membranas 2014

PROCESOS DE DESALINIZACION DE AGUA DE MAR

Ing. Juan Medina

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Los océanos son las reservas de agua más grandes de la tierra, el problema es que contienen un promedio del 3,5 por ciento (en peso) de sales disueltas, situación que lo hace inservible para tomar, y su uso en la industria y la agricultura.

La calidad y disponibilidad del agua es un tema de actualidad e importancia global. En Peru, ante la creciente demanda de la población por contar con el vital líquido, se enfrentan severos problemas de índole económico y social entre los diversos usuarios para el consumo de agua. Como resultado de esta situación, los procesos de desalación han venido a mejorar la calidad y disponibilidad de agua en el mundo; ya que  se han creado grandes expectativas de desarrollo al desalar agua procedente de vastas fuentes de agua de mar o de acuíferos salobres.

Planta desalinizadora compañía minera Milpo, en su unidad minera cerro Lindo ubicada en chincha, para sus operaciones mineras y para consumo en su campamento minero

Primera planta desalinizadora del Perú 2008

Bayóvar cuenta con la más grande planta desalinizad ora del país

El agua desalinizada será produce a razón de 204,3 m3/h; una parte de esta agua (201 m3/h)se usará en la Planta Concentradora El resto de agua se destinará para consumo humano y servicios.

El efluente de la planta de desalinización (agua residual saturada en sales) será bombeado hacia las Pozas de Relaves, para posteriormente ir a las Lagunas de Evaporación ubicadas al sur de la Mina, junto con el agua de las Pozas de Relaves

El Proyecto Tía María sólo empleará agua de mar desalinizada a un flujo promedio de 850 m3/h, para ello se instalará una moderna planta desalinizadora que mediante el proceso de ósmosis inversa, una de las tecnologías más avanzadas utilizadas actualmente en el mundo para desalinizar agua, se obtendrá el agua necesaria para el proceso productivo en la mina así como para el consumo del personal.

Proinversión adjudicó hoy a la empresa española Técnicas de Desalinización de Aguas S.A. la concesión, por 25 años, de un proyecto que permitirá dotar de agua potable a los balnearios del sur de Lima, a través de la desalinización del agua de mar.

Este proyecto, denominado Provisión de Servicios de Saneamiento para los Distritos del Sur(Provisur), estará bajo el ámbito de responsabilidad de Sedapal y abarcará los distritos de Punta Hermosa, Punta Negra, San Bartolo y Santa María del Mar, beneficiando a 25 mil habitantes de la provincia de Lima. En la época de verano, los favorecidos serán más de 100 mil.

Aqualogy se hará cargo del suministro, la operación y el mantenimiento de la planta de tratamiento de agua por ósmosis inversa (RO) de Mina Sierra Gorda SCM (Chile), ubicada a 1.626 metros de altitud, en la región de Antofagasta, la más importante de Chile en materia de producción de cobre y una de las zonas más áridas del planeta.Mina Sierra Gorda SCM se abastecerá de agua de mar proveniente del proceso de enfriamiento de la planta termoeléctrica ubicada en la costa de Mejillones, y su planta RO tiene una capacidad de producción de 103 l/s de agua permeada.Por otro lado, Mina Sierra Gorda SCM cuenta con una producción de 120.000 toneladas de cobre al año. Además, con este proyecto será uno de los mayores productores del mundo de molibdeno, con un promedio de 50 millones de libras de este metal al año durante los primeros años de vida de la mina.Mina Sierra Gorda SCM es propiedad de la principal productora de cobre en Europa, KGHM Internacional (55%), y las japonesas Sumitomo Metal Mining (31,5%) y Sumitomo Corporation (13,5%)

Agua que contiene sales en una proporción significativamente menor que el agua de mar. La concentración total de sales disueltas está generalmente comprendida entre 1000 - 10 000 mg/l .El contenido salino de las aguas salobres depende fuertemente de la localización del acuífero de donde se extraiga.El grado de salinidad del agua está determinado por la cantidad de Sólidos Disueltos Totales (SDT) que contiene, y se expresa en miligramos de sales por litro de solucion ( partes por millón).

Tipo de agua Sólidos Totales (ppm) Ultra pura 0,03 Pura 0,3 Des ionizada 3 Dulce 1 a 1 000 mg/L Salobre 1 000 a 10 000 mg/l Salina 10 000 a 30 000 mg/l Marina 30 000 a 50 000 mg/l Salmuera > 50 000

SUSTANCIA CONCENTRACION (PPM)

Sódio (Na1+) 10 561 Magnésio (Mg2+) 1 272 Cálcio (Ca2+) 400 Potasio (K1+) 380 Cloruros (Cl1-) 18 980 Sulfatos (SO42-) 649 Bicarbonatos (HCO31-) 142 Bromuro (Br1-) 65 TDS 34 483

La desalación es el proceso por medio del

cual se separan las sales y minerales disueltos en el agua de mar o en aguas salobres, a fin de obtener agua dulce apta para el consumo de los seres vivos , agrícolas y procesos industriales.

