Tratamiento de Agua por Sistemas
Tratamiento de Agua por Sistemas
de
de
Osmosis Inversa
Osmosis Inversa
Tratamiento de Agua por Sistemas de Osmosis
Inversa
I) Fundamentos Teóricos
Introducción. Metodología, Enfoque y Perspectiva Histórica.
Agua : Concepto y Caracterización (TDS / TSS / TH / pH / NTU / SDI) Osmosis Natural y Osmosis Inversa
Espectro de Filtración / Osmosis Inversa como Hiperfiltro
La Membrana Osmótica : Tipos, Dimensiones, Construcción, Materiales.
II) Aplicaciones de la Osmosis Inversa
Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento / Make-Up
Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas ( pretratamiento de Desionizador ) Agua como insumo (Bebidas / Farmaceutica / Alimentos)
Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar. Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración.
Reciclaje/ Obtención de insumos ( Concentrador ) Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos
III) Planta de Osmosis Inversa ; Componentes y Equipo
Pretratamiento ( Acondicionamiento Físico / Químico ) Sección de Osmosis Inversa
Post-Tratamiento ( alcanzar los requerimientos del producto final )
Especificaciones Técnicas Generales de Equipo
Programas de Predicción de Resultados ( Ropro / RoDesign ) Aspectos de Operación, Monitoreo y Data Logging
Aspectos de Mantenimiento Nivel (I) / (II).
IV) Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa frente a otras Tecnologías.
Costo Operativo ( $ / m3 ) Costo de Capital
Amplio espectro de Remoción Pérdida de Agua (% recovery) Regulaciones Ambientales Background Local
Mínima Infraestructura Confiabilidad del sistema Flexibilidad
Amplio Rango de Capacidades Compacticidad / Movilidad Operación autónoma
Perspectiva Histórica de la Tecnología R/O
-Primera aplicación, Dr Sourirajan, UCLA 1960 -Primera patente ( membrana en espiral ) 1965
-Membrana de poliamida compuesta TFC 1974
-Primera planta Desalinizadora ( Jeddha ) 1978
Evolución de Tamaños de Plantas de Osmosis :
Jeddha ( Arabia Saudita ) 12,000 m3/D ( 1978 )
Yuma plant ( Colorado River, USA ) 285,000 m3/D ( 1985 )
Refinería de Talara ( Talara, Perú ) 3,000 m3/D ( 2001 )
Desalinizadora Antofagasta ( Chile ) 50,000 m3/D ( 2003 )
Desalinizadora Codelco El Teniente ( Chile ) 40,000 m3/D ( 2004 )
CM Yanacocha ( Perú ) 6,000 m3/D ( 2004 )
Propiedades físicas y químicas del agua
Propiedades físicas:
Estado físico : sólida, liquida y gaseosa
Color : incolora ; Sabor : insípida ; Olor : inodora
Densidad: 1 g./c.c. a 4°C Punto de congelación: 0°C Punto de ebullición: 100°C El agua químicamente pura es un liquido inodoro e insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor, toma color azul cuando se mira a través de espesores de seis y ocho metros, porque absorbe las radiaciones rojas.
Sus constantes físicas sirvieron para marcar los puntos de referencia de la escala termométrica Centígrada. A la presión atmosférica de 760 milímetros el agua hierve a temperatura de 100°C; el calor de vaporización del agua asciende a 539 calorías/gramo a 100°.
Mientras que el hielo funde en cuanto se calienta por encima de su punto de fusión, el agua liquida se mantiene sin solidificarse algunos grados por debajo de la temperatura de cristalización (agua subenfriada) y puede conservarse liquida a –20° en tubos capilares o en condiciones extraordinarias de reposo. La solidificación del agua va acompañada de desprendimiento de 79,4 calorías por cada gramo de agua que se solidifica. Cristaliza en el sistema hexagonal y adopta formas diferentes, según las condiciones de cristalización.
A consecuencia de su elevado calor especifico y de la gran cantidad de calor que pone en juego cuando cambia su estado, el agua obra de excelente regulador de temperatura en la superficie de la Tierra y más en las regiones marinas.
Su presión de vapor crece con rapidez a medida que la temperatura se eleva y su volumen ofrece la particularidad de ser mínimo a 4°. A dicha temperatura la densidad del agua es máxima, y se ha tomado por unidad. A partir de 4° no sólo se dilata cuando la temperatura se eleva,. sino también cuando se enfría hasta 0°: a esta temperatura su densidad es 0,99980 y al congelarse desciende bruscamente hacia 0,9168, que es la densidad del hielo a 0°, lo que significa que en la cristalización su volumen aumenta en un 9 por 100.
