Diseño de sistemas de membranas: Ósmosis inversa

Los sistemas de ósmosis inversa (OI) pueden parecer intimidantes. Sin embargo, esta tecnología existe desde hace décadas y se utiliza en todo el mundo en todo tipo de industrias. Comprender los fundamentos del funcionamiento de las membranas de ósmosis inversa y su mecanismo de proceso son los primeros pasos para optimizar el sistema.

Tipos de membranas de ósmosis inversa y terminología

En primer lugar, describamos la terminología común utilizada en el sector de la OI:

• Recuperación es el porcentaje de agua limpia (permeado) que produce un sistema a partir del agua de alimentación. Depende de varios factores, como el contenido de sales del agua, el diseño del sistema y la cantidad de agua permeada que una membrana puede producir.
• Rechazo es el porcentaje de sal eliminado por una membrana del flujo permeado. Así, si una membrana tiene un 99% de rechazo, significa que el 99% de las sales se eliminan del agua permeada.
• Paso de sal es lo contrario de rechazo y es un porcentaje de sólidos disueltos en el agua de alimentación que se deja pasar a través de una membrana al permeado. Si una membrana tiene un rechazo del 99%, significa que el paso de sales al permeado sería del 1%.
• Presión aplicada es la cantidad de presión aplicada al sistema mediante una bomba de alta presión para superar la presión osmótica de la membrana.
• Presión osmótica es la presión que debe aplicarse para impedir que el agua pura refluya a través de una membrana. La presión osmótica aumenta a medida que también lo hace la cantidad de sólidos disueltos totales (SDT) en el agua de alimentación. Normalmente, necesitas 0,76 bares (11 psi) por cada 1.000 mg/L de TDS.
• Flujos – Los sistemas de ósmosis inversa suelen funcionar en una configuración de flujo cruzado en la que existen tres corrientes de agua. La primera es la corriente de alimentación que se divide en otras dos corrientes: El agua limpia conocida como «permeado» y el agua rechazada conocida como «concentrado». El flujo suele medirse en galones por minuto (gpm).

Los tipos más comunes de membranas de ósmosis inversa son: Las de agua salobre, agua de mar y nanofiltración (NF). Para determinar cuál es la mejor membrana para tu sistema, ten en cuenta tu fuente de agua de alimentación, la recuperación deseada, la calidad del agua y los requisitos de energía.

• Las membranas salobres de ósmosis inversa se utilizan normalmente con aguas salobres de alimentación que contienen un contenido relativamente bajo (TDS) en comparación con el agua de mar. Requieren una presión baja (125 – 250 psi) manteniendo un alto rechazo de sales (>95 – 99% según determinadas condiciones) y altas recuperaciones del sistema, ≥75%.
• Las membranas de agua de mar se utilizan con agua de mar o aguas de alimentación con un alto TDS. Como esas aguas de alimentación tienen un TDS de 35.000 mg/l o superior, las membranas de agua de mar necesitan una presión mucho mayor para funcionar (800 – 1200 psi) y pueden mantener un rechazo elevado (>99,5%); sin embargo, sus recuperaciones son inferiores a las de las membranas salobres, entre el 50 y el 70%.

• La NF es una tecnología similar a la OI, pero tiene un menor rechazo de los iones monovalentes, como el cloruro de sodio. Rechaza muy eficazmente los iones divalentes como el CaSO4 y las macromoléculas orgánicas a distintos grados según el modelo. Por ejemplo, algunas membranas NF pueden rechazar >97% de sulfato de magnesio (MgSO4) pero sólo del 85% al 95% de cloruro de sodio (NaCl). Esto se debe a que el NaCl es más pequeño que el MgSO 4. However, there are some sulfate-rejecting membranes that only reject about 25% of sodium chloride, so the properties of NF are very varied. Required pressures to run NF membranes are lower than RO membranes on the same feedwater as the monovalent ions are not fully rejected.

Material de la membrana

Hoy en día, los fabricantes de membranas construyen membranas de ósmosis inversa de film delgado (TFC) que constan de tres capas: La barrera superior de poliamida extremadamente fina, la capa de soporte de polisulfona y la capa de poliéster. La barrera de poliamida semipermeable impide el paso de moléculas con pesos moleculares superiores a 100. Las moléculas de agua se difunden fácilmente a través de la capa de poliamida, proporcionando agua pura en el lado opuesto.

