Aplicación del proceso de ósmosis inversa al tratamiento de agua salobre. Estudio técnico-económico

Introducción 1. INTRODUCCIÓN El agua dulce es un recurso finito, indispensable para la vida y el desarrollo socioeconómico de la humanidad, cuya gestión y utilización sostenible se está convirtiendo en una prioridad ineludible. En la pasada Cumbre Mundial sobre el Desarrollo Sostenible –Johannesburgo, 25 de Agosto al 4 de Septiembre de 2002-, que congregó aproximadamente a 60.000 personas de todo el mundo: delegaciones de 180 países, más de 100 jefes de gobierno y la sociedad civil representada aproximadamente por mas de 6.000 ONG, se puso de manifiesto la importancia y necesidad de abordar con seriedad y con criterios de sostenibilidad el problema del agua. Algunos datos que dan una idea de la importancia del agua dulce y de la necesidad imperiosa de resolver los gravísimos problemas que se plantean en la actualidad son los que se muestran a continuación. Recursos de agua dulce • Los recursos de agua dulce renovables del planeta, es decir los asociados al ciclo hidrológico, se estiman en 42.785 km3 anuales. • Se establece que solamente 12.000 km3/año, es decir, el 28% de los recursos hídricos renovables, pueden son susceptibles de ser aprovechados técnicamente y que, por tanto este valor es el que recoge los recursos hídricos renovables realmente utilizables. Esta cifra puede verse reducida a unos 7.000 km3/año si se tiene en cuenta que algunos ríos muy caudalosos, como por ejemplo el Amazonas, se encuentran en zonas con una densidad de población muy baja. • Actualmente el consumo de agua dulce en todo el mundo se calcula que es de aproximadamente 4.500 km3/año y se estima que para el año 2025 se alcance el valor de 5.200 km3. Es decir, en las próximas dos décadas la humanidad llegará a consumir entre el 61% y el 74% de todos los recursos de agua disponibles. Acceso al agua • Aproximadamente el 20% de la humanidad carece de acceso a agua con unas mínimas condiciones de salubridad y seguridad. • La distancia promedio que una persona en África tiene que recorrer diariamente para recoger agua (tarea que habitualmente desempeñan las mujeres) es, aproximadamente de 6 km. Disponibilidad de agua • Aproximadamente un tercio de la población mundial habita regiones que sufren estrés hídrico y se estima que para el año 2025 dos tercios de la población mundial se encontrará en esa situación de estrés hídrico. Introducción Distribución de agua • El 12% de la población mundial consume el 85% del agua. Un habitante en el oeste de la India consume aproximadamente 10 litros de agua al día de media, sin embargo en USA el consumo de agua por cápita es de 700 litros por habitante y día, en Europa es de 140 y en España de 260. Contaminación y saneamiento del agua • 3.000 millones de habitantes carecen de un buen sistema de saneamiento de agua y el 50% carece de un sistema de saneamiento seguro. El nivel de sólidos en suspensión en los ríos de Asia es actualmente casi 4 veces mayor que el nivel de 1970. • Se estima que la mitad de los enfermos hospitalizados en el mundo, sufren enfermedades relacionadas con un deficiente sistema de suministro y saneamiento de agua. • En Latinoamérica solamente el 2% de las aguas residuales reciben algún tipo de tratamiento. Utilización del agua • El 70% del agua dulce mundial se utiliza en agricultura, y se espera que el consumo de agua en agricultura se incremente considerablemente en los próximos años. • Con respecto a la demanda de agua en grandes ciudades, el uso municipal e industrial del agua ha crecido 24 veces en el último siglo, y se estima que ara el año 2025 la población urbana en el mundo rondará los 5.000 millones de habitantes, siendo actualmente de casi 3.000 millones. • Un tercio de la población mundial se abastece con agua subterránea y es la única fuente de suministro para muchos habitantes de las regiones rurales. Movilización de recursos financieros • La inversión total en servicios de agua hoy en día, excluyendo la inversión directa de la industria, es aproximadamente de 70.000 – 80.000 millones de € anuales. • El mayor inversor en servicios son los gobiernos (aprox. 50.000 millones €). • El sector privado (que abarca desde pequeños suministradores hasta plantas para servicios municipales y metropolitanos) contribuye con aproximadamente 15.000 millones de €. El imperativo de una buena gestión y utilización del agua se ha puesto de manifiesto de nuevo, en el Tercer Foro Mundial del Agua, celebrado recientemente en Japón entre los días 16-23 de Marzo de 2003, en el que se ha constatado que si no se ponen en marcha actuaciones decididas por parte de las administraciones, organizaciones y asociaciones internacionales el uso de este recurso puede provocar graves disputas sociales, que de hecho ya se están dando en distintas regiones del planeta. Introducción España no es una excepción y, aunque afortunadamente se está muy lejos de llegar a una situación dramática, actualmente estamos viviendo la fuerte controversia y polémica política y social que se ha generado alrededor del Plan Hidrológico Nacional, aprobado por el Parlamento Español el 5 de Julio de 2001, que tiene previsto trasvasar 1.050 hm3 anuales de agua desde la cuenca del Ebro hasta las Comunidades Autónomas de Cataluña, Valencia, Murcia y Andalucía. España, en su conjunto, no es deficitaria en recursos hídricos (2.775 m3/hab. y año, casi tres veces la cantidad mínima establecida por la ONU para que una sociedad pueda desarrollarse adecuadamente) pero su distribución es muy irregular. Hay zonas de la península con un claro déficit de agua, principalmente en las zonas costeras del Levante y del Sur, así como en los dos archipiélagos principales (Baleares y Canarias). Dichas zonas coinciden con ser las que sufren una mayor presión turística, especialmente en la época de verano, cuando además del consumo humano, el agua consumida para riego de cultivos y de las zonas ajardinadas se incrementa considerablemente. Ello supone unos picos de demanda difícilmente soportables por la infraestructura hidráulica actual (especialmente en zonas insulares). La situación en el área mediterránea (sur de Francia, Italia, Grecia, el Norte de África) es de una problemática similar ó incluso peor a la española, y zonas más alejadas de nuestro ámbito (el sur de EEUU, todos los archipiélagos del Caribe y por supuesto Oriente Medio y Norte de África) sufren una escasez crónica gravemente preocupante actualmente y en un futuro no lejano. Afortunadamente hay una fuente alternativa de agua lo suficientemente grande como para satisfacer sobradamente las necesidades de la humanidad de una forma casi indefinida: los mares y océanos. Con la tecnología actual el agua del mar se puede desalar con un grado de calidad y cantidad muy alto. Sin embargo, el proceso de desalación requiere una gran cantidad de energía, que en la actualidad procede mayoritariamente de los combustibles fósiles. La desalación constituye actualmente uno de los principales métodos de aumentar los recursos de agua dulce en varias regiones del Planeta, incluida la Unión Europea y, dentro de ésta España y los países mediterráneos. 1.1. SITUACIÓN DEL AGUA El agua es el elemento más abundante en la naturaleza. En el mundo, hay aproximadamente 1370 millones de kilómetros cúbicos de agua. Solo una parte de estos recursos, 35 millones de kilómetros cúbicos (equivalentes a un 2,5 %), corresponde a agua dulce entre ríos, lagos, y agua subterránea, mientras que el resto es agua marina, subterránea salobre y otras. Además de ser el elemento más abundante el agua es imprescindible para todos los seres vivos, y el mayor constituyente de los mismos. Así, en el conjunto de los seres vivos, el agua constituye aproximadamente el 80 % de sus componentes, si bien en los animales superiores la proporción de agua se reduce ligeramente hasta un 60-70 %. Obviamente la distribución de esta masa de agua dulce en la Tierra es muy heterogénea, existiendo regiones del mundo que están ampliamente dotadas, mientras otras zonas están sometidas a sequía, siendo incluso imposible mantener la superficie de seres vivos en ellas. De forma que se puede decir, sin que constituya una exageración, que los recursos hidráulicos disponibles en el mundo son relativamente escasos, sobre todo si se Introducción ponen en relación con la población o con las demandas de otro tipo (tipo agrario, industrial) y lo que es peor, están muy irregularmente distribuidos. 1.2. PROPIEDADES DEL AGUA RELACIONADAS CON LA DESALACIÓN Las características del agua que se va a tratar mediante desalación determinan en buena parte el proceso más adecuado a utilizar así como los pretratamientos a emplear. Estas características se refieren como es natural al contenido salino, pero abarcan además muchos otros componentes. La primera gran clasificación que suele hacerse es distinguir entre agua de mar y aguas salobres. 1.2.1. Características del agua de mar Características físicas a) Sólidos en suspensión Los sólidos en suspensión (SS) o materia en suspensión están presentes en el agua y se determinan por gravimetría. Este procedimiento no distingue entre los sólidos de origen inorgánico o los orgánicos (microorganismos como bacterias, algas, etc.). Para la materia orgánica existen hoy día determinaciones como el Carbono Orgánico Total (COT) La cantidad de sólidos presentes está muy relacionada con el tipo de captación o toma de agua de mar. Las tomas abiertas pueden ejecutarse mediante emisario de captación, que se introducen unos cientos de metros en el mar, o bien en balsas de decantación, en las que se retiene el agua de mar para permitir la sedimentación de las partículas de cierto tamaño. En estos casos el agua mantiene un alto contenido en sólidos no sedimentables (se mantienen en suspensión) que suelen presentar problemas en las plantas, especialmente en las membranas, por la tendencia a colmatar o taponar las mismas. Otra manera de realizar la captación es mediante un pozo costero o pozo playero, siempre que el terreno permita la perforación. En estos casos, el propio terreno permita la perforación. En estos casos, el propio terreno permeable actúa como prefiltración, por lo cual el agua obtenida e bombas tienen mucho menor contenido en sólidos y biomasa, manteniendo naturalmente la salinidad. Una manera muy frecuente de estimar la tendencia al ensuciamiento de membranas s mediante el denominado “Índice de ensuciamiento” (SDI), que es una determinación realizada de forma totalmente empírica, ya que no tiene una base racional. Consiste en la medida de tiempos de filtración, a través de un filtro de 0,45 µm, de cantidades de 500 ml, realizadas a intervalos de 15 minutos y a una presión fija de 2 bar. La medida de SDI viene definida por la relación 15 1001 2 1       − =t t SDI donde t1 y t2 son los tiempos de filtración inicial y final tras 15 minutos. Introducción Los valores de SDI aceptables en membranas de ósmosis inversa son menores de 5 y preferentemente menores de 3. b) La temperatura La temperatura de agua de mar es un factor de cierta relevancia, que afecta especialmente al crecimiento biológico de los microorganismos, y por tanto tiene un efecto indirecto en el funcionamiento de la planta. En zonas de costa en que hay variaciones relevantes de temperatura entre invierno y verano, esto puede constituir un serio problema, y es motivo de atención para los operadores. Características químicas La tabla siguiente muestra la composición del agua de mar estándar. Tiene una cantidad de sólidos totales disueltos (STD) alrededor de 34500 mg/L. Las aguas de zonas cálidas debido a la mayor evaporación desde el mar, presentan una salinidad ligeramente superior a la media, como en la Península Arábiga, que alcanzan los 42000 mg/L de STD. Agua de mar estándar (mg/kg) Sulfato 2648 Cloruro 18979 Bicarbonato 139,7 Bromuro 64,6 Fluoruro 1,3 Calcio 400,1 Magnesio 1272 Sodio 10556 Potasio 380 Estroncio 13,3 Borato 26 Sílice 0,02-4 Total sólidos disueltos 34483 Tabla 1. Composición de agua de mar estándar Introducción Características microbiológicas El contenido microbiológico del agua de mar también merece atención, muy especialmente cuando se trabaja en una desaladora mediante procesos de membranas. Los microorganismos presentes en el agua bruta tienden a formar biopelículas (biofilm) sobre las superficies por las que van pasando, de forma que pueden llegar a formarse agregados de importancia. Esto trae consigo el fenómeno de ensuciamiento biológico (biofouling) que produce atascamientos y la consiguiente pérdida de carga en las membranas, y en definitiva una reducción de la producción del agua. Se han realizado mediciones que demuestran que un elemento de membrana con crecimiento biológico puede alcanzar un peso doble de su peso original. 1.2.2. Características de las aguas salobres Las aguas salobres presentan notables diferencias respecto al agua de mar. En primer lugar habría que aceptar un criterio para definir las aguas salobres. Se suele aceptar que son las aguas de salinidad hasta 10000 mg/L STD aprox. Aunque este limite no es estricto, lo cierto es que a efectos de desalación, las aguas de contenido salino por encima de esta cifra se suelen tratar como agua de mar. Las aguas salobres proceden habitualmente de pozos o galerías subterráneas. Con frecuencia los pozos perforados en zonas próximas a la costa, producen aguas de alto contenido salino, similar al agua de mar. Es menos frecuente el caso de aguas salobres de origen superficial, por ejemplos ríos salinizados. Características físicas Las que cabe destacar son los sólidos en suspensión, que suelen ser menores que en agua de mar, dado que el terreno actúa de medio filtrante. En este sentido la medida de Índices de ensuciamiento (SDI) es menos habitual. Respecto a la temperatura, suele ser relativamente estable, dado el carácter regulador de los acuíferos subterráneos. En determinados tipos de suelo, es frecuente encontrar anomalías térmicas en forma de temperaturas elevadas en las aguas subterráneas. Respecto a la conductividad eléctrica (CE), es una propiedad derivada de la capacidad de los iones disueltos en el agua para conducir la corriente eléctrica, y se utiliza con frecuencia como indicador indirecto de la salinidad. Características químicas Podría decirse que la característica principal de las aguas salobres es su variedad. Así como el agua de mar mantiene una concentración poco variable, y unas proporciones estables, las características de las agua subterráneas dependen mucho de la geología del terreno en que se hayan filtrado o almacenado. Por eso aparece la variedad de aguas cálcicas, magnésicas, férricas, bicarbonatadas, etc. En esta agua, las proporciones de los distintos componentes presentes no se mantienen constantes, como el agua de mar, sino que hay predominio de algunos de ellos. Esto obliga a realizar análisis de cada posible fuente de agua bruta, y conocer muy bien sus peculiaridades. Introducción Entre las características a destacar figura el pH, que puede presentar valores muy diversos dependiendo del terreno (contenido en CO2 disuelto, bicarbonatos, etc.). Las proporciones variables de calcio, magnesio, carbonato, sulfato, etc., hacen que la tendencia a formar incrustaciones sea distinta en cada tipo de agua. Especial atención debe prestarse a la sílice, habitualmente en forma coloidal, y que tiene grado de un punto de solubilidad reducido, fácilmente alcanzable en la concentración de la salmuera. En otros casos, la presencia de cantidades apreciables de hierro y manganeso puede presentar problemas de insolubilidad, ya que sus formas oxidadas precipitan con facilidad. Desde luego deben separarse como parte del pretratamiento antes de una unidad de membranas. El bario es otro elemento que puede aparecer, y que es asimismo poco soluble La siguiente tabla muestra un ejemplo de análisis de agua salobre (correspondiente a un pozo de Gran Canaria, zona sur) con un contenido de STD próximo a 6700 mg/L. Agua de pozo, mg/L Sulfato 399 Cloruro 3960 Bicarbonato 261 Calcio 608 Magnesio 671 Sodio 850 Potasio 92 Sílice 50 Sólidos totales disueltos 6699 Tabla 2. Ejemplo de análisis de agua subterránea Otro caso distinto es el de las aguas de río, que pueden requerir atención especial, por la presencia de contaminantes debida a vertidos. Productos orgánicos (derivados de industria alimentaria,...) o inorgánicos (residuos de abonos, nitratos, ...) o presencia de metales pesados procedentes de la industria, merecen un estudio específico del pretratamiento. Características microbiológicas Desde el punto de vista microbiológico, las aguas subterráneas suelen estar más libres de contaminación que el agua de mar. Esta condición general puede verse afectada por la presencia de vertidos contaminados (lixiviados de vertederos) en las proximidades. Introducción 1.3. SITUACIÓN DEL AGUA EN ESPAÑA Ciñéndose al caso de España y su comparación con los países del entorno europeo, las captaciones hidráulicas son de nivel medio, si se comparan con otros países del entorno europeo. Así por ejemplo, la dotación media española para uso domestico (100 m3/p/año) es comparable a la de Alemania y mayor que en el Reino Unido (40 m3/p/a) pero el enorme problema es la desigual distribución de esos recursos, como veremos: − La captación media en España (837 m3/p/a) es comparable o superior a la de otros países europeos (por ejemplo Bélgica con 877), e incluso mayor que algunos (por ejemplo Alemania con 712, y Reino Unido con 201). − En cuanto a la distribución porcentual de los usos, el uso agrario es mayoritario en algunos casos (hasta un 62% en España, 59% en Italia) mientras es menor en otros como Alemania (18%) o Reino Unido (3%). − Una posible explicación para esto es que hay países con menos agricultura de regadío, puesto que los cultivos agrarios se surten directamente de las precipitaciones, sin necesidad de captaciones posteriores. − Respecto a las dotaciones de agua, en España la cantidad destinada a uso domestico es comparable a la de los Países Bajos o a la de Alemania, lo cual llama la atención. − En cuanto al consumo industrial, España tiene unas dotaciones similares a los casos de Irlanda o Italia. − Y en el caso del consumo agrario, vemos que el español (519 m3/p/a) es uno de los mayores de Europa, por encima de Alemania (128) y Países Bajos (167). 1.4. HISTORIA DE LA DESALACIÓN La historia de la desalación a media y gran escala comienza en los años 1930. En esa época se comenzaron a utilizar evaporadores ME sobre buques, concretamente en las Antillas Holandesas, con 2 o 3 efectos, y desde luego de baja eficiencia. Durante los años 40 se hicieron algunos ensayos de evaporadores de comprensión de vapor, utilizando una bomba de calor a modo de compresor. Ya en los años 1950 se comenzaron a utilizar evaporadores MSF en buques de la marina norteamericana, con una temperatura máxima de salmuera de 77ºC. En 1953 Reid realizó los primeros ensayos de membranas de ósmosis inversa en la Universidad de Florida, mientras en 1955 se aplicaba la electrodiálisis a las aguas salobres. 1957 marca un hito al solicitarse de forma simultánea la patente de un modulo MSF con un alto numero de etapas por Silver y Frankel. La primera planta de estas condiciones se instaló en 1960 en Kuwait, con dos unidades de 19 etapas y una producción de 4560 m3/día. Los años 1958 a 1960 también fueron importantes para las ósmosis inversa, puesto que en la Universidad de California en Los Ángeles, Loeb y Sourirajan desarrollaban la membrana que resultó e antecedente inmediato de los módulos comerciales. Esta membrana se comenzó a aplicar a aguas salobres en los años 60, mientras que en 1956 se desarrolló el modelo de solución-difusión para la transferencia de materia a través de la membrana de ósmosis inversa. Introducción En los años 70 se comenzó a utilizar la comprensión de vapor de forma comercial, con consumos energéticos de hasta 22 kWh/m3, mientras que hacia 1978 se construyó la primera gran planta de OI para agua de mar, en Jedda, Arabia Saudí. Ya en los años 80, mientras la ósmosis inversa va ganando en capacidad instalada y aplicaciones, se instalan unidades ME de 9500 m3/d en las Islas Vírgenes, mientras construyen las grandes unidades de MSF, con capacidades unitarias de hasta 23700 m3/d. Las mayores unidades de ME construidas en el mundo hasta ahora se encuentran en Canarias, con dos módulos de 17500 m3/día cada uno. Procesos de desalación desalación. La primera planta de evaporación MED a escala comercial fue instalada hacia 1930, con 3 efectos. En una instalación típica de evaporación multiefecto de las utilizadas hoy día, el proceso de destilación tiene lugar en efecto. Cada efecto constituye un evaporador-condensador de tubos, en el que se introduce vapor por el interior de los tubos del haz intercambiador. Este vapor condensa, y la energía cedida se transfiere hacia el exterior de los tubos, donde se utiliza para evaporar parte del agua de mar que fluye por el exterior. Este caudal de agua de mar, previamente precalentado, se ha rociado mediante pulverizadores. El vapor producido habrá de condensarse en el siguiente efecto, mientras el condensado interior formará parte del producto de la planta. Figura 5. Esquema de un efecto horizontal de evaporación El conjunto del evaporador opera en serie de efectos, según el diagrama de flujo de la figura 6. Consiste en un número n de evaporadores de tubos horizontales, representando los efectos, además de una serie de precalentadores de alimentación, bombas y auxiliares. La alimentación, que es parte del agua de refrigeración del condensador, se precalienta en este y luego se pretrata químicamente antes de entra a la serie de precalentadores. Esta alimentación de un solo paso entra al primer efecto a una temperatura ligeramente subenfriada después de haber sido sucesivamente calentados en los precalentadores de alimentación. Figura 6. Esquema del proceso MED Procesos de desalación La fuente de energía del sistema es vapor vivo a la temperatura que entra al primer efecto donde condensa antes de ser devuelto a la caldera o mezclarse con el agua producto. El calor de cambio de fase cedido por el vapor vivo se utiliza para elevar la temperatura de la alimentación hasta la de ebullición, y para evaporar parte de aquella. El vapor que se genera en el primer efecto se introduce en el primer precalentador de alimentación donde condensa parcialmente y luego en el segundo efecto donde condensa y produce vapor en casi la misma cantidad que la entrada de vapor. En todos los efectos hay una cierta cantidad de vapor producido por flash, al pasar la salmuera a un efecto de menor presión. Este proceso se repite hasta el último efecto. El vapor producido en este último se introduce en el condensador final donde condensa y se mezcla con el producto o destilado. La parte de salmuera no evaporada en el primer efecto se pasa en cascada al segundo como alimentación, así hasta el último La salmuera del último efecto se descarga como rechazo al mar. El destilado de cada efecto se va uniendo a los anteriores para formar el total del producto. El paso de salmuera, y del destilado acumulado, de un efecto a otro va acompañado de evaporación súbita (flash) debido a la reducción de presión. Así, la parte de salmuera que abandona el efecto y a la temperatura de ebullición correspondiente, se evapora por flash cuando se encuentra expuesta en el siguiente efecto (a una temperatura de saturación menor), al reducir su temperatura y forma parte del destilado (producto). Respecto al vapor vivo o vapor de calefacción, este puede provenir exclusivamente de fuentes externas (una turbina y otras fuentes de baja presión) o bien puede resultar de la mezcla de vapor externo con vapor de baja presión extraído de algún efecto intermedio del propio evaporador. En este último caso se utilizan eyectores que realicen la mezcla y el equilibrado de presiones y temperatura entre ambas corrientes. Proceso de compresión de vapor El sistema incluye un compresor interno, que se ocupa de aumentar la presión y temperatura del vapor producido en el evaporador. A diferencia de los procesos anteriores, un sistema de compresión de vapor suele ser de simple efecto, y en algunos casos de doble efecto. El proceso tiene una aplicación comercial desde los años 70, y existen dos variantes en cuanto al tipo de compresor: compresión mecánica y térmica, según se utilice electricidad o vapor de baja / media presión. En estos sistemas, existe