La desalinización de agua ha surgido como respuesta a los problemas de abastecimiento de agua que afecta actualmente al mundo.

Es necesario desalar el agua porque el hombre no puede consumir agua que tenga mas de 0,5 gramos por litro ( 500 ppm) de sales disueltas. Por otro lado, tampoco es recomendable que tenga menos de esta cantidad (agua destilada o desmineralizada.

E n la tabla se encuentran resumidas las principales características de los cinco procesos dedesalación más importantes a escala industrial,

Térmica Evaporación Destilación Flash(MSF)Destilación Multi efecto (MED)Destilación solar

Cristalización CongelaciónFormación de hidratos

Filtración y evaporación

Destilación con membranas

Mecánica Filtración Osmosis inversaEléctrica Filtración Selectiva Electrodiálisis

Química Intercambio Intercambio iónico

Dentro de este grupo de mecanismos de desalación diferenciamos, los que en el proceso de su tratamiento el agua cambia su estado (evaporación) y en los que el agua cambia de estado pasando por una fase sólida (cristalización).

La conversión en vapor se acelera y hace más eficiente al calentar el agua salada hasta su punto de ebullición y/o reduciendo la presión atmosférica del contenedor.

Fluido caliente

Salmuera Destilado

Agua de rechazo

Agua de alimentación

Vapor

Evaporador Condensador

Destilador de un solo efecto

Vacío Vacío Vacío

VaporVapor

Vapor

Condensado

1° efecto 1° efecto y posteriores

Destilado

Salmuera

Cuando una disolución salina se enfría hasta su punto de fusión, el agua forma cristales de hielo. Los sólidos disueltos permanecen en el líquido de modo que éste va concentrándose cada vez más, lo que a su vez hace disminuir su punto de congelación. Antes de que la masa entera de agua se congele, los cristales de hielo son separados de la salmuera, lavados y a continuación se funden para conseguir agua dulce.

Proceso en donde una membrana semipermeable permite el paso del agua, pero no de las sales disueltas. La separación se realiza a una presión elevada y velocidad específica. En este proceso se llevan a cabo una serie de filtraciones en cadena, obteniendo un agua dulce de mucha calidad. El agua antes de realizar este proceso debe de pasar por un pre tratamiento

La ósmosis inversa es capaz de quitar 95%-99% de los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las bacterias, así proporcionando un agua segura y

PROCESOS DE ÓSMOSIS INVERSA

.

Normalmente una planta desaladora incluye los siguientes elementos:

Toma de agua del sistema

Sistema de pretratamiento

Bomba de alimentación de alta presión

Elementos de membrana de osmosis inversa

Post-tratamiento o acondicionamientodel agua

En los procesos industriales , una bomba envía la solución a tratar a una presión superior a la osmótica hacia la membrana semipermeable.En uno de sus lados de la membrana la presión se mantiene alta, con lo que se fuerza al solvente a atravesar la membrana.

Reverse Osmosis Desalination Process

MEDIDORES DE CAUDAL

MEDIDOR DE CONDUCTIVDAD

MANOMETRO

Separaciones a la temperatura ambiental sin cambio de fase.

La separación ocurre sin la acumulación de productos en la membrana, están adaptadas para funcionar continuamente sin un ciclo de Regeneración.

Los módulos de un sistema de ósmosis inversa pueden agruparse de dos formas:

• En paralelo• En serie

En este tipo de montaje, las alimentaciones y las salidas tanto de permeado como de rechazo de cada módulo se conectan con cada una de las correspondientes tuberías generales. Esta disposición se usa para producir un caudal “n” veces superior al suministrado por un módulo, siendo “n” el número de módulos instalados en paralelo. Cuando los módulos trabajan en paralelo, la pérdida de carga entre el colector de aporte y el de rechazo es la misma para todos ellos, lo que quiere decir que el caudal de aporte que llega a cada uno dependerá de su grado de atascamiento y del caudal de perneado que produzca. Es muy importante que, cuando varios módulos trabajen en paralelo, el grado de envejecimiento de sus membranas sea similar ya que en caso contrario se producirán desequilibrios en los flujos individuales que harán que las membranas menos deterioradas trabajen con conversiones elevadas y se atasque rápidamente.

