Utilización de la ósmosis inversa en el tratamiento de agua para uso doméstico e industrial

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Utilización de la ósmosis inversa en el tratamiento de agua para

uso doméstico e industrial

Diplomado en Ingeniería para el Tratamiento de Aguas Especiales

Dr. Eduardo Márquez CanosaE-mail: [email protected]

MSc. Adela Cue LópezE-mail: [email protected]

mailto:[email protected]


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1.- Microfiltración

2.- Ultrafiltración

3.- Nanofiltración

4.- Ósmosis inversa o Hiperfiltración

Introducción

La ciencia de la ósmosis Inversa.

Sistema de pre tratamiento.

Procesos de separación con membranas.

Espectro de filtración.

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Procesos de separación con membranas

Introducción





4

Espectro de filtración

Introducción





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La ciencia de la Ósmosis Inversa

1.- Las bases físico-químicas para su separación

2.- La ciencia de los materiales de las membranas

3.- La ciencia de la ingeniería para el transporte de masa

Las bases físico-químicas. La ciencia de los materiales. La ciencia de la ingeniería.

Introducción.



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1.- Las bases físico-químicas para su separación

El aspecto físico - químico de la separación está relacionado con la

identificación, selección y desarrollo de criterios físico - químicos para

caracterizar solutos, solventes y materiales de membranas, así como,

sus interacciones mutuas y la correlación de estos criterios con los

datos experimentales.


Introducción.



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Se desarrolla para la creación de membranas útiles en aplicaciones

específicas, tratando los aspectos relacionados con la selección del

material de las membranas, así como, las condiciones de fundición

para el material de membrana seleccionado y la correlación de estos

factores físico - químicos con los datos de operación.

2.- La ciencia de los materiales de las membranas


Introducción.



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3.- La ciencia de la ingeniería para el transporte de masa

Se basa en el desarrollo de las ecuaciones de transporte básicas y la

integración de los parámetros físico - químicos que controlan la

separación, conduciendo a técnicas analíticas de especificación y

predicción del comportamiento de la membrana, al análisis de sistemas y

diseños de procesos aplicables a la separación, concentración y

fraccionamiento de sustancias, bajo una amplia variedad de condiciones

experimentales.


Introducción.



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ALIMENTACIÓN

RECHAZO

PERMEADO

MEMBRANAMEMBRANA

FUERZA IMPULSORA

Dif. de presiónDif. PotencialDif. Concentración

Procesos con membrana. Ventajas del proceso. Desventajas del proceso.

Introducción.



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1.- La separación puede llevarse a cabo continuamente

2.- El consumo de energía es relativamente bajo

3.- Los procesos de membranas pueden combinarse fácilmente con otros procesos de separación

4.- La separación se puede producir en condiciones moderadas

5.- Las propiedades de las membranas son variables y se pueden ajustar

6.- No se necesitan aditivos

Ventajas del proceso de Ósmosis Inversa


Introducción.



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1.- La polarización por concentración y el ensuciamiento de la membrana

2.- Baja selectividad o bajo flux obtenido

3.- El factor de sobre escalado es más o menos lineal

Desventajas del proceso de Ósmosis Inversa


Introducción.



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Componentes fundamentales en una planta de Ósmosis Inversa

1.- Sistema de pre tratamiento

2.- Bomba de alta presión

4.- Sistema de post tratamiento

3.- Módulo de membranas

Componentes fundamentales en una planta.Parámetros principales del proceso.Operaciones Unitarias presentes.Proceso de filtración .

Introducción.



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Introducción.



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Parámetros principales del proceso

1.- Presión de operación

2.- Temperatura de operación

3.- Velocidad del flujo de alimentación

4.- Concentración de la solución

Diagrama de flujo


Introducción.



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Introducción.



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Operaciones Unitarias presentes en un sistema de pre tratamiento

1.- Filtración a través de material poroso

5.- Dosificación de productos químicos

2.- Filtros Carbón Activado


4.- Resina de intercambio Iónico


Introducción.



