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Mejorar la calidad del agua puede producir una mejor cosecha

por Nancy Walery
Oficina Agrícola del Condado de San Diego

Ya sea que cultive flores, viveros, frutas, verduras o cualquier otro cultivo donde el agua sea fundamental para un buen cultivo agrícola, no querrá conformarse con una calidad de agua que perjudique sus objetivos de producción. Pero si riega sus cultivos con agua pura del grifo, es muy probable que se esté perjudicando a sí mismo y a sus productos agrícolas, lo que se traduce en una reducción del rendimiento en la cosecha.

Applied Membranes, Inc., con sede en Vista, diseña, fabrica y distribuye sistemas y componentes de filtración por ósmosis inversa (OI) para uso comercial, industrial y residencial, y es la solución ideal para los agricultores a sus problemas de calidad del agua. Miembro de Apoyo Empresarial de SDCFB desde 2009 y en activo desde 1983, AMI ha suministrado sistemas y servicios de filtración y purificación de agua, tanto estándar como personalizados, a una amplia gama de clientes, desde hogares hasta empresas de la lista Fortune 500, ofreciendo una amplia gama de aplicaciones, incluyendo agua ultrapura, potable, para diálisis, farmacéutica, reciclaje de agua, desalinización de agua de mar y más. El propietario de la empresa, Gil Dhawan, ha comprobado que los sistemas de OI ofrecen a los agricultores, incluso a los productores lecheros, mejoras impresionantes en la producción.

“Todo lo que cultiva el agricultor requiere agua de buena calidad”, afirmó Dhawan, quien ha trabajado en el campo de la tecnología de membranas desde 1972 y tiene un Doctorado en Ingeniería Química de la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá. “Muchas veces, la calidad del agua del agricultor, ya sea de pozo o de fuentes municipales, no es tan buena como debería y podría influir no solo en el volumen del cultivo, sino también en el tamaño, la uniformidad y la calidad general del producto”.

Lo que los sistemas de ósmosis inversa pueden hacer por la agricultura es eliminar, o al menos reducir considerablemente, el cloruro de sodio, tan prevalente en la mayoría de las muestras de agua que analiza Dhawan. Además, pueden compensar las variaciones en la calidad del agua que se producen en el agua municipal, que puede provenir de fuentes mixtas en diferentes épocas del año.

“La sal es un factor importante en la agricultura porque los altos niveles de cloruro reducen el rendimiento de los cultivos”, afirmó Dhawan, autor de decenas de artículos técnicos sobre la tecnología de ósmosis inversa. “Nuestro objetivo es reducirla al mínimo. Pero no tenemos que eliminarla por completo; cada cultivo tiene un umbral diferente para estos compuestos, así que, siempre que podamos reducir el nivel por debajo de ese umbral, se observará una mejora en el cultivo. Tras realizar un análisis detallado de la composición del agua de un cliente, diseñamos su sistema basándose en esos datos para que proporcione una calidad de agua óptima”.

Dhawan comentó que uno de sus primeros sistemas de ósmosis inversa, vendido al sector agrícola, fue para un cultivador local de orquídeas, y cambió por completo la calidad y consistencia de sus productos. Incluso los productores lecheros verán una mejora notable en la producción de leche de las vacas que beben agua de ósmosis inversa, afirmó Dhawan, citando un estudio realizado por un productor lechero de Nuevo México, también veterinario de la Universidad de California en Davis. En dicho estudio, se proporcionaron dos depósitos de agua diferentes: uno con agua corriente del grifo y el otro, ubicado más lejos, con agua de ósmosis inversa. Se observó que más animales caminaban la distancia más larga para beber el agua de ósmosis inversa y bebían más, lo que aumentaba su producción de leche.

Los productos de membrana AMI se utilizan en más de 100 países alrededor del mundo y se fabrican en EE. UU. en instalaciones que han obtenido la certificación ISO 9001:2015, un estándar de calidad internacional.

Otra ventaja de trabajar con AMI es la experiencia técnica y la amplia disponibilidad de piezas que incluye su sistema, no solo al comprarlo, sino durante toda su vida útil. Si necesita un nuevo análisis de la eficacia de su sistema debido a cambios en la calidad del agua u otros problemas sospechosos, AMI cuenta con la experiencia técnica necesaria para realizar los ajustes necesarios con rapidez y precisión. Un sólido sistema de control de inventario garantiza que AMI nunca se quede sin el repuesto de filtro específico ni otros componentes, y el volumen de movimiento de piezas garantiza precios competitivos. La empresa, que ofrece una amplia gama de filtros y carcasas fabricados bajo la marca AMI, también es un importante distribuidor de filtros de marcas reconocidas.

“La mayoría de las empresas que ofrecen productos y servicios similares no tienen la misma orientación técnica que AMI para brindar el análisis crítico y las recomendaciones personalizadas que busca el cliente”, afirmó Dhawan. “Con el tiempo, los sistemas de ósmosis inversa probablemente necesitarán algún tipo de asistencia técnica. Por eso, con nuestro modelo de negocio más técnico, cuando nuestros clientes nos llamen buscando servicio y soporte, ahí es cuando destacaremos”.

Applied Membranes, Inc. se encuentra en 2450 Business Park Dr., Vista, CA 92081 y puede contactarla al (760) 727-3711 o al número gratuito (800) 321-9321. También le recomendamos visitar el sitio web completo de AMI: www.appliedmembranes.com.

La Oficina Agrícola del Condado de San Diego cuenta con una sólida plantilla de miembros que apoyan a las empresas y se dedican a servir a la comunidad agrícola local. Para obtener una lista completa de los miembros que apoyan a las empresas y los servicios que ofrecen, visite el sitio web de la Oficina Agrícola del Condado de San Diego.

Por Gil K. Dhawan | 1997

Introducción

La ultrafiltración y la ósmosis inversa a baja presión se utilizan cada vez más como tratamiento final en la producción de agua ultrapura, libre de partículas y de compuestos orgánicos. Los sistemas de membranas son especialmente atractivos para el punto de uso, como se requiere en aplicaciones electrónicas, farmacéuticas y de agua potable.
En los últimos tres años se han logrado varios avances, entre ellos, mejores membranas, mejores equipos analíticos y una mejor comprensión del efecto de las impurezas en el uso del agua. Este artículo analiza algunos de estos avances y ofrece ejemplos de algunas aplicaciones de la ultrafiltración y la ósmosis inversa a baja presión.

Agua en el punto de uso para la industria electrónica

En la industria electrónica, los estándares de agua se revisan periódicamente para reflejar las necesidades cambiantes, la calidad cambiante del agua cruda y la disponibilidad de técnicas analíticas más sofisticadas.
El punto de partida para la producción de agua ultrapura es el agua de alimentación, que generalmente se obtiene del suministro de agua municipal. La Agencia Federal de Protección Ambiental (FEMA) establece el estándar para esta agua. La Tabla 1 muestra algunos de los contaminantes más comunes y sus concentraciones máximas permitidas en el agua potable.
Se ha debatido ampliamente la calidad del agua necesaria para el enjuague final de las obleas. Se han propuesto y proyectado varias especificaciones de calidad del agua para el punto de uso ( Tabla 2 ).
La tecnología para producir agua de la calidad que exige la industria electrónica ha mejorado en los últimos cinco años. Las principales preocupaciones en el agua ultrapura son el crecimiento de microorganismos y la presencia de materiales coloidales. La contaminación coloidal puede deberse a impurezas presentes en el agua cruda, como ácido húmico o sílice coloidal, el crecimiento bacteriano en el sistema y subproductos bacterianos como pirógenos. Otras fuentes de contaminación son la lixiviación de materiales de tuberías, válvulas, medidores, bombas y controles utilizados en el sistema de purificación de agua.
Para obtener y mantener la más alta calidad del agua, es fundamental utilizar materiales para tuberías y otros componentes que no se filtren en el agua ultrapura. El fluoropolímero está sustituyendo al PVC como material de construcción para sistemas de agua ultrapura.
Actualmente, el tratamiento final del agua en el punto de uso en la industria electrónica consiste en la filtración a través de un filtro microporoso de 0,2 micras para eliminar los microorganismos y los materiales coloidales que aún puedan estar presentes en el agua en ese momento. La experiencia demuestra que la filtración de 0,2 micras no es suficiente para mantener la alta calidad del agua.

Un estudio reciente (Ref. 2) demuestra que la ultrafiltración proporciona una calidad de agua mucho mayor en el punto de uso que los filtros convencionales de 0,2 micras. Los sistemas de membrana microporosa tienen un rango de eliminación de partículas de 0,2 a 10 micras y funcionan con presiones de entrada de 5 a 100 psi. La ultrafiltración, por otro lado, elimina partículas de 0,001 a 0,05 micras.

Un sistema de este tipo, diseñado para el punto de uso en la industria de la microelectrónica, es un sistema de 19 litros por minuto, suministrado por Millipore. Este sistema utiliza membranas de ultrafiltración espiraladas con una clasificación de 0,006 micras y una membrana final de 0,2 micras. La Figura 1 muestra el sistema Millipore con toda la tubería construida con materiales de fluoropolímero. El sistema cuenta con un punto de inyección de desinfectante a la entrada. La válvula de rechazo del sistema viene ajustada de fábrica a 0,3 litros por minuto, lo que permite una recuperación muy alta (98%). La válvula se abre periódicamente para permitir el flujo completo y una limpieza a través de la membrana.
Estos sistemas se han probado (Ref. 2) mediante retención coloidal. Estas pruebas se realizaron tanto en laboratorio como en campo. Además, se analizaron las obleas para determinar el rendimiento del sistema en el punto de uso.

La primera comparación entre microfiltros y ultrafiltros de punto de uso se realizó mediante un índice de densidad de sedimentos modificado. El agua desionizada fluye desde el filtro de punto de uso en prueba hacia un filtro de sedimentos de alta densidad (SDI). La tasa de obstrucción del filtro de sedimentos de alta densidad (SDI) indica la eficiencia de eliminación de coloides del filtro de punto de uso. Una tasa de obstrucción mayor implicaría una eficiencia relativamente baja en la eliminación de coloides, y viceversa.

La Figura 2 resume los resultados de esta prueba. El gráfico muestra que los filtros de 0,1 y 0,2 micras permitieron el paso de aproximadamente la misma cantidad de partículas y coloides. El ultrafiltro con un peso molecular de 100.000 (0,006 micras) mostró un rendimiento mucho mejor.

Los resultados de la prueba de campo se presentan en la Figura 3. El gráfico muestra la obstrucción de un filtro de 0,2 micras con agua desionizada filtrada a través de un filtro de 0,2 micras, en comparación con la obstrucción del agua tratada mediante ultrafiltración. Claramente, la ultrafiltración ha producido agua de mucha mejor calidad.

Finalmente, la ultrafiltración en el punto de uso también se evaluó midiendo la contaminación de las obleas. La Tabla 3 presenta los resultados de estas pruebas en cuatro ubicaciones diferentes. La tabla muestra una reducción significativa de partículas en las obleas al utilizar la ultrafiltración, en comparación con el filtro de 0,2 micras. Las ubicaciones 1 y 4 también muestran los efectos de no modernizar las tuberías aguas abajo de la ultrafiltración.

Diferentes investigaciones están realizando más trabajos para comprender y mejorar la calidad del agua en el punto de uso, pero está claro que la ultrafiltración en el punto de uso proporciona agua de enjuague de mucha mejor calidad de lo que era posible antes con filtros de 0,2 micrones ( Tabla 4 ).

Conclusiones

Las aplicaciones de la ultrafiltración y la ósmosis inversa de baja presión para el tratamiento de agua en el punto de uso son muy prometedoras. El desarrollo de membranas de alto flujo y membranas de ósmosis inversa de tipo "suavizante" sin duda acelerará su uso en el punto de uso, para satisfacer los exigentes requisitos de calidad del agua en diversas industrias. Se prevé un aumento en el uso de estos procesos en la producción de agua ultrapura.

Referencias

1. Motomura, H., Microcontaminación, marzo de 1984
2. Accomazzo, M. y Gaudet, PW, Ultrafiltración en el punto de uso de agua desionizada y efectos sobre la calidad de los dispositivos microelectrónicos, Millipore Corporation.
3. Departamento de Servicios de Salud del Estado de California, Rama de Ingeniería Sanitaria
4. Farmacopea de los Estados Unidos, XX Edición, Mack Publishing Company, 1980.
5. Pharmaceutical Technology, octubre de 1983, Parte IIb del informe del Comité de Agua Desionizada de PMA.

Figura 1 Sistema de ultrafiltración diseñado para el punto de uso en la industria de la microelectrónica	Figura 2 Comparación de microfiltros y ultrafiltros de punto de uso utilizando un índice de densidad de sedimentos modificado	Figura 3 Comparación de filtros UF y de 0,2 micrones
Sistema UF que utiliza membranas de ultrafiltración en espiral con una clasificación de 0,006 micras y una membrana final de 0,2 micras.	Taponamiento de membrana de 0,2 micrones (disco de 293 mm) aguas abajo de filtros de prueba a caudal constante (2,0 GPM)	Taponamiento del filtro de disco de 0,2 micrones en el circuito de agua desionizada antes y después de la ultrafiltración

Tabla 1 - Estándares primarios de agua potable (Ref. 3)

Tabla 2 - Especificaciones del agua ultrapura para la industria de semiconductores

a. Medido con un medidor de resistividad.

b. Medición mediante recuento microscópico directo. Las partículas retenidas en un filtro de policarbonato se tiñen y se cuentan con un microscopio óptico o, si las partículas son inferiores a 0,1 micras, con un microscopio electrónico de barrido.

c. Medido mediante detección de resistividad de oxidación ultravioleta (Fotoquímica de Barnstead). La detección de oxidación húmeda por infrarrojos se utiliza para determinar niveles de carbono orgánico total superiores a 0,2 ppm.

d. Medido por el método de cultivo (ASTM F60-68).

e. Medido por el método colorimétrico de sílice reactiva con molibdato (ASTM 0689-80).

f. Medido por titulación de Winkler.

Tabla 3 - Evaluación de ultrafiltración en el punto de uso mediante contaminación de obleas

Recuento de partículas en obleas

*La plomería después de UF no se actualizó

Tabla 4 - Rendimiento de la ultrafiltración en el punto de uso

Estudio de caso: Tratamiento de aguas residuales industriales con vertido cero en la central eléctrica RD Nixon

Por Gil K. Dhawan | 1983

Abstracto

Un sistema de aguas residuales de descarga cero, diseñado por la División de Sistemas de Fluidos de UOP Inc. en San Diego, California, y CH ₂ M Hill en Bellevue, Washington, ha estado operando con éxito en la Central Eléctrica RD Nixon desde octubre de 1980. Se estima un ahorro operativo del 50 % en comparación con las alternativas tradicionales. El diseño del proceso para la instalación se elaboró tras evaluar diversas opciones. Las operaciones unitarias del sistema incluyen clarificación, filtración, ósmosis inversa y evaporación por recompresión de vapor. Se analizan las diversas opciones de rendimiento de la instalación.

Introducción

La central eléctrica RD Nixon se encuentra en Fountain, Colorado. La selección del emplazamiento se basó en diversos factores, como su proximidad a los clientes. Esta ubicación la sitúa a 24 kilómetros del alcantarillado municipal y junto a un arroyo local de agua dulce. Todo líquido vertido en este arroyo debe cumplir con estrictos requisitos de vertido de efluentes. Sin embargo, el vertido de efluentes de la planta al alcantarillado municipal requeriría una tubería de gran longitud con un coste prohibitivo. Por lo tanto, la única opción viable era tratar y reciclar los efluentes de la planta. El sistema de tratamiento de aguas residuales fue diseñado por CH ₂ M Hill, y el sistema de ósmosis inversa fue diseñado y suministrado por Fluid Systems. El coste total del sistema de aguas residuales fue aproximadamente la mitad del coste estimado de instalación y operación de una tubería hasta la planta de tratamiento de aguas residuales municipal.

Suministro de agua

El agua de suministro para la central eléctrica se obtiene de pozos ubicados cerca de ella. El consumo total de la central ronda los 1700 galones por minuto (GPM). Casi el 90 % de este consumo se destina al agua de reposición para la torre de refrigeración.

El análisis del diseño del agua de pozo se presenta en la Tabla 1. Del análisis se desprende claramente que los ciclos de concentración en la torre de enfriamiento provocarían la precipitación de fosfato de calcio, sulfato de calcio o sílice.

