Entrenamiento Ósmosis Inversa

Agenda

1. Generalidades de la OI

2. Diseño de la OI

3. Operación y Mantenimiento

2

Generalidades

Ósmosis Inversa

Desalación de Agua de Mar Alta Salinidad 10000-50000 mg/L

Desalación de Agua Salobre Salinidad Media 1000-10000 mg/L

Reuso de Agua Residual Baja Salinidad: < 1000 mg/L

Pulido de Agua Suavizada Baja Salinidad: < 1000 mg/L

Aplicaciones de OI

NB: 1 angström = 10-10 meter = 10-4 micron

Reverse osmosis

Nanofiltration

Ultrafiltration

Microfiltration

Humic acids

Conventional filtration

Sand + grit

Colloids

Bacteria

Algae, protozoa

Viruses Sugars

Dissolved salts (ions)

Pesticides

Metal ions

100 200 1000 10000 20000 100000 500000

10 102 103 104 105 106

10-3 10-2 10-1 1 10 100

IONS

Micron

MOLECULES MACROMOLECULES MICROPARTICLES MACROPARTICLES

Electronic mcroscope Microscope Visible to the naked eye

Angström Molecular weight

Teoría y Terminología

Fenómeno de Ósmosis

Es un fenómeno natural en el que agua pasa de una solución diluída a una concentrada a través de una membrana semipermeable, buscando el equilibrio

Membrana Semipermeable (evita el paso de sólidos disueltos)

Aua pura Solución concentrada

Agua pura

TDS conc ↓

Semi permeable membrane

Presión Osmótica= Presión estática al equilibrio

Agua Pura

Solución Concentrada

Agua Pura

Presión Osmótica

Ósmosis Inversa:

Se aplica una presión a la solución concentrada para forzar el paso de agua a través de la membrana semipermeable.

Semi permeable membrane

Agua Pura

Solución Concentrada

Agua Pura

TDS conc ↑

La presión mínima a aplicar debe superar : • La Presión Osmótica

• Las pérdidas de presión en las membranas el sistema

Pure water

TDS conc

will ↑

Definición de Presión Osmótica

(Ley de Van’t Hoff)

Donde :

•Π = Presión osmótica (Pa)

•C = Concentratció del ion (mol/m3)

•R = Constante del gas ideal(= 8,314 J / mol / K)

•T = Temperatura ( °K )

Ejemplos de presión osmótica (π)

Tipo de agua

TDS mg/L Presión osmótica

(π) bar

Solución de NaCl 2 000 1,67

Agua de Mar 35 000 27,3

Agua Salobre 2 000 1,06

Solución de CaSO4 2 000 0,72

Recuperación: Eficiencia Hidráulica

Recuperación = Flujo de Permeado

Flujo de alimentación

100% Alimentación

25% Concentrado

75% permeado

Presión Trans- Membrana( TMP )

Presión diferencial(dP)

• (máximo 10 psi /elemento, 60 psi/recipiente)

TMP =

P alimenta + P conc

2 - P permeado

P Alimentación

P perm

P conc

dP = P alim - P conc

Presíon diferencial trans-membrana( Δπ )

Presión Neta aplicada(Peff)

P eff = TMP - Δ π

Δπ = Π alim + π conc

2 - Π permeado

Flux en lmh (L / h.m²) Litros por metro cuadrado por hora

Flux en gfd Galones por pie cuadrado por día

Flux = Flujo de Peremado

Área de la Membrana

Flujo de Permeado L/h (gpd)

Área m2 (ft2) 1 gfd = 1.7088 lmh 1 lmh = 0.5852 gfd

Permeabilidad (lmh.bar) or (gfd/psi)

Permeability Lp = Flux

P effective

With :

•P eff (bar) : Presión neta aplicada : TMP – Δπ

•TMP (bar) : Differencial de presión en la membrana (TMP)

•Δπ (bar) : Differencial de la presión osmótica

Rechazo de Sales

Rechazo de Sales= C perm

C Alim 1 - [%]

RS sistema < RS elemento

En el recipiente a presión, la C alim. Se incrementa de un módulo al siguiente

Sistema de Membranas Rechazo Inicial*

Ósmosis Inversa

- Agua de Mar (30 000 - 50 000 mg/l) 99,6 - 99,9 %

- Agua salobre(100 - 10 000 mg/l) 99,5 %

(*) Confirmar con el proveedor de la membrana

Rechazo de Sales

Mecanismo de Transferencia del Solvente

J1 = A (ΔP – Δπ)

Donde :

•J1 (kg/m²/s) : Flux

•A (kg / s / Pa / m²) : Permeabilidad de la membrana(= Lp)

•ΔP (bar) : Diferencial de presión en la membrana (TMP)

•Δπ (bar) : Diferencia en la presión osmótica en la membrana

El flux del solvente es directamente proporcional al a presión neta aplicada

Mecanismo de transferencia de Sales

J2 = B (ΔC)

Donde :

•J2 (kg/m²/s) : Flux de sal a través de la mebrana

•B (m/s) : Permeability de la membrana a las sales

•ΔC (kg/m3) : Diferencial de concentración de sales en la membrana

El flux de sal es independiente de la presión neta aplicada

Filtración tipo Cross Flow (Flujo cruzado)

Se necesita “barrer” la superficie de la membrana para prevenir la saturación y depósito de sales en la superficie de la membrana.

