TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN CON ELECTRODIÁLISIS

TTRRAATTAAMMIIEENNTTOO DDEE AAGGUUAASS DDEE PPRROODDUUCCCCIIÓÓNN CCOONN EELLEECCTTRROODDIIÁÁLLIISSIISS

Trabajo de Grado presentado ante la Escuela de Ingeniería Química como requisito parcial

para optar al Título de Ingeniero Químico.

Trabajo de Grado presentado por: Isrrael F. Medina Roa

Profesor Asesor: Dr. Antonio L. Cárdenas R.

Mérida, Octubre 2007

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

TTRRAATTAAMMIIEENNTTOO DDEE AAGGUUAASS DDEE PPRROODDUUCCCCIIÓÓNN CCOONN EELLEECCTTRROODDIIÁÁLLIISSIISS

Trabajo de Grado presentado ante la Escuela de Ingeniería Química como requisito parcial

para optar al Título de Ingeniero Químico.

Trabajo de Grado presentado por: Isrrael F. Medina Roa

Profesor Asesor: Dr. Antonio L. Cárdenas R.

Mérida, Octubre 2007

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DERECHO DE AUTOR

Otorgo a la Universidad de Los Andes el derecho de reproducir y difundir el presente

Trabajo, con las únicas limitaciones que establece la legislación vigente en materia de

Derechos de Autor.

En la ciudad de Mérida a los ____ Días del mes de Octubre de 2007

Isrrael Fernando Medina Roa C.I 16.420.815

APROBACIÓN

Considero que el Trabajo de Grado titulado

TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN CON ELECTRODIÁLISIS

Realizado por el Ciudadano

ISRRAEL FERNANDO MEDINA ROA

Para optar al título de

INGENIERO QUÍMICO

Reúne los requisitos exigidos por la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de

Los Andes, y tiene méritos suficientes para ser sometido a la presentación y revisión

exhaustiva por parte del Jurado Examinador que se designe.

En la ciudad de Mérida, a los ____ días del mes de Octubre de 2007

Dr. Antonio L. Cárdenas R Profesor Asesor

AAGGRRAADDEECCIIMMIIEENNTTOOSS

Quiero agradecer a todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron con la elaboración de este proyecto. Principalmente a Dios todo poderoso, su presencia en todo momento de mi carrera fue vital, todo sucede por su voluntad. Al Prof. Antonio Cardenas por incentivar en mí los valores de iniciativa y esfuerzo propio, además de todo el desarrollo intelectual y profesional adquirido por haberme iniciado en la elaboración de este trabajo. Al ingeniero Franklin Salazar, Julio Hernández, Yajaira Araque y a todo el laboratorio de Membranas, Separación y Síntesis Industrial, por todo el conocimiento teórico y técnico brindado, y por siempre colaborar incondicionalmente conmigo. En especial en las pruebas de adsorción atómica su colaboración fue vital para la culminación de este proyecto. Gracias. Al laboratorio investigación de Alimentos y en especial al Prof. Cesar Izaguirre por toda su colaboración en el inicio del proyecto, de verdad me ayudaron a comprender y comenzar con mucho ánimo toda la investigación. Al CDCHT por la ayuda económica brindada para la elaboración de todo el trabajo. A todos mis compañeros y amigos del Laboratorio de Membranas, que a pesar de que cada uno estaba realizando un proyecto distinto, siempre nos acompañamos unos a otros en todo momento, gracias a ti Armando León, Miguel Acosta, Ana Skieriswiki, Bianca Hernández, Sergio Monsalve, Elio Moreno, Ingrid Hoeguer y Betsabe Aguilera, les auguro todos los éxitos como profesionales, nos vemos en la vida. A Celimar, por estar siempre allí a mi lado, brindándome el apoyo siempre necesario, de verdad que tu presencia ha sido de gran importancia, gracias este trabajo tiene parte de ti. A mi hermana Mafer y mi buena amiga Mine, también hay muchos de ustedes acá. Y por supuesto a mis padres, este trabajo también es por ellos y para ellos, siempre su presencia a pesar de las distancia me mantuvo en el camino hacia esa meta trazada, la inspiración de trabajo duro, constante, ético y dedicado viene total mente de ustedes. A todos Ustedes, Muchísimas Gracias y que Dios los bendiga.

Isrrael F. Medina R.

i

RREESSUUMMEENN.. En la explotación de un pozo petrolero, junto con el crudo son extraídas a la

superficie grandes cantidades de agua que están en el yacimiento (Aguas de Producción),

muchas veces las cantidades de agua obtenidas con la explotación del petróleo superan los

ocho barriles por cada barril de petróleo extraído, y dichas aguas pueden en muchos casos

tener altas concentraciones de sales, entre ellas los cloruros. Estas aguas para poder ser

reutilizadas en la inyección de pozo o devueltas al ambiente como líquido residual

industrial deben ser tratadas y su concentración en cloruros llevadas a niveles menores a

1000 ppm si se desechan a cuerpos de agua como lagos, ríos o mares (según decreto 883).

El presente trabajo propone usar el proceso de electrodiálisis para disminuir la

salinidad de las aguas de producción. Este proceso permite separar iones de corrientes

tratadas mediante la aplicación de un campo eléctrico y membranas de intercambio iónico.

Se estudió la desalinización de soluciones preparadas llamadas Agua Sintética y Agua

Sintética 2, una con baja y la otra con alta concentración de sales, similares a las aguas de

producción de los pozos de La Victoria del estado Apure; con un equipo piloto de

electrodiálisis modelo CH-O fabricado por Asahi Glass Co. aplicando gradientes de

potencial de 30 V. También se realizaron pruebas con una muestra de agua de producción

de los pozos de La Victoria. Se constató la disminución de la salinidad de las soluciones

logrando concentraciones de hasta 14 ppm de Cl-. También se estudió el efecto de la

velocidad del flujo en las aguas tratadas y el efecto de la concentración inicial en esta agua,

encontrándose que favorece el aumento de la velocidad en la reducción de las

concentraciones de cloruros, de igual manera se evaluó el traspaso de los cationes presentes

en solución, observándose que siguen un orden de transferencia (desde el mas rápido al mas

lento) K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+ en todos los casos inclusive en las aguas de producción. El

consumo de energía para la electrodiálisis de la solución sintética fue calculado,

encontrándose que fue de 36 W·h/l aproximadamente para las aguas sintéticas y de 34

W·h/l para el agua de producción. Los porcentajes de reducción logrados fueron en la

mayoría de los casos del 99 % para todos los iones. Estos resultados sugieren que la

electrodiálisis es un proceso que debe ser considerado en el tratamiento de aguas a las

cuáles se les deben disminuir la concentración de iones, en este caso particular, de los

cloruros.

ii

ÍÍNNDDIICCEE.. Pág. Resumen i Índice ii Lista de Tablas iv Lista de Figuras v Introducción 1 Objetivos 3 Capitulo I Membranas. 4 1.1 Membranas Artificiales 4 1.2 Historia de las Membranas 5 1.3 Tipos de Membranas 7 1.3.1 Según su naturaleza química 7 1.3.2 Según su Forma y su Función 8 1.3.3 Según el Tipo de Modulo 11 1.4 Separación con Membranas. 13 1.4.1 Procesos que Utilizan Gradiente de Presión 14 1.4.2 Procesos que Utilizan Gradiente de Concentración 17 1.4.3 Procesos que Utilizan Gradiente de Potencial Eléctrico 18 Capitulo II La Electrodiálisis 20 2.1 Desarrollo Histórico de la Electrodiálisis 20 2.2 Principios de la Electrodiálisis 21 2.3 Membranas de Intercambio Iónico 25 2.3.1 Clasificación de las Membranas de Intercambio Iónico 28 2.3.1.1 Clasificación según su Estructura Física 28 2.3.1.2 Clasificación según su Capacidad de Intercambio 29 2.3.1.3 Clasificación según su Estructura Química 29 2.4 Polarización 32 2.4.1 Determinación de la Corriente Límite 37 2.5 Componentes Básicos del Módulo de Electrodiálisis 38 2.5.1 Electrodos 39 2.5.2 Membranas 40 2.5.3 Espaciadores 40 2.5.4 Juntas 41 2.6 Aplicaciones de la Electrodiálisis 42 2.6.1 Producción de Salmuera 42 2.6.2 Desalinización de Agua 42 2.6.3 Desmineralización de Suero Lácteo 43 2.6.4 Recuperación de Productos Químicos 43 2.6.5 Separación de Amino Ácidos 44 2.6.6 Recuperación de Sales Metálicas en Procesos de Recubrimiento Galvánico 44 2.6.7 Recuperación de ácidos Minerales y Metales Pesados 44 2.6.8 Electrodiálisis con Membranas Bipolares 44

iii

Capitulo III El Recurso del Agua 45 3.1 Disponibilidad de Agua en el Planeta 46 3.2 Las Aguas Residuales 47 3.2.1 Desechos Líquidos Municipales 48 3.2.2 Desechos Líquidos Agroindustriales 48 3.2.3 Desechos Líquidos Industriales 49 3.3 Características de las Aguas Residuales 50 3.3.1 Características Físicas 50 3.3.2 Características Químicas 51 3.3.3 Características Biológicas 53 3.4 Tratamientos de Aguas Residuales 54 3.4.1 Pretratamiento 54 3.4.2 Tratamiento Primario 54 3.4.3 Tratamiento Secundario 54 3.4.4 Tratamiento Químico 54 3.4.5 Tratamientos avanzados de las Aguas Residuales 55 3.5 Electrodiálisis en el Tratamiento avanzado de Aguas Residuales 56 3.6 Las Aguas de Producción 57 3.6.1 El Impacto en el ambiente 58 3.7 Legislación Ambiental 62 Capitulo IV Antecedentes. 64 Capitulo V Metodología Experimental. 65 5.1 Materiales y Equipos Usados. 65 5.2 Reactivos. 69 5.3 Metodología 70 5.3.1 Preparación de soluciones de NaCl y de Agua Sintética 70 5.3.2 Pruebas de desalación de las soluciones de NaCl en el electrodializador 73 5.3.3 Pruebas de desalación de Aguas sintéticas en el electrodializador 75 5.3.4 Filtración previa de las Aguas de Producción 77 5.3.5 Pruebas de desalado de Agua Producción en el Electrodiálizador 78 5.3.6 Determinación de Cloruros por el método de Mohr 80 5.3.7 Determinación de metales por Absorción atómica 82 Capitulo VI Resultados y discusiones 85 6.1 Resultados de la primera fase del Proyecto 85 6.2 Pruebas con Aguas Sintéticas y Agua de Producción 88 6.3 Consumo de energía 101 Conclusiones 105 Recomendaciones 107 Bibliografía 108 Anexos 110

iv

LLIISSTTAA DDEE TTAABBLLAASS

Tabla

Pág.

2.1 Membranas heterogéneas de electrodiálisis.

30

2.2 Membranas Homogéneas de electrodiálisis.

31

3.1 Datos típicos de aplicación para operaciones y procesos de tratamiento avanzado de aguas residuales

55

3.2 Comparación de los sistemas de Osmosis Inversa y Electrodiálisis

57

5.1 Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de producción “Agua Sintética”.

71

5.2 Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de producción al doble de su concentración “Agua Sintética 2”.

71

5.3 Cantidades para preparar las soluciones madres para los ensayos de Potasio, Magnesio y Calcio por absorción atómica.

72

5.4 Experiencias realizadas en la primera fase del proyecto.

75

5.5 Experiencias realizadas en la segunda fase del proyecto

77

5.6 Experiencias realizadas en la trecera fase del proyecto.

80

6.1 Porcentaje de Reducción en la concentración de cloruros en las pruebas realizadas

90

6.2 Porcentaje de Reducción de cationes en las pruebas realizadas.

98

6.3 Valores de Consumo energético calculado para las distintas corridas 103

v

LLIISSTTAA DDEE FFIIGGUURRAASS Figura Pág.

1.1 Membrana porosa y Membrana mixta. 10 1.2 Módulo plano 11 1.3 Esquema del Módulo Tubular 12 1.4 Esquema del Módulo de Fibras Huecas 13 2.1 Representación de un proceso de electrodiálisis 22 2.2 Esquema de un módulo de Electrodiálisis de celdas de dos compartimientos 23 2.3 Esquema de una membrana de intercambio catiónico y de su mecanismo de transporte

de los cationes desde la disolución A a la B bajo la acción de un campo eléctrico 27

2.4 Gradientes de concentración en la interfase membrana-disolución, bajo el efecto de un campo eléctrico. MA y MC

33

2.5 Esquema de un módulo de Electrodiálisis 39 2.6 Diferentes tipos de espaciadores 41 2.7 Unidad a gran escala para la desalación de agua de mar 43 5.1 Buretas usadas 65 5.2 Conductimetro 66 5.3 Equipo de filtración para aguas de producción 66 5.4 Balanza Digital 67 5.5 Equipo de Absorción Atómica SpectraAA 55B 67 5.6 Imágenes del Electrodiálizador usado para la experiencia. 68 5.7 Esquema del los circuitos hidráulicos del electrodiálizador CH-O 69 5.8 Equipo de Filtración 78 5.9 Filtración del Agua de Producción 78 6.1 Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 30V 85 6.2 Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 15V 86 6.3 Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado (a) y diluido (b) a 30V y 15 V 87 6.4 Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado y Agua Sintética (a) y Agua

Sintética 2 (b) 89

6.5 Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética a 200 l/h 89 6.6 Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética a diferentes

velocidades de flujo 91

6.7 Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética 2 a diferentes velocidades de flujo

92

6.8 Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 100 l/h 93 6.9 Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 200 l/h 93

6.10 Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 300 l/h 93 6.11 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba de

Agua Sintética a diferentes velocidades de flujo 94

6.12 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética 2 a diferentes velocidades de flujo.

