Desalinización de agua para uso potable y Minero por método de ÓSMOSIS INVERSA

En 10 años más el consumo de agua de mar se cuadruplicará en el rubro minero, debido a factores como la larga sequía, cambios regulatorios y mayor demanda hídrica en la producción del metal rojo. 

INTRODUCCIÓN

El agua es una sustancia muy sencilla, pero posee un conjunto de propiedades que la hacen única lo que, unido a su abundancia, le otorgan una gran importancia en el ciclo biológico del planeta. La misma puede encontrarse en la naturaleza en sus tres estados, sólido, líquido y vapor, pudiendo existir en un momento dado en equilibrio entre sus tres formas.

Dadas las extensas regiones de los cinco continentes que sufren escasez de agua, y que el consumo en las zonas industrializadas crece a pasos agigantados, el hombre se ha visto obligado a obtener agua potable por distintas vías. Una de ellas ha sido la desalinización o desalación de aguas salobres. La desalinización o desalación es el proceso de eliminar la sal del agua de mar o salobre, obteniendo agua dulce, para cubrir principalmente las necesidades domésticas y de consumo humano.

Se llama agua salobre, al agua que tiene más sal disuelta que el agua dulce, pero menos que el agua de mar. Técnicamente, se considera agua salobre la que posee entre 0,5 y 30 gramos de sal por litro, expresados más frecuentemente como de 0,5 a 30 partes por mil. En general, las aguas salobres son de origen subterráneo, aunque algunas aguas superficiales pueden presentar también altos contenidos en sales disueltas. En estas condiciones no son aptas para el consumo humano ni agrícola, pero, tras un proceso de desalinización, se pueden usar con ambos fines, resolviendo serios e importantes problemas, de diverso origen y entidad.

Los procedimientos de desalación de aguas salobres van desde el tradicional de ebullición y posterior condensación, hasta los más recientes de electrodiálisis y ósmosis inversa, pasando por otros como la congelación y la evaporación por disminución de presión.

La solución de los problemas, que la escasez de agua plantea en las zonas áridas es, en general, muy compleja, debido a la gran cantidad de parámetros que intervienen, dándose el caso de que las soluciones adoptadas en una región no son válidas para otras. Pero de acuerdo con los diferentes estudios realizados, cada región tiene la solución en sus manos, sin tener que recurrir al sacrificio de las demás.

Para satisfacer las crecientes demandas de agua dulce, especialmente en las áreas desérticas y semidesérticas, se han llevado a cabo numerosas investigaciones con el fin de conseguir métodos eficaces para eliminar la sal del agua del mar y de las aguas salobres. Es decir, que se han desarrollado varios procesos para producir agua dulce a bajo costo.

TECNOLOGÍAS DE LA DESALINIZACIÓN

Se entiende como tecnología de desalinización los procesos que se utilizan para desalinizar agua salada separándola en una corriente de agua con baja concentración de sales ( agua dulce) y otra con una alta concentración de sales (salmuera). Diferentes procesos físicos y químicos se pueden aplicar para separar las sales del agua de mar:

1. Destilación / evaporación.

2. Ósmosis Inversa.

3. Electrólisis.

4. Cristalización.

5. Intercambio iónico.

MARCO TEORICO:

Cualquier fuente de agua, sea de mar, río, pozo, manto acuífero, etc. contiene impurezas, estas impurezas están compuestas por partículas suspendidas y disueltas, las partículas suspendidas representadas por sus siglas SST (Sólidos suspendidos totales) pueden ser eliminadas con una simple filtración equivalente a los filtros caseros (de sedimentos), pero las segundas SDT´s ( Sólidos Disueltos Totales) deben ser eliminadas por otro tipo de tecnologías, una de ellas es la utilización de la osmosis inversa.

La ósmosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales. Cuando dos soluciones con diferentes concentraciones separadas por una membrana semipermeable (es decir, permite el paso de agua, pero no de sales), existe un flujo natural de agua de la parte menos concentrada a la parte más concentrada para igualar las concentraciones finales. El paso del agua crea una presión denominada presión osmótica.

