Seccions
- Introducció
- Objectiu: el vessament zero
- Característiques de les membranes Fortilife
- Exemple pràctic
- Resum
INTRODUCCIÓ
Durant la segona part del segle passat, l’osmosi inversa es va imposar com a tècnica per a la dessalinització de l’aigua, tant per a potabilitzar-la com per a usos industrials:
En un principi, les membranes d’osmosi inversa eren molt sensibles a l’embrutiment, i es hidrolitzaven (membranes d’acetat de cel·lulosa), posteriorment, amb les membranes de poliamida es va fer un avanç important en treballar a pressions més baixes i obtenir millors qualitats d’aigua, però, tot i així, les conversions assolibles difícilment superaven el 75 % en un sol pas, i treballant en dos passos era arriscat superar el 85 %, a causa dels problemes de polarització i precipitació de sals.
Des de llavors, s’ha investigat en factors com la polaritat, els materials, tipus i disposició dels separadors i les cues utilitzades com a adhesius, de tal manera que s’han aconseguit membranes resistents a l’embrutiment (fouling), operables a altes temperatures, i a valors extrems de pH i moderada concentració d’oxidants.
Recentment, s’han desenvolupat diversos tipus de membranes que a més de resistir més als canvis de pH, i presentar una major resistència a l’embrutiment, poden treballar a pressions molt altes, cosa que permet operar amb concentracions salines molt elevades.
Hi ha factors com la força iònica de les dissolucions i la necessitat de temps de permanència per a la generació de gèrmens de precipitació i cristal·lització de les sals, que ha permès arribar fins a rendiments de permeat superiors al 95 %, depenent de la salinitat i del tipus d’aigua a tractar.
OBJECTIU: EL VESSAMENT ZERO
Els rebuigs de les plantes d’osmosi inversa sempre han representat un problema per la seva elevada salinitat, i és difícil poder-los vessar. Només els punts propers al mar disposen d’aquest possible destí per al seu vessament, i dins d’un marc regulador exigent.
Així, la millor opció des del punt de vista mediambiental és el vessament zero, no obstant això i encara que es podia reduir el volum d’efluent fins a un 15 % de l’aigua bruta (conversió 85%), el cabal resultant seguia sent elevat com per pensar en un procés evaporatiu, pel seu important cost d’instal·lació i d’energia; a més, en molts casos es requereix anar a diverses etapes d’evaporació per portar a unes concentracions que facin que el concentrat es pugui considerar com un residu exportable a abocador (Concentració > 30%)
La recerca de les millors tecnologies disponibles ha permès el desenvolupament de les membranes d’osmosi inversa (p. ex. membranes Fortilife), i fa sensiblement i més viable l’apropament a l’ideal vessament zero, ja que resulta un cabal de concentrat de l’ordre del 5 % del d’aportació.
Amb un factor de concentració sensiblement més elevat (Fc >20). En aquestes condicions, es fan més factibles, tant tècnica com econòmicament, els sistemes de reducció de volum i augment de concentració dels efluents residuals fins al punt de fer-los sòlids, cosa que s’aconsegueix amb tècniques de evaporació al buit amb baix consum energètic, en les quals Condorchem Envitech té provada experiència.
CARACTERÍSTIQUES DE LES MEMBRANES FORTILIFE
S’està fent un esforç en la diversificació del tipus de membranes d’osmosi inversa a utilitzar, depenent de l’aplicació a què es destinen. A continuació, s’exposen les característiques bàsiques de les membranes del tipus Fortilife:
Membranes CR 100
És un tipus de membranes pensades per a aigües amb restes orgàniques i contingut en sòlids en suspensió relativament alts, com per exemple tractaments terciaris d’estacions depuradores d’aigües residuals, o per a aigües superficials (rius, pantans, llacs) amb un elevat SDI pel seu contingut col·loïdal i càrregues orgàniques en suspensió.
Aquestes membranes s’embruten menys que les convencionals (aprox. 50%), per la qual cosa la seva freqüència de rentat també és menor, i es recuperen millor amb les neteges, segons s’observa a les taules següents:
Les membranes CR 100, no estan pensades per treballar amb salinitats altes (TDS < 15 g/l), ja que no suporten més de 41 bar de pressió, i tenen un bon rebuig de sals, per la qual cosa són idònies per utilitzar en el primer pas de la línia de tractament.