96

6.13 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para cada catión 97 6.14 Diferencia apreciable entre la turbidez de un agua sintética de alta concentración de

sales antes de ser tratada y luego de ser 98

6.15 Concentración de cloruros en la corriente de agua de producción y la corriente Concentrado para la prueba realizada a 200 l/h.

99

6.16 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba con Agua de Producción de La Victoria

100

6.17 Variación del amperaje a través del tiempo para diferentes velocidades de flujo. 102 6.18 Consumo energético de cada una de las pruebas en W·h/l 104

IInnttrroodduucccciióónn..

1

IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN.. Hasta los años sesenta del siglo XX, la descarga de residuos líquidos en muchos

ríos, lagos y mares no modificó irreversiblemente las propiedades naturales del medio

ambiente, debido a que la cantidad y concentración de contaminantes en estos desechos

líquidos vertidos era inferior a la capacidad natural de autopurificación del medio. Luego

como consecuencia de una explosión demográfica e industrial el exceso de material

contaminante vertido a la naturaleza ha sobrepasado la capacidad natural de purificación de

los cuerpos de agua receptores.

La explotación petrolera es una de las actividades que ha incrementado sus

operaciones por diferentes partes del mundo, llegando a lugares antes no afectados por el

hombre; junto con el crecimiento de esta industria se ha dado el crecimiento de la

contaminación de los nuevos lugares de producción petrolera y entre los responsables de

dicha contaminación encontramos las Aguas de Producción.

Las aguas de producción son aguas asociadas a la extracción petrolera, dichas aguas

se encuentran en el mismo yacimiento donde se encuentra el crudo, y son extraídas junto

con el, en algunos casos la proporción es de 4 barriles de agua por barril de petróleo, y esto

genera un inconveniente ya que la reutilización de estas aguas en la inyección de pozo o la

disposición en el ambiente debe realizarse cumpliendo normas ambientales a favor alterar

lo menos posible el entorno ambiental de estos pozos. El interés del tratamiento de esta

agua sigue creciendo, y más aún en nuestro país, ya que la empresa estatal petrolera

(Petróleos de Venezuela) ha demostrado en diversas ocasiones la preocupación por este

tema. En la zona de producción Barinas – Apure, estas aguas están constituidas

principalmente por sales y metales pesados, en muchos casos los niveles de salinidad

superan los 1000 ppm de cloruro que es el nivel máximo permitido por las normas

ambiéntales para el vertido de residuos líquidos en cuerpos de agua.

La electrodiálisis es un proceso de separación que utiliza membranas selectivas a los

iones, lo que hace una excelente técnica para la separación y recuperación de electrolitos.

IInnttrroodduucccciióónn..

2

Esta técnica tiene múltiples aplicaciones en la industria química, como la desmineralización

de agua salada, recuperación de metales de efluentes contaminantes, separación de

aminoácidos y recuperación de reactivos, entre otras.

En el laboratorio de separación y síntesis industrial (laboratorio de membranas) de

la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes se ha comprobado la eficacia de

este proceso para la desmineralización y la eliminación del ácido lácteo del suero lácteo

producido en la elaboración de queso.

Para disminuir la salinidad del agua de producción se utilizó un equipo piloto de

electrodiálisis. En este caso se estudió también, la cantidad de energía requerida para lograr

la separación de cloruros y la concentración de sales a los que se puede llegar en la

corriente de concentrado y diluido. También se estudió el efecto de de la velocidad del flujo

y de la concentración inicial de sales.

Este proyecto permitió conocer la factibilidad de utilizar la electrodiálisis en el

tratamiento de aguas de producción de alta salinidad.

El presente trabajo esta constituido por una revisión bibliográfica en el capitulo I

sobre las membranas, en el capitulo II información acerca del proceso de electrodiálisis, el

capitulo III estudia la problemática de los Residuos Líquidos y la importancia del recurso

del Agua, la fase experimental llevada a cabo en el proyecto se muestra en el Capitulo IV y

el análisis de los resultados obtenidos en el capitulo V, por ultimo están las conclusiones y

la referencias que fueron consultadas para la revisión bibliográfica.

OObbjjeettiivvooss..

3

OOBBJJEETTIIVVOO GGEENNEERRAALL..

Estudiar el proceso de electrodiálisis como método factible para disminuir la salinidad

de las aguas de producción.

OOJJEETTIIVVOOSS EESSPPEECCÍÍFFIICCOOSS..

Estudiar la desalación de las aguas sintéticas preparadas en el laboratorio, similares a

las encontradas en los pozos de La Victoria Estado Apure.

Evaluar el efecto de la velocidad del flujo en el proceso de desalación de las aguas

tratadas.

Evaluar el efecto de la concentración inicial de las aguas tratadas sobre el proceso de

desalación, evaluando aguas sintéticas de baja y alta concentración de sales.

Estudiar el comportamiento de los cationes presentes en las soluciones tratadas a las

diferentes condiciones de velocidad y concentración, y evaluar el orden de

transferencia de estos cationes.

Estudiar la desalación con una muestra de Agua de Producción de los pozos de La

Victoria, estado Apure.

Estimar el consumo energético del proceso a las diferentes condiones.

CCaappiittuulloo II MMeemmbbrraannaass.

4

CCAAPPIITTUULLOO II

MMEEMMBBRRAANNAASS..

Según el diccionario se define como una membrana a toda piel delgada que sirve de

interfase con una permeabilidad selectiva, dichas membranas tienen la función de envolver,

aislar o delimitar determinadas estructuras; pero la función que es el caso de estudio, es esa

permeabilidad selectiva que limita el transporte de ciertas especies químicas (moleculares o

iones) y/o de partículas de forma muy definidas. Antes de continuar con la descripción de las

membranas, es importante señalar que existen las membranas naturales, aquellas creadas por

la naturaleza y que están operando en procesos biológicos, por ejemplo, las membranas

celulares, que son las que delimitan el citoplasma, mantienen el equilibrio hídrico e iónico de

la célula y colaboran con sus movimientos para apoderarse de partículas nutritivas (1).

Además de las membranas naturales, existen las membranas artificiales, que son todas

aquellas a las cuales el hombre les ha dado un tratamiento (ha modificado) y un uso diferente

al que tenían al ser creadas por la naturaleza y también todas aquellas membranas que han sido

creadas por él, como por ejemplo las membranas sintéticas de polímetros (2).

11..11 MMeemmbbrraannaass aarrttiiffiicciiaalleess..

Las membranas artificiales son aquellas que fabrica el hombre. La mayoría de las

membranas artificiales se producen a partir de polímeros, sin embargo, también existen

membranas de materiales inorgánicos, como las metálicas o cerámicas y membranas híbridas,

compuestas por materiales orgánicos e inorgánicos.

Una membrana es una fase semipermeable, que puede ser de naturaleza polimétrica,

inorgánica o mixta, que restringe el paso de ciertas sustancias o especies químicas. Dicha

membrana, o barrera, controla la tasa de transporte de varias especies químicas a través de

ella y al igual que cualquier proceso de separación, genera un producto con baja concentración

de ciertos componentes y un segundo producto enriquecido con dichos componentes. El

funcionamiento de una membrana esta determinado por dos parámetros; el flujo y la retención


5

o selectividad. El flujo o tasa de permeabilidad, es el flujo volumétrico; másico o molar, del

fluido o componentes que pasan a través de la membrana, por unidad de área de la membrana

y por unidad de tiempo. La selectividad determina si dicha membrana es permeable a los

diferentes componentes que conforman la alimentación. La retención se refiere a la fracción

de soluto en la alimentación que es retenido por la membrana (3). Idealmente las membranas

deben poseer alta selectividad y flujo, sin embargo, es difícil encontrar membranas que

cumplan esto, puesto que en general el aumento de unas variables involucra la reducción de

otras (4).

11..22 HHiissttoorriiaa ddee llaass MMeemmbbrraannaass..

El uso de una interfase para separar y mejorar la calidad de mezclas líquidas es muy

remoto, los procesos de filtración y tamizado son usados desde hace siglos.

Todos los procesos que se realizaron con el fin de separar y mejorar mezclas en la

antigüedad, se hicieron de manera empírica. No es hasta el siglo XVIII que Ph. La Hire (1640

– 1718) reporta que la vejiga de cerdo es más permeable al agua que al alcohol.

En el siglo XVIII el abad A. Nollet (1700 – 1770) estudió el rol de las membranas en el

proceso de la ósmosis. Él dió cuenta de la existencia de una diferencia de presión entre una

solución salina y el agua pura al estar separada por una membrana constituida por una vejiga

de cerdo, es decir, encontró la presión osmótica. Por esa misma época, el biólogo francés René

Dutrochet (1776 – 1847) estudia la influencia de la presión osmótica sobre los procesos

biológicos.

Las membranas como medio de separación son introducidas por el químico escocés

Thomas Grahan (1805 – 1869), cuando en 1854 las utilizó para distinguir a los cristaloides de

los coloides.

Las primeras membranas sintetizadas por el hombre las hace el físico J. Traube (1826 –

1894) al precipitar ferrocianuro de cobre sobre cerámica. Por la misma época, el médico A.

Fick (1829 – 1929) obtiene las primeras membranas de celulosa, que utiliza para estudiar la

difusión.


6

Los trabajos de L. Pasteur (1822 – 1895), dieron un gran impulso al desarrollo de las

membranas, que se empezaron a utilizar para tratar de lograr esterilizar el agua, el aire y

algunos líquidos biológicos. En 1890, W. Nerst (1864 – 1941) define lo que es un sistema

membranoso y Lhermite demuestra en 1855 que existen dos tipos de membranas; las

membranas porosas, en las cuales el efecto capilar es muy importante y las membranas que

deben considerarse como un tercer líquido, es decir, donde la solubilidad es muy importante.

En 1918 – 1919, R. Zsigmondy (1865 – 1929), estudia la ultrafiltración y coloca las bases

de la filtración moderna. En 1911 F. Donan (1870 -1956) estudia los equilibrios y potenciales

de membranas; punto de partida para todas las separaciones en los cuales el potencial eléctrico

es importante (por ejemplo la Electrodiálisis).

En 1923 Loeb y Sourirajan, son los primeros en sintetizar una membrana de acetato de

celulosa asimétrica para la desalinización del agua de mar (2).

A partir de aquí se puede hablar de cuatro generaciones de membranas, que serian las

conocidas como membranas modernas; estas cuatro generaciones de membranas modernas

son:

1) Las primeras son las desarrolladas por Loeb y Sourirajan, sintetizadas con acetato de

celulosa.

2) Mejoras introducidas al tipo de membranas anteriores, como la resistencia química

conforman la segunda generación.

3) En los años 80 aparece una tercera generación con las membranas compuestas

inorgánicas, que poseen una gran resistencia química y mecánica.

4) La cuarta generación es la que sigue en desarrollo, son las membranas compuestas

(orgánicas – inorgánicas). Se trata de obtener así membranas con las virtudes de los

compuestos inorgánicos y orgánicos (2).


7

11..33 TTiippooss ddee MMeemmbbrraannaass..

Existen varias formas de clasificar a las membranas sintéticas. La primera clasificación

es según su naturaleza química, es decir, si son de origen orgánico, inorgánico y mixto.

11..33..11 SSeeggúúnn ssuu nnaattuurraalleezzaa qquuíímmiiccaa..

•• MMeemmbbrraannaass oorrggáánniiccaass:: Las primeras membranas de este tipo son las derivadas de la

celulosa (acetato de celulosa). Debido a la poca resistencia de estas membranas

comenzó un gran esfuerzo por mejorar las características de las mismas

desarrollándose así derivados de celulosa más resistentes, además de poliamidas,

polisulfonas, polímeros acrílicos y polímeros fluorados. Las principales características

de este tipo de membranas son: gran variedad en cuanto a la naturaleza química, una

gran gama de tamaños de poros, resistencia térmica limitada, resistencia limitada a los

solventes y pH externos, vida de corta duración, del orden de algunos meses, poca

resistencia a altas presiones. Entre las membranas orgánicas también podemos incluir a

las membranas líquidas soportadas o a las emulsiones múltiples, cuando estas

membranas son de aceite; aunque su comportamiento es diferente al de las otras

membranas mencionadas aquí, solo entran en esta clasificación en virtud de su carácter

orgánico (2).

• MMeemmbbrraannaass IInnoorrggáánniiccaass:: Estas membranas son mucho más recientes. Las primeras

membranas cerámicas aparecieron en el mercado al principio de los años 80. Las

características mas importante de este tipo de membrana son: una buena resistencia

química y térmica, estabilidad frente a las bacterias; son inertes antes los solventes

orgánicos y medios corrosivos, se pueden limpiar fácilmente por el contrapresión;

buena resistencia mecánica (resisten altas presiones); tienen una vida larga; se pueden

esterilizar fácilmente con vapor. Su fabricación es complicada y su precio más elevado

que las orgánicas, lo que hace que su uso no sea tan popular como el de las membranas


8

orgánicas (2). También existen membranas derivadas del vidrio y de metales con

características similares a las señaladas para las membranas cerámicas.

• MMeemmbbrraannaass MMiixxttaass:: Estas son membranas de última generación que se utilizan

únicamente a nivel del laboratorio, todavía no han alcanzado su desarrollo comercial.

Estas membranas consisten normalmente en un esqueleto inorgánico, al cual se le han

agregado grupos orgánicos para darle una característica especial (hidrofobismo,

lipofobismo, transporte por transportadores anclados, etc.) con este tipo de membranas

se trata de obtener las ventajas de las dos anteriores, por lo general lo que se obtiene es

un compromiso; por ejemplo se sube la resistencia mecánica con respecto a una

membrana orgánica, pero se baja la resistencia térmica con respecto a una membrana

inorgánica (2).

El otro tipo de clasificación de membranas que encontramos es según su forma y función.

11..33..22 SSeeggúúnn ssuu FFoorrmmaa yy FFuunncciióónn..