una cierta limitación en cuanto a capacidad, como veremos, debida precisamente al compresor. Por otro lado, estos dispositivos presentan la desventaja de una elevada demanda de la energía debida al consumo energético del propio compresor. El proceso de compresión mecánica de vapor, es el que habitualmente se utiliza para la desalación, aunque existe algún caso excepcional de compresión térmica. La diferencia fundamental estriba en el compresor propiamente dicho, y no afecta al resto del sistema (evaporador-condensador). El proceso de compresión de vapor puede describirse con ayuda del diagrama de flujo representado en la siguiente figura. Procesos de desalación Figura 7. Diagrama de flujo del proceso de comprensión de vapor La alimentación de agua de mar pasa por un pretratamiento sencillo, que se suele limitar a una filtración de sólidos y dosificación de un antiincrustante, para las temperaturas moderadas a las que se suele operar. A continuación, el agua de mar pasa por uno o varios precalentadores, para elevar su temperatura hasta un nivel próximo al de evaporación. Para ello se aprovecha el calor de las corrientes de producto y de salmuera. Se suelen utilizar intercambiadores de calor de placas corrugadas, muy eficientes, en vez de los de carcasa y tubos. Una vez precalentada, el agua de mar se pasa como refrigerante a un condensador auxiliar, de carcasa y tubos. Este condensador recibe por el lado de carcasa a la masa principal de salmuera. Al operar en vacío, con ayuda de una bomba mecánica, se extraen de salmuera los gases no condensables, como el aire disuelto, que son perjudiciales en cuanto reducen la transmisión de calor en el evaporador. El agua de mar pretratada se mezcla con una parte de la salmuera de rechazo, y esa mezcla se introduce en el evaporador, mediante boquillas de dispersión, a fin de conseguir una pulverización del agua de alimentación sobre los tubos del evaporador. Por el lado exterior de estos tubos, la alimentación se calienta hasta su temperatura de ebullición y se evapora parcialmente. La energía necesaria proviene del interior e los tubos, donde hay vapor de calefacción que esta condensando a una temperatura de saturación ligeramente superior a la del exterior. El vapor que se ha generado se aspira a través de un conducto hacia el compresor, donde aumenta ligeramente su presión y temperatura, y se descarga como vapor sobrecalentado al interior de los tubos del evaporador, donde actúa como medio de calefacción. Este vapor de descarga pierde su calor sensible por enfriamiento hasta la temperatura de saturación, y condensa desde la condición de vapor saturado hasta la de destilado o producto. La parte de la alimentación que no ha evaporado forma la salmuera o rechazo. Por lo tanto es en el compresor donde se genera la diferencia de temperatura y presión que hará posible la transferencia de calor. O dicho de otra formal, el vapor vivo necesario para la calefacción del evaporador es el propio vapor producido en el sistema, al cual se le comprime para darle el nivel energético necesario. El compresor mecánico Procesos de desalación es accionado por un motor eléctrico (alternativamente motor Diesel o turbina de gas) de forma que la energía externa utilizada en el proceso es eléctrica, y no en forma de vapor externo como en los caso de multietapa o multiefecto. El principal consumo de energía de este sistema reside precisamente en el compresor. Tanto el agua producto (resultado de la condensación del vapor en el exterior de los tubos) como la salmuera de rechazo se descargan del evaporador y van a los intercambiadores de calor para recalentar la alimentación. Este objetivo también puede conseguirse mediante una aportación auxiliar de calor exterior (calefacción eléctrica en unidades pequeñas, o vapor vivo externo si lo hay disponible). Evaporador solar La destilación solar consiste en la utilización de la energía solar para el proceso de destilación del agua de mar. Es el método ideal para producir agua en zonas áridas y muy aisladas del resto de poblaciones. A pesar de tener un coste energético nulo y escasa inversión necesaria, su baja rentabilidad reside en su escasa producción por metro cuadrado de colector al destilarse tan sólo unos litros al día en el caso de condiciones climatológicas favorables. Por lo tanto no se han desarrollado a gran escala en lugares con un consumo elevado de agua dulce. Hay varias formas de producir agua dulce usando la energía solar, como la destilación por colectores. El principio básico es el del efecto invernadero: el sol calienta una cámara de aire a través de un cristal transparente, en cuyo fondo tenemos agua salada en reposo. Dependiendo de la radiación solar y otros factores como la velocidad del viento ( que enfría el vidrio exterior ), una fracción de esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio. Como dicho vidrio está colocado inclinado, las gotas caen en un canal que va recogiendo dicho condensado evitando que vuelvan a caer en el proceso de condensación a la lámina inferior de salmuera. Aunque pueden utilizarse técnicas de concentración de los rayos solares apoyándose en lentes ó espejos ( parabólicos ó lisos ), no suelen compensar las mayores pérdidas de calor que ello acarrea y su mayor coste económico. Debe realizarse frecuentemente un vaciado y limpieza con objeto de evitar incrustaciones de sales y formación de colonias de microorganismos. Procesos de desalación Figura 8. Colector solar para destilación Pero la energía solar también puede ser la fuente de energía de un proceso de destilación, incluso de producción eléctrica para pequeñas instalaciones de ósmosis inversa. Por ejemplo, el uso de colectores de concentración parabólicos ( PTC ) puede usarse en procesos MSF ó MED dependiendo del coste de los colectores, que son los que determinan la producción de agua por metro cuadrado de PTC ( de media producen 10 m3 de agua dulce por m2 de colector ) y factores climáticos tales como el porcentaje del día en que la planta consume energía solar ( factor solar SF ). Como se puede ver el gran problema de estas instalaciones es que no evita la instalación convencional para producir agua dulce en circunstancias climatológicas adversas. Un reciente estudio de recopilación de plantas de destilación solar muestra que a escala mundial, este método no supera los 10.000 m3/día, generalmente con colectores parabólicos acoplados a pequeñas unidades MSF ó MED. Queda muy claro que estos métodos hoy por hoy no son competitivos económicamente, tan sólo en lugares aislados de suministro eléctrico y de agua es factible pensar en estas instalaciones. Cogeneración y plantas duales Las plantas duales son unas plantas desaladoras que producen agua y electricidad de manera simultánea. Estas instalaciones consisten en una combinación de central termoeléctrica para producción de electricidad y evaporadores que permiten desalar agua. Las plantas duales son un caso específico o una aplicación concreta de los sistemas de cogeneración de energía, también llamados sistemas de energía total (SET). El interés de estas instalaciones reside básicamente en que presentan una alta eficiencia energética, permitiendo un mejor aprovechamiento de los recursos. Esto implica otras ventajas derivadas. Las grandes instalaciones desaladoras en el mundo, situadas fundamentalmente en los países árabes del Golfo Pérsico, utilizan estas tecnologías de producción conjunta, puesto que las demandas que tienen también son combinadas, de agua y energía Procesos de desalación Pérdidas 68 4 6 eléctrica. En España, y concretamente en Canarias, las plantas duales también han jugado un papel relevante en el suministro de agua, y aun hoy lo continúan teniendo. Aunque las aplicaciones para suministro de aguas urbanas están limitadas a casos muy determinados, las plantas duales pueden ser de interés para otros sectores, como el industrial. Los sistemas de conversión energética, para disponer de energía útil, ya fuera electromecánica o térmica se han diseñado y construido tradicionalmente por separado. Esto quiere decir que para cada forma energética se utilizan instalaciones independientes. Los casos típicos son una central eléctrica y una caldera de producción de vapor para disponer de energía térmica. Los ciclos de cogeneración se analizan por comparación con el ciclo de producción termoeléctrica, que se considera el caso básico o de referencia. Es decir, se compara la producción dual de agua y electricidad con un ciclo de producción únicamente de electricidad. De forma general, el esquema siguiente muestra las ventajas en términos de eficiencia energética, y concretamente en ahorro de combustible. Mediante un sistema de cogeneración, se puede obtener la misma energía final (térmica más eléctrica) con un 35 % menos de energía primaria. Sistema convencional Sistema de cogeneración Figura 9.Comparación de sistema convencional y cogeneración 92 61 Central termoeléctrica ηc = 37% Caldera ηb = 90% Electricidad 30 Calefacción 55 58 Planta de cogeneración ηe=32 % ηt= 55 % Electricidad 30 Calefacción 56 Pérdidas 15 Procesos de desalación Una distinción que ha de hacerse es la diferenciación entre cogeneración y sistemas de energía total (SET). Los segundos se caracterizan por estar aislados de la red eléctrica, de forma que toda su producción energética, en cualquier forma, va directamente al usuario sin interconexión a la red pública. La actividad de cogeneración tiene una serie de ventajas e inconvenientes. Como ventajas se pueden citar: • El ahorro de energía primaria. • Reducción de contaminación ambiental. • Reducción de costes, puesto que las potencias o capacidades de los equipos son menores, además de que se comparten equipos auxiliares comunes. • Reducción de la potencia de reserva para las empresas eléctricas. Como inconvenientes: • Que la actividad de cogeneración esta muy determinada por el marco normativo y la estructura de precios vigente, que además puede ser variable en el tiempo. • Que se pueden presentar problemas de regulación de la red eléctrica, al estar recibiendo aportaciones de diversos orígenes, lo cual obliga a controlar las características de la energía entregada, en tensión y frecuencia. • Dificultades en el ajuste de ambas demandas, eléctrica y térmica. • Presencia de contaminación local ( en diversas industrias o centros de producción), en vez de estar centralizada en la central termoeléctrica. 3.1.2. Congelación Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura formados para fundirlos y obtener un agua dulce independientemente de la concentración del agua inicial. El agua de mar que se tiene que tratar es admitida en la cámara de congelación después de haber atravesado el intercambiador de preenfriamiento, en el cual se aprovechan las frigorías de la salmuera residual y del agua pura obtenida. En la cámara de congelación se absorben las calorías del agua salada por medio del circuito frigorífico principal, el cual se alimenta con freón-12 como gas refrigerador. Dicho circuito dispone de un compresor y una válvula de expansión. El gas de refrigeración entra en el compresor, saliendo de éste con mayor presión y temperatura. Después se hace pasar por el serpentín de la cámara de fusión, donde cede parte de su calor para fundir los cristales de hielo procedentes de la cámara de congelación. Después se expansiona básicamente, con lo que sufre un gran enfriamiento. Seguidamente y a baja temperatura, circula por los serpentines de la cámara de congelación cediendo frigorías al agua de mar y entrando después nuevamente en el compresor. Así pues, en la cámara de congelación se van formando cristales de hielo puro que serán conducidos a una torre de lavado y seguidamente a la cámara de fusión. Procesos de desalación La dificultad de este procedimiento radica en el lavado de los cristales, además de ser muy difícil de conseguir plenamente y sin rastro de sustancia salina, origina un gasto considerable de agua pura. Aunque pueda parecer un proceso muy sencillo tiene problemas de adaptación para su implantación a escala industrial, ya que el aislamiento térmico para mantener el frío y los mecanismos para la separación de los cristales de hielo deben mejorarse para que este proceso sea algún día competitivo, así como adaptar la tecnología a intercambiadores de frío. No se ofrecen datos del consumo específico de este proceso porque sólo existen experimentos de pequeña escala no extrapolables a la realidad. El proceso de congelación es un fenómeno natural que se contempla con mucha facilidad en nuestro Planeta, alrededor del 70% del agua dulce está contenida en los polos terrestres. La utilización de hielo de los polos para el consumo humano es muy poco conveniente para la conservación del equilibrio térmico del Planeta. 3.2. PROCEDIMIENTOS FISICO-QUÍMICOS Ósmosis inversa La ósmosis es un proceso natural que consiste en hacer pasar un líquido a través de una membrana semipermeable que deja pasar una proporción mayor de solvente que de sólidos disueltos. Imaginemos un recipiente en el cual se encuentran dos soluciones con los mismos constituyentes, formados por un solvente como el agua y un soluto como la sal, de manera que la concentración de sal en la zona de la derecha sea mayor que la de la zona de la izquierda. Figura 10. Recipiente con agua y sal. Cuando estas soluciones se ponen en contacto sucede un fenómeno llamado difusión que iguala la concentración de las dos soluciones. Esto significa que la sal se difunde desde la solución más concentrada hasta la solución más diluida, mientras que el agua lo hace en sentido contrario. Procesos de desalación Figura 11. Fenómeno de difusión. Ahora supongamos que separamos las dos soluciones con un a membrana que sólo deja pasar el agua. El agua continuará pasando de la solución menos concentrada de sal hasta la más concentrada. De esta manera se produce un aumento del nivel del agua, y este se para cuando la presión generada por el aumento del nivel contrarresta a la que hace que el agua atraviese la membrana. Si la solución menos concentrada en realidad fuera agua pura, la diferencia de alturas seria lo que llamaríamos presión osmótica. Figura 12. Presión osmótica. El proceso de ósmosis inversa consiste en invertir este proceso. Si a la solución concentrada le aplicamos una presión superior a la osmótica, la difusión del agua irá en sentido contrario y la sal continuaría sin poder traspasar la membrana. De esta forma, cada vez, la solución concentrada se hace más concentrada y la menos concentrada se hace menos concentrada. Este mismo proceso básico es el que sigue cualquier desaladora de ósmosis inversa. Figura 13. Proceso de ósmosis inversa. Procesos de desalación En el proceso industrial una bomba envía el agua salada hacía una membrana semipermeable manteniendo una presión constante. Una parte del agua atraviesa la membrana con una cantidad pequeña de sales, y otra parte del agua con una cantidad de sales muy superior se desecha. El agua desechada sale del proceso con una presión elevada y, por lo tanto, con un contenido energético alto que se recupera con una turbina. Figura 14. Recuperación de energía por medio de una turbina. Extracción Los procesos de extracción son procesos químicos que se fundamentan en la utilización de sustancias en las que, las sales contenidas en el agua de mar son totalmente insolubles, pero que, por el contrario, pueden fijar importantes cantidades de agua formando hidratos. Esta propiedad de fijación del agua es común a toda una serie de compuestos que contienen uno o varios átomos electronegativos, como Nitrógeno u Oxígeno, susceptibles de crear puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. Se forman así hidratos líquidos o sólidos en función de cual sea la sustancia utilizada en la extracción. − Extracción por formación de hidratos líquidos Se emplean una mezcla de disolventes a base de dietilamina y metildietilamina, que permiten que el proceso tenga lugar a temperaturas entre 18 y 45 °C. El proceso se efectúa en una columna de extracción líquido-líquido. El agua a desalar entra en cabeza de la columna de extracción encontrando una corriente contraria de disolvente. El disolvente fija el agua pura, con lo que sale por la parte superior un flujo de disolvente hidratado ( hidrato líquido ), mientras que por la cola de la columna va saliendo salmuera concentrada como subproducto. El hidrato líquido es conducido hacia un precalentador y después se calienta con vapor hasta unos 60 °C, temperatura de regeneración del disolvente. Así, el líquido hidratado entra en un depósito de recuperación en el cual el disolvente se vaporiza, separándose del agua pura. La ventaja de este sistema reside en el bajo consumo energético que precisa, ya que todo el conjunto trabaja a temperaturas relativamente bajas. Procesos de desalación Inalsa IV 20.000 1.999 Tabla 4. Las grandes plantas desaladoras de España en operación La capacidad instalada en España es de 1.400.000 m3/día de las cuáles: Desalación de agua de mar 47,1 % Desalación de agua salobre 52,9 % La cantidad total de desaladoras funcionando en España es mayor de 900, de las cuales mas de 100 son desaladoras de agua de mar. Desaladoras agua de mar mayor de 600 m3/día de capacidad: 14 Desaladoras de mas de 20 000 m3/día 30 Desaladoras entre 5000 y 20.000 m3/día 65 Desaladoras entre 600 y 5000 m3/día 130 Desaladoras de agua de mar de mas de 600 m3/día Tabla 5. Desaladoras de agua de mar con mayor capacidad de 600 m3/día. En conjunto puede estimarse que entre un 20 y un 25 % del número total de desaladoras existentes en España son de agua de mar. El agua a desalar 4. EL AGUA A DESALAR Dado el diferente origen del agua que es susceptible de ser desalada y por consiguiente sus distintas características físico-químicas, veremos algunos aspectos de la misma que pueden tener incidencia en la forma de realizar el diseño y/o en las precauciones que deben tomarse, para lograr un funcionamiento continuo y sin grandes alteraciones de la instalación desaladora. Cuatro son las características básicas que definen un agua desde el punto de vista químico: − Conductividad eléctrica o salinidad. − Dureza. − pH. − Anhídrido carbónico libre. Puede decirse que aunque las cuatro están relacionadas con la composición química del agua, la primera es una característica más general que proporciona una idea de conjunto, mientras que las otras tres recogen aspectos más concretos que, en relación con la desalación, deben tenerse en cuenta en el diseño y operación de las instalaciones desaladoras. 4.1. LA SALINIDAD DEL AGUA La salinidad del agua es el contenido total de sales del mismo. Al hablar de la salinidad es necesario saber de qué tipo de agua estamos hablando: no es lo mismo un agua de mar con un contenido en sales totales de 40.000 ppm, que un agua salobre de 4.000 ppm. Incluso un agua de una salinidad determinada como 2.000 ppm tiene un comportamiento o aplicación muy diferente según que esa salinidad la determinen los cloruros o sea causada por carbonatos o sulfatos. A lo largo de los años se han establecido diferentes clasificaciones del agua, basadas fundamentalmente en el tipo de aplicación que se le va a dar a la misma. Son lógicamente diferentes las que se establecen con fines agrícolas, que aquellas para aguas dedicadas a la industria o abastecimiento urbano. En el siguiente cuadro se recoge un espectro de las diferentes salinidades que puede tener un agua, que no tiene otro sentido que indicar las grandes variaciones a que puede estar sometida y de ella debe inferirse que cada una de ellas tendrá unas aplicaciones concretas o unas limitaciones en función del uso que se quiera hacer de la misma. El agua a desalar Salmuera 300.000 ppm Agua de mar 30.000ppm Agua salobre 3.000 ppm Agua potable 300ppm Agua industrial 30 ppm Agua deionizada 3 ppm Agua pura de calderas 0.3 ppm Agua ultrapura 0.003 ppm Tabla 6. Espectro de salinidades TDS del agua La salinidad se expresa como residuo seco a 105ºC o TDS y se mide normalmente en mg/l o ppm. Su determinación se realiza pasando una muestra de agua, que se lleva a una estufa en la que se calienta hasta la temperatura de 105ºC. Se pesa la muestra nuevamente y la diferencia en peso de la muestra antes y después es el valor buscado. Como esta determinación es lenta y requiere la toma de una muestra y su traslado a un laboratorio de análisis, en los procesos industriales en que se precisa tener un control instantáneo del proceso no se determina este valor, sino la conductividad eléctrica, dado que este parámetro, al contrario del anterior, sí puede medirse de forma rápida y bastante precisa “in situ”. La conductividad eléctrica de un agua determinada no es un parámetro constante sino que depende de la temperatura, aumentando su valor al hacerlo ésta. Por ello, para poder realizar comparaciones es preciso una referencia y, así, la conductividad queda definida a una temperatura determinada, que según los Métodos Oficiales vigentes es de 20ºC. 4.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA Elementos principales: 4.2.1. Sodio Es el metal alcalino más frecuente en la composición de las aguas y además el único presente en cantidades significativas en las aguas naturales. Todos los compuestos sódicos son solubles por lo que no precipitan sobre las membranas. Según el uso que vaya a dársele al agua desalada sea el abastecimiento humano o la agricultura, existen unos contenidos máximos que no deben rebasarse y que vienen determinados por la influencia de sodio en los problemas cardiovasculares, para el primero, y su contribución al deterioro e impermeabilidad de la estructura del suelo, en el segundo. El actual reglamento sanitario fija el contenido máximo de sodio en 150 ppm. En cuanto a la incidencia agrícola, la FAO utiliza la relación de absorción de sodio SAR, como indicador de toxicidad potencial pero muestra también su dependencia de la El agua a desalar conductividad total del agua. Un agua con índices SAR mayor de 16 puede considerarse de mala calidad. Además se ha de tener en cuenta que la tolerancia de los distintos cultivos respecto al sodio no es la misma. 4.2.2. Calcio y Magnesio Se encuentran en todas las aguas y son especialmente abundantes en las aguas subterráneas. Contribuyen conjuntamente al establecimiento de la dureza del agua, que está causada por las sales que forman estos dos elementos con bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos. Ambos son responsables de las incrustaciones que se producen cuando el agua experimenta cambios en la temperatura, pH y presión. El contenido máximo de magnesio de un agua destinada al consumo humano no debe sobrepasar los 50 ppm, pero para el calcio no existe límite alguno en la Reglamentación Técnico Sanitaria. 4.2.3. Cloro Es el elemento más abundante en el agua de mar, donde alcanza concentraciones medias de unos 20.000 ppm. Respecto a los niveles de cloro deseables en un agua, son bastante variables en función del destino final que se vaya a dar a la misma, aunque en general valores de unos 150 ppm se consideran adecuados para la mayor arte de usos. Hay unas limitaciones al contenido máximo de este elemento que según la Reglamentación Técnica Sanitaria no deben ser superior a 250. Respecto al agua para usos agrícolas, el cloro produce quemaduras en las hojas de las plantas, por lo que los niveles que se consideran tolerables son muy distintos según se trate de sistemas de riego que mojen o no las hojas. En el primer caso 100 pm son valores excesivos mientras que en el segundo puede llegarse hasta 350 ppm. 4.2.4. Sulfatos Contribuyen a la salinidad de las aguas y a veces alcanzan concentraciones tan elevadas como 2.000 ppm. Desde el punto de vista sanitario su contenido no debe sobrepasar los 250 ppm. Los contenidos elevados pueden provocar problemas intestinales. En cuanto a usos agrícolas, concentraciones superiores a 1,2 g/l se consideran negativas. 4.2.5. Carbonatos y Bicarbonatos Se encuentran en todas las aguas y a veces en proporciones muy elevadas. También son frecuentes los carbonatos en función del pH de ésta. El agua a desalar Como las membranas de OI tienen un elevado rechazo de estos iones, se concentran en el rechazo y pueden precipitar. Un aspecto importante a considerar desde el punto de vista de la ósmosis inversa es lo que se conoce como efecto del ión común, que no es otra cosa que el cambio de la solubilidad de una sal como consecuencia de la presencia en la solución de otras sales que no tienen iones comunes con ella y que se encuentran en altas concentraciones. Elementos secundarios o microelementos: 4.2.6. Nitratos La variación en el contenido de nitratos es grande. Un alto contenido en nitratos puede indicar polución y ser considerado como un indicador y un aviso que debe ser tenido en cuenta para comprobar la presencia de bacterias peligrosas. Los nitratos en concentraciones mayores de 45 ppm son indeseables en aguas para usos domésticos por el posible efecto tóxico sobre los niños. Esto s conoce como cianosis. 