EDI - Fundamentos y Aplicaciones -Junio 2009

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Electrodesionizacin

DOW EDI - Diseo en forma deespiral enrollada

Marta LpezEspecialista de Marketing de EDI

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I. Introduccin1. Qu es la EDI?2. Aplicaciones3. Especificaciones para el agua de entrada

II. EDI y electricidad1. Analoga con hidrulica2. Fundamentos de electricidad3. Electrlisis4. Pila qumica / Experimento

III. EDI vista como una fusin de otras tecnologas (resinas y membranas deintercambio inico)

1. Electrodilisis2. Electrodesionizacin3. Fundamentos de operacin4. Ventajas y desventajas con respecto a las resinas5. Ventajas del EDI de Dow con respecto a otros mdulos de electrodesionizacin

IV. Influencia de las variables del proceso en el rendimiento de la EDIV. AplicacionesVI. DiseosVII. ReferenciasVIII. Resolucin de problemas y limpiezaIX. DiagramasX. Resumen

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1. Qu es la EDI?

EDI es un proceso basado en electricidad

As como la smosis se basa en ungradiente de concentraciones

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Tecnologa de electrodesionizacin (EDI):

Mtodo para la purificacin del agua que ha sido yatratada a travs de la smosis inversa.

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2. Aplicaciones

En proyectos que necesitan agua de alta pureza,

como alternativa a las resinas de intercambioinico.

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Tratamiento del agua de proceso necesaria enplantas de generacin de energa,

Industria elctrica, industria mecnica de altaprecisin,

Tratamiento del agua usada en la industriafarmacutica,

Pulido del agua para cualquier otra aplicacin.

Actuales Aplicaciones de la EDI

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3. Especificaciones agua entrada

Item Units > 5 M cm > 15 M cm

TEA (including CO2) ppm (mg/l) as CaCO3 25 8pH 6.0-9.0 7.0-9.0Hardness ppm (mg/l) as CaCO3 0.5 0.5CO2 ppm (mg/l) 5.0 3.0SiO2 ppm (mg/l) 0.5 0.2TOC ppm (mg/l) 0.5 0.3Cl2 ppm (mg/l) 0.05 0.05Fe, Mn, H2S ppm (mg/l) 0.01 0.01SDI (15min) 1.5 1.0Oil and Grease None NoneTurbidity NTU 1.0 1.0Oxidizer ppm (mg/l) None None

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II. EDI y electricidad

1. Analoga con la hidrulica

2. Fundamentos de electricidad

3. Electrlisis

4. Pila qumica y sales/ Experimento

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La electricidad se puede comparar al fluir del agua enun ro

RO:

Agua fluye,

Se necesita una diferencia de alturas para estemovimiento,

Existe una resistencia al movimiento (rocas ypiedras).

1. Analoga con hidrulica

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ELECTRICIDAD:

Electrones fluyen con una intensidad (A)

Existe un voltaje (V)

El material por el que fluyen loselectrones oponen cierta resistencia(Ohm/cm)


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Hidrulica Capacidad (m3/min) Altura (m) Resistencia (prdida de

presin)

Electricidad Corriente (Amps) Voltaje (Volts) Resistencia (Ohms)


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2. Fundamentos de Electricidad

E=VoltajeI= IntensidadR=Resistencia

E

I R

E= I * R

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Difusin Inica Molecular:

Fuerza Motriz: diferencias en concentracin;


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Mayorvoltaje

Menorvoltaje

nodoCtodo

electrones Los electrones fluyendel electrodo de mayorvoltaje al de menorvoltaje.


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nodo

electrones

Ctodo

Los iones semueven de formaque cierran elcircuito elctricocreado por loselectrones.


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3. ElectrlisisLa Electrlisis es un proceso para separar un compuesto en los

elementos que lo conforman por medio de electricidad.

Se aplica una corriente elctrica continua mediante un par de electrodosconectados a una fuente de alimentacin elctrica y sumergidos en la disolucin. Enla electrlisis del H2O(agua) se forman hidrgeno (H2) y oxgeno (O2) en estadogaseoso, segn la siguiente reaccin:

2 H2O -----> 2H2 + O2

Ctodo

H+ OH-

nodo

electrones

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12 Volt DC

-+nodoCtodo

O2 Oxgeno

-

-

-

-

-

-

-

-

-

H2Hidrgeno

2 H2O + 2e- H2 + 2OH-

2 H2O O2 +4H+ + 4e-

OHH

OHH

H+

H+

H+

H+

-

OH

OH

-

4e-

2e-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

3. Electrlisis

Ctodo nodo

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Cuando hay sales disueltas en una solucin:

stas se disocian en sus iones positivos (cationes)y los negativos (aniones).