• MMeemmbbrraannaass PPoorroossaass:: Poseen una estructura muy simple y se asemejan mucho a las

fibras empleadas en la filtración, en lo que se refiere al modo de separación y

transporte. Las membranas porosas consisten en una matriz sólida que posee huecos o

poros con diámetros que pueden ser menores a 1μm, mayores a 1 μm e incluso pueden

ser mayores a 20μm (Figura 1.1). La separación de los componentes se lleva a cabo

estrictamente mediante un mecanismo de tamizado, determinado por el tamaño del

poro y de la partícula. Las membranas porosas pueden fabricarse a partir de materiales

tales como cerámicas, grafito, metales y óxidos metálicos y polímeros. Su estructura

puede ser de dos tipos: simétrica o asimétrica. En las membranas simétricas el

diámetro del poro no varía a lo largo de la sección transversal de la membrana y se

utilizan en procesos tales como microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración o en

diálisis, para separar componentes que difieran marcadamente en tamaño y masa

molecular (5).


9

Las membranas porosas con estructura asimétrica, consisten en una película

muy delgada (0,1 - 1μm), colocada sobre una subestructura gruesa (100 - 200μm),

altamente porosa. La película delgada constituye la membrana selectiva y sus

características de separación vienen determinadas por el material con que este hecha o

por el tamaño de poro, sin embargo la tasa de transporte másico esta determinada por

el grosor de la película. La subestructura porosa sirve únicamente como soporte a la

frágil película delgada, es decir, para la membrana. Estas membranas son usadas en

principalmente en procesos que utilizan un gradiente de presión como fuerza

impulsora, tales como la osmosis inversa y la ultrafiltración, porque estos necesitan

una elevada transferencia de masa y una buena estabilidad mecánica (5).

• MMeemmbbrraannaass HHoommooggéénneeaass:: una membrana homogénea es una película densa a través

de la cual una mezcla de moléculas es transportada mediante un gradiente de presión,

de concentración o de potencial eléctrico. El mecanismo de transporte de las especies

dentro de las membranas homogéneas, ocurre estrictamente por difusión y depende de

la solubilidad de las mismas dentro de la membrana (Figura 1.1). Gracias a esto, es

posible separar eficientemente aquellas especies químicas que posean tamaños y hasta

difusividades similares, cuando sus solubilidades dentro de la membrana difieran

significativamente. Estas membranas pueden prepararse con polímeros, metales o

aleaciones de metales mediante técnicas de formación de películas. Se utilizan para

separar componentes que poseen tamaños similares pero que difieren químicamente

(5).

Entre las membranas homogéneas se encuentran las membranas líquidas, las

cuales poseen un mecanismo de separación similar al de la extracción líquido – líquido

puesto que se utilizan sistemas de múltiples fases (2 o 3, por lo general). El principio

de operación de estas membranas es relativamente simple; dos líquidos homogéneos y

miscibles (uno es la alimentación o solución donadora y el otro es la solución

receptora), están espacialmente separados por una tercera fase, la membrana. La

membrana esta constituida por un solvente el cual es prácticamente inmiscible e


10

insoluble con la alimentación y la solución receptora. La separación o transporte del

soluto desde la solución donante a la receptora se lleva a cabo gracias a que se produce

un gradiente de potencial químico que hace de fuerza impulsora. La termodinámica en

la interfase donante – membrana favorece la extracción del soluto a la membrana,

simultáneamente la termodinámica en la interfase membrana – receptor favorece el

transporte de la membrana al receptor. En la mayoría de los casos las membranas

líquidas están formadas por líquidos orgánicos, sin embargo se pueden usar

membranas acuosas cuando se desean separar soluciones orgánicas (6).

•• MMeemmbbrraannaass CCaarrggaaddaass EEllééccttrriiccaammeennttee:: También conocidas como membranas de

intercambio iónico. Existen del tipo orgánicas (poliméricas) e inorgánicas. Sin

embargo, hoy por hoy las únicas usadas a escala industrial son las primeras (7). Este

tipo de membranas poseen carga eléctrica, la separación se basa en la exclusión de las

especies químicas de la misma carga que la de las membranas (8), en ellas se centrará

un estudio con mayor detalle mas adelante.

FFiigguurraa 11..11 MMeemmbbrraannaa PPoorroossaa ((aa yy bb)) yy MMeemmbbrraannaa MMiixxttaa ((cc))

(a) (b)

(c)


11

•• MMeemmbbrraannaass DDiinnáámmiiccaass:: Son aquellas que se forman durante el proceso de filtración,

la idea es depositar sobre un soporte una capa de material filtrante antes de comenzar a

filtrar. Son como los coadyudantes de la filtración clásica (2).

11..33..33 SSeeggúúnn eell ttiippoo ddee MMóódduulloo::

Las membranas pueden presentarse en diferentes tipos de módulos. La selección de

alguno de estos depende del proceso de separación, entre los más utilizados tenemos:

• MMoodduulloo PPllaannoo:: Es el modelo más antiguo y sencillo. Se deriva de los modelos de

filtro de prensa, la circulación de los líquidos se hace entre las placas, que se

encuentran separadas por membranas planas. Pueden tener diversas formas como

cuadradas, elipsoidales, circulares, ortogonales; estas membranas se colocan sobre un

soporte de la misma forma para que les dé resistencia mecánica (Figura 1.2).

Los módulos planos se pueden ensamblar de forma horizontal o vertical, estos

módulos planos también se conocen como módulos de placa (2). Este tipo de modulo

es el usado en diversos procesos entre ellos llaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss..

FFiigguurraa 11..22 MMóódduulloo ppllaannoo

•• Módulos Tubulares: Este tipo de módulos se encuentra en todos los procesos de

separación en fase líquida o gaseosa (Figura 1.3). En estos módulos la membrana

filtrante se encuentra en la parte interna o externa en un soporte tubular. Estos módulos

se pueden ensamblar en serie y/o paralelo, también se pueden usar tubos con múltiples

canales, con los cuales se incrementan la superficie de filtración. El soporte tubular

puede ser de cerámica, de metal, de plástico, de fibra, material sobre el cual se deposita


12

la membrana que puede ser a su vez fija o dinámica, estos tubos pueden medir desde

pocos centímetros a dos metros (2).

FFiigguurraa 11..33 EEssqquueemmaa ddeell MMoodduulloo TTuubbuullaarr..

• MMóódduullooss hheelliiccooiiddaalleess:: Es un modelo poco usado y consiste en un tubo flexible

enrollado sobre si en forma helicoidal. De esta forma se evitan las perdidas por fricción

asociadas a los empates en el caso de los filtros tubulares (2). En general su uso es cada

vez menor y actualmente casi no se encuentra este tipo de módulo.

• MMóódduullooss EEssppiirraalleess:: Estos módulos también se conocen como espirales planos, su uso

es muy frecuente en ósmosis inversa; el modulo consiste en dos membranas planas

entre las cuales se forman un espacio que se mantiene mediante el uso de un soporte.

Por la parte externa, se coloca otro soporte con la finalidad de recoger el filtrado. Las

membranas y los soportes se encuentran doblados sobre un tubo que se encarga de

recolectar el filtrado (2).

• MMóódduullooss ddee FFiibbrraass HHuueeccaass:: estos módulos consisten en una gran cantidad de

pequeños tubos de algunas decenas de micrómetros de diámetro (Figura 1.4), este tipo

de ensamblaje permite obtener superficies de intercambio muy elevadas, del orden de

1200 m2/m3. Los módulos de fibra hueca presentan el inconveniente de que si falla una


13

fibra, hay que cambiarlo completo, además, su utilización es casi exclusivamente para

el tratamiento de aguas por ósmosis inversa (2).

Figura 1.4 Esquema del Modulo de Fibras Huecas.

11..44 SSeeppaarraacciióónn ccoonn MMeemmbbrraannaass..

En los procesos industriales es de suma importancia la separación, concentración y

purificación de especies químicas, la separación abarca desde las realizadas entre partículas

sólidas, inmiscibles que se hallan en fases líquidas o gaseosas, hasta la separación de solutos

disueltos en fase líquida, pasando por la separación de mezclas de gases. En cualquiera de

estos procesos el papel de las membranas es el de actuar como una barrera selectiva,

permitiendo el paso de ciertos componentes y reteniendo otros.

Cuando una membrana separa dos fases fluidas, varios tipos de fuerzas pueden ser la

causa de flujo de moléculas o especies iónicas a través de ellas, a estas fuerzas las llamamos

fuerza impulsora, esta fuerza proporciona una amplia clasificación de los procesos con

membranas, dependiendo de la forma o mecanismo en que el material es transportado a través

de la membrana, así pues las especies pueden ser transportadas bien sea por trabajo mecánico,

químico, eléctrico o térmico.

Tres son los gradientes más importantes que proporciona esa fuerza impulsora:

a. Un gradiente de presión hidrostática entre las dos fases que separa la membrana puede

producir un flujo de volumen, y con ello la separación de especies químicas, si la

permeabilidad de las membranas es diferente para los distintos compuestos.


14

b. Un gradiente de concentración entre las dos fases que separa la membrana puede

ocasionar un transporte de materia, y con ello la separación de varias especies

químicas, si las difusividades y solubilidades en la membrana son diferentes.

c. Un gradiente de potencial eléctrico irá acompañada de una separación, cuando las

diferentes especies cargadas presentan distintas movilidades en el interior de las

membranas (8).

En algunos casos, puede existir la combinación de uno o más gradientes involucrados en la

separación, aunque por lo general hay uno que es más importante.

11..44..11 PPrroocceessooss qquuee UUttiilliizzaann eell GGrraaddiieennttee ddee PPrreessiióónn..

A continuación se describen brevemente los procesos de separación con membranas

que utilizan un gradiente de presión.

• MMiiccrrooffiillttrraacciióónn:: Es la técnica de separación con membranas más desarrollada a nivel

mundial, al igual que la ultrafiltración. Como su nombre lo indica, la microfiltración es

un proceso que se utiliza para separar las partículas sólidas presentes en una corriente

líquida o gaseosa mediante el uso de un medio mecánico de tamizado (que en este caso

sería la membrana), es decir, la separación ocurre por un efecto tamiz que toma en

cuenta las dimensiones relativas de partícula a separar y poro de la membrana. Este

proceso se utiliza cuando las partículas poseen diámetros comprendidos entre 0,1 a

10μm, y el solvente o sustancia en la cual están dispersas poseen un peso molecular >

(0,1 – 1)x106, es decir que permite filtrar hasta las bacterias más pequeñas. Las

membranas usadas en la microfiltración son estructuras macroporosas y en general,

simétricas con tallas de poros normalmente entre 0,1 a 10 μm, con diferencia de

presión entre las membranas de 0,1 a 2 bar (8). Entre los principales usos de la

microfiltración tenemos la filtración de partículas presentes en las corrientes líquidas ó

gaseosas utilizadas en la industria química, biológicas, farmacéuticas y de alimentos; la

clarificación o filtración estéril de soluciones sensibles al calor y bebidas; producción

de agua pura, purificación de productos, tratamientos de aguas residuales; etc. (3).


15

• UUllttrraaffiillttrraacciióónn:: La ultrafiltración es muy similar en operación a la

microfiltración con la diferencia que utiliza membranas asimétricas con tamaño de

poro menor y que permiten el filtrado de partículas mucho mas pequeñas; es una

técnica que permite la separación de moléculas disueltas en función de su tamaño, al

hacer pasar una solución bajo presión a través de una membrana, el tamaño de poro de

la primera capa de la membrana está entre 0,1μm y 1 nm. Retiene a las moléculas de

proteínas y a los virus pero sin embargo deja pasar iones (sales disociadas). Al ser las

membranas asimétricas, presentan una capa muy delgada que reduce la resistencia de

la misma. Las presiones utilizadas van desde 1 a 5 bar y es un proceso simple y de bajo

costo de operación (8). La ultrafiltración puede ser utilizada para recuperar el fluido

que pasa a través del filtro o para recolectar el material que es retenido en el mismo,

por ello su gran cantidad de aplicaciones en la industria como: la recuperación de

pintura de carrocería de automóviles; la concentración de la leche y los jugos de fruta;

el aislamiento y concentración de enzimas, virus y ácidos nucleicos en la industria

farmacéutica; el tratamiento de efluentes sobre todo en la industria papelera, etc. (5).

• NNaannooffiillttrraacciióónn:: La nanofiltración es muy similar a la ósmosis inversa y cubre un

rango de separación comprendido entre las capacidades de separación de las

membranas de ósmosis inversa y las de ultrafiltración (el tamaño de poro esta

alrededor de 1 nm). Las membranas que se utilizan se forman mediante una

polimerización interfacial (por ejemplo de la polisulfona o la polietersulfona), en un

sustrato poroso. Separa partículas entre 200 y 1000 daltons y sales minerales a bajas

concentraciones; con gradientes de presión de 10 a 40 bar. Estas membranas presentan

una estructura asimétrica a tres niveles (8).

Un soporte macroporoso que ofrece una buena resistencia mecánica con

flujos de solventes elevados.

Una capa intermedia mesoporosa que asegura la unión entre el soporte y

la capa activa.


16

Una capa activa que esta constituida de material orgánico o inorgánico

que presentan una estructura microporosa con diámetros de poros en el

orden de nanómetros.