Alimentación

sales

Concentrado

permeado

Polarización

Donde: C o = Concentración promedio de sal en la solución C m = Concentración de sal retenida cerca de la mebrana

permeado

MEMBRANA

Capa de polarización

J1 Cp

C o

Cm

D2 dc / dx

Difusión

J Co Convección

U

ß =

POLARIZACIÓN :

Formación deuna capa polarizada

Capa polarizada

concentrado

Alimentación

permeado

permeado

MEMBRANA

Capa Polarizada

Polarización:

Consecuencias :

• Decremento en el flux de permeado

• Decremento en el rechazo de sales:

• Incrustación

El flujo de alimentación debe ser suficiente para asegurar el barrido de la superficie de la membrana de tal forma que se evite la saturación de sales y la incrustación.

Parameters affecting system performance:

Afectan al flujo de permeado(flux) y el paso de sales • Temperatura del agua

• Salinidad del agua

• Presión de Operación

• Conversión / %Recuperación

• Edad de la membrana

• Ensuciamiento de la membrana

Efecto de la presión de alimentación • Si la presión de alimentación aumenta, el flujo de permeado

aumentará y los sólidos disueltos totales (en el permeado) se reducirán (= incremento en el rechazo de sales.

Rechazo

De Sales

Flujo de Permeado

Presión

Efecto de la Temperatura°: • Un incremento en la temperatura implica un incremento en el flujo de

permeado (or lower pressure required to maintain the flux)

• Un incremento en la temperatura reduce el rechazo de sales a través de la membrana.

Rechazo de Sales

Flujo de permeado

Temperatura

Efecto de la recuperación del sistema • Si se incrementa la recuperación, la salinidad del concentrado

aumentará., aumentando la presión osmótica. Para una presión de operación dada, el aumento de recuperación implicará una disminución de flujo de permeado. (La presión deberá ser ajustada para mantener el flujo de permeado (flux)

• El paso de sales aumentará con la recuperación dado que una alta recuperación implicará un mayor gradiente de concentración a cada lado de la membrana.

Salt rejection

Permeate Flux

Salt rejection

Recovery

Effect of Feed water salinity • Osmotic pressure will increase with feed water salinity, this will mean

that for a given operating pressure, permeate flux would decrease. (Operating pressure would need to be increased to maintain flux)

• As feed water salinity increases, the salt rejection will decrease

Salt rejection

Permeate Flux

Salt rejection

TDS in Feed water

Edad de la Membrana • La permeabilidad de la membrana se reduce con la edad. Para una

presión de operación dada, el flux disminuirá con la edad de la membrana.

• El paso de sales se incrementa con la edad de la membrana.

Ensuciamiento: • El ensuciamiento de la membrana crea una pérdida extra de presión en

las mismas, por tanto, para una presión de operación dada, el flujo de permeado disminuirá.

RO Membranes and technologies

Membranas y Tecnología

Ejemplo de membrana

Membrana Poliamida

Soporte de Poliester

0,2µm

40 µm

120µm

Capa de Polisulfona

Alimentación

El permeado pasa en espiral hacia el centro

Salida de Permeado

Concentrado

Concentrado

Alimentación a través De los espaciadores

Espaciador

Membranas

Colector de Permeado

Espaciador

Elemento en espiral

Elemento en espiral, principio de fabricación

Pegamento (3 lados)

Espaciador

2 hojas de Membrana

Módulo en espiral, principio de fabricación

Membrana Colector de Permeado Pegamentp

Espaciadores

Tubo de Permeado

El extremo abierto es fijado al tubo de permeado.

Spiral wound module : manufacturing principle

Permeate tube with three membranes ready to be rolled

Filtración Cross-flow

Concentrado

Membrana

Alimentación

Permeado

Permeado

Principales productores

Elementos en espiral:

• DOW – FILMTEC http://www.dowwaterandprocess.com/

• HYDRANAUTICS http://www.membranes.com

• TORAY http://www.toraywater.com/application/page.aspx

• KOCH Membrane system (KMS) http://www.kochmembrane.com/

• CSM (Woongjin Chemicals) http://www.csmfilter.com/

Elementos de Fibra Hueca

• TOYOBO http://www.toyobo.co.jp/e/seihin/ro/index.htm

Elementos en recipiente a presión • El concentrado del primer elemento alimenta al

segundo y así sucesivamente.

