DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR MEDIANTE ÓSMOSIS INVERSA

ASIGNATURA FENÓMENOS DE TRANSPORTE II

INTEGRANTES

Luis Enrique Bohórquez Rodríguez – Cód. 2123134

Allan Daniel Dlaikan Castillo – Cód. 2110478

Christian David Mendoza Ramírez – Cód. 2123138

Juan Carlos Gutiérrez Arredondo – Cód. 2023580

DOCENTE

María Paola Maradei García

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

Bucaramanga

2015

INTRODUCCIÓN

El crecimiento poblacional, el desarrollo industrial, la contaminación y el drástico cambio climático debido al sobrecalentamiento global afectan negativamente los recursos naturales. El agua accesible para suplir las necesidades humanas exige un mayor esfuerzo de la población mundial no sólo de cuidar las fuentes hídricas de agua dulce para asegurar su disponibilidad futura, sino también usar alternativas para garantizar el abastecimiento de agua potable. Dentro de ellas una gran alternativa es el aprovechamiento del agua de mar la cual corresponde al 97,5% del agua disponible en nuestro planeta tierra. En éste sentido, la desalinización de agua de mar es una solución eficaz para obtener agua consumible por lo que se presenta la necesidad de desarrollar e implementar tecnologías capaces de aprovechar éste recurso hídrico disponible. Existen varios procesos de desalinización de agua marina, los cuales varían principalmente en el consumo energético, costos de operación e impacto ambiental. El proceso de ósmosis inversa es el más frecuentemente empleado ya que es una tecnología flexible y muy competitiva, puede recuperar energía utilizando el agua de rechazo de las membranas de ósmosis y a su vez tiene bajo costo de operación y produce un bajo impacto ambiental.

OBJETIVO

Pre diseñar un prototipo que permita estudiar el fenómeno de transferencia de masa que ocurre en la desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa.

FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ÓSMOSIS INVERSA La ósmosis es un proceso basado en el principio de la difusión, pero con la diferencia que las dos soluciones están separadas en dos compartimientos por una membrana semipermeable. Por otra parte, la ósmosis inversa es el proceso en el cual se logra revertir el proceso

natural de la osmosis mediante la aplicación de una alta presión (presión osmótica: π) al

lado de la membrana con mayor concentración de sales e impurezas. Con esto se logra

que el agua pase al otro lado de la membrana logrando así una mayor cantidad de agua

pura.

Fuente: http://www.hidrotec.cl

A diferencia de los procesos de destilación y congelamiento utilizados para eliminar

disolventes, la ósmosis inversa se efectúa a temperatura ambiente sin cambiar de fase.

Éste proceso es bastante útil para el procesamiento de productos térmica y químicamente

inestables. Entre las aplicaciones se encuentran la concentración de jugos de frutas y

leche, la recuperación de proteínas y azúcar del suero del queso y la concentración de

enzimas.

Para proyectar un equipo de Osmosis Inversa es fundamental contar con:

Caracterización del agua de alimentación.

Caudal a tratar.

Uso del agua de producto.

Con estos datos se determinará la presión de trabajo y la configuración de las membranas

para el equipo de ósmosis inversa y el pre-tratamiento adecuado para evitar problemas de

incrustaciones o ensuciamiento.

Los equipos de Osmosis inversa están constituidos básicamente por:

Fuente de presión.

Pre-tratamiento y acondicionamiento.

Contenedor y membranas de Osmosis Inversa.

Medidores de flujo de permeado, concentrado y reciclado.

Control mediante microprocesador.

Panel de protección, mando y control.

Sistema de post-tratamiento.

Este tratamiento, que tiene aplicación para la eliminación de impurezas iónicas tales

como: nitratos, fosfatos, sulfatos, iones metálicos, coloides, compuestos orgánicos y

también de microorganismos, se lleva a cabo con facilidad mediante membranas de

acetato de celulosa y de poliamidas. Las de acetato de celulosa se emplean para caudales

grandes por unidad de superficie, mientras que las de poliamidas son apropiadas para

soportar caudales menores.3

MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA

Las membranas de ósmosis inversa deben estar preparadas para resistir presiones

mayores a la diferencia de presiones osmóticas con dos soluciones. En el caso del agua de

mar éste delta de presión puede oscilar entre 50 y 90 bares.

