Osmosis_Inversa

8/7/2019 Osmosis_Inversa

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Experimentación Avanzada

Departamento de Ingeniería Química y Nuclear

kkimic



http://www.todoquimica.tk La web de kkimic


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1.- INTRODUCCIÓN

Con el crecimiento de la población mundial la demanda de agua dulce a aumentado, sisumamos ha esto el crecimiento industrial, el tratamiento de aguas y efluentes se hatransformado en algo importantísimo para el desarrollo de esta sociedad. Es por esta razón

que se ha declarado al agua como un recurso escaso, de acuerdo a la ubicación y recursoseconómicos de los distintos países, estos adoptan distintas técnicas de tratamientos deefluentes y aguas. Por ejemplo, en países donde la energía es barata, se opta por tratamientoscomo la evaporación de aguas salobres, en otros países ricos en aguas subterráneas se opta por el tratamiento de intercambio iónico. Con el desarrollo de la tecnología actual, se han creadonuevas alternativas para el tratamiento de aguas y efluentes, esta alternativa es la osmosisinversa la cual a tenido un desarrollo masivo en el campo de la desalación de aguas salobres,sobre todo en el campo industrial, reemplazando o complementando a los métodos anteriores,ya que es un método no excluyente de los otros. Y en algunos países se ha transformado en laúnica opción factible.

En la presente practica explicaremos en que consiste esta técnica, algunas de susaplicaciones, las ventajas y desventajas respecto de los otros métodos existentes paratratamientos de aguas y se explicarán las condiciones en que opera la ósmosis inversa, la cuales solución para muchos de los problemas sobre abastecimientos de aguas y tratamiento deefluentes que hoy aquejan a poblaciones e industrias de todas partes del mundo.





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2.- DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN

1.- Principio de la Osmosis Inversa

La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución,

mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semipermeable. Su nombre proviene de"osmosis", el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales yanimales para mantener la vida.

En el caso de la Osmosis, el solvente (no el soluto) pasa espontáneamente de unasolución menos concentrada a otra más concentrada, a través de una membranasemipermeable. Entre ambas soluciones existe una diferencia de energía, originada en ladiferencia de concentraciones. El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar elequilibrio. Si se agrega a la solución más concentrada, energía en forma de presión, el flujo desolvente se detendrá cuando la presión aplicada sea igual a la presión Osmótica Aparente entre las 2 soluciones. Esta presión Osmótica Aparente es una medida de la diferencia deenergía potencial entre ambas soluciones. Si se aplica una presión mayor a la solución másconcentrada, el solvente comenzará a fluir en el sentido inverso. Se trata de la OsmosisInversa. El flujo de solvente es una función de la presión aplicada, de la presión osmóticaaparente y del área de la membrana presurizada.

Los componentes básicos de una instalación típica de osmosis inversa consisten en untubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de estostubos, ordenados en serie o paralelo. Una bomba suministra en forma continua el fluido atratar a los tubos de presión, y, además, es la encargada en la práctica de suministrar lapresión necesaria para producir el proceso. Una válvula reguladora en la corriente deconcentrado, es la encargada de controlar la misma dentro de los elementos (se denominan asía las membranas convenientemente dispuestas).

Hoy en día, hay 3 configuraciones posibles de la membrana: el elemento tubular, elelemento espiral y el elemento de fibras huecas. Más del 60% de los sistemas instalados en elmundo trabajan con elementos en espiral debido a 2 ventajas apreciables:

- Buena relación área de membrana/volumen del elemento.- Diseño que le permite ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las

aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de 3 veces mayor que loselementos de fibra hueca.

Este elemento fue desarrollado a mediados de la década del 60, bajo contrato de laoficina de aguas salinas. En la actualidad estos elementos se fabrican con membranas deacetato de celulosa o poliamidas y con distinto grados de rechazo y producción.





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SoluciónConcentrada

Osmosis Normal Equilibrio Osmótico Osmosis Inversa

Figura 1: Principios de las Osmosis Normal e Inversa.

2.- Aplicaciones de la Osmosis Inversa

Entre 1950 y 1970, se llevaron a cabo innumerables trabajos a fin de implementar eluso de la osmosis inversa en la desalación de aguas salobres y agua de mar.

A partir de 1970, esta técnica comenzó a ser competitiva, y en muchos casos superior a algunos de los procesos y operaciones unitarios usados en concentración, separación ypurificación de fluidos. Hay razones para justificar esta creciente supremacía, ya que laosmosis inversa reúne características de excepción, como:

- Permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos) disueltos en el agua(hasta el 99%).

- Remueve los materiales suspendidos y microorganismos.- Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y en forma continua.- Es una tecnología extremadamente simple, que no requiere de mucho mantenimiento y

puede operarse con personal no especializado.- El proceso se realiza sin cambio de fase, con el consiguiente ahorro de energía.- Es modular y necesita poco espacio, lo que le confiere una versatilidad excepcional en

cuanto al tamaño de las plantas: desde 1 m3/día, a 1.000.000 m3/día.

La osmosis inversa puede aplicarse en un campo muy vasto y entre sus diversos usospodemos mencionar:

- Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de poblaciones.- Tratamiento de efluentes municipales e industriales para el control de la contaminación

y/o recuperación de compuestos valiosos reutilizables.