La dureza del agua de pozo puede alcanzar los 600 mg/l de carbonato de calcio. Por lo tanto, el agua de suministro se ablanda mediante resinas de intercambio iónico (zeolita). La dureza total se reduce a menos de 15 mg/l ( Tabla 1 ). El agua ablandada se utiliza para la torre de refrigeración y otros usos rutinarios de la planta.

Composición de las aguas residuales

Los efluentes de las centrales eléctricas provienen de diversas fuentes, entre ellas:

• Purga de la torre de enfriamiento
• Regenerante de aguas residuales para suavizadores
• Purga de agua de compuerta de ceniza
• Residuos de regeneración del desmineralizador
• Desagües de suelo
• Residuos de limpieza química

De hecho, todas las aguas residuales de las plantas, excepto las aguas residuales, se tratan mediante el sistema de tratamiento de aguas residuales.

Casi el 60 % del total de aguas residuales proviene de la purga de torres de refrigeración. Los ciclos de concentración están limitados por la solubilidad del fosfato de calcio que aún permanece en el agua ablandada, como se muestra en un análisis típico de la purga del agua de refrigeración ( Tabla 1 ).

Las aguas residuales regeneradas del descalcificador son la siguiente fuente más importante de aguas residuales, representando casi el 18 % del total. Como era de esperar, las aguas residuales regeneradas del descalcificador presentan concentraciones muy altas de calcio.

La tercera fuente más importante de aguas residuales es la purga del agua de compuerta de cenizas (15%). Una corriente de purga de la torre de refrigeración se utiliza como agua de reposición para eliminar las cenizas de fondo de las tolvas de cenizas de la central eléctrica de carbón. La mezcla de cenizas y agua se deja sedimentar en los estanques de cenizas, y el sobrenadante del último estanque se bombea continuamente de vuelta al tanque de compuerta. Una parte del líquido del agua de compuerta se purga continuamente desde aguas arriba del tanque de compuerta.

Los residuos de la regeneración del desmineralizador representan aproximadamente el 5 % de las aguas residuales. El desmineralizador se utiliza para producir agua de alta calidad para la caldera.

La mayor parte del agua de los desagües del suelo se utiliza para limpiar los sellos de varias bombas. Estos desagües aportan aproximadamente el 2 % del total de aguas residuales de la central eléctrica.

En la Tabla 1 se presenta un análisis representativo de algunas de las principales corrientes de aguas residuales y de las aguas residuales combinadas de la planta. El análisis combinado de aguas residuales no incluye la corriente de regenerante del suavizador.

La definición de los flujos de residuos de la central eléctrica fue el primer paso hacia el diseño del proceso de tratamiento de aguas residuales. La siguiente sección examina las opciones de diseño del proceso para diversas necesidades de agua y aguas residuales.

Tabla 1
Composición del diseño de las principales corrientes de agua, aguas residuales y aguas residuales tratadas

Tratamiento de aguas residuales – Diseño de procesos

CH ₂ M Hill desarrolló el diseño del proceso para la central eléctrica de Nixon. Las decisiones de diseño se centraron en cuatro consideraciones principales:

1. Tratamiento de agua de pozo para la torre de refrigeración
2. Tratamiento y reciclaje de aguas residuales de plantas combinadas
3. Tratamiento de agua para agua de alimentación de calderas
4. Concentración y disposición final de las aguas residuales de (3).

Se consideraron varias opciones para cada paso. A continuación, se presenta un breve resumen de la justificación de la selección de cada proceso.

1. Agua de la torre de enfriamiento

El análisis demostró que el requisito de calidad del agua de la torre de enfriamiento podía cumplirse mediante la eliminación de los iones formadores de incrustaciones que limitan los ciclos de concentración en la torre. Los iones limitantes en la composición del suministro de agua de pozo son ^Ca₂ y ^PO₄ . Los procesos considerados para la eliminación de estos iones incluyeron el ablandamiento con cal-sosa y el ablandamiento por intercambio iónico (zeolita). Se seleccionó el ablandamiento por intercambio iónico debido a los menores costos _de capital y de productos químicos.

2. Tratamiento y reciclaje de aguas residuales de plantas combinadas

Los procesos considerados aquí fueron los siguientes:

• Ablandamiento con cal y sosa de flujo lateral (SS L/S)
• Ósmosis inversa (OI)
• Evaporación por recompresión de vapor (VRE)

El ablandamiento con cal-sosa de flujo lateral eliminaría los iones de calcio, magnesio, sílice y fosfato del agua de refrigeración. En cuanto a la calidad del agua en la torre de refrigeración, el SS L/S resultó más costoso que la ósmosis inversa debido al requisito de un sistema de dos etapas para garantizar la eliminación de la dureza, los mayores costos de productos químicos y el mayor costo de los materiales de construcción de la torre de refrigeración, requeridos por un entorno más salino. La calidad de la purga de la torre de refrigeración requerida con SS/LS fue similar a la del concentrado de ósmosis inversa; por lo tanto, los costos finales de evaporación fueron prácticamente iguales.

Los costos de capital y operación de la ósmosis inversa son mucho menores que los de la ERV. Por otro lado, existe una limitación práctica en la concentración máxima de sales en el agua con ósmosis inversa. Por lo tanto, una combinación de ósmosis inversa y ERV resultó ser la solución más económica para el tratamiento de aguas residuales. La calidad proyectada del permeado de la ósmosis inversa se consideró adecuada para el agua de reposición de torres de refrigeración, y el condensado de la ERV podría utilizarse como agua de alimentación de calderas.

3. Agua de alimentación de la caldera

Los criterios de alimentación del agua de caldera son los siguientes:

Los estudios indicaron que la demanda total de agua de alimentación de la caldera podría cubrirse purificando el retorno de condensado del ERV mediante intercambio iónico de lecho mixto. Sin embargo, se requeriría un tren desmineralizador completo, que incluye unidades de carbón, catión, desgasificación, anión y lecho mixto, como respaldo. Dado que el permeado de las unidades de ósmosis inversa es de mejor calidad que el agua de suministro suavizada, este podría desviarse al tren desmineralizador si se interrumpiera el suministro de condensado del ERV.

Además, el exceso de condensado de retorno podría enviarse a la torre de enfriamiento.

4. Concentración final de residuos

Para reducir aún más el volumen del concentrado del evaporador de recompresión de vapor, se consideraron los estanques de evaporación. Dado que se disponía de terreno, los estanques de evaporación ofrecían ahorros sustanciales en comparación con alternativas de procesamiento como el secado por aspersión.

5. Otros flujos de residuos

Para otros flujos de residuos de bajo volumen y/o baja frecuencia, se tomaron las siguientes decisiones:

Comparación económica de alternativas de diseño de procesos

En la Figura 1 se presenta una comparación económica de las diferentes alternativas de diseño de procesos, realizada por CH2M Hill. Con base en estos costos y otras consideraciones mencionadas anteriormente, se seleccionó el esquema de proceso para el caso 1A. Se eligieron lagunas de evaporación para una mayor concentración del concentrado del evaporador, y los sólidos recolectados en las lagunas de evaporación se eliminarían en vertederos.

Figura 1
Alternativas al proceso de descarga cero

• IX = Ablandamiento por intercambio iónico
• L = Ablandamiento con cal fría
• L/S = Suavizante de cal y sosa
• SSL/S = Tratamiento de cal y sosa de flujo lateral
• RO = Ósmosis inversa
• VRE = Evaporación por recompresión de vapor

Sistema de tratamiento de aguas residuales

Las aguas residuales de todas las fuentes, excepto la torre de enfriamiento, fluyen a un depósito de ecualización. Desde allí, se bombean a un tanque de mezcla. Mediante un control de válvulas, las aguas residuales a tratar pueden obtenerse del depósito de ecualización, de la torre de enfriamiento o de ambos (véanse las Figuras 2 y 3 ). Se añaden cloro, alumbre y polímero a las aguas residuales y se mezclan en el tanque de mezcla. Desde el tanque de mezcla, las aguas residuales se bombean a las tres unidades paralelas de clarificación y filtración. Cada unidad consta de una cámara de floculación, una sección de clarificación con sedimentadores tubulares y un filtro de medios mixtos. Los filtros y los tubos se lavan a contracorriente automáticamente.

El sistema de filtración está automatizado y se añaden continuamente un polímero catiónico y cloruro férrico proporcionalmente al volumen de aguas residuales. Los filtros se retrolavan automáticamente si el agua filtrada presenta una turbidez superior a 0,9 JTU.

El agua clarificada y filtrada fluye hacia un pozo transparente. Este pozo sirve como tanque de suministro de agua para el proceso de ósmosis inversa, así como para el retrolavado y el lavado superficial del filtro de medios. Las aguas residuales del retrolavado fluyen hacia un sumidero que también recoge el agua de los desagües del suelo. El agua residual del sumidero se bombea a los estanques de cenizas de fondo. Las cenizas de fondo se drenan desde la tolva de cenizas de fondo húmedo hacia los estanques de cenizas una o dos veces por turno con grandes cantidades de agua. El lodo resultante se sedimenta en tres estanques de 1,2 hectáreas conectados en serie, y el sobrenadante del último estanque se bombea continuamente de vuelta al tanque de agua de compuerta.

El agua del pozo cristalino se bombea a través de un filtro de cartucho hasta la succión de la bomba de alta presión del sistema de ósmosis inversa. Se añaden inhibidores de incrustaciones y ácido sulfúrico al agua antes de pasar por el filtro de cartucho.

El sistema de ósmosis inversa se divide en tres unidades paralelas que contienen elementos de membrana modelo 8150 de Fluid Systems. Las condiciones de funcionamiento del sistema de ósmosis inversa se detallan en la Tabla 2. El permeado del sistema se recoge en un tanque desde donde se puede transferir directamente a la torre de refrigeración o a la caldera, si es necesario. El concentrado se recoge en otro tanque desde donde se transfiere al tanque de alimentación de evaporación. Este tanque también recibe las aguas residuales de regeneración del descalcificador. Dos unidades de ósmosis inversa pueden satisfacer los requisitos de caudal normales de la planta, y la tercera está en espera. Ocasionalmente, las tres unidades se ponen en funcionamiento para satisfacer la demanda máxima.

Tras ajustar el pH y añadir el inhibidor de incrustaciones, el líquido del tanque de alimentación de evaporación se bombea al evaporador para una reducción final del volumen. El condensado del evaporador se recoge en un tanque y se bombea al suministro de agua de alimentación de la caldera.

El líquido residual del evaporador se envía a un tanque de decantación donde se sedimentan las sales. El líquido sobrante del tanque de decantación se dirige a estanques de evaporación. Periódicamente, las sales de los tanques de decantación se eliminan mediante equipos de manejo de residuos sólidos.

Figura 2
Sistema de tratamiento de aguas residuales con equilibrio de caudal de agua

Figura 3
Sistemas de filtración y desalinización para el tratamiento de efluentes de la planta generadora Ray D. Nixon (haga clic para ampliar)

Operación del Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales

La Central Eléctrica RD Nixon cuenta con un excelente programa para la operación y el mantenimiento del sistema de tratamiento de aguas residuales. Toda la operación se puede supervisar desde una sala de control central, y una computadora IBM imprime un programa de mantenimiento semanal. Se toman muestras de agua en puntos seleccionados para un análisis más detallado. La operación y el mantenimiento del sistema de aguas residuales requieren un operador y tres personas de mantenimiento entre semana y solo un operador en los turnos de noche y fines de semana.

Rendimiento del sistema de tratamiento de aguas residuales

El sistema de tratamiento de aguas residuales ha estado en funcionamiento desde octubre de 1980 con muy pocos problemas. El sistema demostró estar bien diseñado y ha funcionado según lo previsto. Los principales problemas incluían altas concentraciones de calcio en el agua de alimentación a los sistemas de ósmosis inversa. Esto se corrigió desviando el agua regenerante del suavizador del depósito de ecualización al evaporador. Otro problema surgió debido a una coagulación inadecuada en la sección de pretratamiento. Esto se solucionó cambiando el coagulante de sulfato de aluminio a cloruro férrico.

El sistema de ósmosis inversa ha funcionado de maravilla y no se han detectado problemas importantes. Las membranas originales siguen en uso, produciendo la capacidad de diseño y la calidad de agua proyectada.

El análisis del agua de alimentación, el permeado y el concentrado se presenta en la Tabla 3 al inicio del sistema de ósmosis inversa en octubre de 1980 y en la Figura 4 para septiembre de 1982. Estos análisis indican que el sistema de ósmosis inversa aún elimina más del 95 % del total de sólidos disueltos en el agua de alimentación. La limpieza de las membranas con las soluciones de limpieza recomendadas ha sido necesaria cada dos meses.

La alta concentración de sílice en el agua de alimentación no ha sido un problema. En las condiciones de operación de ósmosis inversa ( Tabla 2 ), la concentración máxima permisible de sílice en la alimentación es de 70 mg/l. A concentraciones más altas de sílice, la recuperación de la ósmosis inversa se reduce.

No se han producido paradas no programadas del sistema de ósmosis inversa. Las paradas programadas incluyen una parada anual de la central eléctrica durante un mes y una parada cuando el nivel del agua en el depósito de ecualización es bajo.

Tabla 2
Condiciones de funcionamiento del sistema de ósmosis inversa

Tabla 3
Datos de rendimiento de ósmosis inversa | Resultados de la prueba del 6 de octubre de 1980 (Análisis en mg/l)

Figura 4
Tratamiento de aguas residuales: análisis típico del agua a través de los pasos del tratamiento

Conclusiones

Las aguas residuales de las centrales eléctricas se pueden tratar y reciclar mediante pretratamiento, ósmosis inversa y evaporación por recompresión de vapor.

Para situaciones donde el agua escasea y los costos son altos, o cuando el efluente de la planta debe cumplir estándares estrictos, el sistema de descarga cero descrito aquí proporciona la solución más económica y viable.

Por Gil K. Dhawan | Julio de 1978

Abstracto

Las aguas oleosas emulsionadas presentan un complejo problema de tratamiento en numerosas industrias de fabricación y mecanizado de metales. Los métodos convencionales de eliminación incluyen el tratamiento químico, la incineración y el transporte por parte de las empresas de gestión de residuos. Este artículo describe un nuevo enfoque para el tratamiento de aguas residuales oleosas.

Un sistema típico incluye pretratamiento (como sedimentación o cribado), ultrafiltración y postratamiento. Si el aceite puede reciclarse, el postratamiento suele ser la sedimentación para aumentar su concentración. Si no es posible reciclarlo, el postratamiento suele ser la incineración. La concentración del aceite recuperado puede alcanzar hasta el 90 % del volumen.

El sistema de ultrafiltración deshidrata la solución de agua aceitosa hasta en un 90 % al pasar por el sistema de membranas desarrollado por Electrohome. Cada módulo contiene tubos que actúan como recipientes a presión que soportan las membranas cilíndricas. Con cada paso por los tubos, se elimina el agua y el agua aceitosa se concentra aún más.

Los sistemas actuales se utilizan en diversas situaciones de aguas oleosas en diversas industrias metalúrgicas. Este documento analiza los datos recopilados de estos sistemas operativos. Se presentan ejemplos de algunas plantas en funcionamiento. En la mayoría de los casos, el ahorro en los costos de transporte y la reducción en los costos de incineración permiten amortizar el sistema en menos de dos años. Cuando la recuperación es posible, la amortización es aún más atractiva. Otras ventajas incluyen el bajo consumo de energía, el uso mínimo de productos químicos y la simplicidad de los sistemas.

Introducción

La ultrafiltración es la filtración a nivel molecular. Se basa en una membrana de tamaño de poro controlado que discrimina entre moléculas grandes y pequeñas. Las moléculas retenidas por la membrana pueden estar disueltas en solución o ser agregados visibles. El principio de la ultrafiltración se muestra esquemáticamente en las figuras 1 y 2.

El líquido a tratar se aplica contra la superficie de una membrana bajo condiciones controladas de presión y caudal. La membrana permite que el agua y los componentes moleculares más pequeños la atraviesen. Esta corriente se denomina permeado. Los componentes moleculares más grandes no atraviesan la membrana y se concentran en el agua. Esta corriente se denomina concentrado.

El rendimiento de un proceso de ultrafiltración se define por dos parámetros:

• Tasa de permeado: es la velocidad a la que se produce el permeado y generalmente se mide en galones por día por pie cuadrado de la superficie de la membrana.
  
  
• Reducción de volumen: se define como: [Volumen de permeado eliminado/Volumen original del líquido] x 100.

Estos factores se analizarán con más detalle en las siguientes secciones.