Las membranas se clasifican según los siguientes parámetros:

Estructura: Simétrica y asimétrica.

Naturaleza: Integrales y compuestas por capa fina.

Forma: Planas y tubulares.

Composición química: Orgánicas e inorgánica.

Carga superficial: Neutras, catiónicas y aniónicas.

Morfología de la superficie: Lisas y rugosas.

Presión de trabajo: Baja, media y alta.

Técnica de fabricación: De máquina y dinámica.

Una de las membranas más importantes para la desalinización por ósmosis inversa y para

muchos otros procesos de ósmosis inversa es la de acetato de celulosa. La membrana

asimétrica se fabrica como película compuesta en la cual una capa densa y delgada de

cerca de 0.1 a 10 p de espesor con poros extremadamente finos está sostenida sobre una

capa mucho más gruesa (50 a 125 p) de esponja micro porosa con poca resistencia a la

permeación. La capa delgada y densa tiene la capacidad de bloquear el paso de moléculas

de soluto bastante pequeñas. En la desalinización, la membrana desecha el soluto salino y

permite que el agua disolvente pase a través de ella.1

ECUACIONES RELACIONADAS A OSMOSIS INVERSA

1. Los datos experimentales muestran que la presión osmótica π es proporcional a la

concentración y temperatura en una solución. Van’t Hoff demostró que esta presión

osmótica se asemeja a la presión de un gas ideal, entonces tenemos que:

Donde n es el número de kg mol de soluto, Vm, es el volumen de agua disolvente pura en

m3 asociado con n kg mol de soluto.

2. Modelos básicos para los procesos de membrana. Existen 2 modelos fundamentales

en los cuales puede ocurrir el transporte de masa en una membrana. El primero sería

cuando la partícula tiene un diámetro de 10 A o menos en el cual ocurre el tipo de

transporte por difusión molecular. El soluto y el solvente migran impulsados por el

gradiente de concertación establecida por la membrana por un P. En el segundo tipo

se utilizan membranas micro porosas holgadas que retienen partículas mayores de 10

A ocurre un mecanismo tipo criba en el cual el disolvente se mueve a través de los

micro poros con flujo esencialmente viscoso, y las moléculas de soluto, lo bastante

pequeñas como para pasar a través de los poros, son arrastradas por convección con

el disolvente.

3. Modelo para el transporte por difusión molecular. Para la difusión molecular del

disolvente se tiene la siguiente ecuación:

Donde,

donde Nw es el flujo específico de agua en [kg/s*m2]; Pw la permeabilidad de la

membrana al agua en [kg de disolvente/s * m * atm]; Lm el espesor de la membrana

en [m]; Aw la constante de permeabilidad al agua en [kg de disolvente/s * m2 * atm];

P = PI - P2 (diferencia de presión hidrostática, con la presión P1 ejercida sobre la

alimentación y P2 sobre la disolución de producto) en atm; π = π1 - π2 (presión

osmótica de la solución de alimentación - presión osmótica de la solución de producto)

en atm; Dw es la difusividad del agua en la membrana, en [m2/s]; Cw la concentración

media del agua en la membrana, en [kg de agua/m3]; Vw el volumen molar del agua,

en [m3/kg mol de agua]; R la constante de la ley de los gases, 82.057 x 10-3

[m3*atm/kg mol*K]; y T la temperatura en K.

Para la difusión molécula del soluto se tiene la siguiente formula:

Donde,

Donde Ns es el flujo específico de la sal en [kg de sal/s*m2]; Ds es la difusividad de la sal

en la membrana, en [m2/s]; Ks= Cm/C (coeficiente de distribución), concentración de la

sal en la membrana/concentración de la sal en la solución; As es la constante de

permeabilidad de la sal, en [m/s]; C1 es la concentración de la sal en la solución corriente

arriba o de alimentación (concentrado), en [kg de sal/m3], y C2 es la concentración de sal

en la solución corriente abajo o del producto (solución permeada), en [kg de soluto/m3].

El coeficiente de distribución K, es aproximadamente constante en toda la membrana.

Si se hace un balance de materia en estado estacionario para el soluto, el soluto que se

difunde a través de la membrana debe ser igual a la cantidad de soluto que sale en la

solución corriente abajo o del producto (solución permeada) ANEXO 1.