4.2.7. Hierro Prácticamente todas las aguas contienen hierro en mayor o menor cantidad, cuyo contenido puede ser problemático para determinados usos, domésticos o industriales. Contenidos de 0,5 ppm son normalmente perjudiciales, e incluso algunos procesos industriales no permiten contenidos superiores a 0,1 ppm. 4.2.8. Magnesio Tiene un comportamiento químico similar al hierro y se presenta en las mismas condiciones que éste, aunque sus manchas son más intensas y difíciles de eliminar. 4.2.9. Sílice Se puede encontrar en algunas aguas subterráneas en cantidades de hasta 100 ppm y contenidos de 20 ppm son bastantes normales. No contribuye a la dureza, pero es una parte importante de las incrustaciones formadas por muchas aguas. No conviene superar concentraciones en el rechazo superiores a 150 ppm. 4.2.10. Flúor Aparece sólo en pequeñas concentraciones en el agua subterránea. Es uno de los componentes más problemáticos del agua en los procesos de desalación, ya que su rechazo por las membranas es elevado y la solubilidad de sus sales que se concentran en la salmuera muy baja, siendo los riesgos de precipitación altos. Contenidos en el agua tan bajos como 5-7 ppm pueden resultar peligrosos. El agua a desalar En la reglamentación Técnica Sanitaria se admiten contenidos máximos de flúor en el agua de 1.500 µg/l. 4.2.11. Bario y Estroncio Aunque no son elementos abundantes, su presencia se detecta en determinadas aguas subterráneas. 4.2.12. Aluminio No se encuentra normalmente ni en aguas subterráneas ni superficiales, a no ser que se haya producido una contaminación de tipo industrial o vertido. 4.3. GASES DISUELTOS Además de sus iones constituyentes, las aguas de distinto origen pueden tener también gases disueltos. Aunque se contenido no se determina en los análisis rutinarios, su presencia en cantidades importantes tiene un especial significado en el uso de agua en ciertos sectores. Los gases disueltos más comunes son oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno, anhídrido sulfuroso y amoniaco. Como la solubilidad de los gases es inversamente proporcional a la temperatura y aumenta con la presión, los gases es disueltos intervienen frecuentemente en problemas de corrosión y de precipitación. 4.4. TEMPERATURA La temperatura del agua varía bastante no sólo en función de la zona, sino también según se trate de aguas subterráneas o superficiales, o aguas de mar, e incluso de la época del año de que se trate. En nuestras latitudes las temperaturas medias del agua del mar varían entre 18 y 24ºC entre el invierno y verano, pero a medida que se desciende hacia el sur podemos encontrarnos con temperaturas entre 8 y 18ºC, como ocurre en Sudáfrica, Namibia o Chile; por el contrario en los países del Golfo Pérsico las temperaturas son más elevadas pudiendo alcanzar temperaturas superiores a 30ºC. La influencia de la temperatura en el funcionamiento de las membranas es importante desde tres puntos de vista, por lo que deben ser tenidas en cuenta: − De un lado, la solubilidad de determinadas sales aumenta con la temperatura y por tanto a temperaturas más elevadas se reducen sus riesgos de precipitación. − Por otro lado, la temperatura influye en la viscosidad del agua y en la dilatación de los materiales que constituyen las membranas, por lo que deben tenerse en El agua a desalar cuenta en el diseño y a partir de aquellas que son más prejudiciales para el proceso. − Por último, la elevación de la temperatura favorece la actividad biológica de los microorganismos que ocasionan el ensuciamiento de las membranas. 4.5. OTROS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL AGUA 4.5.1. pH Desde el punto de vista de la desalación por membranas, ejerce dos tipos de acciones: − Influye en la solubilidad de los carbonatos y regula por tanto su precipitación. − Limita el empleo de las membranas de acetato de celulosa que a valores inferiores a 5 o superiores a 5, pueden experimentar hidrólisis. La Reglamentación considera que las aguas para consumo humano deben tener un pH entre 6,5 y 8,5. 4.5.2. Alcalinidad Un agua con un pH ligeramente inferior a 7 puede tener al mismo tiempo algunas sales que neutralicen el ácido y manifestar por tanto una alcalinidad que se puede medir. Los iones carbonato y bicarbonato contribuyen a la alcalinidad, pero los iones cloruro, sulfato y nitrato no. 4.5.3. Dureza La dureza puede ser de dos formas: a) Carbonatada, causada por los carbonatos, que incluye la porción de calcio y magnesio que se combina con el bicarbonato y pequeñas cantidadesde carbonato presente. Se llama también temporal porque desaparece al hervir el agua. b) No carbonatada o permanente, causada por los nitratos, cloruros y sulfatos de calcio y magnesio y que es l diferencia entre la dureza total y la carbonatada. Las aguas para consumo humano deben tener una dureza de 60 mg/l expresada en calcio. 4.6. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL AGUA EN RELACIÓN CON LAS MEMBRANAS El agua es una solución de diversas sales, cuyo conjunto determina las características de la misma. Es importante saber su composición, cuando se trata de someterla a un tratamiento de separación o desalación mediante membranas, por cuatro razones principales, a saber: El agua a desalar a) No todas las membranas tienen el mismo rechazo de sales. b) Una misma membrana rechaza los distintos iones de forma también distinta. c) Existen iones específicos que presentan limitaciones a su separación. d) El pH óptimo, tanto de funcionamiento como de rechazo de sales de una membrana, está claramente determinado. Por ello conviene hacer un breve repaso de los distintos componentes químicos que se encuentran tanto en el agua salobre como en el agua de mar, en relación con la desalación. Las sales se encuentran disociadas en el agua en forma de iones positivos y negativos. Los principales cationes que se encuentran en el agua son calcio, magnesio, sodio y potasio, mientras los aniones más abundantes son el cloruro, sulfato, carbonato y bicarbonato. En menor cuantía aparecen otros como hierro, manganeso, aluminio o nitrato, fosfato, fluoruro, etc. El predominio o abundancia de unos sobre otros hace que el agua pueda ser utilizada directamente o que requiera algún tratamiento previo. Las propiedades químicas de agua del agua salada dependen de su concentración total y sólo en menor cuantía de la proporción relativa de unos iones sobre otros. Sin embargo en los procesos de desalación por ósmosis inversa, estas proporciones son importantes por su incidencia en la precipitación o incrustación de sales sobre la membrana. Comparación entre la desalación de agua de mar y agua salobre 5. COMPARACIÓN ENTRE LA DESALACIÓN DE AGUA DE MAR Y AGUA SALOBRE. Entre las principales ventajas de desalar agua salobre frente a agua de mar cabe destacar: - Menor coste energético: la utilización de recursos hídricos subterráneos salobres ha evolucionado de forma paralela al desarrollo de la tecnología de las membranas de baja presión. Se dispone de membranas que operan a una presión de 1,05 Mpa, lo que reduce considerablemente los costes de explotación. Con la aplicación de esta tecnología se requieren entre 0,7 y 1 Kw/h por metro cúbico para desalar aguas salobres, mientras que el agua de mar precisa un coste energético entre 3,5 y 4,5 Kw/h por metro cúbico. En general, el coste energético se situa en torno al 50% del coste final del permeado, ello contribuye a que la desalación de agua subterránea sea rentable en coyunturas económicas en que la desalación de agua de mar no sería factible. - Mejora de la calidad del agua del acuífero: se puede producir una disminución de la concentración de sales disueltas. - Utilización de aguas salobres desaladas con fines de regadío: produce una mejora de la productividad agrícola y una más eficiente conservación del suelo con respecto al uso tradicional para regadío de aguas con un contenido demasiado salino. Entre los inconvenientes de la desalación de recursos salobres subterráneos se puede señalar: - Disponibilidad limitada de aguas salobres debido a los condicionantes hidrogeológicos. - Presencia de componentes peligrosos para las membranas (sulfatos, hierro, estroncio, etc.) que puede requerir un pretratamiento que encarezca el coste final del agua producto. - Variabilidad en la concentración de sales disueltas, en función de la evolución hidroquímica, que puede producir la extracción de agua en acuíferos interiores o la variación en función de la penetración de la intrusión marina en los acuíferos costeros. Esto requiere llevar un control sistemático de la calidad del agua, tanto de la que alimente la planta como del residuo del tratamiento y del agua producto, que permita modificar con rapidez las condiciones del proceso y disponer de datos sobre la calidad química de las aguas de rechazo. - El aprovechamiento de acuíferos con aguas salobres puede modificar, además de la calidad, las condiciones de flujo natural del agua del acuífero, lo que puede inducir afecciones ambientales en deltas, humedales, etc. 5.1. ORIGEN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUSCEPTIBLES DE DESALACIÓN Las aguas contenidas en el subsuelo presentan un amplio rango en su contenido total en sales disueltas; desde valores inferiores a 100 ppm, hasta valores de 300.000 ppm en el caso de las salmueras. Como valores de referencia son consideradas aguas dulces las Comparación entre la desalación de agua de mar y agua salobre que presentan valores de hasta 2000 ppm de sustancias disueltas; aguas salobres hasta 5000 ppm y aguas saladas (incluyendo el agua del mar) hasta 40.000 ppm. El agua que se puede considerar como recurso subterráneo salobre susceptible de desalación se sitúa en un valor entre 1.000 y 10.000 ppm de total de sólidos disueltos. Este rango viene impuesto, por la menor presión necesaria para la operación y con ello un menor coste. Los recursos hídricos susceptibles de desalación tienen su origen bien en el agua de mar (fase salina y salobre) o bien en el agua subterránea con una salinidad que le impide ser utilizada para la gran mayoría de usos. El primero de los citados puede aprovecharse mediante la toma directa del mar, con los consiguientes problemas derivados de la contaminación de este recurso en los primeros metros de la masa de agua, o por medio de sondeos, situados en las proximidades de la línea de costa, ello tiene la ventaja de aprovehar la capacidad autodepurante del terreno, consiguiendo una mejora en las condiciones físicas, químicas y biológicas del agua de mar a desalar. En el segundo caso, el agua fuente está básicamente constituida por los aguas fósiles y congénitas y las salobres existentes en los acuíferos. En el caso de las aguas salinas almacenadas en los acuíferos, su origen es diferente, según el acuífero esté en conexión directa con el mar o que no exista en la actualidad. Este último caso puede darse tanto en zonas situadas más al interior, como en las zonas costeras. En el caso de contacto hidráulico con el mar (Figura 18), el agua existente en el acuífero está distribuida según su salinidad en tres zonas susceptibles de aprovechamiento: zona de agua dulce, zona de agua salobre (o interfaz) y zona de agua de mar. Esta situación, está determinada por el estado de equilibrio entre la cota piezométrica del agua dulce del acuífero, que en condiciones naturales descarga al mar y la cota del nivel del agua de mar. Este equilibrio está sometido a una serie de modificaciones temporales de origen natural como pueden ser las condiciones climáticas, estacionales o movimientos relativos entre la zona emergida y la línea de costa. Osmosis inversa Si sustituimos la citada pared por una membrana semipermeable (permeable al agua, no a las sales) se produce un movimiento a través de la membrana desde la solución más diluida a la más concentrada, que se detiene cuando se alcanza un desnivel entre ambos tubos, ∆h, que corresponde a la presión osmótica de la solución más concentrada, o más propiamente a la diferencia de presiones osmóticas entre ambas soluciones. Este valor de ∆H es la presión diferencial que impulsa el agua a través de la membrana. Si invertimos el proceso aplicando una presión en el tubo de la solución más concentrada, el movimiento se produce desde ésta hacia la más diluida. Finalmente se alcanza una posición de equilibrio. La altura que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión aplicada, de las características de la membrana y de las concentraciones 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. Figura 22. Ósmosis directa (estado inicial) Figura 23. Ósmosis directa (estado final) Osmosis inversa Figura 24. Ósmosis inversa 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. Quizás pueda existir una cierta duda o ambigüedad respecto a cuál es el proceso de ósmosis normal y cuál el inverso. Parece que el normal debería ser aquél en que el solvente fluye a través de la membrana desde una solución diluida hasta otra más concentrada y el flujo de soluto es despreciable. Sin embargo, con las membranas reales también hay un flujo de soluto en dirección opuesta al flujo del solvente. Osmosis inversa El contraste con la ósmosis inversa en que los flujos son en la misma dirección, es por tanto incompleto y el término es en consecuencia impreciso. 6.4. DIFERENCIAS ENTRE ÓSMOSIS Y OTROS PROCESOS DE MEMBRANAS Aunque en ocasiones se ha querido ver la ósmosis inversa como un proceso de filtración a escala molecular, se comprende fácilmente que la ósmosis inversa es un fenómeno claramente diferente de la filtración o microfiltración. Los tres aspectos que marcan más claramente la diferencia son: − En la filtración todo el caudal atraviesa el elemento separador, que impide únicamente el paso de partículas sólidas de un determinado tamaño. En cambio, en la ósmosis inversa, sólo una parte del caudal de alimentación atraviesa la membrana constituyendo el producto, mientras que el resto es eliminado sin atravesar la membrana y constituye el rechazo. − En la ósmosis inversa no se produce la acumulación del material separado sobre la superficie de la membrana, como ocurre en el otro proceso, pues precisamente el rechazo produce el arrastre de dicho material. − En la filtración el flujo de agua a tratar es perpendicular a la membrana, mientras que en la ósmosis es paralelo a ella. Podría en cierta medida considerarse la ósmosis como una extensión de la ultrafiltración, en la que las partículas de dimensiones coloidales son separadas de sistemas dispersos, pasándolas a través de una membrana adecuada o filtro. Pero también existen diferencias entre ósmosis y ultrafiltración. En este último proceso la forma en que se realiza la separación puede interpretarse como si se tratara de un cribado de partículas a través de una película o matriz provista de poros de las dimensiones adecuadas. Sin embargo, la separación de sales del agua no puede reducirse a unos términos geométricos tan simples, porque no hay una diferencia sustancial entre el tamaño de las moléculas de agua y el tamaño de muchos iones inorgánicos. También es preciso separar claramente la desalación por ósmosis inversa del otro proceso de desalación que como ya se ha citado anteriormente también utiliza membranas, que es la electrodiálisis. Así, en la ósmosis, el agua es separada de las sales, mientras que en la electrodiálisis son los iones que constituyen las sales los que abandonan el agua, atraídos por electrodos de distinta carga. Por otra parte la fuerza que rige el proceso de ósmosis inversa es la presión, mientras que en la electrodiálisis es el potencial eléctrico. Osmosis inversa 6.5. TEORÍAS DE LA ÓSMOSIS La membrana de ósmosis debe pues ser capaz de afectar a las propiedades termodinámicas y de transporte del agua y de las sales, mediante fuerzas que no dependen en principio del tamaño de los iones o moléculas que han de separarse. Estas fuerzas pueden ser de rango corto como las de Van der Waals o de rango largo como las de Coulomb. La forma en que se produce el paso de agua a través de los poros de la membrana responde a dos teorías: − Según Sourirajan, existe un flujo convectivo de agua a través de los poros de la membrana, que se produce en dos etapas: • En la primera el agua es absorbida preferencialmente sobre la superficie de la membrana. • En la segunda, esta capa con el agua absorbida es drenada a través de los poros en la membrana. Según este modelo, el tamaño molecular de los materiales del agua de alimentación juega un importante papel en la determinación de su rechazo por la membrana. − La teoría alternativa propuesta por Merten parte de que la membrana no tiene poros y por tanto el flujo convectivo no puede existir. En su lugar el agua se disuelve en la capa superficial de la membrana y después se difunde a través de una capa sin poros de la misma. En este segundo modelo el rechazo es función de la solubilidad relativa del soluto y del solvente. Este modelo de solución-difusión parece que permite predecir correctamente el comportamiento de las soluciones compuestas de una sola sal iónica, que actúan frente a la ósmosis como si se tratara de una filtración. Sin embargo su capacidad de predicción del comportamiento para los solutos orgánicos es menos fiable. Ambos modelos predicen con bastante exactitud el flujo neto de agua, que desciende al aumentar la presión osmótica a causa de la acumulación de solutos cerca de la superficie. 6.6. ECUACIONES FUNDAMENTALES El proceso de desalación que acabamos de describir queda enmarcado por una serie de ecuaciones que definen o aclaran los distintos aspectos que deben conocerse, y que en última instancia permiten realizar el proyecto o diseño de las distintas instalaciones. Si partimos de los flujos o caudales que se generan en el proceso podemos distinguir: − Flujo o caudal de alimentación que es el que se pretende desalar y se aplica en un lado de la membrana: Fa . Osmosis inversa − Flujo o caudal de producto, que corresponde al agua a la que se le han eliminado o reducido las sales: Fp. − Flujo o caudal de concentrado ( rechazo), que arrastra las sales que han sido separadas por la membrana y que se depositarían sobre ella : Fr . Figura 25. Flujos en el proceso de ósmosis inversa La relación entre las citadas magnitudes es: Fa = Fp + Fr Del mismo modo tendremos las concentraciones del agua de alimentación, Ca,, producto, Cp, y rechazo Cr, relacionados entre sí también mediante: Ca Fa = Cp Fp + Cr Fr A partir de aquí se consideran las dos ecuaciones principales que hacen referencia a la membrana que son: Fa = A ( Pm - ∆Ǿm ) Siendo: Fa = el caudal de agua que atraviesa la membrana en l/m2/hora. A = coeficiente de transporte de la membrana en l/m2/hora atm. Pm = presión diferencial a través de la membrana en atm, o Kg/ cm2. ∆Ǿm = presión osmótica diferencial a ambos lados de la membrana, en atm o Kg/ cm2. El coeficiente A es característico de cada membrana y depende de varios factores como son, el espesor de la membrana, la temperatura, o la composición química de la solución. De esta ecuación se deduce que el caudal es directamente proporcional a la presión neta aplicada, es decir, a la diferencia de presiones que aparece entre paréntesis en la Fa (100%) Fr (65-10 %) Fp (35-90%) Osmosis inversa fórmula, y al coeficiente de transporte; es decir, a una característica propia de la membrana y a otra propia del funcionamiento. Por ello, si el coeficiente de transporte aumenta, el caudal también lo haría, sin que fuera preciso aumentar la presión neta. En esas condiciones mantendríamos el mismo caudal aplicando una presión menor. Esta es la característica principal que se busca, junto con el rechazo de sales, en el proceso de mejora de membranas. Como, de los dos caudales en que se bifurca el caudal a tratar, uno de ellos, la salmuera, concentra las sales rechazadas, éstas en mayor o menor cantidad se van acumulando sobre la superficie de la membrana, produciendo el fenómeno conocido como concentración de la polarización. Este fenómeno incrementa la presión osmótica de la solución de concentrado y por tanto, de acuerdo con la ecuación anterior, haría disminuir la presión neta y en consecuencia el flujo o caudal de agua a través de la membrana. Pero además el caudal de una membrana depende de otros factores como: − Espesor de la membrana. − Dimensión de los poros y su distribución en la superficie de la membrana. − Condiciones hidrodinámicas. La disminución del espesor de la membrana ha sido una constante de la investigación a lo largo de los años, pero esta característica debe conjugarse con un tamaño de poros adecuado para rechazar un porcentaje suficientemente elevado de sales, y con una resistencia adecuada para soportar las presiones de funcionamiento. En los últimos tiempos se han conseguido mejoras muy notables en membranas de agua salobre, que funcionan a bajas presiones; sin embargo, las membranas de agua de mar que deben soportar presiones muy elevadas no han logrado avanzar en la misma magnitud. El caudal que atraviesa la membrana queda definido en unas condiciones de presión y temperatura predeterminadas, y en cada situación deben aplicarse las correcciones oportunas para adaptarlo a las condiciones reales de funcionamiento; esto es lo que se conoce como normalización de la membrana. 6.6.1. Ecuación del transporte de sales Fs = Ks ( Ca – Cp ) Donde: Fs = flujo de sales, en g/cm2/seg. Ks = coeficiente de transporte de sales en cm/seg. Ca = concentración de sales en el agua de alimentación, en g/cm3. Cp = concentración de sales en el agua producto, en g/cm3. Osmosis inversa La polarización aumenta la concentración de sales en el agua de alimentación, Ca, a medida que el caudal avanza a lo largo de la membrana. Por tanto aumenta el flujo de sales Fs y hace empeorar la calidad del producto. En esta ecuación se ve que no existe dependencia directa entre la presión y el flujo de sales; es decir, al aumentar la presión no mejora el transporte de sales, ni por tanto el rechazo de sales. Sí mejora en cambio el caudal de permeado, por lo que el efecto resultante es una mejora de la calidad, dado que la misma cantidad de sales se disuelven en un volumen mayor. 6.6.2. Rechazo de sales RS (%) = (1 – Cp/ Ca)* 100 Es el parámetro más importante de la membrana y se basa en el proceso de fabricación y en los polímeros que forman la membrana, constituye el know-how de cada fabricante. Sin embargo, este valor para cualquier membrana varía para los distintos iones. Los iones trivalentes, por ejemplo, son rechazados mejor que los divalentes y estos a su vez mejor que los monovalentes. El disminuir el peso molecular en este sentido es lo que ha llevado a veces a considerar la ósmosis inversa como una especie de filtración a escala molecular. 6.6.3. Paso de sales PS (%) = Cp/ Ca *100 Por tanto también RS = 100 – PS La determinación de todos estos parámetros se hace en condiciones específicas determinadas por cada fabricante, aunque suelen estandarizarse en cuanto a presión, temperatura, salinidad del agua preparada artificialmente, y en ocasiones recuperación. 6.6.4. Recuperación También conocida como conversión o recobro del sistema (recovery), es el porcentaje de producto que se obtiene a partir de un determinado volumen de agua de alimentación: R (%) = Fp / Fa * 100 Fp y Fa medidos en las mismas unidades, m3/hora o m3/día. Este factor es muy distinto según se trate de membranas individuales o de módulos en los que intervienen más membranas colocadas en serie. En las membranas espirales, por ejemplo, dicho factor no suele ser superior al 12-15 % si se trata de membranas de agua salobre y del 10 % en caso de agua de mar. Osmosis inversa En membranas de fibra hueca, sin embargo, dicho factor se eleva hasta el 85 % en agua salobre y al 60 % en agua de mar. Para elevar la conversión de un sistema de membrana es necesario incrementar el número de pasos o escalones de producción. 