•• ÓÓssmmoossiiss IInnvveerrssaa:: La ósmosis inversa, también conocida como hiperfiltración, es

un proceso utilizado para remover solutos de bajo peso molecular tales como sales

inorgánicas (por ejemplo, NaCl) y moléculas orgánicas pequeñas (glucosa por

ejemplo), de un solvente que por lo general es agua. Consiste en aplicar una presión

(superior a la presión osmótica del sistema) en la solución con mayor contenido de sal,

la cual se pone en contacto con una membrana semipermeable, esto produce la

migración del agua desde el lado concentrado al lado diluido, reteniendo así la sal en la

solución concentrada. El método utilizado para la remoción de sales es diferente al de

la microfiltración, puesto que el mecanismo de separación entre las especies no se basa

en las diferencias de tamaño entre el soluto y el solvente, sino en la solubilidad y

difusividad del solvente en la membrana, es decir, las membranas utilizadas en este

proceso son densas (3). Este proceso es muy utilizado para la producción de agua

potable a partir del agua de mar, compite con la destilación y la electrodiálisis, cuando

la producción de agua se desea hacer a gran escala; la escogencia de uno u otro proceso

depende de las condiciones existentes en el sitio en el sitio en donde se desea obtener

el agua potable. La presión de operación está entre los 25 y 35 bar, cuando la salinidad

es de 4,5% y la temperatura es de 30 ºC. Además de la producción de agua potable a

partir de agua de mar (o de aguas salobres) la ósmosis inversa se usa para: la

fabricación de soluciones inyectables, la separación de virus y bacterias, la producción

de agua ultra pura para diálisis renal, entre otras aplicaciones (2).

•• SSeeppaarraacciióónn ddee GGaasseess:: La separación de mezclas gaseosas, también es posible gracias

a las membranas, para ello se puede utilizar membranas porosas o membranas no

porosas (densas u homogéneas). Con las membranas porosas la separación se hace por

difusión a través de los poros (flujo de Knudsen). Un proceso muy conocido que utiliza

membranas cerámicas porosas, es la separación de los isótopos de uranio, a partir del


17

hexafluoruro de uranio (UF6). Con las membranas densas los gases se separan debido a

la diferencia de solubilidad que existe entre los diferentes componentes del gas en las

membranas, un ejemplo de esto es la separación del oxígeno del aire. Entre las

aplicaciones de esta técnica tenemos: la recuperación de hidrógeno del gas de purga de

las plantas de amoníaco, la recuperación de hidrógeno de las corrientes gaseosas de

refinería y la deshidratación del aire (2).

11..44..22 PPrroocceessooss qquuee UUttiilliizzaann eell GGrraaddiieennttee ddee CCoonncceennttrraacciióónn..

• DDiiáálliissiiss:: En un proceso de diálisis uno o más solutos son transferidos desde una

solución (la alimentación) hasta la otra solución (el dializado), a través de una

membrana gracias a la existencia de un gradiente de concentración a ambos lados de

dicha membrana (5), que produce un flujo de soluto que tiende a igualar las

concentraciones. La aplicación más conocida es la diálisis sanguínea, en donde el riñón

es sustituido por unas membranas artificiales. La idea es separar los productos tóxicos

producidos por el organismo como la urea o la creatinina. Las membranas de diálisis

del riñón representan aproximadamente el 80% del mercado mundial de membranas.

Este proceso también es muy utilizado en la industria farmacéutica, cosmética y de

perfumes para desmineralizar el agua usada o para extraer compuestos importantes. Se

puede también asociar la diálisis con la fermentación, con el objeto de extraer los

compuestos que pueden ser tóxicos para los microorganismos encargados de la

fermentación y por lo tanto mejorar la producción (2).

• PPeerrvvaappoorraacciióónn:: En la pervaporación son removidos los componentes orgánicos

volátiles que se encuentran en una mezcla líquida, a través de una membrana

semipermeable, que posteriormente los conduce hacia una fase gaseosa y se utilizan

membranas similares a la de la diálisis. La separación de los componentes de una

mezcla líquida es determinada por la diferencia de las presiones de vapor y también

por las tasas de permeabilidad a través de la membrana. En la pervaporación se utilizan

membranas densas, que basan su selectividad en la solubilidad del componente que


18

van a separar en la misma. La fuerza impulsora del proceso es la diferencia de

potencial químico de los componentes entre las dos fases separadas por la membrana,

la cual es generada por un gradiente de concentración dentro de la interfase de la

membrana, este gradiente de potencial químico, por lo general es inducido al aplicar

una presión de vacío en el lado de la fase gaseosa (5). Entre las aplicaciones de la

pervaporación encontramos: la producción de alcohol puro, técnica que compite con la

destilación azeotrópica, en la deshidratación de solventes orgánicos, en la

desalcoholización de la cerveza y del vino, en la concentración del jugo de fruta (2).

11..44..33 PPrroocceessooss qquuee UUttiilliizzaann eell GGrraaddiieennttee ddee PPootteenncciiaall EEllééccttrriiccoo..

Todas estas técnicas tienen en común la aplicación de un campo eléctrico y la

utilización de membranas cargadas eléctricamente para separar iones esencialmente. Se usan

tres tipos de membranas para estos procesos, las de intercambio aniónico, que deja pasar solo

los aniones; las membranas catiónicas que sólo deja pasar cationes y las bipolares que son

permeables por una cara para los cationes y por la otra para los aniones. En el capitulo II se

tratará más a fondo sobre estos tipos de membranas.

• EElleeccttrroo –– EElleeccttrrooddiiáálliissiiss ((PPrroocceessoo CClloorroo ssooddaa)):: Un ejemplo, consiste en la

producción de cloro y soda cáustica (NaOH) utilizando para la separación una

membrana catiónica, en uno de los compartimientos va el ánodo y una solución de

cloruro de sodio, y en el otro compartimiento el cátodo y agua. Al aplicar una

diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos, los iones sodio, que están

cargados positivamente, emigran a través de la membrana hacia el agua, y así

contrarresta la producción de iones hidroxilo, producto de la reacción catódica, la cual

además produce hidrógeno, los iones cloro cargados negativamente se mueven hacia el

ánodo y se oxidan produciendo cloro. La membrana catiónica previene la migración de

los iones hidroxilos al compartimiento catiónico ya que ella solo es permeable para los

cationes (5). La función y los tipos de membranas cargada eléctricamente se explicará

con más detalle en el siguiente capitulo.


19

• LLaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss ccoonn mmeemmbbrraannaass bbiippoollaarreess:: La configuración de este proceso es

similar a la de la Electrodiálisis que se explicará mas adelante, pero a diferencia de este

se usa una membrana bipolar. Esta membrana bipolar permite la hidrólisis del agua y

posibilita la producción de ácidos y bases. Actualmente este proceso se usa para la

regeneración de los efluentes de decapado del acero inoxidable y recuperar el HF, el

HNO3 y el KOH (2).

• LLaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss:: Este proceso es el objeto de estudio del trabajo y se explicará con

detalle en el capitulo II.

CCaappiittuulloo IIII LLaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss..

20

CCAAPPIITTUULLOO IIII

LLAA EELLEECCTTRROODDIIÁÁLLIISSIISS..

La Electrodiálisis es una tecnología de membranas que permite, bajo la influencia de

un campo eléctrico continuo, extraer sustancias orgánicas e inorgánicas ionizadas disueltas en

una disolución acuosa, a través de membranas selectivas de intercambio iónico (7). La

Electrodiálisis, al igual que todos los procesos de separación por membranas mencionadas en

el capitulo anterior, se basan en la transferencia de masa a través de una membrana, con la

particularidad de que en este caso se trasportan especies iónicas de bajo peso molecular de una

solución a otra a través de membranas selectivas a los iones. La Electrodiálisis puede

definirse también como un método de separación electroquímico en el que la transferencia de

iones se logra por la aplicación de un campo eléctrico sin que se lleve a cabo ninguna reacción

química (9).

La Electrodiálisis puede remover sales de alimentos, de lácteos, de corrientes de

desecho y otras soluciones y al mismo tiempo se usa para concentrar sales, ácidos o bases. El

sistema es muy útil para remover el contenido total de sales disueltas indeseadas en corrientes

de desechos industriales como lo son las aguas de producción de un pozo petrolero.

22..11 DDeessaarrrroolllloo HHiissttóórriiccoo ddee llaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss..

Los primeros usos de la electrodiálisis se remontan a principios del siglo XIX cuando

Schwein utilizó esta técnica para purificar extractos azucareros; no obstante, su invención se

atribuye a Morse y Pierce quienes, en el año 1903 introdujeron un par de electrodos en los

compartimentos de una celda de diálisis para acelerar el proceso de separación de electrolitos

de una solución de gelatina.

No fue hasta 1940, cuando Meyer y Strauss propusieron la utilización de membranas

selectivas eléctricamente cargadas para separar aniones y cationes. Las membranas se sitúan

alternativamente entre un par de electrodos, separadas entre si 1 mm o menos. Con el

desarrollo, a finales de los años cuarenta, de membranas más selectivas y con una baja


21

resistencia eléctrica, este tipo de dializador se convirtió en una opción valida para realizar

operaciones de dilución y concentración de disoluciones de electrolitos.

Una ventaja de esta disposición es que sólo utiliza dos electrodos para un número muy

elevado de membranas y, por lo tanto, las reacciones irreversibles que se producen en los

electrodos se distribuyen en muchos compartimientos de concentrados y diluidos, con lo que

se minimizan sus efectos. Además los problemas que pueden ocasionar el manejo de los

productos formados en los electrodos son asimismo minimizados (10).

22..22 PPrriinncciippiiooss ddee LLaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss..

Cuando se establece un campo eléctrico en un electrodializador, los iones migran hacia

el ánodo o el cátodo, según el signo de su carga. Debido a la disposición de las membranas,

aparecen compartimientos donde las disolución del electrolito se empobrece en éste y otros,

donde el electrolito se concentra. Los cationes que están en un compartimiento de diluidos

migran por efecto del campo eléctrico hacia el cátodo, encontrándose en primer lugar una

membrana catiónica, que permite el transporte, pasando al compartimiento adyacente donde,

en su camino, se encuentran con una membrana aniónica que no pueden atravesar, quedando

retenidos en este compartimiento.

Los aniones migran hacia el ánodo, encontrándose una membrana aniónica que pueden

atravesar para entrar en un compartimiento de concentrados, donde en su trayectoria se

encuentran con una membrana catiónica que no permite su transporte, quedando retenidos en

este compartimiento (10). Para que ocurra un funcionamiento como el descrito anteriormente

el modulo de electrodiálisis debe estar formado por dos electrodos metálicos que establecen el

campo eléctrico, cátodo y ánodo, entre los cuales están colocadas las membranas como se

muestran en la figura 2.1.


22

FFiigguurraa 22..11 RReepprreesseennttaacciióónn ddee uunn pprroocceessoo ddee eelleeccttrrooddiiáálliissiiss ((2200))

Como se dijo las membranas deben ser de dos tipos, una selectiva a los cationes como

calcio, sodio, potasio, amonio etc. que comúnmente son llamadas Catiónicas; el otro tipo de

membranas es selectiva a los aniones como el cloruro, hidróxido, nitrato, acetato, etc. y se

conocen como Aniónicas. Las membranas deben ir de forma alternada, es decir, una

membrana catiónica luego una aniónica, nuevamente una catiónica y así sucesivamente

formando lo que se conoce como el modulo de Electrodiálisis. Entre cada par de membranas

se coloca un separador que consiste de una malla plástica que proporciona canales de flujo a

través de los cuales fluyen las soluciones, creando turbulencia lo que mejora la transferencia

de iones, y además sirve de soporte a las membranas (11).

En la figura 2.2 se esquematiza una unidad de Electrodiálisis de dos compartimientos

con objeto de ilustrar el funcionamiento del proceso. Como se dijo consta de un conjunto de

membranas de intercambio iónico dispuestas alternativamente entre dos electrodos, de tal

forma que dan lugar a dos compartimientos. Por el compartimiento diluido (D) circula la

disolución cuyos iones se desean extraer, y por el concentrado (C), la disolución en la que

dichos iones se van a concentrar.


23

FFiigguurraa 22..22 EEssqquueemmaa ddee uunn mmóódduulloo ddee EElleeccttrrooddiiáálliissiiss ddee cceellddaass ddee ddooss ccoommppaarrttiimmiieennttooss

Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones migran a través

de las membranas de intercambio aniónico desde los compartimientos D a los C, donde

quedan atrapados, pues en su camino se interpone la barrera iónica constituida por membranas

de intercambio catiónico. Análogamente los cationes migran, a través de las membranas de

intercambio catiónico, desde los compartimientos D a los C, donde se concentran al impedirles

las membranas aniónicas su migración hacia el cátodo. Las reacciones electródicas sólo se

utilizan a efectos de proporcionar el campo eléctrico necesario para que se produzca el proceso

(7).

Se denomina celda a la unidad básica formada, para el caso de la electrodiálisis de dos

compartimientos, por una membrana catiónica, una membrana aniónica y dos espaciadores. Al

conjunto de celdas se le llama módulo de electrodiálisis. En un módulo como el

esquematizado en la figura 2.2 pueden haber hasta 500 celdas de dos compartimientos. La

configuración de dos compartimientos no es la única que puede ser posible, hay módulos

conformados por tres y cuatros compartimientos (7).


24

La distancia entre membranas existente en los equipos industriales está comprendida

entre 0,4 y 2 mm. Está definida por la presencia entre cada par de membranas de una junta y

de un espaciador. La función de este último es además proporcionar una distribución de flujo

uniforme dentro de cada compartimiento (7).

Generalmente sólo una pequeña cantidad de agua atraviesa la membrana,

esencialmente sólo el agua de hidratación de los iones transferidos. En el caso de

desionización de una solución concentrada, el transporte de esta agua de hidratación puede ser

útil para concentrar la solución tratada en materiales no ionizados. El trasporte de iones

generalmente no es acompañado de materiales no ionizados cuyo peso molecular sea mayor a

200, aunque existen membranas que permiten que materiales no ionizados de peso molecular

mayor a 500 sean transportados con el agua de hidratación (12).

La electrodiálisis es un proceso termodinámicamente reversible, de manera que la

dirección del flujo de materia y carga puede ser invertida simplemente invirtiendo la polaridad

del sistema. Esta característica diferencia de la diálisis por difusión que es un proceso

prácticamente irreversible (9).

