08:09 El agua dulce puede escasear aunque el mar esté cerca. Sin embargo, bombear agua de mar sin tratar directamente a un sistema de ósmosis inversa (RO) convencional puede provocar un elevado consumo energético, la formación de incrustaciones, la obstrucción de los filtros y una mala calidad del agua obtenida. Un sistema de desalinización de agua de mar con membranas, diseñado adecuadamente, resuelve estos problemas paso a paso.
Una membrana de desalinización de agua de mar es una membrana de ósmosis inversa de alto rechazo diseñada para separar la sal disuelta del agua de mar a alta presión. En un sistema de ósmosis inversa de agua de mar, el pretratamiento protege la membrana; la presión impulsa el agua a través de la capa activa de la membrana; las sales rechazadas se eliminan en forma de concentrado; y el permeado se somete a un tratamiento adicional para producir agua dulce destinada al uso municipal o industrial.
Guía sobre membranas de desalinización de agua de mar: cómo las membranas de ósmosis inversa convierten el agua de mar en agua dulce
Una membrana de desalinización de agua de mar es un tipo de membrana de ósmosis inversa diseñada para tratar agua de alimentación con una concentración de sal mucho mayor que la del agua corriente o la de la mayoría de las fuentes de agua salobre.
El agua del océano contiene, de media, unas 35 000 ppm de sales disueltas, aunque la composición exacta del agua de mar varía según la ubicación. El Servicio Geológico de los Estados Unidos clasifica como «altamente salina» el agua que contiene entre 10 000 y 35 000 ppm de sales disueltas y señala que el agua del océano se sitúa en el extremo superior de ese rango.
Debido a esta elevada salinidad, el agua de mar requiere una presión mucho mayor que en las aplicaciones habituales de ósmosis inversa (RO) con baja salinidad.
Un elemento de membrana típico contiene una amplia superficie de membrana enrollada en espiral alojada en el interior de un recipiente a presión. La capa activa suele ser una estructura compuesta de poliamida de película fina, diseñada para permitir el transporte de agua al tiempo que limita en gran medida el paso de iones disueltos.
En pocas palabras:
Agua de mar
↓
Alta presión
↓ Membrana de ósmosis inversa
↙ ↘
Agua fresca Concentrado
Permeado SalmueraEl permeado se convierte en agua desalinizada, mientras que la sal rechazada sale del sistema de membranas en forma de una corriente de salmuera concentrada.
La ósmosis natural hace que el agua se desplace a través de una barrera semipermeable hacia el lado con mayor concentración de soluto disuelto.
Ósmosis inversa hace justo lo contrario.
Una bomba de alta presión aplica suficiente presión en el lado del agua de mar para superar la presión osmótica. A continuación, el agua atraviesa la membrana semipermeable, mientras que la mayor parte de las sales disueltas permanecen en las corrientes de alimentación y de concentrado.
El USGS describe la ósmosis inversa como el proceso de hacer pasar agua salina a través de una membrana semipermeable para separar el agua de la sal disuelta.
El proceso se puede resumir de la siguiente manera:
Agua de alimentación → Presión → Separación por membrana → Agua de producto + Concentrado
Esa explicación es habitual, pero resulta demasiado simplista.
A menudo se habla de los poros de las membranas, pero las membranas modernas de ósmosis inversa (RO) compuestas de película fina no se comportan como un filtro de malla o un cartucho convencional con orificios claramente definidos.
Una explicación técnica más precisa es que el agua y las especies disueltas interactúan de forma diferente con la densa capa activa de la membrana. Las moléculas de agua atraviesan esa capa con mucha mayor facilidad que la mayoría de los iones disueltos.
Por eso, la tecnología de membranas de ósmosis inversa puede alcanzar un grado muy elevado de rechazo de sales, aunque la ósmosis inversa no debe entenderse simplemente como un tamizado mecánico de partículas.
Un elemento de ósmosis inversa para agua de mar y uno para agua salobre pueden parecer similares desde fuera.
Ambos pueden utilizar los formatos físicos estándar 4040 u 8040.
Pero el tamaño no indica la presión necesaria, el rechazo de sal, las propiedades químicas de la membrana ni la aplicación.
Esa distinción es importante.