- En la industria de la alimentación, para la concentración de alimentos (jugo de frutas,tomate, leche, etc.).





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- En la industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de virus, etc.

Se han efectuado numerosas experiencias para concentrar y purificar líquidos y gases.No obstante, las aplicaciones más difundidas son las que trataremos a continuación.

Tubo de Presión

Ajuste de pH Permeado

Membrana

Alimentación

Microfiltro

Válvula

Reguladora

Concentrado

Figura 2: Esquema básico de un sistema de ósmosis inversa.

TABLA I Rechazo de

Inorgánicos

Membranas

Cationes Aniones

Nombre Símbolo %Rechazo Nombre Símbolo %Rechazo

Sodio

Calcio

Magnesio

Potasio

Hierro

Manganeso

Aluminio

Amonio

CobreNíquel

Estroncio

Cadmio

Plata

Arsénico

Na+

Ca++

Mg ++

K +

Fe++

Mn++

Al+++

NH 4+

Cu

++

Ni++

Sr ++

Cd ++

Ag +

As+++

94-96

96-98

96-98

94-96

98-99

98-99

99+

88-95

96-9997-99

96-99

95-98

94-96

90-95

Cloruro

Bicarbonato

Sulfato

Nitrato

Fluoruro

Silicato

Fosfato

Bromuro

BoratoCromato

Cianuro

Sulfito

Tiosulfato

Ferrocianuro

Cl-

HCO 3-

SO 4-

NO 3-

F -

SiO 2-

PO 4-

Br -

B4O 7 -

CrO 4-

CN -

SO 3-

S 2O 3-

Fe(CN)6 -

94-95

95-96

99+

93-96

94-96

95-97

99+

94-96

35-70**90-98

90-95**

98-99

99+

99+





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Orgánicos

Nombre Peso Molecular %Rechazo

Sucrosa

Lactosa

Proteínas

Glucosa

Fenol

Acido Acético

Tinturas

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

Demanda química de oxígeno (COD)Urea

Bacterias y Virus

Pirógenos

342

360

Mayor 10.000

198

94

60

400 a 900

-----

-----60

5.000-100.000

1.000 - 5.000

100

100

100

99,9

93-99**

65-70

100

90-99

80-9540-60

100

100

** Depende del pH.

3.- Abastecimiento de Agua Potable

El desarrollo de la Osmosis Inversa estuvo íntimamente ligado al abastecimiento deagua potable mediante el uso de recursos salobres. El suministro de agua es un problema

creciente en muchos países del mundo, ya que una cantidad apreciable de comunidades venafectados sus recursos hídricos por una creciente escasez, salinidad o contaminación de losmismos. Este problema es común en las regiones áridas y semiáridas de los países.

En la actualidad, muchas comunidades del mundo se abastecen de agua potablemediante el uso de sistemas de Osmosis Inversa (Sur de los Estados Unidos, Oeste y Centrode México, Israel, Países Árabes, etc.).

Los mismos brindan una solución técnico-económica interesante, especialmente parapoblaciones que por su ubicación geográfica no cuentan con recursos utilizables. Paraejemplificar, podemos citar el caso de Ocean Reef Club, Key Largo, Florida, E.E.U.U., donde

el agua de mar invadió los acuíferos subterráneos. En 1972 fue instalada una planta con unacapacidad de 1300 m3/día y un año más tarde fue ampliada a 2400 m3/día. El sistema reducelos sólidos totales disueltos de 7000 a 390 ppm (ver tabla II) y provee agua a la comunidad acostos inferiores a los que insumiría la utilización del acueducto de Florida, que provee agua ala península desde el continente. Los costos de operación típicos para el sistema de Key Largoson de 2-2,5 centavos de dólar en energía y 0,8-1,3 centavos de dólar en reactivos químicospor m3 de agua producida.

El sistema usa elementos en espiral y fue instalado por la División Fluid Systems deUOP. Tiene 900 elementos contenidos en 150 tubos de presión operando entre 28 y 35 kg/cm2 de presión. Normalmente, las membranas de este sistema duran tres años, y la mayor parte delcosto de operación lo constituye el reemplazo de las mismas.





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El sistema requiere aproximadamente entre 15 y 30 minutos de atención diaria.

Los costos de inversión y operación para los sistemas de Osmosis Inversa que operancon agua salobre de hasta 10.000 ppm de sólidos disueltos, pueden observarse en la tabla III.

Debido a la versatilidad de la tecnología considerada, se han difundido en E.E.U.U. yEuropa pequeños equipos (menos de 5 m3/día) que abastecen de agua potable a familias,comercios e instituciones (hospitales, hoteles, etc.). Estas unidades son de bajo costo y fáciloperación, lo que les permite ser utilizadas para reducir los sólidos totales disueltos,contaminantes (Ar, F, etc.) y eliminar microorganismos del agua afectada al consumohumano.

Tabla II Análisis del Agua de Alimentación y Producto de la

Localidad de Ocean Reef, Florida, EE.UU.