Otra característica importante es que la electrodiálisis, en contraste con la

ultrafiltración, diafiltración, diálisis e intercambio iónico, permite recuperar el ión removido

en una solución más concentrada que aquella de la que fue eliminado y libre de iones extraños.

Muchas veces esta alta concentración permite reutilizar los electrolitos recuperados. Otra

ventaja es que no se requieren regeneradores químicos, como en el caso de la desionización

por intercambio iónico, gracias a que no ocurre una reacción química (12).

Podemos conseguir equipos de electrodiálisis en diferentes configuraciones

dependiendo de los requerimientos de la separación que se desea realizar, la operación puede

realizarse de forma continua, discontinua (por lotes) o semicontinua (7). La operación por

lotes tiene la ventaja que permite un producto de concentración definida, es posible alcanzar

una relación de concentraciones entre el diluido y concentrado que puede llegar hasta 1/150,


25

sin embargo, resulta inadecuada para grandes instalaciones debido al tamaño de los recipientes

de almacenaje (11).

La configuración en continuo permite manejar grandes cantidades del fluido a tratar.

En este tipo de proceso se hace necesario colocar varios módulos de electrodiálisis en serie

(electrodiálisis multietapa) o ser recirculado una segunda vez (doble paso). Otra modalidad

consiste en recircular el concentrado, con lo que se obtiene ventajas adicionales: se aumenta el

porcentaje de recuperación, se disminuye el consumo de hidráulico y la cantidad de

concentrados a evacuar. Sin embargo, concentraciones muy elevadas de la solución a tratar

disminuyen la selectividad de las membranas y aumenta el trasporte de agua a través de las

mismas (11).

El modo semicontinuo o Feed and Bleed en la terminología anglosajona es una

combinación de los otros dos (discontinuo y continuo). Se utiliza cuando las condiciones de

proceso son las adecuadas para operar en discontinuo y la densidad de corriente límite no es

muy baja. De esta forma se combinan las ventajas del discontinuo, lográndose elevados grados

de desalación, y las del continuo, aparte del periodo de puesta en marcha del equipo, el

sistema opera de voltaje y densidad de corriente constante en el tiempo, lo que simplifica el

control de la operación e incide positivamente en la estabilidad de las membranas, que no se

ven sometidas con tanta frecuencia a los cambios bruscos de concentración típicos del proceso

discontinuo (7).

22..33 MMeemmbbrraannaass ddee IInntteerrccaammbbiioo IIóónniiccoo..

Existen muchos tipos de membranas con funciones y propiedades muy particulares. En

el caso de la electrodiálisis se usan membranas cargadas eléctricamente o mejor conocidas

como, membranas de intercambio iónico.

Las características principales de este tipo de membranas son su alta selectividad hacia

especies iónicas, poseen una resistencia eléctrica baja (entre 0,3 y 2 mili-ohms/m2), buena

resistencia mecánica y gran estabilidad química y biológica. Químicamente estas membranas


26

son resinas de intercambio iónico de forma de láminas cuyo espesor está entre 0,15 y 0,6 mm

(12). Existen membranas de intercambio iónico orgánicas (poliméricas) e inorgánicas. Sin

embargo, hoy por hoy las únicas utilizadas a escala industrial son las primeras (7), por ello el

estudio de este tipo de membranas se centrará exclusivamente en las mismas.

Básicamente una membrana de intercambio iónico consta de una estructura polimérica

entre cruzada, que tienen fijo una gran concentración de grupos funcionales cargados,

negativamente en las membranas de intercambio catiónico y positivamente en las de

intercambio aniónico. El entrecruzamiento es necesario para evitar que los polímeros que

portan los grupos intercambiadores se disuelvan en agua. Además, el grado de

entrecruzamiento es importante pues afecta a las propiedades de la membrana. Uno de los

agentes de entrecruzamiento más utilizados es el divinilbenceno (DVB), en concreto con el

vinilpoliestireno y la vinilpiridina (7).

Las membranas aniónicas contienen grupos positivos fijos en la red polimérica que

están neutralizados eléctricamente por grupos aniónicos móviles que están en los intersticios

de la red débilmente asociados a los grupos catiónicos fijos. Las membranas catiónicas poseen

grupos negativos fijos en la red polimérica y cationes móviles en los intersticios. La cantidad

de cargas fijas de una membrana constituye su capacidad de intercambio, y se expresa en

equivalentes-gramo por kilogramo de masa de membrana. Las membranas comerciales tienen

una capacidad de intercambio comprendida entre 0,5 y 3 eq-g/kg (11).

Los grupos intercambiadores más usuales en las membranas comerciales son:

• Sulfonato, -SO-3, y carboxilato, -COO- en las membranas de intercambio catiónico.

• Amonio cuaternario, -NR3+, o amina terciaria, -NR2, en las membranas de intercambio

aniónico.

La química relacionada con su preparación es similar a la utilizada para fabricar las bien

conocidas resinas de intercambio iónico. De hecho, una membrana de intercambio iónico


27

puede considerarse como una resina de intercambio iónico en forma de lámina, con la

salvedad de que no es necesario regenerarlas (7).

Para que una membrana pueda cumplir correctamente su función de intercambio, los

intersticios de la red polimérica deben estar embebidos en el disolvente, que casi siempre es

agua. Es decir, la membrana se presenta como un gel hinchado por el disolvente (7). En la

figura 2.3 se presenta esquemáticamente una sección transversal de una membrana de

intercambio catiónico separando dos disoluciones, así como su mecanismo de acción. Las

cargas negativas fijas a la estructura polimérica son neutralizadas gracias a los iones de carga

contraria, llamados contraiones (en este caso los cationes).

FFiigguurraa 22..33 EEssqquueemmaa ddee uunnaa mmeemmbbrraannaa ddee iinntteerrccaammbbiioo ccaattiióónniiccoo yy ddee ssuu mmeeccaanniissmmoo ddee ttrraannssppoorrttee ddee llooss ccaattiioonneess ddeessddee

llaa ddiissoolluucciióónn AA aa llaa BB bbaajjoo llaa aacccciióónn ddee uunn ccaammppoo eellééccttrriiccoo ((77))

Bajo la acción de un campo eléctrico los cationes se mueven desde la disolución A a la

B a través de los canales formados por los intersticios de la matriz polimérica que constituye a

la membrana. Por el contrario, los aniones, llamados coiones, son rechazados puesto que

tienen la misma carga eléctrica que los iones unidos a la membrana. Este ultimo fenómeno es

conocido como exclusión Donan (7). Como consecuencia, desde un punto de vista teórico, los


28

cationes transportan prácticamente la totalidad de la corriente eléctrica a través de la

membrana. En el caso de las membranas aniónicas, son los aniones quienes trasportan la

corriente eléctrica.

De acuerdo a su fabricación, las membranas de intercambio iónico pueden clasificarse

en homogéneas y heterogéneas.

22..33..11 CCllaassiiffiiccaacciióónn ddee llaass MMeemmbbrraannaass ddee iinntteerrccaammbbiioo IIóónniiccoo..

22..33..11..11 CCllaassiiffiiccaacciióónn sseeggúúnn ssuu eessttrruuccttuurraa FFííssiiccaa

• Membranas Homogéneas: Las membranas homogéneas tienen propiedades uniformes

en todos los puntos. Se obtienen por una reacción de condensación de polifenoles o

poliaminas, el producto de la reacción es impregnado sobre un tejido sintético

formando una película delgada de material intercambiador. También pueden

fabricarse por fijación de un grupo funcional fijo sobre un soporte inerte (cloruro de

polivinilo, polietileno, teflón), o por inmovilización de un electrolito como en el caso

del poliestireno sulfónico (13).

• Membranas Heterogéneas: Estas están constituidas por dos fases poliméricas

diferentes. Sus principales desventajas son; canales de flujo excesivamente grandes,

alta resistencia eléctrica en disoluciones salinas diluidas, baja resistencia mecánica en

su estado altamente hinchado. El excesivo tamaño en sus canales de flujo origina una

elevada transferencia de agua por eléctro-ósmosis y una excesiva difusión de

moléculas neutras entre las disoluciones separadas por la membrana (7).


29

22..33..11..22 CCllaassiiffiiccaacciióónn sseeggúúnn ssuu ccaappaacciiddaadd ddee iinntteerrccaammbbiioo..

Desde el punto de vista de su capacidad de intercambio se clasifican en:

• Catiónicas, solo permeables a los cationes.

• Aniónicas, sólo permeables a los aniones.

Teóricamente las primeras son selectivas a los cationes, mientras que las segundas lo son

exclusivamente a los aniones.

A su vez cada una de ellas e clasifican en:

• Débiles.

• Fuertes.

Las débiles son aquellas cuyos grupos intercambiadores de iones se disocian parcialmente

en medio acuoso. Pertenecen a este grupo los grupos carboxilato –COO- en el caso de las

catiónicas y los grupos amonio primario –NH3+en el caso de las aniónicas. Así el grupo –

COO- se encuentra prácticamente en su forma no disociada, -COOH, por debajo de pH 6, su

capacidad de intercambio es en consecuencia muy reducida por debajo de tal pH. En el caso de

la aniónicas sucede lo contrario. Los grupos –NH3+ se encuentran en su forma no disociada, -

NH2, por encima de pH 7. Las fuertes son aquellas cuyos grupos intercambiadores de iones se

encuentran disociados completamente en todo el intervalo de pH. Por ejemplo, el grupo

sulfonato, -SO3-, en las catiónicas y el amonio cuaternario en las aniónicas.

22..33..11..33 CCllaassiiffiiccaacciióónn sseeggúúnn ssuu eessttrruuccttuurraa qquuíímmiiccaa..

Desde el punto de vista de sus estructuras química se clasifican en: Perfluoradas y no

perfluoradas. Las primeras fueron inicialmente desarrolladas a principios de los años sesenta,

encontrando desde entonces un amplio abanico de aplicaciones debido a su gran resistencia

química y mecánica (7). Ellas fueron desarrolladas primordialmente para superar las

limitaciones que poseen las membranas basadas en hidrocarburos, al ser sometidas a medios

oxidantes o degradantes. Su uso principal se encuentra en las celdas de electrodiálisis, en las

cuales muestra excelente estabilidad térmica y química. Las membranas fabricadas por

DuPont se comercializan bajo el nombre de Nafión, y su estructura química se basa en un


30

copolímero de tetrafluoroetileno y un éter vinilico perfluorado que porta un grupo terminal

sulfónico. Existen asimismo membranas perfluoradas, por ejemplo las Flemion de Asahi

Glass, con grupos intercambiadores de iones débiles, en las que el grupo sulfónico se ha

sustituido por un carboxilato, -COONa (7). Las membranas no perfluoradas se encuentran

fácilmente disponibles tanto en forma catiónica como aniónica, son las mas usadas en

electrodiálisis por ser las más económicas.

TTaabbllaa 22..11 MMeemmbbrraannaass hheetteerrooggéénneeaass ddee eelleeccttrrooddiiáálliissiiss..

Nombre lonac lonac Amberplex Nepton Neosepta Permaplex Permutit

Fabricante lonac

Chemical Co. Ionac

Chemical Co.

Rohm &

Haas

Ionics Inc.

Tokuyama

Soda Ltd.

Permutit

Co. (Zerolit

Ltd.)

Permutit Co.

(Zerolit Ltd.)

Tipo de membrana C A C A C A C A C A C A C A

Codificación MC3142 MA3148 MC3470 MA3475 C1 A1 CR61 AR111 CL25T AV4T C10 A10 C1373 A1374

Espesor del

espaciador (mm) 0,15 0,17 0,3 0,4 0,7 0,7 0,6 0,6 0,17 0,15 0,5 0,5 0,2 0,2

Longitud de La Membrana (cm) 305

305 305 305 127 127

Ancho de la

membrana (cm) 102 102 102 102 102 102

Espesor de la

membrana (cm) 0,02 0,02 0,04 0,04 0,03 0,04 0,05 0,05 0,02 0,02 0,05 0,5 0,03 0,03

Capacidad de

cambio (meq/gr) 0,95 0,60 1,05 1,13 2 1 3,0 1,6 1,8 2,0 2,0 1,3

Selectividad (%) 94,1 90,0 96,2 99,0 90,0 86,8 98,0 96,0 90,0 82,0

Resistencia

eléctrica (W*cmz) 9,1 10,1

9,6 10,5 40,0 60,0 6,0 12,0 3,2 4,7 25,0 60,0 8,0 8,0

Presión de

ruptura (bar) 13,0 13,3 13,3 14,0 7,9 8,6 4,0 7,0

(C) membrana catiónica; (A) membrana aniónica.

P. Sucial, J. C. González-Bauza, Dimensionado y diseño de la electrodiálisis, enero 2001


31

TTaabbllaa 22..22 MMeemmbbrraannaass HHoommooggéénneeaa ss ddee eelleeccttrrooddiiáálliissiiss..

Nombre A.M.F. A.M.F. Nepton Selemion Selemion Acipex Acipex

Fabricante

American

Machine

and Foundry

American

Machine and Foundry

Ionics Inc. Asahi Glass

Co. Ltd.

Asahi Glass

Co. Ltd.

Asahi Chemical

Industry

Co. Ltd.

Asahi Chemical

Industry

Co. Ltd.