Figura 1: Proceso de ultrafiltración (UF)

Figura 2: Esquema del sistema de ultrafiltración UF

Factores que afectan el rendimiento de la ultrafiltración

Existen varios factores que pueden afectar el rendimiento del sistema de ultrafiltración. Estos se enumeran a continuación:

• Flujo a través de la superficie de la membrana
  El caudal de permeado es directamente proporcional a la velocidad del líquido a través de la membrana. Aumentar la velocidad del líquido también reduce la obstrucción de la membrana por sólidos en suspensión. Generalmente, la velocidad óptima del líquido se obtiene mediante un equilibrio entre la potencia de la bomba y el aumento del caudal de permeado.
  
  
• Presión de operación
  La tasa de permeado también es directamente proporcional a la presión aplicada a través de la membrana. Sin embargo, una presión excesiva puede provocar una compactación irreversible de la membrana. Esta compactación provocará una disminución permanente de la tasa de permeado.
  
  Generalmente, la presión máxima recomendada para las membranas de ultrafiltración es de aproximadamente 100 libras por pulgada cuadrada.
  
  
• Temperatura de funcionamiento
  La tasa de permeado es directamente proporcional a la temperatura del líquido. Normalmente, la temperatura de funcionamiento es la temperatura más alta que la membrana y el sistema pueden soportar. Las membranas de ultrafiltración ahora están disponibles en materiales que permiten la limpieza con vapor.

Aplicación de la ultrafiltración a residuos aceitosos emulsionados

Los residuos oleosos emulsionados se producen en plantas metalúrgicas, como talleres mecánicos, plantas automotrices, laminadores y otras. También se generan residuos oleosos emulsionados en la industria textil. Sus características típicas son las siguientes:

• Contaminantes
  Los residuos emulsionados contienen invariablemente otros contaminantes, como aceites hidráulicos y de maquinaria no emulsionados, partículas metálicas finas, suciedad, pelusa, etc.
  
  
• Contenido de aceite
  El contenido de aceite de los residuos de aceite emulsionado está generalmente entre el 1 y el 10% de aceite por volumen.
  
  
• pH
  La mayoría de los residuos emulsionados son alcalinos. El pH suele estar entre 6 y 12.
  
  
• Temperatura
  La temperatura de los residuos varía entre 60° y 140°F.

Los residuos oleosos emulsionados generan un problema de eliminación y no son aceptables para los sistemas de tratamiento municipales. Las soluciones convencionales a este problema son:

• Método químico
  Este proceso utiliza tanques de mezcla donde se añade un ácido y un desemulsionante. A continuación, se sedimenta el líquido para eliminar el aceite libre, que puede incinerarse. El líquido libre de aceite se neutraliza antes de su descarga al alcantarillado.
  
  Este método no es económico para tamaños pequeños debido al costo relativamente alto de los tanques, la inyección de químicos y los sistemas de control. Además, requiere mucho espacio y altos costos operativos.
  
  
• Incineración
  Otro método común en la mayoría de las plantas es transportar los residuos a la empresa de gestión de residuos más cercana, que los incinerará. El costo de este método varía entre 25 y 45 centavos por galón. Esta es una forma bastante costosa de abordar el problema del aceite emulsionado.
  
  

• Ultrafiltración
  La ultrafiltración puede utilizarse para deshidratar los residuos de aceite emulsionado. Mediante ultrafiltración se puede eliminar hasta el 95 % del agua. Esta agua puede reutilizarse para elaborar emulsiones nuevas o eliminarse en el alcantarillado. El concentrado, que representa tan solo el 5 % del residuo original, puede reutilizarse o incinerarse. Los costos de eliminación, por inclusión, ahora representan solo el 5 % de los costos de eliminación originales.
  
  Además, el proceso de ultrafiltración es simple, continuo y utiliza cantidades relativamente pequeñas de productos químicos. Cuando el aceite puede reutilizarse, el proceso de ultrafiltración proporciona una operación de circuito cerrado.

Operación de Sistemas de Ultrafiltración para Residuos de Petróleo

El efecto de ciertos parámetros operativos en el rendimiento de los sistemas de ultrafiltración se describió en una sección anterior de este documento. Generalmente, para esta aplicación se utilizan las siguientes operaciones:

El alto flujo a través de la superficie de la membrana reduce la tasa de ensuciamiento. El ensuciamiento puede definirse como la deposición de sólidos suspendidos sobre la membrana. La tasa de ensuciamiento depende de la concentración de aceite libre y contaminantes, el tipo de aceite y el tipo y la concentración de otros aditivos presentes en el aceite (como emulsionantes, inhibidores de corrosión, etc.).

Por lo tanto, las membranas se lavan periódicamente con una solución de detergente. La frecuencia de limpieza se determina en cada caso mediante la supervisión del rendimiento del sistema. Normalmente, una limpieza semanal es suficiente para mantener un nivel de rendimiento satisfactorio.

Rendimiento de los sistemas de ultrafiltración

Se han obtenido datos de rendimiento de sistemas de ultrafiltración para diversas situaciones con aceites emulsionados. Estos incluyen aceites de corte de operaciones de mecanizado, aguas de lavado de plantas automotrices y refrigerantes de laminadores. La información se obtuvo mediante pruebas de laboratorio, plantas piloto y sistemas operativos. Sin embargo, existen variaciones que pueden implementarse para la mayoría de los tratamientos con aceites emulsionados. Estas se enumeran a continuación:

• La ultrafiltración se puede utilizar para eliminar entre el 90 y el 95 % del agua de la emulsión (para ver los resultados de pruebas típicos, consulte la Tabla 1).
  
  
• La tasa de permeado es independiente de la concentración de aceite hasta una cierta concentración de aceite. Esta concentración es diferente para cada emulsión y generalmente indica el punto en el que la emulsión se descompone (ver Figura 3 y Figura 4).
  
  Durante la concentración del agua oleosa emulsionada, se elimina cierta cantidad de emulsionantes en el permeado. Esto provoca la descomposición de la emulsión y la liberación de aceite libre. Este aceite libre forma una capa oleosa sobre la membrana. Es esta capa oleosa sobre la membrana la que produce una caída brusca del caudal de permeado (véanse las figuras 3 y 4).
  
  
• En algunos casos, el permeado puede reutilizarse. Si se requiere una calidad aún mayor, puede tratarse mediante ósmosis inversa o un sistema de absorción de carbón.
  
  
• El concentrado final del aceite emulsionado puede incinerarse o reciclarse. Normalmente, la reutilización del concentrado es posible cuando solo hay un tipo de paquete de aceite-emulsionante en el efluente combinado. Un ejemplo de este aceite recuperado se presenta en la Tabla 2, donde se reciclan 200 galones de aceite emulsionado diariamente, lo que resulta en un ahorro de aproximadamente $500 al día.
  
  
• La tasa de permeado disminuye con el tiempo, pero puede recuperarse a su valor original mediante un lavado regular de la membrana (Figura 5). La solución de lavado elimina cualquier depósito aceitoso en la superficie de la membrana y generalmente requiere unas dos horas de recirculación en el sistema. La frecuencia del ciclo de lavado varía según la aplicación.

Tabla 1 - Datos de prueba típicos para una aplicación de aceite emulsionado

*Nota: El porcentaje de reducción de volumen equivale a [Volumen de agua eliminada/Volumen original de líquido] x 100

Tabla 2 - Calidad del concentrado vs. aceite original

Figura 3 - Flujo de membrana vs. sólidos totales

32°; 30 GPM; 50 psig; 4-5 % de alimentación inicial de aceite

Figura 4 - Rendimiento de los sistemas de ultrafiltración que utilizan agua aceitosa

Prueba 5; 50 psig; 30 GPM; pH 6-7

Figura 5 - Rendimiento del sistema UF en Budd Automotive, Kitchener

Economía del sistema de ultrafiltración

El siguiente ejemplo ilustrará la atractiva rentabilidad de utilizar un sistema de ultrafiltración:

Condiciones de diseño

Costos de capital

El costo de capital para un sistema de ultrafiltración para tratar 2.000 gpd de aguas residuales de aceite emulsionado es de $40.680.

Costos de operación

Cálculos de recuperación de la inversión

Una encuesta realizada en plantas automotrices de Ontario indicó que la eliminación de aguas residuales aceitosas cuesta un promedio de aproximadamente $0.25 por galón. A continuación, se presenta un resumen de los cálculos de recuperación de la inversión del sistema de ultrafiltración:

Conclusiones

La ultrafiltración es una solución eficiente y económicamente atractiva para el problema de los residuos de aceite emulsionado. El proceso es sencillo y no requiere productos químicos. Cuando el aceite puede reutilizarse, la ultrafiltración posibilita un sistema de circuito cerrado. La rentabilidad del sistema es muy atractiva, incluso cuando no se recupera el aceite.

Por el Dr. Gil Dhawan, Applied Membranes, Inc.

En los últimos años, las ventas de sistemas de ósmosis inversa residenciales en el extranjero han experimentado un rápido crecimiento. Los requisitos de membrana para estos sistemas difieren de los que se venden en Estados Unidos. En muchos lugares, las presiones de grifo disponibles son de tan solo 10 psi. Este artículo analiza cómo los fabricantes de equipos están adaptando el diseño de sus sistemas y la selección de membranas para cumplir con estos requisitos.

Presión mínima vs. TDS de alimentación

Para que los sistemas de ósmosis inversa produzcan agua, se debe aplicar a la membrana una presión mínima que supere la presión osmótica natural del agua. Esta presión depende de los tipos de iones presentes y su concentración en el agua. La presión osmótica no depende del tipo de membrana. Aproximadamente, cada 100 ppm de sólidos disueltos totales (TDS) aportan aproximadamente 1 psi de presión osmótica.

Por ejemplo, si el TDS del agua de alimentación es de 2000 ppm, la presión osmótica natural para esta agua es de aproximadamente 20 psi. En este caso, se debe aplicar una presión de al menos 20 psi antes de que el permeado atraviese la membrana. Generalmente, la presión aplicada es al menos el doble de la presión osmótica para un sistema de ósmosis inversa viable.

Si la presión aplicada no es suficiente para superar la presión osmótica natural, se debe utilizar una bomba para aumentarla. Actualmente existen al menos tres sistemas de bombeo diferentes para satisfacer las necesidades de los sistemas residenciales. La selección del sistema de bombeo óptimo considera factores como el nivel de ruido, el voltaje, la capacidad y el costo.

Membranas de mayor capacidad

La capacidad de permeación de una membrana depende de varios factores, incluida la temperatura del agua y la presión neta disponible.

Presión neta disponible = Presión aplicada - Presión osmótica

Si se utiliza un tanque presurizado, la presión del tanque también debe restarse de la presión aplicada para obtener la presión neta disponible.

Cuanto menor sea la presión neta, menor será el caudal de permeado. Para compensar esta menor presión neta disponible, se utilizan membranas con mayor capacidad nominal.

Los fabricantes de membranas han empaquetado más membranas con el mismo tamaño físico de elementos de 2" × 12" que se utilizan actualmente en los sistemas residenciales. Las mismas carcasas de membrana que se utilizan para elementos residenciales estándar pueden emplearse para estos elementos de mayor capacidad. Los elementos CTA con capacidades de hasta 22 galones/día y los elementos de película delgada de hasta 36 galones/día (probados a 60 psi, 77 grados Fahrenheit y con 500 ppm de TDS en agua) están disponibles en 2" de diámetro y 12" de longitud.

A medida que las presiones aplicadas disminuyen y se acercan a la presión osmótica, el efecto sobre el flujo y la calidad del permeado se hace más pronunciado.

La Tabla 1 muestra un ejemplo de cómo la calidad y la cantidad del permeado de una membrana pueden cambiar al reducirse la presión. Este análisis se basa en agua con 500 ppm de sólidos disueltos totales (TDS), una temperatura de 60 grados Fahrenheit y las presiones aplicadas que se muestran. Los datos de las tablas a continuación se presentan para demostrar el cambio en el rendimiento a presiones muy bajas. Los valores reales pueden variar según el análisis del agua, el flujo de la membrana y otros factores. En general, las membranas con mayor flujo muestran una disminución relativamente menor del rendimiento y presiones más bajas.

Tabla 1* - Rendimiento proyectado a presiones muy bajas

• Condiciones de referencia: 60 grados Fahrenheit, 500 ppm TDS
• Recuperación: < 10%
• Membrana: FT-30 (DOW FilmTec)

* Basado en Feed

** Datos proporcionados por Jack Loos, Dow Chemical, San Diego, CA

En otro estudio, se obtuvieron valores experimentales del caudal de permeado y el rendimiento de calidad para un CTA y una membrana de película delgada a muy baja presión. Estos se muestran en la Figura 2.

Figura 2 - Estudio de laboratorio sobre el rendimiento a presiones muy bajas

(Cortesía de Steve Laird, Fastek Corporation, Liverpool, NY)

Por GK Dhawan | Presentado en la Conferencia de Planificación de Tecnología de Membranas, Boston, Massachusetts, 29 de octubre de 1985

Abstracto

La ósmosis inversa y la ultrafiltración se utilizan en diversas aplicaciones. Potencialmente, existen cientos de otras aplicaciones donde estas tecnologías pueden utilizarse. Este artículo analiza algunas técnicas que pueden emplearse para investigar nuevas áreas de mercado y aumentar las posibilidades de éxito en la comercialización de cada aplicación.

Fondo

El potencial de la tecnología de membranas se conoce desde principios de la década de 1960. (Ver Tabla 1) No fue hasta 10 años después cuando las primeras membranas disponibles comercialmente se utilizaron en aplicaciones distintas a la desalinización.

Tabla 1 - Aplicaciones potenciales de la tecnología de membranas

Incluso entonces, solo algunos de estos esfuerzos tuvieron éxito. A pesar de estos reveses iniciales, la industria veía con optimismo el futuro de la tecnología de membranas en una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, la Tabla 2 muestra los resultados de un estudio de 1970 sobre aplicaciones de recuperación de aguas residuales:

Tabla 2 - Visión de los mercados potenciales de RO y UF

Las ventas reales en 1985 para los mercados enumerados en la Tabla 2 fueron una fracción minúscula de las cifras proyectadas. Esto se debe a varias razones. En primer lugar, el desarrollo de cada aplicación requiere pruebas exhaustivas, conocimiento de la industria, de la competencia y del desarrollo del mercado. En segundo lugar, en muchos casos, para que la tecnología de membranas sea comercialmente viable, pueden ser necesarias modificaciones del proceso, modificaciones de la membrana o el desarrollo de nuevas membranas, condiciones operativas especiales o una combinación de estas. Todos estos factores indican un largo tiempo de desarrollo y un alto costo del desarrollo de aplicaciones. Las pruebas de demostración de aplicaciones de membranas realizadas en un laboratorio son engañosamente simples. Creemos que la simplicidad de dichas pruebas y la falta de comprensión del comportamiento de las membranas y los procesos han generado expectativas poco realistas sobre el tamaño de los mercados de membranas. Por otro lado, una vez que comprendemos estos factores, podemos trabajar para maximizar las posibilidades de éxito. Por lo tanto, el desarrollo de cada aplicación es un proceso que implica la ejecución de un conjunto planificado de tareas basadas en prácticas de ingeniería sólidas y lecciones aprendidas en el pasado en la industria de membranas (OI/UF). El resto del artículo analizará estas tareas y experiencias.

¿Es la tecnología de membrana la respuesta?

Esta es una de las primeras preguntas que debemos responder. Necesitamos la siguiente información para la solicitud:

• Viabilidad técnica
• Viabilidad económica
• Potencial del mercado
• Aceptación del cliente

Discutiremos estos temas con más detalle en las siguientes secciones.

Viabilidad técnica

Antes de iniciar un programa de desarrollo costoso y laborioso, es necesario analizar las capacidades y limitaciones técnicas de la tecnología de membranas. En particular, es necesario conocer lo siguiente:

• Objetivos mínimos de rendimiento para el sistema de membranas. Por ejemplo, se pueden especificar la capacidad mínima de rechazo de la membrana o la reducción mínima del volumen. Una rápida comprobación en este punto puede indicar si alguna membrana o sistema de membranas cumple estos requisitos.
• Se deben definir las principales áreas de preocupación. Por ejemplo, estas pueden incluir la cantidad de un componente específico perdido en el permeado, el efecto del uso de la tecnología de membranas en el proceso general, la forma de desechar el concentrado en caso de flujo residual, etc. Se debe estimar el impacto de estos factores en el costo o la viabilidad.

Viabilidad económica

Esto implica no sólo los criterios habituales de coste global y beneficios económicos, sino también factores como la calidad del producto o la mejora del rendimiento, el coste de la eliminación del concentrado (agua y aguas residuales), el impacto en el proceso global, la reutilización del agua, etc. La combinación de un proceso de membrana con un proceso convencional puede ser más económica que cualquiera de los dos.