La información actual sobre los productos de ósmosis inversa (RO) de Banott señala que los modelos 4040 y 8040 describen formatos físicos estándar, mientras que el caudal real y el rendimiento de rechazo deben evaluarse en función del tipo de membrana y sus condiciones de ensayo.
| Factor | Osmósis inversa en agua salobre | Osmósis inversa de agua de mar |
|---|---|---|
| Salinidad del pienso | Inferior | Mucho más alto |
| Presión osmótica | Inferior | Más alto |
| Presión necesaria | Inferior | Más alto |
| Selección de membranas | Específico de BWRO | Específico de SWRO |
| Aplicación principal | Agua de pozo/agua de proceso | Desalinización del agua de mar |
| Demanda energética | Inferior | Más alto |
| La importancia del pretratamiento | Alto | Muy alto |
A modo de comparación, DuPont publica datos de ensayos con membranas para agua salobre a unos 2.000 ppm de NaCl y 15,5 bar, mientras que varios elementos comerciales pequeños de ósmosis inversa para agua dulce (SWRO) se someten a ensayos a aproximadamente 32.000 ppm de NaCl y 55 bar. Se trata de condiciones de ensayo estandarizadas, no de valores universales de funcionamiento de las plantas.
Esto ilustra por qué no se debe utilizar automáticamente una membrana de ósmosis inversa estándar para agua salobre en un proyecto de agua de mar con alto contenido en sal.
El proceso de desalinización es mucho más que la propia membrana.
Un sistema fiable suele incluir:
Toma de agua de mar
↓
Cribado
↓
Pretratamiento
↓
Filtración por cartuchos
↓
Bomba de alta presión
↓
Sistema de membranas SWRO
↓
Recuperación de energía
↓
Permeado
↓
Postratamiento
↓
Agua dulceEl Departamento de Energía de EE. UU. identifica la toma de agua, el pretratamiento, la ósmosis inversa, la recuperación de energía y el postratamiento como las principales operaciones unitarias de los sistemas modernos de desalinización de agua de mar. Las tecnologías de pretratamiento pueden incluir coladores, filtros de medios, microfiltración, ultrafiltración, coagulación y filtración por cartuchos.
El permeado de ósmosis inversa tiene un bajo contenido en minerales disueltos.
En función de la aplicación final, el agua del producto puede requerir:
Si el objetivo es el agua potable municipal, la estabilización y la desinfección revisten una importancia especial.
Si el objetivo es el agua de proceso industrial, puede ser necesario aplicar posteriormente procesos de ósmosis inversa (RO), desionización electrolítica (EDI) o un tratamiento de refinado.
Por lo tanto, el objetivo final de calidad del agua debería determinar todo el proceso de tratamiento.
El agua de mar contiene mucho más que sal.
También puede contener:
Si estos materiales llegan a la superficie de la membrana sin un control adecuado, la planta puede sufrir una mayor caída de presión, una reducción del flujo, un aumento del paso de sales y una mayor frecuencia de limpieza.
A esto se le denomina «ensuciamiento de la membrana».
Guía sobre membranas de desalinización de agua de mar: cómo las membranas de ósmosis inversa convierten el agua de mar en agua dulce
En función de la calidad del agua de mar, el pretratamiento puede incluir:
Para aguas costeras con condiciones difíciles, ultrafiltración por fibra hueca puede constituir una sólida barrera física antes de la unidad de ósmosis inversa.
Esto puede mejorar la estabilidad de la alimentación y ayudar a proteger el sistema de membranas situado más adelante en el proceso.
Desde nuestro punto de vista como ingenieros, el diseño del pretratamiento debe basarse en las condiciones locales de la fuente de agua, en lugar de copiarse de otro proyecto de desalinización.
Una toma de agua en un pozo de playa, en condiciones de calma, puede comportarse de forma muy diferente a una toma en mar abierto expuesta a algas, tormentas, turbidez estacional y carga biológica.
Tres de los parámetros más importantes en un diseño de ósmosis inversa son:
Pero ninguno debe considerarse por separado.
El rechazo de sales describe la eficacia con la que la membrana limita el paso de las sales.
Las membranas SWRO comerciales pueden alcanzar un rechazo muy elevado en condiciones de laboratorio específicas. Por ejemplo, los datos publicados por DuPont sobre elementos SWRO de pequeño tamaño muestran valores estabilizados de rechazo de sales de entre aproximadamente 99,41 TP3T y 99,71 TP3T en condiciones definidas de concentración de alimentación, temperatura, presión y recuperación.