Llegamos a: donde Cw2 es la concentración del disolvente en

la corriente 2 (solución permeada), en kg de disolvente/m3. Si la corriente 2 está diluida en

el soluto, Cw2 es aproximadamente la densidad del disolvente.

En la ósmosis inversa, el desecho de soluto R se define como la razón de la diferencia de

concentración a través de la membrana dividida entre la concentración general en el lado

de la alimentación o concentrado (fracción de soluto que queda en la corriente de

alimentación).

Si tomamos las ecuaciones , y para poder eliminar las variables Ns y Nw y

usamos la anterior ecuación de R para llevar acabo esto, obtenemos que:

en donde,

donde B se da en atm-1. Nótese que B está compuesto por las diferentes propiedades

físicas Pw, Ds y Ks de la membrana y se debe determinar experimentalmente para cada

membrana. Por lo general, se determina el producto Ds*Ks y no los valores de Ds y Ks

por separado.

4. Ecuación de transporte de las sales. La polarización aumenta la concertación de sales

en el agua de alimentación, Ca, a medida que el caudal avanza a lo largo de la

membrana. Por tanto, aumenta el flujo de sales Fs y hace empeorar la calidad del

producto.

Donde Fs es el flujo de sales en [g/cm2*s]; Ks es el coeficiente de transporte de sales

[cm/s]; Ca es la concentración de sales en el agua de alimentación en [g/cm3] y Cp es la

concentración de sales en el agua producto en [g/cm3].

CONDICIONES DE OPERACIÓN

El principio de funcionamiento de la ósmosis inversa consiste en la aplicación de una alta

presión en la entrada de los tubos de presión que contienen las membranas. Estas

membranas separan el agua de entrada en dos flujos: Permeado y rechazo.

Algunas condiciones de operación que se deben tener en cuenta para éste proceso son:

Alta presión: Dependiendo del nivel de sal en el agua será necesario aplicar más o menos

presión al equipo. Para el agua salobre será suficiente con 5 – 10 bares, siendo necesario

más de 50 bares para el agua de mar. Ésta presión será sensiblemente más alta que la

presión osmótica correspondiente a ese nivel de sal.

Membrana: El material que la compone es generalmente una poliamida (un plástico), que

se presenta enrollada para permitir una gran superficie en un pequeño volumen. La

presentación tiene siempre 40 “de longitud y un diámetro de 2,5”, 4” y 8”.

Tubo de presión: La membrana se introduce en un tubo de presión para conducir los

diversos caudales hacia y desde la membrana. Cada tubo tiene una entrada de agua y dos

salidas: rechazo y permeado. Existen tubos para contener entre 1 y 7 membranas. Los

tubos varían además con la presión de trabajo a las que vayamos a mantener las

membranas. Por tanto un tubo de presión se define por: presión máxima admisible,

número de membranas y sección de la membrana.

Permeado: El agua que atraviesa las membranas y que contiene bajos niveles de sal. Es el

agua que estamos buscando para nuestro proceso.

Rechazo: Es el agua que no ha pasado a través de la membrana junto a la gran mayoría de

las sales. Esta agua es vertida ó utilizada para algún proceso en la que sus características

sean admisibles.

Conversión: Es la relación entre el caudal de permeado y el de aporte, expresado en %.

Expresa el aprovechamiento de la planta de ósmosis. Cuanto mayor sea la conversión más

salinidad tendrá el rechazo.

Estado Estable: se debe cumplir con que este sistema no dependa del tiempo.

Análisis, reflexiones y mejoras del proceso de Ósmosis inversa en la desalinización de

agua de mar

Los efectos negativos en el medio ambiente por la desalinización del agua de mar son

derivados de la energía empleada en sus procesos, el vertido de la salmuera y de los

productos químicos.

La desalinización de agua de mar si bien tiene un bajo impacto ambiental, éste no debe

obviarse, en cuanto al consumo energético hay que diseñar sistemas más eficientes y

explorar energías alternativas que minimicen la generación de gases de efecto

invernadero CO2 y NOx, otra afectación significativa son los vertidos de salmuera,

sustancias procedentes de la limpieza de filtros y membranas y aditivos para el

pretratamiento del agua que se vierten sobre la flora y fauna de los ambientes marinos y

por lo tanto son necesarias medidas correctoras para eliminar dicho efecto.