Construcción de membranas de ósmosis inversa enrolladas en espiral

Las membranas TFC se embalan en una configuración enrollada en espiral, lo que ofrece varias ventajas en comparación con otras configuraciones como: Menores costes de reemplazo, menos espacio necesario, sistemas de plomería más sencillos y más libertad de diseño. Los diámetros típicos de estos elementos enrollados en espiral para uso comercial consisten en elementos de 4 y 8 pulgadas. Estos tamaños se estandarizaron pronto en la industria por su uso eficiente de energía, su área de superficie productiva, su rendimiento fiable y la infraestructura existente.

Los elementos constan de varios componentes: Cubierta exterior, dispositivos anti-telescópicos, sello de salmuera, hojas de membrana, separadores de alimentación, sellos de pegamento, transportadores de permeado y el tubo de agua de permeado.

La figura 3 muestra los componentes externos de los elementos. La cubierta puede ser cinta, fibra de vidrio o una malla de polipropileno (también conocida como fullfit) y mantiene unido el elemento en forma de espiral. Los dispositivos anti-telescópicos (ATD) estabilizan los componentes del elemento y previenen el desplazamiento de los componentes mecánicos internos bajo presión, también conocido como telescopaje. El sello de salmuera envuelve el ATD del lado de alimentación y garantiza que el agua de alimentación fluya hacia los componentes internos del elemento.

Figura 4 muestra la finalidad de los espaciadores de alimentación del elemento, que proporcionan un espacio para que fluya el agua y promuevene turbulencia, ayudando a que el agua fluye mucho más deprisa. Como los elementos de membrana de ósmosis inversa utilizan la filtración de flujo cruzado, el agua que se mueve rápidamente expulsa el ensuciamiento y las sales que se forman en las superficies de la membrana.

Figura 5 muestra una hoja de membranaf y las interacciones del flujo de agua dentro y alrededor de esa hoja. There may be up to 30 leaves in a single element (según el fabricante). Each membrane leaf consists of a permeado portador en entre dos superficies de membrana activas. Una vez que el agua permea a través de la superficie de la membrana, el portador de permeado recoge el agua limpia y la dirige hacia el tubo de agua permeada. Las hojas están pegadas por el lado de la alimentación y del concentrado, así como por el borde exterior exterior, pero no están pegadas en el lugar donde el portador de permeado se une al tubo de agua permeada.

Recipientes a presión de ósmosis inversa y diseño de sistemas

Los recipientes a presión cilíndricos de ósmosis inversa albergan los elementos y el material de su construcción depende de la presión de operación, las vibraciones, las temperaturas, el agua de alimentación y los productos químicos que ingresen en el sistema. También requieren algún tipo de resistencia a la corrosión debido al alto contenido en sal de las corrientes de agua y a la limpieza química. Se han utilizado recipientes fabricados con plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) enrollado en filamentos para sistemas que funcionan desde 100 psi hasta 1200 psi. Estos recipientes de PRFV son intrínsecamente anticorrosivos y tienen una superficie interior lisa y precisa para una carga y sellado óptimos de la membrana. Hoy en día, los recipientes de acero inoxidable sólo se suelen utilizar para sistemas esterilizados por vapor, como los de las aplicaciones lácteas.

El número de elementos que se introducen en un recipiente depende de la cantidad de agua necesaria en la corriente de permeado, del flujo medio de membrana del sistema, de la superficie de membrana activa necesaria y del tipo de elementos. Puedes utilizar varios programas hidráulicos que realicen cálculos para el número de elementos por recipiente, el número de recipientes por etapas y el número de etapas necesarias para todo el sistema. Los sistemas de una sola etapa se suelen utilizar con sistemas de baja recuperación (por ejemplo, desalinización de agua de mar), mientras que los sistemas de varias etapas se utilizan para adquirir una mayor recuperación. En la siguiente figura se muestran dos ejemplos de conjuntos de sistemas. Cada recipiente de una etapa está dispuesto en paralelo, mientras que las etapas separadas están dispuestas en serie. Estas últimas etapas requieren menos recipientes, ya que el volumen restante en el lado alimentación/salmuera se reduce a medida de que se produce permeado. En el ejemplo siguiente, dado que el la primera st etapa tiene cinco vasos y la 2nd tiene 3 recipientes, el sistema es un conjunto 5:3.