NaCl Na++ Cl-

4. Sales en solucin

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Ctodo nodo

Na+

Na+

Na+

Na+

Cl-Cl-

Cl-

Cl-

4. Sales en un campo elctrico

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Solucin con electrolitos (iones que conducen laelectricidad) y dos electrodos con diferentes voltajesconectados.

nodoCtodo

Na+

Cl-

Na+

Cl-

4. Pila Qumica

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12 Volt DC

-+anodecathode

4e-

2e-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

H+

H+

H+

H+

-

OH

OH

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

2 Cl- Cl2 + 2e-

Cl2O2 Oxygen

H2Hydrogen

4. Pila Qumica

Cl-

Cl-Cl-

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4. Experimento

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III. EDI vista como una fusin de otras tecnologas(resinas y membranas de intercambio inico)

1. Resinas de intercambio inico,

2. Membranas de intercambio inico,

3. Electrodilisis,

4. Fundamentos de operacin,

5. Ventajas y desventajas con respecto a las resinas

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1. Resinas de Intercambio Inico

Intercambio por adsorcin

H +

Na+

CationExchangeResin

CationExchangeResin

Na+Na+ Na+H +

H +

H +

H +H +H +

H +

H +

H +

H +H +

H +

H +

H +

H +

H +

H +

H +H +

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Este grfico representa la resina de intercambio inico de lechomixto:

1. Resinas de Intercambio Inico

HHH

HH

HHHH

HHH

HHHHHH

HH

HHH

HHH

H HH H

HHH

H

HHHH

H H

HHH

HH

HH

H

H HH HH

H

HH

H

H

H

H H

H

H

GRUPO FUNCIONAL

ENTRAMADO DE ENLACES CARBONO

EL AGUA ESTA PRESENTE EN LOS POROS

Esquema de una esferacatinica

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2. Membranas Selectivas de Iones

Membranas que permiten el paso de iones a su travs

pero no de agua debido a su baja porosidad.

Estas membranas son como hojas hechas de

diversos polmeros (heterogneas) y contienen iones

asociados a sus grupos funcionales.

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Na+

Na+

Na+

H+

H+

H+

2. Membranas selectivas de ionesElectricidad (2 electrodos) y agua con electrolitos

Membrana de intercambio catinico

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-

-

-

-

-

-

-

-

-

H+

H+

H+

H+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Membrana Aninica Membrana CatinicaLos cationes se dirigen al ctodo y los aniones al nodo.

Na+

Na+

Na+

Na+ Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

-OH

OH

-

OH

OH -

-

3. Electrodilisis

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1. Solucin: Iones que conduzcan la electricidad

2. Electrodos con voltaje: Para tener corriente a travs de la unidad

3. Membranas: Que permitan el paso a los iones pero no al agua

4. Resinas: Crean un camino a travs del cual los iones se pueden moverms fcilmente. Aumentan la conductividad en la cmara deconcentrado. Resinas de intercambio inico de lecho mixto.

4. Fundamentos de operacin del EDI

Na+OH-OH-

Na+OH-OH-

Na+OH-OH-

++

++

++

++

-

-

-

-

-

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4. Fundamentos Operacin EDID: Cmara Diluido

C: Cmara deConcentrado +

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

N+Cl-

ANODO CATODO

Cl-

Na+

Cl-

Na+Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

OH-OH-

OH-

H+H+

H+

C D C

Celda: El conjunto de las cmaras de diluido y concentrado juntocon las membranas catinica y aninica.

MEMBRANACATINICA

MEMBRANAANINICA

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Unidad de Electrodesionizacin:

1. Electrodos con voltaje

2. Membranas

3. Resinas

4. Solucin-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

Na+Na+

OH-OH-

Na+Na+

OH-OH-

Na+Na+

OH-OH-

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Sistema EDI: El conjunto de celdas colocadas entre ctodo y nodo.

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-OH-

OH-H+H+

H+

nodo ctodo

OH-

Na+

Cl-

Na+Cl-

Cmaras deelectrodos.

Fundamentos de Operacin del EDI:

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Agua deentrada dela smosis

Movimiento decargas elctricas

Salida del Agua diluida

Fundamentos de operacin del EDI

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DOW EDI (Enrollada en espiral)

Trademark of The Dow Chemical Company ("Dow") or an affiliated company of Dow

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OH- OH-

OH-OH-OH-

OH-H+H+H+

H+H+H+

Cl- Na+

Ca2+NO3-

Zona de pulido(resina es regenerada)

Zona de trabajo(iones migran)

Aguaentrada

Dos reas dentro de la cmara de diluidoFundamentos de Operacin del EDI

Agua desalida

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El CO2 se elimina en la zona de pulido.