Este proceso lo podemos invertir aplicando una presión externa mayor a la presión osmótica haciendo circular el agua de la solución más concentrada a la menos concentrada.

Este procedimiento, conocido como ósmosis inversa, es un proceso de separación por membrana de flujo transversal, el cual es capaz de rechazar macromoléculas y sustancias disueltas en un solvente, generalmente agua. Las sustancias retenidas en la corriente de descarte en el proceso de separación pueden ser orgánicas o inorgánicas con tamaños del orden del angstrom. La retención de estas depende de su peso molecular, geometría, carga y otros factores.

HISTORIA DE LA OSMOSIS INVERSA:

El proceso de ósmosis inversa fue propuesto por primera vez por Charles E. Reid en 1953 para obtener agua potable del agua de mar. La propuesta de Reid fue sometida a la consideración de la Oficina de Aguas Salinas de EUA y surgieron algunas objeciones, una de ellas consideraba a la ósmosis inversa como un proceso impráctico y que en caso de funcionar sería una curiosidad de laboratorio.

La duda más seria a la propuesta de Reid fue cuando se hizo evidente que carecía de una membrana adecuada para realizar eficientemente el proceso de ósmosis inversa. En efecto, al aprobarse el proyecto, Reid se enfrascó en un problema mayúsculo para conseguir la membrana que tuviera la capacidad de realizar ese proceso.

Las dificultades básicamente eran las siguientes:

• Carencia de una membrana que resistiera químicamente las soluciones salinas.
• Las membranas eran muy poco porosas para permitir el libre tránsito del solvente (agua pura) y demasiado abiertas para tener un adecuado coeficiente de reflexión de Staverman (bajo rechazo de sales).

La solución del problema de la separación de agua pura a partir de agua de mar o salobres fue resuelta por el descubrimiento de la membrana de acetato de celulosa por el mismo Reid y E. J. Breton en 1959.

A este descubrimiento siguió otro efectuado por S. Loeb y S. Sourirajan en los años de 1960 a 1962 al demostrarse que la membrana de Reid y Breton mejoraba considerablemente el flujo de solvente y rechazo de sales, si la membrana se hacía asimétrica en lugar de homogénea. Luego se supo, por observaciones al microscopio electrónico, que la asimetría en la membrana de Loeb y Sourirajan se debía a la presencia de una delgada película de polímero en fase amorfa con secciones cristalinas sobre la superficie de la membrana. Esta película es la parte activa de la membrana y responsable de la exclusión de los solutos. El cuerpo restante de la membrana sirve de soporte y es una estructura de polímero esponjada altamente porosa.

Con este tipo de membrana se realizó eficientemente el proceso de ósmosis inversa. A pesar de este triunfo tecnológico, el precio que se paga es alto, por el costo elevado de energía. En un principio se creyó que el proceso de ósmosis inversa sería altamente eficiente, pues se pensó que bastaría con exceder la presión osmótica del sistema para lograr la inversión osmótica. Aquí no se tomaba muy en cuenta la segunda ley de la termodinámica debido a que se requiere un trabajo extra para su funcionamiento en contra de irreversibilidades y cuanta más presión se necesite (más lejos del equilibrio) mayor será el costo de energía.

En efecto, resultó que el funcionamiento de dicho efecto requiere de la aplicación de una presión mucho mayor (4 ó 5 veces mayor) al valor de la presión osmótica efectiva e invertir energías 10 veces más que la requerida, si el proceso fuera reversible, por ejemplo, la presión osmótica del agua de mar es de 24 atmósferas, mientras que los equipos que obtienen agua potable a partir de agua de mar operan con presiones de 100 atmósferas o mayores. Ello implica costos de equipo y mantenimiento elevados.

