Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Química Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Autor: Manuel Fernández Pérez Tutores: Fátima Arroyo Torralvo y Luis Francisco Vilches Arenas Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Química Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Autor: Manuel Fernández Pérez Tutores: Luis Francisco Vilches Arenas Profesor titular Fátima Arroyo Torralvo Profesora titular Dep. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Máster: Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Autor: Manuel Fernández Pérez Tutores: Fátima Arroyo Torralvo y Luis Francisco Vilches Arenas El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal A mi familia y amigos i Agradecimientos A mi familia, por su apoyo y ayuda en cualquier circunstancia A mis amigos y compañeros, cuya ayuda fue imprescindible para superar los momentos más duros y hacer más llevadero el camino A todos los profesores que me han ayudado, aconsejado y se han preocupado por mi educación. Gracias 3.3.3 Puesta en marcha, operación y apagado del Sistema .................................................................... 24 3.3.3.1 Puesta en marcha ...................................................................................................................... 24 3.3.3.2 Operación ................................................................................................................................... 24 3.3.3.3 Apagado del sistema ................................................................................................................. 25 3.4 Métodos de cálculo ................................................................................................................................... 26 4 Resultados ........................................................................................................................................... 27 4.1 Introducción ............................................................................................................................................... 27 4.2 Prueba 1 ..................................................................................................................................................... 28 4.3 Prueba 2 ..................................................................................................................................................... 31 4.4 Prueba 3 ..................................................................................................................................................... 34 4.5 Prueba 4 ..................................................................................................................................................... 37 4.6 Prueba 5 ..................................................................................................................................................... 40 4.7 Prueba 6 ..................................................................................................................................................... 43 4.8 Prueba 7 ..................................................................................................................................................... 46 5 Análisis y discusión de resultados ........................................................................................................ 51 5.1 Comparación de los ensayos con distinta alimentación eléctrica (1, 2, 3 y 4) ...................................... 51 5.2 Comparación de los ensayos por distinta concentración inicial (3 y 5) ................................................. 54 5.3 Comparación de los ensayos con distinto número de membranas (1, 3, 6 y 7) .................................... 56 5.4 Comparación con bibliografía .................................................................................................................. 58 6 Conclusiones ........................................................................................................................................ 63 7 Trabajo futuro ...................................................................................................................................... 65 Referencias.................................................................................................................................................. 67 Anexo I: Hojas de datos ............................................................................................................................... 71 ix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Condiciones iniciales de los ensayos realizados 27 Tabla 2. Condiciones iniciales del ensayo 1 28 Tabla 3. Recogida de datos del ensayo 1 28 Tabla 4. Condiciones iniciales del ensayo 2 31 Tabla 5. Recogida de datos del ensayo 2 31 Tabla 6. Condiciones iniciales del ensayo 3 34 Tabla 7. Recogida de datos del ensayo 3 34 Tabla 8. Condiciones iniciales del ensayo 4 37 Tabla 9. Recogida de datos del ensayo 4 37 Tabla 10. Condiciones iniciales del ensayo 5 40 Tabla 11. Recogida de datos del ensayo 5 41 Tabla 12. Condiciones iniciales del ensayo 6 43 Tabla 13. Recogida de datos del ensayo 6 44 Tabla 14. Condiciones iniciales del ensayo 7 46 Tabla 15. Recogida de datos del ensayo 7 47 xi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Movimiento de iones en una disolución cuando se aplica corriente eléctrica continua [1] 1 Figura 2. Comportamiento de los iones en un sistema de ED [9] 3 Figura 3. Estructura interna de los espaciadores y trayectoria de los fluidos como consecuencia de los deflectores [1] 4 Figura 4. Diagrama de un módulo de ED [1] 4 Figura 5. Esquema de un sistema de EDBM 7 Figura 6. Funcionamiento de membranas bipolares: (a) polarización inversa, (b) [30] 9 Figura 7. Esquema de la instalación de electrodiálisis 13 Figura 8. Detalle del módulo de membranas y el flujo de las corrientes a través de él 14 Figura 9. Instalación de electrodiálisis utilizada para los ensayos 15 Figura 10. Configuración interna del módulo de membranas ED 64004 de PCCell [Manual PCCell] 16 Figura 11. Detalle de los separadores y comportamiento de los fluidos. A: separador de diluido. B: Separador de concentrado 17 Figura 12. Esquema de una configuración de pares de celdas [Manual PCCell] 18 Figura 13. Conjunto completo de membranas y espaciadores sobre el ánodo. 20 Figura 14. Separador final sobre conjunto de membranas 20 Figura 15. Cátodo del módulo de ED 21 Figura 16. Espaciadores de PCCell [Manual PCCell] 21 Figura 17. Esquema de una configuración de celda de 3 cámaras (con membranas bipolares) [Manual PCCell] 22 Figura 18. Vista frontal de la fuente de alimentación 25 Figura 19. Conductividades de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 1 29 Figura 20. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 1 29 Figura 21. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 1 30 Figura 22. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 1 30 Figura 23. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 2 32 Figura 24. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 2 32 Figura 25. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 2 33 Figura 26. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 2 33 Figura 27. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 3 35 Figura 28. Intensuidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 3 35 Figura 29. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 3 36 Figura 30. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 3 36 Figura 31. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 4 38 Figura 32. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 4 39 Figura 33. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 4 39 Figura 34. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 4 40 Figura 35. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 5 41 Figura 36. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 5 42 Figura 37. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 5 42 Figura 38. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 5 43 Figura 39. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 6 44 Figura 40. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 6 45 Figura 41. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 6 45 Figura 42. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 6 46 Figura 43. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 7 47 Figura 44. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 48 Figura 45. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 7 48 Figura 46. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 7 49 Figura 47. Conductividad de la corriente diluida en los 4 primeros ensayos 52 Figura 48. Conductividad de la corriente concentrada en los 4 primeros ensayos 52 Figura 49. Energía acumulada necesaria para llevar a cabo los primeros 4 ensayos 53 Figura 50. Tasa de desmineralización en los 4 primeros ensayos 54 Figura 51. Conductividades de las corrientes diluida y concentrada de los ensayos 3 y 5 55 Figura 52. Energía acumulada necesaria para llevar a cabo los ensayos 3 y 5 55 Figura 53. Tasa de desmineralización en los ensayos 3 y 5 56 Figura 54. Conductividades de las corrientes diluida y concentrada de los ensayos 1, 3, 6 y 7 57 Figura 55. Energía acumulada necesaria para llevar a cabo los ensayos 1, 3, 6 y 7 57 Figura 56. Tasa de desmineralización en los ensayos 1, 3, 6 y 7 58 Figura 57. Volúmenes del ensayo comercial [Manual PCCell] 59 Figura 58. Volúmenes del ensayo propio 59 Figura 59. Intensidad y tensión eléctrica en el ensayo comercial [Manual PCCell] 60 Figura 60. Intensidad y tensión eléctrica en el ensayo propio 60 Figura 61. Conductividades en el ensayo comercial [Manual PCCell] 61 Figura 62. Conductividades en el ensayo propio 61 xiii Notación ED Electrodiálisis EDBM Electrodiálisis con membranas bipolares (electrodialysis with bipolar membrane) A Membranas de intercambio aniónico (membranas aniónicas) K, C Membranas de intercambio catiónico (membranas catiónicas) BM Membrana bipolar (bipolar membrane) TDS Sólidos totales disueltos (total dissolved solids) (mg/L) RO Ósmosis inversa (Reverse osmosis) NF Nanofiltración UF Ultrafiltración MF Microfiltración EDR Electrodiálisis inversa (Electrodialysis reversal) EDI Electrodesionización CEL Capa de intercambio catiónico (Cation-exchange layer) AEL Capa de intercambio aniónico (Anion-exchange layer) IL Unión bipolar o capa interfase (Interfacial layer) P Potencia eléctrica (W) V Tensión eléctrica (V) I Intensidad eléctrica (A) EΔt Energía consumida en un período de tiempo (kJ) Pm Potencia media en un período de tiempo (kW) Δt Período de tiempo (s) Eacum Energía acumulada (kJ) dr Tasa de desmineralización κi,D Conductividad de la corriente diluida en el instante inicial (mS/cm) κt,D Conductividad de la corriente diluida en el instante t (mS/cm) 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Objeto del trabajo En este trabajo se va a emplear un sistema de electrodiálisis discontinuo (tipo batch). Se pretende montar un sistema básico para hacer una puesta en marcha, a modo de primer paso en la investigación sobre la electrodiálisis (ED). Este diseño podrá modificarse para adecuarse a otros sistemas más avanzados de ED, siendo especialmente prometedor la ED con membranas bipolares (EDBM), en la que a partir de una solución salina puede obtenerse una corriente de agua baja en sales y dos corrientes de subproductos: una base y un ácido. 1.2 Electrodiálisis La electrodiálisis (ED) es un proceso electroquímico de separación en el que se transfieren iones a través de membranas aplicando una corriente eléctrica continua. Cuando se aplica esta corriente en una solución salina, ocurre lo siguiente de forma simultánea (Figura 1) [1]: • Los cationes son atraídos por el cátodo (electrodo negativo), y los aniones, por el ánodo (electrodo positivo). • Moléculas de agua se disocian en el cátodo para producir hidroxilos (OH-) e hidrógeno gaseoso (H2), mientras que en el ánodo se disocian para producir protones (H+), electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2). • Es posible que se forme cloro gas (Cl2) en el ánodo. Figura 1. Movimiento de iones en una disolución cuando se aplica corriente eléctrica continua [1] Si se añaden membranas que controlen el movimiento de los iones dentro de la disolución, se podrán formar compartimentos en los que se concentrarán los iones y otros donde serán diluidos, obteniendo así una corriente Introducción 2 baja en sales (corriente diluida) y otra con mayor concentración de sales (corriente concentrada). Esta es la base sobre la que se sustenta el proceso de electrodiálisis. Actualmente se utiliza, entre otras aplicaciones (que se verán más adelante), para desmineralizar aguas salobres con concentraciones de TDS (sólidos totales disueltos) comprendidas entre el agua potable y el agua de mar (entre 500 y 30000 mg/L TDS). La ED es competitiva con la ósmosis inversa (RO) para tratar este tipo de aguas, aunque es importante destacar que la ED no es adecuada para la eliminación de microorganismos, al contrario que la RO, la nanofiltración (NF), la ultrafiltración (UF) o la microfiltración (MF) [1]. Además, se puede minimizar el agua de rechazo de otros procesos, producir agua ultrapura, concentrar soluciones diluidas, separar electrolitos de los que no lo son o producir ácidos y bases a partir de sales [2]. También tiene multitud de aplicaciones en la industria alimentaria [3]. La electrodiálisis inversa (EDR) consiste en invertir la corriente eléctrica después de cierto intervalo de tiempo, con el objetivo de prevenir incrustaciones en las membranas. 1.2.1 Breve historia de la electrodiálisis Los comienzos de la ED se remontan a 1890, cuando lo propusieron Maigrot y Sabates [4] para desmineralizar jarabe de azúcar. En su prototipo, los marcos eran de madera, los electrodos de carbono y las membranas con papel de permanganato. La corriente continua la suministraban con una dinamo. El primer artículo sobre ED que apareció en una revista científica fue publicado en 1903 por Morse y Pierce [5], mientras se iban revelando nuevas ideas, como la de los biólogos Loeb y Beutner [6], que descubrieron la permeabilidad selectiva de la piel de manzana a los cationes. Los primeros equipos de ED con 3 compartimentos se usaron en los trabajos de Pauli [7], en el que introducía una alimentación a separar en el compartimento central y los cationes iban hacia el compartimento del cátodo y los aniones hacia el del ánodo. Sin embargo, sólo usaban un tipo de membrana en ese momento. El primer prototipo de ED con 3 compartimentos (la desalación ocurre en el compartimento central) utilizando membranas de intercambio catiónico y aniónico fue presentado por Manegold y Kalauch [8]. Con el trabajo de Meyer y Strauss [9] se llegó a un hito importante, ya que presentaron las propiedades de alternar membranas catiónicas y aniónicas. En él, alternaban membranas de estos dos tipos creando varios compartimentos de diluido y varios de concentrado, según se ve en la Figura 2. De esta forma se conseguía evitar que los productos entraran en las cámaras de los electrodos y reaccionaran con ellos, teniendo el mismo gasto energético que en el prototipo de 3 cámaras. Como consecuencia, se crearon prototipos alternando membranas catiónicas y aniónicas hasta tener cientos de compartimentos. El uso de la tecnología de ED para el tratamiento de aguas salobres se empezó a utilizar industrialmente en los años 50, usándose de manera satisfactoria para aguas municipales o de procesos durante 40 años. El avance de la tecnología fue rápido desde su origen debido a la mejora en las propiedades de las membranas, de los materiales de construcción, del proceso en sí o la aparición de la EDR. La capacidad de tratamiento de aguas mundial mediante ED y EDR aumentó de 7,5 ML/d en 1955 a más de 750 ML/d en 1992 [1]. Las plantas de ED y EDR pueden diseñarse para eliminar entre el 50 y el 99% de los TDS y contaminantes del agua alimentada, si tiene entre 100 y 12000 mg/L de TDS, pudiendo obtener un agua producto con una concentración de TDS inferior a 10 mg/L [1]. 