negocios LANXESS
La
tecnología
Tecnologia
innovadora
tiene como resultado
inovadora resulta
un
desempeño
para el
emmejor
melhor
desempenho
tratamiento
de agua
para o tratamento
de água
Foto: shutterstock.com
El mundo se está quedando
sin agua
En el 2025, aproximadamente mil millones de
personas no tendrán acceso al agua potable. Con
este escenario, el tratamiento de agua por ósmosis
inversa (OI), una tecnología de purificación de agua
que remueve principalmente los iones monovalentes
utilizando una membrana semipermeable, puede
desempeñar un papel importante en la reducción
de la escasez de agua. Pero para esta tecnología
los costos de energía también tienen un papel muy
importante. Cualquier mejora en la tecnología de
la membrana o del elemento puede aumentar la
eficiencia del proceso.
En un proyecto de investigación conjunta, Conwed
Plastics, empresa líder en la propuesta de soluciones
amplias e innovadoras de red de plástico de fuente
única, con sede en Genk, en Bélgica, y LANXESS, por
medio de su unidad de negocios Liquid Purification
Technologies (LPT), uno de los principales proveedores
mundiales de productos para tratamiento de agua y
otros medios líquidos, probaron que las innovaciones
tecnológicas del espaciador resultan en un mejor
desempeño del elemento de OI.
Ósmosis Inversa,
el proceso
Una presión aplicada se utiliza para s uperar la
presión osmótica natural. Las membranas de OI se
ofrecen en forma de elementos espirales para una
enorme variedad de aplicaciones en desalinización.
Generalmente conocidos como malla, red o tela, los
espaciadores actúan como una de las capas espirales
de los elementos OI y proporcionan una separación
vital entre las membranas para lograr una filtración
eficiente.
Un elemento espiral se refiere a una configuración
de membrana, constituida por combinaciones
de “membrana de hoja plana - espaciador de
canal de permeado - membrana de hoja plana espaciador de canal de alimentación”, enrolladas
alrededor de un tubo de recolección de permeado.
Conforme se muestra en la Figura 1, la estructura
del elemento de membrana contiene el espaciador
que separa las superficies de las envolturas de
membranas adyacentes. El espaciador, configurado
como una red, mantiene el canal de alimentación
abierto, permitiendo
que el agua de
alimentación fluya
dentro de los canales
de alimentación,
junto al elemento de
membrana; la Figura 2
muestra un elemento
de OI enrollado en
espiral.
Desafíos de la
Ósmosis Inversa
Se pueden identificar tres principales desafíos en el
proceso de tratamiento de agua por medio de OI.
Los siguientes aspectos son estudiados, analizados y
reconocidos como ítems críticos para los fabricantes
de membranas, enrolladores y operadores de
plantas:
• Caída de la presión;
• Daños en la membrana;
• Incrustación biológica y descamación;
Estos desafíos estimularon los esfuerzos tecnológicos
combinados entre Conwed Plastics y LANXESS a
desarrollar nuevos productos de OI más eficientes.
Efecto del espaciador
en la caída de presión
El espaciador es un componente esencial en los
elementos de membrana en espiral. Los espaciadores
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se fabrican a partir de materiales poliméricos y se
optimizan para mantener el desempeño estable
de los elementos de membrana, para una amplia
variación de parámetros de la composición de agua,
de alimentación y de proceso.
Las configuraciones
del canal de
alimentación y de la
red del espaciador
se
muestran
esquemáticamente
en la Figura 3. El canal
de alimentación,
el
cual se muestra en
la configuración sin
envoltura, forma una
abertura rectangular
de específicamente
0,7 a 0,9 mm
de altura. Debido a la presencia del espaciador o de los
cordones de la red en el canal de alimentación, el área real
de sección transversal abierta para el flujo de alimentación
es menor que la sección transversal geométrica.
El largo del canal de alimentación es de
aproximadamente 1 m. La malla del espaciador,
la cual cubre todo el canal de alimentación, tiene
filamentos o cordones posicionados en dos planos.
La característica del plano doble hace que la corriente
de alimentación cambie la dirección del flujo a medida
que fluye por encima y por debajo de los filamentos
subsecuentes. El objetivo del espaciador, además
de mantener la apertura del canal de alimentación,
es promover la turbulencia de la corriente de
alimentación.
La necesidad de turbulencia en la corriente de
alimentación está relacionada con la naturaleza
del proceso de desalinización de OI. El agua
de alimentación y las sales disueltas fluyen
paralelamente a la superficie de la membrana, con
una fracción de agua de alimentación que pasa a
través de la membrana con permeado, dejando los
iones disueltos en la fracción retenida de la corriente
de agua de alimentación.
Este proceso genera exceso de concentración de
iones disueltos en la superficie de la membrana,
un fenómeno conocido como polarización de la
concentración. La turbulencia inducida por el
espaciador reduce el aumento de la polarización
del concentrado, mejorando el desempeño de las
membranas de OI. Sin embargo, la turbulencia
inducida por el espaciador aumenta la fricción en el
canal de alimentación, lo cual se traduce a una caída
de la presión de la corriente de alimentación entre
los puntos de alimentación y salida de elemento.
Las configuraciones actuales de los espaciadores,
utilizadas para la construcción de elementos de OI en
espiral, se desarrollaron con base en experimentos
prácticos y estudios fundamentales. El objetivo fue
crear una condición de “mezcla de flujo”, incluso en
las bajas velocidades de flujo existentes en los canales
de alimentación de los elementos de la membrana en
espiral. Los trabajos subsecuentes de investigación
y desarrollo demostraron la importancia de la
geometría de los filamentos del espaciador, de la
configuración angular, así como del alineamiento del
espaciador con la dirección del flujo de alimentación.
Con base en los resultados experimentales y en
la modelación hidráulica, la configuración del
espaciador en las aplicaciones de OI evolucionó hacia
una red de plano doble con aperturas cuadradas
o romboidales. Las configuraciones de redes
romboidales son comúnmente conocidas como red
de diamante. El espaciador se posiciona en el canal
de alimentación con filamentos de red en un ángulo
de aproximadamente 45° en relación con la dirección
del flujo de alimentación (presentado en la Figura 3).
Esta configuración tiene como resultado el equilibro
aceptable de turbulencia suficiente y mezcla de la
corriente de alimentación, sin caída excesiva de
presión.Esta orientación de la red del espaciador
se aplica en la gran mayoría de los elementos de
membrana de OI y NF (nanofiltración) de configuración
en espiral. La orientación de los espaciadores de
alimentación, en relación con la dirección de la
corriente de alimentación y con la presencia de
nódulos de soporte de membrana de alta densidad,
tienen como resultado un bloqueo significativo del
trayecto del flujo en el canal de alimentación. Por eso,
es necesario que el agua de alimentación esté muy
limpia y que tenga baja concentración de materia en
suspensión para un funcionamiento estable de las
unidades de la membrana.
Si el canal de alimentación está limpio, sin partículas
que puedan bloquear el flujo de agua de alimentación,
la caída de presión en un único elemento es de
aproximadamente 0,1-0,2 bar. En sistemas de
ósmosis inversa, los elementos de membrana
trabajan confinados en un recipiente de presión. Un
solo recipiente de presión generalmente contiene de
6 a 8 elementos de membrana operando en serie.
La caída de presión a lo largo de un recipiente de presión
varía entre 0,6 y 1,5 bar. Los sistemas de OI de agua de mar
se configuran como unidades con una etapa. Los sistemas
de ósmosis inversa para aplicaciones en aguas salobres
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