Uno de los logros de la década de los años sesenta fue hacer económica la aplicación de la ósmosis inversa en la obtención de agua potable a partir de aguas salobres y de mar, y entrar francamente en competencia con otros sistemas de separación de pequeña o gran escala. Esta posibilidad fue una consecuencia de la perfección de la membrana de acetato de celulosa y un entendimiento más claro de los procesos de interacción de una solución salina con dichas membranas. En esta década se consiguió comprender los efectos de compactación y de oclusión de las membranas bajo operación, así como percibir la necesidad de tratamientos bioquímicos del agua de alimentación, por la presencia de microorganismos que utilizan a la membrana como nutriente.

En particular, el conocimiento de la capa de polarización como efecto adverso fue decisivo en los avances anteriores. La eliminación de este efecto adverso fue determinante en el diseño de los módulos que sirven de apoyo a la membrana, en vista de que para eliminar esa capa de polarización se utiliza la agitación convectiva, provocando un flujo turbulento en la solución alimentadora. De esta manera, las celdas donde las membranas ejecutan la separación presentan diseños geométricos de manera que los flujos sean violentos (altos números de Reynolds).

En la década de los años sesenta, el estudio y aplicación de la ósmosis inversa se relacionó con la desalación de aguas salinas y del tratamiento de aguas de rehúso, como la purificación de agua de desechos industriales y de drenaje.

Después de todo, la ósmosis inversa ha ganado gran popularidad, se recrearon métodos de operación con diversas membranas, y actualmente existe un sinnúmero de aplicaciones industriales.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE LA ÓSMOSIS INVERSA:

La tecnología de la ósmosis inversa se basa en el proceso de ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos, por el cual dos soluciones de distinta concentración salina puestas en contacto a través de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones.

Para ello se produce un movimiento desde la solución más diluida hacia la más concentrada, que se detiene cuando se alcanza un equilibrio entre ambas concentraciones. La fuerza que provoca ese movimiento se conoce como presión osmótica y está relacionada con la concentración de sales en el interior de ambas soluciones.

Este proceso es lo que constituye la ósmosis inversa. Se le llama así porque para conseguir un flujo de solvente a través de le membrana hay que ejercer al menos una presión suficiente para vencer la presión osmótica de la solución. La presión osmótica que hay que vencer dependerá del tipo de soluto y de su concentración, pero podemos decir que el rango de presiones estará entre 5 y 60 bar = 5 y 60 Kg/cm2 = 71 y 851 lbf/in2.

En la práctica, sin embargo, no es necesario vencer la presión osmótica de la solución de alimentación, sino sólo la diferencia de presión osmótica entre las soluciones de alimentación y producto. Esta presión depende del flujo de agua a través de la membrana y cambia de cero hasta un límite dado por las características de la membrana.

Con las membranas reales puede producirse flujo con diferencias de presión que son pequeñas comparadas con la presión osmótica de la solución de alimentación, pero la desalación, o mejor dicho el caudal desalado, es en estas circunstancias, prácticamente despreciable.

Si analizamos las distintas fases de este proceso vemos que los elementos fundamentales para poder reproducir este fenómeno a escala industrial lo constituyen la bomba necesaria para aplicar la presión y la membrana capaz de realizar la separación de sales.

El elemento diferenciador de la ósmosis inversa frente a otros procesos es la membrana, la cual debe reunir una serie de características:

• Debe ser capaz de resistir las presiones a que se va a someter la solución para invertir el proceso.
• Suficientemente permeable al agua para que el flujo que proporciona sea elevado.
• Rechazar un porcentaje de sales elevado para que el producto sea de buena calidad.

MEMBRANAS PARA OSMOSIS INVERSA:

Una membrana para osmosis inversa debe ser adecuada para resistir presiones mucho mayores a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones.

Hasta hace poco las membranas más utilizadas eran de acetato de celulosa que podían trabajar de manera continua con cloro, aunque en contrapartida debían trabajar en medio acido para evitar su hidrólisis.