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Filtro con arena utilizado en el pre tratamiento

Filtración a través de material poroso

Filtros Carbón Activado

Filtros de Arena

Filtros Antracita

Filtros mixtos

Filtros Clarificadores


Introducción.



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Microfiltración.Resina de intercambio Iónico.Dosificación de productos químicos.

Introducción.



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Introducción.



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Introducción.



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1.- Dosificación de hipoclorito sódico (NaClO)

2.- Dosificación de ácido sulfúrico H2SO4

3.- Dosificación de coagulante

4.- Dosificación de bisulfito sódico

5.- Dosificación de dispersante

Dosificación de productos químicos


Introducción.



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Equipos de Bombeo de alta presión.Características técnicas del sistema de bombeo de alta presión.Tipos de bombas de proceso.

Bombas de alta presión.

Módulos de membranas.

Sistema de post tratamiento.

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Características técnicas del sistema de bombeo de alta presión

Constituye una de las partes más importantes del equipamiento, ya

que es el único elemento mecánico en movimiento permanente, el

cual determina el mantenimiento y el costo del m3 de agua tratada en

función de la energía eléctrica consumida.





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Características técnicas del sistema de bombeo de alta presión

1.- Fiabilidad

2.- Buen rendimiento hidráulico

3.- Resistente a los agentes abrasivos

4.- Bajas necesidades de mantenimiento

5.- Fácil reparación en caso de averías





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Las bombas de proceso utilizadas fundamentalmente son:

Bombas de desplazamiento positivo Bombas centrífugas





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3.- Módulos de membranas


Estructura y tipos de Membranas.

Módulos y configuración de membranas.




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Estructura y tipos de Membranas

1.- Membranas de acetato de celulosa (CA)

2.- Membranas de Poliamida

4.-Hi Flux CP

3.- Membrana compuesta de capa fina (TFC)







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4.-Hi Flux CP








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4.-Hi Flux CP








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Módulos y configuración de membranas

Se llama módulo de membrana a la unidad múltiple que contiene una o

varias membranas de OI.

El módulo está integrado por el conjunto membrana – porta membrana. Si

en un mismo tubo de presión hay varios elementos de membrana en serie, a

cada uno de esos elementos se les denomina módulo unitario.







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Imagen porta membranas







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Imagen de una membrana







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Colocación de la membrana en el porta membrana







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Configuración de los módulos más utilizados

1.- Módulo de fibra hueca delgada

2.- Módulo con enrollamiento en espiral

3.- Módulo tubular

4.- Módulo de placa y marcos

5.- Módulo plegable



Configuración de los módulos más utilizados.




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PROCESO MF UF OI ED/EDIConfiguraciones

Espiral SÍ SÍ Fibra hueca SÍ SÍ SÍ Tubular SÍ SÍ SÍ Plana SÍ SÍ SÍ SÍ

Material de las membranasAcetato de celulosa SÍ SÍ Poliamida SÍ Acrílica SÍ SÍ Polisulfónica SÍ SÍ SÍ Polipropileno SÍ Poliestireno SÍCerámica SÍ SÍ SÍ

Comparación de configuraciones y tipos de membranas



Configuración de los módulos más utilizados.




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Ensuciamiento y obstrucción de la membrana

Reduce el rendimiento de la membrana, causado por la deposición de

sólidos suspendidos o disueltos en su superficie externa, en los poros o

entre los poros de la membrana.

La contaminación de las membranas provoca un mayor gasto de energía,

una mayor frecuencia de limpieza y un menor límite de vida de la misma.

Ensuciamiento y obstrucción de la membrana.

Naturaleza de las impurezas en el fenómeno de

ensuciamiento.




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Imágenes del ensuciamiento en el espaciador y en la membrana



ensuciamiento.