• El permeado se colecta en el centro

• Los espaciadores entre los elementos permiten interconectar las salidas de permeado y concentrado de un módulo al siguiente.

Alimentación

Concentrado 1er elemento

Concentrado 2°Elemento

Concentrado

3er Elemento

Concentrate

Permeado

Permeado

Diseño de OI

Buen pretratamiento = Clave del éxito

Buena caracterización del agua a tratar:

• Origen del Agua

• Posibles contaminantes

• Variaciones en la temperatura

• Análisis completo y detallado

Se requiere análisis completo y detallado: • pH

• Temperatura:

• Composición Iónica:

»Cationes: Na+, K+, Ca²+ , Mg²+, Sr²+, Ba²+, Fe²+, Fe3+, Mn, Al

»Aniones: Cl-, Br-, F-, HCO3-, SO4²-, NO3

-

• SDT, conductividad o salinidad

• Siílice

• Boro

• Turbidez y/o TSS

• SDI

• DQO y UV254

• Conteo bacteriológico

• Hidrocarburos

• Conteo de partículas

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Requerimientos del agua de alimentación a OI

Clarificación

• Silt density index SDI : < 5 (mejor < 3)

• Turbidez : < 1 NTU (objetivo 0.1 – 0.2 NTU)

• TOC < 3 recommendado por los fabricantes de membranas

• Fe < 100 µg/L ; Al < 50 µg/L

• Bajo número de partículas

• No hidrocarburos

• No oxidantes

• No surfactantes catiónicos o no-iónicos

Acondicionamiento Qúímico

• Las concentraciones de Ca, Ba, Sr, HCO3, SO4, F, PO4 y SiO2 son dependientes del pH, temperatura, tipo de membrana y anti-incrustantes usados.

Arreglos • Sistema de doble etapa

1era etapa

2da etapa

Alimentación

Concentrado

Permeado

Concentrado

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|

Sistema a doble paso

1er paso 2do paso

Alimentación

Concentrado

Permeado

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Arreglo 4:2

P

P

Vaso de presión,

1ra. etapa

Vaso de presión,

2da. etapa

Vaso de presión

2da. etapa

Concentrado

Alimentación

Permeado

Vaso de presión,

1ra. etapa

Vaso de presión,

1ra. etapa

Vaso de presión,

1ra. etapa

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Operación Mantenimiento y Resolución de Problemas

}

Se debe llevar registro de al menos los siguientes parámetros: • Flujo

• Conductividad

• pH

• Temperatura

Alimentación

Permeado

Concentrado

• Presión

Alimentación

Inter – etapas (TMP)

Permeado

Concentrado

Utilizar las herramientas de normalización de datos. 52

Diagnósticos

Disminución del Flujo de Permeado • ¿El problema ha sido progresivo o instantáneo?

• Verifique la operación de la bomba de alimentación y de la(s) bomba(s) de alta presión. Tenga a mano las curvas de operación de las bombas.

• Verifique Temperatura, Conductividad y pH de la alimentación.

• Verifique la instrumentación. Recalibre medidores de flujo y presión. Verifique presiones, flujos y recuperación, si es posible por tubo y por paso.

• Normalice el flujo de permeado. Tenga a mano los datos de operación tabulados.

• Abra los tubos y observe la superficie de los elementos y tubos. Esté atento a olores y colores característicos de ensuciamiento.

• Consulte antes de limpiar las membranas. Envíe una membrana para investigación del ensuciante y para recomendación de agentes limpiadores. Guarde un filtro de cartucho de antes de la limpieza.

• Someta una membrana a la limpieza antes que al resto y compruebe la eficacia del procedimiento, para evitar daños generales.

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Calidad del Permeado • Verifique la instrumentación. Recalibre medidores de Conductividad.

• Determine si el problema es generalizado o está circunscrito a un solo tubo, o a una sola membrana.

• Cambie los empaques oring de los interconectores y de los adaptadores en sospecha.

• Verifique Conductividad de la Alimentación. Pida un análisis actualizado.

• Verifique la Recuperación del sistema.

• Verifique si hay problemas simultáneos de disminución de flujo.

• Inspeccione los elementos por incrustaciones, aumento de peso, color u olor característicos.

• Verifique operación de bombas dosificadoras.

• Normalice los datos de rechazo de sales. Tenga a mano los datos de operación, tabulados.

• Envíe una membrana que exhiba el problema, antes de limpiarla, para su estudio.

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55

Ensuciamiento e Incrustación

Debido a su construcción y la naturaleza de su trabajo, las membranas para tratamiento de agua eventualmente presentan ensuciamiento o incrustaciones.