Actualmente se ha pasado a utilizar membranas de poliamida aromática que tienen una menor presión de operación y, por consiguiente, disminución de la energía. Además, se obtiene una mejor calidad de producto y no está condicionada por PH específico.

Las membranas que se fabrican actualmente se montan dentro de tubos horizontales de diámetros normalizados llamados módulos que mejoran su rendimiento y limpieza, minimiza la polarización, son más compactos y facilita su sustitución.

VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LAS MEMBRANAS:

En la práctica las condiciones varían para cada instalación por lo que conviene conocer cómo esa variación influye en las características de funcionamiento de las membranas. 

Variación de la temperatura

En todo sistema de osmosis inversa hay temperaturas máximas y mínimas de operación impuestas por la propia membrana. El límite inferior es 0ºC en todas las membranas. El límite superior ronda los 35-45ºC. Estos límites se establecen para prevenir los posibles problemas como la rápida hidrólisis de las membranas de acetato de celulosa, fallos de adherencia en membranas espirales, grietas en la hoja del tubo y una compactación excesiva en todas las membranas.

El funcionamiento óptimo normalmente se establece a una temperatura de 24 a 27ºC, aunque estas temperaturas pueden ser perjudiciales en caso de contaminación bacteriológica puesto que favorecen el desarrollo de ella.

Si la temperatura se mantiene constante también lo hace la productividad. Al aumentar la temperatura también lo hace el caudal. Esto se debe principalmente a la menos viscosidad del agua y por tanto su mayor difusión a través de la membrana.

También tiene lugar un descenso en el rechazo de sales, que se debe a un efecto dilatador del agua en la membrana, a un incremento de la solubilidad de la sal en la membrana, o a ambos. Al refrigerar el agua se puede aumentar la presión, la conversión y se mejora la calidad del agua producto.

Variación de la presión

El efecto de la presión en la conductividad total de la membrana es el resultado de la suma de la productividad instantánea y de la compactación.

Normalmente la productividad es siempre mayor operando a alta presión que a baja presión, pero a lo largo del tiempo el aumento de la presión de operación produce una compactación de la membrana que a su vez reduce el caudal, en ocasiones hasta un 25%.

Pero la presión también influye sobre la conductividad del agua producto, pues al aumentar el flujo a través de la membrana disminuye la conductividad. El rechazo de sales, por su parte, sigue una trayectoria creciente curvilínea hasta alcanzar un tope en el que se estabiliza. Pero además en el paso del agua por las membranas o tubos de presión se produce una caída de presión o pérdida de carga que reduce la presión neta que se aplica a cada membrana.

Mientras la presión de alimentación influye en los dos parámetros principales de la ósmosis inversa, productividad y conductividad del agua producto, la caída de presión afecta la estabilidad mecánica del equipo. Si ésta es elevada se producen daños en la membrana.

Aunque ni el flujo (paso) de sales, ni el gradiente de concentración a través de la membrana están directamente afectados por un cambio en la presión de alimentación, existe un efecto indirecto de la presión en la concentración de sales del agua producto.

Si la presión de reduce, pasa menos agua a través de la membrana mientras el paso de sales permanece constante, con lo que hay más sal por unidad de volumen de agua producto y en consecuencia mayor salinidad en ésta.

Con los avances logrados en el campo de la investigación han ido apareciendo membranas que trabajan cada vez a menor presión y con un caudal y rechazo de sales aceptable.

Tanto el ensuciamiento como la precipitación están relacionados con el flujo de la membrana y se aceleran ampliamente por efecto de la polarización de la concentración en la superficie de la membrana. Al forzar la presión para aumentar el flujo, se nota al poco tiempo un descenso en éste.

Variación del pH

El rechazo de sales de las membranas depende en cierta medida del pH, pues cada material tiene un pH al que el rechazo es máximo. No todas las membranas reaccionan de igual forma a la variación del pH del agua de alimentación.