Tipo de

membrana C A C A C A C A C A C A C A

Codificación C60 A60 C100 A100 AZL183 BZL183 CMV

AMV CMR ASR CK1 CA1 DK1 DA1

Espesor del

espaciador

(mm)

0,30 0,30 0,15 0,18 0,60 0,60 0,56 0,56 1,5 1,5 0,23 0,21 0,23 0,21

Longitud de La Membrana

(cm)

102 102 230 230 230 230 112 112 112 112

Ancho de la

membrana (cm) 46 46 100 100 100 100 112 112 112 112

Espesor de la

membrana (cm) 0,03 0,03 0,02 0,02 0,06 0,06 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

Capacidad de

cambio (meq/gr) 1,5 1,6 1,3 1,5 2,7 1,8 4,0 3,0 4,0 3,0 2,8 1,9 2,6 1,5

Selectividad

(%) 80,0 82,0 93,0 92,0 91,0 96,0 92,0 94,0 92,0 95,0 85,0 92,0 85,0 92,0

Resistencia

eléctrica

(W*cmz)

5,0 6,0 7,0 9,0 11,0 11,0 3,5 3,0 3,5 4,0 1,4 2,1 1,8 3,5

Presión de

ruptura (bar) 3,0 3,0 4,0 3,5 8,0 9,0 5,0 5,0 5,0 5,0 2,0 2,0 2,0 2,0

(C) membrana catiónica; (A) membrana aniónica.

P. Sucial, J. C. González-Bauza, Dimensionado y diseño de la electrodiálisis, enero 2001


32

22..44 PPoollaarriizzaacciióónn..

La polarización de concentración es un fenómeno que se produce en todos los procesos

de separación con membranas. Sin embargo las características de la polarización en cada una

de estas operaciones resulta ser muy diferente. En ultrafiltración y ósmosis inversa se produce

por la acumulación, sobre la cara activa de la membrana, de solutos que no pueden atravesar la

misma, con la formación de perfiles de concentración que actúan como una nueva barrera que

dificulta la transferencia de materia del soluto y de disolvente transferible a través de la

membrana (14).

En los procesos de electro-membranas la densidad de trabajo máxima viene

determinada por el fenómeno de polarización de la membrana que se produce cuando la

concentración de la especie iónica a transportar disminuye por debajo de un nivel crítico, de

tal forma que no es posible mantener la velocidad de transporte impuesta por la intensidad de

la corriente (7). En electrodiálisis es de la misma manera, y el fenómeno tiene lugar cuando un

ion se transfiere o descarga sobre la superficie de una interfase sólida, encontrándose sujeto a

un valor límite en su transferencia de materia a través de dicha interfase.

El fenómeno que afecta negativamente a la estabilidad de las membranas se ilustra en

la figura 2.4, donde se representa el perfil de concentración en las interfases disolución-

membranas en una celda de electrodiálisis de tres compartimentos formada por un ánodo, un

cátodo, una membrana de intercambio aniónico y una de intercambio catiónico.


33

FFiigguurraa 22..44 GGrraaddiieenntteess ddee ccoonncceennttrraacciióónn eenn llaa iinntteerrffaassee mmeemmbbrraannaa--ddiissoolluucciióónn,, bbaajjoo eell eeffeeccttoo ddee uunn ccaammppoo eellééccttrriiccoo.. MMAA

yy MMCC:: mmeemmbbrraannaass ddee iinntteerrccaammbbiioo aanniióónniiccoo yy ccaattiióónniiccoo.. XX--:: aanniióónn.. MM++:: ccaattiióónn.. AA:: aannoolliittoo.. CC:: ccaattoolliittoo.. BB:: ddiissoolluucciióónn

aaccuuoossaa ddee uunnaa ssaall XXMM..

Por el compartimiento B se alimenta una disolución acuosa de una sal XM. En la zona

central de este compartimiento la mezcla de la disolución es completa, homogénea. Sin

embargo, conforme las líneas de flujo se aproximan a las interfases disolución-membrana la

velocidad lineal de la disolución disminuye, de tal forma que en las proximidades de las

membranas existen zonas en las que no hay mezcla (zona estática, capa límite). Por razones

idénticas estas zonas existen en las interfases disolución-membrana de los compartimientos A

y C, correspondientes respectivamente al analito y al catolito.

Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones X- migran desde

B hacia el anolito A a través de la membrana de intercambio aniónico MA, mientras que los

cationes M+ migran hacia el catolito C a través de la membrana de intercambio catiónico MC.


34

Como consecuencia, en las zonas estáticas del compartimento central disminuye la

concentración del ion que es transportado con respecto a la de la disolución que alimenta

dicho compartimiento:

• El anión X- en la interfase membrana aniónica-disolución.

• El catión M+ en la interfase membrana catiónica-disolución.

Para compensar tal disminución, los iones de la zona de la mezcla homogénea del

compartimiento central B migran hacia las zonas estáticas por difusión. En tanto y cuanto la

velocidad de difusión sea igual a la de migración de los iones a través de la membrana,

impuesta por la corriente eléctrica, se alcanzará una situación de equilibrio.

Sin embargo, si la velocidad de migración a través de las membranas, determinada por

la densidad de corriente aplicada, excede a la difusión, la concentración de iones en las zonas

estáticas comenzará a disminuir hasta aproximarse a cero. En este momento se produce la

polarización por concentración de la membrana. La densidad de la corriente a la que se inicia

se denomina densidad de corriente limitante (o corriente límite). Por encima de ella se

produce la electrohidrólisis del agua, transportándose H+ a través de la membrana de

intercambio catiónico y OH- a través de la membrana de intercambio aniónico.

El resultado neto de la polarización por concentración es:

• Disminución de la concentración de iones en las interfases membrana-disolución de los

compartimientos diluidos (compartimiento central B en la figura anterior)

• Aumento de las concentraciones de iones en las interfases membrana-disolución de los

compartimientos concentrados (compartimientos anódicos A y catódicos C en la

misma figura).

Las consecuencias de la polarización por concentración de trabajar por encima de la

densidad de corriente limitante, son:

• Incremento brusco de la resistencia eléctrica de la celda.

• Disminución de la eficacia de la corriente.


35

• Disminución del pH en el compartimiento diluido y aumento en el compartimiento

concentrado.

El aumento de la resistencia eléctrica da lugar a un incremento en el consumo

específico de energía del proceso. La disminución de la eficacia de la corriente origina:

• Un mayor consumo específico de energía.

• Una mayor área de membrana para una producción determinada. En definitiva,

mayores costes fijos y variables.

El aumento del pH en el compartimiento concentrado y la disminución en el diluido

surge como consecuencia de que una vez producida la electrohidrólisis del agua, los iones OH-

son transferidos a través de la membrana aniónica al compartimiento concentrado, pero no así

los iones H+ a través de la membrana catiónica. Este último comportamiento es anómalo y se

desconoce la causa (7).

El aumento del pH en el compartimiento concentrado puede dar lugar a la

precipitación de hidróxidos insolubles, tales como los de calcio y magnesio. El fenómeno

conocido en la literatura anglosajona como scaling conduce, tanto a un incremento adicional

del consumo específico de energía, como a una disminución de la vida media de las

membranas. En el mejor de los casos evitar este fenómeno exige añadir acido para neutralizar

el exceso de iones OH-, lo que supone, tanto un coste adicional como un aumento de la

complejidad del proceso.

Para evitar tales problemas es importante que la densidad de corriente limitante sea lo

más elevada posible para cada proceso. La densidad de corriente limitante, Ilim(A.cm-2), viene

dada por la siguiente expresión:

)](/[)/( lim dmd ttDFCI −= δ (2.1)

Donde:

•• Cd es la concentración de la sal en la disolución de alimentación. equivalente.cm-3.

•• D es el coeficiente de difusión de la sal, medido en cm2.s-1.


36

•• F, el equivalente electroquímico. 96.500 culombios.equivalente-1.

•• δ es el espesor de la interfase membrana disolución, en cm.

•• tm es el número de transporte del ion en la membrana.

•• td es el número de transporte del ion en la disolución.

Dependiendo del electrolito que se tenga, td puede aproximarse a 0,5 (la mitad de la

corriente eléctrica en la disolución es transportada por los aniones y la otra mitad por los

cationes). Si se supone que la selectividad de las membranas es del 100% tm será igual a 1 por

lo tanto, la ecuación anterior se transforma en:

).5,0/(.)/( lim δFDCI d = (2.2)

De donde se deduce que el aumento de la densidad de corriente limitante requiere:

•• disminuir el espesor de la interfase membrana-disolución (zonas estáticas) mediante el

aumento de la velocidad de alimentación de la disolución.

•• Aumentar la concentración de la disolución de alimentación.

Además de la polarización por concentración existen dos fenómenos también

importantes por sus efectos negativos sobre la eficacia de un proceso de electromembranas: el

envenenamiento y la formación de incrustaciones (fouling).

El envenenamiento de las membranas se debe a la unión extremadamente fuerte de

ciertos iones por parte de los grupos intercambiadores de iones. Por ejemplo, el Mn+2 en el

caso de las membranas de intercambio catiónico. La única forma de evitar este inconveniente

es eliminar el ión causante del problema de la disolución mediante un tratamiento previo que

puede incluir resinas de intercambio iónico o precipitación en forma de hidróxidos.

La formación de incrustaciones está relacionada con la oclusión de los poros de la

membrana por parte de sustancias de gran tamaño que afecta fundamentalmente a las

membranas de intercambio aniónico, en disoluciones que contengan tensoactivos, proteínas,

ácidos húmicos, etc. En el caso de las catiónicas pueden producirse por precipitación interior


37

de la matriz polimérica de óxidos metálicos hidratados. Al igual que los otros dos tipos de

polarización estudiadas con anterioridad esta conduce a un incremento del consumo específico

de energía, una disminución de la eficacia de la corriente (aumento de la resistencia de la

membrana) y una disminución de la vida media de las membranas.

En general, la formación de incrustaciones se puede evitar o minimizar:

•• Eliminando la materia orgánica de alto peso molecular en un tratamiento previo.

•• Incrementando el tamaño del poro de las membranas.

•• Disminuyendo la rugosidad de la superficie de las membranas.

•• Trabajando en condiciones que minimicen la polarización por concentración. Por

ejemplo, a altas velocidades de alimentación.

•• Limpieza con compuestos químicos. Disoluciones diluidas de ácidos, bases o agentes

complejantes (EDTA que disuelve los óxidos de hierro hidratados incrustados en las

membranas catiónicas).

•• Invirtiendo periódicamente la polaridad de la celda.

22..44..11 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee llaa ccoorrrriieennttee LLíímmiittee..

Partiendo de la ecuación 2.2 que expresa matemáticamente el proceso de polarización

se puede calcular la corriente limite como se mencionó anteriormente. Pero surge un problema

y es que el espesor de la capa limite no puede ser medido directamente, por lo tanto, es

necesario estimar experimentalmente el valor de la corriente límite. Se ha encontrado que este

parámetro depende de la velocidad de flujo, y se han desarrollado ecuaciones empíricas que

las relacionan:

βα Re.)/( lim =Ci (2.3)

Donde el coeficiente Re es el número de Reynolds, β está próximo a 1/3 y α oscila

entre 0,6 y 1 (14).

Una ecuación comúnmente aceptada como primera aproximación para cualquier tipo

de membrana, y rigurosa para membranas Nepton (marca comercial de membranas), a una

temperatura de 20 ºC es la siguiente:


38

6,0lim ..145 uCJ = (2.4)

Jlim: Densidad de corriente límite en mA/cm2

C: concentración del circuito diluido en eq/L

U: velocidad de flujo en cm/s. (13)

El método más utilizado para determinar la corriente límite consiste en elaborar una

curva de polarización, para lo cual se gráfica la diferencia de potencial aplicada a los

electrodos en función de la intensidad de la corriente, bajo condiciones de concentración y

temperatura constante. La curva presenta un cambio de pendiente brusco debido al aumento de

la resistencia cuando se alcanza el valor máximo de corriente que la solución puede

transportar, el punto donde se observe esta inflexión en la curva corresponde a la corriente

límite (15).

Para obtener un cambio de pendiente mas marcado, se puede graficar la resistencia

aparente del conjunto de membranas, que corresponde a la diferencia de potencial entre la

intensidad de corriente (V/I), frente al inverso de la intensidad de corriente (1/I) (11).

22..55 CCoommppoonneenntteess BBáássiiccooss ddee uunn MMóódduulloo ddee EElleeccttrrooddiiáálliissiiss..

Para el caso en el que los compartimientos electródicos comparten un electrolito

común. Básicamente consta de los siguientes sistemas:

•• Hidráulico.

•• Eléctrico

A su vez, el sistema hidráulico consta de los sistemas de:

•• Alimentación de los compartimientos diluidos.

•• Alimentación de los compartimientos concentrados

•• Alimentación de los compartimientos electródicos.

El sistema eléctrico lo constituye un par de eléctrodos de polaridad opuestas que

permiten aplicar diferencias de potencial y densidades de corrientes diferentes según sea las

necesidades del proceso. La corriente fluye en serie entre los dos electrodos a través de las


39

diferentes celdas que componen el módulo. El consumo energético por lo general es bajo y

viene expresado por la suma de la energía eléctrica necesaria para transferir los iones a través

de las membranas y la energía eléctrica necesaria para bombear las disoluciones a través de los

compartimientos del módulo. Cuando la concentración de los iones en la alimentación es

elevada, predomina el primer término, que depende de la resistencia de los diferentes

componentes del módulo de electrodiálisis (7).

Una vez especificados los sistemas que contribuyen a un módulo de electrodiálisis, se

puede comenzar a hablar de sus componentes básicos (ver figura 2.5). Los cuales son:

•• Electrodos.

•• Membranas.

•• Espaciadores.

•• Juntas.

FFiigguurraa 22..55 EEssqquueemmaa ddee uunn mmóódduulloo ddee EElleeccttrrooddiiáálliissiiss

22..55..11 EElleeccttrrooddooss: Los eléctrodos son materiales conductores de la electricidad, a través de los

cuales se verifica la transferencia electrónica con la disolución en la que se encuentran las

sustancias cuya transformación se desea. En electrodiálisis únicamente cumplen la función de

proporcionar el campo eléctrico necesario para que se produzca el proceso. Por lo tanto son

DSAs (ánodos dimensionalmente estables como los elaborados con óxidos metálicos por

ejemplo los de dióxido de estaño) ó Pt/Ti (platino soportado sobre titanio) como ánodos, y

acero inoxidable como cátodo.