1.2.2 Membranas de electrodiálisis Los dos tipos de membranas utilizadas en los procesos de ED son las membranas de intercambio aniónico y las de intercambio catiónico (membranas aniónicas y membranas catiónicas). Son conductoras de la electricidad e impermeables al agua. Las membranas aniónicas sólo permiten el paso de los iones negativos y las membranas 3 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis catiónicas, a los positivos. En la Figura 2 se observa el comportamiento de los iones en un sistema de ED. En “a” se tiene el sistema antes de aplicar la corriente eléctrica, y en “b” después de aplicarla. Se disponen alternativamente membranas aniónicas (A) y catiónicas (K), siendo los puntos negros aniones y los puntos blancos cationes. Figura 2. Comportamiento de los iones en un sistema de ED [9] Las membranas de intercambio iónico utilizadas en ED son planas, con una superficie suave (similares en apariencia a una hoja de plástico), impermeables al agua y están reforzadas con fibras sintéticas. Las características que deben tener son las siguientes [1]: • Baja resistencia eléctrica • Insolubles en soluciones acuosas • Construcción semirrígida para facilidad de manejo • Resistencia a cambios de pH entre 2 y 9 • Ser capaces de trabajar de forma continua a temperaturas superiores a 46°C • Resistencia al hinchamiento osmótico (expansiones de volumen por el paso de agua a través de las membranas) en soluciones entre 220 mg/L y 60000 mg/L de sal • Elevada esperanza de vida (una media de 10 años para las aniónicas y 15 para las catiónicas) • Resistencia al ensuciamiento • Impermeabilidad al agua bajo presión • Disponibilidad en diferentes tamaños y configuraciones Existen variedades de estas membranas básicas que son selectivas a iones monovalentes o divalentes, o a algunos iones concretos. Para aplicaciones a mayor escala, se forman paquetes (stack) de membranas con cientos de éstas, que conforman el corazón del proceso de ED [1]. El stack es el conjunto de membranas dispuesto para realizar la operación de separación. Los espacios entre las membranas son las calles por las que fluyen los líquidos que intervienen en el proceso. Estas calles se crean y estabilizan introduciendo espaciadores (normalmente de polietileno), que hacen de guía para el paso de los líquidos. La estructura interna típica de estos espaciadores consta de deflectores del mismo material que obligan al fluido a hacer un movimiento de zigzag, lo que incrementa la turbulencia de la corriente y ayuda a la transferencia de iones a través de las membranas y a evitar incrustaciones o formación de películas [1]. Esta estructura puede observarse en la siguiente figura: Introducción 10 11 2 OBJETIVOS Y ALCANCE El objetivo principal del presente trabajo es el montaje y puesta en marcha de una instalación de laboratorio de electrodiálisi, así como la elaboración de los manuales de puesta en marcha, operación y apagado del sistema. También se ha realizado una explicación completa sobre el montaje y desmontaje de la planta (para limpieza, sustitución de equipos…). Debido a que es una tecnología emergente, se ha realizado un estudio del estado del arte de la misma, dando un primer paso hacia futuros proyectos, y dotando al grupo de un sistema de electrodiálisis en funcionamiento, que permitirá realizar proyectos de investigación empleando esta tecnología. Se analizarán los resultados obtenidos en los distintos ensayos, para comprobar la sensibilidad a las condiciones de operación, e incluso en el propio sistema, cambiando el número de membranas instaladas en el módulo. Objetivos y Alcance 12 13 3 MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Introducción En este apartado se describe la instalación, los circuitos, los instrumentos y los equipos auxiliares con los que se han llevado a cabo las medidas. Además, se explican los métodos empleados para determinar las propiedades y evaluar los resultados. También se aborda el montaje y desmontaje del sistema y se establecen los protocolos de puesta en marcha, operación y apagado del sistema. 3.2 Instalación La planta de electrodiálisis (Figura 7) consta de 3 circuitos de fluidos: que se han denominado solución concentrada (líneas en color rojo), electrolito (líneas en color amarillo) y solución diluida (líneas en color verde). Cada uno de los circuitos consta de un depósito y una bomba centrífuga. Cada depósito dispone de una válvula en su parte inferior para poder tomar muestras o facilitar su vaciado. Figura 7. Esquema de la instalación de electrodiálisis La solución concentrada y la solución diluida se distribuyen a lo ancho del módulo de membranas en la parte inferior, y lo atraviesan fluyendo en isocorriente hacia la parte superior, separados entre ellos por las membranas de intercambio iónico. Cuando llegan a la parte superior, los fluidos son recogidos de todas las calles hacia el Materiales y Métodos 14 lado contrario por el que entraron. La distribución de las corrientes diluida y concentrada en sus correspondientes calles, además de conseguir que no se mezclen en la parte inferior y superior del módulo se consigue mediante el uso de los espaciadores, que se explican en detalle en el apartado correspondiente al módulo de membranas. El paso del electrolito a través del módulo es distinto, ya que entra directamente a la cámara de uno de los electrodos (se puede elegir cuál según el montaje, en este caso el cátodo), y de éste pasa a través de un tubo externo a la cámara del electrodo restante. En la siguiente figura se muestra en detalle cual es el recorrido de cada una de las corrientes dentro del módulo de membranas. En esta figura, las flechas continuas representan el paso de los fluidos de forma externa al módulo, mientras que las discontinuas representan los flujos internos del módulo (los colores utilizados son los mismos que en la figura anterior): Figura 8. Detalle del módulo de membranas y el flujo de las corrientes a través de él El sistema se completa con una fuente de alimentación de corriente continua, que será responsable de aplicar la fuerza impulsora para realizar la separación mediante electrodiálisis. En la Figura 9 se puede observar el sistema utilizado en el presente trabajo: 15 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 9. Instalación de electrodiálisis utilizada para los ensayos Como solución diluida y concentrada se utilizan soluciones de NaCl (por ser un compuesto barato, no peligroso, fácil de manejar y bien conocido), mientras que como electrolito se utilizará una solución de Na2SO4 (recomendada por el fabricante para una correcta limpieza y baja corrosión de los electrodos). Los principales componentes del sistema son: • Módulo de membranas • Fuente de alimentación • Bombas centrífugas • Depósitos de los circuitos También se emplea un conductímetro para medir la conductividad de los fluidos, una balanza digital para pesar las cantidades necesarias de los reactivos, así como material de laboratorio (vasos de precipitado, matraces aforados, frascos lavadores, embudos…). 