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Para Caborca Osmosis Inversa

Justificación

Se entiende que la tecnología más favorable para la utilización en la región de Caborca es la de osmosis inversa, en base a su mejor presión de obtención de agua, la factible ampliación de las plantas y su gran confiabilidad. Tan sólo la calidad del agua es peor que el resto de tecnologías, si no se contempla la posibilidad de añadir un segundo paso para reducir esa concentración salina residual tras un único paso por las membranas.

Puesto que el consumo energético primario en una planta que consuma electricidad no tiene racionalidad, es necesario suponer un rendimiento a la planta generadora de electricidad que nos proporcione el consumo necesario (alrededor de un 30% para grandes centrales térmicas).

Dependiendo del tamaño de la planta y de las características físicas y biológicas del agua a desalinizar, la instalación de una planta de Osmosis Inversa será simple o más o menos compleja, ya que de ello dependerán los equipos auxiliares de tratamiento que se necesitan. La figura 5 muestra el esquema simplificado de una planta de Osmosis Inversa convencional.

Los elementos principales que integran una planta convencional de Osmosis Inversa son: las bombas de toma de agua, el pretratamiento (inyección de ácido), los filtros, los grupos motobombas de alta presión con turbina de recuperación, el tanque de retrolavado, y el tratamiento químico final.

La misión de las bombas de toma de agua es suministrar el agua salobre a desalinizar, bien a partir del mar o de pozos subterráneos salobres. El pretratamiento del agua del mar sirve para garantizar las condiciones óptimas del agua de alimentación a los módulos de Osmosis Inversa, tanto desde el punto de vista de las propiedades físicas como químicas. En una planta de osmosis inversa es fundamental y básico un pretratamiento apropiado del agua bruta para conseguir una operación satisfactoria de la instalación.

El pretratamiento consta de varias etapas, con las que se persigue eliminar la existencia de actividad biológica y materias coloidales orgánicas e inorgánicas en el agua, ya que estas bajarían considerablemente el buen comportamiento de los módulos de osmosis inversa. El pretratamiento incluye una acidificación del agua para evitar la precipitación del carbonato cálcico sobre los módulos. También se suele realizar una decloración del agua con el fin de ajustar la cantidad de cloro residual existente.

A continuación del pretratamiento, se realiza una filtración para eliminar las partículas en suspensión que pudieran existir en el agua y que disminuirían el rendimiento de las membranas de osmosis inversa.

Una vez pretratada y filtrada, el agua pasa a las motobombas de alta presión que la inyectan en los módulos de osmosis inversa a la presión necesaria para hacerla pasar por los mismos. No toda el agua inyectada en los módulos de osmosis pasa a través de ellos y es desalinizada, una parte es rechazada en forma de salmuera (agua de una alta salinidad).

Antes de ser devuelto al mar, el rechazo de salmuera suele hacerse pasar por una turbina de recuperación para aprovechar su energía mecánica. El eje de esta turbina va acoplado directamente al eje de la motobomba.

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Por último, al agua producida se le realiza un postratamiento que tiene por objetivo garantizar unas condiciones adecuadas de potabilidad y prevenir el crecimiento de microorganismos. Este tratamiento suele hacerse mediante la dosificación de una determinada cantidad de hidróxido cálcico o sódico e hipoclorito sódico.

El consumo energético en una planta de Osmosis Inversa es netamente eléctrico, correspondiendo principalmente a la energía eléctrica consumida por las motobombas de alta presión. Los equipos auxiliares suponen un consumo eléctrico adicional pequeño.

Esquema típico de una Planta de Osmosis Inversa

Modelo matemático utilizado

Existen diversas teorías para explicar y describir el transporte de solvente (agua pura) y de soluto (sales) a través de una membrana semipermeable, teniendo cada una su campo de utilización. Para las membranas de osmosis inversa, el modelo utilizado habitualmente es el de la “solución-difusión”. Según este modelo, cada componente de la solución a tratar se disuelve en la membrana según las leyes de distribución y equilibrio conocidas, difundiéndose a continuación a su través debido a las diferencias de concentración y de presión existentes a ambos lados de la membrana. La difusión del agua y de las moléculas polares a través de la membrana sería el resultado de un mecanismo de formación y destrucción de “puentes hidrógeno” entre el agua o las moléculas

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polares por una parte y los grupos hidrófilos de la membrana por otra, por la acción de un gradiente de energía libre, también llamado potencial químico, producido por la diferencia de presión. Una variante de esta teoría y que se conoce con el nombre de “sorbición preferencial de flujo capilar”, utiliza consideraciones termodinámicas entre la membrana y las moléculas de la solución para explicar cuantitativamente el paso selectivo de estas moléculas. Ambos modelos se esquematizan diciendo que el soluto es mayoritariamente rechazado por la membrana mientras que el solvente puede atravesarla.

Ecuaciones básicas del proceso

Las fuerzas básicas que intervienen en el paso del solvente y del soluto a través de la membrana son:

• Solvente: gradiente de presiones. • Soluto: gradiente de concentraciones.

Las dos ecuaciones básicas del proceso son:

Transporte del solvente.

Experimentalmente se comprueba que el flujo de solvente (caudal por unidad de superficie) es proporcional al gradiente de la presión efectiva a través de la membrana, es decir, la diferencia entre la variación de la presión externa aplicada a la variación de la presión osmótica.

)( πΔ−Δ= PAJa [5.1] Donde:

Flujo de solvente en m3/d.m2 Coeficiente de permeabilidad al solvente en m3/d.m2.Bar Diferencia de presión hidráulica entre ambos lados de la membrana en Bares. Diferencia de presiones osmóticas entre ambos lados de la membrana en Bares. Gradiente de presión efectiva a través de la membrana en Bares.