- Reacciona con los óxidos ácidos - Reacciona con los óxidos básicos - Reacciona con los metales - Reacciona con los no metales - Forma Hidratos con las Sales.
Normas EPA secundarias para Agua Potable ( National Secondary
Drinking Water Regulations )
Contaminant Secondary Standard
Aluminum 0.05 to 0.2 mg/L
Chloride 250 mg/L
Color 15 (color units)
Copper 1.0 mg/L Corrosivity noncorrosive Fluoride 2.0 mg/L Foaming Agents 0.5 mg/L Iron 0.3 mg/L Manganese 0.05 mg/L
Odor 3 threshold odor number
PH 6.5-8.5
Silver 0.10 mg/L
Sulfate 250 mg/L
Total Dissolved Solids 500 mg/L
Zinc 5 mg/L
(*) National Secondary Drinking Water Regulations (NSDWRs or secondary standards) are non-enforceable guidelines regulating contaminants that may cause cosmetic effects (such as skin or tooth discoloration) or aesthetic effects (such as taste, odor, or color) in drinking water. EPA recommends secondary standards to water systems but does not require systems to comply. However, states may choose to adopt them as enforceable standards.
Típico Análisis de Agua (net feed) para diseño de
Osmosis Inversa
KOCH Membrane Systems, Inc. ROPRO Ver. 7.0-CP Date: Sep-23-2003 Project: SnSebastian Description: R/O for Boiler Prepared By: Project Engineer Type: Single Pass Design ARRAY SUMMARY – PASS 1
Permeate Flow 75.0 USGPM Temp (Design/Avg) 25.0/ 25.0 Deg C Pass Recovery 60.0 % Fouling Allowance (FA) 10.0 % Inlet Press w/o FA 152.4 Psig conc. Pres w/o FA 119.7 Psig Inlet Pres w/FA 166.0 Psig
Tubes Elems Elems Elem Boost Manifold Perm Back Bank Element Type /Bank /Tube /Bank Age Pressure Loss Pressure
(#) (#) (#) (Yr) (Psig) (Psig) (Psig) 1 TFC 8822HR-400 3 3 9 3.00 0.0 0.0 0.0 2 TFC 8822HR-400 2 3 6 3.00 0.0 0.0 0.0 3 TFC 8822HR-400 1 3 3 3.00 0.0 0.0 0.0 Total Tube Total Tube Avg Inlet Avg Bank Final Bank Feed Feed Conc. Conc. Flux Pres NDP DP Element
(GPM) (GPM) (GPM) (GPM) (GFD) (Psig) (Psig) (Psig) Beta 1 125.0 41.7 83.2 27.7 16.7 152.4 127.3 8.1 1.100 2 83.2 41.6 59.5 29.8 14.2 144.3 109.9 8.5 1.079 3 59.5 59.5 50.0 50.0 11.5 135.8 89.3 16.1 1.037 System
Net Feed RO Inlet Conc. Permeate Stream Number 4 5 18 13 Concentration (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) Ca++ 265.00 265.00 659.92 1.72 Mg++ 95.00 95.00 236.57 0.62 Na+ 315.00 315.00 780.04 4.97 K+ 0.00 0.00 0.00 0.00 NH4+ 0.00 0.00 0.00 0.00 Sr++ 0.00 0.00 0.00 0.00 Ba++ 0.00 0.00 0.00 0.00 Fe++ 0.00 0.00 0.00 0.00 Mn++ 0.00 0.00 0.00 0.00 CO3- - 0.00 0.01 0.02 0.00 HCO3- 260.00 98.03 242.43 3.48 SO4- - 420.00 420.00 1046.39 2.41 C1- 750.00 844.12 2095.88 9.61 NO3- 0.00 0.00 0.00 0.00 F- 0.00 0.00 0.00 0.00 SiO2 32.00 32.00 79.37 0.42 CO2 42.20 159.12 159.10 157.89 Sum of Ions 2137.00 2069.15 5140.63 23.22 TDS (180 C) 2004.70 2019.27 5017.28 21.45 pH 7.00 6.00 6.39 4.55 Hardness (as CaCO3) 1052.99 1052.99 2622.22 6.84 Osm Pressure (Psig) 16.82 16.82 41.76 0.21 Langelier Index 0.28 -1.15 0.06 -6.41 Stiff–Davis Index -0.34
---Proceso de Osmosis Natural o Directa
Osmosis : Proceso natural mediante el cual moléculas de agua fluyen
a través de una membrana semipermeable, desde una solución de
baja concentración a otra de mayor concentración.
Es una búsqueda natural de equilibrio de concentraciones y ocurre a
igual presión en ambos lados.