Eso no significa que todas las membranas de todas las plantas desalinizadoras de agua de mar vayan a producir siempre exactamente ese resultado.
La calidad real del agua del producto varía en función de:
El flujo de agua describe la cantidad de permeado producido por unidad de superficie de membrana.
Un mayor flujo puede reducir la superficie total de membrana necesaria.
Sin embargo, elevar demasiado el flujo puede aumentar el riesgo de formación de incrustaciones y reducir la estabilidad a largo plazo.
El objetivo no es simplemente alcanzar la máxima producción por elemento de membrana.
Se trata de una producción estable a lo largo de la vida útil prevista.
El agua de mar tiene una presión osmótica mucho mayor que la de la mayoría de las aguas salobres.
Por lo tanto, el sistema SWRO necesita una bomba de alta presión.
Las condiciones de ensayo con agua de mar publicadas por DuPont suelen utilizar unos 55 bar para los ensayos estándar con 32 000 ppm de NaCl, mientras que algunos elementos de agua de mar están diseñados para presiones máximas de alimentación de hasta 83 bar. La presión de diseño real depende de la salinidad, la temperatura, la recuperación, la selección del elemento y la calidad deseada del permeado.
La presión supone una de las mayores demandas energéticas en la desalinización por ósmosis inversa.
Sin embargo, el concentrado que sale del conjunto de membranas sigue teniendo una presión hidráulica considerable.
Dejar que esa presión te afecte es una pérdida de energía.
Un dispositivo de recuperación de energía capta parte de esa presión y la devuelve al flujo de agua de mar entrante.
El Departamento de Energía de EE. UU. describe la recuperación de energía como el reciclaje de la energía procedente de la salmuera a alta presión para ayudar a aumentar la presión del agua de mar antes del proceso de ósmosis inversa.
Una disposición simplificada tiene el siguiente aspecto:
Bomba de alta presión
↓
Membranas SWRO
↙ ↘
Permeado y salmuera a alta presión
↓
Recuperación de energía
↓
Agua de mar de entradaLa tecnología moderna de intercambiadores de presión permite transferir la presión de forma muy eficiente, por lo que la recuperación de energía se ha convertido en un elemento fundamental en el diseño de muchas plantas de desalinización por ósmosis inversa de gran tamaño.
En los proyectos de EPC, la decisión de incluir un dispositivo de recuperación de energía depende de:
En el caso de los pequeños equipos de desalinización de agua de mar, los aspectos económicos y la disposición de los equipos pueden dar lugar a un diseño diferente al de una planta municipal.
Incluso una membrana de ósmosis inversa de alta calidad funcionará mal si las condiciones de funcionamiento no son las adecuadas.
Existen varios mecanismos principales de incrustación.
Los sólidos finos se acumulan en la superficie de la membrana.
Un mejor diseño del sistema de admisión, la clarificación, la ultrafiltración (UF) y la filtración por cartuchos pueden reducir este riesgo.
Los microorganismos se adhieren a las superficies mojadas y forman biopelículas.
Esto puede aumentar la presión diferencial y reducir el rendimiento de la membrana.
Los compuestos orgánicos naturales pueden acumularse en la membrana y alterar el flujo.
A medida que el agua atraviesa la membrana, las sales disueltas se concentran cada vez más en la salmuera.
Si las sales poco solubles superan sus límites de solubilidad, pueden formarse depósitos minerales.
Una mayor recuperación de agua permite obtener más agua dulce a partir de un volumen de alimentación determinado.
Suena interesante.
Sin embargo, al aumentar la recuperación, las sales se concentran en mayor medida en la corriente de rechazo, lo que puede incrementar el riesgo de formación de incrustaciones.
Por lo tanto, la mejor recuperación no siempre es la cifra más alta posible.
Es la recuperación la que equilibra:
La selección de la membrana debe partir de los datos del proyecto, y no del número de modelo que figure en el catálogo.
Antes de elegir las membranas para la desalinización del agua de mar, un contratista EPC debe confirmar lo siguiente:
La membrana pasa entonces a formar parte del sistema global de desalinización.
Algunos proyectos dan prioridad a la máxima calidad del permeado.