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Naturaleza de las impurezas en el fenómeno de ensuciamiento

1.- Ensuciamiento coloidal (fouling) Óxidos metálicos (Fe2+ y Mn2+)Coloides (orgánicos e inorgánicos) Materiales de origen biológico (bacterias, hongos, algas)

Deposición de coloides o partículas en suspensión en la superficie de la membrana

2.- Ensuciamiento cristalino o incrustación (scaling)

Cristalización sobre la superficie de las membranas de las sustancias disueltas en el agua de alimentación

Carbonato de calcioSulfatos de calcio, bario y estroncio Dióxido de silicioFluoruro de calcio Hidróxido de magnesio



ensuciamiento.




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Métodos de Limpieza

1.- Lavado con chorro delantero

2.- Lavado con chorro trasero

3.- Limpieza por chorro de aire o por chorro de aire y agua

Métodos de Limpieza.

Agentes de limpieza, concentraciones típicas.




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1.- Lavado con chorro delantero

Su propósito es la eliminación de la capa de

contaminantes formada en la membrana por

medio de la creación de turbulencias, con un

alto gradiente de presión hidráulica.






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La cámara del permeado debe estar libre de contaminantes, por lo cual se utiliza

agua permeada para lavar desde atrás.

2.- Lavado con chorro trasero

Una consecuencia de este método es un

decrecimiento en la recuperación del

proceso. Debido a esto, el proceso debe

realizarse en el menor tiempo posible.






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Añadir aire al chorro de agua delantero, genera formación de burbujas, que

producen una mayor turbulencia, facilitando el desprendimiento de la suciedad

sobre la superficie de la membrana. Utiliza una menor capacidad de bombeo

durante el proceso de limpieza.

3.- Limpieza por chorro de aire o por chorro de aire y agua






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Agente Concentraciones típicas Ensuciador presente

Hipoclorito de sodio (NaOCl)

100 ppm como cloro activo, pH

5 - 10Biopelícula, material

orgánicoácido oxálico

(C2H2O4)1%, pH 2 - 4 Fe, Mn, coloides

Ácido cítrico (C6H8O7) 1%, pH 3 - 5 Fe, Mn, coloidesBisulfito de sodio

(NaHSO3)1%, pH 5 - 6 Fe, Mn

EDTA/Na-EDTA (NaO2CCH2)2NCH2CH2

N(NaO2CCH2)2

670 ppm/2500 ppmpH 6

incrustaciones de Mg, Ca, otros metales

Algunos de los agentes de limpieza, concentraciones típicas






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Agente Concentraciones típicas Ensuciador presente

Ácido clorhídrico (HCl) pH 2 incrustaciones de Mg,

Ca, biopelícula, coloidesHidróxido de sodio

(NaOH) pH 12 materia orgánica, coloides, biopelícula

Cloruro de sodio 1% Limpieza general

Algunos de los agentes de limpieza, concentraciones típicas






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Sanitización

Se requiere una periódica sanitización para disminuir los contaminantes

microbiológicos y remover la biopelícula.

Su frecuencia depende de:

1.- Calidad del agua de alimentación

2.- Pureza deseada del agua producto

3.- Tipo de membrana

4.- Modo de operación del sistema.

Sanitización.

Características y usos de sanitizantes.

Características que deben presentar los módulos.




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Características y usos de sanitizantes

Sanitizante Cartuchos usados

Concentración del

sanitizante

Tiempo de contacto del sanitizante

Solución de cloro

CAPor encima de

100 ppm(libre de cloro)

30 - 60 min a pH 5.5 - 7 *

TFC No No

CPPor encima de

100 ppm(libre de cloro)

30 - 60 min a pH 5.5 - 7.5

FormaldehídoCA 2 – 4% 60 min

TFC ** 2 – 3% 30 – 60 minCP 2 - 4% 30 – 60 min

Sanitización.






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Características y usos de sanitizantes

Sanitizante Cartuchos usados

Concentración del sanitizante

Tiempo de contacto del sanitizante

Peróxido de hidrógeno

CAPor encima de 1 000

ppm30 – 60 min

TFC ***Por encima de 2 000

ppm30 – 60 min

CP NO NO

Ácido peracético

CAPor encima de 100

ppm30 – 60 min a pH = 4.5

TFC ***Por encima de 2000

ppm (0.2%)30 – 60 min

CP NO NO

Sanitización.