3.2.1 Módulo de membranas El modulo de membranas es una unidad ED 64004 de la empresa PCCell, para el que la propia empresa suministra membranas, y permite múltiples modos de operación con pequeñas modificaciones en las conexiones externas y en la estructura del paquete de membranas. La estructura interna del módulo se muestra en la siguiente figura: Materiales y Métodos 16 Figura 10. Configuración interna del módulo de membranas ED 64004 de PCCell [Manual PCCell] La distribución de los líquidos de los diferentes circuitos a través del módulo se realiza mediante los separadores que suministra la empresa y su orientación, teniendo 4 posibles orientaciones y, por tanto, 4 posibles circuitos. Esta orientación determina si el fluido se distribuye por el separador (si encuentra la parte libre) o si lo pasa hacia el siguiente separador (si encuentra el punto de contacto con el separador rodeado de material hidrófobo). Para ilustrar esto se tiene la Figura 11, en la que se muestra el detalle del movimiento de los fluidos en los separadores. Los fluidos de la corriente concentrada y la corriente diluida se distribuyen por el ancho del módulo en varios conductos separados, alternando uno de cada corriente (flechas a la izquierda de los separadores, las flechas rojas son corriente concentrada y las flechas verdes corriente diluida). De esta forma, llegan a los separadores de forma perpendicular a ellos. En el caso A, los conductos de la corriente diluida se encuentran directamente con el mallado del separador, por lo que tienen el camino libre y se distribuyen a lo largo de éste, saliendo por el lado contrario. Sin embargo, los conductos de la corriente concentrada encuentran su paso hacia el separador impedido al estar el punto de contacto con éste rodeado de material hidrófobo, por lo que seguirá su camino hacia el siguiente separador (B), que estará convenientemente rotado para que en este caso sí permita la distribución de la corriente concentrada pero no la de corriente diluida. Alternando estas dos orientaciones se consiguen crear los caminos para las corrientes diluida y concentrada entre las membranas. Al separador que permite la distribución de la corriente diluida se le llama separador de diluido, mientras que al separador que permite la distribucioón de la corriente concentrada se le llama separador de concentrado. 17 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 11. Detalle de los separadores y comportamiento de los fluidos. A: separador de diluido. B: Separador de concentrado En cuanto a las membranas, tienen un área efectiva de 64 cm2 (8 cm x 8 cm). En este trabajo se van a utilizar 3 tipos de membranas: aniónicas (PC SA), catiónicas (PC SK) y catiónicas finales (PC MTE), que se disponen en los extremos del paquete junto a los electrodos. Las características de estas membranas pueden consultarse en el ANEXO I. 3.2.2 Fuente de alimentación Para la alimnetación eléctrica se utiliza una fuente de la marca elc, modelo AL 924A, que puede regular la tensión entre 0-30 V o la intensidad de corriente entre 0-10 A. Esta fuente se conecta a ambos electrodos para proporcionar la corriente eléctrica necesaria para llevar a cabo el proceso de electrodiálisis. Su hoja de datos se encuentra en el ANEXO I. 3.2.3 Bombas Para la impulsión de los líquidos de cada uno de los 3 circuitos se dispone de 3 bombas centrífugas de la marca ITS-BETZEL, modelo NDP 25/4. Cada una de ellas es capaz de proporcionar un caudal máximo de 25 L/min, y un consumo máximo de 150 W. Para regular el caudal se utilizan unas válvulas de tipo pinza que estrangulan los tubos flexibles a la salida de las bombas, pudiendo observarse la medida de caudal en unos rotámetros instalados justo en la salida de las bombas. Se pueden consultar sus especificaciones técnicas en el ANEXO I. 3.2.4 Depósitos de los circuitos Cada circuito tiene su depósito propio para contener el líquido. Tienen forma de probeta graduada, con una capacidad de 2 L. Se colocan directamente sobre un soporte desde el cual la salida del depósito se divide hacia la bomba y hacia la válvula para toma de muestras y vaciado. 3.2.5 Equipos y material auxiliar Se ha empleado una balanza para medir las cantidades de NaCl y Na2SO4 necesarias para preparar las soluciones de alimentación al sistema. Se puede consultar su hoja de datos en el ANEXO I. Para medir la conductividad de las soluciones durante la realización de los ensayos se dispone de un conductímetro portátil, modelo LF 340i de la marca WTW. En el ANEXO I se encuentra su hoja de datos. Materiales y Métodos 18 Además, se ha utilizado material de laboratorio para la preparación y el manejo de las soluciones, tales como matraces aforados, vasos de precipitado, embudos, frascos lavadores o cucharillas. 3.3 Metodología experimental 3.3.1 Diseño, montaje y desmontaje 3.3.1.1 Diseño Como ya se ha dicho, el módulo de membranas con el que se han realizado los ensayos es un modelo comercial de la empresa PCCell, que incluye todos los elementos ya descritos. Con el módulo ED 64004 se pueden montar sistemas de pares de celdas (los usados para el presente trabajo), pero también celdas triples para trabajar con membranas bipolares. En la siguiente figura se muestra el esquema para 5 pares de celdas: Figura 12. Esquema de una configuración de pares de celdas [Manual PCCell] Para los primeros ensayos se ha utilizado la configuración de membranas lo más simple posible. Por este orden: separador (espaciador) final, membrana catiónica final, separador, membrana aniónica, separador, membrana catiónica final y separador final. Para los 2 últimos ensayos se ha montado una configuración con 10 pares de celdas, para lo cual a la configuración anterior se añade una sucesión de membranas catiónicas y aniónicas, siempre empezando y acabando el paquete con membranas catiónicas finales. En total se tienen 2 membranas catiónicas finales, 10 membranas aniónicas y 9 membranas catiónicas. 3.3.1.2 Manipulación de las membranas Las membranas deben ser manipuladas con extremo cuidado. No deben doblarse ni estirarse, ya que podrían producirse microgrietas, fugas u otros daños no apreciables a simple vista. Las membranas deben permanecer siempre humectadas, no deben secarse. Se puede usar para ello agua destilada o una solución de NaCl, evitando usar agua del grifo. Para almacenarlas, la mejor opción es usar bolsas de plástico estancas. Para su transporte o almacenamiento deben estar en paquetes planos o enrolladas en un cilindro 19 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis con suficiente diámetro evitando una curvatura muy pronunciada. Para su almacenamiento a largo plazo se recomienda usar una solución de NaCl, por ejemplo del 5%, para evitar algún tipo de bioensuciamiento. Se debe evitar que pueda congelarse o que reciba directamente luz solar. La temperature de almacenamiento recomendada es entre 10-30ºC. La temperatura de operación debe estar por debajo de 40ºC. Si es necesario, hay que refrigerar los fluidos para que esto se cumpla. Se deben evitar aceites, tensoactivos y partículas en suspensión, por lo que será necesario un pretratamiento si se espera que aparezcan (para las partículas un filtro < 5 μm será suficiente). Hay que evitar diferencias de presiones en ambas caras de las membranas, por lo que habrá que operar todos los circuitos simultáneamente. Si es necesaria una limpieza mecánica, se debe realizar con un paño suave o una esponja y abundante agua. 3.3.1.3 Montaje Procedimiento general para montar una celda estándar de 2 cámaras: -Poner los 4 tornillos en el marco de acero inoxidable y la cámara del ánodo, y ponerlos en la mesa con los tornillos hacia abajo. -Poner un espaciador final sobre la cámara del ánodo. -Preparar las membranas y espaciadores en la secuencia: membrana de intercambio catiónico, espaciador de diluido, membrana de intercambio aniónico y espaciador de concentrado. Respetar la orientación de los espaciadores para que cumplan con las entradas y salidas de diluido y concentrado. -Apilar membranas y espaciadores uno tras otro en la secuencia descrita, el número de veces deseado (dependiendo de cuantas celdas quieran instalarse) (Figura 13). -Completar con una membrana de intercambio catiónico, un espaciador final (Figura 14) y cerrar añadiendo la cámara del cátodo (Figura 15) y el marco metálico. -Finalmente atornillar la celda a mano sin aplicar demasiada fuerza. -Proceder con la prueba de fugas en todos los circuitos. Materiales y Métodos 26 los circuitos de fluidos. 3.4 Métodos de cálculo Para obtener la potencia eléctrica en cada instante basta con calcular el producto entre la tensión y la intensidad: 𝑃=𝑉·𝐼 [Ec. 1] Donde P es la potencia (en W), V es la tensión eléctrica (en V) e I es la intensidad eléctrica (en A). Teniendo en cuenta que la potencia va cambiando con el tiempo y que solo se dispone de medidas puntuales, es necesario hacer una estimación. Para ello se utiliza una potencia media para cada período, haciendo una media aritmética entre las potencias inicial y final de ese período. Para calcular la energía que consume la fuente de alimentación en cada período de tiempo hay que multiplicar la potencia eléctrica por el tiempo que está funcionando a esa potencia. 