Constituyente Alimentación (ppm)

Concentrado (ppm)

Producto (ppm)

Ca++

Mg ++

Na+

K +

HCO 3-

SO 4--

Cl-

NO 3-

F -

SiO 3--

Fe++

200

170

1920

85

220

752

3200

0,09

1,510

1,2

340

304

3200

138

92

1448

5400

0,31

2,822

1,8

2,9

3,1

145

11

7,9

5,4

242

0,009

0,31

0,05

STD 6604 9600 395





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Tabla III Costos Aproximados de Inversión y Operación de Sistemas de

Osmosis Inversa

Costos de Operación ($/m 3

producidos)* Capacidad (m 3 /h)

Costos deinversión

(miles de $)Energía

Químicos

Reposición Membranas Total

2

10

100

7.400

38.000

300.000

34

25

20

10

10

7

40

30

25

84

65

52

*Los insumos importados fueron calculados con el dólar a $370.

4.- Abastecimientos de Aguas para usos Industriales

En los últimos diez años, debido al creciente desarrollo industrial, se esta produciendoun alarmante deterioro de los recursos hídricos disponibles (en su gran parte subterráneos).Este deterioro se traduce en un agotamiento del medio utilizado que obliga a recurrir a fuenteshasta el momento no consideradas como de uso posible. Como ejemplo, podemos citar zonasdel Gran Bs. As. , Tales como los partidos de San Fernando, La Matanza, Quilmes,Berazategui, etc., donde las industrias de la zona están planteándose la necesidad de recurrir alos acuíferos más profundos, de alto contenido salino (mayor de 2000 ppm de STD). Por lasmismas razones, muchas industrias se enfrentan a una creciente y, por lo tanto, alarmante

contaminación salina de las aguas utilizadas, lo que representa un aumento importante en loscostos de operación.

Una exitosa solución a este problema ha sido, en otros países, el uso de las técnicas deOsmosis Inversa como complemento o parte única en el tratamiento de aguas para calderas,circuitos de enfriamiento, procesos, sanitarios, etc.

La Osmosis Inversa, sin ser la más acabada solución al problema, ofrece probados ysatisfactorios beneficios técnico-económicos en la aplicación industrial.

Como ejemplo, podemos citar el caso de una importante industria del Gran BuenosAires, que en los últimos años vio agravado su abastecimiento de agua por un irreversiblecrecimiento salino (de 600 ppm a 3000-4000 ppm STD). Esta situación, además de elevar considerablemente los costos operativos de sus sistemas tradicionales, llegó a poner en peligrola producción. Ante la gravedad del problema, las autoridades de la empresa se plantearonseriamente la necesidad de encontrar una urgente solución. Las alternativas planteadas fuerondos: Construir un acueducto de un recurso superficial cercano, o instalar un sistema deósmosis inversa. La decisión se inclinó hacia la segunda alternativa, por presentar lassiguientes ventajas:

- Menor inversión inicial y posibilidad de realizar la misma en forma escalonada, debido al

carácter modular de la técnica.





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- Costos operativos competitivos (se debe aclarar que la paridad de los costos se daba enesta oportunidad por tratarse de un acueducto de escasa extensión).

Calderas

17 m3/h

20 m3/h T.D.Prensas

3 m3/h

E.O.I 145 m3/h 80m3/h 30 m3/h 38 m3/h

M (1150 ppm) Ab Enfriamiento

(5000 ppm) (150 ppm)

8 m3/h

(5000 ppm)

65 m3/h (10.900 ppm) 30 m3/h 42 m3/h

M Sanitarios

(1500 ppm)

12 m3/h (5000 ppm)

La figura muestra una alternativa de cómo sería utilizado el sistema en el casomencionado. La misma muestra la posibilidad del mezclado de aguas de distinta calidad y eluso de los equipos preexistentes. (T.D., Torre Descarbonatadora - M, Mezclador - Ab,Ablandador).

La técnica más comúnmente utilizada en el tratamiento de aguas para uso industrial, esel intercambio iónico. En muchos casos, la capacidad de los equipos intercambiadores hadisminuido a casi la mitad, debido a un aumento de los sólidos totales disueltos en el agua atratar, a la degradación o ensuciamiento de las resinas o a la combinación de ambos factores.Conjuntamente con la disminución de la capacidad, se da el aumento de los costos de losregenerantes químicos (especialmente, los ácidos y la soda cáustica) y el aumento del dopajede los mismos para aumentar la calidad del agua.

El uso de equipos de Osmosis Inversa como pretratamiento de los sistemas deintercambio o, en algunos casos, como único tratamiento, se ha generalizado en todo elmundo debido a una serie de ventajas como las que se describen a continuación:

- Disminución apreciable de los costos operativos, fundamentalmente por la disminución deregenerantes químicos (hasta el 80%) y mano de obra.

- Mejoramiento de la calidad del agua producto, cabiendo señalar que combinado condesmineralizadores, se utiliza en la producción de agua ultrapura.

- Prolongación de la vida útil de las resinas de intercambio por la eliminación de los sólidosorgánicos disueltos y en suspensión.

- Disminución del tamaño de los equipos convencionales.- Reducción del contenido de sílice.