La Fig. 5.3 muestra de forma esquemática la ley que rige el transporte de solvente a través de una membrana de osmosis inversa. El significado de todos estos conceptos se explica más adelante.

:)(

:

:::

π

πππ

Δ−Δ

−=Δ

−=Δ=

P

pa

PpPaPAJa

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Transporte de soluto

El flujo de soluto a través de la membrana de osmosis inversa viene dado por la expresión:

JaCmMCBJaCmMCpCmBCpJaJs ...)(.. +Δ=+−== [5.2] Donde:

Flujo de soluto, en kg/d.m2. Flujo de solvente, en m3/d.m2. Coeficiente de permeabilidad de la membrana al soluto en m3/d.m2. Concentración del soluto en la superficie de la membrana, en kg/m3. Concentración del soluto en el permeado, en kg/m3. Coeficiente del acoplamiento (adimensional). Diferencia o gradiente de concentraciones a través de la membrana, en kg/m3.

Esta ecuación muestra que el flujo de soluto es la suma de dos contribuciones. La primera, B.ΔC, es debida a su difusión molecular y es proporcional al gradiente de concentraciones a través de la membrana. La segunda es convectiva debida al arrastre que produce el solvente. Dividiendo la ecuación [5.1] entre la ecuación [5.2], se obtiene: ec. [5.3] La ec. [5.3] indica que la concentración del soluto en el permeado es directamente proporcional al gradiente de concentraciones a través de la membrana e inversamente proporcional al gradiente de concentraciones efectivas a través de la misma. Operando las ecuaciones [5.1] y [5.2] y teniendo en cuenta la ec. [2.5], se obtiene la expresión: ec. [5.4]. Siendo r el rechazo de soluto en tanto por uno. El coeficiente de acoplamiento (M) tiene un valor próximo a 0.005 para la mayoría de las membranas. La ecuación [5.4] muestra que, si representásemos gráficamente el inverso de rechazo de soluto (1/r) en función del inverso del flujo del solvente (1/Ja), obtendríamos una recta como la de la figura 5.5. Definiciones y nomenclatura En el proceso de la osmosis inversa, los conceptos más importantes y sus nomenclaturas son: a) Aportación Es la solución que llega a las membranas de osmosis inversa. También se le llama aporte, solución de aporte o solución a tratar. La nomenclatura que se usa para esta solución es: Caudal: Qa Concentración: Ca Presión hidráulica: Pa Presión osmótica: πa

::::

:::

CMCpCmBJaJs

Δ

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Al compartimiento que contiene esta solución se le llama “de alta presión”. A la cara de la membrana en contacto con este compartimiento se le conoce con el nombre de “lado de alta”. b) Permeado Es la solución que se obtiene al otro lado de la membrana. Después de atravesarla. También se le suele llamar producto. La nomenclatura utilizada es: Caudal: Qp Concentración: Cp Presión hidráulica: Pp Presión osmótica: πp Al compartimiento que contiene esta solución se le llama de “baja presión”, y a la cara de la membrana en contacto con él, “el lado de baja”. c) Rechazo Es la solución, más concentrada que la de aportación, que no puede atravesar la membrana. También se le suele llamar “concentrado” o “salmuera de rechazo”. La nomenclatura utilizada es: Caudal: Qr Concentración: Cr Presión hidráulica: Pr Presión osmótica: πr D) coeficiente de permeabilidad. Es el volumen de solvente (agua) que atraviesa la membrana por unidad de superficie, unidad de tiempo y unidad de presión a temperatura y salinidad determinadas y constantes. Suele medirse en m3 /m2.día.bar, o también en m/d.bar y se representa por A

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Clasificación de membranas de osmosis inversa Parámetros Tipos ESTRUCTURA Simétricas

Asimétricas NATURALEZA Integrales

Compuestas de capa fina FORMA Planas

Tubulares Fibra hueca

COMPOSICIÓN QUIMICA Orgánicas Inorgánicas

CARGA SUPERFICIAL Neutras Catiónicas Aniónicas

MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE Lisas Rugosas

PRESION DE TRABAJO Muy baja Baja Media Alta

TÉCNICA DE FABRICACION De maquina Inversión de fase Poli condensación entre fases Polimerización de plasma

Dinámicas SEGÚN SU ESTRUCTURA: Atendiendo la estructura que presenten en un corte transversal a la superficie en contacto con la solución a tratar, las membranas pueden ser: Simétricas: también son llamadas membranas homogéneas y son 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, estas membranas presentan una elevada permeabilidad al solvente y un bajo rechazo de sales, por lo que se utilizan en otras técnicas pero no son aptas para la osmosis inversa. Asimétricas: cortando transversalmente una membrana de este tipo y observando dicho corte al microscopio electrónico, se puede comprobar que la membrana presenta en su parte exterior, es decir, en la cara en contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada bajo la cual aparece un lecho poroso. A la capa densa y delgada se le llama “capa activa” y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del soluto. El resto de la membrana solo sirve de soporte a la capa activa, debiendo al mismo tiempo ofrecer la mínima resistencia posible al paso del solvente. Todas las membranas de osmosis inversa tienen “capa activa” y por lo tanto son asimétricas.