Otros dan prioridad a un menor consumo energético.
Una membrana de agua de mar de menor consumo energético puede funcionar a una presión reducida, pero los ingenieros aún deben comprobar si la calidad del permeado cumple con los requisitos del proyecto.
Del mismo modo, una membrana de alto rechazo puede resultar útil cuando se requieren especificaciones más estrictas para el agua producida.
La decisión correcta depende del rendimiento global de la planta, no de un único valor de la ficha técnica.
Guía sobre membranas de desalinización de agua de mar: cómo las membranas de ósmosis inversa convierten el agua de mar en agua dulce
El mismo principio básico de desalinización por membranas puede aplicarse a capacidades muy diferentes.
Los sistemas pequeños pueden utilizarse para:
Los elementos de membrana compactos de 4 pulgadas pueden resultar prácticos cuando el caudal es moderado y el espacio disponible para el equipo es limitado.
DuPont, por ejemplo, ofrece elementos SWRO de 4 pulgadas para sistemas de desalinización marinos y de menor tamaño.
Una planta de desalinización de agua de mar a gran escala puede contener cientos o miles de elementos de membrana de 8 pulgadas instalados en recipientes a presión en paralelo.
El reto de ingeniería se amplía para incluir:
En estos proyectos, el precio de la membrana es solo una parte del coste del ciclo de vida.
La energía, la limpieza, la frecuencia de sustitución, la eficiencia de la bomba y el tiempo de inactividad suelen ser factores más importantes.
Las membranas sufren cambios graduales durante su funcionamiento.
La cuestión importante es si el cambio se debe a una suciedad reversible, a la formación de incrustaciones, a daños en la membrana o al envejecimiento normal.
Los operadores deben supervisar los siguientes parámetros normalizados:
Un aumento de la caída de presión puede indicar la presencia de incrustaciones.
Un aumento del paso de sal puede indicar daños en la membrana, desgaste, un sellado deficiente u otros problemas de funcionamiento.
DuPont señala que las condiciones de funcionamiento extremas pueden reducir el caudal de permeado, aumentar el paso de sales y dañar los componentes del elemento.
La limpieza química puede restablecer el rendimiento cuando los depósitos son reversibles.
Los productos químicos de limpieza dependen del tipo de suciedad.
Los operadores no deben limpiar las membranas repetidamente sin identificar la causa. Una limpieza frecuente puede indicar un pretratamiento deficiente o un rango de funcionamiento inadecuado.
La sustitución de la membrana resulta necesaria cuando no es posible restablecer de forma rentable un caudal y un grado de rechazo aceptables.
La planificación de la sustitución debe tener en cuenta:
Una membrana de ósmosis inversa para agua de mar debe sustituirse en función de su rendimiento, y no simplemente porque haya llegado una fecha concreta del calendario.
Muchas regiones costeras disponen de abundante agua de mar, pero de agua dulce convencional limitada.
La desalinización crea otra fuente potencial de agua al separar la sal disuelta del agua de mar.
El USGS señala que la desalinización se utiliza cada vez más en lugares donde el agua dulce es escasa y puede proporcionar agua no solo para uso municipal, sino también para la agricultura, calderas, productos farmacéuticos, la producción de semiconductores y otras aplicaciones industriales.
Esto no significa que la desalinización del agua de mar no plantee retos medioambientales o económicos.
Los proyectos deben tener en cuenta lo siguiente:
Sin embargo, los continuos avances en la tecnología de membranas, las bombas, la automatización, el control de las incrustaciones y la recuperación de energía están haciendo que el proceso de ósmosis inversa de aguas residuales (SWRO) sea cada vez más eficiente.
En muchos proyectos costeros, puede convertirse en un elemento importante de una estrategia hídrica diversificada.
En un proyecto relacionado con el agua de mar o con alta salinidad, no basta con suministrar únicamente una membrana de ósmosis inversa.
El diseño general debe tener en cuenta el análisis del agua en bruto, el pretratamiento, la producción requerida, la configuración de las membranas, los recipientes a presión, las bombas de alta presión, la dosificación de productos químicos, la limpieza CIP, la instrumentación y los controles automáticos.