Para ejemplificar, podemos citar el caso de la compañía Texas Utilities Generating,que en el año 1970 tuvo problemas como los anteriormente descritos, en el agua de reposiciónde las calderas de alta presión. En mayo de 1971 instala un sistema de osmosis inversa de 240





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m3/día como pretratamiento a una bacteria de desmineralizadores. La inversión inicial delequipo de ósmosis inversa fue de 45.0000 dólares, mientras que un nuevo desmineralizador para trabajar con alto contenido de sólidos totales disueltos, suponía una erogación de 100.000dólares.

Cal Floculantes

Filtración Agua cruda Reciclo Efluentes

Clarificador

Osmosis Inversa Producto

By pass

A Calderas

Este sistema funcionó durante 2 años con un tipo de membrana (elemento RogaModelo 4000- Fluid Systems), y en el año 1974 se produjo el reemplazo por elementos demejor rechazo y producción (elementos Roga Modelo 4100).

En la Tabla IV se muestra la calidad del agua producida por el equipo de OsmosisInversa y en la Tabla V, los costos Comparativos.

Tabla IV Análisis del Agua Tratada y Producida por el Sistema de

Osmosis Inversa de Texas Utilities Generating

Alimentación Producto

PH

Conductividad (µ -mhos)

Cloruros ppm ClNa

Sulfatos ppm SO 4Ca

Dureza ppm CO 3Ca

Sílice ppm SiO 2

Sólidos totales disueltos ppm

5

1900

485

798

430

0,93

1279

6

120

38

28

16

0,12

70





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Tabla V

Costos Comparativos de Operación

1.- Sin Osmosis Inversa

- Pretratamiento

- Desmineralizador catiónico-aniónico 1,47 U$S/m3

(150 m3 entre regeneraciones) Producido

- Desmineralizador lecho mixto

2.- Con Osmosis Inversa (Membranas Iniciales)

- Pretratamiento

- Osmosis Inversa (energía, químicos y 0,44 U$S/m3

reemplazo de membranas) Producido

- Desmineralizador catiónico-aniónico

(750 m3entre regeneraciones)

- Desmineralizador Lecho Mixto

3.- Con Osmosis Inversa (Nuevas Membranas)

- Pretratamiento

- Osmosis Inversa 0,21 U$S/m3

- Desmineralizador catiónico-aniónico Producido

(3700 m3

entre regeneraciones)- Desmineralizador Lecho Mixto

En la actualidad, la unidad industrial más grande (13.000 m3/día) se encuentrainstalada en Sumitomo Metal Industries, en Kashima, Japón. Esta unidad procesa agua dereposición de calderas y funciona con elementos Roga de 4 pulgadas de diámetro.Actualmente, se fabrican elementos de 8 y 12 pulgadas que permiten unidades más compactasy, por lo tanto, menores costos de inversión y operación. Asimismo, el uso de la OsmosisInversa en aquellas industrias que requieren agua ultrapura (electrónica, farmacéutica, usinas

termoeléctricas, etc.), tiene una amplia aceptación debido al mejoramiento de la calidad delagua y a la disminución de los costos.

5.- Tratamiento de Efluentes

Los tratamientos primarios y secundarios de los efluentes municipales reducen lademanda bioquímica de oxígeno (DBO) y los sólidos suspendidos. Estos tratamientos, sinembargo, no eliminan algunas sustancias solubles -inorgánicas u orgánicas- tales comonitratos, fosfatos y sustancias no biodegradables. La ósmosis inversa puede, efectivamente,reemplazar los tratamientos terciarios y, algunas veces, los secundarios, ofreciendo un mediosimple para recuperar el agua de efluentes a una calidad prácticamente utilizable para muchosrequerimientos.





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Proceso Filtro

Barro arena

Activado Adsorción

Con carbón

Efluente Filtro Osmosis

Primario arena Inversa

Floculante químico

Concentrado

Clarificación Filtro

Química arena

Adsorción

Barros con carbón

6.- Osmosis inversa anómala

6.1 Polarización

La polarización es un fenómeno por el cual la concentración de un soluto en lasparedes de la cámara de rechazado es mayor que en el seno de la disolución de rechazado.Este fenómeno se origina por el arrastre de las moléculas de soluto hacia la pared de lamembrana por parte del disolvente que permea a través de la membrana. En condicionesestacionarias este arrastre viene compensado por la retrodifusión del soluto.

El disolvente (flecha azul) puede atravesar la membrana. Con este flujo se arrastran moléculas o iones, que nopueden atravesar la membrana, hacia ésta (flecha roja). Debido al gradiente de concentraciones entre lasproximidades de la membrana y el seno de la disolución se produce un flujo difusional hacia el seno de la

disolución (flecha negra). En estado estacionario ambos flujos: el de arrastre y el difusional deben ser losmismos.





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El fenómeno de polarización complica tanto desde el punto de vista práctico comoteórico el diseño y matematización de un gran número de procesos de separación conmembranas.

6.2 Ensuciamiento

El ensuciamiento de membranas es el principal problema que afecta la operación delos sistemas de ósmosis inversa. Este ensuciamiento, ya sea de origen mineral, biológico ocombinado ha sido considerado como inevitable por varios expertos.

En los equipos de ósmosis inversa y otros equipos de separación por membranas,algunos sistemas industriales extienden la vida útil de las membranas, reducen el número delimpiezas y estabilizan la producción del sistema. Al prevenir que las partículas (microbiosincluidos) se depositen sobre las superficies húmedas y las membranas se detiene elensuciamiento de las mismas.