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Según su naturaleza Atendiendo a su naturaleza las membranas asimétricas de osmosis inversa pueden ser: Integrales: en estas membranas 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. Las membranas de esta naturaleza se obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a partir de una solución del mismo, tras lo cual se introduce la película en una serie de baños de agua a distintas temperaturas para darle la estructura porosa, formarle la capa activa y eliminar los distintos disolventes residuales que hayan quedado en la membrana, procedentes de la fabricación de la película. El espesor de la capa activa es del orden de las 0.25 micras y el del lecho poroso situado bajo de ella y que le sirve de soporte es de unas 99.75 micras, lo que hace un total de 100 micras aproximadamente. El principal inconveniente de este tipo de membranas es que toda mejora de las características de la capa activa viene acompañada de un peor comportamiento del lecho poroso y viceversa, al ser ambos del mismo polímero y tener funciones contrapuestas. Compuestas de capa fina: en estas membranas, la capa activa y el sustrato microscópico que la sirve de soporte son de materiales diferentes. 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 flujo de permeado por unidad de superficie. Estas membranas son la evolución tecnológica de las integrales y presentan frente a estas las siguientes ventajas:

• Cada capa (activa, lecho soporte o tejido reforzado) puede desarrollarse y optimizarse separada e independientemente, adecuando cada una a su trabajo especifico.

• 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.

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 hueco, de distintas longitudes. Su diámetro interior oscila entre 6 y 25 mm.

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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 en este estilo son mayoritariamente integrales aunque unos pocos fabricantes también suministran membranas compuestas de capa fina tubulares. Fibra hueca: a estas membranas también se les 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 osmosis inversa dispone 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 le 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. 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. Según la composición química Atendiendo a la composición química de la capa activa, las membranas pueden clasificarse en dos grandes grupos:

• Orgánicos. • Inorgánicos

Las distintas alternativas dentro de cada grupo son: Membranas orgánicas Reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánicos. Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de estas son aptas para la osmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de membranas de osmosis inversa son:

A. Acetato de celulosa (CA) Acotolando 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 “asimétrica” de osmosis inversa para la desalación de agua la obtuvieron Loeb y Sourirajan a partir de una mezcla de acetatos de celulosa. Es, por lo tanto, un polímero muy experimentado. Gran parte de los fabricantes de membranas siguen contando con este material entre sus fabricados.

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Los tratamientos complementarios o “curados” a que se someten las membranas de acetato de celulosa tras su formación, cuyo objeto es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas utilizadas, han originado una gran diversidad de membranas.

Ventajas Inconvenientes

• Alta permeabilidad • Elevado porcentaje de rechazo de

sales • Tolerancia al cloro libre • Bajo costo

• Alta sensibilidad a la hidrólisis • Posibilidad de degradación • Alto riesgo de disolución de la

membrana • Aumento del paso de sales con el

tiempo • Elevadas presiones de trabajo

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 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. Esta circunstancia hace 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. poliamidas aromáticas (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 químicas parecidas. Dichos polímeros son: a). Poliamida aromática lineal (LAP). Este tipo de polímero se usa para fabricar membranas integrales tanto planas como de fibra hueca. b). Poliamida aromatiza con entrecruzamiento (CAP). Este polímero se utiliza para fabricar membranas compuestas de capa fina. La siguiente tabla muestra las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con una poliamida aromática. Ventajas Inconvenientes

• alto porcentaje de rechazo de sales • ausencia de hidrólisis • no biodegradabilidad • alta estabilidad química • constancia del paso de sales al paso

del tiempo • presiones de trabajo reducidas

• sensibilidad frente a los oxidantes • fácil ensuciamiento y aparición de

desarrollos biológicos • alto costo

Comparando los dos tipos de poliamidas, se puede decir que la poliamida entrecruzada, debido precisamente a ello, presenta una menor compactación y un ligero mejor comportamiento frente a los oxidantes que la poliamida lineal.

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Adicionalmente, la poliamida lineal no puede trabajar con pH bajos cuando la solución de aporte tiene una salinidad reducida.

D). polieter-urea Las membranas con esta formulación son siempre compuestas de capa fina. Este tipo de membranas contiene un exceso de grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónicas. La siguiente tabla compara las membranas de acetato de celulosa, las de poliamida y las de polieter-urea. Estos polímeros son los que habitualmente se utilizan para fabricar membranas de osmosis inversa. Parámetro Celulósicas Poliamida

lineal Poliamida entrecruzada

Poliéster-urea

Permeabilidad Rechazo de baja presión Cloruros (%) media presión Alta presión Rechazo de nitratos (%) Rechazo de sílice (%) Presiones de baja Trabajo (bar) media alta Hidrólisis Biodegradabilidad pH de trabajo Resistencia al cloro libre Resistencia a otros oxidantes fuertesCarga de la superficie Morfología de la superficie Riesgo de ensuciamiento Compactación Temperatura máxima (0 C)

Alta 75 95-97.5 99.0 85.0 90.0-93.0 16 30 60-70 Sí Sí 4.5-6.5 <1 ppm Moderada Neutra Lisa Bajo Alta 35

Baja 96.0 96.0 99.4 88.0-94.0 88.0-94.0 16 30 70-84 No No 4-9 0 ppm Mala Aniónica Lisa Medio Alta 40

Alta 98 98.2 99.4 98.0 98.0 10 20 60-70 No No 4-11 1.000 ppm.h Regular Aniónica Muy irregular Alto Baja 45

Alta 97.5 99.0 99.2 94 95.0 16 25 56-70 No No 5-10 0 ppm Muy mala Catiónica Irregular Bajo Baja 45

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 del 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 tanta a pH extremos como a diferentes productos químicos, lo que permite aplicarlas en galvanoplastia y unos procesos industriales. La perdida de caudal y de rechazo de sales que se produce durante su almacenamiento ha limitado, sin embargo, considerablemente su desarrollo.