La desalinización del agua debe hacerse de la manera más sostenible posible, la

sostenibilidad se entiende como el modelo que responde de forma equitativa a las

necesidades ambientales y al desarrollo de las futuras generaciones.

El proceso de desalación requiere aportar energía externa en cualquiera de sus formas, ya

sea en forma de vapor o con energía eléctrica, es importante disminuir éstos tipos de

energía e implementar energías alternativas, aprovechar la energía eólica, mareomotriz,

solar y sistemas de recuperación de energía como pueden ser las turbinas tipo Pelton o

intercambiadores de presión para hacer el sistema más eficiente y menos contaminante.

Para corregir la contaminación provocada por el vertimiento de la salmuera generada en

el proceso de desalinización de agua de mar es importante hacer los vertimientos en

bahías abiertas y con un hidronamismos alto que facilite la dispersión de las sales e

igualmente hacerlo a una alta profundidad y alejado de poblaciones marinas como los

peces, el plancton, el coral y sobre todo la vegetación marina. La segunda consiste en

disolver la salmuera con agua de mar antes de su vertimiento.

Otras alternativas adicionales para minimizar los problemas de disposición de la salmuera

podrían ser bombear agua de mar adicional que después se mezcle con la salmuera para

retornarla en una manera más diluida al mar o por ejemplo implementar un conjunto de

boquillas en el fondo marino que disparen la salmuera a presión hasta la superficie, de

manera que se vaya mezclando con el agua hasta que la salinidad se equilibre en la

disolución marina o como otra alternativa podría someterse la salmuera a evaporación

natural y obtener sal marina para su posterior comercialización.

Por otra parte la base del sistema de tratamiento de ósmosis inversa lo constituye la

membrana, es un elemento muy sensible a los distintos componentes físicos y químicos

del agua a tratar y por ello el diseño de la planta debe contemplar también el de los

equipos que constituyen el tratamiento físico-químico, que va a dejar el agua en las

mejores condiciones para ser procesada por la membrana.

Una vez conocidas las características del agua, se decide el tipo de membrana a utilizar, la

membrana tiene una capacidad de permeabilidad y producción limitada que depende del

material constituyente y del proceso de fabricación , si se quiere superar dicha producción

es necesario elevar la presión de funcionamiento de la instalación y en consecuencia

forzar a la membrana a permear un caudal superior al que le corresponde, lo que

generaría disminución de la vida útil de la membrana y en un ensuciamiento más

frecuente; una membrana viene definida en sus condiciones de funcionamiento por un

flujo por unidad de superficie de membrana, éste flujo depende de las características de

permeabilidad de la membrana y del tipo de membrana, que es aquel que permite un

funcionamiento regular de las mismas sin ensuciamientos anormales.

Para optimizar la tecnología de membranas en los procesos de ósmosis inversa se deben

considerar materiales alternos para las membranas y sus geometrías, que ayuden a la

filtración, utilizando menos presión y menos consumos energéticos.

Finalmente, es muy importante tener en cuenta una buena elección y el adecuado

mantenimiento de los elementos mecánicos o de control de la instalación para que la

planta funcione con la mayor eficiencia y las menores interrupciones posibles.

Conclusiones

Para encarar el problema de la poca disponibilidad de agua potable para suplir las

necesidades humanas a nivel mundial, la desalinización de agua de mar es una

solución eficaz para obtener agua consumible, lo cual se hace mediante el proceso

competitivo de ósmosis inversa, aprovechando la selectividad de las membranas que

son permeables para el agua pero impermeables para la sal.

El proceso para la desalinización de agua de mar por ósmosis inversa reúne mejores

parámetros tecnológicos y de eficiencia que otros procesos de desalinización, los

cuales consumen cantidades considerables de energía y generan un mayor impacto

ambiental.

Mejoras en las membranas, la implementación de adecuados sistemas de disposición

de la salmuera para evitar los impactos ambientales y el desarrollo de sistemas de

optimización de energía permitirán que la ósmosis inversa sea indispensable para una

desalinización más competitiva.

Los procesos de ósmosis inversa para desalinizar agua, evidentemente estará

cobrando mayor peso con forme pase el tiempo, debido al mal uso de los recursos

naturales y el inminente crecimiento poblacional.

Bibliografía

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[6] Lechuga J, Rodríguez M y lloverás J. Análisis de los procesos para desalinización de

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