Las membranas de acetato de celulosa son muy sensibles a estas variaciones, de forma que sólo pueden actuar entre valores de pH de 4 a 7 de una forma continua, y durante periodos reducidos, como ocurre durante el lavado, pueden separarse ligeramente de estos pH.

Fuera de esos valores recomendados de pH las membranas se hidrolizan y pierden por tanto de forma irreversible sus características. La membrana de poliamida, menos sensible, funciona sin mayores problemas trabajar entre valores del pH de 4 a 11 y durante periodos cortos soporta valores de pH de 3 o de 12.

La flexibilidad de ambas membranas es bastante distinta y por tanto los cuidados que hay que tener con una y otra son también diferentes. Pero el que una membrana pueda funcionar dentro de un rango de valores de pH determinados, no significa que sea igualmente eficiente a todos ellos.

Normalmente hay un valor óptimo de pH al que la membrana tiene el mayor rechazo de sales y por tanto conviene trabajar lo más cerca posible este valor. A medida que nos separamos de este valor el rechazo de sales se deteriora y, por tanto, en igualdad de las restantes condiciones de temperatura o presión la calidad del agua producto es inferior.

Sin embargo, a pesar de ello, por las características del agua de alimentación, en determinadas circunstancias puede interesar trabajar un pH distinto del óptimo de la membrana. Una evaluación económica de los costos de ellos debe decidir si se puede trabajar a ese pH aun sacrificando un poco la calidad del agua producto.

APLICACIONES DE LA OSMOSIS INVERSA:

Como ya ha sido indicado, las aplicaciones industriales de los diversos procesos de separación son muy numerosas y abarcan campos muy diferentes. En general, se desarrollan inicialmente en el campo de la extracción de particular y sustancias macromoleculares, así como en el tratamiento de aguas de consumo y en la depuración de aguas residuales.

Pero las aplicaciones actuales se han dilatado de tal forma, que se extienden por casi todos los campos de la actividad industrial. A continuación, se da un listado de las aplicaciones de la ósmosis inversa.

• Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor.
• Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento.
• Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas (pretratamiento de Desionizador).
• Agua como insumo (Bebidas / Farmacéutica / Alimentos).
• Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar.
• Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración.
• Reciclaje / Obtención de insumos (Concentrador).
• Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos.
• Minería y sus procesos.

ECUACIONES BÁSICAS Y PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS:

Como ya se mencionó, la ósmosis inversa es el proceso mediante el cual se revierte el flujo de moléculas de agua a través de la membrana semipermeable, como resultado de aplicar presión a la solución de mayor concentración.

Es posible entonces obtener agua pura a partir de una solución de alta concentración a través de un método mecánico.  

La configuración básica del esquema de flujos de una membrana de ósmosis inversa, que consta de tres flujos principales: alimentación de agua bruta previamente presurizada por la bomba de alta presión (subíndice a), producto o permeado de baja concentración de sales (subíndice p) y flujo concentrado de rechazo (subíndice r). De aquí en adelante, la inicial Q significa caudal, la C concentración salina, P es la presión absoluta y π es la presión osmótica de una solución salina. De tal forma, tendremos la siguiente nomenclatura, detallada en el gráfico siguiente:

Porcentaje de recuperación (Y): Cociente en tanto por ciento del caudal de permeado obtenido en función del de alimentación.

Este porcentaje varía lógicamente en función de la calidad del agua bruta introducida, siendo de un 35 a un 50% en el caso de aguas marinas y mucho mayor en el caso de aguas salobres, hasta el 80% de conversión.

Porcentaje de rechazo de sales (R): Cociente porcentual entre la concentración eliminada y la concentración de aporte en la membrana.

El porcentaje de rechazo de las membranas puede superar el 99%, con lo cual la concentración del permeado baja de las 500 ppm (partes por millón) de TDS en cualquier caso.

Porcentaje de paso de sales (PS): Cociente porcentual entre la concentración producto y la concentración inicial.