G. polipiperacidamidas

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Estas membranas son mucho más resistentes al cloro y otros oxidantes que las de poliamidas y poliurea. Aunque presentan un elevado rechazo de iones divalentes, el rechazo de iones monovalentes es mucho menor, por lo que solo pueden utilizarse en casos especiales. Con este polímero puede fabricarse tanto membranas integrales como compuestas de capa fina extraordinariamente sensibles a la oxidación, hasta tal punto que el propio oxigeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las destruye, lo que limita considerablemente su utilización. Estas membranas son siempre compuestas de capa fina.

H. polifurano sulfonado Aunque estas membranas producen los máximos rechazos conocidos tanto de sales como de solventes orgánicos de entre todas las membranas de osmosis inversa disponibles en el mercado, son extraordinariamente sensibles a la oxidación, hasta tal punto que el propio oxigeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las destruye, lo que limita considerablemente su utilización. Estas membranas son siempre compuestas de capa fina.

I. polisulfona sulfonada. En estos momentos, las membranas compuestas de capa fina 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 aglutinase las ventajas de las membranas de poliamida con la resistencia al cloro libre. Para conseguir que las membranas de este polímero presenten flujo de permeado adecuado y rechazos de sales correctos, es necesario alcanzar un determinado contenido de grupos sulfónicos, lo que por el momento, está resultando difícil de lograr. 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 su 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, él mas utilizado para la fabricación de membranas ha sido la alúmina (Al2O3) en sus distintas variedades (Alfa, Beta y Gamma). Partiendo de un compuesto orgánico de aluminio, controlando la formación del gel y variando las condiciones de precipitación como las de calcinación, se puede modificar el tamaño de los poros de la membrana obtenida.

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Tipo de polímero

Fabricante Nombre comercial Naturaleza Forma

Acetato de celulosa modificado

Fluid systems Hidranautics Nitto Denko Toray Desalination system Permetec Osmonics Trisep

Roga CAB NTR 1500/1600 SC Desal CA AC Sepa SB

Integral Integral Integral Integral Integral Integral Integral Integral

Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana

Triacetato de celulosa

Toyobo Dow chemical

Hollosep Dowex LP,SP

Integral Integral

Fibra hueca Fibra hueca

Poliamidas aromáticas lineales

Du pont Du pont (*)

B9.B10 B-15

Integral Integral

Fibra hueca Plana

Poliamidas aromáticas con entre-cruzamientos

Fluid systems Hydronautics Nitto Denko Permetec Toray Desalination systems Filmtec Trisep PCI

TFCL CPA/SWC/ESPA NTR/SF/SR/UP/SWC PA SU 700/800 Desal 3 FT-30 ACM ZF99

Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta

Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Plana Tubular

Polieter-urea Fluid systems Hydranautics Nitto Denko Toray Trisep

TFC CPA 1 NTR-7100 SU-400 A 15/X20

Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta

Plana Plana plana Plana Plana

Polipiperacidamida

Nitto Denko Toray Permetec Desalination System Filmtec

NTR7250/729HF SU-200/600 LP Desal 5 NF 40

Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta Compuesta

Plana Plana Plana Plana Plana

Polifurano sulfonado

Toray PEC 1000 Compuesta Plana

Polisulfona sulfonada

Nitto Denko Desalination System Millipore

NTR 7400 Desal plus PSRO

Compuesta Compuesta Compuesta

Plana Plana Plana

(*) Membranas no disponibles en la actualidad

B. Vidrios Utilizando como materias primas, en proporciones adecuadas, cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, a los que se suela añadir óxido potásico, cálcico 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 don ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación se puede controlar el tamaño de los poros.

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Con esta técnica se pueden fabricar 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.

C. Fosfacenos Las membranas fabricadas con este polímero pueden soportar temperaturas de hasta 2500C 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 de pH (0-14) y temperaturas hasta de 3000C. Como características comunes a las membranas inorgánicas cabe señalar que su desarrollo acaba de comenzar, disponiéndose solamente de membranas de microfiltración (MF), no existiendo todavía en el mercado, en estos momentos, ninguna membrana de osmosis inversa (OI) 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. Clasificación según la carga superficial. A veces los polímeros orgánicos con que se fabrican las membranas de osmosis inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos (aminas, sulfónicos, carboxílicos, etc.), lo que confiere a la superficie activa de estas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse determinando su “potencial Z”. Este parámetro da una idea de la carga eléctrica existente por unidad de superficie. Atendiendo a esta naturaleza, las membranas pueden ser: Neutras. Son aquellas que no presentan ninguna carga eléctrica. En estas membranas su “potencial Z” seria 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, de la “potencial Z”, las membranas pueden ser fuerte o débilmente catiónicas. Aniónicas. Son aquellas en las que la carga eléctrica en su superficie es negativa. Pueden igualmente ser fuerte o débilmente aniónicas. Los distintos grupos químicos pueden hidrolizarse o no, dependiendo de pH del medio, lo que altera la carga eléctrica resultante sobre la superficie de la membrana. Consecuentemente, dicha carga dependerá, en general, no solo 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. Como es fácilmente comprensible, una membrana catiónica tendrá gran afinidad por los coloides, tanto orgánicos como minerales, de signo opuesta (aniónicos) que tenderán a depositarse sobre su superficie. Lo mismo sucederá con las membranas aniónicas y los coloides catiónicos.