𝐸𝛥𝑡 =𝑃𝑚·𝛥𝑡 [Ec. 2] Donde EΔt es la energía consumida en un período de tiempo (en kJ), Pm la potencia media en el período de tiempo (en kW) y Δt es dicho período de tiempo (en segundos). Para la energía acumulada (la energía necesaria desde el principio del ensayo hasta ese momento, en kJ) durante todo el ensayo es suficiente con sumar las energías de todos los períodos. 𝐸𝑎𝑐𝑢𝑚 =∑𝐸𝛥𝑡 [Ec. 3] Se va a calcular la tasa de desmineralización (dr) como medida de la reducción de sales en la corriente diluida, expresado como porcentaje de reducción de la conductividad sobre el máximo posible [40]: 𝑑𝑟(%)=(𝜅𝑖,𝐷−𝜅𝑡,𝐷 𝜅𝑖,𝐷 )·100 [Ec. 4] Donde κi,D es la conductividad de la corriente diluida en el instante inicial y κt,D es la conductividad de la corriente diluida en el instante t, ambas en mS/cm. 27 4 RESULTADOS 4.1 Introducción Se han realizado ensayos variando la corriente eléctrica aplicada, la concentración inicial de NaCl en el diluido y concentrado y el número de membranas motadas en el módulo. La disolución electrolito es en todos los casos 0,25 M de Na2SO4. A continuación se muestra una tabla resumen con las condiciones iniciales de los ensayos: Tabla 1. Condiciones iniciales de los ensayos realizados Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 1 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 I=cte=6 A 2 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 I=cte=2,9 A 3 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 V=cte=13,4 V 4 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 V=cte=7,5 V 5 1 M NaCl 1 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 V=cte=10,7 V 6 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 10 I=cte=6 A 7 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 10 V=cte=24,5 V El voltaje inicial seleccionado para las pruebas a tensión constante se ha determinado como aquel que proporciona una intensidad inicial igual a la de otro ensayo realizado a intensidad constante. Por ejemplo, en el ensayo 3, el voltaje constante de 13,4 V es el que se traducía en una intensidad inicial de 6 A, la misma del ensayo 1. El ensayo 4 se corresponde de igual forma con el ensayo 2, y el ensayo 7 con el número 6. El ensayo 5 aplica el voltaje necesario para una intensidad inicial de 6 A, pero con unas concentraciones de NaCl iniciales del doble que las de los ensayos 1 y 2. Estos rangos de las variables se han seleccionado para reproducir ensayos explicados en los manuales del equipo de PCCell. Los datos que se recogerán a lo largo de los ensayos, como se ha explicado anteriormente, serán las conductividades de los 3 circuitos, los volúmenes de líquido en los depósitos y el voltaje y la intensidad aplicados al módulo de membranas. En los primeros 5 ensayos solo se tiene un par de celdas de membranas, lo cual introduce gran pérdida de carga en los circuitos de diluido y concentrado (como se explicó en el apartado de montaje), pudiendo obtenerse un caudal máximo algo menor de 10 L/h. Esto no afecta al circuito de electrolito, cuyo caudal puede regularse estrangulando el tubo de salida de la bomba. En los 2 últimos ensayos, al tener más membranas la pérdida de carga en el módulo es mucho menor, por lo que Resultados 28 es posible ajustar los caudales de las corrientes estrangulando el tubo de salida de las bombas. Tanto en este ensayo como en el siguiente se ajustan a 50 L/h en los circuitos de diluido y concentrado. 4.2 Prueba 1 Las condiciones iniciales de este ensayo se muestran en la siguiente tabla: Tabla 2. Condiciones iniciales del ensayo 1 Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 1 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 I=cte=6 A En este ensayo se registró la conductividad del electrolito al inicio y al final de la prueba. En la siguiente tabla aparecen los datos recogidos durante el ensayo: Tabla 3. Recogida de datos del ensayo 1 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Electrolito V (V) I (A) 0 41,1 41,1 32,0 - 6,0 20 33,8 51,4 - 11,4 6,0 30 26,0 57,8 - 12,3 6,0 45 16,7 65,6 - 16,3 6,0 60 8,3 69,8 36,5 28,2 6,0 A lo largo de la prueba se vio una tendencia acorde con los resultados mostrados en los manuales del equipo en cuanto a las conductividades de las corrientes de diluido y concentrado (Figura 19). La duración del ensayo se determinó hasta el momento en el que la tensión eléctrica alcanzó el máximo permitido por la fuente de alimentación (30 V), lo que hizo que la intensidad empezara a disminuir (Figura 20). Esto ocurre debido a que la corriente diluida cada vez tiene menos sales, lo que implica una mayor resistencia a la corriente eléctrica. Al ocurrir esto y no poder aumentar más la tensión (porque la fuente no lo permite), la intensidad disminuye. En la Figura 21 se muestra la potencia y la energía acumulada consumida a lo largo del ensayo. Al igual que lo explicado para la anterior figura, al tener una corriente cada vez más libre de sales (diluido), mantener la intensidad eléctrica constante produce un aumento en la tensión, lo que a su vez se traduce en la subida de la potencia necesaria. El incremento de la conductividad en la corriente del electrolito se produce por una disminución del agua presente en la misma, debido a la electrólisis que se produce debido a la aplicación de la corriente eléctrica. La energía empleada en cada incremento de tiempo se ha estimado como la necesaria para mantener durante todo ese tiempo la potencia media entre los extremos. Es decir, por ejemplo, para el periodo entre los minutos 20 y 30, se ha estimado que la potencia media del periodo es la media aritmética de la potencia en t=20 y t=30. 29 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 19. Conductividades de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 1 Figura 20. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 010 20 30 40 50 60 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 0 5 10 15 20 25 30 010 20 30 40 50 60 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tensión Intensidad Resultados 30 Figura 21. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 1 En la siguiente figura puede observarse la tasa de desmineralización a lo largo del ensayo, y su tendencia aun positiva al final del ensayo, por lo que se intuye que el crecimiento habría continuado de haberse alargado el ensayo en el tiempo. Figura 22. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 1 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 010 20 30 40 50 60 Energía (kJ) Potencia (W) Tiempo (min) Potencia Energía acumulada 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 010 20 30 40 50 60 dr (%) Tiempo (min) 31 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis 4.3 Prueba 2 En la siguiente tabla se muestran las condiciones iniciales de la prueba: Tabla 4. Condiciones iniciales del ensayo 2 Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 2 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 I=cte=2,9 A Para este ensayo ya se recogieron todos los datos mencionados. Al igual que en el caso anterior, el final de la prueba se estableció cuando la intensidad de la corriente eléctrica empezó a disminuir debido a que la tensión alcanzó el máximo permitido por la fuente de alimentación. Tabla 5. Recogida de datos del ensayo 2 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Electrolito V (V) I (A) Vd (mL) Vc (mL) Ve (mL) 0 44,8 44,8 31,7 8,2 2,9 990 1000 990 10 39,5 46,3 31,9 8,2 2,9 980 1010 990 20 36,7 49,5 32,4 8,1 2,9 970 1020 1000 30 33,8 52,2 32,7 7,7 2,9 970 1020 1000 40 31 55,2 33,4 7,6 2,9 960 1030 1000 50 28,3 57,9 33,5 7,4 2,9 950 1030 1000 60 25,4 60,8 33,9 7,4 2,9 950 1030 1000 70 22,2 63,3 34,3 7,5 2,9 940 1040 1000 80 19,3 65,8 34,6 7,5 2,9 930 1050 1000 90 15,8 68,4 35 7,8 2,9 920 1050 1000 100 12,6 71,0 35,3 8,7 2,9 920 1060 1000 110 9,2 73,1 35,7 12,1 2,9 910 1070 990 120 5,7 74,8 35,8 19,5 2,9 900 1070 990 130 3,4 75,5 35,8 26,2 2,9 890 1080 990 140 1,9 75,9 34,9 30,9 1,9 880 1080 990 Nuevamente, los datos recogidos en las conductividades tienen la forma prevista. Los volúmenes de las corrientes se comportan de la misma forma, también imitando a las que se muestran en los ejemplos del fabricante (Figura 23). En este caso, la tensión se mantiene e incluso disminuye un poco durante buena parte del ensayo (Figura 24), para aumentar rápidamente en la parte final (lo mismo ocurre por tanto con la potencia, como se observa en la Figura 25). Resultados 32 Figura 23. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 2 Figura 24. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 2 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 020 40 60 80 100 120 140 Volumen (mL) Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Volumen de diluido Volumen de concentrado 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0 5 10 15 20 25 30 35 020 40 60 80 100 120 140 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tensión Intensidad 33 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 25. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 2 En este ensayo se llegó a valores superiores al 95% de tasa de desmineralización, con un crecimiento bastante lineal hasta su parte final, en la que se empieza a ver que disminuye la velocidad de transferencia de iones, como puede observarse en la siguiente figura: Figura 26. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 2 0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 10 20 30 40 50 60 70 80 020 40 60 80 100 120 140 Energía (kJ) Potencia (W) Tiempo (min) Potencia Energía acumulada 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 020 40 60 80 100 120 140 dr (%) Tiempo (min) Resultados 34 4.4 Prueba 3 Las condiciones iniciales de este tercer ensayo se muestran en la siguiente tabla: Tabla 6. Condiciones iniciales del ensayo 3 Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 3 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 1 V=cte=13,4 V De nuevo se recogen todos los datos mencionados para este ensayo. El final de esta prueba viene determinado por una reducción considerable de la corriente eléctrica, que tiene como consecuencia una gran disminución de la capacidad de retirar sales de la corriente diluida. Tabla 7. Recogida de datos del ensayo 3 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Electrolito V (V) I (A) Vd (mL) Vc (mL) Ve (mL) 0 42,1 45,6 32,2 13,4 6 980 1020 1000 10 36,3 51,4 33,1 13,4 6,8 970 1020 1000 20 30,1 57,7 33,9 13,4 7,1 960 1040 1000 30 23,4 63,6 34,5 13,4 6,5 940 1050 1000 40 17,1 68,7 35,2 13,4 5,5 920 1060 1000 50 11,6 72,3 35,7 13,4 4 920 1070 1000 60 7,7 74,4 35,8 13,4 2,8 910 1080 1000 70 4,6 76,4 36,1 13,4 1,8 900 1080 990 80 2,8 77,2 36,3 13,4 1,1 890 1090 990 90 1,8 77,9 36,2 13,3 0,7 880 1090 980 100 1,0 78,4 36,2 13,3 0,4 880 1090 980 110 0,7 78,4 36,3 13,3 0,3 880 1090 980 Las conductividades y los volúmenes de las soluciones actúan de la forma prevista (Figura 27). En este caso, se ha mantenido constante la tensión eléctrica en lugar de la intensidad. Al inicio del ensayo se produjo un aumento de aproximadamente un 18% en la corriente eléctrica, para luego disminuir hasta el final del ensayo, en el que la corriente llega a valores muy bajos debido a la reducción significativa de la conductividad en la corriente diluida (Figura 28). La energía necesaria en el tramo final del ensayo se reduce, haciendo que la curva de la energía acumulada se torne casi horizontal (Figura 29), debido a la reducción de la corriente eléctrica. La potencia eléctrica sigue una curva similar a la trazada por la intensidad. 35 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 27. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 3 Figura 28. Intensuidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 3 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 020 40 60 80 100 120 Volumen (mL) Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Volumen de diluido Volumen de concentrado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 020 40 60 80 100 120 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tension Intensidad Resultados 42 empieza a disminuir su conductividad. Figura 36. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 5 Figura 37. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 5 La potencia eléctrica, al tener el ensayo tensión eléctrica constante, sigue la forma de la intensidad (Figura 37). La energía necesaria para llevar a cabo esta separación es obviamente mayor que en ensayos anteriores, por la 0 1 2 3 4 5 6 7 8 4 5 6 7 8 9 10 11 12 030 60 90 120 150 180 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tensión Intensidad 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 030 60 90 120 150 180 Energía (kJ) Potencia (W) Tiempo (min) Potencia Energía acumulada 43 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis mayor cantidad de sales en la corriente inicial. También se observa la disminución de la pendiente de la curva en el tramo final debido a la bajada de la intensidad, y por tanto, de la potencia eléctrica. La tasa de desmineralización supera el 98% al final del ensayo, aun teniendo unas concentraciones iniciales más elevadas. En la siguiente figura puede apreciarse su desarrollo a lo largo de la prueba: Figura 38. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 5 4.7 Prueba 6 En este ensayo se vuelve a utilizar como alimentación para los circuitos de diluido y concentrado una solución 0,5 M de NaCl, al igual que en los 4 primeros ensayos. Se trabaja a corriente eléctrica constante de 6 A. En este caso se han montado un grupo de 10 pares de celdas de membranas, es decir, que dentro del conjunto de membranas se forman 10 calles para el circuito de diluido y otras 10 calles para el de concentrado. Las condiciones iniciales del ensayo se encuentran resumidas en la siguiente tabla: Tabla 12. Condiciones iniciales del ensayo 6 Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 6 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 10 I=cte=6 A El final de la prueba viene determinado por la reducción de la corriente eléctrica debido, como en ensayos anteriores, a la reducción de la conductividad en el circuito de diluido. En este caso, al mantener constante la corriente con la fuente de alimentación, la tensión ha aumentado hasta el máximo permitido por la fuente (30,9 V), valor en el que se mantiene hasta el final del ensayo, pasando a disminuir la corriente. Los datos de la prueba se encuentran en la siguiente tabla, habiéndose recogido éstos cada 10 minutos: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 030 60 90 120 150 180 dr (%) Tiempo (min) Resultados 44 Tabla 13. Recogida de datos del ensayo 6 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Electrolito V (V) I (A) Vd (mL) Vc (mL) Ve (mL) 0 42,2 42,2 31,7 25,2 6,0 920 920 900 10 25,0 58,6 32,6 21,1 6,0 880 970 900 20 6,2 69,9 32,9 30,9 6,0 840 1020 900 30 0,4 72,1 32,9 30,9 0,5 810 1030 900 40 0,1 72,4 33,0 30,9 0,3 800 1040 900 50 0,1 72,4 33,1 30,9 0,3 790 1050 890 Las curvas de conductividades y volúmenes de los circuitos de diluido y concentrado presentan la misma forma que en los ensayos anteriores, aunque los tiempos son significativamente menores (Figura 39), debido a un mayor caudal de líquidos atravesando el módulo de membranas. En la Figura 40 puede apreciarse como la llegada de la tensión eléctrica al máximo desencadena el descenso de la corriente. Observando los tiempos se puede ver como esta disminución de la corriente también coincide con la bajada de la conductividad en el circuito de diluido. La potencia eléctrica, como es lógico, sigue la forma de la tensión eléctrica o de la corriente eléctrica cuando no son constantes, es decir, a la tensión en los primeros 20 minutos y a la intensidad desde los 20 minutos hasta el final de la prueba (Figura 41). La energía acumulada también es inferior a la necesaria en el ensayo 1 (ensayo en las mismas condiciones pero con solo 1 par de celdas de membranas). Figura 39. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 6 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Volumen (mL) Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Volumen de diluido Volumen de concentrado 45 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 40. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo 6 Figura 41. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 6 La tasa de desmineralización se sitúa en el 99,7% en la parte final del ensayo, manteniéndose prácticamente constante en el último tramo. En la siguiente figura puede verse como en los primeros 20 minutos ya se alcanzó una tasa superior al 85%: 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tensión Intensidad 0 60 120 180 240 300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Energía (kJ) Potencia (W) Tiempo (min) Potencia Energía acumulada Resultados 46 Figura 42. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 6 4.8 Prueba 7 Este ensayo tiene unas características similares al anterior, excepto la condición eléctrica, que en este caso es un voltaje constante de 24,5 V, el necesario para que la intensidad inicial sea de 6 A. Se mantienen las concentraciones iniciales de los circuitos de diluido y concentrado y los 10 pares de celdas de membranas. En la siguiente tabla aparecen las condiciones iniciales: Tabla 14. Condiciones iniciales del ensayo 7 Ensayo Diluido Concentrado Electrolito Pares de calles Condición eléctrica 7 0,5 M NaCl 0,5 M NaCl 0,25 M Na2SO4 10 V=cte=24,5 V La prueba se detuvo cuando la corriente eléctrica se redujo ostensiblemente debido a la reducción de la conductividad en el circuito de diluido. Al igual que en otros ensayos a diferencia de potencial constante, la intensidad eléctrica aumenta un poco al principio de la prueba para luego reducirse hasta el final (en este caso el aumento inicial de la corriente es de un 15%). En la siguiente tabla se recogen todos los datos de la prueba, tomados cada 10 minutos: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 dr (%) Tiempo (min) 47 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Tabla 15. Recogida de datos del ensayo 7 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Electrolito V (V) I (A) Vd (mL) Vc (mL) Ve (mL) 0 42,8 42,2 32,0 24,5 6,0 910 920 920 10 24,4 59,3 33,0 24,5 6,9 860 970 920 20 5,1 70,6 33,1 24,5 4,0 800 1020 920 30 0,3 72,5 33,2 24,5 0,3 790 1040 910 40 0,1 73,1 33,2 24,5 0,2 780 1040 900 50 0,1 73,1 33,1 24,5 0,2 760 1050 900 Nuevamente, las curvas de las conductividades y volúmenes presentan la misma forma que en los ensayos anteriores (Figura 43). Al tener 10 pares de celdas de membranas, los tiempos son también menores, al igual que ocurría en el ensayo 6. En este caso, el incremento de la corriente al inicio de la prueba es más pequeño que en otros casos (Figura 44). Sin embargo, la mayor velocidad a la que se lleva a cabo la separación en este ensayo hace que la frecuencia de muestreo sea demasiado baja para poder comparar este efecto con el producido en ensayos más lentos. Sí se observa como se produce la caída de la corriente por la disminución de la conductividad del circuito diluido. Como es evidente, la potencia sigue la forma de la intensidad, ya quela diferencia de potencial permanece constante todo el ensayo (Figura 45). La curva de la energía necesaria para llevar a cabo la separación se aplana conforme ésta deja de producirse con la caída de la corriente. En este caso, la energía puesta en juego es aproximadamente un 13% menor que en el ensayo anterior, en el que se trabajaba a intensidad constante. Figura 43. Conductividades y volúmenes de las corrientes de diluido y concentrado del ensayo 7 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Volumen (mL) Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Volumen de diluido Volumen de concentrado Resultados 48 Figura 44. Intensidad y tensión eléctrica a lo largo del ensayo Figura 45. Potencia y energía acumulada a lo largo del ensayo 7 Al igual que en el ensayo anterior, la tasa de desmineralización se sitúa en la parte final del ensayo en un valor muy elevado, concretamente del 99,8%. También puede observarse en la siguiente figura como en los primeros 20 minutos se llega casi al 90%: 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Intensidad (A) Voltaje (V) Tiempo (min) Tensión Intensidad 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Energía (kJ) Potencia (W) Tiempo (min) Potencia Energía acumulada 49 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 46. Tasa de desmineralización a lo largo del ensayo 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 dr (%) Tiempo (min) Resultados 50 51 5 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Los ensayos se han llevado a cabo de la manera prevista, con los valores de operación definidos por el fabricante en los manuales. Para poder analizarlos y poder comparar los resultados, conviene agrupar ensayos que comparten semejanzas. En primer lugar, se analizarán los 4 primeros ensayos, que tienen el mismo número de membranas y una concentración inicial de NaCl similar, y se varía la intensidad o la diferencia de potencial eléctrico. A continuación, se compararán los ensayos 3 y 5, similares en todas las características iniciales excepto en la concentración de sal. Posteriormente se relacionarán los ensayos 1 y 2 con el 6 y 7, que difieren en el número de membranas montadas en el módulo. 5.1 Comparación de los ensayos con distinta alimentación eléctrica (1, 2, 3 y 4) Los ensayos en los que se emplea una mayor potencia eléctrica desde el principio (ensayos 1 y 3) tienen una disminución más rápida de la conductividad de la corriente de diluido (Figura 47) y un aumento más rápido de la conductividad del concentrado (Figura 48). El aumento en la conductividad de la corriente concentrada no tiene por qué ser igual a la disminución de la conductividad de la corriente diluida, ya que la relación de la conductividad con la concentración de NaCl no siempre es lineal. Análisis y discusión de resultados 58 Figura 56. Tasa de desmineralización en los ensayos 1, 3, 6 y 7 5.4 Comparación con bibliografía Para evaluar el funcionamiento del sistema se va a comparar uno de los ensayos realizados (ensayo 7) (ensayo propio) con un ejemplo que aparece en los manuales del módulo de membranas realizado por la empresa suministradora (PCCell) (ensayo comercial). Estos dos ensayos tienen prácticamente las mismas condiciones iniciales: mismo equipo utilizado, mismas concentraciones iniciales, mismo número de membranas y misma corriente eléctrica aplicada. Se diferencian en el volumen inicial de los circuitos de diluido y concentrado, y en que para el ensayo de la empresa disponían de una recogida de datos en continuo, mientras que en el ensayo realizado para este trabajo la recogida de datos era puntual. Para empezar, los volúmenes iniciales en el ensayo comercial están entre 750 y 800 mL (Figura 57), mientras que en el ensayo propio los volúmenes iniciales están en torno a 915 mL (Figura 58). El volumen de concentrado y diluido en el ensayo comercial tienen un aumento y disminución respecticvamente de aproximadamente el 15% en 20 minutos, mientras que en el ensayo propio estos cambios están en torno al 12%, por lo que son más o menos parecidos (teniendo en cuenta las diferencias entre ambos ensayos). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 020 40 60 80 100 120 dr (%) Tiempo (min) Ensayo 1 Ensayo 3 Ensayo 6 Ensayo 7 59 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 57. Volúmenes del ensayo comercial [Manual PCCell] Figura 58. Volúmenes del ensayo propio Los valores de la intensidad y la tensión eléctrica del ensayo comercial pueden verse en la Figura 59, mientras que los del ensayo propio aparecen en la Figura 60. La intensidad comienza a disminuir aproximadamente 5 minutos después en el ensayo propio, debido principalmente al mayor volúmen que tienen los circuitos de este ensayo. 