La membrana de osmosis inversa

membrana de osmosis inversa
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El tiempo de duración de las membranas de osmosis inversa es variable y depende de la calidad del agua que se hace pasar por ellas. Basado en la composición química del agua de alimentación se puede colegir un tiempo aproximado, la próxima información se ofrece para aquellas personas que no se hallan satisfechas con el desempeño de sus membranas y consideran que tener y mantener un sistema de osmosis inversa es más costoso y conflictivo de lo esperado.

Membranas

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Rendimiento de la membrana de osmosis inversa

Para la mayor parte de aplicaciones el desempeño de las membranas se define como rechazo de sólidos totales disueltos (TDS), especies iónicas (sales minerales) o conductividad. En los suministros de agua bebible uno espera típicamente un rechazo de 95-98 por ciento cuando las membranas son nuevas y se desearía mantener ese nivel.

Flujo de permeado (flujo del producto) que satisface las especificaciones del diseño (a la presión
osmótica del agua de nutrición, la presión de nutrición y la temperatura del agua de nutrición). Uno desea que el flujo permeable se sostenga igual por el mayor tiempo posible, aceptándose una minoración pequeña predecible debido a los efectos que se encuentran fuera de su control, como el depósito de partículas finas.

membrana de osmosis inversa

Rechazo de partículas, coloides, materia orgánica y materia biológica (microbios y endotoxinas). Tiende a ser cerca del cien por cien , todavía cuando el desempeño de rechazo iónico de la membrana está disminuyendo. Solamente tras el deterioro extremo de la membrana se notará un paso observable de estos.

El polímero con el que se fabrica la mayor parte de las membranas de osmosis inversa es una película delgada de poliamida (formado sobre una capa base de polisulfona) que es un material de gran resistencia química. Puede aguantar altas presiones de funcionamiento en exceso de treinta bar. Puede resistir la exposición a alteraciones extremas en el pH, de dos a 12. Puede ser expuesto a aguas de alimentación de alta temperatura, hasta unos 48 ºC. Y además resiste de manera perfecta la humillación de todos los microorganismos.

Existen tres factores generalmente reconocidos que son causantes de la caída en el desempeño de las membranas de PA/película delgada:

  1. Oxidación del polímero de poliamida que engloba la superficie de rechazo.
  2. La formación de escamas en la superficie de la membrana con sales minerales insolubles.
  3. Incrustación de la superficie de la membrana con una acumulación de partículas y/o materia biológica.

El efecto de oxidación

Entre los defectos principales de las membranas de PA/película delgada es su sensibilidad a los agentes oxidantes como el cloro libre, yodo, peróxido de hidrógeno, ozono, etc. Muchos de estos son comúnmente utilizados como desinfectantes en suministros de agua pública. El agua de alimentación no puede tener ningún agente oxidante, en caso contrario ocurrirá la degradación de la membrana de PA/película delgada y habrá una caída lenta en el rechazo iónico. La mayor parte de las membranas modernas de PA/película delgada tienen aproximadamente uno con cero ppm-horas de tolerancia al cloro libre (ppm de cloro por horas de exposición) antes que empiece la humillación de la membrana. Se debe estar al tanto de que a cada género de oxidante se le asigna una calificación de tolerancia única en ppm-horas, lo cual asimismo depende del pH, temperatura y presencia de metales catalizadores como el hierro. Esta categoría de humillación de membranas es fácil de prevenir. Como el cloro es el desinfectante más habitual utilizado en América Latina, es probablemente el único desinfectante que debemos abordar en este artículo. Los métodos más comunes para prevenir el ataque de membranas de OI por parte del cloro son:

  1. Incorporar un filtro de carbón de tamaño conveniente en el agua de nutrición.
  2. Inyectar la concentración adecuada de disulfito de sodio o bien metadisulfito en el agua de nutrición, con una bomba de alimentación de químicos.

El disulfito de sodio reacciona con el cloro para convertirlo en una forma no oxidante. Si está preocupado por la colonización de bacterias en el filtro de carbón o bien desea eludir el mantenimiento adicional de los sistemas de inyección de químicos, podría considerar el empleo del nuevo medio redox KDF, que suprime efectivamente el cloro y ofrece una vida de servicio parcialmente larga y libre de mantenimiento.