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El mecanismo a través del cual de adhieren las bacterias a la superficie de las membranas de osmosis inversa esta siendo objeto de estudio por parte de diversos investigadores, no existiendo todavía una teoría fundada que lo explique. 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 mas fácilmente es más difícil de limpiar. Clasificación según la presión de trabajo El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de osmosis inversa es 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 la concentración que se produce a medida que se va generando permeado, su valor vendrá condicionado por la salinidad de la solución a tratar. En la actualidad las membranas de osmosis 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 1500 mg/l) y fabricar agua ultrapura. Estas membranas, de reciente aparición en el mercado, han sido concebidas igualmente para competir contra el proceso de desmineralización de agua con resinas intercambiadores 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 1500 y 4000 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 esta comprendida entre 20 y 40 bares. Desde el punto de vista histórico, estas fueron las primeras membranas que se comercializaron. Aunque se han venido empleando para desalar aguas de elevada salinidad (entre 4000 y 10,000 mg/l), en la actualidad sus aplicaciones se han venido generalizando 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 de 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), esta comprendida entre 50 y 80 bares. La meta de los distintos fabricantes de este tipo de membranas no fue solo obtener agua potable a partir de agua de mar, sino hacerlo en un solo paso. Como las recomendaciones de la OMS. Para el agua potable indicaban que su

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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 tenia que ser del orden del 99%. Aunque inicialmente ( en la década de los 70’s) muy pocos fabricantes ofrecían esta posibilidad, en la actualidad, todos los importantes disponen de membranas con rechazo de sales comprendidos entre el 99.2 y el 99.5%. Clasificación según la técnica de fabricación. Atendiendo a la técnica utilizada para su fabricación, las membranas de osmosis inversa pueden ser: De máquina. Son aquellas en que las reacciones entre los distintos compuestos que intervienen en su formación y la consiguiente fabricación de la membrana tienen lugar en una maquina destinada para tal fin. Dinámicas. A diferencia de las membranas de maquina, 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 (oxido de zirconio, ácidos poli acrílico y poliestirensulfónico, etc.). Si el tamaño de los poro del sustrato es adecuado, estas moléculas quedan retenidas en la superficie formando una pequeña película o “capa activa” que puede presentar una alta permeabilidad y un cierto rechazo de sales, en función de las condiciones de formación. La utilidad de estas membranas en el campo de la osmosis 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 osmosis 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 no-reproducibilidad de los distintos parámetros ya que los valores que se obtienen suelen ser con frecuencia aleatorios. Desalación Por Módulos Para utilizar industrialmente las membranas con el fin de que puedan soportar las diferentes presiones de trabajo, deben colocarse de una determinada manera adoptando distintas formas o configuraciones. La palabra modula, en esta tecnología, deriva de “modular”, ya que la capacidad de producción de una planta de estas características se consigue instalando en paralelo varias unidades elementales de producción o “módulos”. Por tanto, “modulo” es una agrupación de membranas, con una configuración determinada, que forma la unidad elemental de producción. Los objetivos que persiguen los distintos fabricantes de módulos de osmosis inversa son múltiples:

• Obtener el máximo rendimiento de las membranas. • Conseguir un sistema lo mas compacto posible. • Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas. • Facilitar la sustitución de las membranas deterioradas. • Mejorar la limpieza de las membranas sucias. • Etcétera.

Como los objetivos son a veces contrapuestos, cada fabricante adopta la solución técnica que hace más competitivo a su producto.

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Configuraciones existentes

Las configuraciones actualmente disponibles para los módulos o unidades de producción son: Módulos de placas Este tipo de configuración es el mas antiguo. Está formado por un conjunto de membranas planas, recortadas generalmente en forma rectangular o de disco circular. Se apoyan sobre mayas de drenaje o placas porosas que le sirvan de soporte. Las membranas se mantienen separadas entre si por medio de espaciadores cuya anchura es del orden de los 2 mm. El modulo se obtiene apilando “paquetes” formados por espaciador-membrana-placa porosa-membrana, el conjunta así formado se comprime mediante un sistema de espárragos de manera que pueda soportar la presión de trabajo. La estanquidad se logra mediante juntas elásticas colocadas en los extremos. Como puede verse, existe una gran analogía entre este tipo de módulos y los intercambiadores de calor de placas. La misión de los espaciadores 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 evacuarla al exterior.

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 disposición sobre ellas de las distintas sustancias en suspensión existentes en el líquido a tratar. Módulos espirales Esta configuración se llama así porque esta formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo central. Cada “paquete” consta de una lamina 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 conducirla 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 estanquidad entre la solución de aporte y el permeado se colocan, en los laterales de la lámina de osmosis inversa, cordones de cola entre el tejido colector de permeado y las membranas, de forma que el sellante penetre totalmente en los tejidos.

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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 resistencia mecánica necesarias. Este tipo de módulos se fabrican en los cuatro diámetros exteriores siguientes: 2.5” (65 mm.) 4” (100 mm.) 8” (200 mm.) 10” (250 mm.) Si se utilizase un único “paquete” de membranas para fabricar los módulos de gran diámetro, se requerirían hojas muy largas, lo que originaria 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 modulo de 8” suele llevar entre 16 y 18 “paquetes”. La circulación habitual de flujos en este tipo de modulo 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 continua su avance en dirección axial, abandonando la malla distribuidora por el otro extremo. Los módulos espirales se ínter conexionan 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 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. El modulo se parece a un cambiador de calor de tubos. 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 resina epoxi, constituyendo uno de los extremos de 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 modulo. 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 mueva hacia la placa de epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras, saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre esta y la carcasa exterior.

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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. Este tipo de módulos, en el campo de la osmosis inversa, solo son fabricados por tres compañías:

• DU PONT (PERMASEP) • TOYOBO (HOLLOSEP) • DOW CHEMICAL (DOWEX)

La siguiente tabla resume las características de los módulos de osmosis inversa con esta configuración. Fabricante DU PONT DOW CHEMICAL TOYOBO Marca permasep Duwex Hollosep Modelo B-9 B-10-T LP SP HF HR Presión de trabajo Media Alta Baja Media Baja /media Alta Material de la membrana PA PA CTA CTA CTA CTA Diámetro exterior de la fibra hueca (micras)

91 95 250 250 175 165

Diámetro interior de la fibra hueca (micras)

44 42 120 120 80 70

Densidad de empaquetado de la fibra hueca (%)

60 60 70 70 50 55

Espacio medio entre fibras (micras)

12 13 15 15 57 32

Disposición de las fibras huecas

Paralela Paralela Paralela Paralela Cruzada Cruzada

Papel poroso separador Sí Sí Solo funda exterior

Solo funda exterior

No No

Comparación entre las distintas configuraciones.

