Desalinización por ósmosis inversa

La desalinización es un proceso de separación que se utiliza para reducir el contenido de sal disuelta del agua salina a un nivel utilizable. Todos los procesos de desalinización involucran tres corrientes líquidas: el agua de solución salina (agua salobre o agua de mar), el agua de producto de baja salinidad y el concentrado muy salino (salmuera o agua rechazada).

El agua de solución salina se extrae de fuentes oceánicas o subterráneas. Se separa mediante el proceso de desalinización en las dos corrientes de salida: el agua del producto de baja salinidad y las corrientes de concentrado muy salino. El uso de la desalinización supera la paradoja que enfrentan muchas comunidades costeras: tener acceso a un suministro prácticamente inagotable de agua salina pero no tener forma de usarla. Aunque algunas sustancias disueltas en el agua, como el carbonato de calcio, se pueden eliminar mediante tratamiento químico, otros constituyentes comunes, como el cloruro de sodio, requieren métodos técnicamente más sofisticados, conocidos colectivamente como desalinización. En el pasado, la dificultad y el gasto de eliminar varias sales disueltas del agua salina hacía que la fuente de agua potable fuera poco práctica. Sin embargo, a partir de la década de 1950, la desalinización comenzó a parecer económicamente práctica para el uso ordinario, bajo ciertas circunstancias.

El agua producto del proceso de desalinización es generalmente agua con menos de 500 mg/l de sólidos disueltos, que es adecuado para la mayoría de los usos domésticos, industriales y agrícolas.

Un subproducto de la desalinización es la salmuera. La salmuera es una solución de sal concentrada (con más de 35 000 mg/l de sólidos disueltos) que se debe eliminar, generalmente mediante la descarga en acuíferos salinos profundos o aguas superficiales con un mayor contenido de sal. La salmuera también puede diluirse con efluentes tratados y desecharse rociando en campos de golf o en otras áreas de espacios abiertos.

Descripción técnica

Hay dos tipos de procesos de membrana utilizados para la desalinización: ósmosis inversa (RO) y electrodiálisis (ED). Este último no se usa generalmente en América Latina y el Caribe. En el proceso de RO, el agua de una solución salina presurizada se separa de las sales disueltas fluyendo a través de una membrana permeable al agua. Se alienta al permeado (el líquido que fluye a través de la membrana) a fluir a través de la membrana por el diferencial de presión creado entre el agua de alimentación presurizada y el agua producida, que está a una presión cercana a la atmosférica. El agua de alimentación restante continúa a través del lado presurizado del reactor como salmuera. No se produce calentamiento ni cambio de fase. El principal requerimiento de energía es para la presurización inicial del agua de alimentación. Para la desalinización de agua salobre, las presiones de operación varían de 250 a 400 psi, y para desalinización de agua de mar de 800 a 1 000 psi.

En la práctica, el agua de alimentación se bombea hacia un recipiente cerrado, contra la membrana, para presurizarlo. A medida que el agua del producto pasa a través de la membrana, la solución restante de agua de alimentación y salmuera se concentra cada vez más. Para reducir la concentración de las sales disueltas restantes, una porción de esta solución concentrada de agua de alimentación-salmuera se retira del recipiente. Sin esta descarga, la concentración de sales disueltas en el agua de alimentación continuaría aumentando, lo que requeriría cada vez más insumos de energía para superar el aumento natural de la presión osmótica.

Un sistema de ósmosis inversa consta de cuatro procesos principales: (1) pretratamiento, (2) presurización, (3) separación con membrana y (4) estabilización posterior al tratamiento. La Figura 1 ilustra los componentes básicos de un sistema de ósmosis inversa.

Pretratamiento: el agua de alimentación entrante se trata previamente para que sea compatible con las membranas mediante la eliminación de sólidos en suspensión, el ajuste del pH y la adición de un inhibidor de umbral para controlar las incrustaciones causadas por componentes como el sulfato de calcio.

Presurización: la bomba eleva la presión del agua de alimentación pretratada a una presión de operación adecuada para la membrana y la salinidad del agua de alimentación.

Separación: las membranas permeables inhiben el paso de las sales disueltas y permiten que el producto desalinizado pase a través de ellas. La aplicación de agua de alimentación al conjunto de la membrana da como resultado una corriente de producto de agua dulce y una corriente concentrada de rechazo de salmuera. Debido a que ninguna membrana es perfecta en su rechazo de sales disueltas, un pequeño porcentaje de sal pasa a través de la membrana y permanece en el agua producida. Las membranas de ósmosis inversa vienen en una variedad de configuraciones. Dos de los más populares son las membranas en espiral y de fibra fina hueca. Generalmente están hechos de acetato de celulosa, poliamidas aromáticas o compuestos de polímeros de película delgada.

Estabilización: el agua que proviene del conjunto de la membrana generalmente requiere un ajuste de pH y desgasificación antes de ser transferida al sistema de distribución para su uso como agua potable. El producto pasa a través de una columna de aireación en la que el pH se eleva desde un valor de aproximadamente 5 a un valor cercano a 7. En muchos casos, esta agua se descarga a una cisterna de almacenamiento para su uso posterior.