H+H+

H+H+

H+

H+H+

H+OH-

OH-

OH-

OH-

Bajo pH

Alto pH

CO2 reacciona con OH- : CO2 + OH- HCO3-

El bicarbonato tiene afinidad por los grupos funcionales de unaresina aninica, por lo que se elimina ms fcilmente que el CO2.

Fundamentos de Operacin del EDI

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Eliminacin de NH4, H4SiO4 y Boro:

H4SiO4 + OH- H3SiO4- + H2O

NH3 + H+ NH4+

Bsicamente, slo cuando el pH es extremo (muy alto o muy bajo)y cuando los compuestos se ionizan, stos pueden desplazar a otrosiones de los grupos funcionales de la resina.

H3BO3 + OH- H2BO3- + H2O

Fundamentos de Operacin del EDI

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4. Ventajas del EDI frente a las resinas deintercambio inico para purificar agua:

EDI no necesita productos qumicos para regenerar laresina (proceso limpio) ni se producen efluentespeligrosos. No hay vertido de resinas.

Operacin y mantenimiento econmicos (EDI opera deforma continuada),

Ocupa menos espacio,

Mnima supervisin necesaria. Pocas vlvulas o secuenciascomplejas de operacin hacen que se necesite unamnima supervisin por parte de un operador.

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5. Ventajas del EDI de Dow frente a otrosmdulos de electrodesionizacin

EDI de Dow no necesita ajustes peridicos (que sinembargo son necesarios en los diseos de placas),

Se usa un nico rectificador para todo un sistema(alternativa econmica),

Los mdulos en forma de espiral enrollada no tienen fugasde lquido,

Ms fcil de limpiar que otros, pues no tienen resina en lacmara de concentrado,

Ligeros y, por tanto, de fcil manejo

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IV. Influencia de las variables del proceso

en el funcionamiento del EDI

V. Aplicaciones

VI. Diseos

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Item Units > 5 M cm > 15 M cm

TEA (including CO2) ppm (mg/l) as CaCO3 25 8pH 6.0-9.0 7.0-9.0Hardness ppm (mg/l) as CaCO3 0.5 0.5CO2 ppm (mg/l) 5.0 3.0SiO2 ppm (mg/l) 0.5 0.2TOC ppm (mg/l) 0.5 0.3Cl2 ppm (mg/l) 0.05 0.05Fe, Mn, H2S ppm (mg/l) 0.01 0.01SDI (15min) 1.5 1.0Oil and Grease None NoneTurbidity NTU 1.0 1.0Oxidizer ppm (mg/l) None None

IV. Especificaciones agua entrada al EDI:

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Especificaciones de dureza:La conversin viene determinada por la durezadel agua a la entrada. Si el agua de entradatiene un nivel alto de dureza, la conversin hade reducirse para evitar incrustaciones.

90 %0.1 0.5

95 %0.0 0.1

DOW EDIPorcentaje de conversin

Dureza de agua deentrada (CaCO3) ppm


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Distintos proveedores han desarrollado mtodos parecidos conobjeto de cuantificar la carga inica total que puede tolerar unsistema EDI:

FCE = Conductividad (uSi/cm) + ppm SiO2 *1.94 + ppm CO2 *2,66

Conductividad

FCE: Feed Conductivity Equivalent (Siemens-IonPure)

TEA ppm CaCO3 (Iones Totales Intercambiables) =

TDS + ppm CaCO3 de SiO2 + ppm CaCO3 de CO2

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The CO2-Water System

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

pH

a

H2CO3HCO3-CO3--

Relacin entre pH y concentracin de CO2

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Eliminacin de CO2 versuscompuestos de Slice o Boro

El permeado de la smosis contiene CO2. El CO2 no se elimina a travs del

EDI hasta que se ioniza cuando reacciona con el OH-. En esta reaccin se

forma bicarbonato (HCO3-). Aunque ste es un in con baja afinidad por la

resina, puede ocupar los grupos funcionales de sta, a diferencia del CO2.

Lo mismo ocurrir con compuestos como el H3SiO4- y el H2BO3-, que

reemplazarn al OH-. Pero mientras exista bicarbonato en el medio, y

puesto que posee ms afinidad por la resina que los compuestos

anteriores, stos no se eliminarn.

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Temperatura

A mayor temperatura, menor viscosidad que

tendr la solucin acuosa y, por lo tanto, mejor

ser la difusin de los iones a travs de las

esferas de la resina y de las membranas.