Espaciadores (3 y 5)


40

Otro factor a tomar en cuenta es la ocurrencia de reacciones en la superficie de los

electrodos. Para minimizar este factor se deben emplear soluciones de lavado con electrolitos,

como el sulfato de sodio, que no se electrolicen en las condiciones de trabajo. Con frecuencia

las soluciones de lavado de ambos electrodos se mantienen separadas, pero por lo general

estas dos corrientes se mezclan para compensar la diferencia de pH generada por las

reacciones electródicas, del mismo modo, se le adiciona ácido a dicha solución para evitar la

precipitación de calcio y magnesio. En las instalaciones industriales, en donde se manejen

grandes cargas de alimentación, es de gran importancia mantener separados los gases

generados en ambas reacciones (la anódica y la catódica), ya que en el ánodo se forma oxígeno

con algo de cloro y en el cátodo se forma hidrógeno, los cuales al mezclarse pueden originar

una combustión incontrolada del hidrógeno (7).

22..55..22 MMeemmbbrraannaass:: Basta recordar que en electrodiálisis los criterios más importantes que se

toman en cuenta para seleccionar las membranas de intercambio iónico, son los de alta

permselectividad y baja resistencia eléctrica. La única excepción la constituyen las dos

membranas que delimitan los compartimientos electródicos (de las soluciones de lavado).

Éstas últimas deberían ser perfluoradas, de alta resistencia química, ya que se enfrentan a un

ambiente químico mucho más agresivo que el resto de las membranas del módulo (oxidante en

el ánodo y valores extremos de pH, ácido en el ánodo y básico en el cátodo) (7).

22..55..33 EEssppaacciiaaddoorreess:: Los espaciadores son materiales plásticos (polietileno, poliéster) en

forma de malla que se colocan entre cada par de membranas. Sus funciones son las siguientes:

•• Proporcionar los canales de flujo a través de los cuales fluyen las disoluciones.

•• Actuar como promotores de turbulencia y controlar la distribución de flujo.

•• Sellar las celdas.

•• Soportar las membranas.

Actualmente existen dos tipos básicos de espaciadores (ver figura 2.6) que se diferencian

por el recorrido que la disolución realiza por el interior de los compartimientos del

módulo:

•• De flujo tortuoso (tortuous path).


41

•• De flujo laminar (sheet flow).

FFiigguurraa 22..66 DDiiffeerreenntteess ttiippooss ddee eessppaacciiaaddoorreess:: aa)) ddee fflluujjoo ttoorrttuuoossoo;; bb)) ddee fflluujjoo llaammiinnaarr.. AA:: eennttrraaddaa ddee llaa ddiissoolluucciióónn ddee aalliimmeennttaacciióónn.. BB:: ccaammiinnoo ddeell fflluujjoo.. EE:: mmaallllaa eessppaacciiaaddoorraa ddee pplláássttiiccoo.. PP:: pprroommoottoorreess ddee

ttuurrbbuulleenncciiaa.. SS:: ssaalliiddaa ddee llaa ddiissoolluucciióónn ddeell pprroodduuccttoo..

2.5.4 Juntas: Su objetivo es doble: Evitar fugas de electrolito en la celda, ya que es fuente

importante de problemas tales como cortos circuitos; y evitar la mezcla de las corrientes que

fluyen por los compartimientos concentrados y diluidos.

Deben poseer alta estabilidad química y resistencia mecánica. Es de gran interés que ambas

propiedades se satisfagan con el menor espesor posible, pues de esta forma se minimizará las

distancia intermembránica y por lo tanto el consumo específico de energía (3).


42

2.6 AApplliiccaacciioonneess ddee llaa EElleeccttrrooddiiáálliissiiss.

La electrodiálisis es un proceso único, ya que permite separar especies iónicas que

muchas veces no pueden ser separados por otros métodos. Además, tienen la ventaja de que es

adaptable tanto a procesos continuos como a procesos por etapas. Por estas razones tiene

muchas aplicaciones industriales, algunas de las cuales se mencionaran a continuación.

22..66..11 PPrroodduucccciióónn ddee SSaallmmuueerraa..

Es la aplicación más importante en términos de la capacidad mundial instalada.

Permite la concentración de agua de mar produciendo una salmuera de la que

finalmente se obtendrá sal sólida. De esta forma se reducen los costos, ya que la

cantidad de agua que se debe evaporar para obtener los cristales de sal será mucho

menor, lo que implica un menor gasto de energía (12). Por estas consideraciones y

otras locales la sal de mesa se fabrica en Japón por electrodiálisis. La producción anual

estimada es superior a las 350.000 toneladas, que exigen más de 500.000 m2 de área de

membrana. Los lideres en este campo son obviamente las empresas japonesas

TOKUYAMA SODA, ASAHI GLASS y ASAHI CHEMICAL (7).

22..66..22 DDeessaalliinniizzaacciióónn ddee AAgguuaa..

Con este método puede producirse agua para la industria petroquímica, refinerías, agua

para caldera y generadores de vapor, agua para refrigeración, e incluso agua potable

(Figura 2.7). Este proceso resulta adecuado para obtener agua potable a partir del agua

de mar en aquellos lugares donde las fuentes de agua son escasas, la mayor parte de las

plantas potabilizadoras de agua salada se encuentran en Oriente Medio y en el Norte de

África (10).


43

FFiigguurraa 22..77 UUnniiddaadd aa ggrraann eessccaallaa ppaarraa llaa ddeessaallaacciióónn ddee aagguuaa ddee mmaarr

22..66..33 DDeessmmiinneerraalliizzaacciióónn ddeell SSuueerroo LLáácctteeoo..

Es la tercera aplicación en cuanto a capacidad mundial instalada. El lactosuero como

efluente es muy contaminante por su alta demanda bioquímica de oxígeno y su alta

demanda química de oxígeno. En algunos países industrializados, este suero es

recuperado por diversas técnicas, ya que contienen una cantidad no despreciable de

proteínas, lactosa y calcio que lo hacen atractivo para la elaboración de productos

lácteos. Para mejorar el lactosuero se debe disminuir o eliminar el contenido de sal y en

algunos casos disminuir su acidez. La electrodiálisis permite separar la sal del suero

salado sin eliminar los compuestos orgánicos, como proteínas y lactosa, presentes en el

suero gracias a la selectividad de las membranas utilizadas. Por medio de

electrodiálisis también es posible separar ácido láctico formado por fermentación de la

lactosa presente en el suero lácteo (16).

22..66..44 RReeccuuppeerraacciióónn ddee PPrroodduuccttooss QQuuíímmiiccooss..

Se puede utilizar para recuperar los reactivos en procesos de neutralización ácido base

en los que se obtiene una sal de poco valor. Por ejemplo, en la industria papelera se

producen grandes cantidades de sulfato de sodio, este producto puede convertirse de

nuevo en ácido sulfúrico y sosa por medio de una electrodiálisis (10).


44

22..66..55 SSeeppaarraacciióónn ddee AAmmiinnooáácciiddooss..

Los aminoácidos tienen la propiedad de que pueden ser protonados a valores de pH que

dependen de su punto isoeléctrico. Aprovechando esto, puede llevarse a cabo una

separación por electrodiálisis a diferentes pH para cada aminoácidos (10).

22..66..66 RReeccuuppeerraacciióónn ddee ssaalleess mmeettáálliiccaass eenn PPrroocceessooss ddee RReeccuubbrriimmiieennttoo GGaallvváánniiccooss..

Mediante electrodiálisis se logra concentrar las aguas de lavado de los recubrimientos y

recircularlas al proceso, con lo que se logra una recuperación superior al 90 %, no sólo

de los metales contenidos en la disolución de lavado, sino también de otros compuestos

como ácido bórico y cianuros. Además se minimiza el problema medioambiental que

implica desechar esta agua de lavado. Ejemplos de esta aplicación son la recuperación

de níquel y sales de cobre, entre otros (16).

22..66..77 RReeccuuppeerraacciióónn ddee áácciiddooss MMiinneerraalleess yy MMeettaalleess PPeessaaddooss..

Por medio de procesos de electrodiálisis con membranas muy especializadas, es

posible obtener concentraciones de ácidos comprendidas entre 12 y 22 %, partiendo de

disoluciones 100 veces más diluidas, lo que facilita el reciclado de dichos ácidos. En el

caso de efluentes que contienen metales pesados y otros residuos tóxicos es posible

eliminarlos, siempre y cuando estén ionizados, y concentrarlos para, mediante un

tratamiento posterior recuperarlos o depositarlos en vertederos controlados (16).

22..66..88 EElleeccttrrooddiiáálliissiiss ccoonn MMeemmbbrraannaass BBiippoollaarreess..

Las membranas bipolares tienen la propiedad de comportarse como aniónicas por una

cara y catiónicas por otra. La aplicación más importante de este proceso es la

regeneración de baños de decapado de acero. Las aguas residuales del proceso de

decapado contienen hidróxidos metálicos, ácido fluorhídrico (HF) y ácido de nítrico

(HNO3). Para su recuperación se precipitan los hidróxidos metálicos añadiendo

hidróxido de potasio (KOH), y la solución resultante es sometida a una electrodiálisis

con membranas bipolares con lo cual se regenera el KOH por un lado y por el otro se

tiene una mezcla de HF y HNO3 que es recirculada al proceso de decapado (16).

CCaappiittuulloo IIIIII EEll RReeccuurrssoo ddeell AAgguuaa

45

CCAAPPIITTUULLOO IIIIII

EEll RReeccuurrssoo ddeell AAgguuaa..

El agua, junto con el aire, la tierra y la energía, constituyen los cuatro principales

recursos naturales básicos para la existencia y desarrollo del hombre. Los antiguos filósofos

griegos consideraban al agua como uno de los cuatros elementos junto con el aire, el fuego y

la tierra Los científicos no descartaron esta idea hasta la última mitad del siglo XVIII.

Desde épocas anteriores, el hombre utiliza el recurso agua como elemento necesario

para lograr mejores niveles de desarrollo. Es así, como el aprovechamiento de este recurso

natural le facilitó al hombre primitivo, hace aproximadamente 8.000 años, emprender el

camino de la segunda revolución tecnológica humana conocida como la revolución agrícola

social. Las principales culturas que surgieron en la antigüedad se desarrollaron en las riveras

de grandes ríos; este es el caso de Mesopotámica desarrollada en las riveras de los ríos Tigris

y Eufrates, la India en el Indo, la Egipcia en las márgenes del río Nilo y la China junto al río

Amarillo.

Como consecuencia de la revolución industrial, se produce un crecimiento exponencial

de la población humana y la expansión industrial por todo el planeta agravándose en la

segunda parte del siglo XX; situación que ha demandado grandes volúmenes de agua, y que

podría ser insostenible en nuestro siglo XXI, como consecuencia de esta demanda y el modelo

de gestión seguido por el hombre para satisfacerla ha ocurrido el agotamiento progresivo de

las fuentes naturales de estos recursos (17).

El agua es el componente químico más abundante en la biosfera y quizás el más

importante. Es también el mayor constituyente de los seres vivos; casi toda la vida en la tierra,

incluida la humana, utiliza agua como la sustancia indispensable para los procesos

metabólicos.

El agua en el ambiente no es químicamente pura, ya que en su ciclo hidrológico,

absorbe, arrastra y disuelve gases, minerales, compuestos vegetales y microorganismos que le

dan características muy especiales.


46

33..11 DDiissppoonniibbiilliiddaadd ddeell aagguuaa eenn eell PPllaanneettaa..

A pesar de que el volumen total del agua en el planeta es de 1,386·1018 m3, la cantidad de

agua dulce disponible es de aproximadamente sólo el 0,008%, es decir, 5,544·1015 m3. Esta

cantidad representa para una población mundial de 6 mil millones de personas un volumen

promedio de aproximadamente 9,24·105 m3 por persona. La velocidad a la cual se puede

utilizar esta aparente abundancia de agua está limitada por la rapidez con la cual el agua se

desplaza en el ciclo hidrológico. Como el tiempo de reposición, puede variar desde unos días

hasta 30.000 años, es difícil estimar una dotación per cápita continua (17).

Como una referencia más práctica para estimar la disponibilidad de agua, Kiely (18)

considera utilizar el balance hidrológico anual en el planeta que determina una precipitación

anual sobre la tierra de 119 mil km3; considera, además, que sólo puede estar disponible el

30%. Basado en esta información, la dotación por persona al día es aproximadamente 16,3·103

l/hab·día (17).

Esta disponibilidad diaria de 16 mil litros por persona no se corresponde con el déficit de

agua que tiene varias regiones del planeta. Actualmente, la escasez de agua potable en estas

regiones se debe a la distribución no uniforme de las fuentes de agua en la tierra, a la

ubicación de muchas ciudades lejos de estas fuentes, al aumento de la demanda de agua

potable y a la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. La combinación de

estos factores nos demuestra por qué el consumo promedio diario de agua en el mundo es de

35 litros por persona. Como la Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda un

consumo por habitante de 250 litros, es evidente la escasez de agua en muchas regiones del

planeta.

El agua para abastecimiento público corresponde al agua de determinada calidad física,

química y biológica utilizada en hogares, escuelas, hospitales, comercios, limpieza de calles y

protección contra incendios. La calidad del agua de abastecimiento utilizada para consumo

humano tiene un impacto significativo en la salud y bienestar de la población.


47

El agua para la industria se utiliza como materia prima (por ejemplo en la industria de

refrescos y bebidas), en el control de procesos (como la refrigeración o la generación de

vapor) y en las operaciones de limpieza (lavado de equipos).