Montaje de los módulos en paralelo

Cuando los módulos se montan en serie, el caudal de rechazo de cada módulo pasa a ser el aporte del siguiente y así sucesivamente. El permeado de los distintos módulos se recoge en un colector común a todos ellos donde se van mezclando los distintos flujo. Esta agrupación se utiliza, consecuentemente, para reducir los fenómenos de polarización cuando los flujos de permeado de las membranas son altos o cuando se trabaja con elevadas conversiones.

Montaje de los módulos en serie

Se llama “etapa” al conjunto de tubos contenedores que trabajan en paralelo, a la misma presión y alimentados desde la misma línea. Existen dos formas posibles de hacerlo:

Agrupación de etapas con rechazo en serie

Esquema de dos sistemas trabajando en paralelo

Esquema de una unidad de producción con dos pasos, permeado en serie

Cuando la solución de alimentación contiene sustancias que pueden depositarse sobre las membranas o quedar atrapadas en el interior de los módulos por los sistemas y mallas distribuidoras,aumenta la polarización de las membranas ya que los depósitos sobre las mismas retrasan la retrodifusión de las sales hacia la corriente principal. Los efectos de esta polarización son una disminución de la productividad y un aumento del paso de sales.

Conceptualmente todos los elementos previos a las membranas de osmosis, tienen por único objetivo proteger a las mismas de incrustacionesLa elección del sistema mas conveniente, dependerá básicamente de las características del agua a tratar.

Meta bisulfito de sodio y anti-incrustante. Esto marca una diferencia notable con las plantas de tratamiento de agua tradicionales ya que se reemplazan los filtros de carbón y resina por las dosificaciones mencionadas, encerando de este modo un circuito mas limpio y directo hacia las membranas de Osmosis inversa., con menores probabilidades de contaminación y mayor facilidad y eficiencia

El meta bisulfito de sodio en proporciones pre calibradas según el agua a tratar re combina el cloro libre.

Para el tratamiento físico el equipo cuenta con un filtro de arena o multimedia compuesto por grava, arena fina y antracita, que retiene partículas coloidales y partícula de hasta 10um. Este paso puede evitarse si la concentración de sólidos en suspensión no es elevada, como ocurre generalmente en las aguas de red.; luego de superar este filtro existe uno dual de microfibras de polipropileno que retiene un espectro de partículas de hasta 5um. Esta etapapermite reemplazar un tren de filtrado y al filtro de profundidad en la gran mayoría de las aguas a tratar.

Consiste en el paso de iones a través de membranas permeables selectivas, bajo el efecto de una corriente eléctrica. En este proceso se colocan una serie de membranas catiónicas y aniónicas, entre dos electrodos, entre los cuales circula el agua a tratar. Las membranas, permeables solo a los cationes y aniones, limitan la migración de los iones entre los dos electrodos recogiéndose así una corriente de agua desmineralizada y otra enriquecida en iones

.

Los cationes migran hacia el cátodo y los aniones al ánodo

-+

Productos oxidados Productos reducidos

Anodo (+) Cátodo ( - )

Flujo de electrones

- -- -

-

----

-

Na+Na+ Na+ Na+

+ -

Cl- Cl-

Membrana de intercambio catiónico

+ -

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+

Na+

+ ++ +

+

+ ++ +

+

Membrana de intercambio aniónico

Distribución de Membranas

Concentrado

Cl-

Cl-

Na+

Na+

+ -

CÁTO

DO

ANODO

Compartimento del concentrado

Membrana Cationica Membrana Anionica

.

Alimentación

- -- -

-

----

-Na+ Na+

- -- -

-

----

-

Na+ Na+Cl- Cl-

+++ +

+

+++ +

+

Cl- Cl-+++ +

+

+++ ++

Na+ Na+

A AC C

Concentrado Diluido+ -

+ -

DC

Diluido Concentrado

Proceso Batch

+ -

DC

IngresoDiluido

IngresoConcentrado

SalidaDiluido

SalidaConcentrado

Proceso Continuo

ELECTRODOS MEMBRANAS INTERCAMBIO IONICO ESPACIADORES FUENTE ELECTRICA CONTINUA TANQUES DE SOLUCION BOMBAS EQUIPOS DE MEDICION

El papel de los electrodos se limita a la de proporcionar el campo eléctrico necesario para que se produzca el proceso.

DSA y Pt/Ti como ánodos Acero inoxidable como cátodo. Pt/Ti y Pt/Nb en la electrodiálisis

reversible.

La membrana de intercambio iónico es una matriz polimétrica con grupos electronegativos o electropositivo fijos neutralizadas con cargas opuestas móviles

..

Membrana de Intercambio cationico

.

MEMBRANA DE INTERCAMBIO CATIONICO CON CARGAS FIJAS

..

El rendimiento de las membranas de un Ion permeable usadas en procesos de electrodialisis depende de varias propiedades.