Diseño de planta piloto

Para todas las nuevas aplicaciones, es necesario realizar una prueba piloto planificada in situ. Para que esta prueba sea significativa, el diseño de la planta piloto debe considerar lo siguiente:

• Tamaño del módulo de membrana
• Condiciones de funcionamiento
• Volumen de muestra líquida analizada
• Duración de la prueba
• Recopilación de datos

El módulo de membrana utilizado en la planta piloto debe ser de tamaño comercial. Las condiciones de operación deben seleccionarse para cumplir con las especificaciones de la membrana. Se deben realizar modificaciones en las condiciones de operación para optimizar el rendimiento de la membrana. La prueba debe realizarse con tiempo suficiente para obtener información significativa sobre la contaminación de la membrana. Para determinar este tiempo, se debe considerar el tipo de alimentación, la variación de la calidad de esta a lo largo del tiempo, la experiencia previa y los datos sobre una alimentación similar, entre otros factores. Estas consideraciones también afectarán el tipo de datos y la frecuencia con la que deben recopilarse.

Factores que limitan las aplicaciones de las membranas

Existen varios factores que pueden limitar la aplicación de la tecnología de membranas en una situación particular. Entre ellos se incluyen:

• Recuperación
• Vida de la membrana
• Tiempo de desarrollo de la aplicación
• Riesgos y garantías
• Industria de aplicaciones

La recuperación se define como la fracción de agua de alimentación que se convierte en permeado. Se obtiene dividiendo el caudal de permeado entre el caudal de alimentación. Se buscan mayores recuperaciones en aplicaciones de aguas residuales para reducir el volumen total de aguas residuales al mínimo para su disposición final. También se buscan mayores recuperaciones en zonas con escasez de agua. La recuperación para una aplicación determinada depende del contenido iónico total (presión osmótica), la concentración de sales poco solubles, la calidad del permeado, etc. Si no se puede lograr la recuperación deseada, la aplicación de la membrana podría no ser viable. La vida útil de la membrana está relacionada con el coste operativo de los sistemas. El diseño adecuado del elemento de membrana, la operación y el mantenimiento correctos del sistema son esenciales. La contaminación de las membranas limita la aplicación de la tecnología de membranas en muchas aplicaciones.

Desarrollar una nueva aplicación en tecnología de membranas requiere un tiempo y un gasto considerables. Si bien los datos iniciales de pruebas y aplicaciones pueden completarse con relativa rapidez, los efectos a largo plazo en el rendimiento de la membrana en diversas situaciones posibles en esa industria requieren un esfuerzo considerable. Esto puede generar frustración y, posiblemente, la finalización prematura del programa de desarrollo de aplicaciones.

En muchas aplicaciones de aguas residuales y procesos, el proveedor de sistemas de membranas se muestra reacio a ofrecer garantías de rendimiento o de vida útil de la membrana. Por otro lado, el usuario del sistema de membranas no está dispuesto a asumir riesgos con nuevas tecnologías. El fabricante del equipo necesita más experiencia de campo, mientras que el usuario final necesita pruebas y un amplio historial de rendimiento.

Finalmente, es fundamental comprender bien cada industria de aplicación, sus necesidades y sus actitudes. El diseño del sistema podría requerir modificaciones para adaptarse a los requisitos específicos de cada industria.

De las pruebas piloto al diseño del sistema

El diseño del sistema es un paso más en el proceso de desarrollo de nuevas aplicaciones que pueden marcar una gran diferencia en el éxito general. En el pasado, un diseño inadecuado del sistema ha conllevado una menor vida útil de la membrana, limpiezas más frecuentes, mayores costos de energía y una menor eficiencia de la membrana. Y, por supuesto, un sistema mal diseñado puede provocar una pérdida de confianza en la tecnología de membranas, tanto por parte del cliente como de la industria.

Potencial del mercado y aceptación del cliente

Un factor importante a considerar al desarrollar una nueva aplicación es su tamaño potencial de mercado. La tecnología de membranas se ha visto afectada por pronósticos de mercado extremadamente optimistas presentados por diversas organizaciones. Estos pronósticos han generado profundas decepciones y dudas sobre su verdadero potencial. Al predecir el potencial de mercado de cada aplicación, es necesario sopesar cuidadosamente el impacto de factores como el tiempo de desarrollo, el costo de desarrollo, la aceptación de la tecnología de membranas por parte de los clientes y la solidez de la tecnología de la competencia.

Ilustraré esto con dos aplicaciones que he desarrollado. La primera es el tratamiento de aguas oleosas emulsionadas. La ultrafiltración se utiliza para concentrar el aceite en aguas residuales y el permeado se vierte al alcantarillado o se recicla. En 1974, llevamos a cabo un extenso programa de pruebas piloto y de laboratorio. Nuestro trabajo demostró que, en muchos casos, el ahorro en costos de transporte de aguas residuales amortizaría el sistema de ultrafiltración en menos de un año. La industria del acabado de metales se mostraba muy escéptica con la tecnología de ultrafiltración y se resistía a adquirir este equipo. Finalmente, tuvimos que superar este problema alquilando o arrendando las unidades de ultrafiltración hasta que se estableciera una sólida trayectoria en la industria. Este proceso llevó más de cinco años.

En otra aplicación, el objetivo era concentrar la savia de arce desde aproximadamente un 1% de azúcar hasta aproximadamente un 10%. En este caso, la ósmosis inversa, con su bajo consumo energético, permite eliminar el 90% del agua. El concentrado de ósmosis inversa puede concentrarse aún más mediante un evaporador convencional. En 1978, investigué esta aplicación y descubrí que se habían vendido algunas unidades de ósmosis inversa en este mercado. Se trataba de unidades de ósmosis inversa estándar, diseñadas originalmente para el tratamiento de agua. Estudiamos las necesidades de los clientes y de la industria, diseñamos sistemas de ósmosis inversa a la medida y emprendimos un programa de pruebas y demostraciones. La industria de la savia de arce respondió a esta demanda y se vendieron más de 200 unidades de ósmosis inversa en los dos años siguientes.

Solicitudes exitosas

A continuación se enumeran algunas de las aplicaciones exitosas de la ósmosis inversa y la ultrafiltración.

• Tratamiento de agua para consumo humano, ultrapura, alimentación de calderas, enjuague y otros usos industriales.
• Aplicaciones de tratamiento de aguas residuales como pintura por electrodeposición, agua aceitosa, agua de enjuague de galvanoplastia, agua de refrigeración, aguas residuales municipales, suero de queso, tintes, solventes, coloides, etc.
• Aplicaciones en el procesamiento de alimentos como concentración de leche, clarificación de jugos, cerveza con bajo contenido de alcohol, etc.

Conclusiones

• El desarrollo de nuevos mercados para la ósmosis inversa y la ultrafiltración requiere un desarrollo cuidadoso de datos de aplicación y diseño en el laboratorio y en el campo.
• Las previsiones de mercado deben moderarse teniendo en cuenta factores como las limitaciones tecnológicas, el tiempo y el esfuerzo necesarios para desarrollar una aplicación y otros.
• La falta de una comprensión profunda de la industria de aplicaciones y los datos insuficientes de pruebas de aplicaciones han provocado fallas o largas demoras en la introducción de la tecnología de membranas.
• La comprensión y la experiencia adquiridas hasta la fecha pueden ayudar a lograr más éxitos en la comercialización de la tecnología de membranas.

Por G. K. Dhawan, 1985

Introducción al ensuciamiento de membranas

Todas las membranas pierden su rendimiento con el tiempo. Una de las principales causas de esta pérdida se debe a las sustancias que se depositan en su superficie. Si bien el término incrustación se utiliza para la deposición de cualquier material sobre la membrana, el recubrimiento de la superficie de la membrana puede deberse a lo siguiente:

• Abordaje
• Escalada

Abordaje

La incrustación de las membranas se debe a los materiales suspendidos o emulsionados que pueden estar presentes en el agua de alimentación del sistema de ósmosis inversa. Ejemplos de estos materiales son: sílice, aceite, arcilla, hierro, azufre y ácidos húmicos. Estas sustancias pueden presentarse en forma muy fina o coloidal. Incluso los filtros de cartucho típicos de 5 micras, utilizados antes de un sistema de ósmosis inversa, pueden no eliminar completamente estas incrustaciones.

Ensuciamiento y incrustaciones en las membranas

La concentración de todos los materiales en el agua de alimentación, tanto disueltos como suspendidos, es máxima cerca de la superficie de la membrana. A medida que el permeado se elimina a través de la membrana, todas las impurezas quedan cerca de ella. La capa de agua junto a la superficie de la membrana (capa límite) se concentra cada vez más en los materiales disueltos y suspendidos. Estas concentraciones alcanzan un nivel constante en función de la velocidad de alimentación, la recuperación del elemento y el flujo de permeado de la membrana (galones por pie cuadrado de permeado producidos al día).

Es importante seguir las recomendaciones de los fabricantes de membranas sobre el caudal mínimo de alimentación, la recuperación máxima del elemento y el flujo máximo del elemento. Estas recomendaciones se basan en el tamaño del elemento y la calidad del agua de alimentación que se está tratando. La concentración de sólidos disueltos y suspendidos en la capa límite controla el rendimiento de la membrana. Una concentración más alta implica una mayor presión osmótica, una mayor tendencia de los sólidos suspendidos a coagularse y recubrir la superficie de la membrana, y una mayor probabilidad de formación de incrustaciones. Mantener las condiciones de funcionamiento adecuadas de la membrana es la medida preventiva clave para minimizar su ensuciamiento.

Inyección de antiincrustante

Para sistemas no residenciales, otra opción para evitar la incrustación de carbonato de calcio y sulfato de calcio es mediante el uso de antiincrustantes . Estos se inyectan directamente en el agua de alimentación aguas arriba del filtro de cartucho. La dosis de antiincrustante depende del análisis del agua de alimentación, pero generalmente está entre 2 y 5 ppm. En términos simples, los antiincrustantes retrasan el proceso de formación de incrustaciones. Este retraso es suficiente para evitar la precipitación de carbonato de calcio y sulfato de calcio en la superficie de la membrana. Como este retraso es por un período finito, la incrustación puede ocurrir en los sistemas al apagarse. Por esta razón, es una buena práctica lavar las membranas con permeado o agua de alimentación al apagar. Mediante este lavado, la solución concentrada en la membrana es desplazada por el permeado o agua de alimentación.

Inyección de dispersante

Para materiales suspendidos o coloidales, se puede inyectar un dispersante en el agua de alimentación. La dosis habitual es de 10 ppm. Los dispersantes evitan que los sólidos suspendidos finos se coagulen y se depositen sobre la superficie de la membrana. El uso adecuado de dispersantes puede minimizar la incrustación causada por partículas problemáticas difíciles de prefiltrar.

Inyección de ácido

Ajustar el pH del agua de alimentación es otra forma de controlar la formación de incrustaciones de carbonato de calcio. El efecto neto de reducir el pH de la alimentación mediante la inyección de ácido es convertir la alcalinidad del bicarbonato en dióxido de carbono, previniendo así la formación de carbonato de calcio. Por razones de manejo y seguridad, la inyección de ácido no se utiliza en sistemas residenciales ni comerciales pequeños.

Reducir la recuperación

La recuperación de la membrana se define como la relación entre el flujo de permeado y el flujo de alimentación de dicha membrana. La recuperación puede reducirse aumentando el flujo de alimentación. Otra forma de reducir la recuperación es disminuir la presión de operación. Una presión de operación más baja produce una menor cantidad de permeado. Si el flujo de alimentación se mantiene cerca del valor original, se obtiene una recuperación menor.

El efecto de una menor recuperación es reducir la concentración general de todas las sustancias en el sistema de ósmosis inversa. También se logran condiciones más favorables en la capa límite al reducir la recuperación del sistema.

Limpieza de membranas

Incluso con todos los cuidados preventivos que se le brindan a un sistema de ósmosis inversa, las membranas pueden ensuciarse. Limpiarlas puede mejorar su rendimiento. Se pueden limpiar con soluciones de limpieza aprobadas por el fabricante. No resulta económico limpiar las membranas utilizadas en sistemas residenciales de ósmosis inversa.

Conclusiones

La incrustación y el ensuciamiento de la membrana se pueden minimizar mediante un diseño y unas condiciones de operación adecuados. Al diseñar y operar el sistema de ósmosis inversa, se deben considerar las variables importantes que controlan el ensuciamiento de la membrana.

Literatura relacionada:

	Pautas de limpieza de membranas Cuándo limpiar las membranas, contaminantes comunes y sus síntomas asociados, secuencia de limpieza e instrucciones de limpieza
	Productos químicos de limpieza y soporte de membranas Limpiador ácido, limpiador alcalino, antiincrustantes, dispersantes y conservantes

Por: Gil K. Dhawan Ph.D., PE, Applied Membranes, Inc.

Antes de analizar las propiedades y el rendimiento de la membrana, es conveniente definir y analizar brevemente la ósmosis inversa.

La ósmosis se define como el paso espontáneo de un líquido desde una solución diluida a una más concentrada a través de una membrana semipermeable ideal que permite el paso del disolvente (agua), pero no de los sólidos disueltos (solutos). (Véase la Fig. 1). La transferencia de agua de un lado a otro de la membrana continúa hasta que la carga o presión (P) es lo suficientemente alta como para impedir cualquier transferencia neta del disolvente (agua) a la solución más concentrada. En el equilibrio, la cantidad de agua que pasa en ambas direcciones es igual, y la presión (P) se define entonces como la presión osmótica de la solución con esa concentración particular de sólidos disueltos.

Si se coloca un pistón en el lado de la solución más concentrada de una membrana semipermeable (véase la Fig. 2) y se aplica una presión, P, a la solución, se pueden lograr las siguientes condiciones: (1) P es menor que la presión osmótica de la solución y el disolvente sigue fluyendo espontáneamente hacia la solución más concentrada; (2) P es igual a la presión osmótica de la solución y el disolvente fluye a la misma velocidad en ambas direcciones, es decir, no hay variación neta en los niveles de agua; (3) P es mayor que la presión osmótica de la solución y el disolvente fluye desde la solución más concentrada hacia el lado del disolvente "puro" de la membrana. La condición (3), mostrada en la Fig. II-2, representa el fenómeno de la ósmosis inversa.

La presión osmótica de una solución aumenta con su concentración. Una regla general, basada en el cloruro de sodio, es que la presión osmótica aumenta aproximadamente 0,01 psi por cada miligramo/litro. Esta aproximación funciona bien para la mayoría de las aguas naturales. Sin embargo, los compuestos orgánicos de alto peso molecular producen una presión osmótica mucho menor. Por ejemplo, la sacarosa produce aproximadamente 0,001 psi por cada miligramo/litro.

Existen varios métodos para medir la presión osmótica. Esta se puede calcular mediante la disminución de la presión de vapor de una solución, la disminución del punto de congelación y el equivalente a la ecuación de la ley de los gases ideales. Algunos valores calculados para componentes comunes se listan en la Tabla 1. Existen varios dispositivos comerciales para la medición directa de la presión osmótica. Estos miden la presión necesaria para detener el flujo de agua a través de una membrana.

El procedimiento que utilizamos para medir la presión osmótica de una solución consiste en medir el flujo de agua a través de un módulo en condiciones de funcionamiento a diversas presiones. Si se extrapola una gráfica del flujo de agua en función de la presión a un flujo de agua cero, la intersección con el eje es la presión osmótica. Esto proporciona la presión osmótica efectiva, incluyendo cualquier polarización de la concentración. Se debe tener cuidado de mantener una recuperación constante o corregir la variación de la concentración.

Intentar medir la presión osmótica de una solución directamente operando a una presión suficiente para obtener un flujo cero resulta impráctico, ya que las membranas no son semipermeables perfectas. Esta técnica mediría la diferencia de presión osmótica entre el agua de alimentación y la del producto. A bajas presiones, el rechazo de sales es relativamente bajo, por lo que se determinaría una presión osmótica falsa ligeramente inferior al valor real.

Presión osmótica típica a 25 °C (77 °F)

Nota: Con base en los datos anteriores para las especies iónicas comúnmente presentes, una regla general útil para estimar la presión osmótica de un suministro de agua natural que requiere desmineralización es 10 psi por 1000 mg/l (ppm).

Por GK Dhawan, presidente de Applied Membranes, Inc.