Figura 1. Elementos del proceso de desalinización por ósmosis inversa.

Operación y mantenimiento

La experiencia operativa con la tecnología de ósmosis inversa ha mejorado en los últimos 15 años. Menos plantas han tenido problemas operacionales a largo plazo. Suponiendo que se instale una unidad adecuadamente diseñada y construida, los elementos operacionales principales asociados con el uso de la tecnología de RO serán el monitoreo diario del sistema y un programa sistemático de mantenimiento preventivo. El mantenimiento preventivo incluye la calibración del instrumento, el ajuste de la bomba, la inspección y el ajuste de la alimentación de productos químicos, la detección y reparación de fugas, y la reparación estructural del sistema según un cronograma planificado.

La principal preocupación operativa relacionada con el uso de unidades de ósmosis inversa es el ensuciamiento. La incrustación se produce cuando los poros de la membrana están obstruidos por sales u obstruidos por partículas suspendidas. Limita la cantidad de agua que se puede tratar antes de requerir la limpieza. La suciedad de la membrana se puede corregir mediante lavado a contracorriente o limpieza (aproximadamente cada 4 meses) y mediante el reemplazo de los elementos del filtro del cartucho (aproximadamente cada 8 semanas). Se ha informado que la vida útil de una membrana en Latinoamérica es de 2 a 3 años, aunque, en la literatura, se ha informado de mayor esperanza de vida.

La operación, mantenimiento y monitoreo de las plantas de RO requieren personal de ingeniería capacitado. Los niveles de personal son aproximadamente una persona para una planta de 200 m3/día, aumentando a tres personas para una planta de 4 000 m3/día.

Ventajas

  • El sistema de procesamiento es simple; el único factor de complicación es encontrar o producir un suministro limpio de agua de alimentación para minimizar la necesidad de una limpieza frecuente de la membrana.
  • Los sistemas se pueden ensamblar a partir de módulos pre empaquetados para producir un suministro de agua de producto que va desde unos pocos litros por día hasta 750 000 l / día para agua salobre, y hasta 400 000 l / día para agua de mar; El sistema modular permite una gran movilidad, por lo que las plantas de RO son ideales para el uso de suministro de agua de emergencia.
  • Los costos de instalación son bajos.
  • Las plantas de RO tienen una relación espacio / producción muy alta, que varía de 25 000 a 60 000 l / día / m 2.
  • Bajo mantenimiento, se utilizan materiales no metálicos en la construcción.
  • Las tecnologías de RO pueden hacer uso del uso de una fuente de agua casi ilimitada y confiable, el mar.
  • Aparte de la necesidad de eliminar la salmuera, la RO tiene un impacto ambiental insignificante.
  • La tecnología hace un uso mínimo de los productos químicos.

Desventajas

  • El agua de alimentación generalmente necesita pre tratarse para eliminar las partículas (para prolongar la vida útil de la membrana).
  • Puede haber interrupciones en el servicio durante el clima tormentoso (lo que puede aumentar la re suspensión de partículas y la cantidad de sólidos suspendidos en el agua de alimentación) para las plantas que utilizan agua de mar.
  • La operación de una planta de RO requiere un alto estándar de calidad para materiales y equipos.
  • Debe mantenerse un extenso inventario de piezas de repuesto, especialmente si las plantas son de fabricación extranjera.
  • La salmuera debe eliminarse cuidadosamente para evitar impactos ambientales perjudiciales.
  • Existe un riesgo de contaminación bacteriana de las membranas; Mientras que las bacterias se retienen en la corriente de salmuera, el crecimiento bacteriano en la propia membrana puede introducir sabores y olores en el agua producida.
  • Las tecnologías de RO requieren una fuente de energía confiable.
  • Las tecnologías de desalinización tienen un alto costo en comparación con otros métodos, como la extracción de agua subterránea o la recolección de agua de lluvia.

Mayor desarrollo de la tecnología

El proceso de ósmosis inversa de agua de mar y agua salobre se mejoraría aún más con los siguientes avances:

  • Desarrollo de membranas que son menos propensas a ensuciarse, operan a presiones más bajas y requieren menos tratamiento previo del agua de alimentación.
  • Desarrollo de tecnologías más eficientes energéticamente que sean más sencillas de operar que la tecnología existente; alternativamente, el desarrollo de metodologías de recuperación de energía que harán un mejor uso de los insumos de energía para los sistemas.
  • Comercialización del prototipo de planta de desalinización por ósmosis inversa centrífuga desarrollada por el Departamento de Defensa Nacional de Canadá; este proceso parece ser más confiable y eficiente que las tecnologías existentes y es económicamente atractivo.
03 de febrero del 2019

Autor

Ingenieros Top Escrito por nuestros expertos y publicado por la dirección editorial de Ingenieros Top.