Equilibrar el flujo de permeado entre etapas es importante para que un sistema tenga un buen flujo medio. Normalmente, el flujo de permeado será menor hacia los elementos finales (elementos situados hacia el final de cada recipiente) en comparación con los elementos iniciales. Esto se debe a que la concentración de sales es mayor hacia los elementos finales, lo que aumenta la presión osmótica y dificulta que esos elementos produzcan agua permeada. Puede ser necesario aumentar la presión de alimentación entre etapas para garantizar un flujo equilibrado en todas las membranas.

El sistema de matriz 5:3 anterior no debe confundirse con un sistema de dos pasos, que es la combinación de dos sistemas de ósmosis inversa en la que el agua permeada del primer sistema se convierte en la alimentación del segundo. En este caso, el agua «pasa» por dos sistemas de ósmosis inversa. Los sistemas de dos pasos se utilizan en aplicaciones que necesitan un agua de permeado de calidad extremadamente alta.

Post-tratamiento del agua permeada

Una vez recogida el agua limpia, es apta para diversas aplicaciones, como: Agua potable, producción de alimentos y bebidas, desarrollo y experimentos farmacéuticos, fabricación de semiconductores y muchas más. Sin embargo, la mayoría de estas aplicaciones requieren un tratamiento posterior antes de que el agua esté lista para su uso.

La desinfección ultravioleta (UV) mata o desactiva cualquier resto de bacterias, virus, u otros microorganismos, proporcionando una capa adicional de protección a las industrias que requieren una gran pureza microbiológica.

Las resinas de intercambio iónico (IX) eliminan trazas de minerales disueltos no deseados, como el sílice del agua utilizada en los circuitos de calderas.

La electrodesionización (DI) utiliza electricidad, membranas de intercambio iónico y resina que eliminan las moléculas ionizadas del agua, lo que da como resultado agua extremadamente pura para utilizar en aplicaciones de laboratorio y científicas.

La remineralización consiste en añadir determinados minerales por motivos de sabor y salud, como en el agua potable.

Eliminación del agua concentrada

Hay que tener en cuenta la corriente de agua residual concentrada, ya que contiene las sales de la alimentación que han sido retenidas por la membranas en concentraciones mucho más altas que el agua de alimentación. En algunos sistemas de ósmosis inversa de pequeña escala o residenciales, el concentrado puede verterse directamente al desagüe o alcantarillado local. Dependiendo de la normativa medioambiental y de la calidad del agua del concentrado, puede verterse a las aguas superficiales. Los sistemas de vertido cero de líquidos (ZLD) minimizan la cantidad de residuos líquidos evaporando el concentrado y recuperando las sales sobrantes como residuos. Sin embargo, algunos concentrados tienen sales secas que son un recurso valioso y serán útiles en algunas aplicaciones. También es importante tener en cuenta la longitud de la tubería de residuos de concentrado, porque las sales pueden precipitarse del agua y formar depósitos, o incrustaciones, en las tuberías, bloqueando de hecho el flujo de salida del sistema. Siempre es importante seguir la normativa local y las directrices medioambientales al eliminar los flujos de residuos.

Para el mantenimiento y la limpieza, se utilizan soluciones de tratamiento como anti-incrustantes y productos químicos de limpieza en sitio (CIP). Si no se puede hacer una limpieza en sitio en el sistema de ósmosis inversa, Avista ofrece un servicio de limpieza y restauración fuera de las instalaciones (OSCAR) para limpiar las membranas de tu sistema.

Diseñar un sistema de ósmosis inversa requiere mucha personalización y no debe construirse siempre exactamente de la misma manera. Estos procesos requieren distintos pre-tratamientos, materiales de construcción, membranas, productos químicos y mucho más.