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 0 5 10 15 20 25 30 Volumen (mL) Tiempo (min) Diluido Concentrado Análisis y discusión de resultados 60 Figura 59. Intensidad y tensión eléctrica en el ensayo comercial [Manual PCCell] Figura 60. Intensidad y tensión eléctrica en el ensayo propio Por último, las conductividades de los circuitos diluido y concentrado en el ensayo comercial y propio pueden verse respectivamente en la Figura 61 y en la Figura 62. Los valores que alcanzan ambas corrientes son similares en los dos ensayos, aunque ocurre después en el ensayo propio debido al mayor volumen de los circuitos. No se puede determinar exactamente en qué momento se llega esa asíntota horizontal en el ensayo propio porque no se disponen de medidas entre los 20 y 30 minutos, pero igualmente se conoce que ocurre entre esos dos valores, lo que coincide con lo visto anteriormente y es que tarda unos 5 minutos más que el ensayo comercial. 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Voltaje (V) / Intensidad (A) Tiempo (min) Tensión Intensidad 61 Instalación y puesta en marcha de una unidad de laboratorio de electrodiálisis Figura 61. Conductividades en el ensayo comercial [Manual PCCell] Figura 62. Conductividades en el ensayo propio 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Conductividad (mS/cm) Tiempo (min) Diluido Concentrado Análisis y discusión de resultados 62 63 6 CONCLUSIONES Se ha montado y puesto en marcha una instalación de laboratorio de ensayos de electrodiálisis y se ha comprobado que funciona de manera correcta, sin errores y consiguiendo una separación efectiva de sales del agua, con una tasa de desmineralización de hasta el 99,8%. Se han elaborado protocolos de puesta en marcha, operación y apagado del sistema, comprobando su correcto desempeño en cada uno de los ensayos. También se han descrito en detalle los procedimientos para el montaje y desmontaje de la instalación, así como las condiciones de almacenamiento de las distintas partes de la instalación. Mediante la búsqueda bibliográfica, se ha constatado la elevada cantidad de aplicaciones posibles que tiene esta tecnología, tanto actuales en un futuro próximo. Mención especial recibe la electrodiálisis con membranas bipolares, para la que se espera un gran número de aplicaciones debido a su gran versatilidad y posibilidades. Observando los resultados obtenidos en los ensayos y los expuestos por el fabricante en sus manuales, se puede determinar que el sistema desarrollado en el presente trabajo tiene un funcionamiento adecuado y se obtienen unos resultados acordes a lo esperado. Analizando los distintos ensayos se puede establecer que, para obtener tasas de desmineralización altas, trabajar con tensión constante requiere menor energía que hacerlo a intensidad constante. De igual forma, según se ha visto en los ensayos trabajar con menor intensidad de corriente eléctrica se traduce en un menor consumo (en torno a un 45% menor) para obtener una tasa de desmineralización por encima del 60%, a costa de emplear alrededor del 40% más de tiempo para ello. También se ha observado que tener una mayor concentración inicial de sales supone un mayor consumo de energía y más tiempo para conseguir tasas de desmineralización altas, pero se pueden conseguir igualmente altas (tener el doble de concentración inicial implica un aumento del consumo energético del 60% y un aumento del 65% del tiempo necesario para obtener una tasa de desmineralización del 98,5%). Trabajar con mayor número de membranas permite tener mayores caudales entre los electrodos, lo cual influye en tener menores consumos energéticos para tasas de desmineralización altas y menores tiempos para conseguirlas. Trabajando con 10 pares de calles en lugar de 1, y aumentando en 5 veces los caudales de los circuitos de diluido y concentrado se consigue una reducción del 35% y del 70% de la energía y el tiempo necesarios respectivamente para obtener una tasa de desmineralización del 99%. Conclusiones 64 65 7 TRABAJO FUTURO El presente trabajo es un acercamiento hacia la tecnología de electrodiálisis, y para la elaboración de un correcto método de trabajo. A partir de aquí, será necesario seguir ahondando en la operación en distintas condiciones iniciales. Con un diseño de experimentos más amplio y estandarizado podrán obtenerse modelos matemáticos para predecir los resultados en la separación para distintas condiciones de operación, modelos para los flujos e incluso estimación de costes, ya sean energéticos o económicos. Todo esto permitirá realizar una optimización para las condiciones del proceso. Se deberá seguir en el terreno de las membranas bipolares, que abren un amplio abanico de posibilidades para la investigación. Para ello será necesario modificar el sistema añadiendo un circuito adicional (serán necesarios 4 circuitos: el electrolito, el circuito de la alimentación a diluir, el circuito de la base y el circuito del ácido), y reestructurar el paquete de membranas, con la configuración descrita en el apartado de montaje (apartado 3.3.1.3). Trabajo futuro 66 67 REFERENCIAS [1] American Water Works Association, «Electrodialysis and Electrodialysis Reversal,» de AWWA MANUAL M38, Denver, EEUU, 1995. [2] J. W. (Ed), «Demineralization by Electrodialysis,» Butterworths Scientific Publications,, 1960. [3] V. Shaposhnik y K. Kesore, «An early history of electrodialysis with permselective membranes,» Journal of Membrane Science, vol. 136, pp. 35-39, 1997. [4] E. Maigrot y J. Sabates, «Apparat zur Läiuterung von Zuckersäiften mittels Elektrizitiit,» Germ. Pat., nº 50443, 1890. [5] H. Morse y J. Pierce, Z. Phys. Chem., vol. 45, nº 589, 1903. [6] J. Loeb y R. Beutner, Biochem. Z., vol. 41, pp. 1-6, 1912. [7] W. Pauli y E. Yalko, «Elektrochemie der Kolloiden,» J. Springer, 1929. [8] E. Manegold y C. Kalauch, Kolloid. Z., vol. 86, nº 93, 1939. [9] K. Meyer y W. Strauss, «La permeabilit6 des membranes VI, Sur la passage du courant electrique a travers des membranes selectives,» Helv. Chim. Acta, vol. 23, pp. 795-800, 1940. [10] B. Van der Bruggen, «Advances in electrodialysis for water treatment,» Materials, Processes and Applications, pp. 185-203, 2015. [11] C. X. Jiang, Y. M. Wang, Z. H. Zhang y T. W. & Xu, «Electrodialysis of concentrated brine from RO plant to produce coarse salt and freshwater,» Journal of Membrane Science, vol. 450, pp. 323-330, 2014. [12] Y. Zhang, K. Ghyselbrecht, B. Meesschaert, L. Pinoy y B. Van der Bruggen, «Electrodialysis on RO concentrate to improve water recovery in wastewater reclamation,» Journal of Membrane Science, vol. 378, pp. 101-110, 2011. [13] V. Silva, E. Poiesz y P. van der Heijden, «Industrial wastewater desalination using electrodialysis: Evaluation and plant design,» Journal of Applied Electrochemistry, vol. 43, nº 11, pp. 1057-1067, 2013. [14] S. Tsukahara, B. Nanzai y M. Igawa, «Selective transport of amino acids across a double membrane system composed of a cation- and an anion-exchange membrane,» Journal of Membrane Science, vol. 448, pp. 300-307, 2013. [15] O. M. K. Readi, M. Girones, W. Wiratha y K. Nijmeijer, «On the isolation of single basic amino acids with electrodialysis for the production of biobased chemicals,» Industrial and Engineering Chemistry Anexo I: Hojas de datos 74 Hoja de datos 4. Balanza de precisión [Catálogo RADWAG] Modelo WLC 2/A2 Fabricante RADWAG Características Máxima capacidad 2 kg Legibilidad 0,01 g Rango de tara -2 kg Repetibilidad 0,01 g Linealidad ±0,03 g Tiempo de estabilización 3 s Calibración Externa Pantalla LCD (con retroiluminación) Dimensiones del platillo / del embalaje 195x195 mm / 470x380x336 mm Masa neto / bruto 2,8 / 4,3 kg Grado de protección IP 43 Conectividad 2xRS232, USB-A, USB-B Alimentación 100-240 V AC 50/60 Hz + batería (15 h) Temperatura de trabajo 15 a 30 °C Humedad relativa del aire 10 a 85% sin condensación Hoja de datos 5. Conductímetro [Catálogo WTW] Modelo LF 340i Fabricante WTW Características Rango conductividad 0,0 µS a 500 mS/cm Precisión ±0,5% Sólidos disueltos totales 0 a 1999 mg/L Salinidad 0,0 a 70,0 Temperatura -5,0 a 105,0 ºC ±0,1ºC Resistividad 0,000 a 1999 MΩcm Alimentación Batería recargable Dimensiones 172 x 80 x 37 mm Peso 300 g aproximadamente Anexo I: Hojas de datos 76 Hoja de recogida de datos Nº de prueba: Fecha: Condiciones iniciales Diluido Concentrado Electrolito Condición eléctrica: Número de membranas: Datos Tiempo (min) Diluido (mS/cm) Concentrado (mS/cm) Electrolito (mS/cm) Voltaje (V) Intensidad (A) Vd (mL) Vc (mL) Ve (mL) Comentarios: