloca una malla provista de canales de distribución para repartir homogéneamente la solución de aporte sobre toda la superficie de la membrana. Para conseguir la estanqueidad entre la solución de aporte y el permeado se colocan, en los laterales de la lámina de ósmosis inversa, cordones de cola entre el tejido colector de permeado y las membranas, de forma que el sellante penetre totalmente en los tejidos. Los laterales del tejido colector del permeado se encolan igualmente al tubo central que es de material plástico y va provisto de orificios. El paquete así formado se enrolla alrededor del tubo central dando lugar a un cilindro al que se le colocan en sus extremos dos dispositivos plásticos para evitar su deformación, tras lo cual se recubre el conjunto con una capa de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio para darle la rigidez y la resistencia mecánica necesarias. Módulo de espiral de una hoja Este tipo de módulos se fabrican en los cuatro diámetros exteriores siguientes: 2 ½” 65 mm 4” 100 mm 8” 200 mm 10” 250 mm 35
  36. 36. Disposición transversal de un módulo espiral Si se utiliza un único “paquete” de membranas para fabricar los módulos de gran diámetro, se requerirían hojas muy largas, lo que originaría problemas hidráulicos en la recogida del permeado y, por tanto, en el reparto de la solución a tratar. Por este motivo, los módulos suelen fabricarse enrollando varios “paquetes” de membranas como los descritos pero de longitud reducida. Un módulo de 8” suele llevar entre 16 y 18 paquetes. La circulación habitual de flujos en este tipo de módulos es la mostrada en la figura 4.5. La solución de aporte circula en dirección axial, paralela al tubo central, conducida por la malla distribuidora existente entre las capas activas de dos membranas consecutivas. El permeado que atraviesa la membrana es recogido por el tejido colector, que lo lleva espiralmente al tubo central del que sale al exterior por uno de sus extremos. El rechazo o solución de aporte que no atraviesa la membrana continúa su avance en dirección axial, abandonando la malla distribuidora por el otro extremo. Los módulos espirales se interconexionan en serie dentro de un tubo destinado a soportar la presión de trabajo. En el interior de cada tubo pueden instalarse hasta siete módulos, alcanzándose longitudes totales superiores a los siete metros. La solución de aporte, a medida que va atravesando los distintos módulos instalados en serie, se va concentrando, siendo evacuada del tubo de presión por el extremo opuesto a su entrada. El permeado puede ser recogido en el mismo extremo que el rechazo o en el opuesto, según convenga. Módulos de Fibra Hueca Se llaman así porque se fabrican con varios centenares de miles de membranas de fibra hueca dobladas en forma de “U” y colocadas paralelamente a un tubo central. Las membranas se fijan en ambos extremos mediante resina epoxi para dar estabilidad al haz así formado. 36
  37. 37. La solución de aporte se introduce a presión en el tubo central quien la reparte radial y uniformemente a través de todo el haz de fibras. Cuando la solución a tratar entra en contacto con la superficie exterior de la fibra donde se encuentra la capa activa, una parte de la misma (el permeado) atraviesa la fibra moviéndose por su interior hueco hasta el extremo abierto. Los finales abiertos de las fibras huecas están embebidos en una masa de resina epoxi, constituyendo uno de los extremos del haz. Esta masa, una vez mecanizada para abrir las fibras, se conoce con el nombre de “placa tubular”. Cuando el permeado abandona el haz de la placa tubular, pasa a través de un bloque poroso antes de alcanzar el exterior del módulo. El bloque poroso tiene por misión lograr un correcto reparto hidráulico en la recogida de permeado y, por tanto, también en la distribución de la solución de aporte a través del haz de fibras. El rechazo se mueve hacia la placa de epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras, saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre ésta y la carcasa exterior. Una junta tórica situada en la placa tubular impide que el permeado se mezcle con el rechazo. El haz de fibras se instala en el interior de un tubo fabricado con epoxi y fibra de vidrio cuya misión es soportar, desde el punto de vista mecánico, las presiones de trabajo. Esquema de un módulo de fibra hueca Este tipo de módulos, en el campo de la ósmosis inversa, sólo son fabricados por tres compañías: - DU PONT (PERMASEP) (ya no fabrica) - TOYOBO (HOLLOSEP) 37
  38. 38. - DOW CHEMICAL (DOWEX) 2.3.2. COMPARACIÓN ENTRE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES De las cuatro configuraciones presentadas, las más utilizadas en la ósmosis inversa son la espiral y la de fibra hueca. Los módulos tubulares se comportan muy bien con líquidos cargados pero, por el contrario, como la superficie de membrana disponible por módulo es baja, se precisan muchos módulos y mucho espacio. Esto se traduce en una inversión costosa y un bajo mantenimiento al no ensuciarse. Los módulos de fibra hueca, sin embargo, son muy compactos ya que la superficie de membrana por unidad de volumen que presentan es elevada. Esa gran compacidad, que desde el punto de vista de la inversión es ventajosa, hace que sean más sensibles que otras configuraciones al ensuciamiento, tanto por sustancias coloidales como por sustancias en suspensión. Esta circunstancia recomienda su uso sólo en aplicaciones con líquidos muy limpios ya que en caso contrario, aunque la inversión fuese reducida, los costos de operación y mantenimiento serían elevados por las frecuentes limpiezas y deterioros de los módulos. Todas las configuraciones, utilizando membranas