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VI. Diseos: Configuracin tipo intercambiadorde calor

Mltiples celdasse colocan entredos electrodos.Se sostienen porcompresin.

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DOW EDI (espiral enrollada)


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Direccin de las corrientes in/outen mdulo DOW EDI

Entrada deConcentrado

SalidaConcentrado

Entrada dediluido

Salida deldiluido

Lateral sellado

Banda gua

AEM/CEM

Espaciador delconcentrado

TuboCentral/Ctodo

Componente debloqueo

Apertura dedistribucindel agua

Apertura derecogida delagua

Corriente delelectrodo


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La membrana aninica, el espaciador (que sirve para mantenerla estructura de la cmara) y la membrana catinica se arrollanalrededor de un tubo central hecho de acero inoxidable queacta de ctodo.



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El cartucho hecho demembrana arrollada seinserta en un recipiente apresin (reforzado con fibrade vidrio).

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Un revestimiento de titanio se inserta en el recipientea presin. El titanio acta como el nodo.

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Dow recomienda colocar parejas de mdulos en serie.Despus, cada pareja ha de ir en paralelo.

Circuito elctrico de un sistema de EDIs

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Cmo se puede conseguir la misma resistencia elctrica atravs de cada una de las ramas de un circuito elctrico?

Cojamos valores elevados de resistencias con valores bajos:14.01 + 10.95= 24.96 Ohms

La siguiente combinacin:13.97 + 11.14= 25.11 Ohms

Ejemplo

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VII. Referencias

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Caso 1: Proyecto de planta de cogeneracin en Datong

Cliente: Shanxi Jingneng group Datong Cogent Co.

LocalizacinShanxi, China

Capacidad: EDI con capacidad de produccin de: 2*34m3/h

Agua de alimentacin: Agua residual

Perodo de utilizacin: 2005~Hasta ahora

Lista Principal de Equipos

23468DOWEDI236722nd RO

381.1(1set)42.2(2set)165.51st RO

454.5218UF

3(2R/1S)115230MMF

Nmero de setsCapacidad porequipo m3/h Capacidad m3/hEquipo


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Anlisis de calidad del agua (Agua entradaal proceso)

296mg/LHCO3-80.9mg/LNO3-0.0mg/LCO32-155.8mg/LC1-0.0mg/LOH

110.8mg/LSO42-

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Proceso

MMF Lugar de UsoAgua

Residual2aRODegasificador

Recirculacin deconcentrado

81.1m3/h

CIP: >6 months

EDI: >16 M-cm

UF 2aRO

DOW EDI

Lugar de Uso


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Instalaciones

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Planta trmica en Turqua

Cliente: ATSCapacidad2 x 30 m3/hProceso: UF + SW RO + BW RO + EDIAplicacin: Planta trmicaNmero de mdulos: 28 EDI modulesEDI: >5 M-cm agua producto (20 uSi-

cm es la conductividad del agua inicial)Si < 10 ppb (producto)

ItaliaCliente: CulliganNmero de mdulos: 3Aplicacin: DiferentesProceso: RO (2 pasos) + EDI

Alemania

Cliente: InaquaCapacidad: Entre 2-4 m3/h * 2Aplicaciones: Farmacutica eindustria de semiconductores,industria del cristal (tecnologade fabricacin de panelessolares, industria ptica)

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Referencias mundiales

Ms de 145 plantas con sistemas EDI desde1999

Aplicaciones: electrnica, agua paracalderas, agua ultrapura para hospitales,industria ptica y agua de proceso

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X. Gua de resolucin de problemas

y limpieza

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Gua de resolucin de problemas:

Presin

Caudal

Calidad del permeado

Parmetros a tener en cuenta:

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Enviar el mdulo a reparacinFugas internas

Ajustar el caudal en base a losrequisitos de operacin

Caudal es menor delque debera serDisminuye el gradiente depresin en la cmara de

concentrado

Enviar el mdulo a reparacinFugas internas

Averiguar por qu ha sucedido ylimpiar de modo apropiado

Ensuciamiento de lamembrana

Aumenta el gradiente depresin en la cmara de

concentrado


Caudal es menor delque debera ser

Enviar el mdulo a reparacinFugas a travs de laresinaDisminuye el gradiente depresin en la cmara de

diluido


Caudal es mayor delque debera ser

Averigar por qu ha sucedido ylimpiar de modo apropiado

Ensuciamiento de lamembranaAumenta el gradiente de

presin en la cmara dediluido

MedidaPosible causaDescripcin delproblema

Presin:

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Caudal:

Modo de actuacinPosible causaDescripcin delproblema

Corregir el caudal dealimentacin

Caudal dealimentacin esdemasiado bajo

Comprobar que el caudalmetrofunciona correctamente

El caudalmetro nofuncionacorrectamente

Comprobar que las vlvulasestn completamente abiertas

Las vlvulas no estnsuficientementeabiertas

Averiguar por qu ha sucedido ylimpiar de modo apropiado

Ensuciamiento demembrana

El caudal producto esms bajo de lo que

debiera

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Calidad del permeado:

Modo de actuacinPosible causaDescripcin delproblema

Reajustar la presin del concentrado deacuerdo con las pautas establecidas en elmanual de operacin

La presin de la cmara de concentrado esmayor que la de la cmara diluida

Comprobar que los mdulos no estnconectados en paralelo cuando debieranestar en serie.

Intensidad de corriente es demasiado alta odemasiado baja a travs de cada mdulo

Comprobar que la resistividad de la cmarade concentrado no sea demasiado baja;comprobar el rectificador.

La corriente total es demasiado baja

Comprobar la intensidad de corriente y elvoltaje que circula a travs de cada mdulo;cargar el mdulo con carga; comprobar elrectificador

Uno o ms mdulos no estn cargados conpotencia

Cerrar vlvulas de entrada/salida delmdulo que falla y conectar las cmaras alas tuberas adecuadas

Cmaras de diluido/concentrado estnconectadas a las tuberas equivocadas

Conectar los electrodos correctamenteLos electrodos no estn colocadoscorrectamente

Comprobar la calidad del agua dealimentacin (altos niveles de CO2normalmente causan esto)

Calidad del agua de alimentacin estfuera de los lmites establecidos

Mala calidad delpermeado

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Gua de limpieza

1. Aumento del 15% de la diferencia de presin en la cmaradiluida (aumento con respecto a las condiciones de equilibrio)

2. Aumento del 15% de la diferencia de presin en la cmara delconcentrado

3. Aumento del 15% de la resistencia elctrica a travs delmdulo EDI,

4. Empeoramiento de la calidad del agua producto.

En general, un mdulo EDI debiera ser limpiado cuando existe:

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Gua de limpieza

Cualquier ensuciamiento que no fueraposible eliminar con ninguno de los

procedimientos anteriores

Limpieza con cido ysosa:

Concentrado & Diluido

4

Ensuciamiento por agentes orgnicos dela resina y la C. Concentrado

Limpieza con sosa:Concentrado & Diluido

3

La resina en las C. Diluido cuando estncontaminadas con Fe, Mn or con

elevadas cantidades de TDS en el aguade alimentacin. Incrustaciones en la C.

Concentrado

Limpieza con cido:Concentrado & Diluido

2

Incrustaciones en la C. ConcentradoLimpieza con cido:Concentrado

1

DescripcinTipo de limpiezaProcedimiento

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El sistema CIP (Cleaning In Place) consiste en un tanque delimpieza y una bomba de limpieza. El sistema CIP que se usa parala smosis puede ser usado en este caso.

Gua de limpieza

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Tanque de limpieza

Bomba de limpieza

Gua de limpieza

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IX. Diagramas y pautas para la

construccin de un sistema EDI

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Instrumentacin necesaria en todosistema EDIA) Presin de entrada (corriente de diluido y de concentrado),

B) Presin de salida (corriente de producto y de concentrado),

C) Conductividad de la corriente de entrada,

D) Conductividad de la corriente de concentrado,

E) Resistividad de la corriente producto,

F) Dureza y pH de la corriente de entrada,

G) Concentracin de compuestos de slice en la corrienteproducto,

H) Caudales de diluido, electrodo, concentrado de drenaje yconcentrado de recirculacin.

6/15/2009 74

Diagrama de instalacin

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Diagrama de instrumentacin EDI

Permeado deRO

Agua de lasmosis

Mdulos EDI

Tanque deRO

Bomba dealimentacin

Rectificador

Producto

Bomba deconcentrado

Conc

Bomba desalmuera

Circuito de EDIs

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X. Resumen La EDI es un proceso que se basa en la electricidad,

La EDI purifica el agua que ya ha sido tratada a travs de lasmosis inversa,

Es el ltimo paso en una planta de tratamiento de aguas,

Es una alternativa a las resinas de intercambio inico delecho mixto,

Tiene la ventaja de no necesitar productos qumicos para laregeneracin de la resina que utiliza,

La EDI de Dow tiene un diseo especial en espiral arrolladaque impide que haya fugas de permeado,

Este diseo reduce mucho el consumo elctrico por mdulo.

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EDI - Fundamentos y Aplicaciones -Junio 2009