El efecto producido por estos sistemas se debe a la alteración de la densidad de carga

superficial tanto de las partículas en el fluido como de las superficies húmedas y membranas.

El ensuciamiento de las membranas suele manifestarse bajo uno o varios de lossiguientes síntomas:

• Aumento en la presión de alimentación para mantener el flujo del permeado

• Reducción en el flujo normalizado del permeado

• Aumento en el diferencial de presión

• Aumento en el porcentaje de sales permeadas y reducción del porcentaje de

recuperación• Reducción en la calidad del permeado

Los siguientes son efectos que se observan en sistemas de ósmosis inversa seguida lainstalación de dichos sistemas industriales:

En sistemas con membranas limpias;

• Disminución en la frecuencia de limpiados a las membranas

• Flujo normalizado del permeado constante

• Diferencial de presión bajo y constante

• Rechazo de sales constante

• Porcentaje de recuperación constante

En sistemas con las membranas sucias:

• Aumento en el flujo normalizado del permeado

• Reducción en la presión de alimentación

• Reducción en el diferencial de presión• Aumento en el porcentaje de recuperación.





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7.- Consejos para mejorar el funcionamiento de un equipo de OI

7.1 Determinar el lugar de inyección de químicos en la osmosis inversa

El pretratamiento químico como dispersante, anti-incrustante y antimicrobiológico esnormalmente inyectado en la alimentación mediante una bomba dosificadora de químicos,algunas bombas de inyección de químicos pueden tener inyección continua al flujo siempre ycuando tengan un control de frecuencias de pulsaciones para ajustar los pulsos de la bomba.,un resultado de la inyección por pulsos es que el químico es inyectado en forma desigual detal forma que en ciertos puntos de la alimentación puede ser mas alta la concentración que enotras secciones tal como la alimentación cercana a tuberías y válvulas que tienen ciertaresistencia. La dosificación llega a ser más consistente.

Algunos usuarios han encontrado ayuda en los "mezcladores" en línea, pero si el puntode inyección de químicos esta colocado antes de los prefiltros, la turbulencia natural que

ocurre en un prefiltro asegura la consistencia en la concentración de químico después delprefiltro y antes de las membranas.

7.2 Sistema de autoflush antes de apagar el sistema

Previo al pagado del sistema, un flujo de permeado a baja presión debe realizarse, estees una característica estándar que tiene muchos sistemas llave en mano pero debe estar instalado en todos los sistemas que estén sujetos a incrustación.

Sino es posible este flujo de permeado para este enjuague, recomendamos usar agua

sin cloro para una membrana de capa delgada de poliamida (TFC) a baja presión, si éste tipode enjuague no se realiza antes de apagar el sistema, los constituyentes del concentrado en elrechazo tienen una tendencia de la membrana, incrustado en esta misma.

Aunque algunos incrustantes pueden resolubilizarse una vez que el sistema ha sidoencendido, invariablemente algunos otros de los incrustantes pueden permanecer como sitiosde nucleación acelerando futuras incrustaciones en la membrana y causando un taponamiento.El flujo con agua de permeado diluye la concentración de la salmuera o agua de rechazo, detal forma que ninguno de sus constituyentes precipita en la membrana.

7.3 Mantener datos de operación confiables

Cuando el funcionamiento del sistema disminuye en un 10%, ya sea que disminuya elflujo de permeado un 10% a una presión constante o si aumenta en un 10% la presión dealimentación para mantener un flujo constante, es tiempo de limpiar las membranas. Cuandolas membranas no se limpian de acuerdo a la regla del 10%, estas son incrustadas másseveramente y pueden hacer mas difícil el proceso de limpieza.

En algunos de los casos, la contaminación puede depositarse en la superficie de lamembrana, reduciendo el rechazo de sales de la membrana. También la contaminación en altogrado puede causar extrusión o telescopía de la membrana debido a presiones excesivas de

trabajo, además aun cuando ocurre una incrustación los constituyentes del agua puedengenerar una afinidad con los incrustantes y acelerar el proceso de incrustación.





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7.4 Evitar golpes de presión en membranas

Cuando se arranque o se pare un equipo de Osmosis Inversa durante un proceso delimpieza, es importante que la presión sea gradualmente aumentada o disminuida, si la presiónes repentinamente aumentada o disminuida, se pueden golpear las membranas con dichapresión tal que un daño irreparable puede ser ocasionado en la membrana (telescopía oruptura).

Las presiones deben ser disminuidas gradualmente debido al vacío que se presentamientras el agua sale a través del sistema, pero no es recomendable volver a llenar esteespacio.

7.5 Normalización continúa con los datos de operación OI

Variaciones en la temperatura de alimentación de agua afectan flujos y presiones en elsistema de osmosis inversa, como regla, para cada grado centígrado de temperatura quedisminuya, se espera un aumento del 3% en la presión de alimentación a un flujo constante. Apresión constante se puede observar una disminución de un 3% en el flujo de agua deproducto por cada grado que se enfríe el agua.