con la misma química y la misma estructura, permiten obtener valores similares en el permeado. Pero ése no es el problema. Además de la química de la membrana, es preciso seleccionar la configuración o tipo de módulo a utilizar de forma que el costo total del producto que se obtenga con el proceso, entendiendo como tal la inversión inicial más los costos de operación y mantenimiento, sea mínimo. Una característica de gran importancia a la hora de inclinarse por una u otra configuración, cuando ambas presentan análogos resultados económicos, es su sustitución e intercambiabilidad. Una vez construida una planta de ósmosis inversa se puede suceder que circunstancia no previstas inicialmente desaconsejen utilizar las membranas con la química seleccionada o bien que, con el tiempo, una determinada firma saque al mercado una membrana de mejores características (menor presión de trabajo, mayor rechazo de sales, mayor resistencia química, etc.). Si los módulos instalados pudiesen ser sustituidos por los de nueva aparición sin tener que cambiar los tubos de presión, las tuberías, soportes, válvulas etc., diríamos que serían intercambiables, lo que, llegado el caso, supondría un ahorro considerable. Adicionalmente, a la hora de reemplazar los módulos que se han ido deteriorando en una planta, puede obtenerse un mejor precio si, debido a su equivalencia en intercambiabilidad, se ponen varias firmas en competencia para hacerse con la sustitución. 38
  39. 39. Desgraciadamente, en la actualidad, esta posibilidad sólo existe en los módulos espirales. Se puede construir una planta con los módulos espirales de una marca y pasar a trabajar al cabo del tiempo con los de otra firma sin ningún problema. Tabla 6: quot;Comparación de los diferentes tipos de módulosquot;. Características Tipo de módulos De placas (P&F) Tubular (TU) Espiral (SW) Fibra hueca (HF) Superficie de membrana por módulo 15-50 1,5-7 30-34 370-575 (m2) Volumen de cada módulo (m3) 0,30-0,40 0,03-0,1 0,03 0,04-0,08 Caudal por módulo (m3/día) 9-50 0,9-7 30-38 40-70 Grado de compactación (m2 de 50-125 50-70 1.000-1.100 5.000-14.000 membrana m3) Productividad por unidad de 0,6-1 0,6-1 1-1,1 0,1-0,15 superficie (m3/día por m2) Productividad por unidad de volumen 30-125 30-70 1.000-1.250 900-1.500 (m3/día por m3) Conversión de trabajo por módulo 10 10 10-50 30-50 (%) Pérdida de carga por tubo de presión 2-4 2-3 1-2 1-2 (bar) Sustitución, intercambiabilidad por Nula Nula Total Nula otra marca Tolerancia frente a sustancias Mala Buena Mala Mala coloidales Tolerancia frente a materia en Mala Buena Mala Muy Mala suspensión Comportamiento Mecánica Regular Bueno No aplicable No aplicable frente a las Química Bueno Bueno Bueno Bueno limpiezas Agua a presión Excelente Bueno Bueno Bueno Pretratamiento necesario Coagulación + Filtración Coagulación + Coagulación + filtración 5µm filtración 5µm filtración 1µm Alimentación Alimentación Desalación de Desalación de aguas salobres y aguas salobres y de mar de mar Aplicaciones Líquidos poco Aguas residuales Obtención de Obtención de cargados y líquidos aguas de alta aguas de alta cargados pureza pureza Concentración y Concentración y Concentración y Concentración y recuperación de recuperación de recuperación de recuperación de sustancias sustancias sustancias sustancias Fuente: FARIÑAS IGLESIAS, MANUEL. Ósmosis Inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones. McGrawHill. España 1999. 2.4. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Una planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa consta esencialmente de siete partes claramente diferenciadas: Área de captación de agua de mar. Pretratamiento físico químico. Bombeo a alta presión. Sistemas de recuperación de energía. 39
  40. 40. Unidad de ósmosis inversa. Limpieza de las membranas. Postratamiento del agua producida. Dependiendo del tamaño de la planta y de las características físicas y biológicas del agua bruta de mar, la instalación será simple o más o menos compleja, donde su diseño obedecerá a criterios económicos y a costos de explotación y mantenimiento. 2.4.1. CAPTACIÓN DEL AGUA DE MAR La localización de la toma de agua de mar es el factor que más determina el pretratamiento requerido del agua de alimentación. Hay dos tipos de captación del agua bruta de mar: toma profunda (pozo) y toma superficial (abierta). El índice de ensuciamiento es menor y casi constante cuando la toma es profunda y alejada de la costa o playa, mientras que si la toma es superficial y cercana a la costa su valor será tanto mayor cuanto mayor sea la actividad biológica por la proximidad de desechos de residuos urbanos. Desde el punto de vista del explotador, es preferible tener una captación del agua bruta de mar a través de pozos, lo que redundará en un menor coste de operación. Normalmente en el caso de la toma de agua de mar sea profunda, la captación se realiza a través de bombas sumergibles o fundamentalmente con bombas centrífugas horizontales y autocebantes, para evitar los problemas de corrosión por contacto directo del agua de mar. Otro inconveniente que presenta la bomba sumergible es que su tamaño y prestaciones condicionan su elección, no teniendo el mercado una gran variedad para los grandes caudales a captar. 2.4.2. PRETRATAMIENTO FÍSICO QUÍMICO Fuente: - MEDINA SAN JUAN, JOSÉ ANTONIO. Desalación de Aguas. Ósmosis Inversa. Mundi-Prensa. España. 2000. Para conseguir una operación con resultado satisfactorio, es necesario acondicionar el agua bruta de mar mediante un pretratamiento físico químico, que garantice la total eliminación de problemas al funcionamiento de las membranas de ósmosis inversa. 40

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