6.6.5. Concentración del producto Cp = (1-RS) (Ca- Cr) /2 6.6.6. Concentración del rechazo Cr = RS Ca / (1-R) Este parámetro es importante conocerlo en el diseño, para establecer la forma de eliminación de un caudal, que según los casos puede ser importante y potencialmente contaminante. En los casos de aguas salobres de salinidad moderada, puede incluso ser aprovechado recirculándolo a la cabecera del sistema. A través de esta ecuación se ve también claramente cómo se puede influir en la calidad del rechazo para que no se cree problemas en su eliminación, decidiendo desde el diseño de la instalación, el tipo de membrana a elegir y la conversión del sistema. 6.6.7. Proporción (ratio) de reducción Ca/Cp = 1/(1-RS) Este factor es muy indicativo de la calidad de la membrana y sobre todo permite ver claramente la diferencia entre unas y otras. Por ejemplo, si una membrana tiene un rechazo de sales del 98,5 % tendríamos: Ca/Cp = 1/(1-0,985) = 66,6 L Y para un RS del 99 %: Ca/Cp = 1/(1-0,99) = 100/1 Es decir, que en el primer caso la reducción es de 66,6 a 1 y en el segundo de 100 a 1. Pero más significativo todavía es este valor en el caso de las membranas de agua de mar. Si RS fuera del 99,3 % sería: Ca/Cp = 1/(1-0,993) = 142,8/1 Pero si fuera sólo un poco superior 99,5 %: Osmosis inversa Ca/Cp = 1/(1-0,995) = 200/1 Es decir que ese, en teoría, pequeño porcentaje del 0,2 % mejora la calidad de una manera notable, casi en un 30 %. De ahí que para desalar agua de mar en una sola etapa se necesiten membranas con rechazo de sales igual o preferentemente superior al 99,3 %. Membranas de osmosis inversa 7. MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA Durante la década comprendida entre 1950 y 1960, se llevaron a cabo los primeros programas de investigación en la búsqueda de membranas selectivas para procesos de ultrafiltración y ósmosis inversa. Reid y Breton, de la Universidad de Florida (EUA), comprobaron que de entre los materiales utilizados, el acetato de celulosa tenía la deseada selectividad, pero baja permeabilidad al agua y corta vida productiva. Las primeras membranas semipermeables para la desalación de agua, de fina capa activa y con una buena permeabilidad, fueron puestas a punto por Loeb y Sourirajan, de la Universidad de California, en 1962. Estas membranas se obtuvieron mediante la disolución de diacetato de celulosa en una mezcla de acetona-agua, añadiendo perclorato magnésico como agente de hinchamiento. Después de la evaporación del disolvente se introducía la película en distintos baños, polímero frío a 0 °C y después caliente, para lograr una estructura densa y cristalina de la capa activa. Así la disolución de polímero obtenida gelifica a –10 °C. Ensayando con tiempos de evaporación distintos y con temperaturas diferentes se modificaban las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la membrana obtenida. En un desarrollo posterior realizado por Manjikian, se sustituyó el perclorato magnésico por formamida, lo cual permitió la gelificación a temperatura ambiente. Un avance adicional se produjo con la membrana obtenida por Saltonsall mezclando el diacetato de celulosa con el triacetato de celulosa, desarrollándose más adelante membranas exclusivamente a base de triacetato. Paralelamente al desarrollo de membranas en forma de hojas a láminas planas de ésteres celulósicos, tuvo lugar el desarrollo de finísimas fibras huecas ( del tamaño de un cabello humano ), a cargo de la empresa Du Pont, a partir de las poliamidas aromáticas. Estas membranas constituyeron una alternativa real a las membranas celulósicas. En posteriores investigaciones y mediante la observación de membranas semipermeables a través del microscopio electrónico, se explicó el mecanismo por el cual coexisten la alta permeabilidad al agua y la baja permeabilidad a las sales: la estructura de las membranas estaba constituida por una fina y densa película de polímero ( capa activa ) sobre un soporte poroso del mismo material que aportaba resistencia mecánica al conjunto. Conocida con detalle esta estructura asimétrica de las membranas integrales, es decir, formadas con un único material, la etapa siguiente fue la preparación de nuevas membranas compuestas; o sea, una fina película de polímeros sobre un soporte poroso de distinto material, para conseguir óptimas cualidades de permeabilidad y resistencia. Cadotte y Lonsdale, ya en 1973, fueron los primeros en producir tales membranas compuestas usando como soportes el nitrato de celulosa y polisulfonadas. En 1979, la compañía Filmtec introdujo en el mercado las membranas FT-30, las cuales parecen ser hasta ahora las mejores compuestas de capa fina. Membranas de osmosis inversa La solución a tratar circula por el interior, el permeado fluye radialmente del interior hacia el exterior y el rechazo se obtiene en el otro extremo del tubo. Figura 28. Esquema de la circulación de flujos en una membrana tubular. Las membranas fabricadas con esta forma son mayoritariamente integrales, aunque unos pocos fabricantes también suministran membranas compuestas de capa fina tubulares. 7.5.3. Fibra hueca A estas membranas también se les llama capilares, ya que su aspecto es el de una fibra de tejer hueca o el de un tupo capilar hueco del tamaño de un cabello humano. Como todas las membranas de ósmosis inversa dispone de una película muy densa en su parte exterior que constituye la “capa activa”. Bajo esta fina película y hacia el centro del tubo, se encuentra la estructura porosa que le sirve de soporte. El diámetro interior de la fibra varía según el fabricante y el tipo de aplicación, entre 42- 120 micras y los diámetros exteriores entre 85-250 micras. La solución a tratar circula por el exterior de la fibra. El permeado fluye radialmente desde el exterior hacia el interior, recogiéndose en el extremo de la fibra. Figura 29. Esquema de la circulación de flujos en una membrana de fibra hueca. Membranas de osmosis inversa Las membranas de fibra presentan claras ventajas frente a las tubulares y las planas, por lo que su uso en potabilización de agua de mar se encuentra mucho más extendido. Como principales ventajas pueden indicarse las siguientes: 1. Ocupan menor volumen 2. Presentan mayor superficie activa por unidad de volumen ocupado 3. Poseen una elevada resistencia a la presión 4. Son más fáciles de instalar 5. Son más duraderas. Como inconvenientes hay que destacar que estas membranas no son tan fáciles de limpiar como las tubulares o las planas. Una precaución a tener en cuenta en general, pero con mayor motivo si se emplean membranas de fibra hueca, esta en la necesidad de un riguroso control de las características del agua de alimentación. El agua que llega a dichas membranas debe estar muy bien pretratada, exenta de cualquier sustancia que pudiese provocar un deterioro de las mismas 7.5.4. En espiral Están formadas por varias láminas rectangulares, que constituyen las membranas propiamente dichas, enrolladas alrededor de un eje cilíndrico provisto de perforaciones que permiten recoger el agua producto. Para el enrollamiento de las láminas desaladoras se disponen éstas alternadas con un separador impermeable y una malla, de forma que en una membrana arrollada en espiral existen tantas láminas como separadores y mallas. La malla plástica determina los caudales hidráulicos por los que circula el agua a tratar y por su forma cuadriculada garantiza un régimen de funcionamiento turbulento lo que reduce las posibilidades de obstrucción por elementos extraños. El separador impermeable permite aislar el caudal que pasa por cada una de las láminas o membranas y separarlo de la salmuera. El conjunto de membranas, mallas y separadores se sella mediante un pegamento por tres de los lados, mientras que por el cuarto lado se constituye la única salida posible para el agua que ha atravesado las membranas, se une al eje perforado. Finalmente se cierra el conjunto con una envuelta exterior de poliéster con fibra de vidrio, que permite lograr una gran estanqueidad. El arrollamiento permite introducir una gran superficie de membrana en un espacio muy reducido. Con estos dos últimos tipos de configuraciones se ha conseguido reducir considerablemente el espacio ocupado por las membranas, aumentando la capacidad del módulo y reduciendo su precio. Por esta razón son los únicos tipos de configuración que se utilizan para la desalación de agua. Membranas de osmosis inversa 7.6. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA Las membranas pueden ser orgánicas o inorgánicas. 7.6.1. Membranas orgánicas Reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa sí está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánicos. Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la ósmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de la ósmosis inversa son el acetato de celulosa, triacetato de celulosa, poliamidas aromáticas, poliéter-urea, poliacrilonitrilo, polibencimidazola, polipiperacidamidas,, polifurano sulfonado polisulfona sulfonada. 1. Acetato de celulosa La primera membrana semipermeable asimétrica de ósmosis inversa para la desalación de agua la obtuvieron Loeb y Sourirajan a partir de una mezcla de acetatos de celulosa. Gran parte de los fabricantes de membranas siguen contando con este material entre sus fabricados. Los tratamientos complementarios a que se someten las membranas de acetato de celulosa tras su formación, cuyo objeto es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas utilizadas, han originado una gran diversidad de membranas. En la siguiente tabla se reflejan las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con acetato de celulosa. Ventajas Inconvenientes • Alta permeabilidad • Elevado porcentaje de rechazo de sales • Tolerancia al cloro libre • Bajo costo • Poca tendencia al ensuciamiento • Alta sensibilidad a la hidrólisis • Alta sensibilidad al ataque bacteriano. • Alto riesgo de disolución de la membrana. • Aumento de paso de sales con el tiempo. • Elevadas presiones de trabajo. Tabla 9. Características de las membranas de acetato de celulosa. Membranas de osmosis inversa La siguiente figura representa la esperanza de vida de una membrana de acetato de celulosa en función de la temperatura del agua a tratar y del pH de trabajo. Figura 30. Evolución de la esperanza de vida de una membrana de trabajo en función de la temperatura y de su pH de trabajo. 2. Triacetato de celulosa Esta tiene un mejor comportamiento que el acetato de celulosa frente a la hidrólisis, por lo que se puede trabajar en una gama de pH más amplia. Este polímero, además de los inconvenientes que presenta el acetato de celulosa, se añade el de tener un caudal de permeado por unidad de superficie más bajo. Esta circunstancia hace que los fabricantes que lo utilizan elaboren con él membranas de fibra hueca ya que la superficie de volumen que se consigue con esta forma es elevada, contrarrestando así el bajo flujo de permeado. Algunos fabricantes utilizan también mezclas de acetato, diacetato y triacetato de celulosa, dependiendo de las características de las membranas que se quieren obtener. 3. Poliamidas aromáticas Existen dos polímeros muy similares entre sí desde el punto de vista químico, y por tanto, con características de resistencia química parecidas. Estos polímeros son las poliamida aromática lineal, utilizada para fabricar membranas integrales tanto planas como de fibra hueca y la poliamida aromática con entrecruzamientos, utilizado para fabricar membranas compuestas de capa fina. En la siguiente tabla se reflejan las ventajas e inconvenientes de las membranas fabricadas con poliamida aromática. Membranas de osmosis inversa Ventajas Inconvenientes • Alto porcentaje de rechazo de sales • Ausencia de hidrólisis • Insensibilidad al ataque bacteriano • Alta estabilidad química • Constancia del paso de sales a lo largo del tiempo • Presiones de trabajo reducidas • Baja permeabilidad al agua pura • Tendencia al ensuciamiento por coloides. • Elevado costo. • Sensibilidad frente a los oxidantes (poca resistencia al cloro libre) Tabla 10. Características de las membranas de poliamida aromática 4. Poliéter-urea Las membranas con esta formulación son siempre compuestas de capa fina. Este tipo de membranas contiene un exceso de grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónica. Estos polímeros, acetatos de celulosa, poliamida y poliéter-urea, son los utilizados habitualmente para fabricar membrans de ósmosis inversa. En la siguiente tabla se puede ver una comparación de las características de estas tres membranas. Poliamida Parámetro Celulósicas Lineal Entrecruzada Poliéter-urea Permeabilidad Alta Baja Alta Alta Rechazo de cloruros (%) Baja presión Media presión Alta presión 75 95-97,5 99,0 96,0 96,0 99,4 98,0 98,2 99,4 97,5 99,0 99,2 Rechazo de nitratos (%) 85,0 88,0-94,0 98,0 94,0 Rechazo de sílice (%) 90,0-93,0 88,0-94,0 98,0 95,0 Presiones de trabajo (bar) Baja Media Alta 16 30 60-70 16 30 70-84 10 20 60-70 16 25 56-70 Hidrólisis Sí No No No Biodegradabilidad Si No No No pH de trabajo 4,5-6,5 4-9 4-11 5-10 Resistencia al cloro libre < 1 ppm 0 ppm 1.000 ppm.h 0 ppm Resistencia a otros oxidantes fuetes Moderada Mala Regular Muy mala Carga de superficie Neutra Aniónica Aniónica Catiónica Membranas de osmosis inversa Morfología de la superficie Lisa Lisa Muy irregular Irregular Riesgo de ensuciamiento Bajo Medio Alto Bajo Compactación Alta Alta Baja Baja Temperatura máxima (ºC) 35 40 45 45 Tabla 11. Comparación entre los tres tipos de membranas utilizados habitualmente en ósmosis inversa. 5. Poliacrilonitrilo Las características de las membranas fabricadas con este polímero son las siguientes: Ventajas Inconvenientes • Buen comportamiento ante la presencia de disolventes orgánicos. • Alto rechazo de sustancias orgánicas. • Bajo porcentaje de rechazo de sales. Tabla 12. Características de las membranas de poliacrilonitrilo 6. Polibencimidazola Las membranas fabricadas con este polímero presentan una excelente resistencia tanto a pH extremos como a diferentes productos químicos, lo que permite aplicarlas en galvanoplastia y otros procesos industriales. Los inconvenientes es que la pérdida de caudal y de rechazo de se produce durante su almacenamiento han limitado su desarrollo. 7. Polipiperacidamidas Estas son mucho más resistentes al cloro y otros oxidantes que las de poliamida y poliéter-urea. Con este polímero puede fabricarse tanto membranas integrales como compuestas de capa fina. 8. Polifurano sulfonado Aunque estas membranas producen los máximos rechazos conocidos tanto de sales como de solventes orgánicos de entre todas las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado, son muy sensibles a la oxidación hasta el punto de que el oxígeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las destruye , lo que limita su utilización. Estas membranas son siempre compuestas de capa fina. Membranas de osmosis inversa 9. Polisulfona sulfonada Si las membranas de poliamada aromática pudieran ser resistentes al cloro y a otros oxidantes fuertes, serían las membranas ideales. Se ha pensado que la polisulfona sulfonada podría ser el polímero ideal que aglutinase las ventajes de las membranas de poliamida con la resistencia al cloro libre. Para conseguir las membranas de este polímero es necesario alcanzar un determinado grupo de sulfónicos, por lo que es difícil de lograr. En la tabla siguiente se recogen las membranas orgánicas de ósmosis inversa con difusión comercial, y por tanto utilizadas en aplicaciones industriales. Tipo de polímero Fabricante Nombre comercial Naturaleza Forma Fluid systems Roga Integral Plana Hydranautics CAB Integral Plana Nitto Denko NTR 1500/1600 Integral Plana Toray SC Integral Plana Desalination systems Desal CA Integral Plana Permetec AC Integral Plana Osmonics Sepa Integral Plana Acetato de celulosa Trisep SB Integral Plana Toyobo Hollosep Integral Fibra hueca Triacetato de celulosa Dow Chemical Dowex LP, SP Integral Fibra hueca Poliamidas aromáticas lineales Du Pont B9, B10 Integral Fibra hueca Fluid systems TFCL Compuesta Plana Hydranautics CPA/SWC/ESPA Compuesta Plana Nitto Denko NTR/SF/SR/UP Compuesta Plana Toray SU 700/800 Compuesta Plana Desalination systems Desal 3 Compuesta Plana Permetec PA Compuesta Plana Trisep ACM Compuesta Plana Filmtec FT-30 Compuesta Plana Poliamidas aromáticas con entrecruzamientos PCI ZF99 Compuesta Tubular Fluid systems TFC Compuesta Plana Hydranautics CPA 1 Compuesta Plana Nittodenko NTR-7100 Compuesta Plana Torau SU 400 Compuesta Plana Poliéter-urea Trisep A 15/X20 Compuesta Plana Nitto Denko NTR7250/729HF Compuesta Plana Toray SU-200/600 Compuesta Plana Membranas de osmosis inversa Desalation systems Desal 5 Compuesta Plana Permetec LP Compuesta Plana Polipiperacidamida Filmtec NF 40 Compuesta Plana Polifurano sulfonado Toray PEC 100 Compuesta Plana Nitto Denko NTRL 7400 Compuesta Plana Desalination Systems Desal plus Compuesta Plana Polisulfona sulfonada Millipore PSRO Compuesta Plana Tabla 13. Clasificación de las membranas de OI disponibles. 7.6.2. Membranas inorgánicas Como hemos observado, las membranas orgánicas presentan dos limitaciones, la estabilidad química y la resistencia a la temperatura. La búsqueda de soluciones ha desembocado en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Estos materiales inorgánicos son los cerámicos, los vidrios y los carbonos. 1. Cerámicas Hasta este momento son las más investigadas. El producto cerámico más utilizado para la fabricación de las membranas es la alúmina (Al2O3) Partiendo de un compuesto orgánico de aluminio, controlando la formación del gel y variando tanto las condiciones de precipitación como las de calcinación, se puede modificar el tamaño de los poros de la membrana obtenida. 2. Vidrios Utilizando como materias primas cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, se obtiene una mezcla de dos fases: una de vidrio de silicio casi pura y otra de ácido bórico rica en borato sódico. Tratando dicho vidrio con ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación puede controlarse el tamaño de los poros obtenidos. Con esta técnica pueden fabricarse membranas planas, tubulares o capilares. Su diámetro exterior es de 0,4 mm y el espesor de la pared de 0,05 mm. Las membranas de vidrio como las de cerámica presentan el inconveniente de su fragilidad y su escasa resistencia a las vibraciones. 3. Carbonos Normalmente presentan una estructura compuesta. El lecho soporte suele ser de carbono sinterizado y la capa filtrante de óxidos metálicos a base de zirconio (ZrO2). Membranas de osmosis inversa Las membranas de este tipo pueden soportar valores extremos del pH (0-14) y temperaturas hasta 300 ºC. Solo se disponen membranas de microfiltración y ultrafiltración, no existiendo en el mercado ninguna de ósmosis inversa. Tienen un elevado costo y gran dificulta para elaborar módulos con ellas. 7.7. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CARGA SUPERFICIAL A veces, los polímeros con que se fabrican las membranas de ósmosis inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos, lo que confiere a la superficie activa de éstas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse determinando su potencial. Este parámetro de una idea de la carga eléctrica existente por unidad de superficie. 7.7.1. Neutras Son aquellas membranas que no presentan ninguna carga eléctrica, por lo que su potencial sería nulo. 7.7.2. Catiónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es positiva. Dependiendo del mayor o menor valor de la carga eléctrica, las membranas pueden ser fuerte o débilmente catiónicas. 7.7.3. Aniónicas Son aquellas en las que la carga eléctrica sobre su superficie es negativa. Pueden ser fuerte o débilmente aniónicas. La naturaleza y magnitud de la carga eléctrica existente sobre la superficie de una membrana tiene mucho que ver con su ensuciamiento como con la aparición y crecimiento de desarrollos biológicos. Una membrana catiónica tendrá gran afinidad por los coloides de signo opuesto que tenderán a depositarse sobre su superficie y lo mismo con las membranas aniónicas con los coloides catiónicos. 7.8. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA MORFOLOGÍA DE SU SUPERFICIE Atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas pueden ser lisas o rugosas. 7.8.1. Lisas Son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa. Membranas de osmosis inversa 7.8.2. Rugosas Son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es rugosa. La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa, además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar. 7.9. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa es la presión de trabajo. Esta presión debe ser varias veces superior a la presión osmótica de la solución, debido a los fenómenos de polarización de la membrana y al aumento de la concentración que se produce a medida que se va generando permeado. Las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado son: 7.9.1. Membranas de muy baja presión Son las que trabaja con presiones comprendidas entre 5-10 bars. Se utilizan para desalar aguas de baja salinidad (entre 500-1500 mg/l) y fabricar agua ultra pura. 7.9.2. Membranas de baja presión Estas membranas trabajan a una presión entre 10-20 bars. Se utilizan para desalar aguas de salinidad media (entre 1500-4000 mg/l), así como reducir o eliminar de ella ciertos compuestos como nitratos, sustancias orgánicas, ... 7.9.3. Membranas de media presión La presión de trabajo de estas membranas es entre 20-40 bars. Estas fueron las primeras membranas que se comercializaron. Se han utilizado para desalar aguas de elevada salinidad ( entre 4000-10000 mg/l) y en la actualidad sus aplicaciones se han generalizado utilizándose en múltiples procesos de separación y concentración. 7.9.4. Membranas de alta presión Estas membranas se han utilizado para obtener agua potable a partir del agua de mar. Su presión de trabajo está comprendida entre 50-80 bars. debido a la presión osmótica del agua de mar. 7.10. DIFERENCIAS PRINCIPALES Dejando a un lado las diferencias que existen en función del material constituyente, según sean poliamidas o derivados celulósicos, existen algunas diferencias según sean las membranas de fibra hueca o arrollamiento en espiral. Módulos Cuando la solución a tratar entra en contacto con la superficie exterior de la fibra donde se encuentra la capa activa, una parte de la misma ( el permeado ) atraviesa la fibra moviéndose por su interior hueco hasta el extremo abierto. Los finales abiertos de las fibras huecas están embebidos en una masa de resina epoxi, constituyendo uno de los extremos del haz. Esta masa, una vez mecanizada para abrir las fibras, se conoce con el nombre de placa tubular. Cuando el permeado abandona el haz de placa tubular, pasa a través de un bloque poroso antes de alcanzar el exterior del módulo. El bloque poroso tiene por misión lograr un correcto reparto hidráulico en la recogida del permeado y, por tanto, también en la distribución de la solución de aporte a través del haz de fibras. El rechazo se mueve hacia la placa epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras, saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre ésta y la capa exterior. Una junta teórica situada en la placa tubular impide que el permeado se mezcle con el rechazo. El haz de fibras se instala en el interior de un tubo fabricado con epoxi y fibras de vidrio cuya misión es soportar, desde el punto de vista mecánico, las presiones de trabajo. Esta configuración fue especialmente concebida para trabajar con membranas de poliamida de baja permeabilidad, ya que su configuración permite obtener una gran superficie por unidad de volumen (6.000 – 9.000 m2/m3). Este tipo de módulos, en el campo de la ósmosis inversa, sólo son fabricados por tres compañías: • Du Pont (Permasep) • Toyobo (Hollosep) • Dow Chemical (Dowex) 8.2. COMPARACIÓN ENTRE LOS DISTINTOS MÓDULOS De las cuatro configuraciones presentadas, las más utilizadas en la ósmosis inversa son la espiral y la de fibra hueca. Cada configuración presenta ventajas e inconvenientes, de forma que, en cada aplicación hay que escoger el módulo que mejor se adapte a las características y situaciones particulares que puedan presentarse. Así, a la hora de hacer la elección del tipo de módulo a utilizar, se deberán tener en cuenta toda una serie de factores, como son: 1. Tipo de solución de aporte, ya que según esté más o menos cargada, convendrá utilizar uno u otro tipo de módulo. Módulos 2. Superficie de membrana disponible por módulo, ya que si esta es baja se precisarán muchos módulos y mucho espacio. 