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Características que deben presentar los módulos

1.- Mantener condiciones de flujo ideal sobre la superficie de la membrana, aún si la carga varía.

2.- Mantener las pérdidas friccionales en un mínimo en el paso de la salmuera y el producto.

3.- Que los permeadores permitan la toma de muestras.


Configuración de los módulos de membranas.




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Configuración de los módulos de membranas

1.- Simple paso

2.- Doble paso

Combinación de elementos en serie y paralelo.

Flujos deseados de alimentación y producto, obteniendo la máxima recuperación.

Tipos de arreglo


Configuración de los módulos de membranas.




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Arreglo Simple paso

El agua producto ha pasado a través de la membrana una sola vez y se utiliza para

limitar al máximo la pérdida de agua de un sistema.

Arreglo Simple paso.

Simple paso en serie.

Simple paso en paralelo.




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3.- Simple paso con aprovechamientode rechazo

El agua producto ha pasado a través de la membrana una sola vez y se utiliza para

limitar al máximo la pérdida de agua de un sistema.

Arreglo Simple paso

2.- Simple paso en paralelo

1.- Simple paso en serie







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Simple paso en serie

Consiste en alimentar el primer módulo con la bomba de alta presión, el

segundo con el rechazo del primero y así sucesivamente, incrementado la

salinidad.

Se debe controlar el valor de máxima salinidad recomendado por el fabricante

para evitar incrustaciones en las membranas.

Esta disposición se utiliza cuando la salinidad del agua de alimentación no es

elevada.







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Simple paso en serie







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Simple paso en paralelo

En esta disposición dos o más módulos

son colocados en paralelo de manera

que reciban el mismo caudal de

alimentación a la misma presión. El

permeado que se obtiene de cada

módulo se mezcla en una conexión

común al igual que para la corriente de

rechazo.







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Arreglo Simple paso con aprovechamiento de rechazo

Consiste en un primer grupo de módulos en paralelo y con el rechazo

obtenido alimentar a un segundo grupo de módulos, de menor cuantía que el

primero, para evitar bajos caudales en los mismos.

Se logran porcientos de recobrado más elevados que los obtenidos en las

disposiciones serie y paralelo.


Arreglo Simple paso con aprovechamiento de

rechazo.




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Arreglo Simple paso con aprovechamiento de rechazo


Arreglo Simple paso con aprovechamiento de

rechazo.




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Doble paso en la Ósmosis Inversa

En este caso el agua de alimentación de la segunda etapa es el permeado

de la primera; el concentrado de la misma se elimina y el de la segunda se

recircula, uniéndolo a la alimentación de la primera etapa.

Se utiliza cuando la salinidad inicial es muy elevada y una etapa no es

suficiente para una buena desalación, o cuando se requiere un producto de

mucha calidad.

Es el tipo de arreglo más usado para aguas de alta pureza.

Doble paso en la Ósmosis Inversa.

Otras configuraciones en aplicaciones reales.




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Doble paso en la Ósmosis Inversa






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Otras configuraciones en aplicaciones realesRecirculaciones y mezcla de permeados






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Otras configuraciones en aplicaciones realesRecirculaciones y mezcla de permeados






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Sistemas de post tratamiento.

Requerimientos a considerar en un proyecto de

tratamiento por ósmosis inversa.




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Sistemas de post tratamiento

Eliminación del CO2

Ajuste del pH

Ajuste de la dureza

Filtración y esterilización







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1.- Información detallada y exacta del agua a tratar.

2.- Información sobre las condiciones de operación de la planta.

3.- Diseño adecuado del proceso de pre tratamiento.

4.- Diseño de la planta acorde a los fines de cantidad y calidad del agua

de interés.

Requerimientos esenciales a considerar en un proyecto de tratamiento por Ósmosis Inversa

5.-Establecimiento de las condiciones para una correcta operación y

mantenimiento de la planta.







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uso doméstico e industrial

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