...
. . .
.
. . . . .
.
....
..
..
..
...
..
..
Membrana Semipermeable Solución concentrada Solución DiluídaOsmosis Inversa : Proceso mediante el cual se revierte el flujo de
moléculas de agua a través de la membrana semipermeable, como
resultado de aplicar presión a la solución de mayor concentración.
Es posible entonces obtener agua pura a partir de una solución de alta
concentración a través de un método mecánico.
Presión
...
. . .
.
. . . . .
.
....
..
..
..
...
..
..
Membrana Semipermeable Solución de alta concentración Agua puraFlujos en una sección de Osmosis Inversa
( 1 )
( 2 )
( 3 )
( 1 ) Alimentación 100 %
( 2 ) Producto 35 % ~ 85%
( 3 ) Rechazo 65 % ~ 15 %
Tipos de Membranas de Osmosis Inversa
- COMPUESTO QUIMICO : Poliamida Compuesta ( TFC )
TFC Alto / Medio / Bajo rechazo
Acetato de Celulosa
Poliolefina Aromática
Polisulfona
- DIMENSIONALMENTE ( Diámetro x Longitud ) 8”x 40”
8”x 60”
4”x 40”
2 ½”x 40”
Disposición Constructiva de la Membrana TFC de
Enrollamiento en Espiral
Procesos de Tratamiento de agua por Tecnología de
Membranas de mayor uso en la Industria
Ultrafiltration.
Ultrafiltration (UF) is a similar process to RO and NF, but is defined as a crossflow process that does not reject ions. UF rejects contaminants in the range of 1000 dalton (10 angstrom) to 0.1 micron particles. Because of the larger pore size in the membrane, UF requires a much lower operating pressure: 10 to 100 psig (0.7 to 6.9 bar). UF removes organics, bacteria, and pyrogens while allowing most ions and small organics, such as glucose, to permeate the porous structure
⇓
Nanofiltration
. Nanofiltration (NF) equipment removes organic compounds in the 300 to 1,000 molecular weight range, rejecting selected salts (typically divalent), and passing more water at lower pressure operations than RO systems. NF economically softens water without the pollution of salt-regenerated systems and provides unique organic desalting capabilities.
⇓
Reverse Osmosis.
Reverse osmosis (RO) was the first crossflow membrane separation process to be widely commercialized. RO removes virtually all organic compounds and 90 to 99% of all ions. A large selection of reverse osmosis membranes are available to meet varying rejection requirements.RO can meet most water standards with a single-pass system and the highest standards with a double-pass system. RO rejects 99.9+% of viruses, bacteria and pyrogens. Pressure, on the order of 200 to 1,000 psig (13.8 to 68.9 bar), is the driving force of the RO purification process. It is much more energy efficient compared to heat-driven purification (distillation) and more efficient than the strong chemicals required for ion exchange. No energy-intensive phase change is required.
Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa
frente a otras Tecnologías de uso Industrial
---Costo operativo ($/m3) ---Costo de Capital
Amplio espectro de Remoción Pérdida de Agua (%Recovery)
Regulaciones Ambientales Background Local
Mínima infraestructura
Confiabilidad del Sistema
Flexibilidad
Amplio Rango de Capacidades
Compacticidad / Movilidad
Operación Autónoma
Especificación tipica, Membranas de 4” y 8” para agua
Brackish ( pozo salobre
)
Test Conditions
The stated performance is initial (data taken after 30 minutes of operation), based on the following conditions:
NaCl Solution, PPM 1500
Applied Pressure, psig (MPa) 225 psi (1.55)
Operating Temperature, °F (°C) 77° (25°)
Permeate Recovery 15%
pH Range 6.5-7.0
Application Data
Maximum Applied Pressure, psig (MPa) 600 (4.14)
Maximum Feed Flow, GPM (m3/h) 4040-16(3.6), 8-inch-75(17.0)
Maximum Operating Temperature, °F (°C) 113° (45°)
Feedwater pH Range* 3.0-10.0
Maximum Feedwater Turbidity, NTU 1.0
Maximum Feedwater SDI (15 mins) 5.0
Maximum Chlorine Concentration, PPM <0.1
Maximum Ratio of Concentrate to Permeate Flow for Any Element 5:1
Maximum Pressure Drop for Each Element, psig 10
*See technical literature for extended pH tolerance
Element Performance Element
Type Min. Salt Rej., % Nom. Salt Rej., % Permeate Flow, GPD (m
3/d) CPA2 99.2 99.5 10,000 (37.9) CPA2-4040 99.2 99.5 2,250 (8.5) CPA2-HR 99.6 99.7 10,000 (37.8) CPA3 99.6 99.7 11,000 (41.6) CPA4 99.5 99.7* 6,000 (22.7)