3. Posibilidades de sustitución e intercambiabilidad, que facilitarían la sustitución de los módulos antiguos por otros de fabricación más reciente y con mejores propiedades. 4. Coste de la inversión. En la siguiente tabla se muestra de forma esquemática, las características más importantes de los cuatro tipos de módulos que se utilizan en esta tecnología. Tipo de módulo Características De placas Tubular Espiral Fibra hueca Superficie de membrana por módulo ( m2 ) 15 - 50 1,5 - 7 30 - 34 370 – 575 Volumen de cada módulo (m3) 0,3 – 0,4 0,03-0,1 0,03 0,04-0,08 Caudal por módulo (m3/día) 9-50 0,9-7 30-38 40-70 Grado de compactación (m2/m3) 50-125 50-70 1000-1100 5000-14000 Productividad por unidad de superficie ( m3/día por m2 ) 0,6-1 0,6-1 1-1,1 0,1-0,15 Productividad por unidad de volumen ( m3/día por m3 ) 30-125 30-70 1000-1250 900-1500 Conversión de trabajo por módulo ( % ) 10 10 10-50 30-50 Pérdida de carga por tubo de presión ( bar ) 2-4 2-3 1-2 1-2 Sustitución e intercambiabilidad por otra marca Nula Nula Total Nula Tolerancia frente a las sustancias coloidales Mala Buena Mala Mala Tolerancia frente a la materia en suspensión Mala Buena Mala Muy mala Mecánicas Regular Bueno No aplicable No aplicable Químicas Bueno Bueno Bueno Bueno Comportamient o frente a las limpiezas Con agua a presión Excelente Bueno Bueno Bueno Pretratamiento necesario Coagulación + filtración (5µm) Filtración Coagulación + filtración (5µm) Coagulación + filtración (1µm) Alimentación Alimentación Desalación de aguas salobres y de mar Desalación de aguas salobres y de mar Aplicaciones Líquidos poco cargados Aguas residuales y líquidos cargados Obtención de aguas de alta pureza Obtención de aguas de alta pureza Módulos Concentración y recuperación de sustancias Concentración y recuperación de sustancias Aguas residuales y líquidos cargados Concentración y recuperación de sustancias Tabla 14. Comparación entre los distintos módulos Consideraciones medioambientales de los vertidos de salmuera 9. CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES DE LOS VERTIDOS DE SALMUERA En todo proceso desalador, tenemos una porción del agua previamente introducida que es rechazada y devuelta normalmente al reservorio original de donde se aportó el agua bruta a desalar. El problema de estos vertidos debe tratarse cuidadosamente dependiendo del tipo de proceso utilizado, y de las características del reservorio donde se tira la salmuera de rechazo. De todas formas, es necesario abordar de forma separada la desalación de aguas marinas y de aguas salobres, porque son dos problemáticas completamente diferentes ya que afectan a medios naturales distintos. 9.1. AGUAS SALOBRES Las plantas desaladoras de agua salobre generalmente se nutren de acuíferos cuya calidad se ha ido degradando paulatinamente con su extracción para el riego. A continuación se describen las diferentes soluciones aportadas actualmente para la evacuación de este tipo de salmueras: • Vertido directo a ramblas o cauces cercanos. Es una solución común pero poco recomendable porque puede salinizar dichos cauces y los suelos adyacentes, afectando incluso a la población asentada aguas debajo de dicho cauce. • Vertido al mar en el caso de cercanía al mismo. Debe estudiarse en cada caso ya que en este caso la salinidad es menor que la marina y puede afectar a la diversidad biológica en ese tramo costero. • Inyección en acuíferos más profundos incluso que el de aporte. Es una solución altamente peligrosa, ya que puede afectar a acuíferos cercanos y además los convierte en inservibles para su uso futuro. • Instalación de balsas de evaporación o incluso salinas (como las de Torrevieja o Santa Pola) para obtener sal. La extensión necesaria para este tipo de solución suele disuadir a los propietarios de las explotaciones, pero es de las más adecuadas aunque desaparece todo caudal posible de retorno a la cuenca hidrográfica. • Creación de colectores de vertido o “salmueroconductos” que recojan los rechazos de una o varias plantas desaladoras próximas hasta el mar. Parece la solución más aceptable, aunque con coste algo superior a otras opciones, y además debe estudiarse el punto exacto de vertido en el mar, al igual que en el segundo punto, para no alterar las condiciones biológicas de la fauna y flora marinas. Debe tenerse en cuenta también que excepto la segunda y última opciones, los vertidos de salmuera retornan finalmente a la cuenca hidrográfica de donde se extrajo el agua salobre, con lo que deberían rechazarse a priori. Consideraciones medioambientales de los vertidos de salmuera 9.2. AGUAS MARINAS Se sabe que la fauna marina no queda afectada significativamente por la existencia de emisarios de esta agua (gracias por supuesto a su movilidad), incluso hay experiencias de una mayor cuota de captura pesquera alrededor de desagües de plantas desaladoras. Sin embargo hay que tratar con especial atención la flora marina existente en el litoral mediterráneo, en concreto las praderas de “Posidonia Oceánica”, una fanerógama marina que recubre los fondos de un calado de 5 a 30 metros (dependiendo de la transparencia del agua y la granulometría de los fondos) de extraordinaria productividad y diversidad, pero a su vez de extraordinaria rareza. Tanto es así que aparece en la lista de hábitats naturales de interés comunitario que es preciso proteger (Directiva del Consejo 92/43/CEE del 21 de Mayo de 1992). Aunque no se sabe a ciencia cierta el efecto de los vertidos de salmuera en las praderas de Posidonia Oceánica, lo que sí es cierto es que es necesario realizar una serie de medidas de protección para no dañar dichas praderas, con una capacidad de producción de oxígeno incluso mayor que la selva amazónica. De entre las posibilidades de actuación en cuanto a la evacuación de la salmuera al mar, no hay soluciones concluyentes, sobretodo en cuanto a la cuantificación del efecto de cada una de ellas sobre la flora marina, se muestran aquí las soluciones comúnmente adoptadas: • Vertido directo al mar a través de ramblas y cauces. Esta posibilidad puede ser la más adecuada en zonas de corrientes y vientos considerables, ya que en zonas cercanas a la costa, los oleajes y la mayor temperatura de la aguas favorecen la mayor dilución de las descargas de salmuera. • Construcción de emisarios submarinos que sobrepasen la pradera de Posidonia. • Utilización de emisarios ya existentes de aguas residuales. Se sabe que las aguas residuales urbanas (ARU) tienen un efecto más pernicioso para la flora marina que los rechazos de plantas desaladoras. Por lo tanto un mal menor puede ser verter dichos rechazos a colectores residuales o lugares anejos a ellos, en zonas ya previamente degradadas por el efecto de las ARU. 9.3. OTROS VERTIDOS Aunque no tienen la misma importancia que los vertidos de salmuera, gracias a la ínfima relación de volúmenes evacuados (la suma total de ellos no supone más del 1% del total), existen otro tipo de vertidos en una planta desaladora por osmosis inversa, que se resumen aquí: • Agua de lavado de los filtros de arena: constituyen un agua muy cargada de arenas y materia orgánica, en general se vierte normalmente una vez al día. • Productos de limpieza de las membranas. Su frecuencia depende mucho del tipo de membrana, pero en general al menos se realiza una vez al año con detergentes de naturaleza biodegradable. • Aditivos provenientes del pre/post-tratamiento del agua bruta/producto. Normalmente no deben aparecer en los vertidos ya que se utilizan para incluirse Consideraciones medioambientales de los vertidos de salmuera en el agua para consumo (sólo en caso de fugas, pero en todo caso es posible encontrar en menor medida floculantes, antiincrustantes, anticorrosivos y biocidas en las aguas de rechazo. Su carácter poco degradable hacen que deban ser controlados periódicamente. 9.4. OTROS IMPACTOS Y CONSIDERACIONES FINALES Las plantas desaladoras consumen gran cantidad de energía. Tanto si consumen energía eléctrica como si extraen energía térmica en el caso de una planta dual, las emisiones de CO2, NOX y otros componentes derivados de la combustión de estas centrales térmicas deben asociarse a la planta desaladora. Sólo en el caso de que la energía eléctrica utilizada en procesos desaladores ( O.I., ED, CV, bombeo de las MSF y MED) sea de origen renovable, no debe asignarse este impacto ambiental al proceso desalador. Finalmente, también hay que destacar la contaminación acústica de una planta desaladora, que no suele mencionarse debido a su relativa lejanía de poblaciones y zonas habitadas. Pero debe tenerse en cuenta sobre todo en pequeñas islas o zonas con muy escaso terreno edificable, situación desgraciadamente muy común en el Levante Español y nuestros archipiélagos. Resumiendo, el impacto ambiental derivado de la instalación de una planta desaladora tiene varias afecciones destacables: vertido de salmueras, emisiones y ruidos. Es de otra naturaleza que una gran obra hidráulica, y por lo tanto difícilmente comparables. 9.5. SOLUCIÓN A LOS VERTIDOS DE SALMUERA En la figura se aprecia como la corriente de agua (1), después de pasar por la Planta desalinizadora (2), se descompone en un caudal de agua dulce (3), apta para el abastecimiento urbano (4) o el regadío (5), y un flujo de salmuera (6) que, en lugar de contemplarse como residuo, se utiliza como recurso para regenerar o crear un ecosistema salobre (7). Consideraciones medioambientales de los vertidos de salmuera Figura 31. Ciclo de la salmuera. La simbiosis entre Plantas desalinizadoras y Ecosistemas salobres se presenta pues como fuente idónea de recursos para la regeneración de humedales y también como alternativa ecológica para la evacuación de salmueras procedentes de la desalinización de aguas continentales. Se trata de un proceso combinado entre dos actividades aparentemente incompatibles y con una consideración ambiental ciertamente contrapuesta, que adquiere una gran dosis de viabilidad atendiendo a la evidente similitud existente entre la composición de las salmueras de las plantas desalinizadoras y la calidad de las aguas que constituyen estos humedales naturales; así como un gran paralelismo en lo que respecta a los procesos de concentración de sales y sus posibles afecciones medioambientales: En cuanto al origen, aunque unas aguas se consideran de origen natural frente a las otras que proceden de una actividad industrial, el concepto de natural expresa en estas el carácter de habitual de las mismas en un determinado espacio ambiental durante al menos varias generaciones, lo cual nos ha permitido verificar, en este caso, las peculiaridades de un ecosistema salobre ciertamente diferenciado de otros, que aporta la riqueza y diversidad en especies vegetales y animales para su consideración habitual como espacios naturales protegidos. La composición, aunque aparentemente es otra gran diferencia entre estos dos tipos de aguas salobres, la realidad es bien diferente ya que, en ambos casos, los procedimientos de mineralización a los que han sido sometidas suelen conducir a idénticos resultados, tanto por lixiviación natural de los materiales por donde discurren las aguas continentales, como por concentración artificial de las mismas aguas naturales. La afección a otros ecosistemas puede, en determinados casos, considerarse como diferencia clara entre estos dos tipos de aguas, en tanto en cuanto las aguas salobres naturales, en su discurrir a lo largo del tiempo, han abierto caminos y configurado límites definidos entre ellas y los ecosistemas vecinos, no contemplándose, en ningún Consideraciones medioambientales de los vertidos de salmuera momento, afecciones medioambientales entre los mismos. Por el contrario, cuando aguas salobres procedentes de la desalación inundan ecosistemas de agua dulce, se considera que se altera el equilibrio existente, ya que sólo la continuidad de los nuevos flujos a lo largo del tiempo puede dar origen a un nuevo espacio ambiental salobre, que podríamos denominar natural, con el consiguiente reequilibrio entre ecosistemas. La utilidad, es sin duda, la principal diferencia que en la actualidad presentan estos dos tipos de aguas salobres. Las aguas de origen natural, aparte de configurar espacios protegidos, suelen generar actividades económicas relacionadas con la comercialización de aguas minerales y con el establecimiento de balnearios, termas, baños, etc., todas ellas de interesantes repercusiones turísticas, cada día con mayores demandas. Sin embargo, las salmueras procedentes de la desalinización no presentan, hasta la actualidad, ninguna utilidad reconocida que les haga objeto de interés. Como conclusión podríamos decir que no se aprecian diferencias entre los dos tipos de agua contemplados, tan solo las incertidumbres derivadas del carácter incipiente y desconocido de las aguas salobres procedentes de la desalinización, que pueden ser resueltas a través de una mayor investigación en este campo. Impacto ecológico. Ventajes e inconvenientes de la desalación 10. IMPACTO ECOLÓGICO. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA DESALACIÓN. 10.1. IMPACTO DE LA DESALACIÓN SOBRE LOS ECOSISTEMAS El impacto que tienen ambos procesos en el medio marino es parecido y resulta principalmente del vertido de las aguas residuales, aunque también existe cierto impacto derivado del proceso de captación de aguas. Las aguas residuales resultantes de la desalinización tienen un contenido mayor en sales que las aguas de origen, presentan diferencias de temperatura, de pH, de alcalinidad y contienen sustancias químicas utilizadas durante el proceso de depuración. En el caso de las plantas que funcionan por destilación el vertido representa de 8 a 10 veces el volumen de agua depurado, mientras que en plantas de ósmosis inversa el volumen residual es menor que en las anteriores (2.5 a 3 veces el volumen depurado) pero el vertido tiene un contenido en sales mucho mayor. En ambos casos hay que añadir el vertido de productos químicos (biocidas, antiincrustantes y antiespumantes) resultado del tratamiento del agua, así como también los vertidos puntuales que resultan del limpiado de las membranas y que constituyen aportes muy concentrados de sólidos en suspensión y detergentes. Tradicionalmente se ha considerado que el impacto químico del proceso de ósmosis inversa era despreciable por verter a concentraciones muy bajas. Sin embargo muchos de los componentes de los vertidos tienen un impacto demostrado sobre el medio marino y, en algunos casos, como los metales, no tanto por su concentración sino por la carga que representan. COMPUESTOS ORIGEN/FUNCIÓN IMPACTO Metales pesados: Cu, Fe, Ni, Cr, Zn Corrosión acumulación en el sistema, estrés a nivel molecular y celular Fosfatos antiincrustantes macronutriente, eutrofización BELGARD'2000 (Ac. Málico) Antiincrustantes desconocido Clantifouling formación compuestos halogenados, carcinógenos y mutágenos Ácidos grasos tensoactivos membranas celulares Sulfuro de sodio anticorrosivo, captura O2 desconocido Ácido sulfúrico antiincrustante en grandes cantidades baja significativamente el pH del sistema Residuos sólidos limpieza de membranas turbidez Salmuera concentrado de agua de mar variable Temperatura tratamiento variable Tabla 15. Impacto de distintos compuestos. Impacto ecológico. Ventajes e inconvenientes de la desalación Si la desaladora se abastece de energía eléctrica generada a partir de la quema de combustibles fósiles, carbón y petróleo en las centrales térmicas, se emitirán gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, CO2, y otros gases como el dióxido de azufre, SO2 y óxidos de nitrógeno, NOx, responsables de la lluvia ácida. De ahí la importancia de construir desaladoras que consuman electricidad generada mediante sistemas de energías renovables, como la energía solar, eólica, mareomotriz, hidráulica, geotérmica o biomasa. 10.2. INCONVENIENTES DE LA DESALINIZACIÓN • En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se producen residuos salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican a la flora marina al aumentar la salinidad de las aguas. • Las complejas instalaciones de ósmosis inversa requieren un gran consumo de electricidad. • Las desalinizadoras se instalarían en lugares no ocupados por las urbanizaciones turísticas. • Como fábricas que son, tienen una vida limitada. • El agua desalada, al parecer, podría perjudicar a la agricultura. Los cítricos, por ejemplo, tan abundantes en la zona de Valencia y Murcia, son muy sensibles a los minerales que contiene el agua desalada. • Habría que realizar nuevas y costosas obras de infraestructura para trasladar el agua desalada a las zonas donde es necesaria. 10.3. VENTAJAS DE LA DESALINIZACIÓN • Podrían utilizarse energías renovables para el funcionamiento de las desaladoras, dado que en numerosas zonas del sur y el este del país, el sol y/o el viento abundan. • Calidad del agua. • El abastecimiento de agua no depende de las condiciones climáticas, del hecho que llueva más o menos. • Si se plantea sobreexplotar los ríos con trasvases, el costo de las obras de canalización y de bombear agua hasta territorio lejanos es más elevado que desalar el agua directamente del mar. • La sobreexplotación de los ríos puede tener también consecuencias graves, como la intrusión del agua de mar y la progresiva salinización de los recursos hídricos. • El sistema de desalinización por ósmosis inversa consume menos energía (4 kilovatios hora) que el sistema por evaporación (10,5 kilovatios hora) y el costo de construcción es la mitad. 10.4. CONSEJOS DE LOS EXPERTOS Los investigadores del Centre d´Estudis Avancats de Blanes – CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) informan de una serie de medidas que habría que tener en cuenta: • La localización de las desaladoras debería ser en zonas donde el impacto sobre las comunidades bentónicas sea mínimo (verter preferentemente los residuos en fondos Descripción de la instalación válvula de retención. Los tipos más frecuentes de turbinas que encontramos en las instalaciones son las bombas multietápicas funcionando de forma invertida y las turbinas Pelton. 12.4. DEPÓSITO DE EQUILIBRIO OSMÓTICO Las membranas separadoras tienen hasta un 60% de agua en su composición, por lo que deben estar permanentemente húmedas. Si se dejan secar se contraen, pudiéndose desprender la capa de separación de la capa soporte, arruinándose irreversiblemente la membrana. Por esta razón, cuando las membranas están fuera de servicio, se conservan en una solución que además contiene bisulfito sódico que actúa como conservante. 12.5. OTROS EQUIPOS DE BOMBEO 12.5.1. Bombas de captación El tipo de bombas que se utilizan en la captación de agua dependo de la solución adoptada para ésta, aunque ha de tratarse de que tengan la mayor eficiencia posible. Son preferibles las bombas verticales a las sumergidas por su mayor eficiencia y su más fácil mantenimiento. Estas bombas operan a velocidades de 3.000 rpm y precisan de un equipo de vacío, que puede ser individual o conjunto, para realizar su cebado y asegurar un funcionamiento homogéneo sin cavitaciones. 12.5.2. Bombas de transferencia Son necesarias en el caso de utilizar filtros de arena abiertos. 12.5.3. Bombas de impulsión de producto Forman parte de toda la instalación ya que el agua producida por ósmosis inversa sale casi sin presión del bastidor. Con ellas se bombea generalmente desde el depósito regulador que suele existir en todas las instalaciones, hasta el punto de consumo del agua desalada. 12.5.4. Bombas de lavado de filtros El retrolavado de los filtros de arena precisa de bombas que funcionando a presiones entre 2,5 y 4 Kg/cm2 proporcionen los caudales necesarios para producir el esponjamiento de los materiales filtrantes y el posterior arrastre de los elementos que han quedado retenidos en los mismos. 12.5.5. Soplantes para el lavado de filtros Suministran el aire para realizar la fase de lavado de los filtros correspondientes. Descripción de la instalación 12.5.6. Bombas de desplazamiento Cuando la instalación se para durante un período más o menos largo, como puede ser el caso de avería o para someter a una revisión los distintos equipos, es preciso disponer de un sistema que permita eliminar o desplazar el agua estancada de los circuitos de alta presión, las bombas de alta presión y las membranas. 12.6. EQUIPO DE LAVADO DE MEMBRANAS La limpieza consiste en la recirculación durante un tiempo de una serie de reactivos disueltos en el agua para eliminar la causa del ensuciamiento de las membranas. Dicha recirculación se realiza a unas velocidades y presiones determinadas, por lo que se requieren colectores de baja presión que permitan establecer un circuito cerrado y permitir que la solución de limpieza esté circulando durante algún tiempo. 12.7. EQUIPOS AUXILIARES En las instalaciones de tamaño medio a grande, para completar el funcionamiento se necesitan una serie de elementos que permiten la automatización de las distintas operaciones a realizar, de las que las más importantes son: 12.7.1. Agua de servicios internos Dado que tanto por motivos de seguridad y de higiene, como para facilitar la disolución de reactivos, es necesario disponer de agua tratada, una red de conducciones la llevará desde un grupo de presión hasta las distintas partes donde puede necesitarse, como sala de reactivos, toma de agua, sala de proceso, etc. 12.7.2. Aire comprimido Con la correspondiente red de tuberías y válvulas permitirá la utilización de válvulas automáticas cuando el diseño de la instalación así lo prevea. 12.8. VÁLVULAS Una instalación de ósmosis inversa consta de numerosas válvulas, pero tanto en instalaciones grandes como en pequeñas hay dos tipos de válvulas fundamentales que regulan el proceso: • Válvula de control • Válvula de salmuera • Otras 12.8.1. Válvula de control Situada en la impulsión de la bomba de alta presión, regula en cada momento la presión de alimentación a las membranas. Descripción de la instalación En las instalaciones de gran capacidad que requieren automatización se emplean dos tipos: • Válvulas electrónicas. • Válvulas hidráulicas. 12.8.2. Válvula de salmuera Es la que regula la conversión de la instalación. 12.8.3. Otras válvulas En todas las instalaciones desaladoras aparecen otras válvulas que regulan distintos aspectos del proceso, que pueden ser de alta o baja presión. Introducción a pretratamientos, proceso de O.I. y postratamientos 13. INTRODUCCIÓN A PRETRATAMIENTOS, PROCESO DE O.I. Y POSTRATAMIENTOS Desalación de agua salobre: En el caso de la desalación de aguas salobres, uno de los problemas fundamentales a resolver es el del pretratamiento de estas aguas, ya que la diversidad de componentes que puede llevar es muy variada. La desalación de aguas salobres procedentes de acuíferos, están muy cargadas de sales minerales (algunas con productos de solubilidad muy bajos como el BaSO4 y CaF2), pero también pueden contener otros elementos que pueden ensuciar y atascar las membranas, como coloides, hierro, manganeso, ácido sulfhídrico, orgánicos, bacterias anaerobias sulfatorreductores, etc. En el caso de aguas superficiales, éstas suelen poseer menos salinidad total, pero; sin embargo, contienen generalmente más cantidad de sólidos en suspensión, materias orgánicas de origen natural, algas, bacterias, color, etc. Una vez caracterizada el agua bruta lo mejor posible, realizando las analíticas y ensayos de tratabilidad que sean necesarias, se procede al diseño de la línea de tratamiento El pretratamiento del agua bruta incluye las siguientes fases: 13.1. ÁREA DE PRETRATAMIENTO Cloración previa La función es oxidar la materia orgánica bacterias del agua captada. Se realiza mediante hipoclorito sódico NaClO al 16 %. Coagulación Aunque ya se haya producido una primera filtración natural previa en la captación de agua de un acuífero, utilizamos sulfato de alúmina hidratado como coagulante, Al2(SO4)3·18H2O, para aglomerar las sustancias coloidales que permanecen indefinidamente en suspensión y así facilitar su eliminación en la filtración. Filtración Mediante un filtro multicapa donde tendrá lugar la eliminación de las aglomeraciones de las partículas coloidales con el objetivo de reducir el SDI (índice de atascamiento) del agua hasta valores de seis. Microfiltración Se utilizan dos microfiltros de tierras de diatomeas que funcionan alternadamente, su función es reducir el SDI hasta un valor e tres ya que las membranas de OI no soporta valores de SDI superiores a cinco. Introducción a pretratamientos, proceso de O.I. y postratamientos Acidificación El acidulante utilizado es ácido sulfúrico, H2SO4 al 65 % en peso. Su misión es reducir el pH hasta valores aproximados de seis con la finalidad de evitar la precipitación del carbonato cálcico y de óxidos metálicos. Adición de antiincrustantes Se utiliza hexametafosfato sódico. El objetivo en este caso es evitar que la cantidad de sales disueltas de calcio y magnesio en el agua se adhieran formando incrustaciones en las paredes de las membranas. Decloración Se lleva a cabo con bisulfito sódico, NaHSO3, al 33% en peso, para eliminar del agua las sustancias cloradas residuales procedentes del pretratamiento de cloración, antes de que penetren en el interior de los módulos, ya que las membranas no toleran más de 0,1 ppm de cloro Filtración de seguridad Con filtros de cartucho, para eliminar las partículas abrasivas que dañarían la bomba de alta presión del equipo de ósmosis inversa. El pretratamiento es una parte esencial de la instalación, ya que su objetivo consiste en el acondicionamiento del agua bruta antes de que ésta llegue a los módulos de ósmosis inversa. Con un buen pretratamiento se logra un funcionamiento óptimo de las membranas con el consiguiente aumento de la vida útil de las mismas y el rendimiento de la planta. 