Membranes XC 70 / XC 80
Aquestes membranes, a més de ser resistents a l’embrutiment, i tenir un elevat rebuig de sals, poden suportar pressions de fins a 83 bar, per tant, poden treballar amb altes salinitats (< 80 g/l) i són adequades per estar disposades en un segon o tercer pas del conjunt de membranes.
Membranes XC-N
Són membranes de tipus selectiu que permeten operar fins a 41 bar de pressió, amb un rebuig de sals del 99%. Presenten baix embrutiment i baix cost d’energia.
Es podria considerar com una membrana de nanofiltració d’alta pressió i amb els avantatges del tipus Fortilife.
Membranes UHP
Finalment, les membranes d’Ultra Alta pressió (UHP), s’utilitzen per treballar en l’estadi final de concentració. Podent arribar a pressions de fins a 120 bar i concentracions molt elevades (aprox. 120 g/l)
A la taula següent, es posen en comú les característiques bàsiques de cada tipus de membrana per poder-les comparar.
Quadre membranes Fortilife
| Producte | Característiques | Especificacions | Avantatges |
| CR 100 | Alta resistència al biofouling.
Alt rebuig de sals. Baixa salinitat (< 15 g/l). |
Cabal permeat= 44 m3/d.
Rebuig sals = 99,7% Pressió. Màx, aportació = 41 bar |
Es redueixen les neteges.
Embrutiment per biofouling < 50%. |
| XC 70 | Resistència al fouling.
Alta salinitat (15 – 70 g/l) |
Cabal permeat= 30,6 m3/d.
Rebuig sals= 99,7% Pressió màx. aportació = 83 bar |
Es redueixen neteges.
Més temps en funcionament. Vida més llarga elements. |
| XC 80 | Resistència al fouling.
Baix consum energia. Alta salinitat (15 – 80 g/l) |
Cabal permeat= 34,2 m3/d.
Rebuig de sals= 99,4% Pressió màx. aportació= 83 bar |
Redueix cost energia.
S’incrementa conversió. Es redueix freqüència de neteges. |
| XC-N | Separació selectiva d’ions.
Recirculació del concentrat purificat. |
Cabal permeat= 34,1 m3/d.
Rebuig de sals= 99%. Pressió màx. aportació= 41 bar. |
Fa el rebuig reutilitzable.
Es redueix l’embrutiment. Baix cost d’energia. |
| UHP | Màxima concentració sals per membranes | Cabal permeat= 28 m3/d.
Rebuig de sals= 99,7% Pressió màx. aportació= 120 bar |
Aplicable per a tractament d’aigües de molt altes salinitats, per a l’obtenció de vessament zero |
Per aconseguir un disseny optimitzat, es proposa la combinació d’aquestes membranes en diferents etapes, amb l’objectiu de simplificar la complexitat de la instal·lació i reduir al mínim la mida de la instal·lació d’evaporació final.
Així, per exemple, si tenim una instal·lació d’osmosi inversa convencional en dos passos, i obtenim una conversió del 85 %, resultarà un factor de concentració FC = 1/(1-0.85) = 6,7.
Si partim d’aigua amb un TDS de 2 g/l, tindríem que el concentrat tindria un TDS d’aproximadament 13,4 g/l; si el cabal d’aportació és, per exemple, de 100 m3/h, haurem de dissenyar un evaporador per a un cabal de 15 m3/h amb un TDS de 13,4 g/l.
Per poder arribar a una concentració de 300 g/l en el residu, s’haurà d’evaporar en diverses etapes, amb el cost d’inversió i d’energia que això representa.
Suposem ara que hem disposat membranes de baixa pressió i alt rendiment (CR 100) en un primer pas, després disposem membranes XC70/XC80 en un segon pas, per poder treballar a alta pressió i conversió, i finalment, disposem membranes d’ultra alta pressió (UHP), previ pas per una purificació en el rebuig mitjançant altres del tipus XC-N.
