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Entrenamiento Ósmosis Inversa
Agenda
1. Generalidades de la OI
2. Diseño de la OI
3. Operación y Mantenimiento
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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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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!
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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
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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