El efecto de incrustación

La incrustación consiste en la capacitación (precipitación) de sales insolubles (por servirnos de un ejemplo, CaCO3, CaSO4, CaSiO tres, SrSO4, BaSO4, Si(OH)4, FeSiO3) y óxidos/hidróxidos de metal (por servirnos de un ejemplo, Fe 2O3, Fe(OH)3) en la superficie de una membrana de osmosis inversa, debido al aumento de concentración alén de su límite de saturación. Este fenómeno es muy complejo y depende de muchos factores físicos y químicos relacionados entre sí, tales como temperatura, pH, concentración iónica, especies de iones (por poner un ejemplo, dureza, alcalinidad), y activa de flujo. La recuperación del sistema (el porcentaje del flujo de agua de nutrición que pasa mediante la membrana como agua permeada o bien de producto) determina la concentración de las sales rechazadas en el flujo de concentrado (de rechazo). Los sistemas comerciales e industriales ligeros de OI operan típicamente con una recuperación de 50-setenta y cinco por cien , lo que resulta en una concentración de 2×-4× de sales en el flujo concentrado. La situación se complica todavía más por las condiciones de flujo en la superficie de la membrana, las que son extensamente diferentes de las que se presentan en el flujo transversal primordial. En la superficie de la membrana, se forma una capa de agua que se mueve más despacio, conocida como la capa divisoria.

saturacion membrana de osmosis inversa

Todos y cada uno de los fluidos que fluyen sobre una superficie forman dicha capa como resultado de la atracción molecular del fluido (agua) al material de la superficie (la membrana). Las moléculas de agua que se hallan en la superficie prácticamente ni se mueven con el flujo transversal. A una distancia de varias moléculas de la superficie de la membrana, se mueven un poco más veloz.

Todavía más lejos de la superficie, las moléculas de agua se mueven más veloz, hasta que las fuerzas de atracción son mínimas y las moléculas de agua se mueven a la velocidad del flujo transversal primordial. Al mismo tiempo, ciertas moléculas de agua en la superficie están pasando mediante la membrana debido a la presión aplicada (esto es, ósmosis inversa). Esto tiene el efecto de quitar agua casi pura de la capa divisoria, dejando por detrás una concentración aún más alta de sales en la superficie de la membrana (un fenómeno generalmente conocido como polarización de concentración). Estas sales se propagan gradualmente en el flujo bárbaro pero la probabilidad de precipitación de las sales ligeramente solubles en la superficie de la membrana aumenta significativamente. Se ha estimado que la concentración de sales en la superficie de la membrana puede ser diez-20 por ciento mayor que la concentración en el flujo salvaje y es determinada por la velocidad del flujo salvaje (flujo transversal), el flujo y la restauración del sistema de osmosis inversa.

Hay un número de métodos comprobados que pueden ser implementados para prevenir incrustación en una membrana (asumiendo que es preciso, como lo pronostican algunos indicadores como el Índice de Saturación de Langelier y los programas de análisis de OI). El procedimiento más fácil consiste en disminuir la restauración del sistema de OI, lo cual reduce la concentración de sales en el flujo de rechazo. Esto no es siempre y en todo momento una solución práctica debido al incremento en el desperdicio de agua y restricciones en el diseño del sistema (por poner un ejemplo, capacidad de la bomba). Los métodos más habituales son la acidificación del agua de nutrición para disminuir el pH, aumentando la solubilidad de las sales o añadiendo polímeros singulares que previenen la capacitación de incrustación en el agua de alimentación.

La formación de incrustación en la superficie de la membrana se indica normalmente por una reducción gradual en el flujo y un incremento en el paso de sales. De no corregirse a tiempo, la decadencia en el desempeño va a ser irreversible (lo que ilustra la importancia del monitoreo usual de los factores de funcionamiento). Si se advierte a tiempo la formación de incrustación, las membranas pueden ser limpiadas efectivamente con soluciones de ácido (por servirnos de un ejemplo, ácido cítrico o bien muriático) que son circuladas por medio de módulos individuales de OI, usando equipo diseñado para este propósito.

reduccion membrana de osmosis inversa

Agua de alimentación de superficie vs. Agua de nutrición de pozo

A la inversa de los suministros de pozos profundos, el agua de superficie no entra en contacto con fuentes subterráneas de minerales y típicamente tiene un contenido menor de TDS, incluyendo dureza y alcalinidad. No es ninguna sorpresa que no sucedan habitualmente inconvenientes de incrustación, al usarse suministros de agua de superficie (excepto cuando los niveles de sílice son altos). Esto es en especial auténtico para aquellos sistemas operantes pequeños de OI (por ejemplo, <3 m3/hr) con restauración modesta (por servirnos de un ejemplo, <65 por cien ). La suavización usando resina de intercambio catiónico puede ser el único género de pretratamiento requerido para prevenir la incrustación y, en aquellos casos donde la dureza del agua de nutrición es naturalmente baja (por poner un ejemplo, <20 miligramos por litro, o mg/L, como CaCO3), hasta el suavizado puede ser innecesario.