13.2. ÁREA DE ÓSMOSIS INVERSA Esta área comprende los siguientes elementos: Bomba de alta presión Introduce el agua bruta pretratada en el interior de los módulos, suministrando la presión necesaria. Módulos de ósmosis inversa Las membranas semipermeables separan el permeado (agua exenta de sales) por efecto de la presión, obteniéndose agua concentrada en sales ( salmuera ). Turbina de recuperación de energía: Se acciona mediante el flujo de salmuera a la salida de los módulos. La turbina va conectada al eje de la bomba de alta presión, suministrándole la energía recuperada. Introducción a pretratamientos, proceso de O.I. y postratamientos Sistema de lavado Constituye un sistema de lavado químico periódico de las membranas. Después de la fase de ósmosis inversa se obtiene un permeado exento de sales. 13.3. ÁREA DE POSTRATAMIENTO La misión del postratamiento es extremar la calidad del agua para adecuarla a los parámetros necesarios para su uso. Los postratamientos realizados son: Aireación, eliminación del CO2 libre Se realizará en una torre de aireación, mediante la aplicación de aire a contracorriente que proviene de un ventilador. La finalidad es eliminar la cantidad de CO2 libre del agua de captación, que se ha visto incrementada por el proceso de acidificación, y que ha traspasado las membranas apareciendo en el permeado confiriéndole una cierta acidez. Se conseguirá de esta forma aumentar el pH del agua tratada. Alcalinización Dado que en el proceso de aireación se hace disminuir mínimamente la acidez del agua, se necesita aumentar todavía más pH para contrarrestar el pretratamiento de acidificación y obtener valores de pH entre 7,2-7,6. El reactivo utilizado es NaOH diluido al 0,1 %. Pasivación Para garantizar la inexistencia de corrosión en las tuberías de distribución del agua potable se adicionará el reactivo Kemazur 12.07, que no actúa sobre los compuestos químicos del agua sino que constituye una fina película protectora en la tubería que suprime el contacto metal-agua evitando así la corrosión. Cloración final o esterilización Añadiendo hipoclorito sodio, NaClO al 16 %, esterilizando de esta forma el agua obtenida y interrumpiendo posibles desarrollos bacteriológicos. Después de las fases del postratamiento se obtiene agua potable, apta para el consumo directo. Pretratamientos 14. PRETRATAMIENTOS Los proyectos de ósmosis inversa requieren un pretratamiento del agua debido a tres razones distintas: 1. Incrustación 2. Ensuciamiento 3. Ataque a las membranas Cuando ocurre alguno de los dos primeros fenómenos, se produce una disminución del rendimiento de la planta o un aumento de la presión de trabajo de la operación. Puede producirse también un aumento de la presión diferencial y un aumento de la salinidad del permeado. El efecto que produce el ataque a las membranas es totalmente contrario; un aumento del caudal y de la salinidad del agua que atraviesa las membranas. Se entiende por pretratamiento de una instalación de ósmosis inversa a los procesos que sufre el agua de alimentación con objeto de su acondicionamiento tanto físico como químico, para obtener de las membranas su máximo rendimiento en producción y su máxima duración. El objetivo buscado en el pretratamiento del agua consiste en evitar la precipitación de sales sobre la membrana, el atascamiento por óxidos metálicos, materia en suspensión, microorganismos y la degradación química de la misma. 14.1. IMPORTANCIA DEL PRETRATAMIENTO. CONSECUENCIAS DE UN PRETRATAMIENTO INCORRECTO Tres son los factores requeridos para que una planta de ósmosis inversa funcione sin problemas: 1. Poseer un pretratamiento adecuado. 2. Poseer un sistema de ósmosis inversa bien diseñado. 3. Una correcta explotación y mantenimiento. De estos factores, el pretratamiento es la parte fundamental de la planta, ya que su diseño condiciona el funcionamiento y mantenimiento de la misma. La misión del pretratamiento es suprimir o reducir los atascamientos de las membranas, para lo que se han de tener en cuenta multitud de factores. El no diseñar correctamente el pretratamiento de la planta puede acarrearnos las siguientes consecuencias: • Aumento de la polarización por concentración (ya que las partículas depositadas en la superficie de la membrana retardan la retrodifusión de las sales hacia el seno de la solución concentrada). • Incremento de la salinidad del permeado. Pretratamientos • Reparto irregular de flujos a través de las membranas (lo que ocasiona su deterioro prematuro). • Disminución del caudal de permeado. Los lavados de las membranas sólo permiten recuperar una parte de las características de caudal de los módulos, lo que acarrea dos consecuencias: 1. El caudal producido por módulo decrece rápidamente. 2. Los lavados deben realizarse a intervalos cada vez menores. En los siguientes apartados de este capítulo se detallan todas las fases del pretratamiento de la instalación, con todas sus características técnicas, de funcionamiento y de aplicación. 14.2. TIPOS DE ATASCAMIENTO El atascamiento de un módulo puede producirse por las siguientes circunstancias: • Por precipitación de sales minerales • Por precipitación de óxidos metálicos • Por depósito de partículas en suspensión • Por depósito de partículas coloidales • Por depósito de sustancias biológicas. 14.2.1. Atascamiento por precipitación de sales minerales En todo proceso de ósmosis inversa se produce una concentración de sales que se elimina en el rechazo. Es básico el cálculo y la determinación del previsible contenido salino que debe tener el agua que se va a evacuar como rechazo, con el fin de conocer la proximidad de las diversas sales a sus correspondientes productos de solubilidad. Por ello deben conocerse las características del agua de rechazo, paras disponer las debidas precauciones y así evitar las precipitaciones sobre la membrana, que producirían su atascamiento y su deterioro. La precipitación de sales minerales sobre la membrana puede producirse si la concentración de una o varias sales supera su producto de solubilidad en el agua de rechazo. Así, para evitar la precipitación de sales se pueden seguir tres caminos distintos: 1. Controlar el factor de conversión (Y), para que las concentraciones salinas estén en todo momento por debajo de su límite de solubilidad. 2. Eliminar uno de los iones responsables de la formación del precipitado. 3. Inhibir el crecimiento de los cristales del precipitado. Las sales que con mayor frecuencia suelen aparecer y dar lugar a problemas de precipitación, son carbonato cálcico, sulfato cálcico y sílice. También debe vigilarse la presencia de bario, estroncio y fluoruro cálcico, aunque su presencia es poco frecuente. Pretratamientos a) CARBONATO CÁLCICO La precipitación del carbonato cálcico se produce por la descomposición del bicarbonato cálcico. Ca(HCO3)2 Æ CaCO3 + CO2 + H2O Esta precipitación se determina por el índice de Langelier ( para aguas de baja y media salinidad ), que relaciona el pH del agua con su pH de saturación (pHs), siendo éste el valor al que el carbonato cálcico no presenta tendencia ni a precipitar ni a disolverse. La diferencia entre los dos pH antes citados, es el índice de Langelier (LSI). LSI = pH - pHs Cuando el LSI del agua de rechazo sea negativo, no habrá precipitación del carbonato cálcico. Cuando se trata de aguas de alta salinidad y de mar, como en nuestro caso, para determinar la precipitación del carbonato cálcico se utiliza el índice de Stiff & Davis. b) SULFATO CÁLCICO Para conocer si existe peligro de precipitación del sulfato cálcico, se debe calcular su contenido en el agua de rechazo. Se calcula el producto iónico del sulfato cálcico (CaSO4) en el agua problema y se compara con su producto de solubilidad. Hay que tener en cuenta la influencia que sobre este último tiene la fuerza iónica del medio, que aumenta al hacerlo la salinidad del agua. El producto iónico del sulfato cálcico debe mantenerse siempre en valores inferiores a 0,8 veces el producto de solubilidad, para que no aparezcan problemas de precipitación. c) SÍLICE Para controlar la posible precipitación de la sílice se debe determinar la cantidad existente en el agua de rechazo. Siempre debe obtenerse un contenido inferior a la solubilidad del SiO2, teniendo en cuenta que ésta aumenta con la temperatura del agua y también varía con el pH. Índice de Langelier Para calcular el índice de Langelier debe definirse previamente el pH de saturación (pHs) del bicarbonato cálcico disociado en el agua de rechazo. Este pHs se halla mediante la siguiente ecuación de Langelier: [ ] [ ] − +−−= 3 2 2 logloglog HCOCa K K pHs s Pretratamientos Donde Ks y K2 son coeficientes aparentes de disociación, que dependen de la fuerza iónica y de la temperatura. Este pHs hace referencia al valor de pH para el cual el carbonato cálcico no tiene tendencia ni a precipitar ni a disolverse. El índice de Langelier (LSI) determina la posible precipitación del carbonato cálcico mediante la ecuación antes citada. Con esta ecuación, se pueden obtener tres posibles valores: 1. pH = pHs Æ LSI = 0 (no existe ni precipitación ni disolución) 2. pH > pHs Æ LSI > 0 (precipita el CaCO3) 3. pH < pHs Æ LSI < 0 (no precipita el CaCO3). Obviamente, interesa que nos encontremos en el tercer caso, que el agua de rechazo tenga mayor acidez que el pHs. Índice de Stiff & Davis Como ya se ha dicho, este índice se utiliza para predecir la precipitación del carbonato cálcico en las aguas de mar. Es análogo al índice de Langelier, introduciendo un factor de corrección que tiene en cuenta la fuerza iónica del medio y la variación de la temperatura. 14.2.2. Atascamiento por precipitación de óxidos metálicos El agua bruta que alimenta las membranas puede contener metales solubles capaces de ser oxidados en el sistema de ósmosis inversa, tanto en la entrada de los módulos como en el propio interior de las membranas. Los metales cuya presencia es más común, capaces de producir la precipitación de óxidos hidratados o hidróxidos, son el hierro, el manganeso y el aluminio. Los dos primeros acostumbran a encontrarse juntos. a) PRECIPITACIÓN DEL HIERRO En los equipos de ósmosis inversa puede existir hierro a causa de que ya existiera en el agua de alimentación y también por corrosión de los materiales utilizados en la instalación o en las conducciones de alimentación de la misma. El hierro, cuando está en solución acuosa como ión ferroso, es fácilmente rechazado por las membranas como cualquier otro catión bivalente. El problema se presenta cuando en el agua hay oxígeno disuelto. Entonces el hierro se oxida de ión ferroso a férrico, precipitando así hidróxido férrico con gran facilidad, dando lugar a una obstrucción de las membranas. Esta oxidación depende de la concentración del propio hierro, de la concentración del oxígeno disuelto y del pH del medio. Una disminución del pH dentro de los rangos normales de los equipos de ósmosis inversa, no afecta a la solubilidad del hierro pero Pretratamientos 14.4.3. Tipo de coagulante Los coagulantes más utilizados son las sales minerales de cationes de valencia elevada, de entre las cuales las más usadas son el sulfato de alúmina y el cloruro férrico hidratados. En el presente estudio se podría aceptar la utilización de cualquiera de los dos, ya que ambos son bien aceptados por la membrana que se utiliza y tienen buen comportamiento en los rangos de pH y temperatura de trabajo. No obstante, se empleará el sulfato de aluminio 18 veces hidratado, Al2(SO4)3·18H2O, en disolución acuosa, debido a que es más económico. Al disolver el sulfato de alúmina en agua, se produce la disociación del primero: Al 2(SO4)3 Æ 2Al+3 + 3(SO4)-2 A continuación, la hidratación del ión Al+3, formándose cationes complejos como: Al +3 + 6H2O Æ [Al(H2O)6]+3 [ Al(H 2O)6 ]+3 + H2O Æ [Al(H2O)5OH]+2 + H+ Pudiéndose formar también cationes complejos polinucleares como: [(H 2O)4Al(OH)2Al(H2O)4]+4 [Al 8(OH)20]+4 Estos cationes complejos neutralizan las cargas negativas de los coloides, formándose a continuación agregados neutros de mayor tamaño. Es evidente la influencia del pH en este proceso, ya que un aumento de la acidez produce una mayor solubilidad de los cationes de Al+3. Si el pH, al realizar la coagulación, se encuentra en todo momento dentro del rango de 6,8 – 7,5 (límite de solubilidad del Al+3), se consigue que todo el aluminio reaccione formando los cationes complejos antes citados, precipitando junto a los flóculos formados. Controlando el pH nos evitamos la solubilidad de una parte de aluminio, susceptible entonces de formar el precipitado hidróxido de aluminio (Al(OH)3) en posteriores fases del tratamiento. Con la regulación del pH también se reduce el tiempo de coagulación, siendo innecesario el uso de coadyuvantes. Como se puede observar en la reacción anterior, la formación de los cationes complejos da lugar a un pequeño aumento de la acidez. Esto tiende a favorecer la coagulación, ya que el agua bruta es ligeramente alcalina. Pero este aumento de la concentración de H+ también produce la formación de dióxido de carbono. 2H + + HCO3- Æ CO2 + H2O Pretratamientos 14.4.4. Dosis de coagulante La dosis de cogulante se determina experimentalmente por la medición del potencial Z tras la filtración del agua, tomando muestras y realizando los correspondientes ensayos. Se considera suficiente una reducción del valor absoluto del potencial Z a valores cercanos a –10 mV. Así, la cantidad de reactivo es pequeña en comparación con la masa de agua a tratar, estando comprendida la dosis entre 10 y 30 g/m3 según los casos. 14.5. FILTRACIÓN PREVIA La siguiente etapa del pretratamiento va a ser una filtración sobre un lecho filtrante multicapa, para eliminar las partículas en suspensión, tanto las contenidas inicialmente en el agua de captación así como los flóculos formados en la coagulación anterior. 14.5.1. Mecanismos de filtración La filtración sobre un lecho filtrante multicapa está especialmente indicada cuando la cantidad de sustancias a retener es grande y la dimensión de las partículas es relativamente pequeña. La misión de los filtros es retener las partículas que contenga el líquido. Se llama filtración en superficie a la retención de éstas en la superficie y filtración en profundidad a la retención de las partículas en el seno de una masa filtrante. La filtración en superficie se realiza sobre un elemento soporte y la filtración en profundidad en un lecho filtrante. En la filtración en profundidad la retención de las partículas puede suceder por diversos mecanismos: • Tamizado mecánico: se trata de la retención de partículas más gruesas que el hueco de malla o el hueco de los elementos ya depositados, que forman por sí mismos, un material filtrante. Este fenómeno cobra más importancia cuanto más fina es la malla del material filtrante. • Depósito sobre material filtrante: la partícula en suspensión sigue en el líquido una línea de corriente. Por su tamaño, comparado con el tamaño de los poros, podría atravesar el material filtrante sin ser detenida. Pero debido a diversos fenómenos, cambia su trayectoria y contacta con el material. Estos fenómenos son: 1. Interceptación directa, es la retención de las partículas más finas que los huecos por simple contacto con la masa filtrante. 2. Interceptación indirecta, es la retención de partículas más finas que los huecos por efecto de la difusión, de fuerzas de atracción, inercia de partículas o adherencia al medio filtrante. Pretratamientos 14.5.2. Teoría de la filtración Los fenómenos de paso de un líquido turbio a través de un medio poroso se rigen por la Ley de Darcy, según la cual, la velocidad de filtración (U) es directamente proporcional a la diferencia de presiones (P1 – P2) existente entre la entrada y la salida del filtro: U = K · (P1 – P2) Siendo: K = Constante de proporcionalidad que depende de la viscosidad dinámica del fluido (45) y de la resistencia del medio (R) al paso del agua. Así: R K. 1 µ = Por esto, la velocidad de filtración se representa por: ts V U. = Siendo: V = m3 de agua filtrada. s = Superficie filtrante (m2) t = Tiempo (horas). El sistema trabajará a una presión de alimentación constante. A medida que vaya avanzando la filtración se irá produciendo una acumulación de partículas sólidas (torta) a lo largo del lecho filtrante. Esto produce una obstrucción progresiva de los intersticios de la masa porosa (atascamiento del filtro) y con ello la pérdida de carga del filtro aumentará, resultando así menor la presión de filtración P1. Al disminuir la diferencia de presiones de trabajo, disminuirá la velocidad de filtración y el caudal de líquido filtrado. También se produce una disminución de la calidad del filtrado debido a la acumulación de partículas en el lecho filtrante. Se hace necesario entonces llevar de nuevo al filtro a su estado inicial, estableciéndose un ciclo de trabajo con una regeneración periódica del filtro mediante un lavado de la masa filtrante. Es importante que se devuelva al filtro a sus condiciones iniciales, ya que sino se irá perdiendo eficacia por la acumulación de partículas. 14.5.3. Composición y características de la masa filtrante Para que la filtración sobre lecho filtrante sea eficaz, es preciso que las partículas puedan penetrar dentro del lecho sin bloquearlo en su superficie. Es necesario, por tanto, que los materiales que componen el lecho presenten unas características de granulometría, talla efectiva y uniformidad adecuadas, y no produzcan finos durante el lavado. El filtro constará de dos tipos de lecho: Pretratamientos 1. Lecho soporte: formado por cinco capas de arena silícea en forma de canto rodado de diferentes tamaños. Se colocarán en la parte inferior del cilindro y se dispondrán por orden de mayor a menor tamaño en sentido ascendente. La misión de este lecho es soportar al lecho filtrante, encauzar el filtrado hacia el colector de salida y repartir uniformemente el agua de lavado en contracorriente. 2. Lecho filtrante: formado por tres capas de distintos materiales; antracita (granulometría entre 0,8 y 2,5 mm), arena silícea (0,4 y 0,8 mm) y granate (inferior a 0,4 mm). Estas tres capas se sitúan encima del lecho soporte dispuestas por tamaño, de mayor a menor en sentido descendente. Las capas de granulometría más gruesas están formadas por materiales menos densos, ya que así después del lavado a contracorriente se mantiene el mismo orden inicial. Así pues, esta combinación tamaño-densidad le confiere gran estabilidad al conjunto. Tras el primer lavado se forman dos intercapas de material filtrante, por mezcla de las capas primera, segunda y tercera, respectivamente. De esta forma se establecen cinco barreras en total de tamaño progresivamente menor, las que seleccionan la turbidez. Resulta así un verdadero filtro en profundidad, con una capacidad de retención muy superior a la de los filtros de granulometría homogénea. También se logran mayores velocidades de filtración y, por tanto, ciclos de trabajo más largos. 14.5.4. Lavado del filtro El proceso puede realizarse con aguas o con agua e inyección de aire. En el filtro a instalar el lavado se efectuará con el propio líquido turbio y sin aire, ya que la inyección del mismo provocaría un desorden de la disposición de las capas. La duración del lavado será de 20 minutos, repartidos de la siguiente manera: • 15 minutos a contracorriente ( lavado y contralavado), que serán necesarios para producir una expansión del material filtrante e incrementar su volumen entre un 16 y un 25 %, dando lugar a la evacuación de las materias depositadas hacia la tubería de desagüe. • 5 minutos en corriente directa ( acondicionamiento y aclarado ), donde las capas de lecho soporte y filtrante recuperarán su disposición en orden de tamaño y densidad. Durante el aclarado, toda el agua filtrante se mandará al desagüe. La frecuencia de los lavados vendrá determinada por las características de cantidad y calidad deseada en el líquido filtrado. El parámetro indicador del empeoramiento de estas características será la pérdida de carga del filtro debido al atascamiento, detectable por la medición de la presión diferencial del agua entre las tuberías de entrada y salida respectivamente. Así, la puesta en marcha automática del proceso de lavado tendrá lugar cuando se sobrepase un determinado valor de pérdida de carga del filtro, establecido previamente en función de la instalación y las características requeridas para el filtrado. Pretratamientos La presión máxima admisible se elegirá cuanto menor deba ser la calidad y cantidad del agua filtrada. Para la presente instalación se adopta un valor de 1,2 bar, recomendad por el fabricante, que determina un lavado cada 24 horas aproximadamente. 14.6. MICROFILTRACIÓN Tras los procesos de coagulación y filtración de las partículas en suspensión, se obtiene un agua con un valor del SDI (índice de atascamiento) alrededor de 6, lo que indica una turbidez y contenido coloidal muy bajo. No obstante, para lograr una excelente protección de la superficie activa de las membranas de ósmosis inversa, se necesita una mayor calidad en el agua; rebajando aún más el SDI hasta lograr un valor igual o inferior a 3. Se procederá a un tratamiento de “afino”, capaz de retener la materia coloidal no coagulada, cuyo tamaño se sitúa alrededor de 1 µ (0,001 mm). Dicho tratamiento se denomina microfiltración. La microfiltración consiste en una filtración sobre precapa, de manera que el agua atraviesa un delgado lecho filtrante a base de tierra de diatomeas, depositadas previamente sobre un material poroso que actúa de soporte. El lecho filtrante puede ser celulosa, tierra de diatomeas o resina pulverizada, entre otros. Cuando e utiliza esta técnica con aguas cuyo índice de atascamiento es superior a 5, la pérdida de carga del filtro suele aumentar rápidamente, siendo las carreras de los filtros muy cortas. Para reducir este inconveniente se utiliza una de las técnicas siguientes: • Añadir en continuo al agua bruta el material de la precapa (body feed). • Añadir en continuo al agua bruta un polielectrolito catiónico 14.6.1. Características de la capa filtrante La microfiltración se lleva a cabo mediante tierras de diatomeas, las cuales deben cargarse dentro del recipiente, quedando depositadas en el fondo del mismo. Al cabo de 5 minutos de funcionamiento en recirculación, la masa filtrante va depositándose en los discos de tela, formándose así una delgada capa que constituye el lecho filtrante. Durante esta fase de acondicionamiento es posible que algunas partículas de diatomeas no queden bien adheridas al soporte, quedando en suspensión en el agua, con la posibilidad de poder ser proyectadas durante el funcionamiento del microfiltro hacia la salida. Al ser necesario el acondicionamiento de la masa filtrante siempre que se interrumpa la microfiltración, se deberá limitar al mínimo posible el número de fases de acondicionamiento, estableciendo un sistema de funcionamiento continuo del aparato. Pretratamientos 14.6.2. Regeneración del microfiltro Al rebasarse la presión de 3 bar en el interior del recipiente se puede pronosticar la existencia de atascamiento, por lo que deberá procederse a la regeneración del microfiltro mediante apertura del mismo y reposición de las tierras filtrantes. Se efectuará también el lavado manual del recipiente y discos mediante aire a presión y agua. Se prevé la necesidad de efectuar la regeneración de los filtros una vez por semana. 