La respuesta del sistema a las temperaturas es debido a que aumenta la viscosidad enel agua haciendo más difícil para el agua pasar a través de la membrana, si los datos de aguano son normalizados (bajas temperaturas), el operador puede realizar una limpieza prematuradel sistema basada en altas presiones de alimentación ocasionadas por un aumento en laviscosidad del agua y no por un problema de incrustación. Paralelamente si el agua se calientay estos datos no son normalizados. Los operadores pueden determinar la necesidad de unalimpieza de membranas ocasionadas por bajas presiones.

7.6 Cuando se utilizan membranas poliamida capa delgada (tfc), se debe removerel cloro de la corriente de alimentación utilizando un filtro de carbón o inyección demetabisulfito de sodio.

Si el cloro toca la membrana, esta se oxidará y degradará la membrana.

El daño se hace aparente en las líneas de pegamento de las hojas de la membrana y elrechazo de sales de la membrana se verá comprometido.

El carbón remueve el cloro pero puede ocasionar crecimiento biológico en lasuperficie de la membrana.

El metabisulfito de sodio también neutraliza el cloro pero puede degradarse paraformar sulfato de sodio, el cual estimula a las bacterias reductoras de sulfatos. En algunoscasos también puede contribuir a una incrustación en la ósmosis inversa.





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8.- Consideraciones finales

En esta introducción se ha tratado el problema de la sociedad moderna, que con su altonivel de desarrollo, enfrenta en la actualidad apremiantes necesidades, tanto en lo que respectaal uso de agua dulce para consumo humano, industrial o agropecuario, como en lo que hace

al control de la contaminación y recuperación de recursos hídricos hasta hoy inaprovechados.Como intento de solución ha estos problemas, se habló sobre innovaciones fundamentales enel campo del tratamiento de fluidos, y, en especial de la tecnología de membranas, por lo cualtomamos conciencia de que esta tecnología ha ocupado un lugar preferencial en la últimadécada.

Nos enteramos además que en muchos países del mundo, el uso de estas nuevastécnicas de tratamiento de aguas y efluentes ha ido tomando una creciente participación en lasolución de los problemas que aquejan a las sociedades modernas. En esta práctica se brindóinformación sobre algunas de las aplicaciones de la ósmosis inversa, pudiéndonos dar cuentaque es una herramienta que entrega una solución para muchos de los problemas sobre

abastecimiento de aguas y tratamiento de efluentes que hoy aquejan a poblaciones e industriasde todo el mundo. Por tanto podemos concluir que la Osmosis Inversa constituye unatecnología de avanzada, tomando conciencia así que la extensión de dicha tecnología es unhecho irreversible por su economía de bajo costo, facilidad de construcción del aparato ysimplicidad de operación, y como no requiere de calor presenta grandes ventajas con respectoa la destilación.





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3.- EQUIPO EXPERIMENTAL

La instalación de OI consta de los siguientes elementos:

- Un tanque (3) donde se prepara la disolución a tratar. En el interior del tanque se encuentraninstaladas 2 resistencias (1 y 2) con el objetivo de mantener constante la temperatura detrabajo en el tanque de alimentación. Asimismo se sumerge un termómetro (6) para conocer latemperatura de la alimentación durante el ensayo (24ºC)

- Un agitador (5) incluido en el tanque de alimentación con el fin de homogeneizar ladisolución a tratar.

- La disolución a tratar sale del depósito de alimentación y pasa primero por un filtro (14) queprotege a la bomba posterior (13) de posible abrasión por diversos agentes (aire, arenas,etc...). Esta bomba impulsa la disolución hacia el módulo de OI (11), pasando en primer lugar por una válvula de seguridad (15) con el fin de recircular al depósito de alimentación elposible exceso de carga que puede ser causante de una incorrecta manipulación del equipo. Acontinuación (siguiendo la trayectoria de la disolución en el equipo) se tiene un medidor depresión y temperatura (12) antes de la entrada al módulo de OI. A la salida del módulo denuevo nos encontramos con un barómetro (10) que nos permite calcular la pérdida de cargadentro del módulo, aunque en esta práctica no se lleva a cabo este cálculo.

- Válvula de regulación de caudal (9) que conjuntamente con el variador de velocidad de labomba nos permitirá fijar las condiciones de funcionamiento: presión (12) y caudal dealimento (8)

- Caudalímetro (8) para medir el caudal que trata el equipo.

- Termómetro (7) para medir la temperatura de la disolución a la salida del módulo.

- El módulo además posee otra salida que es la de rechazo (16). Esta se recircula al depósitode alimentación, que junto con el permeado que también se recircula permiten que laconcentración de la alimentación sea constante en todo momento.

- Válvula reguladora de caudal (4) para el vaciado del depósito.





17

4.- CALCULOS

4.1 Datos obtenidos en el laboratorio:

En la primera parte de la práctica llevamos a cabo ensayos con agua de red a distintaspresiones de trabajo, obteniendo los siguientes datos:

Presión = 10 bares

Tiempo de medida (minutos)V

(ml) T (s) Q (l/h) Jw(l/hm2)

Conductividad permeado(uS/cm)

5 400 40,81 35,285 12,602 8,4

10 400 39,66 36,309 12,967 9,4

15 400 40,57 35,494 12,677 10,2

Tabla 1.1

Presión = 20 bares

Tiempo de medida (minutos)V(ml) t (s) Q (l/h) Jw(l/hm

2)


5 400 19,41 74,189 26,496 7,9

10 400 18,7 77,005 27,502 6,6

15 400 18,91 76,150 27,196 4,7

Tabla 1.2

Presión = 30 bares

Tiempo de medida (minutos)V(ml) t (s) Q (l/h) Jw(l/hm

2)


5 400 11,25 128,000 45,714 5,9

10 400 11,47 125,545 44,837 5,1

15 400 11,23 128,228 45,796 5,4

Tabla 1.3

Para hallar el flujo de permeado se ha tenido en cuenta el área específica de lamembrana, dada en las especificaciones de la misma (A=2.8 m2).