Los suministros de superficie (también llamada agua municipal) son una fuente muy común de agua en todo el mundo y la mayor parte de los sistemas de OI que observamos emplean este género de agua de alimentación. Los operadores de estos sistemas de OI se frustran a menudo cuando experimentan una decadencia inesperada en el desempeño del sistema (en un tiempo cortísimo) en lo que semeja ser agua de alimentación relativamente de alta calidad. La mayoría de estos operadores piensan que han tomado todas las cautelas del caso para resguardar las membranas de OI pero, de hecho, no han puesto mucha atención a los dos factores más perjudiciales.

Existen 2 géneros de contaminantes que afectan la incrustación de membranas—partículas y materia biológica. La incrustación consiste en la deposición de materia suspendida, coloide y orgánica (incrustación de partículas) y materia biológica, incluyendo microorganismos vivos y muertos (incrustación biológica), en la superficie de la membrana. La variedad de substancias que caen dentro de esta categoría es extremamente amplia, incluyendo el cieno, escamas minerales, óxido, vegetación podrida, algas, protozoos, bacteria y floculación; y otros secuestrantes, como substancias químicas anticorrosivas o desinfectantes añadidas a los suministros públicos de agua. En la mayoría de los suministros naturales y públicos de agua tratada, ocurre cierto grado de incrustación que puede resultar hasta en 10 por ciento de reducción en el flujo de agua permeada por año—aún con un pretratamiento conveniente. Además, puede tomar meses e incluso años a fin de que esto se haga notar en el desempeño del sistema de ósmosis inversa (OI), o bien a fin de que alcance algún tipo de equilibrio que apenas se note. La clave no es otra que de qué forma disminuir al mínimo el costo de la incrustación de una manera eficaz.

Capa divisoria

El fenómeno de la incrustación también es aumentado por el efecto de la capa divisoria, puesto que las substancias que se incrustan no son transportadas cara el flujo de la corriente total con la rapidez suficiente ver las ilustraciones en la primera parte), y por consiguiente, se acumulan en la membrana de la superficie. Piense sobre lo rápido que se amontona una capa de polvo en un vehículo que termina de ser pulimentado. Esto no puede evitarse ni desprenderse a ninguna velocidad. Está atrapado en la capa divisoria, que es relativamente apacible. Normalmente, la incrustación de membranas es considerablemente más compleja e impredecible que la formación de escamas (scaling), y hay una mayor pluralidad de causas. Con frecuencia se requiere el uso extenso de un método de tanteos para resolver el problema. Por esta razón, hay muy poca información disponible en Latinoamérica (en castellano o bien en portugués) acerca del análisis y el control de la incrustación. El resultado de esta falta de conocimientos y experiencia es que muchos operadores de OI en Latinoamérica se han habituado a limpiar y sustituir a menudo los costosos elementos de membrana.

Atención a las partículas

Existen básicamente 2 métodos para abordar los inconvenientes de incrustación de partículas. Uno de estos métodos consiste en acrecentar la capacidad de remoción de partículas del sistema de pretratamiento.

El método más frecuente usado en los sistemas comerciales e industriales ligeros, es una combinación de filtros de elementos múltiples y de cartucho, de alto desempeño. No obstante, la optimización de los prefiltros requiere el empleo de un proceso de tanteo bastante aburrido y la habilidad de poder medir el Indice de Densidad de Cieno (SDI*), como se discute en la siguiente sección.

incrustación de partículas en la membrana de osmosis inversa

 

El segundo método consiste en añadirle al agua de alimentación sustancias químicas especiales anti-incrustantes, que dispersan las partículas haciéndolas menos susceptibles a acumularse en la superficie de la membrana. La incrustación de partículas por norma general se hace apreciar por una reducción en el flujo—que puede cambiar desde gradual hasta extremamente rápida—y, en contraste con lo que ocurre con la capacitación de escamas, hay un aumento mínimo en el paso de sales. Por lo general, si las substancias que se incrustan no son removidas mediante la limpieza ya antes de existir una disminución en el flujo de agua permeada del diez por ciento al 15 por ciento (corregido para la presión y temperatura), el desempeño original no podrá ser absolutamente restaurado—nuevamente ilustrando la importancia del monitoreo continuo de los factores de funcionamiento.

De detectarse a tiempo la incrustación, las membranas pueden ser limpiadas ciertamente con soluciones singulares alcalinas de limpiadores, que circulan a través de módulos individuales de osmosis inversa, usando equipo desarrollado para este propósito.

Previamente mencionamos que los suministros de agua superficial típicamente presentan una baja tendencia cara la formación de escamas en las membranas de osmosis inversa. Desafortunadamente, lo opuesto puede decirse sobre la tendencia cara la incrustación. Los suministros de agua superficial son conocidos por sus altas concentraciones de partículas, cieno, materia orgánica y contenido microbiológico. Las concentraciones de cieno en muchas aguas típicas de Latinoamérica son particularmente altas y deben ser tomadas en cuenta por los diseñadores de sistemas, representantes técnicos del fabricante, y operadores. Una manera conveniente de acabar esta sección es haciendo mención de las reglas de diseño para los sistemas de membranas de entre los principales fabricantes de elementos de membranas de osmosis inversa.