14.7. ACIDIFICACIÓN La siguiente etapa de pretratamiento es la adición de ácido al agua bruta, para reducir el pH del agua a valores comprendidos entre 5 y 6. La acidificación puede realizarse por adición de ácido sulfúrico (H2SO4) o clorhídrico (HCl) indistintamente. Se elegirá ácido sulfúrico diluido al 65 % debido a su menor coste, además de que proporciona una mejor calidad de permeado y los sulfatos son más fácilmente retenidos por las membranas permeadoras que los cloruros. Al añadir ácido sulfúrico al agua se produce la disociación del ácido, formándose iones hidronio que hacen aumentar la acidez del medio. H 2SO4 + H2O Æ HSO4- + H3O+ HSO 4- + H2O Æ SO4-2 + H3O+ Los objetivos primordiales de la acidificación son: 1. Evitar la precipitación del CaCO3 : mediante la acidificación se disminuye el pH del agua y con ello se llegan a alcanzar valores negativos del índice de saturación de Langelier. Así la tendencia del CaCO3 será a disolverse en lugar de precipitar. A la vez, el posible precipitado de CaCO3 tendería a transformarse nuevamente en bicarbonato según la siguiente reacción: 2CaCO3 + H2SO4 Æ CaSO4 + Ca( HCO3 )2 Si se mantiene la acidificación, el bicarbonato cálcico se descompone en ácido carbónico y éste a su vez en dióxido de carbono, según las reacciones: Ca( HCO 3 )2 + H2SO4 Æ CaSO4 + 2H2CO3 H 2CO3 Æ CO2 + H2O El sulfato cálcico formado en estas reacciones se mantiene soluble. Pretratamientos 2. Impedir la precipitación de óxidos metálicos, especialmente el Fe(OH)3: al rebajar el pH se consigue reducir la velocidad de oxidación del Fe+2, evitándose así la formación del Fe+3 y la subsiguiente precipitación del hidróxido. 14.7.1. Dosis de ácido La dosis del ácido se regulará automáticamente en función del pH detectado en el agua de rechazo de los módulos de ósmosis inversa. La dosificación se realiza en base a este parámetro, ya que en la salmuera de rechazo se tiene la máxima concentración salina. El pH del agua de rechazo deberá ser más ácido que el pH de saturación (pHs), de forma que se obtenga un índice de Langelier negativo. 14.8. ADICIÓN DE ANTIINCRUSTANTE Aunque se hayan efectuado al agua bruta los pretratamientos hasta ahora descritos, posibles alteraciones del medio (pH, concentración, temperatura...), pueden causar que sustancias disueltas en el agua se hagan insolubles formando incrustaciones, generalmente cálcicas y magnésicas, duras y adherentes a la superficie de la membrana, provocando su rápido atascamiento. Para impedir la precipitación de estas sales en el interior de los módulos es conveniente añadir al agua algún producto inhibidor que actúe como antiincrustante. Algunos compuestos poseen la propiedad frente a ciertos iones metálicos, especialmente calcio y magnesio, de inhibir la formación de gérmenes cristalinos, manteniendo la sobresaturación mediante una acción retardadora de la precipitación que produce un estado metaestable, lo que se llama “efecto umbral”. Al elegir un compuesto inhibidor se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: • Toxicidad (manipulación, utilización en el agua potable) • Polución (vertido en el rechazo) • Compatibilidad química con el material de las membranas. • Precio Teniendo en cuenta estas consideraciones, se utilizará como antiincrustante el hexametafosfato sódico (HMP). Es un polimetafosfato cristalino muy soluble, de estructura cilíndrica, cuya fórmula es ( NaPO3 )6, cuya adición al agua a osmotizar permite incluso trabajar con índices de Langelier positivos sin riesgo de precipitación. 14.8.1. Preparación y dosificación del antiincrustante Es importante que el hexametafosfato esté fresco y seco y en envase sellado, ya que la humedad del ambiente lo convierte en ortofosfato, el cual no tiene propiedades de antiincrustante. Por esta misma razón, es recomendable que la solución de HMP que tenga más de tres días sea retirada. En cualquier caso la solución de HMP debe ser reemplazada una vez por semana. Pretratamientos De todas formas, el tanque de HMP debe estar limpio, tener cubierta y estar dotado de una pequeño agitador que opere continuamente. Deberá prepararse la solución mediante adición lenta y con agitación del HMP en los depósitos de almacenamiento. La concentración de dicha solución será de 100 g de HMP por litro de agua. La cantidad de HMP, que dependerá de la dureza, turbidez y temperatura del agua a tratar, se regulará automáticamente en función del caudal del agua a tratar, siendo suficiente la adición de una pequeña cantidad de inhibidor. El caudal de HMP deberá establecerse de forma que proporcione unos 10 mg de reactivo por litro de agua a osmotizar. Se debe tener en cuenta en todo momento que el hexametafosfato no detiene el proceso de cristalización, sino que solamente lo hace más lento. Por esto, es conveniente enjuagar las plantas a baja presión con agua de alimentación o producto, cada vez que se para la planta por más de una hora. 14.9. DECLORACIÓN Hay una filosofía en el tratamiento de agua de mar que promueve el uso de la cloración para controlar la vida bacteriológica seguida de una decloración para evitar que el cloro dañe las membranas. Se tienen que eliminar del agua las sustancias cloradas residuales procedentes del pretratamiento de cloración, antes de que penetren en el interior de los módulos. Para llevar a cabo la decloración del agua se empleará bisulfito sódico (NaHSO3) diluido al 33 %. 14.9.1. Decloración con bisulfito sódico El bisulfito sódico es un agente capaz de reducir el ácido hipocloroso residual a iones cloruro, produciéndose a la vez la oxidación del bisulfito a bisulfato. Por tanto, en la decloración con bisulfito sódico se produce un proceso de oxidación-reducción que se puede representar por las siguientes reacciones: 1. Semi-reacción de oxidación: HSO3- + H2O Æ HSO4- + 2H+ + 2e- 2. Semi-reacción de reducción: HClO + H+ + 2e- Æ Cl- + H2O La suma de las dos semi-reacciones nos da la siguiente reacción iónica: HSO 3- + HClO Æ HSO4- + Cl- + H+ Cuya forma molecular es la siguiente: Pretratamientos NaHSO3 + HClO Æ NaHSO4 + HCl Se preparará una solución acuosa de bisulfito sódico de 20 g/l, con la cantidad necesaria para dos días, ya que su duración es limitada porque pierde su poder reductor si se almacena durante períodos más largos. La cantidad de bisulfito sódico a adicionar se establecerá en proporción a la cantidad de cloro residual equivalente, la cual se cifra en 0,5 mg/l. Siendo necesaria la adición de 1,5 mg de bisulfito por 1 mg de Cl2 equivalente, resulta que se necesitan 0,75 mg de bisulfito por litro de agua a osmotizar. No obstante, y para tener en cuenta posibles variaciones en la cantidad de Cl2 equivalente, la adición de bisulfito se regulará automáticamente mediante la incorporación de un redoxímetro al depósito de almacenamiento del agua pretratada. 14.10. FILTRACIÓN DE SEGURIDAD Y MEZCLADO La última etapa del pretratamiento, previa a la entrada del agua bruta a las bombas de alta presión, será una filtración de seguridad. Los filtros de cartucho protegen a la bomba contra cualquier partícula abrasiva proveniente de la línea que puedan ocasionar daños a las impelentes. También protege a las membranas contra el taponamiento u obstrucción de los canales hidráulicos. La filtración de seguridad se efectuará con una batería compuesta por 40 filtros de cartucho de 5 µ de tamaño de poro, los cuales cumplen una doble función: 1. Retener partículas mayores de 5 µ: normalmente este aparato no trabajará como filtro ya que el tamaño de las partículas existentes en el agua al final del pretratamiento será muy inferior. No obstante deberá ser capaz de retener las posibles partículas de tierras de diatomeas no adheridas durante la fase de acondicionamiento de los microfiltros y que puedan haber sido arrastradas posteriormente durante el funcionamiento de los mismos. 2. Mezcla homogénea de los reactivos: todos los reactivos incorporados al agua bruta sobre la tubería de impulsión de las bombas aceleradoras serán obligados a atravesar la batería de filtros de seguridad instalada precisamente en dicha tubería, justo antes de la entrada del agua a las bombas de alta presión. Con ello se conseguirá una distribución homogénea de los reactivos en la masa del agua. Finalizada esta última etapa del pretratamiento, el agua bruta quedará en perfectas condiciones para ser conducida hacia los módulos de ósmosis inversa, sin peligros de que se produzcan atascamientos en su interior. Osmosis inversa 15. ÓSMOSIS INVERSA El área de ósmosis inversa constituye la parte principal de la instalación. Mediante el paso de agua bruta ya pretratada a través de los elementos que configuran dicha área se obtendrá un permeado (agua exenta de sales) y un rechazo (salmuera residual). En los siguientes apartados se detallan los elementos constitutivos del proceso de ósmosis inversa con sus características constructivas y de funcionamiento. 15.1. BOMBA DE ALTA PRESIÓN El agua bruta pretratada quedará almacenada en un depósito de acero inoxidable (Item D14), cuya misión será la de abastecer continuamente a la bomba de alta presión, aún cuando se produzcan paradas en el sistema de pretratamiento. La presión requerida en el proceso de ósmosis inversa será suministrada por una bomba de alta presión de tres pistones (Item B15), dimensionada de manera que suministre el caudal necesario a los módulos. Las bombas de pistón o émbolo están especialmente indicadas cuando se precisan altas presiones de trabajo, operándose con líquidos poco viscosos y con caudales no muy excesivos. Al ir provista la bomba de tres émbolos con sus tiempos de aspiración y expulsión intercalados, se consigue aumentar el número de pulsaciones y por tanto un flujo de salida constante. Todos los materiales de construcción confieren a la bomba excelentes cualidades de resistencia a la corrosión, muy bajo coeficiente de rozamiento y elevada resistencia a la fatiga, posibilitando un trabajo continuo durante las 24 horas del día, reduciéndose al mínimo las operaciones de mantenimiento. El accionamiento de la bomba se efectuará a través de un motor eléctrico trifásico provisto de eje con doble salida que permita la incorporación de una turbina de recuperación de energía. La bomba estará conectada tanto en la aspiración como en la impulsión mediante tuberías de alta presión de acero inoxidable AISI 316 L, provistas del correspondiente filtro y válvulas de paso que posibiliten el mantenimiento de la misma. 15.2. TURBINA DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA Aún resultando bajos los requerimientos energéticos del proceso de ósmosis inversa, el constante incremento de los costes de energía hace aconsejable el empleo de un sistema de recuperación de la misma. Un hecho inherente al proceso de ósmosis inversa es que todo el caudal de alimentación de los módulos debe alcanzar la presión de operación requerida. Dado que se trabaja con un factor de conversión del 40 %, se tiene un flujo de salmuera residual del 60 % a una presión casi igual a la de entrada (la pérdida de carga es de unos 2 bar). Este flujo Postratamientos 16.1.3. Características de la torre de aireación Las características requeridas para un buen funcionamiento de la torre de aireación son las siguientes: 1. Reparto uniforme del agua a tratar en toda la sección de la columna, es decir, correcta pulverización. 2. Caudal uniforme del agua de alimentación. 3. Gran superficie de contacto en la interfase líquido-gas. 4. Filtrado previo del gas de arrastre. 5. Concentración prácticamente nula en el gas de arrastre, del gas que se pretende desorber del agua. 6. Dimensiones adecuadas a la producción requerida. La concentración residual de CO2 en el agua dependerá además de las condiciones de funcionamiento, como son: • Caudal de agua • Caudal de aire ( aprox. 50 veces el caudal de agua ). • Velocidades de paso del agua y del aire. • Tiempo de contacto • Tipo de relleno • Presión ( atmosférica ) • Temperatura. 16.2. ALCALINIZACIÓN El anterior proceso de aireación del agua hace disminuir algo la acidez del agua, pero se necesita aumentar todavía más el pH para contrarrestar el pretratamiento de acidificación y obtener valores de pH comprendidos entre 7,2 y 7,6. Para ello se añadirá al permeado una solución de hidróxido sódico diluido al 0,1 %. La disociación del NaOH en el agua a tratar producirá un aumento de la concentración de iones OH-, con lo que se produce una neutralización de la acidez: −+ +→ OHNaNaOH OHNaHOHNa 2 +→++ ++−+ Postratamientos Con un ligero exceso de NaOH se conseguirá mantener un pH ligeramente básico, debido a que el aumento de OH- producirá, por efecto del ión común, un desplazamiento en el equilibrio iónico del agua, disminuyendo por tanto la concentración de iones H+: −+ +→ OHHOH2 La dosis de NaOH se regulará automáticamente en función del pH del agua detectado en el agua a tratar. 16.3. PASIVACIÓN Todos los materiales utilizados en la construcción de los equipos y tuberías de la planta de ósmosis inversa estarán construidos en materiales de excelente resistencia a la corrosión. Pero puede ser que el agua potable, cuando haya abandonado la planta para ser llevada hasta las redes de distribución ( ajenas a la presente instalación ), no podrá garantizarse la inexistencia de corrosión en las tuberías, lo que dependerá de los materiales utilizados para su construcción. Se preverá un posible contacto del agua con materiales metálicos no inoxidables y dotará a la instalación de un sistema que evite posibles riesgos de corrosión metálica, lo que aportaría sustancias indeseables al agua, con el consiguiente peligro de contaminación. 16.3.1. Acción de los compuestos pasivantes Al producirse el contacto del agua con un metal, los cationes metálicos tienden a disolverse en el líquido, quedando la superficie metálica cargada negativamente, facilitándose la generación de reacciones químicas entre los cationes del agua y la superficie del metal, lo que constituye el fenómeno de la corrosión. Las sustancias pasivantes de acción química o inhibidores de la corrosión no actúan sobre los compuestos químicos del agua, sino que basan su poder de inhibición en su poder de formación de pares electrolíticos que se forman en el metal, constituyendo una fina película protectora que suprime el contacto metal-agua, evitando así la corrosión. 16.3.2. Pasivante utilizado La legislación sobre el uso de inhibidores de la corrosión en las redes de distribución de agua potable exige dos premisas fundamentales: 1. Que no contengan elemento tóxico alguno. 2. Que sean eficaces en pequeñas dosis, aunque su contenido en el agua sea bajo. El aditivo que cumple en mayor medida estos requisitos, y que se utilizará en esta planta, es un polifosfato sódico a base de fosfato-cinc (comercialmente llamado “Kemazur 12.07”). Es un pasivante autorizado, que por ser un inhibidor compuesto, ofrece una protección muy superior a la de los inhibidores simples, necesitando por tanto menos dosis. La dosis de pasivante, que se usará en solución diluida (100 g/l) será Postratamientos de 10 g/m3 de agua osmotizada. Se regulará automáticamente en función del caudal procedente de la torre de aireación. 16.4. CLORACIÓN FINAL O ESTERILIZACIÓN Aunque las membranas de ósmosis inversa rechazan, teóricamente, el 100 % de los virus y bacterias, puede suceder que, debido a pequeñas fisuras en la membrana o fugas en el sistema de estanqueidad de los módulos, algunas de estas sustancias indeseables pasen al permeado. Para garantizar por tanto las esterilidad del agua obtenida se efectuará una cloración para interrumpir posibles desarrollos bacteriológicos, tanto en el depósito de almacenamiento como en las redes de distribución. El reactivo utilizado será el mismo que en la cloración previa (primera etapa de los pretratamientos), el hipoclorito sódico, NaClO. La dosis a adicionar será la necesaria para obtener una concentración residual de cloro equivalente de 0,5 mg/l en el agua a tratar. Lógicamente, la cantidad necesaria de reactivo será menor, ya que el contenido bacteriológico en el permeado será sensiblemente menor. La efectividad de la cloración, así como las condiciones exactas de esterilidad se determinarán en base a los datos aportados experimentalmente con frecuentes controles y análisis bacteriológicos del agua potable obtenida. Diseño de nuestra planta 17. DISEÑO DE NUESTRA PLANTA El presente proyecto tiene por objeto la construcción de la planta desaladora de agua salobre por ósmosis inversa en la región de Málaga. La producción actual de la planta es de 10.000 m3/día ( 2 racks de 5.000 m3/día ), y se prevé ampliar la producción hasta 20.000 m3/día, instalando otros dos bastidores de 5.000 m3/día en el futuro. 17.1. DATOS DE PARTIDA Los datos de partida a considerar en el diseño de la instalación son: - Producción actual : 10.000 m3/día. - Producción futura : 20.000 m3/día. - Salinidad del agua de mar : 38.000 mg/l. - Salinidad del agua producto : < 500 mg/l. - Temperatura de diseño : 19 a 21ºC. - Tipo de membranas : ESPIRAL (DOWFILMTEC). - Número actual de racks de O.I. : 2 - Producción nominal por rack : 5.000 m3/día. a) Número de etapas : 1. b) Presión de operación : < 68 bar. c) Conversión de diseño : 42 a 43%. Para la ampliación futura se instalarán dos bastidores de ósmosis inversa de las mismas características que los actuales. 17.2. ANÁLISIS DE DISEÑO Se ha adoptado el siguiente análisis de diseño: - Potasio : 450 mg/l. - Sodio : 11.415 mg/l . - Magnesio : 1.520 mg/l. - Calcio : 450 mg/l. - Bicarbonatos : 250 mg/l. - Cloruros : 20.800 mg/l. - Sulfatos : 3.110 mg/l. - Sílice : 5 mg/l. - pH : 8. - Índice de atascamiento (SDI) : < 3. Diseño de nuestra planta 17.3. SOLUCIÓN ADOPTADA La solución adoptada, en lo que a la configuración de la planta desaladora se refiere, es la siguiente: - Número de racks de O.I. : 2. - Producción nominal por rack : 5.000 m3/día. - Tipo de membranas : FILMTEC, SW30HR-380. - Número de etapas : 1. - Número de tubos de presión por rack : 58. - Número de membranas por tubo : 7. - Número de membranas por rack : 406. - Número total de membranas : 812. 19ºC 20ºC 21ºC Caudal de alimentación por rack 500 m3/h 500 m3/h 500 m3/h Presión operación 67,5 bar 66,8 bar 66,1 bar Conversión 42,0 % 42,0 % 42,0 % Caudal de permeado por rack 210,01 m3/h 210,11 m3/h 210,25 m3/h Producción diaria pro rack 5.040 m3/día 5.042 m3/día 5.046 m3/día Producción diaria total 10.080 m3/día 10.084 m3/día 10.092 m3/día Salinidad teórica en permeado 278 mg/l 287 mg/l 297 mg/l Tabla 16. Condicione teóricas de operación para distintas temperaturas. Descripción de la instalación 18. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN En este capítulo se enumeran los equipos que componen la planta. De cada uno de ellos se describen sus principales características de diseño, función que desempeñan, prestaciones, materiales, condiciones de trabajo y dimensiones generales. 18.1. DEPÓSITOS DE LA PLANTA Se detallan a continuación todos los depósitos de la planta, tanto de proceso como de dosificación de reactivos. Los depósitos de proceso son todos de acero, con un mayor o menor grado de resistencia a la corrosión en función del uso a que estén destinados. Los depósitos de reactivos y algunos de proceso son de polietileno de alta densidad (PEHD), pigmentado en la parte exterior para asegurar su absoluta opacidad a la luz solar (aditivo anti-UV). Este material tiene un coste económico bastante razonable, posee la mayor resistencia a ataques químicos de los reactivos y una buena resistencia mecánica. 18.1.1. D1. Depósito receptor • Funciones: Recepción del agua salobre. Proceso de cloración previa. • Capacidad útil: 25.000 litros • Material de construcción: Acero al carbono, revestido interiormente de pintura antioxidante. • Presión de trabajo: Atmosférica. • Configuración: Rectangular, abierto. • Accesorios: Transmisor de nivel LT-1. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Elementos que forman la precloración o cloración previa La solución de hipoclorito sódico se almacenará en un depósito de polietileno de alta densidad (PEHD), cilíndrico vertical, con tapa, de 500 l de capacidad (Item D23). Para la dosificación del hipoclorito sódico se dispondrán dos bombas dosificadoras electromagnéticas de membrana equilibrada con regulación continua del caudal, (Items B23-C y B23-D), una de las cuales quedará en reserva. Los materiales de construcción de estas bombas dosificadoras son los siguientes: • Carcasa: Material sintético reforzado con fibra de vidrio. • Cabezal dosificador: Polipropileno • Membrana: PTFE • Bolas: Cerámica. • Asiento bolas: PVC • Juntas: Vitón Descripción de la instalación Se incorpora a las mismas la correspondiente valvulería tanto de retención como de paso. Se dispondrá también de un filtro de cartucho en la línea de aspiración de las bombas. La dosis de reactivo será vehiculada a través de una tubería de PVC, provista de la correspondiente válvula de seguridad (Item VS-10), hacia el depósito pulmón (Item D5). Este depósito pulmón será de acero revestido interiormente con pintura antioxidante “epoxi”, de 30 m3 de capacidad, receptor del agua de mar captada. Este depósito tendrá una válvula de vaciado y otra para la toma de muestras. Para conseguir una rápida homogeneización en el depósito pulmón, se inyectará el reactivo en la zona próxima a las bombas de trasiego (Item B2-A/B/C), con el fin de aprovechar la turbulencia originada por la aspiración de dichas bombas. El agua de mar, una vez esterilizada, será aspirada por una batería de 3 bombas centrífugas (Items B2-A/B/C), construidas en acero inoxidable, una de las cuales quedará en reserva. Este sistema de alimentación irá provisto a su vez de la correspondiente valvulería, filtros e interconexionado, todo ello construido en acero inoxidable. 18.1.2. D3. Depósito de coagulante • Funciones: Almacenamiento de reactivo coagulante • Capacidad útil: 400 litros • Material de construcción: Polietileno de alta densidad ( PEHD ) • Presión de trabajo: Atmosférica • Configuración: Cilíndrico vertical, con tapa y agitador mecánico • Accesorios: Agitador de hélice en PTFE, con motor-reductor eléctrico de 0,5 CV, variador de velocidad y ajustable entre 70 y 300 rpm. Transmisor de nivel LT-3. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Elementos que forman la coagulación El reactivo coagulante se acondicionará en un depósito de polietileno de alta densidad (PEHD), cilíndrico vertical, con tapa, de 400 l de capacidad (Item D3), que irá equipado con un agitador de paletas para mantener homogénea la solución. La dosificación del sulfato de aluminio se efectuará con dos bombas dosificadoras electromagnéticas de membrana equilibrada (Items B3-A/B), una de las cuales quedará en reserva. Los materiales de construcción de estas bombas dosificadoras son los siguientes: • Cabezal en polipropileno con 30 % de carga en vidrio • Membrana en teflón (PTFE). • Juntas en vitón • Caja en plástico, ABS, MURAL. • Tapa de mandos en policarbonato. • Panel en AISI 304 protegido de barniz epóxico transparente. Descripción de la instalación Se incorpora a las mismas la correspondiente valvulería tanto de paso como de retención en materiales plásticos. Se dispondrá un filtro de cartucho en la línea de aspiración de las bombas. La dosis de reactivo, que estará controlada desde la CPU de control (en función del caudal circulante), será transportada a través de una tubería de PVC, provista de la correspondiente válvula de seguridad (Item VS-1), hacia la línea de agua bruta a tratar. Dado el corto tiempo en que se realiza la coagulación (4-5 minutos), para conseguir un rendimiento alto en la neutralización de los coloides y no quedar trazas del coagulante en el agua a tratar, es necesario que le reactivo se difunda en la masa con agua bruta con la mayor rapidez posible. Con tal fin se instalará en la línea de circulación del agua un mezclador estático (Item ME-1). El mezclador estático consistirá en un tubo horizontal de acero inoxidable relleno de anillos de PTFE tipo “Rasching”, capaz de crear la turbulencia necesaria para lograr la difusión instantánea del coagulante, con una mínima pérdida de carga. El mezclador quedará ubicado justo antes de la entrada de la mezcla (agua bruta + coagulante) en el filtro (Item F4), donde se hará efectiva la coagulación. 18.1.3. D5. Depósito pulmón • Funciones: Recepción del agua filtrada y pulmón de los microfiltros. • Capacidad útil: 10.000 litros • Material de construcción: Acero inoxidable • Presión de trabajo: Atmosférica • Configuración: Cilíndrico horizontal • Accesorios: Transmisor de nivel LT-5. • Válvulas de vaciado y toma de muestras. 18.1.4. D8. Depósito de recirculación • Funciones: Recepción del agua microfiltrada y recirculación para funcionamiento continuo de los microfiltros F6, F7. • Capacidad útil: 2.000 litros • Material de construcción: Acero al carbono, revestido interiormente de acero inoxidable AISI 316L. • Presión de trabajo: Atmosférica • Configuración: Cilíndrico vertical, con tapa. • Accesorios: Transmisor de nivel LT-8. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Tubería de rebose hacia D5. Descripción de la instalación 18.1.5. D10. Depósito de ácido • Funciones: Almacenamiento del ácido sulfúrico. • Capacidad útil: 1.200 litros • Material de construcción: Polietileno de alta densidad ( PEHD ). • Presión de trabajo: Atmosférica • Configuración: Cilíndrico vertical, con tapa. • Accesorios: Transmisor de nivel LT-10. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Elementos de la acidificación El ácido sulfúrico se almacenará en un depósito de polietileno de alta densidad (PEHD), cilíndrico horizontal, con boca de inspección de 1.200 l de capacidad ( Item D10 ). La dosificación se realizará con dos bombas dosificadoras electromagnéticas de membrana equilibrada ( Items B10-A/B ), una de las cuales quedará en reserva. Los materiales de construcción son los mismos que el de las bombas de dosificación de coagulante (Item B3-A/B). Se incorporará a las mismas las correspondientes válvulas, tanto de paso como de retención, también en acero inoxidable. Se dispondrá de un filtro de cartucho en la línea de aspiración de las bombas. La dosis de reactivo será transportada a través de una tubería de acero inoxidable, a la cual se incorporará una válvula de seguridad (Item VS-2), conectándose dicha tubería a la línea de conducción del agua bruta, donde tendrá lugar la dosificación de ácido. 18.1.6. D11. Depósito de antiincrustante • Funciones: Almacenamiento del antiincrustante ( HMP ) • Capacidad útil: 200 litros • Material de construcción: Polietileno de alta densidad ( PEHD ). • Presión de trabajo: Atmosférica • Configuración: Cilíndrico vertical, con tapa y agitador mecánico • Accesorios: Agitador de hélice en PTFE, con motor-reductor eléctrico de 0,5 CV, variador de velocidad y ajustable entre 70 y 30 rpm. Transmisor de nivel LT-11. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Elementos que forman la adición de antiincrustante La preparación y almacenamiento de la solución de HMP se efectuará mediante dos depósitos de polietileno de alta densidad (Items D11), con forma cilíndrica vertical, de 200 l de capacidad cada uno, provistos de agitación mecánica para la homogeneización de la solución. Estos depósitos trabajarán alternativamente proporcionando uno de ellos el antiincrustante mientras tiene lugar la preparación del mismo en el otro depósito. Descripción de la instalación La dosificación se efectuará mediante dos bombas dosificadoras de membrana hidráulica (Items B11-A/B), una de las cuales quedará en reserva. Los materiales de construcción de estas bombas dosificadoras son los mismos que las de adición de ácido (Items B3-A/B). Las bombas estarán provistas de las tuberías de interconexión en PVC necesarias para efectuar la aspiración, tanto desde uno como de otro depósito, incorporando la correspondiente valvulería de retención y de paso también en materiales plásticos, así como un filtro de cartucho en la línea de aspiración de las bombas. La solución de HMP será vehiculada a través de una tubería de PVC, provista de válvula de seguridad (Item VS-3), hacia la línea de conducción de agua bruta, en la cual tendrá lugar la adición del inhibidor. 18.1.7. D12. Depósito de declorante • Funciones: Almacenamiento del declorante, bisulfito sódico. • Capacidad útil: 50 litros • Material de construcción: Polietileno de alta densidad ( PEHD ). • Presión de trabajo: Atmosférica. • Configuración: Cilíndrico vertical, con tapa y agitador mecánico. • Accesorios: Agitador de hélice en PTFE, con motor-reductor eléctrico de 0,5 CV, variador de velocidad y ajustable entre 70 y 300 rpm. Transmisor de nivel LT-12. Válvulas de vaciado y toma de muestras. Elementos que forman la decloración La preparación y almacenamiento de la solución de bisulfito se efectuará mediante dos depósitos de polietileno de alta densidad (Items D12), con forma cilíndrica vertical, de 50 l de capacidad cada uno, provistos de agitación mecánica para la homogeneización de la solución, los cuales trabajarán alternativamente. La dosificación se realizará mediante dos bombas dosificadoras electromagnéticas (Items B12-A/B), una de las cuales quedará en reserva. Las características constructivas de estas bombas, así como los restantes elementos de interconexión y Transporte del reactivo, serán idénticas a las del equipo utilizado en la dosificación del antiincrustante. El reactivo declorante se adicionará igualmente, mediante una tubería de PVC, provista de una válvula de seguridad (Item VS-4); conectándose dicha tubería a la línea de conducción del agua bruta, donde tendrá lugar la dosificación del inhibidor. 18.1.8. D14. Depósito de agua pretratada • Funciones: Almacenamiento del agua pretratada, para la alimentación continua de la bomba de alta presión B15. • Capacidad útil: 25.000 litros • Material de construcción: Acero al carbono, revestido interiormente de acero inoxidable AISI 316L. • Presión de trabajo: Atmosférica. • Configuración: Rectangular, con tapa de protección. Descripción de la instalación • Presión máxima suministrada: 5 Kg/cm2. • Material de construcción: - Cabezal en polipropileno con 30 % de carga en vidrio - Membrana en teflón ( PTFE ). - Juntas en vitón. - Caja de plástico, ABS, MURAL. - Tapa de mandos en policarbonato. - Panel en AISI 304 protegido de barniz epóxido transparente. 18.3.2. B10-A/B. Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del ácido sulfúrico. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 5 l/h • Caudal máximo de trabajo: 1,41 l/h. • Presión máxima suministrada: 5 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. 18.3.3. B11-A/B. Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del antiincrustante. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 5 l/h • Caudal máximo de trabajo: 2,08 l/h. • Presión máxima suministrada: 5 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. 18.3.4. B12-A/B. Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del declorante. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 1 l/h • Caudal máximo de trabajo: 0,77 l/h. • Presión máxima suministrada: 7 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. Descripción de la instalación 18.3.5. B21-A/B. Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del alcalinizante. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 1 l/h • Caudal máximo de trabajo: 0,55 l/h. • Presión máxima suministrada: 7 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. 18.3.6. B22-A/B. Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del pasivante. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 1 l/h • Caudal máximo de trabajo: 0,9 l/h. • Presión máxima suministrada: 7 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. 18.3.7. B23-A/B/C/D Bombas dosificadoras electromagnéticas • Función: Dosificación del oxidante. • Conexión eléctrica: 220 V a 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F • Potencia absorbida por el motor: 15 W. • Frecuencia máxima: 150 carreras/minuto. • Temperatura máxima del fluido: 45 °C. • Caudal máximo admisible: 1 l/h • Caudal máximo de trabajo: 0,18 l/h. • Presión máxima suministrada: 7 Kg/cm2. • Material de construcción: Análogos a los de las bombas B3-A/B. 18.4. FILTROS 18.4.1. F4. Filtro multicapa • Función: Filtración de las partículas en suspensión que lleva l agua bruta, así como las producidas en la coagulación. • Capacidad: 4.000 litros. Descripción de la instalación • Caudal de servicio: 20,84 m3/h • Caudal máximo de contralavado: 60 m3/h. • Presión de trabajo: 2,5 bar. • Presión diferencial máxima: 1,2 bar. • Materiales de construcción: - Cuerpo: acero al carbono recubierto interiormente con pintura antioxidante. - Lecho filtrante: Capa de antracita de granulometría 0,8 a 2,5 mm Capa de arena silícea de granulometría 0,4 a 0,8 mm Capa de granate de granulometría inferior a 0,4 mm. - Lecho soporte: Compuesto por capas de arena de sílice ( cantos rodados). • Configuración: Cilíndrica vertical. • Dimensiones: Ø 2.000 * 1.500 mm de altura Elementos que forman la filtración previa Por las características del agua a filtrar y por la cantidad y calidad del agua filtrada, se necesita un lecho granular multicapa ( Item F4 ). Consistirá en un recipiente de 4000 l, de acero al carbono revestido interiormente de pintura antioxidante “epoxi”, en el cual irá alojada la masa filtrante. Se diseñará para resistir una presión de trabajo de 5 bar, e irá provisto de bocas para inspección y carga del lecho filtrante, embraques para entrada y salida del agua y purga de aire. También irá provisto, en su interior, de un distribuidor superior para obtener un óptimo reparto del flujo de agua a la entrada, y de un colector de PVC rígido para la reconducción del agua filtrada. El sistema incorporará cinco válvulas automáticas de diafragma, de cierre y apertura suaves mediante accionamiento neumático, construidas de acero maleable el cuerpo, y partes interiores de acero inoxidable. Estarán todas ellas conectadas al correspondiente autómata programable, que será el encargado de su accionamiento durante el ciclo de lavado. El conjunto formado por el filtro y la válvula estará debidamente interconectado mediante tuberías de acero inoxidable, dispuestas de manera que permitan la Transporte de flujos, tanto para la fase de filtración como para la de lavado y contralavado. 18.4.2. F6, F7. Microfiltros de sistema precapa • Función: Microfiltración de la materia coloidal no coagulada, para obtener un SDI<3. • Capacidad: 200 litros. • Caudal de servicio: 20,84 m3/h • Caudal máximo de contralavado: 35 m3/h. • Presión de trabajo: 3 bar. • Materiales de construcción: - Cuerpo: acero inoxidable AISI 318, recubierto interiormente de PTFE. - Armadura interior: PVC. Descripción de la instalación - Discos soporte capa filtrante: Acero inoxidable AISI 318, recubierto exteriormente de PTFE. - Tela envolvente: Dacrón. - Capa filtrante: Tierra de diatomeas. • Configuración: Esférica. • Dimensiones: Ø 750 mm Elementos de la microfiltración El agua procedente del filtro multicapa será conducida hacia un depósito horizontal (Item D5), de acero al carbono revestido interiormente con pintura antioxidante “epoxi”. Estará provisto de boca de inspección, válvula de vaciado y los embraques necesarios para la circulación del líquido. Este depósito funcionará como pulmón del proceso de microfiltración. El proceso se realizará mediante dos microfiltros sistema precapa, a base de tierra de diatomeas, (Items, F6 y F7), uno de los cuales quedará en reserva. Cada uno de los microfiltros estará equipado a su vez con dos bombas centrífugas para el trasiego y recirculación del agua desde el depósito pulmón al microfiltro y viceversa. Estas bombas (Items B6-A/B y B7-/C/D) estarán en la aspiración con la correspondiente valvulería y tuberías de interconexión de bronce, dando al sistema una gran resistencia a la corrosión. El sistema incluirá una línea de retorno al depósito D3 en la impulsión de las bombas, con una válvula automática para garantizar un caudal de trabajo constante. Cada microfiltro estará constituido por una esfera de 200 l de capacidad, construida en acero inoxidable AISI 318, revestida interiormente de PTFE. Tendrá la posibilidad de apertura total en dos mitades e irá provista de juntas y cierres herméticos para trabajar a una presión máxima de 1,3 bar. Irá provista también de bocas para entrada y salida de producto y de una válvula superior de bronce para la purga del aire. En su interior incorporará un tubo central de PVC, a modo de colector del filtrado, que actuará además como soporte de los discos necesarios para el sostén del material filtrante. Estos discos, separados entre sí por medio de casquillos de PVC estarán compuestos por una armadura circular en acero inoxidable recubierto de PTFE, y tela envolvente de tergalplástico ( Dracón ). En la parte inferior de la esfera se colocará también un distribuidor tangencial de PVC, a modo de placa deflectora, para el correcto reparto del agua de entrada. Se adoptará la esfera como forma geométrica ideal para lograr un reparto uniforme del agua en su interior y el juego de discos soporte para tener una gran superficie de filtración y una distribución homogénea del lecho filtrante. Así se consigue una optimización del caudal y gran pureza en la filtración, así como uniformidad en la calidad del agua filtrada. A la salida de los microfiltros se dispondrán también de tuberías de retorno con válvulas de bronce, para la recirculación del agua en la fase de acondicionamiento del filtro. Se dispondrán también de tuberías de acero inoxidable con válvulas del mismo material para el envío del líquido filtrado hacia el depósito de recirculación (Item D8). Este depósito estará construido en acero inoxidable e irá provisto de rebosadero superior con Descripción de la instalación línea de retorno al depósito D5 para mantenimiento del régimen de funcionamiento del correspondiente microfiltro en caso de paro del resto de la instalación. En el depósito D8 se trabajará a presión atmosférica, por lo que será preciso instalar seguidamente una batería de bombas aceleradoras ( Items B9-A/B/C ), de idénticas características a las anteriores ( Items B6 y B2 ), una de las cuales quedará en reserva. Estas bombas irán provistas de los correspondientes filtros, valvulería y tuberías de interconexión, todo en acero inoxidable, para la Transporte del líquido filtrado. 18.4.3. F13. Filtro de cartuchos • Función: Filtración de seguridad y mezclado de reactivos del pretratamiento. • Caudal de servicio: 20,84 m3/h. • Presión de trabajo: 2,5 bar. • Presión diferencial máxima: a determinar experimentalmente. • Materiales de construcción: - Cuerpo: acero inoxidable AISI 318. - Cartuchos: Material sintético. • Configuración: Rectangular, con tapa de cierre hermética. • Dimensiones: longitud 2000 mm, ancho 800 mm, altura 500 mm. 18.5. RESTANTES EQUIPOS DE PROCESO DE LA PLANTA 18.5.1. ME1. Mezclador estático • Función: Homogéneo del agua y el coagulante. • Presión de trabajo: 3,5 bar. • Materiales de construcción: Tubo envolvente de acero inoxidable AISI 304, anillos interiores de PTFE. • Configuración: Cilíndrica horizontal, con relleno de anillos tipo “Rasching”. • Dimensiones: Ø 100 * 700 mm de longitud. 18.5.2. M16. Módulos de ósmosis inversa • Función: Producción de agua desalinizada mediante el fenómeno de la ósmosis inversa. • Caudal nominal máximo de permeado por módulo: 4,5 m3/h. • Presión máxima de trabajo: 72 bar. • Pérdida de carga máxima: 2 bar. • Temperatura media de trabajo: 20 °C. • Factor de conversión: 40 %. • Porcentaje de rechazo de sales: 99,6 %. • Intervalo de pH admisible: 3-10. • Configuración de las membranas: Arrollamiento en espiral. • Número de membranas por módulo: 7. • Dimensiones: Ø 201 mm, largo 1.016. Descripción de la instalación 18.5.3. T1. Turbina de recuperación de energía • Función: Aprovechamiento de la energía del flujo de la salmuera de rechazo y suministro de dicha energía a la bomba B15. • Accionamiento: Accionamiento mediante el flujo de salmuera residual. • Energía recuperada: 19 kW. • Velocidad máxima: 3.000 rpm. • Sistema de transmisión: por correas trapeciales regulares. • Rendimiento: 83 %. • Caudal máximo de trabajo: 8,75 m3/h. • Presión máxima de trabajo: 70 bar. • Material de construcción: Acero inoxidable AISI 316L. 18.5.4. A19. Torre de aireación • Función: Desgasificación del agua desalinizada. • Capacidad: 2.500 litros. • Caudal máximo admisible: 20 m3/h. • Caudal máximo de trabajo: 8,75 m3/h. • Presión de trabajo: Atmosférica. • Materiales de construcción: Cuerpo de PVC y anillos interiores de polipropileno. • Configuración: Cilíndrica vertical, con relleno de anillos tipo “Rasching”. • Dimensiones: Ø 1.120 * 2.600 mm altura. Elementos que forman la aireación El permeado procedente del depósito acumulador D9-A será enviado por rebose hacia otro depósito de polietileno (Item D18), de 3 m3 de capacidad, que actuará como depósito alimentador de la torre de aireación. Desde este depósito el agua será descargada en la parte superior de la torre de aireación (Item A-19), mediante una válvula automática y tubería de PVC provista en su extremo final de un sistema de pulverización para que el agua a desgasificar caiga en la columna en forma de pequeñas gotas. La torre de aireación estará constituida por una columna de PVC, provista de soporte interior para el relleno, el cual estará compuesto por anillos de polipropileno tipo “Rasching” para proporcionar una gran superficie de contacto entre el gas de arrastre u el líquido. Un ventilador (Item V-19), construido en propileno y provisto de filtro de aire en la aspiración, impulsa al aire desde la parte inferior de la columna hacia arriba, de forma que las masa respectivas de aire y agua circulan en contracorriente. El conjunto estará equipado además con un sistema de regulación de nivel, controlado desde la CPU de control de la planta. El agua desgasificada se recogerá en la parte inferior de la columna, siendo llevada hacia un depósito de almacenamiento (Item D20). Descripción de la instalación 18.5.5. V19. Ventilador centrífugo • Función: Aireación forzada del agua en la torre TA1. • Accionamiento: Motor eléctrico. • Conexión eléctrica: 220/380 V, 50 Hz. • Clase protección: IP 65, aislamiento tipo F. • Potencia absorbida por el motor: 2,2 kW ( 3 CV ). • Velocidad: 1.500 rpm. • Caudal de aire vehiculado: 30 m3/h. • Materiales de construcción: Carcasa de acero inoxidable, partes interiores de polipropileno. Elementos de seguridad y control 19. ELEMENTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL En este capítulo se enumeran todos los elementos de seguridad y control que se deben incorporar en la planta. El control de todos los elementos de la planta se centralizará en un solo aparato, una CPU de control, desde donde se pueden controlar todos los aparatos que forman parte del proceso. Así, se consigue el máximo grado de automatización posible ( dentro de unas condiciones económicas razonables ). Esto posibilita un funcionamiento autónomo de la planta bastante grande, así como la resolución automática de gran parte de los problemas e incidencias que más comúnmente se presentan. Se destinará una sala para albergar todos los aparatos y poder controlar la planta. Aquí se instalará un panel de control, gracias al cual se podrá determinar rápidamente y sin lugar a confusiones, el estado general de la planta y de cada equipo en particular. Este panel de control estará gobernado por la CPU. 19.1. UNIDAD CENTRAL DE CONTROL CPU La CPU integra de manera conjunta y compacta un PLC de control ( autómata programable ) y un equipo de manejo y control. Así, en un solo aparato se concentran todos los controladores necesarios ( presión, caudal, temperatura, pH, conductividad, rédox, etc. ) para el óptimo funcionamiento de la planta. Se consigue también una mayor facilidad en el manejo y control de la planta, así como un gran ahorro económico. La CPU de control realizará las siguientes funciones: 1. Recepción de todas las señales enviadas por los transmisores electrónicos situados en la planta. 2. Análisis de la señal y comparación con el punto de consigna predeterminado. Así elabora una respuesta. 3. Transmisión de una respuesta a los elementos finales de control, que modifican su posición para disminuir la diferencia entre la señal de entrada y el punto de consigna. 4. Modificación de los correspondientes indicadores luminosos del panel de control (indicadores de posición, funcionamiento, capacidad, etc..) acorde con el estado de cada elemento. 5. Paro y puesta en funcionamiento automática de todos los equipos de la planta. 6. Paro y puesta en funcionamiento manual de todos los equipos necesarios, siempre que se estime oportuno. 7. Puesta en funcionamiento automática de los ciclos de lavada de los filtros. Elementos de seguridad y control 8. Activación de alarmas acústicas y ópticas en el panel de control. Gobierna por completo el panel de control. Una vez la CPU analiza el problema presentado, además de responder actuando sobre los elementos finales de control y parando o conectando equipos, de acuerdo con la importancia de la alteración, puede responder: 1. Guardando internamente la señal para su posterior análisis por los técnicos, una vez ha solucionado el problema. 2. Parando la planta y dando las señales de alarma oportunas. 3. Bloqueando el funcionamiento de la planta, si la alteración puede producir riesgos de peligrosidad o deterioro de algún equipo de la planta. 19.2. PANEL DE CONTROL El panel de control es una representación esquemática del funcionamiento de la planta. Incorpora un esquema simplificado de la planta, donde habrán multitud de señales acústicas y luminosas que representan: • Señales de alarma acústicas y luminosas intermitentes. • Indicadores luminosos de paro/funcionamiento de todos los equipos de la planta (bombas, depósitos, válvulas, etc..). • Indicadores de posición de los elementos. • Indicadores de capacidad. • Indicadores para el paro manual de los equipos. • Otros indicadores. Gracias a los indicadores digitales, se podrá controlar la evolución de determinadas variables en todo momento, en tiempo real, como: • Caudales de alimentación, permeado y rechazo de los módulos. • Presiones de alimentación, permeado y rechazo de los módulos. • Conductividad del permeado, para controlar su composición de sales. • Temperatura del agua a la entrada de los módulos. • Turbidez del agua a la salida de los filtros. • Tiempo de funcionamiento de la planta desde la última parada. 19.3. APARATOS DE MEDICIÓN Y CONTROL A continuación se detallan todos los aparatos de medida y control instalados en la planta. Se han agrupado según la variable que miden y no según se hallan dispuestos en la planta, ya que se considera que así se tiene un mayor orden y comprensión en su descripción. También se relaciona la señal de respuesta y las acciones de la CPU ante la transmisión de la señal del elemento. Elementos de seguridad y control 19.3.1. Aparatos de medición de nivel LT-1.Transmisor de nivel Este transmisor controla los niveles máximo y mínimo del depósito D1. Está compuesto por un tubo guía interior y un flotador de acero inoxidable, con tres contactos magnéticos para el envío de una señal eléctrica ( modulada a 4-20 mA ) hacia la CPU de control de la planta. Envía señal de aviso de máximo nivel del depósito. Envía señal de aviso de mínimo nivel del depósito. Respuesta CPU: • Ante la señal de máximo nivel, paro de la bomba B1, activación de una alarma acústica y otra óptica intermitente en el panel de control. • Ante la señal de mínimo nivel, paro de las bombas B2-A/B/C, activación de una alarma acústica y otra óptica intermitente en el panel de control. LT-3. Transmisor de nivel Este transmisor controla el nivel mínimo del depósito de coagulante, D3. Está compuesto por un tubo exterior de vidrio con flotador y contacto magnético inferior para envío de una señal eléctrica ( 4-20 mA ) hacia la CPU de control de la planta. Envía señal de aviso de mínimo nivel del depósito. Respuesta CPU: • Activación de una alarma acústica y otra óptica intermitente en el panel de control. LT-5. Transmisor de nivel. Este transmisor controla los niveles máximo y mínimo del depósito D5. Está compuesto por un aparato de características análogas a LT-5. Envía señal de aviso de máximo nivel del depósito. Envía señal de aviso de mínimo nivel del depósito. Respuesta CPU: • Ante la señal de máximo nivel, paro de las bombas B2-A/B/C, activación de una alarma acústica y otra óptica intermitente en el panel de control. • Ante la señal de mínimo nivel, paro de las bombas B6-A/B y B7-C/D, activación de una alarma acústica y otra óptica intermitente en el panel de control.