Antes de comenzar estos ensayos se midió la conductividad del alimento contenido en

el tanque de alimentación. Los resultados son los siguientes:Experiencia Conductividad del alimento (uS/cm)

1ª (10 bares) 997

2ª (20 bares) 1016

3ª (30 bares) 1021

Tabla 1.4





18

En la segunda parte de la práctica llevamos a cabo ensayos con agua de distintasconcentraciones de NaCl, a la presión de 20 bares, obteniendo los siguientes resultados:

Cond.alimento (uS/cm) V (ml) t (s) Q (l/h) Jw(l/hm2)

Cond.permeado(uS/cm)

4070 400 20 72,000 25,714 20,9

6445 400 21,61 66,636 23,799 46

Tabla 2.1

A continuación se muestran los datos obtenidos de la curva de calibrado, así como sugráfica correspondiente:

Concentración (ppm) Conductividad (uS/cm)

4500 7360

3500 6550

2500 4240

1500 3060

1000 2580700 1263

500 886

400 768

300 526

200 273

100 144,5

50 105,8

0 66

Tabla 3.1







20

Disoluciones de NaCl:

Presión = 20 bares

Cond.alimento(uS/cm)

Conc.alimento(ppm)

V(ml) t (s) Q (l/h) Jw(l/hm

2)

Cond.permeado(uS/cm) Conc.perm.(ppm)

R(%)

I.C(%)

4070 2282 400 20 72,000 25,714 20,9 4,758 99,79 12,59

6445 3647 400 21,61 66,636 23,799 46 19,32 99,47 11,76

Tabla 2.1





21

4.3 Cálculo del coeficiente de permeabilidad.

La velocidad de filtración o flujo de permeado en OI es proporcional a la diferenciaentre la presión hidrostática aplicada y la presión osmótica de la disolución a separar:

)( π σ ∆−∆= P LJ pw

Siendo:

Jw: flujo de permeado

Lp: coeficiente de permeabilidad

σ : coeficiente de reflexión que contempla las posibles imperfecciones de unamembrana real, que permite el paso de una determinada cantidad de flujo

La presión osmótica de una disolución salina es proporcional a su concentración y

puede determinarse por la siguiente ecuación:

∑+= imT )273(0762.0π

Donde:

π : presión osmótica (atm)

T: temperatura (ºC)

∑ im : suma de las molalidades de todos los constituyentes iónicos y no

iónicos de la disolución.Datos conocidos:

1=σ

P ∆ según ensayo (10,20 y 30 bares)

wJ recogidos en las tablas 1.1, 1.2 y 1.3

Cálculo de molalidades:

Molalidad NaCl = Molaridad (mol/litro)permeadoentoa π π π −=∆ lim

Con los datos conocidos anteriormente y la ecuación )( π σ ∆−∆= P LJ pw ,

representando el flujo de permeado frente a )( π σ ∆−∆P podremos hallar el coeficiente depermeabilidad de la membrana de la pendiente de la recta obtenida. Los datos se muestran acontinuación:





22

Presión aplicada(atm)

Concentraciónpermeado(ppm)

Concentraciónpermeado(mol/litro)

Presiónosmóticapermeado (atm)

Concentracióndel alimento(ppm)

Concentracióndel alimento(mol/litro)

Presiónosmóticaalimento(atm)

9,87 0 0 0 516 0,00883 0,19981592910,74 0 0 0 527 0,00902 0,204075571

29,61 0 0 0 530 0,00907 0,205237292

Tabla 3.1

Por lo tanto hasta este punto sabemos:

Jw (l/hm2) π σ ∆−∆P (atm)

12,749 9,67018

27,065 19,53592

45,449 29,40476

Tabla 3.2

Representando los valores anteriores podemos averiguar el valor del coeficiente depermeabilidad de la membrana:

Cálculo del coeficiente de retención

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35

Incremento de presión (atm)

Jw (l/hm^2)





23

Cálculo del coeficiente de retención

y = 1,657x - 3,9524

R2

= 0,9949

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35

Incremento de presión (atm)

Jw (l/hm2̂)

Por lo tanto del gráfico obtenemos que el valor del coeficiente de permeabilidad de lamembrana es:

atmhml Lp

2/657.1=





24

5.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En este apartado vamos a analizar cada uno de los gráficos que se han ido mostrando

en las páginas anteriores.5.1 Flujo de permeado vs tiempo de medida:

Este ensayo se llevó a cabo solamente utilizando agua de red. Como se puede observar en la gráfica correspondiente, el flujo de permeado es estable dentro del rango de medidacorrespondiente (0-15 minutos). Esto es debido a que durante este intervalo la membrana noha sufrido ensuciamiento alguno ni obstrucción al paso de disolución.