La ultrafiltración es un proceso de separación que utiliza membranas con tamaños de poro en el rango de 0,1 a 0,001 micras. Típicamente, la ultrafiltración elimina sustancias de alto peso molecular, materiales coloidales y moléculas poliméricas orgánicas e inorgánicas. Los compuestos orgánicos e iones de bajo peso molecular, como el sodio, el calcio, el cloruro de magnesio y el sulfato, no se eliminan. Debido a que solo se eliminan las especies de alto peso molecular, la diferencia de presión osmótica a través de la superficie de la membrana es insignificante. Por lo tanto, presiones bajas aplicadas son suficientes para lograr altas tasas de flujo de una membrana de ultrafiltración. El flujo de una membrana se define como la cantidad de permeado producido por unidad de área de superficie de la membrana por unidad de tiempo. Generalmente, el flujo se expresa en galones por pie cuadrado por día (GFD) o en metros cúbicos por metro cuadrado por día.

Las membranas de ultrafiltración pueden tener flujos extremadamente altos, pero en la mayoría de las aplicaciones prácticas el flujo varía entre 50 y 200 GFD a una presión de operación de aproximadamente 50 psig; en contraste, las membranas de ósmosis inversa solo producen entre 10 y 30 GFD a 200 a 400 psig.

Ultrafiltro vs. filtro convencional

La ultrafiltración, al igual que la ósmosis inversa, es un proceso de separación por flujo cruzado. En este proceso, la corriente líquida a tratar (alimentación) fluye tangencialmente a lo largo de la superficie de la membrana, generando así dos corrientes. La corriente líquida que atraviesa la membrana se denomina permeado. El tipo y la cantidad de especies que quedan en el permeado dependerán de las características de la membrana, las condiciones de operación y la calidad de la alimentación. La otra corriente líquida se denomina concentrado y se concentra progresivamente en las especies eliminadas por la membrana. Por lo tanto, en la separación por flujo cruzado, la membrana en sí no actúa como un colector de iones, moléculas o coloides, sino simplemente como una barrera para estas especies.

Por otro lado, los filtros convencionales, como los de media filtrante o los de cartucho, solo eliminan los sólidos en suspensión atrapándolos en los poros del medio filtrante. Por lo tanto, estos filtros actúan como depósitos de sólidos en suspensión y deben limpiarse o reemplazarse con frecuencia. Los filtros convencionales se utilizan aguas arriba del sistema de membranas para eliminar sólidos en suspensión relativamente grandes y permitir que la membrana elimine las partículas finas y los sólidos disueltos. En la ultrafiltración, en muchas aplicaciones, no se utilizan prefiltros y los módulos de ultrafiltración concentran todos los materiales en suspensión y emulsionados.

Polarización por concentración

Cuando se utiliza una membrana para una separación, la concentración de cualquier especie que se elimina es mayor cerca de la superficie de la membrana que en la mayor parte de la corriente. Esta condición se conoce como polarización de la concentración y existe en todas las separaciones por ultrafiltración y ósmosis inversa. El resultado de la polarización de la concentración es la formación de una capa límite con una concentración sustancialmente alta de sustancias que son eliminadas por la membrana. El espesor de la capa y su concentración dependen de las condiciones de transferencia de masa existentes en el sistema de membrana. El flujo de la membrana y la velocidad del flujo de alimentación son importantes para controlar el espesor y la concentración en la capa límite. La capa límite impide el flujo de agua a través de la membrana y la alta concentración de especies en la capa límite produce un permeado de calidad inferior. En aplicaciones de ultrafiltración, se mantienen velocidades de fluido relativamente altas a lo largo de la superficie de la membrana para reducir el efecto de polarización de la concentración.

Recuperación

La recuperación de un sistema de ultrafiltración se define como el porcentaje del agua de alimentación que se convierte en permeado, o:

Membranas de ultrafiltración

Los módulos de membrana de ultrafiltración vienen en configuraciones de placa y marco, espiral y tubular. Todas las configuraciones se han utilizado con éxito en diferentes aplicaciones de proceso. Cada configuración es especialmente adecuada para aplicaciones específicas, y existen muchas aplicaciones donde más de una configuración es apropiada. Para agua de alta pureza, generalmente se utilizan configuraciones espiral y capilar. La configuración seleccionada depende del tipo y la concentración del material coloidal o la emulsión. Para soluciones más concentradas, se utilizan configuraciones más abiertas, como la de placa y marco y la tubular. En todas las configuraciones, el diseño óptimo del sistema debe considerar la velocidad del flujo, la caída de presión, el consumo de energía, la contaminación de la membrana y el costo del módulo.

Materiales de membrana

Se han utilizado diversos materiales para las membranas de ultrafiltración comerciales, pero la polisulfona y el acetato de celulosa son los más comunes. Recientemente se han comercializado membranas de ultrafiltración compuestas de película delgada. Para aplicaciones de agua de alta pureza, los materiales del módulo de membrana deben ser compatibles con productos químicos como el peróxido de hidrógeno, que se utilizan para la desinfección periódica de las membranas.

Punto de corte de peso molecular

El tamaño de poro de las membranas de ultrafiltración oscila entre 0,001 y 0,1 micras. Sin embargo, es más habitual clasificar las membranas según el límite de corte de peso molecular. Por ejemplo, una membrana que elimina sólidos disueltos con pesos moleculares de 10 000 o superiores tiene un límite de corte de peso molecular de 10 000. Obviamente, diferentes membranas, incluso con el mismo límite de corte de peso molecular, tendrán una distribución de tamaño de poro diferente. En otras palabras, diferentes membranas pueden eliminar especies de distintos pesos moleculares en distintos grados. No obstante, el límite de corte de peso molecular sirve como guía útil al seleccionar una membrana para una aplicación específica.

Factores que afectan el rendimiento de la ultrafiltración

Existen varios factores que pueden afectar el rendimiento de un sistema de ultrafiltración. A continuación, se presenta una breve descripción de estos. FLUJO A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE DE LA MEMBRANA: El caudal de permeado aumenta con la velocidad del líquido a través de la superficie de la membrana. La velocidad de flujo es especialmente crítica para líquidos que contienen emulsiones o suspensiones. Un mayor caudal también implica un mayor consumo de energía y bombas más grandes. Aumentar la velocidad de flujo también reduce la contaminación de la superficie de la membrana. Generalmente, la velocidad de flujo óptima se alcanza mediante un equilibrio entre la potencia de la bomba y el aumento del caudal de permeado.

Presión de operación

La tasa de permeado es directamente proporcional a la presión aplicada sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, debido al aumento de la incrustación y la compactación, las presiones de operación rara vez superan los 100 psig y generalmente rondan los 50 psig. En algunos módulos de membrana de ultrafiltración de tipo capilar, las presiones de operación son incluso inferiores debido a la limitación de resistencia física impuesta por el módulo de membrana.

Temperatura de funcionamiento

Las tasas de permeado aumentan con el aumento de la temperatura. Sin embargo, la temperatura generalmente no es una variable controlada. Es importante conocer el efecto de la temperatura en el flujo de la membrana para distinguir entre una disminución del permeado debida a una disminución de la temperatura y el efecto de otros parámetros.

Rendimiento de los sistemas de ultrafiltración

En los sistemas de agua de alta pureza, la ultrafiltración está reemplazando gradualmente a los filtros de cartucho tradicionales de 0,2 micras. En Japón, prácticamente toda la industria de semiconductores sigue esta práctica. Una membrana de ultrafiltración con un límite de peso molecular de 10 000 tiene un tamaño de poro nominal de 0,003 micras. Al utilizar una membrana de ultrafiltración en lugar de un filtro de cartucho de 0,2 micras, la eficiencia de eliminación de partículas mejora considerablemente. Además, las membranas de ultrafiltración no son susceptibles al crecimiento bacteriano, como ocurre con los filtros de 0,2 micras. En un estudio reciente (1), se comparó el rendimiento de un ultrafiltro con el de un filtro de cartucho de 0,2 micras. Algunos de estos resultados se presentan en la Tabla A. El ultrafiltro utilizado en el estudio tenía un límite de peso molecular de 100 000 (tamaño de poro de 0,006 micras). A medida que los requisitos de calidad del agua de alta pureza se vuelven más estrictos, es previsible un aumento en el uso de la ultrafiltración como filtro final.

Tabla A - Efectividad del conteo de partículas de ultrafiltración en aguas

*La plomería después de UF no se actualizó

Operación y mantenimiento de sistemas de UF

El funcionamiento y el mantenimiento de los sistemas de ultrafiltración son similares a los de los sistemas de ósmosis inversa. Se deben registrar diariamente el caudal de alimentación y permeado, la presión y temperatura de alimentación, y la caída de presión en todo el sistema. Las membranas deben limpiarse cuando el caudal de permeado del sistema disminuya en un 10 % o más. El caudal de alimentación es fundamental para el funcionamiento de los sistemas de ultrafiltración. Una disminución del caudal de alimentación puede deberse a un problema en el prefiltro (si lo hay), en la válvula de control de caudal o en la propia bomba. Cuando el sistema permanece apagado durante más de dos días, se debe hacer circular un bactericida por las membranas. Al reiniciar, el permeado debe desviarse al drenaje hasta que se haya eliminado todo el bactericida.

Conclusiones

La ultrafiltración se aplicará cada vez más en la producción de agua de alta pureza. Los principios básicos que se describen aquí ayudarán a comprender y utilizar esta tecnología.

Referencia:

¹ Gaudet, PW "Ultrafiltración de agua desionizada en el punto de uso y efectos en la calidad de los dispositivos microelectrónicos, Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales", 1984.

Glosario de términos

• Alimentación - Líquido a tratar por el sistema de ultrafiltración.
• Permeado: Corriente líquida que pasa a través de la membrana.
• Concentrado - Porción restante de la corriente líquida después de que se ha filtrado el permeado.
• Recuperación: Expresada como porcentaje, define la tasa de permeado como una fracción de la tasa de alimentación. La recuperación proporciona una medición inmediata de las concentraciones máximas en el sistema y afecta la calidad del permeado, el tamaño de la bomba, el consumo de energía y la contaminación de la membrana.
• Flujo: flujo de permeado por unidad de área de membrana por unidad de tiempo (galones/pie²/día)
• Rechazo: Porcentaje de eliminación de una especie específica por la membrana. Se expresa como 1-CP CF, donde CP es la concentración en el permeado y CF es la concentración en la alimentación.
• Velocidad de flujo: velocidad a la que el líquido pasa a lo largo de la superficie de la membrana, expresada en longitud por unidad de tiempo (pies/seg).

Por: GK Dhawan Ph.D., PE, Applied Membranes, Inc.

Introducción

La tecnología de ósmosis inversa se ha convertido en un proceso ampliamente utilizado para la purificación de agua. Los sistemas bien diseñados y operados correctamente ofrecen un rendimiento sin problemas durante largos periodos de tiempo. Las membranas de estos sistemas tienen una larga vida útil. Por otro lado, los errores cometidos durante el diseño o la operación de los sistemas de ósmosis inversa pueden provocar problemas continuos y reducir la vida útil de las membranas.

Este artículo revisa algunos de los errores comunes que se cometen durante el diseño y operación de los sistemas de ósmosis inversa.

Rendimiento de la membrana

Hay un hecho simple pero extremadamente importante para mantener las membranas en su máximo rendimiento: "Mantener limpia la superficie de la membrana".

Todas las impurezas del agua se eliminan en la superficie de la membrana. La dinámica de esta etapa de separación debe garantizar que los materiales concentrados no se acumulen en la superficie de la membrana. Si se permite que las concentraciones se acumulen cerca de la membrana, se producirá la precipitación de sustancias de baja solubilidad, lo que reducirá el rendimiento de la membrana.

Análisis del agua

Comprender el análisis del agua y los posibles problemas causados por las sustancias poco solubles es crucial para el éxito de un sistema de ósmosis inversa. Muchos sistemas de ósmosis inversa se han diseñado y vendido sin análisis de agua o con un análisis incompleto. Algunos de estos errores son difíciles de corregir en campo e incluso pueden requerir desechar el sistema existente y empezar de cero.

Recuperación

La recuperación se define como la relación entre el flujo de permeado y el flujo de alimentación.

% Recuperación = (Flujo de permeado ÷ Flujo de alimentación) × 100

En sistemas residenciales, la recuperación se expresa en términos de la relación entre el caudal de salmuera y el caudal de permeado. Por ejemplo, la relación entre el caudal de salmuera y el de permeado puede ser de 5:1. Esto se puede convertir en recuperación de la siguiente manera:

Flujo de alimentación = Flujo de permeado + Flujo de salmuera
% Recuperación = (Flujo de permeado × 100) ÷ Flujo de alimentación
o = 100 ÷ 6 = 16,7%

Se recomienda que, para la mayoría de las aguas del grifo, la recuperación de cada membrana se mantenga entre el 10 y el 15 %. El funcionamiento de las membranas con una recuperación superior a la recomendada provocará ensuciamiento de la superficie de la membrana.

Flujo de membrana

Todas las membranas tienen una limitación común: solo pueden producir un caudal máximo de permeado determinado para un agua determinada. Este límite depende de la calidad del agua de alimentación y no de la marca de la membrana. Por ejemplo, el caudal máximo de permeado para la mayoría de las aplicaciones de agua corriente es de 25 galones por pie cuadrado al día. Cuando las membranas funcionan con flujos superiores a este valor, se produce ensuciamiento.

Flujo de alimentación

Se debe mantener un caudal mínimo de alimentación a lo largo de la membrana. La velocidad de alimentación ayuda a reducir la acumulación de materiales concentrados en la superficie de la membrana. Cuando se utilizan varias membranas, su disposición es crucial para mantener velocidades de flujo adecuadas. Esta disposición debe compararse con otros factores relacionados, como mayores costos de bombeo, caudal de recirculación, etc.

Apagado del sistema

La tendencia del agua de alimentación a ensuciarse al circular por las membranas es muy diferente a la del agua estancada durante el apagado. Ciertos sólidos en suspensión pueden depositarse en la superficie de la membrana durante los periodos de estancamiento. Por otro lado, se observa que la sílice cristaliza durante el apagado. Un ciclo de lavado adecuado puede eliminar estos problemas.

Sistemas residenciales

Los sistemas residenciales de ósmosis inversa deben considerar todos los aspectos descritos anteriormente. Además, existen otros factores que requieren especial atención en los sistemas residenciales. La mayoría de estos problemas se deben a una selección incorrecta de algunos componentes clave durante la fabricación de estos sistemas.

• Limitadores de flujo: Los limitadores de flujo de mala calidad pueden provocar que los sistemas funcionen con recuperaciones más altas, lo que resulta en una vida útil más corta de la membrana.
• Prefiltros: Los filtros de sedimentos y carbón utilizados en el pretratamiento de los sistemas residenciales no deben desprender fibras ni liberar partículas de carbón.
• Válvulas de retención: Una válvula de retención defectuosa puede provocar una contrapresión en el lado del permeado del elemento de membrana, lo que provoca un daño físico a la membrana.

Resumen

Los errores en el diseño y la operación de los sistemas de ósmosis inversa pueden evitarse siguiendo las recomendaciones descritas en este documento. No existen atajos para proporcionar sistemas que ofrezcan un rendimiento sin problemas y una larga vida útil de la membrana.

Diagramas y referencias

Por: Gil K. Dhawan Ph.D., PE, Applied Membranes, Inc.

La desalinización de agua de mar para convertirla en agua potable se utiliza en muchas partes del mundo. El proceso de ósmosis inversa, que utiliza membranas compuestas de película delgada, ha evolucionado en los últimos 20 años y ha reducido el coste de la desalinización. Las importantes mejoras en las membranas, la recuperación de energía, las bombas y los recipientes a presión han reducido significativamente el coste del agua desalinizada.

La tecnología clave en el proceso de desalinización es la ósmosis inversa. En este proceso, el agua de mar se impulsa contra membranas semipermeables bajo presión en un flujo continuo. El alto contenido de sal del agua de mar requiere una presión de operación de entre 60 y 70 bares. A medida que el agua penetra la membrana, se elimina la mayoría de las impurezas disueltas y el 99,5 % de la sal total. Las impurezas quedan en el agua que fluye y la corriente concentrada de las membranas se descarga al océano. El diseño del sistema completo debe optimizar los flujos, el área de las membranas y otras condiciones para mantener la máxima eficiencia operativa.