Actualmente, Banott suministra membranas de ósmosis inversa (RO) industriales en los formatos estándar 4040 y 8040, y ofrece asistencia técnica para la configuración de las membranas y la integración completa de los sistemas de ósmosis inversa. Los valores exactos de rendimiento deben confirmarse consultando la ficha técnica específica de la membrana y las condiciones de ensayo definidas en ella antes de especificar un proyecto de tratamiento de agua de mar.
Como proveedor especializado en ingeniería de membranas de ultrafiltración (UF), membranas de ósmosis inversa (RO) y módulos de EDI, plantas de agua pura, y sistemas integrados de tratamiento de aguas, nuestro enfoque consiste en evaluar el proyecto en su conjunto.
Entre ellos se pueden incluir:
Para los contratistas EPC y los integradores de sistemas, esto reduce el riesgo de incompatibilidad entre los distintos paquetes de equipos.
La mayoría de las plantas modernas de tratamiento de agua de mar basadas en membranas utilizan membranas especializadas de ósmosis inversa para agua de mar, que suelen basarse en la tecnología de poliamida compuesta de película fina. Están diseñadas para soportar una elevada concentración de sal y funcionar a alta presión.
No se debe dar por sentado que sea posible.
El agua de mar tiene una salinidad y una presión osmótica mucho más elevadas que el agua salobre. La selección de la membrana debe basarse en la salinidad del agua de alimentación, la presión de diseño, los requisitos de rechazo y las especificaciones del fabricante.
Los elementos SWRO comerciales pueden superar el 99,1 % de rechazo de sales en condiciones de ensayo definidas. Algunos datos publicados sobre elementos comerciales muestran un rechazo estabilizado en torno al 99,4-99,71 %. El rendimiento real de la planta depende de las condiciones de alimentación, la recuperación, la temperatura, la presión, las incrustaciones y la antigüedad de la membrana.
El agua de mar presenta una elevada presión osmótica debido a su alta concentración de sales disueltas. La presión aplicada debe superar esta fuerza osmótica y proporcionar la presión motriz suficiente para hacer pasar el agua a través de la membrana.
La salmuera que sale de la membrana sigue teniendo una elevada presión hidráulica. Los equipos de recuperación de energía captan gran parte de esa presión y la transfieren al agua de mar entrante, lo que reduce la cantidad de energía de bombeo adicional necesaria.
No existe una vida útil fija para todas las aplicaciones. La vida útil de la membrana depende del pretratamiento, la calidad del agua de mar, la presión de funcionamiento, las incrustaciones, la formación de sarro, los procedimientos de limpieza, la recuperación y los requisitos del agua de producto. Los operadores deben utilizar tendencias de rendimiento normalizadas para planificar la limpieza y la sustitución.
Una membrana de desalinización de agua de mar es la barrera de separación fundamental en una planta de ósmosis inversa de agua de mar, pero el éxito de la desalinización depende de mucho más que de la elección de un elemento de alto rechazo.
El sistema debe proteger la membrana.
El pretratamiento controla las partículas y la carga biológica.
La bomba de alta presión proporciona la fuerza motriz.
La membrana de ósmosis inversa separa el agua de la sal disuelta.
La recuperación de energía reduce el desperdicio de energía hidráulica.
El postratamiento prepara el permeado para su uso final.
Además, la supervisión garantiza que el rendimiento se mantenga estable a lo largo del tiempo.
Por lo tanto, para los contratistas de EPC, los proyectos municipales de abastecimiento de agua, los usuarios industriales, los desarrollos en islas, los proyectos marítimos y los integradores de sistemas, la mejor membrana es aquella que se adapta al diseño completo del proceso.
Como fabricante y proveedor de soluciones de tratamiento de agua con enfoque técnico, podemos asesorar en la selección de membranas y en el diseño de sistemas integrados de ósmosis inversa (RO) en función de la salinidad del agua de alimentación, la capacidad requerida, la calidad deseada del agua tratada, las condiciones de instalación, las necesidades de automatización y los requisitos de ejecución del proyecto.
Descubre la zona de inspección previa al envío de las membranas UF de Banott, que incluye las conexiones de los módulos, la supervisión del caudal, los manómetros y los controles de calidad en fábrica.
Descubre los módulos de membrana de ultrafiltración (UF) de fibra hueca ya fabricados de Banott, con carcasas cilíndricas, diseños de tapas de extremo, envoltura protectora y detalles de fabricación en fábrica.