Flujo permeado vs tiempo

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16

tiempo (minutos)

Jw (l/hm^2)

P=10 bares

P=20 bares

P=30 bares

5.2 Flujo de permeado vs presión:

Al igual que el anterior, este ensayo solo se llevó a cabo mediante agua de red. Seobserva la tendencia a aumentar el flujo de permeado al aumentar la presión aplicada (fuerzaimpulsora), con el correspondiente aumento de capacidad de la planta de OI.

Flujo permeado vs Presión

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35

Presión (bares)

Jw (l/hm^2)





25

5.3 Flujo de permeado vs concentración:

Se observa que al aumentar la concentración de la disolución a tratar disminuye elcaudal de permeado en la planta de OI. Esto es debido a que a medida que hay más partículasdisueltas en el agua, éstas no pueden atravesar la membrana (por difusión) y por lo tanto el

flujo de permeado disminuye, aumentando el flujo de rechazo.Flujo permeado vs Concentración

23,50

24,00

24,50

25,00

25,50

26,00

26,50

27,00

27,50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Concentración (ppm)

Jw (l/hm^2)

5.4 Índice de conversión vs tiempo:

Se observa que para una presión dada, el índice de rechazo es bastante constante conrespecto al tiempo. Esto es debido a que la membrana ya se encontraba estabilizada en granmedida, pudiendo empezar el ensayo con distintas concentraciones.

I.C vs tiempo

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

tiempo (minutos)

I.C (%)

P=10 bares

P=20 bares

P=30 bares

5.5 Índice de conversión vs presión:

Se observa que el índice de conversión aumenta linealmente con respecto a la presión.Ello es debido a que, como vimos anteriormente, se obtiene mayor flujo de permeadoconforme aumenta la presión.





26

I.C vs Presión

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35

Presión (bares)

I.C (%)

5.6 Índice de conversión vs concentración:

El índice de conversión es inversamente proporcional a la concentración. Ello tieneque ver, como vimos anteriormente, con el flujo de permeado obtenido al variar la presión.Como deducimos el flujo de permeado disminuía al aumentar la concentración, por lo tanto elI.C disminuirá también.

I.C vs Concentración

11,60

11,80

12,00

12,20

12,40

12,60

12,80

13,00

13,20

13,40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


I.C (%)

5.7 Rechazo vs concentración:

Vemos en el gráfico que el rechazo obtenido para concentraciones menores a 4000ppm es prácticamente del 100 % lo que nos da una idea de la efectividad de la membrana. Latendencia del rechazo a disminuir conforme aumenta la concentración es lógica aunque vemosque el incremento es muy pequeño.





27

Rechazo vs Concentración

99,40

99,50

99,60

99,70

99,80

99,90

100,00

100,10

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


Rechazo (%)

Las gráficas de rechazo frente a tiempo y rechazo frente a presión no se mostraron por ser del 100 % en todos los casos. Hubiéramos podido averiguar la tendencia del rechazofrente a estas variables si hubiéramos realizado el ensayo con mayor concentración de sales enel agua de red, ya que al ser éstas cantidades muy pequeñas la membrana obtiene resultadosmuy efectivos. Además se podrían haber obtenido resultados comparables si se hubiesellevado a cabo el análisis de las muestras mediante otro método que no fuera elconductimétrico, ya que como vimos el resultado variaba bastante dejando libre lasubjetividad del alumno.

En el diseño de una planta de OI el factor más importante es la economía de la planta.Si bien es verdad que a mayores presiones de trabajo aplicadas se obtiene un mayor flujo depermeado, esto en ocasiones no compensa el gasto energético que ello conlleva, siendoeconómicamente no viable. Por ello en el diseño de una planta de OI se tendrán en cuentatodos estos factores y la economía será en gran medida la que decidirá las condiciones deoperación.




6.- ANEXO

6.1.- Información sobre membranas de poliamida:

Filtros de membrana empleados para la filtración de soluciones alcalinas y solventesorgánicos.

Son especificados para el aislamiento de Legionella y para procedimientos desecuenciación de genes.

Es tanto hidrofílica como químicamente resistente a bases, incluyendo NaOH 1 N,posibilitando que sea un filtro para propósitos generales de remoción de partículas yesterilización para soluciones alcalinas.

Alta compatibilidad con solventes a un menor precio promueven su empleo para

aplicaciones HPLC.

No son recomendados para aplicaciones de esterilización por filtración de medios decultivo dada su alta capacidad de adsorción ( 100 ug/cm2 para suero albúmina bovina).

Con membranas de compósito de poliamida, se obtiene una calidad más elevada encomparación con las otras membranas pero el alto contenido de sílice o la presencia de cloropuede dañarlas.

Especificaciones técnicas :

• Punto de burbuja : Valores mínimos con agua, de 3,4 bar para 0,2 µm. - 2,2 bar para

0,45 µm.

• Esterilizables por autoclave, óxido de etileno.

• Disponibles en diametros de : 13 mm - 25 mm - 47 mm - 50 mm - 90 mm - 142 mm -150 mm - 293 mm.

Documents

Osmosis_Inversa