Applied Membranes ha instalado varios sistemas de ósmosis inversa para la desalinización de agua de mar. Un sistema típico consta de filtración, UV, inyección de productos químicos y membranas de ósmosis inversa. La siguiente tabla muestra el rendimiento típico de un sistema de agua de mar:

Calidad del agua de mar por ósmosis inversa

• Recuperación: 45% Operativa
• Presión: 900 PSI

Un sistema de desalinización exitoso requiere una comprensión y un diseño adecuados para superar el alto contenido de sal y la gran cantidad de microorganismos presentes en el agua de mar. El alto grado de turbidez y corrosividad del agua de mar también requiere medidas para superarlos. La experiencia en desalinización de agua de mar y las recientes mejoras en la recuperación de energía y las membranas de bajo consumo energético han reducido el coste de la desalinización, como se muestra a continuación:

Costos de operación – Desalinización

No incluido en el costo:

• Agua de admisión
• Descarga de concentración
• Costo de construcción
• Amortización de equipos
• Mano de obra para supervisar y mantener

El futuro de la desalinización de agua de mar es prometedor. El problema de la escasez de agua potable y el aumento de la sequía en muchas zonas costeras del mundo puede resolverse mediante la desalinización de agua de mar. Cientos de sistemas de agua de mar producen agua potable o de proceso para municipios, complejos turísticos, hoteles, perforadoras marinas, barcos, yates y uso militar. El tamaño de estos sistemas varía desde 100 galones por día hasta millones de galones por día.

Conclusiones

• La desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa encontrará más aplicaciones debido al menor coste de la desalinización.
• Un diseño, funcionamiento y mantenimiento adecuados son esenciales para reducir aún más estos costes.
• Se debe prestar especial atención tanto a la entrada de agua de mar al sistema como a la descarga del concentrado de las membranas de ósmosis inversa.

Escrito por: William H. Stroman, analista de proyectos de laboratorio, San Diego Gas & Electric, 1995
Presentado en: Applied Membranes, Inc. Seminario: Diseño, operación y mantenimiento de sistemas de ósmosis inversa por el Dr. Gil Dhawan.

Experiencia hasta la fecha en la resolución de problemas encontrados con el sistema de ósmosis inversa de la central eléctrica de Encina

Abstracto

A principios de la década de 1980, un cambio de las unidades generadoras, de la carga base a las operaciones cíclicas, incrementó la demanda de agua de reposición para calderas. Debido a la pérdida de producción con los evaporadores de las unidades durante la operación a baja carga, o a que estos evaporadores se encontraban fuera de servicio cuando las unidades generadoras se encontraban fuera de servicio por razones económicas, se decidió instalar un sistema de ósmosis inversa (OI) frente a un desmineralizador de planta (DI) existente. Debido a las limitaciones presupuestarias a principios de la década de 1980, se decidió contratar a un proveedor para la fabricación y venta de productos de OI que suministraran el caudal de servicio de 100.000 a 1,8 millones de galones, lo que permitió la eliminación de los evaporadores existentes en las otras cuatro unidades. Después de 4 años de un contrato de cinco años, la opción de comprar el sistema operado por el proveedor se ejerció en junio de 1988. Este documento analiza la experiencia hasta la fecha en la resolución de problemas del sistema de ósmosis inversa, problemas de incrustaciones en la membrana y modificaciones para mejorar el funcionamiento del sistema de ósmosis inversa de la planta de energía Encina de SDG&E desde que asumió las responsabilidades operativas del proveedor.

Fondo

SDG&E tiene dos contratos de sistemas de ósmosis inversa que fueron construidos, operados, reparados y mantenidos por el proveedor para suministrar alimentación de producto de ósmosis inversa a los desmineralizadores existentes de la planta de energía. Cada contrato tenía opciones de 4 y 5 años para comprar el sistema de ósmosis inversa y finalizar el contrato de servicio. Ambos sistemas de ósmosis inversa se licitaron competitivamente con los criterios principales que requerían la operación al 75% de recuperación y un mínimo del 92% de rechazo de los componentes del agua de alimentación a galonaje especificado, por ejemplo, la planta de energía de Encina 160 gpm y la planta de energía de South Bay 60 gpm. El sistema de ósmosis inversa de Encina consta de filtrado primario, filtrado de cartuchos, inyección de ácido para control de pH, bombas de alta presión, recipientes y membranas de acetato de celulosa (CA) alineadas en una matriz 4:3:2, desgasificador y bombas de producto del desgasificador, figura de referencia 1. En caso de que las especificaciones del contrato no se pudieran cumplir, el proveedor debía traer desmineralizadores portátiles.

Al cabo de cuatro años, una evaluación determinó que era económicamente beneficioso para SDG&E adquirir el sistema de ósmosis inversa de la central eléctrica de Encina y volver a licitar el contrato de servicio y mantenimiento. Tras la adquisición del sistema de ósmosis inversa, la intención era licitar el servicio y mantenimiento a un proveedor. El proveedor original perdió el contrato con la competencia. Dos días antes de cambiar de proveedor, la bomba de alta presión falló, lo que provocó daños en la membrana de primera pasada debido a los residuos de la bomba averiada. Se necesitaron aproximadamente 30 días para que el sistema volviera a funcionar correctamente. Debido a la quema de aceite residual en las calderas, se requirió un mayor consumo de agua para la atomización del combustible. Esto incrementó aún más los requisitos de reposición de ósmosis inversa/dilución, y como el sistema de ósmosis inversa solo podía producir unos 90 gpm, se instalaron desmineralizadores portátiles para satisfacer la demanda de agua.

El nuevo proveedor se mostró reacio a asumir la responsabilidad del servicio y mantenimiento del sistema de ósmosis inversa hasta que se reparara la bomba de alta presión y el sistema volviera a cumplir con las especificaciones del contrato. El sistema de ósmosis inversa se deterioró, lo que provocó que la presión de alimentación, superior a 500 psi, causara fugas en la envoltura de fibra de vidrio de dos de los recipientes a presión.

Durante el período de restauración, el nuevo proveedor expresó su preocupación por el diseño del sistema, el estado de los equipos y la alta tasa de contaminación de las membranas (NOTA: Esta información se proporcionó durante el proceso de licitación). Como resultado, SDG&E reemplazó las membranas de ósmosis inversa, revisó los filtros primarios, reemplazó dos recipientes a presión con fugas, instaló un filtro de cartucho más grande y añadió un sistema de inyección de cloro. Se renegoció un nuevo contrato a corto plazo y SDG&E finalmente se hizo cargo del mantenimiento y servicio del sistema de ósmosis inversa durante 1989.

La incrustación de aluminio en las membranas del sistema de ósmosis inversa (OI) en el agua de alimentación de la ciudad ha sido un problema crónico desde la puesta en servicio del sistema de ósmosis inversa (OI) en 1984. Una vez restaurado el sistema tras la falla de la bomba, se centraron los esfuerzos en solucionar el problema de la incrustación de aluminio. La solución fue reducir el pH de la alimentación de su rango normal de 5,7 a 4,8-5,0. A un pH de 4,8-5,0, la solubilidad del aluminio aumenta hasta alcanzar el rango de su valor en el agua de alimentación.

La falla de la bomba también señaló muchas áreas de preocupación con el sistema de ósmosis inversa, siendo la principal la muy poca flexibilidad operativa o del sistema en caso de un problema con el sistema de ósmosis inversa. Por ejemplo, el sistema original requería que dos bombas de alta presión estuvieran en servicio para lograr un flujo de diseño de 160 gpm. Después de asumir las responsabilidades de operación y mantenimiento en 1989, se formularon modificaciones de diseño y en 1991 el arreglo original del sistema único 4:3:2 se separó en una configuración de dos pasos, figura de referencia 2. La configuración de dos pasos puede operarse en paralelo con un producto neto de 224 gpm o en serie con un producto neto de ósmosis inversa de 120 gpm. El modo serie permite que el producto del Tren A sea la alimentación del Tren B para producir menos de 10 ppm de producto desgasificado para el suministro de alimentación al desmineralizador.

Alcance

Debido al bajo rendimiento de la unidad de ósmosis inversa y a los problemas con los proveedores de servicios, se requirieron desmineralizadores portátiles para satisfacer las necesidades de la planta. Debido a su alto costo (50.000 dólares), el personal de ingeniería de planta y de laboratorio evaluó el sistema de ósmosis inversa. El objetivo era identificar los problemas en los componentes del sistema de ósmosis inversa y las medidas necesarias para mejorar su funcionamiento, fiabilidad y la responsabilidad del personal de planta en el mantenimiento.

Solución de problemas de la unidad de ósmosis inversa

Tras conversaciones con varias empresas de servicios, fabricantes de membranas, contratistas y otros usuarios de sistemas de ósmosis inversa, se obtuvieron diversas opciones para mejorar el sistema. Para colaborar en la investigación, se contrató a Process Scientific, Inc. (PSI) para evaluar el sistema y responder a una lista de tareas específicas elaborada por SDG&E. Tras analizar la información recibida de PSI, proveedores, fabricantes y otros usuarios de sistemas de ósmosis inversa, se formuló un plan de acción correctiva.

La primera decisión fue determinar quién operaría y mantendría el sistema de ósmosis inversa (OI): un proveedor o personal de la planta. Se decidió renegociar el contrato de servicio y reducir su plazo a 15 meses, para luego hacerse cargo del servicio y mantenimiento de la unidad de OI. El plan desarrollado consistía en utilizar el período de 15 meses para implementar mejoras en el sistema que requirieran menos mantenimiento, construir una plataforma de limpieza química, implementar un programa de normalización y capacitar al personal de operaciones y mantenimiento de la planta.

El segundo paso fue evaluar el rendimiento de la ósmosis inversa. La investigación determinó que la formación de incrustaciones de aluminio, sumada al diseño marginal del sistema de ósmosis inversa, requería una cantidad considerable de personal para mantener la unidad dentro de las especificaciones deseadas, por ejemplo, un caudal de producto de 160 gpm con un rechazo mínimo del 92 % de los componentes del agua de alimentación.

Evaluación de los componentes de RO:

Suministro de agua a la ciudad

El producto químico de pretratamiento con alumbre utilizado por el Distrito Metropolitano de Agua del Sur de California es el principal causante de la incrustación en las membranas de ósmosis inversa de los elementos de primer paso. La incrustación de aluminio provoca la pérdida de flujo de producto y aumenta la presión del agua de alimentación de ósmosis inversa según sea necesario para mantener el flujo deseado. Si las membranas no se limpian químicamente a tiempo, el aumento de la presión puede provocar una compactación irreversible. Las conversaciones sobre el pretratamiento con empresas de servicios, fabricantes de membranas, contratistas y otros usuarios de sistemas de ósmosis inversa dieron lugar a diversas medidas correctivas, algunas de las cuales se describen en las siguientes evaluaciones de componentes.

Filtros de arena

Los filtros de arena (filtración primaria) no proporcionaban un buen pretratamiento del agua de la ciudad, según las pruebas del índice de densidad de sedimentos (IDS) realizadas al efluente del filtro. Antes de la revisión de los filtros, el IDS promediaba 5,5. Tras la revisión, el IDS varió entre 4,5 y 5,6 (varía según los cambios en la calidad del agua según la temporada). Normalmente, un IDS de 5 indica una alta tasa de ensuciamiento, un IDS de 5 indica un ensuciamiento moderado y un IDS de 3 indica un rango de ensuciamiento que requiere la limpieza de la membrana cada 3 a 6 meses.

Los análisis de los filtros micrométricos utilizados durante las pruebas de SDI revelaron un bajo nivel de compuestos orgánicos (1%) y un alto nivel de aluminio (58%) y hierro (42%). Se tomaron muestras del agua de alimentación de entrada y del efluente de cada filtro para determinar si se producía corrosión interna. Los análisis revelaron que el hierro se encontraba en el agua de alimentación y no en los filtros.

Una de las recomendaciones fue inyectar ácido en la entrada de los filtros de arena para precipitar el aluminio en el medio filtrante. El aluminio precipitado se elimina posteriormente durante el ciclo de retrolavado. Los filtros de arena no se retiraron durante este ciclo. Los filtros de arena no fueron diseñados para agua de alimentación con un pH bajo (5,7). El bajo pH causaría corrosión en los filtros y problemas de incrustaciones de hierro en la membrana debido a los subproductos de la corrosión.

Mejorar los filtros para que sean más resistentes a la corrosión costaría aproximadamente $75,000. También se incurriría en un gasto adicional para modificar la tubería de entrada para permitir el tiempo de contacto de 10 a 30 segundos después de la extracción de los filtros de arena. Dado que esta opción era prohibitiva en costo, se le dio poca prioridad en la lista de acciones correctivas.

El representante del fabricante de filtros inspeccionó los filtros y recomendó reemplazarlos con arena n.° 30 en lugar de una mezcla de antracita y arena durante la revisión. El medio filtrante de arena reducirá el tamaño de partícula de la mezcla de antracita y arena, y la altura del tanque actual no permitió una expansión adecuada del lecho.

Filtros de cartucho

El filtro de cartucho tenía un caudal que permitía un caudal de agua de alimentación de 230 gpm. Los filtros de 5 micras se ensuciaban y alcanzaban la presión de reemplazo (delta 10 psig) en un plazo de 1 a 7 días. Otros usuarios de ósmosis inversa en esta zona también experimentaron este mismo índice de ensuciamiento. Se reemplazó el filtro de cartucho por uno más grande para aumentar su superficie. NOTA: Tras reemplazar el filtro de cartucho y reducir el pH del agua de alimentación a 4,8-5,0, la frecuencia de reemplazo suele superar los 30 días.

Inyección de cloro

Como parte del plan de acción correctiva inmediata, se instaló un sistema de inyección de cloro para controlar el cloro libre residual entre 0,05 y 0,1 ppm en el producto. Esto contribuyó a controlar la bioincrustación en las membranas.

Métodos para controlar la incrustación de aluminio

Varios proveedores recomendaron eliminar el aluminio de la solución mediante un ajuste del pH del agua de alimentación antes de los filtros de arena para permitir su eliminación durante el proceso de filtración. Como se mencionó anteriormente, los filtros de arena no eran compatibles con el agua de alimentación con un pH reducido. Dado que no era económicamente viable reemplazar los filtros originales y modificar las tuberías de agua de alimentación para lograr el tiempo de contacto deseado, esta opción se consideró una opción poco prioritaria en la lista de acciones correctivas.

Otra recomendación fue suavizar el agua municipal y reemplazar las membranas de acetato de celulosa de ósmosis inversa por membranas de película fina. Esto no se consideró debido a razones económicas (p. ej., inversión de $176,000), los costos operativos anuales del suavizador para las regeneraciones ($9,000) y los residuos adicionales generados por estas. NOTA: Si se trata de una planta de nuevo diseño, el pretratamiento con suavizadores de agua puede ser una buena opción si el diseño aprovecha los residuos de salmuera de ósmosis inversa para otros usos (p. ej., reposición de la torre de enfriamiento, enfriamiento de bombas) para reducir las necesidades totales de agua y minimizar los residuos de la planta.

La última opción considerada e implementada fue reducir el pH del agua de alimentación del control original de 5,7 a 4,8-5,0 pH aguas abajo de los filtros de arena y antes del filtro de cartucho. Esto igualó la solubilidad del aluminio con la del agua de la ciudad entrante y evitó que se filtrara en las membranas.

El control de pH reducido (4,8-5,0) también mejora la hidrólisis de las membranas de CA, lo que puede ayudar a prolongar su vida útil. Este control de pH de 4,8-5,0 aumenta el costo mensual del ácido en aproximadamente $35, pero los beneficios obtenidos con el reemplazo del filtro de cartucho superan con creces el aumento en el costo del ácido adicional. Desde la implementación del cambio, el intervalo entre limpiezas de membrana ha aumentado de 5 semanas a aproximadamente 3-5 meses. Además, la frecuencia de cambio de los elementos del filtro de cartucho ha cambiado de una vez cada 2-7 días a cada 4 semanas, lo que supone un ahorro de aproximadamente $500 al mes en consumibles y mano de obra.

El ácido sulfúrico adicional añadido para reducir el pH del agua de alimentación de 5,7 a 4,8-5,0 también aumenta la cantidad de iones sulfato disponibles para la precipitación de sulfatos de bario, calcio, magnesio y estroncio. Las proyecciones de rendimiento de la unidad de ósmosis inversa realizadas por Fluid Systems indican que solo el bario supera la saturación en la salmuera de ósmosis inversa con una recuperación del 75 %. Tras la separación del conjunto en un sistema de dos pasadas y la eliminación del problema de incrustaciones de aluminio, comenzamos a observar problemas de incrustaciones de bario en la segunda pasada, que se analizan con más detalle más adelante en este artículo.

Membranas de ósmosis inversa

Las membranas de CA se reemplazaron en abril de 1989. El reemplazo de la membrana se realizó después de completar los elementos enumerados en el plan de acción correctiva, por ejemplo, revisión de los filtros primarios, instalación de la inyección de cloro, filtro de cartucho más grande, pH de alimentación más bajo (4.8-5.0), nuevo regulador de presión y manómetros entre etapas.