De las cuatro configuraciones presentadas, las más utilizadas en la osmosis inversa son la espiral y la de fibra hueca. Cada configuración presenta ventajas e inconvenientes. En cada aplicación hay que escoger el modulo que mejor se adapte a las características y situaciones particulares que puedan presentarse. Así por ejemplo, los módulos tubulares se comportan muy bien con líquidos cargados pero, por el contrario, como la superficie de membrana disponible por modulo 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 capacidad, que desde el punto de vista de la inversión es ventajosa, hace que sean mas sensibles que otras configuraciones al ensuciamiento, tanto por sustancias coloidales como por sustancias en suspensión. Esta circunstancia motiva que su uso solo este recomendado en aplicaciones con líquidos muy limpios ya que en caso contrario, aunque la inversión fuese reducida, los costos de operación y mantenimiento serian elevados por las frecuentes limpiezas y deterioros de los módulos a los que habría que hacer frente.

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Todas las configuraciones, utilizando membranas con la misma química y la misma estructura, permiten obtener valores similares en el permeado. Pero ese no es el problema. Además de la química de la membrana, es preciso seleccionar la configuración o tipo de modulo a utilizar de forma que el costo total del producto que se obtenga con el proceso, entendiendo como tal la inversión inicial mas 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 osmosis inversa puede suceder que circunstancias no previstas inicialmente desaconsejen utilizar la membrana 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, los soportes, válvulas, etc., diríamos que serian 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 e intercambiabilidad, se ponen varias firmas en competencia para hacerse con la sustitución. Desgraciadamente, en la actualidad, esta posibilidad existe solamente en los módulos espirales. Se puede construir una planta con los módulos espirales de una marca y pasar a trabajar al cabo de un tiempo con los de otra firma, debido a su oferta más ventajosa, sin ningún problema. Por el contrario, si se instalasen módulos de las placas, tubulares o de fibra hueca, se estaría ligado de por vida al fabricante de los mismos y a sus precios, so pena de modificar todo el diseño de la unidad de osmosis inversa, lo que equivaldría a hacerla de nuevo. Evolución del flujo del solvente y del rechazo de soluto Todo aumento de la presión de trabajo implica un aumento prácticamente lineal del flujo de solvente así como un aumento del rechazo de soluto que tiende a un límite cuando el flujo de solvente es elevado. A medida que la concentración de la solución de aporte aumenta, el flujo de solvente disminuye ya que aumenta la presión osmótica de la solución y esta actúa como sustraendo de la presión hidráulica en la ec. [5.1] del transporte del solvente. El rechazo de soluto disminuye igualmente debido al descenso del flujo de solvente. Todo aumento de la temperatura de la solución de aporte aumente el flujo del solvente (agua) debido en primer lugar al descenso de su viscosidad y en segundo lugar al aumento de su velocidad de difusión a través de la membrana. El aumento de la temperatura de la solución de aporte origina, sin embargo, un descenso en el rechazo de soluto debido, por una parte, al aumento de la solubilidad del soluto en la membrana y por otro, al hinchamiento de la estructura de esta. El aumento del porcentaje de recuperación incrementa la concentración en el rechazo elevando la presión osmótica de la solución en contacto con la membrana. Selección de bombas Bombas de alta presión Las bombas de alta presión son el corazón de la planta de osmosis inversa ya que impulsan la solución a tratar hacia las membranas a la presión requerida por estas. Es aquí donde se consume la mayor parte de la energía del proceso, por lo que la decisión del tipo de bomba a instalar tiene una gran importancia. A la hora de seleccionar las bombas hay que tener en cuenta distintos parámetros como su rendimiento, la inversión necesaria, el mantenimiento requerido, la disponibilidad, los niveles de ruido, las vibraciones, etc.

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En el proceso de osmosis inversa se utilizan generalmente dos tipos de bombas:

• Alternativas o de desplazamiento positivo. • Centrífugas.