Le recomendamos que se memorice lo siguiente: “El factor que tiene la mayor influencia en el diseño del sistema de membranas es la tendencia de incrustación del agua de nutrición.”

Consejo pragmático

Si la discusión precedente fue demasiado académica para poder aplicarla a sus propios inconvenientes de desempeño de OI, exploremos un enfoque más práctico.

Digamos que usted es quien se encarga de operar un sistema de OI con 3 elementos en serie de membrana 4×40. El agua de nutrición es de la ciudad, la que usa un río como fuente de abastecimiento. El contenido de sólidos totales disueltos (TDS*) del agua de alimentación, es de ochenta y cinco miligramos por litro (mg/L), y la temperatura del agua es de 23oC. El pretratamiento incluye un filtro de arena para retrolavado, un filtro de lignito para retrolavado, y dos filtros de cartucho de sedimento en serie, uno de diez μm y otro de cinco μm (clasificación nominal). La restauración de OI está fijada a sesenta por cien y el rechazo a noventa y ocho por cien .

filtros de osmosis etapas

Cuando se instaló inicialmente el sistema, el flujo de agua permeada era de siete con quinientos gpd (5.2 galones por minuto, o bien gpm) a 120 psi. El rechazo se mantuvo igual. Usted limpia las membranas de acuerdo a las especificaciones del fabricante y recupera el flujo de agua permeada a una tasa solamente un tanto por sobre los 5.0 gpm.

Cuarenticinco días después, el flujo de agua permeada nuevamente ha disminuido a 4.2 gpm. Usted limpia las membranas una vez más, recobrando el flujo de agua permeada a cinco.0 gpm. Ya antes de poner en marcha el sistema, usted lee este artículo y determina lo que podría estar mal con los factores de operación de su sistema. Primero, obtiene una copia de las instrucciones de operación del fabricante de membranas (lo cual puede no ser algo fácil, mas, de fracasar todo lo demás, consulte la Internet; el sitio de la compañía con frecuencia contiene una plétora de este género de datos). Usted se da cuenta de que está operando las membranas de OI muy por encima de las especificaciones del fabricante.

Para las membranas de 4×40 (ochenta y cinco ft2 de área de superficie) y el tipo de agua que tiene el flujo máximo recomendado es de14 gfd o más o menos 1,190 gpd por elemento. Usted se percata de que su sistema de 3 membranas debería estar funcionando como un sistema de tres con quinientos setenta gpd (2.5 gpm ¡o menos!), ¡y no como un sistema de 7,500 gpd (5.2 gpm)! Usted se percata de que debería medir el SDI, en tanto que habría de ser menos de cuatro, mas no tiene el equipo para hacerlo ni sabe dónde conseguirlo. Como medida de prevención, sustituye los cartuchos de prefiltro existentes, con uno de 5 μm seguido por uno de 1 μm (valor nominal). El sistema de OI está ya listo para marchar. Usted observa los indicadores de medida y disminuye la presión de nutrición de OI a más o menos sesenta psi, ¡para reducir el flujo de agua permeada a 2.5 gpm! Tres meses después el flujo se sostiene en 2.5 gpm si bien ha tenido que sustituir los prefiltros cada cuarenta y cinco días—aún de esta forma, ésta es una medida precautoria económica. Esto impresionó a su jefe (¡pero no lo dejó contento!) y decide llenar una orden de adquiere para obtener un instrumento para medir el SDI.

Conclusión

En consecuencia, ¿cuánto tiempo deben perdurar mis membranas? En pocas palabras, deberían durar mucho más tiempo de lo que usted se imagina, al dárseles la consideración y el cuidado conveniente como factores que afectan su funcionamiento inmejorable. Hemos proporcionado los antecedentes sobre las causas del deterioro en el desempeño de las membranas de OI, en especial en el agua de superficie, y hemos identificado los factores más críticos y la manera de medirlos. En un artículo futuro discutiremos un enfoque práctico detallado para supervisar este problema y optimar su selección de equipo de pretratamiento. Mientras más ciertamente pueda minimizar las sustancias que se incrustan y lograr bajos niveles de SDI, mayor va a ser el tiempo que su membrana de osmosis inversa le proporcionarán el desempeño deseado.

El tiempo de duración de las membranas de osmosis inversa es variable y depende de la calidad del agua que se hace pasar por ellas. Basado en la composición química del agua de alimentación se puede colegir un tiempo aproximado, la próxima información se ofrece para aquellas personas que no se hallan satisfechas con el desempeño de sus membranas y consideran que tener y mantener un sistema de osmosis inversa es más costoso y conflictivo de lo esperado.Rendimiento de la membrana de osmosis ...
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