El ensuciamiento puede ser debido a compuestos orgánicos, biopelículas y depósitos inorgánicos.

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Agentes Potenciales de ensuciamiento - incrustación

Carbonato de Calcio Hidróxido de Fierro

Silicatos Fosfatos

MB Sólidos Suspendidos

Aceites Sulfato de Bario

Sulfato de Calcio Sulfato de Estroncio

Hidróxido de Magnesio Hidróxido de Zinc

Fluoruro de calcio Hidróxido de Aluminio

Hidróxido Cúprico Algas

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¿Cuando es necesaria una Limpieza?

Cuando el efecto del ensuciamiento se percibe como:

10 – 15 % de disminución del flujo normalizado de permeado.

15 – 20 % de aumento del diferencial de presión de cualquier etapa.

10 – 15 % de aumento en el paso de sales bajo condiciones normales de operación.

¡Lo que suceda primero!

58

Sistema con mantenimiento correcto Sistema mal cuidado

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Equipo de Limpieza

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Parámetros recomendados

Recirculación

Volumen de Solución de limpieza

61

Parámetros Recomendados

Temperatura:

Preferentemente calentar entre 30 y 40 °C.

Verificar el pH al que se realizará la limpieza antes de fijar una temperatura.

pH

1 – 12 S.U., máximo 100 horas durante la vida de la membrana.

Verificar la temperatura.

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Limpieza Química

pH Bajo:

Sales inorgánicas (CaCO3).

Óxidos Metálicos (Fe, Mn, Cu, Zn, Al).

pH Alto

Sílice

Bofilm

Orgánicos

Coloides Inorgánicos

Sulfatos

Reductores y Quelantes

Metales (Fierro, Manganeso)

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Orden de limpieza.

Realice la limpieza a pH Alto primero:

A menos que se sepa que el ensuciamiento es debido a incrustaciones por carbonatos, fierro o hidróxidos.

Los compuestos ácidos pueden reaccionar con la sílice, el biofilm y los compuestos orgánicos, generando compuestos más difíciles de limpiar.

Realice la limpieza a pH bajo en caso necesario.

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Procedimiento

1. Identificar las condiciones del sistema de ósmosis inversa.

2. Calcular el requerimiento de producto químico a utilizar.

3. Llenar el sistema de CIP, calentar a la temperatura deseada.

4. Instalar filtros cartucho.

5. Mezclar bien el químico en el CIP.

6. Comenzar a circular la solución de limpieza a bajo flujo, tirar el agua proveniente del equipo hasta que se detecte presencia de la solución (pH, conductividad, T).

7. Dirigir el permeado y concentrado al CIP.

8. Recircular a bajo flujo (8 – 12 gpm) para evitar taponamientos en el espaciador. Recircular hasta que no se presenten cambios en pH o diferencial de presión.

9. Aumentar el flujo a 16- 25 gpm hasta que no se presenten cambios.

10. Recircular a flujo alto 30 – 45 gpm por 1 a 4 horas o hasta que no se observen cambios en flujo o presión.

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Procedimiento

11. Dependiendo de la naturaleza de los compuestos del ensuciamiento, puede resultar benéfico un periodo de remojo, desde una hora hasta un día.

12. Reemplace la solución si se vuelve turbia o muy sucia.

13. Drene la solución de limpieza, enjuague con una solución a pH ajustado al que estaba utilizando; después enjuague con agua permeada hasta que el pH se estabilice.

14. Si es necesario repita el procedimiento para la solución de pH alto.

15. Reiniciar la ósmosis inversa para verificar la limpieza.

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Orden de limpieza.

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Productos Hydrex

Serie 4000:

45XX Formulaciones líquidas (4503, 4507, 4505, 4506)

47XX Formulaciones sólidas (4701, 4714, 4719)

49XX Formulaciones varias.

Hydrex 4503 (pH bajo)

Efectivo en la remoción de óxidos metálicos y carbonatos.

La fórmula contiene anticorrosivo y antiincrustante.

Hydrex 4506 (pH alto)

Efectivo en la remoción de compuestos orgánicos biopelículas y coloides.

Aceptable auxiliar en la remoción de depósitos leves de sílice.

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Preparación de las soluciones:

Hydrex 4506

0.5 – 2 % v/v, pH 10.5 – 11 (Ensuciamiento leve)

5 -6 % v/v, pH 11 - 12 (limpieza enérgica)

Hydrex 4503

2 – 5 % v/v, Incrustación leve.

10 – 12 % v/v, Incrustación severa.

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Comentarios

¿Cuándo es aplicable el método seleccionado?

¿Los resultados fueron satisfactorios?

¿Qué hacer en caso de no obtener resultados satisfactorios?

70

Gracias por su atención y participación