Alta Selectividad iónica Alta Estabilidad química Alta Resistencia Mecánica Baja resistencia eléctrica Alta estabilidad dimensional Alta estabilidad química y térmica Bajo coeficiente de difusión para soluto y solvente

Son de material de plástico, en forma de malla que se colocan entre cada par de membranas.

Los espaciadores provocan turbulencias que evitan las deposiciones de materiales en la superficie de las membranas y homogenizan la concentración.

. Un diseño cuidadoso, aumentar los coeficientes de la transferencia de masatal, puede reducir el área superficial de la membrana requerida para un uso dado.

Sus funciones son los siguientes:

Actuar como promotores de turbulencia Sellar las celdas

El diseño y operación de un proceso de electrodialisis esta basado en una serie parámetros fijos y variables, como la construcción de celda , geometría del espaciador, concentración de la alimentación, concentración del producto, propiedades de la membrana , velocidades de flujo, tiempo de residencia, tensión aplicada y densidad de corriente.

La densidad de corriente límite es un parámetro de diseño crítico que tiene considerable influencia sobre la transferencia de masa, eficiencia y costo del proceso de electrodialisis

Densidad de corriente limite Flujo de las corrientes (l/min.) Voltaje de la fuente Concentración de Alimentación Ph Numero de pares de membrana Tiempo de operación

Diagrama de un proceso de electrodialisis

1

5

+ -

8

10

3

4

6 7 9

1 Rectificador2 Electrodiálisis 3 Medida de flujo4 Válvula5 Tanque de la solución diluida

6 bomba de la solución diluida 7 bomba de la solución del electrodo8 tanque de la solución de iones plata10 tanque de solución del electrodo

A C AA

A

CC

2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200

Tiempo (min)

Con

duct

ivid

ad (m

S)

Serie1Serie2Tk 1Tk 2

V = 12C = 1000ppmQ = 300ml/min

Representación grafica de la conductibilidad de la solución diluido y concentrado en función del tiempo a 12 V, flujo 300 mL/ min., concentración 1000ppm y distancia entre membranas de 6 mm 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 50 100 150 200

Tiempo (min)

Con

duct

ivid

ad (m

S)

Serie1Serie2

Tk 1Tk 2

C = 1000ppmV = 18Q =500 ml/min

0

1

2

3

4

5

6

7

0 50 100 150 200

TIEMPO (min)

CO

ND

UC

TIVI

DA

D (m

S)

Serie1Serie2Serie3

Q = 500 ml/minC = 3000 ppmV= 6

Concentrado

Diluido

Lavado de electrodos

Conductividad en función del tiempo a 6 V, flujo 500 mL/min. concentración 3000ppm y distancia entre membranas de 6 mm

Tiempo

(min)

Voltaje Corriente (mA) Conductividad (mS)

I05 min IF

Tk 1 Tk 2 Tk 3

0 18 --- ---- ---- 17.66 17.18

10 18 670 650 630 18.62 16.21

20 18 630 630 630 19.19 15.73

30 18 630 620 620 19.56 15.23

40 18 620 620 610 20.3 14.86

50 18 610 600 590 20.6 14.82

60 18 590 580 580 20.8 13.91

70 18 580 580 570 21.9 13.28

80 18 570 22.0 12.70

Datos experimentales a: concentración= 10000 ppm,flujo =180mL/min, y distancia entre membranas = 4 mm

10

12

14

16

18

20

22

24

0 20 40 60 80 100

Tiempo (min)

Con

duct

ivid

ad (m

S)

Serie1Serie2Tk 1Tk 2

C= 10000ppm V = 18 Q = 180 ml/min

Electroionización

La electroionización (EDI) emplea una combinación de membranas selectivas de iones y resinas de intercambio iónico, montadas a modo de sándwich entre dos electrodos [ánodo (+) y cátodo (-)] sometidos a una diferencia de potencial eléctrico de corriente continua, la cual fuerza la migración en continuo de los iones desde la cámara de alimentación hasta las cámaras adyacentes de concentrado.

OH_

OH_

H+ H+

Cl_

Na+

______________

______________

++++++++++++++

++++++++++++++

Resina de intercambio cationico

Resina de intercambio anionico

Alimentacion(NaCl)

concentradodiluido

Unidad de EDI

: Diagrama que ilustra el principio de electroionizacion

+ -

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

Cl- Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+ Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

AEM AEMAEM CEM CEM CEM

CEM: Membrana de intercambio de cationesAEM: Membrana de intercambio de aniones

Resina de intercambio de catiónResina de intercambio de anión

PRODUCTOAgua desmineralizada

Concentrado reciclado

Solución concentrada (NaCl)Solución de alimentación (NaCl)