Manómetros

Se instalaron dos manómetros en el efluente del primer conjunto de recipientes (presión de la primera etapa interna). Junto con los manómetros de alimentación y concentración del sistema existentes, los nuevos manómetros permiten determinar en qué parte del sistema se produce el aumento diferencial. Utilizando los cambios en las lecturas de presión diferencial de cada paso, se puede dirigir la limpieza al paso específico que realmente requiere limpieza (por ejemplo, limpiar solo el primer, segundo o tercer paso, según sea necesario para mantener el sistema dentro de las especificaciones operativas deseadas).

Monitoreo del rendimiento

La monitorización del rendimiento del sistema se realiza mediante el software de normalización NORMPRO, proporcionado por Fluid Systems. El objetivo de los datos normalizados es comparar los datos operativos diarios con un conjunto estándar de condiciones operativas.

El programa de normalización se basa en la norma ASTM D-4516, Práctica Estándar para la Estandarización de Datos de Rendimiento de Ósmosis Inversa. Las membranas se limpian ahora con base en un aumento máximo del 10 % entre la presión diferencial actual de concentrado/alimentación y la presión diferencial de referencia de concentrado/alimentación. Esto ayuda a prevenir la acumulación excesiva de incrustaciones y daños irreversibles en las membranas. (NOTA: Dependiendo de la causa de las incrustaciones y del éxito de la limpieza para restaurar el sistema, se puede utilizar un máximo del 15 % como criterio para determinar cuándo realizar la limpieza).

Octubre de 1991: El sistema original se cambió a una configuración de dos pasos

La falla de la bomba de alta presión en 1988 demostró la importancia de contar con un sistema de ósmosis inversa flexible y confiable ante problemas. Un sistema de ósmosis inversa con dos bombas de alta presión, cada una con menos del 100% de su capacidad de diseño, no contribuye a la confiabilidad ni a la eficiencia general del sistema.

Durante octubre de 1991, el sistema de ósmosis inversa (RO) existente con una matriz 4:3:2 se separó en un sistema de ósmosis inversa de dos etapas: el Tren A con una matriz 5:2 y el Tren B con una matriz 4:2, que pueden operar en serie o en paralelo según los requisitos de agua del sistema ( véase la figura 2) . En operaciones en paralelo, la salida combinada es de 224 gpm con una calidad del producto desgasificado inferior a 50 ppm, y en serie, el efluente combinado es de 120 gpm con una calidad del producto desgasificado inferior a 10 ppm.

La calidad del agua del funcionamiento en serie también aumenta el caudal del desmineralizador entre 2 y 3 veces. NOTA: Si el tanque de almacenamiento de producto de ósmosis inversa cuenta con un techo flotante o una tapa de nitrógeno para reducir la tasa de reabsorción de dióxido de carbono, el caudal del intercambiador de aniones de DI puede aumentar hasta un 20-40 %.

La unidad aguas abajo (Tren B) no ha experimentado problemas de incrustaciones ni incrustaciones, ni ha requerido limpieza de membrana desde su puesta en marcha en la configuración de dos pasos (aproximadamente 3 años). Además, la unidad aguas abajo debería tener una vida útil de membrana significativamente mayor que la unidad principal.

El cambio de matriz también incorporó un enjuague con agua municipal (acidificada y clorada) posterior al apagado para purgar el agua de salmuera concentrada de ósmosis inversa de las membranas. Este enjuague ayuda a prevenir la precipitación y el crecimiento orgánico durante los periodos de inactividad. NOTA: De ser posible, se debe utilizar producto de ósmosis inversa para el enjuague posterior al apagado a fin de garantizar la eliminación o dilución completa de los componentes concentrados que puedan estar saturados o cerca de la saturación de los canales de alimentación de salmuera de la membrana. Además, mientras la ósmosis inversa está en espera, existe la posibilidad de que el producto de ósmosis inversa utilizado en el enjuague alcance el equilibrio iónico con diversos minerales presentes en las superficies de las membranas, los cuales pueden eliminarse al volver a funcionar la ósmosis inversa.

Esfuerzos continuos para prevenir la formación de incrustaciones de bario

Con base en el programa de normalización NORMPRO, se determinó que el Tren A de ósmosis inversa (OI) requería limpieza de membrana, figura de referencia 3. El segundo paso del Tren A se limpió el 23 de abril y el primer paso se limpió el 24 de abril de 1992. Esta fue la primera limpieza desde que el OI se modificó a un sistema de dos trenes en octubre de 1991. El proceso de limpieza de dos pasos usando Flocon 103 Una presión diferencial a través del segundo paso.

Tras la limpieza, se redujo la presión de alimentación y se aumentó la presión diferencial. Esto implicó que la superficie de la membrana se limpiara y que el canal de alimentación de salmuera permaneciera obstruido. El 7 de mayo de 1992, se reemplazaron los dos últimos elementos de los recipientes de segundo paso (4 elementos en total). El reemplazo de los elementos redujo la caída de presión en el segundo paso a los valores que tenía cuando se separó inicialmente en la configuración de dos pasos.

Los elementos extraídos del segundo paso presentaron deposición de bario en la entrada de cada uno, siendo el más grave el último elemento en serie de cada recipiente. Dos de los cuatro elementos extraídos de los recipientes del segundo paso se llevaron a Fluid Systems para su inspección. El elemento n.º 3 de cuatro presentó bandas de depósitos (posteriormente se determinó que eran de bario) a lo largo de las áreas de la sección inferior de la membrana (véanse las figuras 4 y 5) . El elemento n.º 4 de cuatro en serie en el recipiente a presión presentó bandas de bario de 4 a 6 veces más anchas que las del elemento n.º 3 y presentó depósitos más generales en las secciones superiores del elemento de membrana (véase la figura 6) .

Con base en las bandas de bario observadas en la parte inferior o la posición de las seis en punto, parece que el bario en su estado sobresaturado se precipita de la solución cuando ocurren cambios en la velocidad (es decir, la unidad se apaga). Después de que ocurre la precipitación inicial, se convierte en la semilla para que crezcan otras partículas e induce la formación de partículas coloidales coaguladas que aumentan la tasa de ensuciamiento de la membrana. La incrustación de la membrana también aumenta la caída de presión a través de las membranas. Después de que ocurre la precipitación inicial, se forma una semilla para que crezcan otras partículas que inducen la formación de partículas coloidales coaguladas que aumentan la caída de presión a través de la membrana. A medida que aumenta el ensuciamiento, la caída de presión a través de los elementos también aumenta hasta el punto en que se requiere la limpieza de la membrana para evitar daños a los elementos de la membrana.

Se evaluó el lavado posterior a la parada, utilizado para eliminar la posible saturación de bario, calcio, magnesio y estroncio cuando el sistema de ósmosis inversa entra en modo de espera. (NOTA: El agua de lavado se mantiene dentro de los mismos rangos que las especificaciones de servicio, p. ej., pH 4,8-5,0; cloro 0,05-0,1 ppm). La evaluación reveló que, incluso con la presión del agua de la ciudad (regulada a ~60 psi), se producía producto de ósmosis inversa con una recuperación del 50 % y el agua de lavado no eliminaba adecuadamente el concentrado de salmuera de los elementos de membrana. Se recomendó, e implementó, desviar la válvula de control de salmuera durante el lavado posterior a la parada. Esta modificación redujo el caudal de producto y aumentó el caudal de enjuague sin aumentar la concentración de componentes en el agua de enjuague.

Parece que durante la limpieza de la membrana de ósmosis inversa, se produce contaminación cruzada del primer paso por la solución de limpieza durante la limpieza del segundo paso. La contaminación ocurre cuando la solución de limpieza entra en el cabezal de salmuera común entre el primer y el segundo paso. Con la válvula de entrada de agua de alimentación cerrada al primer paso, la solución de limpieza (estimada en ~3 gpm) entra a través del cabezal entre etapas en el primer paso y a través de las membranas. El flujo de 3 gpm a través de las membranas concentra entonces el producto químico de limpieza, los residuos y los componentes disueltos de la limpieza del segundo paso en el lado del agua de alimentación de las membranas del primer paso. Cualquier ensuciamiento que esté en la solución (es decir, bario, calcio, estroncio) de la limpieza del segundo paso, entra en el primer paso, lo que resulta en cierta deposición de incrustaciones en las membranas.

Según la experiencia previa en limpiezas, el bario y el estroncio normalmente no están presentes en la primera pasada, como ocurrió durante la limpieza (véase la figura 7 , análisis de limpieza). Debido a la concentración de diversos elementos en el sistema de ósmosis inversa (es decir, la eliminación del producto que concentra el agua de alimentación en salmuera), la posibilidad de saturación del bario, el calcio, el magnesio y el estroncio normalmente ocurre en los elementos aguas abajo de la segunda pasada, y no en la primera.

Antes de la conversión al sistema de ósmosis inversa de dos pasos, se desconectaron los cabezales de ósmosis inversa y se instaló un cabezal de limpieza. Esto permitió un aislamiento total entre el paso que se limpiaba y el paso restante de ósmosis inversa sin limpiar.

Cuando se actualizó el sistema de ósmosis inversa, el método de limpieza industrial utiliza la salmuera, el agua de alimentación y los cabezales de producto existentes durante la limpieza. La justificación de este método de limpieza fue que el paso no limpiado tendría muy poco o ningún flujo debido a la válvula de agua de alimentación cerrada. Sin embargo, la mayoría de los procedimientos de limpieza no monitorean el enjuague posterior a cada paso de limpieza tan exhaustivamente como nuestro procedimiento, que utiliza agua desionizada para el enjuague y mediciones continuas de conductividad hasta alcanzar 10 mmhos para detectar contaminación cruzada.

En agosto de 1993, se instalaron válvulas de aislamiento en el sistema de ósmosis inversa del Tren A para garantizar el 100 % de aislamiento del primer o segundo paso durante la limpieza de la membrana. Además de eliminar la contaminación cruzada del paso no limpiado, la modificación también redujo el tiempo de conexión y desmontaje para la limpieza y facilitó la limpieza general. También se logró un enjuague posterior a la limpieza más rápido, lo que contribuye a la reducción de residuos y a la disminución de las interrupciones y los costos de limpieza. Nota: En la industria de la ósmosis inversa existe preocupación por el riesgo potencial de daño irreversible de la membrana si la válvula del cabezal de limpieza de aislamiento se cierra mientras la ósmosis inversa está en servicio. Con procedimientos operativos adecuados, que incluyen un protocolo de verificación de retorno al servicio y válvulas de servicio bloqueadas, esto se puede eliminar.

Química antiincrustante

La química antiincrustante utilizada en el pretratamiento del agua de alimentación de ósmosis inversa se ha adaptado principalmente de las químicas empleadas en torres de refrigeración y sistemas de agua de calderas. Si bien existen casos de éxito documentados con el pretratamiento antiincrustante de ósmosis inversa, también existen casos de éxito deficientes. No existe una química antiincrustante universal adecuada para el pretratamiento de todas las variaciones de componentes presentes en el agua de alimentación de ósmosis inversa y torres de refrigeración.

La química de las torres de enfriamiento se ocupa principalmente de la recirculación del agua a través de la torre y los intercambiadores de calor, que se concentra mediante la evaporación de la torre. Los factores limitantes suelen ser los materiales de construcción, la temperatura de las superficies enfriadas, los componentes del agua utilizada para la reposición de la torre y los objetivos del programa químico (p. ej., prevención y control de incrustaciones, corrosión y actividad biológica).

La química de calderas se ocupa de las concentraciones de agua de caldera a granel, que dependen de la presión de operación, lo que puede ciclar los componentes del agua de alimentación entre 20 y 100 veces. En zonas con alto flujo de calor, la concentración de impurezas puede ser muy alta. Por lo tanto, se prioriza la calidad de la composición de la caldera para eliminar los componentes no deseados y los programas de química de calderas a medida para prevenir la corrosión y la formación de incrustaciones, manteniendo así la limpieza de la caldera.

Si bien la industria ha realizado importantes esfuerzos para adaptar la química del pretratamiento de ósmosis inversa en los últimos años, hemos tenido un éxito limitado en las evaluaciones realizadas con seis productos químicos antiincrustantes y dispersantes diferentes, lo que nos ha llevado a intentar sustituir el ácido utilizado para ajustar el pH del agua de alimentación.

El producto químico de pretratamiento que se utiliza actualmente es una mezcla de fosfonatos y dispersantes que ayuda a controlar las incrustaciones de sulfato de bario, calcio, magnesio, sílice y estroncio. Sin embargo, la eficacia de los dispersantes se reduce significativamente al reducir el pH del agua de alimentación, como se hace actualmente para controlar las incrustaciones de aluminio. Por lo tanto, es necesario decidir qué incrustante se debe tratar y sus consecuencias.

Normalmente, el enfoque consistiría en aumentar la dosis del producto químico de pretratamiento para compensar la pérdida de eficacia del dispersante. Sin embargo, aumentar la dosis también aumenta la cantidad de fosfonatos, lo que puede provocar interacciones con calcio, magnesio y sílice que podrían causar incrustaciones en la membrana.

Inyección de antiincrustante

Durante la limpieza por ósmosis inversa del 6 de julio de 1994, el personal de laboratorio observó una alta turbidez en la solución de limpieza de primera pasada (normalmente, la turbidez y los residuos solo se observan en la limpieza de segunda pasada, por ejemplo, la deposición de bario). Los análisis del patín de limpieza y de los depósitos de estroncio se muestran en la figura 8. Un posible problema con la inyección se produce delante de los filtros de cartucho. El dispersante podría dispersar los residuos atrapados en el filtro de cartucho hacia los elementos de primera pasada, lo que puede provocar la obstrucción de los espaciadores del canal de alimentación. Para solucionar este problema, se reubicó la línea de inyección para inyectar aguas abajo del filtro de cartucho.

Monitor de incrustaciones por rechazo de salmuera

Para abordar adecuadamente la problemática química de la salmuera, se construyó un monitor de ensuciamiento de membrana con un elemento depurador de 6,35 x 6,35 cm. El objetivo del monitor es evaluar diversas dosis del antiincrustante utilizado, basándose en el rechazo de salmuera de ósmosis inversa como alimentación del monitor ( véase la figura 9) .

Debido a que la descamación se acumulaba durante varios meses y a que el programa de normalización de membranas NORMPRO observaba la misma tendencia, este esfuerzo se suspendió posteriormente. Sin embargo, el análisis de la biopsia de membrana confirmó la presencia de altos niveles de bario y estroncio en los componentes de la descamación. Estos resultados también se correlacionaron con los encontrados en las biopsias de los elementos de la última etapa extraídos del segundo paso (análisis de la descamación de referencia en la figura 10) .

Después del cambio al pretratamiento con ácido clorhídrico (discutido en la siguiente sección), el monitor de ensuciamiento se usará como un dispositivo de monitoreo a largo plazo (por ejemplo, el enfoque es similar al uso de cupones de corrosión para medir las tasas de corrosión en el programa de química de la torre de enfriamiento). Siempre que se limpie el segundo paso del Tren A de RO, el elemento depurador se quitará y se cortará para analizar los constituyentes presentes en la membrana (NOTA: Con el costo del elemento depurador a $ 25-50, es mucho más económico abrirlo que un elemento de última etapa a ~ $ 1,250). Los análisis se usarán para rastrear la tendencia de los constituyentes en los elementos del extremo posterior del segundo paso. Si se puede mitigar la incrustación de bario, la tendencia de los constituyentes de la incrustación sería útil para determinar otras limitaciones a largo plazo o refinamientos del programa de química de pretratamiento (por ejemplo, antiincrustante, dispersante, ácido clorhídrico, tasa de recuperación del sistema de RO, punto de control de pH).

Pretratamiento ácido: cambio de ácido sulfúrico a clorhídrico

Debido a la dificultad de eliminar las incrustaciones de bario y, en menor medida, de sulfato de estroncio durante la limpieza de la membrana en el segundo paso, se requirieron medidas adicionales para restablecer el rendimiento de la ósmosis inversa según las especificaciones. Hasta la fecha, se han tomado dos opciones para restablecer el sistema de ósmosis inversa a las especificaciones originales:

1) Limpie químicamente la segunda pasada y luego retire los dos elementos posteriores (elementos de referencia n.° 3 y n.° 4 en la figura 4 ) de los recipientes de la segunda pasada (4 elementos en total). Las membranas retiradas se envían a un proveedor para que las limpie individualmente y elimine la deposición de bario. NOTA: El proveedor utiliza un solo recipiente para limpiar la membrana con varios limpiadores, utilizando flujos de limpieza directos e inversos para restablecer el rendimiento de la membrana dentro de las especificaciones.