Como consecuencia de lo explicado anteriormente, el porcentaje de paso de sales en una membrana de ósmosis inversa es siempre menor del 1%.

Factor de concentración (F): Es el cociente entre las concentraciones del rechazo y de aportación.

Este factor es relación directa con el porcentaje de recuperación de la membrana, a través del balance de materia de esta. Un valor mayor de 1.5 es lógico en membranas de agua marina, y puede llegar a 4 en el caso de aguas salobres.

Las concentraciones del producto y del rechazo pueden también calcularse en función de parámetros definidos anteriormente: 

Las ecuaciones básicas que rigen el comportamiento del proceso son:

Balance de agua 

Como ejemplo, para una instalación de ósmosis inversa de agua marina con 10.000 m3/día de capacidad, suponiendo una conversión del 45% tenemos 4.500 m3/día de permeado y 5.500 m3/día de rechazo.

Balance de sal

Siguiendo el ejemplo anterior (una conversión del 45%), si la concentración del permeado obtenida fuera de 300 ppm, y la concentración del agua marina a la entrada de la instalación de ósmosis inversa es de 35.000 ppm de TDS, el concentrado de la salmuera tirada al mar es de 63.400 ppm de total de sólidos disueltos.

Ecuación de flujo de solvente (agua)

El caudal por unidad de superficie se comprueba que es proporcional al gradiente de presión efectiva aplicada a la membrana, es decir, restando la presión osmótica que sufre la membrana con dos soluciones de distinta concentración.

Donde A es el coeficiente de permeabilidad al solvente típico de la membrana, de valor típico cercano a 0.02 m3/d m2 bar, es la diferencia de presión entre los lados de la membrana y la diferencia de presión osmótica entre dichos lados de la membrana. Como se ha comentado anteriormente, es necesaria una diferencia de presión mucho mayor que la osmótica (nunca mayor de 30 bar para la concentración del agua de mar) para poder obtener permeado, con lo que la diferencia entre ambas puede llegar a ser mayor de 40 bar para aguas marinas.

Ecuación de flujo de soluto (sales)

El flujo de soluto a través de la membrana es la suma de dos contribuciones. La primera es la contribución de la difusión molecular de naturaleza proporcional al gradiente de concentraciones a ambos lados de la membrana , y la segunda se debe al fenómeno de arrastre del solvente.

Donde B es el coeficiente de permeabilidad de la membrana al soluto, cuyo valor típico puede ser 0.003 m3/d m2, M es un coeficiente de acoplamiento de valor 0.005 para todas las membranas. Cm es la concentración del soluto en la superficie de la membrana, que puede calcularse dividiendo las ecuaciones anteriores:

Hay que tener en cuenta que el fenómeno de polarización que sufren todas las membranas, debido a la baja velocidad de la solución aportada en sus cercanías, hace incrementar el valor de la concentración Cm con respecto a la concentración media de la solución aportada 

CONCLUSIONES

La Ósmosis Inversa, es una operación muy importante dentro de la industria ya que gracias a ella se logran varios procesos que con algún otro método sería muy costoso, difícil o quizás imposible de conseguir, por lo que estamos ante una operación con mucho futuro que es amigable con el medio ambiente y tiene muy bajo costo con relación a los demás métodos.

La salinidad del mar es debida a la disolución de las sales y los minerales de las rocas que van disolviendo los ríos en su transcurso al mar. Si no existiese ningún mecanismo de regulación, actualmente los mares tendrían una salinidad tan elevada que sería imposible que existiese vida en ellos. Los patrones de regulación de la salinidad en el mar son desconocidos, pero se cree que los propios organismos regulan su concentración.

Los procesos actualmente más utilizados son los de evaporación súbita y los de ósmosis inversa, siendo el primero de ellos el responsable del 51% de la producción total de agua desalinizada. La producción para plantas con capacidad superior a los 4.000 m3/día se debe en un 74% a plantas de evaporación súbita, mientras que las plantas de ósmosis inversa representan el 18%.