En aquest cas, podem obtenir una concentració de sals d’aproximadament, 100 a 150 g/l en un cabal de 1,5 – 2 m3/h, cosa que fa molt més viable la seva concentració el procés de evaporació al buit.
EXEMPLE PRÀCTIC
Partim del rebuig d’una planta d’osmosi inversa que pren un cabal d’aigua bruta de 830 m3/h d’un pantà, amb un TDS de 1.160 mg/l.
Podem utilitzar membranes CR100, que, pel seu baix embrutiment, i bones prestacions a nivell de rebuig de sals, ens simplificaran la instal·lació d’intercanvi iònic que s’haurà d’utilitzar per tractar el permeat i assolir així els nivells de salinitat exigits en l’aplicació d’aquest exemple (aigua desmineralitzada per al sector energètic).
A més, a l’especificació es demana l’obtenció d’un cabal de 120 m3/h d’aigua per a serveis que haurà de tenir un TDS <100 mg/l, i és important l’assoliment del vessament zero.
A la projecció següent, es parteix del rebuig obtingut de la planta d’osmosi inversa amb membranes del tipus CR 100, i s’observa com es combinen les membranes entre si per tal d’optimitzar el conjunt, utilitzant per això sistemes búster de bombament, contrapressions en el permeat i recirculacions.
En aquest cas, la conversió assolida és del 89 % i el FC = 9. El cabal de rebuig final seria de 13,7 m3/h i el seu TDS= 70,8 g/l.
Si calculem el percentatge de rebuig sobre el cabal d’aigua bruta, tenim = 13,7/830 = 1,65 %, després la conversió del sistema seria d’aproximadament un 97 – 98 %, pensant que es consumeix aigua en pretractament, rentats … etc.
El TDS del permeat és de 53 mg/l i el consum energètic específic de 2 kW/m3, després s’aconsegueix la qualitat desitjada per a aigua de serveis, amb un consum energètic adequat.
Si prenem el rebuig d’aquest pas i el sotmetem de nou a la seva concentració mitjançant unes membranes específiques com les UHP, obtenim una conversió del 50%, que es tradueix en un cabal del permeat d’uns 6 m3/h i una salinitat de 83 mg/l, mentre que el rebuig tindrà un cabal equivalent i una concentració de 140 g/l.
Convendrà disposar dues línies d’osmosi inversa en paral·lel en aquest pas, per tal d’evitar la cristal·lització de les sals. En aquest darrer pas serà recomanable treballar en règim discontinu i, cada vegada que s’aturi la instal·lació, s’haurà de realitzar un esbandiment de les membranes i recircular l’efluent a capçalera de la instal·lació.
Veiem que la solució d’evaporació al buit ara resultaria més adequada, tècnica i econòmicament, ja que, molt probablement, s’arribarà al desitjat nivell de concentració exigit en els residus del 30 %, amb un cost d’inversió i explotació proporcionat.
En l’exemple que ens ocupa, és molt probable que existeixi un retorn de condensats de les seves instal·lacions, que es pot utilitzar per aportar la seva energia mitjançant un canviador de calor; en aquest cas, un equip que podria ser aplicable seria de la sèrie Envidest MVR FF, seguit d’un cristal·litzador.
El cabal de permeat i condensat obtinguts estarà molt a prop dels 120 m3/h que es demanen per a aigua de serveis i la salinitat serà inferior als 100 mg/l.
RESUM
L’evolució tecnològica en els tractaments d’aigües està permetent assolir l’objectiu de mínimes emissions al medi ambient. Molts dels efluents que fins fa poc es desestimaven, o el tractament dels quals tenia un cost inviable, cada vegada es fa més accessible, alhora que es reutilitza gran part de l’aigua captada i es redueix el consum energètic.
En aquest article es posa de manifest el pas important que s’ha donat pel que fa a la dessalinització per osmosi inversa amb la seva última generació de membranes i la seva possible simbiosi amb la varietat i especialitat de tractaments evaporatius que es poden combinar per obtenir el millor resultat.
Bibliografia i consultes a Internet.
https://www.dupont.com/brands/filmtec-fortilife.html
http://www.catedradelagua.uji.es/webcta/wp-content/uploads/2018/02/13_Ponencia_SGallego.pdf