2) Rotar los elementos de última etapa del segundo paso del Tren A con los elementos de última etapa del segundo paso del Tren B cada dos meses. La unidad del Tren B, con agua de alimentación proveniente del producto de ósmosis inversa de la unidad del Tren A, eliminará el bario en aproximadamente 7 días. El costo por rotación bimensual es de $346 (requiere aproximadamente 16 horas-hombre, más el reemplazo de juntas tóricas/grasa). Este enfoque de rotación podría reducir la necesidad de limpieza anual de membranas a aproximadamente 3 al año y eliminar la necesidad de la opción 1, que consiste en enviar las membranas para una limpieza individual adicional. NOTA: Debido a la mayor manipulación, que podría causar problemas en los Trenes A o B y reducir rápidamente cualquier ahorro potencial, la opción preferida es la 1.

A menos que se desarrolle una nueva química específica para la incrustación de bario, las opciones restantes son reducir la recuperación del sistema de ósmosis inversa o reemplazar el pretratamiento con ácido sulfúrico por ácido clorhídrico. Reducir la recuperación del sistema de ósmosis inversa aumenta significativamente el costo total de producción del producto de ósmosis inversa; no se consideraría a menos que fuera absolutamente necesario.

El uso de ácido clorhídrico reduce la cantidad de sulfatos presentes en el concentrado de salmuera, lo que contribuye a disminuir la posibilidad de formación de sulfato de bario. Según las proyecciones computacionales, con la alimentación de ácido clorhídrico, la saturación de sulfato de bario en la superficie de la membrana se reduce a 38 veces, frente a 54 veces con ácido sulfúrico. Debido al problema de incrustaciones en el elemento de la última etapa, el cambio a ácido clorhídrico y su reducción del 30 % en la formación de sulfato de bario podrían reducir la tasa de incrustaciones o incluso eliminar el problema de formación de incrustaciones.

Debido a las diferencias de precio entre el ácido sulfúrico al 36% y el ácido clorhídrico al 31%, el aumento en los costos operativos de pretratamiento al 50% de la capacidad operativa es de $1,782 y al 100% de la capacidad es de $3,653. NOTA: Se utiliza ácido sulfúrico al 36% en lugar del ácido sulfúrico al 93%, más económico, para la seguridad del personal de la planta. Un proveedor visita la planta según sea necesario para rellenar el tanque de almacenamiento de 500 galones sin necesidad de personal. También se logra un mejor control del pH con el ácido sulfúrico diluido al 36% en comparación con el ácido sulfúrico concentrado al 93%. También se espera un buen control del pH con el ácido clorhídrico al 31%.

Si el cambio a ácido clorhídrico logra reducir o eliminar la formación de incrustaciones de bario, la frecuencia de limpieza de la membrana podría reducirse a menos de dos veces al año. Además, se podría eliminar la rotación/restauración de la membrana, lo que representa un ahorro anual de $3,483 (basado en 3.5 limpiezas al año). La combinación de estos dos beneficios podría reducir los costos anuales totales de limpieza de la membrana en aproximadamente $5,800. Con base en el factor de capacidad operativa actual del 50%, el ahorro total en limpieza de membranas, en comparación con el aumento de $1,782 en el costo del ácido para el pretratamiento, debería resultar en un ahorro anual de aproximadamente $4,000. El costo estimado del cambio a ácido clorhídrico es de $955 y se espera que se complete para noviembre de 1994.

Resumen

Cuando comenzamos a investigar el bajo rendimiento de la unidad de ósmosis inversa, pronto se hizo evidente que el problema principal residía en la incrustación de la membrana en la primera pasada. Tras exhaustivos análisis, se determinó que el principal incrustante era el aluminio. Existían tres opciones para reducir la incrustación de aluminio: (1) modernizar el sistema de prefiltrado para eliminar el aluminio; (2) instalar descalcificadores de agua y realizar un pretratamiento suavizando el agua de alimentación; y (3) reducir el pH de la alimentación después de los filtros primarios para mantener el aluminio en solución y eliminarlo en el rechazo de la salmuera de ósmosis inversa. Optamos por la ^tercera opción por su facilidad de implementación y rentabilidad. Logramos reducir el intervalo entre limpiezas de membrana de 5 semanas a aproximadamente 3-5 meses.

Con la incrustación de aluminio bajo control, el siguiente problema que surgió fueron los problemas de incrustaciones de bario en los elementos de segunda etapa. Hasta la fecha, se han empleado diversas medidas para reducir el impacto del incrustante de bario. Las más sencillas han sido las evaluaciones de diversos antiincrustantes y formulaciones de antiincrustantes/dispersantes. En general, el mayor éxito (aunque limitado) se ha obtenido con la combinación de antiincrustante/dispersante. Sin embargo, junto con la reducción de sulfato con el cambio a ácido clorhídrico para ajustar el pH del agua de alimentación, la reducción de la saturación de sulfato de bario podría ser suficiente para que los elementos de la última etapa de segunda etapa eliminen o aumenten el intervalo entre limpiezas de membrana asociadas con la incrustación de bario.

Aunque el proveedor suele ser el experto en la materia, los usuarios finales deben participar activamente en las especificaciones de la oferta original. Nuestra experiencia nos ha enseñado que las consideraciones y requisitos mínimos para la operación de un sistema de ósmosis inversa son los siguientes:

• Los criterios mínimos aceptables (por ejemplo, eliminación del 92-98 % de los componentes del agua de alimentación, tasa de galonaje deseada) deben diseñarse en torno a los componentes del agua en el peor de los casos y la temperatura de alimentación más baja.
  
  
• Para una mayor flexibilidad y confiabilidad del sistema, este debe constar de al menos dos unidades de ósmosis inversa (RO) con un caudal de producto del 50-70 %. Si hay problemas con una de las unidades de ósmosis inversa (por ejemplo, una falla de la bomba o una parada para la limpieza de la membrana), la planta aún puede producir el producto de ósmosis inversa para el reposición.
  
  
• Cada sistema de ósmosis inversa debe tener: 1) lavado con salmuera posterior al apagado que evite la válvula de control de salmuera mientras se realiza el lavado (el agua del producto de ósmosis inversa brinda el mejor resultado y, si se usa agua de la ciudad, el pH y el cloro deben mantenerse dentro de las especificaciones de servicio normales), 2) inyección de ácido, antiincrustante y cloro químico, 3) indicación de presión entre etapas, 4) filtros de cartucho primarios y secundarios diseñados adecuadamente.
  
  
• El cabezal entre las etapas del conjunto debe contar con válvulas de aislamiento para su uso durante las limpiezas químicas. Esto ayuda a evitar que la contaminación cruzada de las soluciones de limpieza afecte el paso que no se está limpiando.
  
  
• El caudal durante la limpieza de la membrana debe proporcionar suficiente velocidad a través del espaciador de malla del canal de salmuera, entre las láminas de la membrana, para evitar la posible formación de incrustaciones y la obstrucción del canal de alimentación de salmuera durante la limpieza. Si la velocidad es demasiado baja, puede producirse precipitación, que propicia la formación de incrustaciones de partículas coloidales coaguladas, lo que aumenta la caída de presión a través de las membranas y la consiguiente necesidad de más limpiezas.
  
  
• Al comprar un sistema de ósmosis inversa usado, se deben reinstalar las membranas de la unidad con membranas nuevas, como mínimo, según lo especificado originalmente en el contrato. El vendedor también debe proporcionar los números de serie de los elementos de membrana, la fecha de fabricación, las garantías de rendimiento y un plano que muestre la ubicación exacta de cada elemento.
  
  
• Si el operador de RO es un proveedor, debe proporcionar al usuario final datos sobre el rendimiento (por ejemplo, presión, conductividad, caudales del sistema, pH) del sistema de RO y proporcionar un informe semanal. Los informes deben utilizar un programa de normalización de software acordado para determinar el rendimiento de la membrana (por ejemplo, Fluid Systems NORMPRO). El programa de normalización debe basarse en ASTM-D4516, Práctica estándar para estandarizar los datos de rendimiento de ósmosis inversa, Libros anuales de normas ASTM, Tecnología del agua y ambiental, Sección 11. Estos informes proporcionarán documentación sobre cómo está funcionando el sistema de RO y serán útiles para tomar decisiones sobre la compra o la continuación de la operación del sistema de RO por parte del proveedor. Este mismo criterio se aplica al usuario final si es el operador del sistema de OR. El criterio de porcentaje de rechazo, por ejemplo, 92%, debe basarse en los componentes del agua de alimentación antes de cualquier adición de productos químicos de pretratamiento. Esto evita que el usuario final sea penalizado por la sobrealimentación de productos químicos de tratamiento.
  
  
• Durante la inspección de la membrana, se observó contaminación orgánica relacionada con la exposición del sistema a la luz solar. En 1993, se instaló un techo en el sistema de ósmosis inversa. Las rotaciones posteriores de la membrana en el segundo paso han observado una disminución significativa de la presencia de algas en los elementos desde la instalación del techo. El techo sobre el panel de ósmosis inversa ayudó a prevenir el deterioro de las tuberías de PVC por los rayos ultravioleta y a proteger la instrumentación de monitoreo del proceso de la intemperie.
  
  
• Un problema potencial con la química del pretratamiento del dispersante radica en la inyección química delante de los filtros de cartucho. El dispersante podría dispersar los residuos atrapados en el filtro de cartucho hacia los elementos de primer paso, lo que puede provocar la obstrucción de los espaciadores del canal de alimentación. Para eliminar este problema, la línea de inyección debe ubicarse aguas abajo del filtro de cartucho.
  
  
• Para reducir la tasa de adsorción de dióxido de carbono en el producto de RO (lo que aumenta la carga en las resinas de intercambio aniónico), el producto de RO se debe alimentar directamente al desmineralizador o, si se envía a un tanque de almacenamiento de producto, emplear un techo flotante o un sistema de tapa de nitrógeno.
  
  
• Debido al cambio significativo en el porcentaje de sílice debido a su eliminación por ósmosis inversa, se debe evaluar la diferencia entre las resinas de base fuerte Tipo I y Tipo II. En la mayoría de los casos, la opción de usar resina aniónica Tipo II aumentará significativamente el consumo total de DI. Lo mismo ocurre con el pretratamiento por ósmosis inversa: la regeneración catiónica de DI podría reemplazar la regeneración en dos pasos por una regeneración ácida de un solo paso.
  
  
• El método empleado para el análisis de depósitos presentó dificultades para determinar con precisión la cantidad real de bario presente, por lo que se adoptó un nuevo método. Este nuevo procedimiento, el método de flujo, requiere el secado, la incineración y la solubilización de residuos sólidos con metaborato de litio (Libo₂). La fusión se utiliza para la determinación de componentes inorgánicos mediante plasma acoplado inductivamente (ICP) o por absorción atómica (AA).

Este método, método ASTM “Práctica estándar para la disolución de residuos sólidos por fusión de metaborato de litio”, está diseñado para la solubilización de componentes inorgánicos no volátiles, en particular bario, en residuos sólidos. El método de fusión también es adecuado para el análisis de la matriz de silicato. Este procedimiento se utilizó en el laboratorio cuando los métodos de disolución clásicos, SW-846, no lograron obtener las concentraciones estimadas de bario en la muestra.

Reconocimiento

Me gustaría reconocer el tremendo esfuerzo del personal de mantenimiento, operación e ingeniería de la planta de energía Encina y, específicamente, de dos personas del laboratorio de la planta, Tom McCluskey y Pedro López.

Applied Membranes Inc. busca expandir sus ofertas de membranas únicas en el sector lácteo de EE. UU. como parte de su crecimiento estratégico.

Por Alyssa Mitchell, Noticias del Mercado del Queso
21 de agosto de 2020

VISTA, California — Applied Membranes Inc. — un fabricante y distribuidor global con sede en Vista, California, de membranas, sistemas y componentes de ósmosis inversa (OI) comerciales y residenciales — busca expandir su alcance en el sector lácteo de EE. UU.

Gil Dhawan, director ejecutivo de Applied Membranes, fundó la empresa en 1983 al identificar la necesidad de un proveedor que fabricara membranas y sistemas únicos para empresas de diversos tamaños. En aquel entonces, Dhawan trabajaba para importantes empresas de membranas y colaboraba con el Dr. Srinivasa Sourirajan, coinventor de la primera membrana de ósmosis inversa. Dhawan realizó un extenso trabajo en plantas piloto en diversas aplicaciones y vendió sistemas completos que incluían el fraccionamiento de suero de queso en lactosa y proteína, la concentración de jugo, la concentración de savia de arce y la concentración de gelatina.

Cuando Dhawan decidió fundar Applied Membranes Inc., la tecnología de ósmosis inversa era relativamente nueva, y vio la necesidad de una empresa que no solo vendiera productos, sino que también capacitara a sus empleados en la creación de estos sistemas. Primero, impartió una serie de seminarios educativos, y muchos de los asistentes siguen siendo clientes. Los clientes también expresaron interés en construir sus propios sistemas para sus operaciones.

“El desarrollo de Applied Membranes Inc. realmente se puede describir como orientado al cliente”, dice Dhawan. “Al principio, no teníamos un mercado definido. Cualquiera que fuera la demanda de los clientes en ese momento, yo desarrollaba el sistema y nosotros brindábamos las soluciones, lo que amplió nuestra experiencia y las diferentes aplicaciones. No había muchas empresas como la nuestra en el sector en ese momento”.

La empresa fabrica sistemas de ósmosis inversa, membranas de ósmosis inversa y componentes de filtración de agua bajo la marca Applied Membranes desde hace más de 35 años.
Desde sus inicios, Applied Membranes ha adoptado el enfoque de colaborar con los clientes para desarrollar soluciones, añade Dhawan.

Trabajando con las necesidades reales de proceso y tratamiento, hemos suministrado plantas piloto y brindado soporte para pruebas. Somos la única empresa en el mundo que fabrica sus propias membranas de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI) utilizando las mejores membranas disponibles. Diseñamos a medida para satisfacer las necesidades específicas de cada aplicación. Utilizamos diferentes tejidos y canales de alimentación para minimizar la contaminación de las membranas y aumentar su vida útil.
Además de dar servicio a sus propios clientes, Applied Membranes también trabaja con empresas más grandes para desarrollar estas aplicaciones para los clientes de esas empresas.
“Las empresas más grandes no tienen los recursos para desarrollar algunas de estas aplicaciones de nicho. Ahí es donde entramos nosotros”, dice Dhawan. “Podemos desarrollar sistemas con el nombre de otras empresas para que puedan abastecer a sus clientes”.

Agrega que Applied Membranes también suministra membranas desinfectables con calor para diálisis y elementos espiralados lavables a contracorriente.
“Nuestra experiencia de campo en aplicaciones de ultraalta pureza, bebidas y alimentos con sistemas de ósmosis inversa, nanofiltración, ultrafiltración y microfiltración nos brinda una visión única para adaptar los elementos espiralados para que funcionen al nivel óptimo”, afirma Dhawan.

Si bien Applied Membranes ha estado suministrando elementos de membrana para productos lácteos durante más de cinco años, estos elementos se han exportado a clientes en Asia, señala Dhawan.
“Abrimos una oficina de ventas en Shanghái para atender a estos clientes, y están muy satisfechos con nuestra calidad y rendimiento”, afirma. “Queríamos hacer lo mismo en Estados Unidos, pero necesitábamos un vendedor con experiencia en el mercado estadounidense”.

Con esto en mente, a principios de este año Applied Membranes incorporó a Rich Pankau a su equipo para ayudar a desarrollar el mercado estadounidense.
Dhawan señala que esto se alinea con el plan de crecimiento estratégico de la compañía, ya que recientemente se mudó a un nuevo edificio de 156.000 pies cuadrados, mucho más grande que su espacio anterior, lo que permitirá a la compañía concentrarse en la expansión de membranas especiales.

La purificación del agua y el tratamiento del agua con membranas son la base de todas las aplicaciones de membranas, añade, señalando, sin embargo, que cada aplicación tiene sus propias necesidades e interacciones específicas con cada membrana.
“Para tener éxito, debemos comprender todos los aspectos de la aplicación y los requisitos de la industria casi tan bien como los expertos en ese campo”, afirma Dhawan. “Combinaremos nuestra amplia experiencia en otras aplicaciones con los requisitos específicos de la industria láctea para crear la mejor solución.

“Al igual que en otros mercados que hemos desarrollado, planeamos llegar a todos los lugares del país donde detectemos la necesidad de otro proveedor”, añade. “Seremos competitivos y responderemos a las necesidades de los clientes”. CMN