Especificación tipica, Membranas de 4” y 8” para agua
de Mar ( 35,000 Mg/Lt TDS )
Test Conditions
The stated performance is intial (data taken after 30 minutes of operation), based on the following conditions:
NaCl Solution, PPM 32,000
Applied Pressure, psig (MPa) 800 psi (5.5)
Operating Temperature, °F (°C) 77° (25°)
Permeate Recovery 10%
pH Range 6.5 - 7.0
Application Data
Maximum Applied Pressure, psig (MPa) 1200 (8.27)
Maximum Feed Flow, GPM (m3/h) 4040-16(3.6), 8-inch-75(17.0)
Maximum Operating Temperature, °F (°C) 113° (45°)
Feedwater pH Range* 3.0-10.0
Maximum Feedwater Turbidity, NTU 1.0
Maximum Feedwater SDI (15 mins) 5.0
Maximum Chlorine Concentration, PPM <0.1
Maximum Ratio of Concentrate to Permeate Flow for Any Element 5:1
Maximum Pressure Drop for Each Element, psig 10
*See technical literature for extended pH tolerance
Element Performance Element
Type Min. Salt Rej., % Nom. Salt Rej., % Permeate Flow, GPD (m3/d)
SWC1 99.5 99.6 5,000 (18.9) SWC1-4040 99.5 99.6 1,200 (4.5) SWC3 99.5 99.7 5,900 (22.33) SWC3+ 99.7 99.8 7,000 (26.5) SWC4 99.7 99.8 5,500 (20.81) SWC4+ 99.7 99.8 6,500 (24.6
II) Aplicaciones de la Osmosis Inversa
Todo proceso donde se requiera eliminar / reducir eficientemente el contenido de sólidos disueltos, impurezas y carga bacteriana presentes en el agua o líquido disponible.
- Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor - Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento / Make-Up
- Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas ( pretratamiento de Desionizador ) - Agua como insumo (Bebidas / Farmaceutica / Alimentos)
- Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar. - Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración.
- Reciclaje / Obtención de insumos ( Concentrador ) - Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos
III) Planta de Osmosis Inversa ; Componentes y Equipo
Pretratamiento ( Acondicionamiento Físico / Químico )
- Acondicionamiento Mecánico ( ejemplo : filtración )- Acondicionamiento Biológico ( ejemplo : esterilización )
- Acondicionamiento Químico ( ejemplo : ajuste de pH + antincrustante )
Sección de Osmosis Inversa
Post-Tratamiento (alcanzar los requerimientos del agua final)
- Ajuste de pH- Post-cloración o Re-esterilización
- Polishing mecánico ( ejempo : filtro absoluto 0.2u )
Especificaciones Técnicas Generales de Equipo
Filtro Multimedia de alto Rendimiento, rating < 10 u
Tanque de presión construído en acero bajo carbono c/revestimiento interno Control automático enlazado al PLC central
Panel c/aislamiento NEMA 4 o equivalente
Sistema de retrolavado automático iniicado por delta de presión y/o timer Sistema de control c/capacidad para backwash manual / auto
Dosificador de químicos completo (Bomba electrónica, Tk, Sensor nivel)
Unidad de Osmosis Inversa
Sistema de control automático central via PLC c/alarmas
Panel de control c/aislamiento NEMA 4 y señalización a sub-componentes Input/Output para encendido / apagado automático por controles de nivel Bomba multietápica vertical / horizontal de fácil mantenimiento, inox # 316. Motor eléctrico Heavy Duty de servicio pesado, aislamento TEFC
Monitor de Conductividad digital en permeado ( agua osmotizada ) Alarma de alta conductividad en el permeado
Monitor de pH digital on-line en agua de alimentación ( feed ) c/alarma Sistema de Control Integrado para todos los equipos y componentes
Arrancadores y sistema de protección de bombas externas (feed & product) Control automático de alternancia de bombas (f & p) desde el panel central
Chasis de fibra de vidrio estructural (FRP) con hardware inoxidable
Pre-Filtro de cartuchos de 5 micras, housing de acero inoxidable Lineas alta / baja en acero inox # 304 / PVC XS
Housings de membranas Code-Line o Eq de FRP
Sensores c/Alarmas de corte de protección por Alta y Baja presión Señalización para control de equipo externo (Filtros / Dosificadores ) Flush (ejuague) Automático de Membranas
Rotámetros / Analizadores de Flujo para Producto y Rechazo
Juego completo de manómetros de presion (Inlet / Intermediate / Outlet) Conecciones pre-montadas para la estación de limpieza CIP