A continuación se van a exponer las características particulares de cada tipo de bomba así como los criterios a seguir para su selección. Bombas de desplazamiento positivo. En las bombas de desplazamiento positivo el movimiento de rotación del motor eléctrico de accionamiento se convierte en un movimiento de vaivén mediante un mecanismo biela-manivela-corredora, la corredora va unida a un embolo o a un pistón, que es el artífice de la impulsión del fluido gracias a unas válvulas situadas en la aspiración e impulsión que solo permiten que el fluido a bombear circule en un determinado sentido. El fluido accede a la bomba a través del colector de aspiración y pasa a la cámara de impulsión a través de la válvula de aspiración que se encuentra abierta por la succión que produce el embolo cuando retrocede, es decir, cuando se mueve hacia su punto muerto inferior. Durante este tiempo, la válvula de descarga permanece cerrada debido a la presión que ejercen sobre ella tanto el resorte con que suele ir prevista como el fluido existente en el colector de impulsión. A medida que el embolo avanza hacia el punto muerto superior, es decir, cuando penetra en la cámara de impulsión, aumenta la presión del fluido existente en esta cerrando la válvula de aspiración. Cuando la presión de la cámara se iguala con la existente en el colector, la válvula de descarga se abre y el líquido es bombeado hacia el exterior repitiéndose la secuencia en cada embolada. Una bomba con este funcionamiento se dice que es de “simple efecto” ya que la cámara de presión se llena cuando el pistón retrocede y bombea cuando el pistón avanza hacia ella. En las bombas de “doble efecto”, por el contrario, al retroceder el pistón, llena una cámara de presión con una de sus caras y, al mismo tiempo, con la otra cara impulsa el fluido de otra cámara contigua invirtiéndose la situación cuando el pistón avanza. Generalmente las bombas de “simple efecto” van provistas de “émbolos”, mientras que las de doble efecto suelen incorporar “pistones”. Los pistones se diferencian de los émbolos en que en el primer caso la empaquetadura que asegura la estanquidad del conjunto va alojada en el pistón moviéndose con él y deslizando sobre el cilindro. En los émbolos, la empaquetadura es fija y está alojada en una cámara destinada a tal fin en que el cilindro siendo el embolo el que se mueve y desliza sobre ella. En las plantas de osmosis inversa se utilizan generalmente bombas de émbolos. Las bombas alternativas se fabrican con distinto número de cilindros, recibiendo diferentes nombres. Las bombas se accionan generalmente mediante motores eléctricos acoplados al eje del piñón de ataque bien directamente, a través de variadores-reductores o mediante un sistema de poleas y correas. En una bomba alternativa, el caudal instantáneo tanto a la entrada como en la descarga es igual a la suma de los caudales aspirados e impulsados en cada momento por cada uno de los émbolos, lo que da lugar a un caudal “pulsado”. Los factores que influyen en el tipo y amplitud de las pulsaciones son:

• El numero de émbolos y el desfase entre si. • La forma de la cámara de impulsión. • La relación entre la longitud de la biela y el radio de la manivela.

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Las fluctuaciones de caudal no son buenas para el funcionamiento de las membranas porque dan lugar a variaciones de la velocidad de arrastre sobre la superficie de la membrana y, por tanto, a fenómenos de dolarización. La presión que suministra una bomba alternativa es igual a la que pide el sistema siempre que la resistencia mecánica de los elementos de transmisión y potencia del motor instalado lo permitan, siendo en este sentido y a diferencia de las bombas centrífugas independientemente del número de revoluciones. Esta particularidad puede originar que en una planta de osmosis inversa con este tipo de bombas se alcancen presiones elevadas si se cerrase accidentalmente cualquier válvula de la línea de impulsión o del rechazo de la planta, con el riesgo consiguiente que ello supondría. Con este tipo de bombas es, por tanto, imprescindible instalar válvulas de seguridad en la descarga para proteger la instalación frente a cualquier sobrepresión accidental. Las pulsaciones de caudal originan variaciones en las velocidades del fluido a través de las válvulas y tuberías tanto de aspiración como de impulsión, lo que provoca, a su vez, fluctuaciones en la perdida de carga del sistema. Todo ello trae como consecuencia la aparición de pulsaciones de presión en la aspiración e impulsión de la bomba proporcional a la diferencia de los cuadrados de las velocidades y, por tanto, a la diferencia de los cuadrados de los caudales. Las pulsaciones de presión en la impulsión, dependiendo de las características de elasticidad de las tuberías, pueden llegar a los módulos de osmosis inversa originando daños más o menos importantes según la magnitud de las pulsaciones. Las pulsaciones dan lugar a movimientos periódicos de los módulos y de sus piezas de interconexión dentro de los tubos de presión, lo que produce un alto desgaste de las juntas tóricas encargadas de asegurar la estanquidad entre el permeado, la aportación y el rechazo. Todo ello se traduce en la aparición de fugas de rechazo hacia el permeado con el consecuente descenso de la calidad de este. Las pulsaciones de presión en la aspiración dan lugar a problemas de MPS (Net positive suction head) y, consecuentemente, de cavitación. Complementariamente, si la frecuencia de las pulsaciones coincide con la frecuencia de vibración propia de las tuberías o bien con la de uno de sus armónicos, pueden producirse fallos en las soldaduras por fatiga como en la bomba por ondas de choque. La instalación de varias bombas alternativas aspirando de un colector común puede ocasionar problemas graves de vibraciones. Con objeto de reducir al mínimo los problemas señalados es necesario instalar, tanto en la aspiración como en la impulsión de las bombas, sendos amortiguadores de pulsaciones que son recipientes cargados con un gas y provistos de una membrana que separa el gas del líquido bombeado. La gran compresibilidad del gas permite amortiguar tanto las variaciones de presión como los de caudal y los de inercia. Es conveniente instalar los amortiguadores lo más cerca posible de las bombas con objeto de minimizar los efectos de la inercia. Hay que tener en cuenta que la mayor parte de los amortiguadores no pueden funcionar más que con una presión estática positiva por lo que su funcionamiento puede presentar problemas cuando se colocan en la aspiración de las bombas sin las debidas precauciones. Si se instalan varias bombas en paralelo, es aconsejable que cada bomba tenga sus propias tuberías de aspiración e impulsión con sus correspondientes amortiguadores, independientes de las demás. Las bombas de desplazamiento positivo se utilizan en plantas de pequeño tamaño que requieran trabajar con elevadas presiones, como es el caso de la desalación de agua de mar, ya que es difícil encontrar otro tipo de bombas que reúnan las dos condiciones exigidas: que bombeen un reducido caudal a una presión elevada. También se utilizan en plantas medianas (hasta 130 m3/h) cuando se precisan altos rendimientos energéticos en la impulsión de la solución a tratar y, por tanto, bajos consumos específicos de

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energía. Como contrapartida al buen rendimiento hidráulico, este tipo de bombas exige un costoso mantenimiento.

Bombas centrífugas

Una bomba centrífuga en su concepción más simple consiste en un impulsor con alabes, llamado “rodete”, que gira en el interior de una carcasa accionado desde el exterior mediante un eje. La energía de una fuente exterior aplicada al eje A hace girar el impulsor B dentro de la carcasa estacionaria C. los álabes del impulsor en rotación producen un descenso de la presión en la entrada de los mismos, lo que origina que el fluido se mueva hacia ellos desde la tubería de aspiración D. el fluido, debido a la rotación del impulsor, es enviado hacia el exterior de los alabes aumentando su velocidad tangencial. La velocidad adquirida por el fluido cuando abandona los alabes se transforma en presión cuando pasa al difusor saliendo al exterior a través de la tubuladura de descarga. Los impulsores pueden ser cerrados, abiertos o semiabiertos. Los abiertos y semiabiertos se utilizan para impulsar líquidos cargados o viscosos. Las bombas de las plantas de osmosis inversa incorporan rodetes cerrados cuyo rendimiento es mayor que el de los abiertos y semiabiertos. En las plantas de osmosis inversa pueden utilizarse los cuatro tipos de bombas centrífugas siguientes:

• De segmentos. • De cámara partida. • Con tubo de pitot • De alta velocidad

Los dos últimos solo se han instalado en contadas ocasiones. Bombas de segmentos. Reciben este nombre porque cada bomba está formada por un conjunto de “rodajas” o “segmentos” transversales al eje de rotación aprisionados entre dos cabezales extremos mediante tirantes. Bombas de cámara partida. Se llaman así porque la carcasa o “cámara” de presión esta partida horizontalmente. Las bombas de cámara partida tienen una construcción mucho más robusta que las de segmentos y su costo es por tanto mayor. Su diseño permite, sin embargo, un mantenimiento más sencillo. Bombas con tubo pitot. El nombre con que se conoce a estas bombas se debe a que la energía cinética comunicada al fluido en el rotor se transforma en presión en un tubo de pitot. El fluido a impulsar entra por el colector de toma y pasa al rotor a través de unos conductos radiales. Dentro del rotor, debido al giro de este, aumenta su velocidad que es transformada en presión en un tubo de pitot que permanece estacionario en el interior, saliendo al exterior del brazo del mismo y del colector de descarga. Estas bombas, en contraposición con las de segmentos y las de cámara partida, son de una etapa y no utilizan ni aros de desgaste ni casquillos de tolerancia.

Bombas de alta velocidad

Este tipo de bombas posee uno o dos rodetes como máximo, por lo que la alta presión necesaria en la descarga se consigue haciéndolos girar a altas revoluciones, llegando a superar las 15000 rpm. El aumento de revoluciones de consigue habitualmente mediante un multiplicador de engranajes. Este tipo de bombas presentan dos inconvenientes para su utilización en plantas de osmosis inversa. El primero es su bajo rendimiento hidráulico en comparación con las de segmentos y las de cámara

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partida y, el segundo, la alta velocidad con que trabajan lo que complica el mantenimiento (cambio de rodamientos, aceite del multiplicador, etc.).

Comparación entre los distintos tipos de bombas

Las bombas centrífugas, especialmente las de segmentos y las de cámara partida, se utilizan mucho más frecuentemente que las de desplazamiento positivo ya que presentan, frente a ellas una serie de ventajas, entre las que se pueden citar:

• Ausencia de pulsaciones de presión y de caudal • Mayor operatividad • Inferior mantenimiento

Las bombas de segmentos se utilizan tanto en las plantas pequeñas como en las de gran tamaño, si bien, con caudales inferiores a los 25 m3/h y presiones superiores a 50 bar, su rendimiento decrece tanto que es más aconsejable utilizar bombas de desplazamiento positivo. Por encima de los 300 m3/h y presiones superiores a los 50 bar se puede obtener un rendimiento algo mejor con las bombas de cámara partida. Hay que estudiar entonces si el menor consumo de energía amortiza en un tiempo razonable la mayor inversión inicial requerida. Para caudales superiores a los 500 m3/h y presiones por encima de los 50 bar suele ser mas interesante utilizar bombas de cámara partida. Las bombas con tubo de pitot solo se utilizan en plantas pequeñas, hasta 25 m3/h y 70 bar, cuando el costo de la energía eléctrica no es importante. Las bombas de alta velocidad solo se utilizan en situaciones especiales y sobre todo combinadas con turbinas de recuperación de energía. Cada tipo de bomba considerado tiene ventajas e inconvenientes para su utilización en una planta de osmosis inversa, tal como se recoge en la tabla 7.2.

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Tipo de bomba Ventajas Inconvenientes Desplazamiento positivo

Alto rendimiento hidráulico (superior al 90 %) Bajo consumo especifico de energía Se adaptan a la compactación y al ensuciamiento de las membranas, aumentando o reduciendo la presión de impulsión sin la intervención de ningún sistema de control

Suministran un caudal y una presión “pulsados” Requieren un cambio frecuente de empaquetaduras y émbolos Pueden llegar a las membranas partículas precedentes de las empaquetaduras Elevado costo de mantenimiento Vibraciones y alto nivel sonoro

Segmentos económicas El rendimiento hidráulico rara vez supera el 80% Es preciso desmontar las tuberías y toda la bomba para inspeccionar o cambiar un rodete Riesgo de corrosión en las superficies de contacto entre segmentos

cámara partida Buen rendimiento hidráulico (en el entorno del 80%) Bombas muy robustas Fácilmente desmontables, sin desconectar las tuberías Se accede con facilidad a todas las piezas internas Fáciles de mantener

Costo de inversión elevado Repuestos caros