El agua para irrigación permite el desarrollo de la agricultura en regiones secas o cuando

los períodos de lluvia y verano son de baja pluviosidad. El agua como vía de transporte la

utiliza el hombre desde tiempos remotos con el fin de facilitar la comunicación y el

intercambio entre pueblos. El agua como medio de recreación es fundamental para la salud

física y mental de las personas; este es el caso del uso de las playas y balnearios en ríos (17).

Todos estos usos que corresponden a la cotidianidad de la civilización generan

consumos, que a medida en que aumenta el grado de contaminación de las fuentes, son menos

satisfechas, y es así como se genera la necesidad de preservar las fuentes naturales, y la

reutilización de las aguas ya usadas, ya sea para tratarlas completamente para su regreso

inmediato al servicio, o ayudar al ambiente tratándolas parcialmente (lo mínimo necesario)

para que la madre tierra haga el resto y así contar con mas tiempo de este vital recurso.

33..22 LLaass AAgguuaass RReessiidduuaalleess..

Hasta los años sesenta del siglo XX, la descarga de residuos líquidos en muchos ríos,

lagos o estuarios no modificó irreversiblemente sus propiedades naturales debido a que la

carga contaminante vertida era inferior a la capacidad de autopurificación de estos ecosistemas

acuáticos. Posteriormente, como consecuencia de la explosión demográfica e industrial el

exceso de materia contaminante vertido ha sobrepasado, en muchos casos, la capacidad natural

de purificación de las masas de agua receptoras, transformándolas en focos permanentes de

contaminación.

Las masas de agua receptoras al perder las propiedades físicas, químicas y biológicas

necesarias para mantener el equilibrio del ecosistema, pierden también sus condiciones

naturales para ser utilizadas como fuentes de abastecimiento de agua para uso doméstico e

industrial, para uso recreativo, como vías de transporte o como fuente de energía.


48

La perdida cada vez mayor de la calidad de las aguas naturales, aunado a las escasas

reservas de agua dulce en el planeta, llevó al hombre a plantearse la necesidad de revisar el

modelo actual de gestión de los residuos líquidos y estudiar su incidencia en la disponibilidad

de agua potable para las futuras generaciones (17).

Las aguas residuales son todos aquellos residuos líquidos resultantes de las diferentes

actividades del hombre, cuya calidad desde el punto de vista físico, químico o microbiológico

se considera no apta para el consumo humano. Se pueden clasificar en aguas domésticas,

aguas industriales y aguas municipales o negras (17).

El origen de los desechos es un determinante de las características de cada desecho. Se

distinguen tres tipos de desechos.

33..22..11 DDeesseecchhooss LLííqquuiiddooss MMuunniicciippaalleess..

Se originan principalmente en las viviendas y en el comercio, son las aguas residuales

de centros urbanos, la composición cambia de un lugar a otro, en función de las

condiciones socioeconómicas de la población, el clima y otros factores típicos de cada

localidad. Debido a los diferentes usos que se le han impartido, en las aguas residuales

hay más cloruros, sulfatos, nitrógeno, fósforo, sólidos y materia orgánica que en el

agua de consumo. Las concentraciones de oxigeno disuelto son muy bajas, ya que la

materia orgánica se descompone u oxida por la acción de microorganismos en el agua

consumiendo el oxigeno disuelto (19). Las labores domésticas contaminan el agua,

sobre todo, con residuos fecales y detergentes.

33..22..22 DDeesseecchhooss llííqquuiiddooss AAggrrooiinndduussttrriiaalleess..

Se produce en explotaciones pecuarias y en el procesado de cosechas de alimentos.

Aportan cantidades apreciables de materia orgánica biodegradable, materia en

suspensión, nitrógeno, fósforo, etc. (19). Los trabajos agrícolas y ganaderos pueden

producir una contaminación muy grave de las aguas de los ríos y los acuíferos, debido

sobre todo a los vertidos de aguas cargadas de residuos orgánicos, procedentes de las

labores de transformación de productos vegetales, o de los excrementos de los

animales.


49

33..22..33 DDeesseecchhooss LLííqquuiiddooss IInndduussttrriiaalleess..

Las aguas industriales son generadas en las diferentes actividades industriales, por

tanto, pueden ser un residuo acuoso proveniente del proceso, el agua resultante de las

actividades de lavado o el agua utilizada como refrigerante. El volumen de agua

residual producida depende principalmente del tipo y tamaño del complejo industrial y

del porcentaje de agua reutilizada. Los residuos industriales, a diferencia de los

municipales, son de composición muy variada y sus características físicas, químicas y

biológicas son específicas para cada industria; por ejemplo, los residuos procedentes de

la industria láctea son muy biodegradables, en cambio los derivados de la industria de

la galvanotecnia son inorgánicos y tóxicos (17).

Entre los principales contaminantes e industrias que los generan están las siguientes

(19).

Materia orgánica biodegradable: Esta procede de mataderos, curtiembres, centrales

azucareros, fábricas de cerveza, destilados, alimentos enlatados, pasta alimenticia.

Materia en suspensión: Se originan en fábricas de jabones, aceites y grasa, cerveza,

hilados y laboratorios de productos farmacéuticos.

Compuestos orgánicos: Fenoles, orgánicos sintéticos, proceden de refinerías y

producción de petróleo, plantas de coque y productos sintéticos.

Agentes reductores inorgánicos: sulfitos, sulfatos y sales ferrosas, provienen de la

industria de la pulpa y papel y la minería.

Grasas, aceites, combustibles y materia flotante: se originan en fábricas de grasas,

aceites vegetales, jabones, productos lácteos y estaciones de servicio automotor.

Nitrógeno y fósforo: provienen de fábricas de fertilizantes, productos alimenticios

ricos en proteínas y operaciones pecuarias.

Color y turbidez: afectan la estética del agua, provienen de plantas de pulpa y papel,

industria textil, productos químicos, farmacéuticos, alimentos y limpieza de metales.

Calor: provienen de sistemas de enfriamiento, plantas termoeléctricas, calderas de

vapor y reactores nucleares, en este caso el agua residual, que no presenta

contaminantes orgánicos o inorgánicos, tiene una temperatura mucho más elevada que


50

la de los cauces a los que va a parar, ocasionando graves trastornos en los ecosistemas

acuáticos.

En el caso de la producción petrolera encontramos como principales residuos líquidos,

las aguas de producción y lodos perforación, los contaminantes principales de estos dos

residuos son: sales, aceites, gases, DBO, Olor, Fenoles y compuestos sulfurosos y aceites

En definitiva, la consecuencia de la producción de todos estos contaminantes es el

vertido de aguas residuales cargadas de materia orgánica, metales, aceites industriales e

incluso radiactividad. Para evitar los problemas que pueden causar los contaminantes de las

aguas residuales existen sistemas de depuración que sirven para devolverles las características

físicas y químicas originales.

33..33 CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddee llaass aagguuaass rreessiidduuaalleess..

El grado de contaminación que produce un agua residual se puede determinar por medio

de sus características físicas, químicas o biológicas. Es importante considerar que los

parámetros que determinan las características físicas, químicas y biológicas del agua no son

independientes entre si; este es el caso de la temperatura (parámetro físico) que afecta en el

agua la concentración de los gases disueltos (parámetro químicos) o la actividad biológica de

los microorganismos (parámetro biológico) (17).

33..33..11 CCaarraacctteerrííssttiiccaass FFííssiiccaass..

TTeemmppeerraattuurraa::

Varía de un lugar a otro y durante las horas del día y épocas del año. En el trópico

puede variar entre 15 y 26 ºC para desechos domésticos. El aumento de temperatura acelera la

descomposición de la materia orgánica, aumenta el consumo de oxigeno para la oxidación y

disminuye la solubilidad del oxígeno y otros gases. La densidad, viscosidad y tensión

superficial disminuyen al aumentar la temperatura, estos cambios modifican la velocidad de

sedimentación de partículas en suspensión y la transferencia de oxigeno en procesos

biológicos de tratamiento (19).


51

SSóólliiddooss::

Se encuentran en suspensión, coloidales y disueltos, en los análisis de laboratorio sólo

se hace la distinción entre sólidos en suspensión que retiene el papel de filtro #40 y disueltos.

Además se determinan los sólidos totales por evaporación (19).

LLaa TTuurrbbiiddeezz::

Es una medida de la capacidad de un agua residual para transmitir o en su defecto

absorber la luz, debido a la cantidad de materia en suspensión y coloidal presente en el agua

como arcilla, limo, materia orgánica o microorganismos. El agua turbia restringe la

profundidad visual y refleja condiciones antiestéticas y no adecuadas para su uso (17).

EEll CCoolloorr::

Es la respuesta visual a la presencia de sustancias orgánicas e inorgánicas en el agua

como taninos, ácidos húmico, óxidos de hierro o manganeso y residuos industriales

procedentes de procesos de pulpa y papel, textileras, colorantes, agroindustriales, mataderos,

etc. El color puede reflejar la edad del agua residual, por ejemplo, el agua residual municipal

recién producida es generalmente gris; sin embargo, a medida que avanza el proceso de

descomposición el color del agua cambia a gris oscuro para finalmente tornarse negra (17).

EEll OOlloorr::

Es la respuesta fisiológica del sentido del olfato a la presencia en el agua residual de

sustancias volátiles, tanto orgánicas (fenoles, etc.) como inorgánicas (amoníaco, cloro, sulfuro

de hidrógeno, etc.). En el caso de las aguas residuales domésticas, el olor se debe

principalmente a los gases producidos durante la descomposición de la materia orgánica (17).

33..33..22 CCaarraacctteerrííssttiiccaass QQuuíímmiiccaass..

LLooss ÁÁcciiddooss yy BBaasseess::

Aportan cantidades de iones hidronio u oxidrilos suficientes para producir variaciones

en el pH natural de los ecosistemas acuáticos. El intervalo de pH apropiado para el desarrollo

de la vida está comprendido entre 6,5 y 7,5.


52

LLooss CClloorruurrooss::

Son aniones que se encuentran en el agua residual proveniente, en la mayoría de los

casos, de una de las sales más utilizadas en la alimentación humana como es el cloruro de

sodio. Se estima que el hombre expulsa a través de la orina y las heces aproximadamente 6

gramos de cloruros por persona al día, en consecuencia, la presencia de este ión en el agua

residual podría indicar la posible contaminación de origen fecal (17).

LLooss NNuuttrriieenntteess::

El nitrógeno agregado en las proteínas principalmente y el fósforo en compuestos

orgánicos y los detergentes son nutrientes que promueven el crecimiento de organismos

productores autótrofos en aguas receptoras de desechos (19).

TTóóxxiiccooss::

Afectan a los microorganismos y a los procesos de tratamiento y provienen de

productos farmacéuticos, químicos y biocida. Algunos tóxicos comunes son: plomo, cromo,

zinc, mercurio, cianuro, ácidos, bases fuertes, derivados del petróleo y biocidas (19).

GGaasseess ddiissuueellttooss::

En aguas residuales los gases son productos de la descomposición biológica de la

materia orgánica y de la transferencia desde la atmósfera. Los principales gases disueltos en

las aguas residuales son Oxigeno (O2), dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S),

amoníaco (NH3) y metano (CH4). El oxigeno es uno de los componentes más importantes de

las aguas naturales, de su presencia depende la vida de los organismos aerobios y, como

consecuencia, el equilibrio natural de los ecosistemas acuáticos. Por esta razón el oxigeno

disuelto es un indicador importante de la calidad de las aguas (17).

DDeemmaannddaa bbiiooqquuíímmiiccaa ddee ooxxiiggeennoo ((DDBBOO))::

El DBO u oxigeno consumible, es el requerido para oxidar o consumir la materia

orgánica como fuente de alimento por microorganismos aerobios. También se le conoce como

la DBO requerida por las bacterias durante el proceso de estabilización de la materia orgánica


53

susceptible de descomposición por acción bacteriana sirve como alimento para dichos

microorganismos, liberándose al mismo tiempo energía en el proceso de oxidación.

Mientras mayor es la DBO, mayor es la concentración de compuestos orgánicos en el

agua y se necesitaría mayor oxigeno disuelto para poder consumir en su totalidad la materia

orgánica. La DBO se expresa como mg de O2/l durante un periodo de 5 días a 20 ºC (19).

DDeemmaannddaa qquuíímmiiccaa ddee ooxxiiggeennoo ((DDQQOO):

La DQO se basa en que todos los compuestos orgánicos, pueden ser oxidados por la

acción de oxidantes fuertes como el dicromato de potasio, en medio ácido o sea la DQO

permite determinar en su totalidad la materia orgánica expresada en oxígeno necesario para

oxidación a CO2 y H2O. (19).

LLaa MMaatteerriiaa OOrrggáánniiccaa::

La materia orgánica esta constituida principalmente por carbono, hidrógeno, oxigeno y,

en menor proporción, nitrógeno, azufre y fósforo. Las diferentes composiciones de estos

elementos químicos forman diversos grupos de compuestos; en el caso del agua residual los

compuestos más importantes son las proteínas, los carbohidratos, los aceites, las grasas, la

urea, los agentes tensoactivos y los pesticidas. Una característica importante de la materia

orgánica es que puede ser descompuesta por bacterias y hongos; pero durante el proceso de

descomposición se consume parcial o totalmente el oxigeno disuelto en el agua (17).

33..33..33 CCaarraacctteerrííssttiiccaass BBiioollóóggiiccaass..

En aguas residuales se encuentran microorganismos saprofitos que degradan la materia

orgánica en compuestos simples utilizando o no oxigeno disuelto, y microorganismos

patógenos agregados a las aguas que mueren rápidamente al encontrarse en un medio o hábitat

extraño. Los patógenos, sin embargo, sobreviven un tiempo suficientemente prolongado para

infectar a otros usuarios del agua (19).


54

33..44 TTrraattaammiieennttoo ddee aagguuaass rreessiidduuaalleess..

Los tratamientos para aguas residuales se encuentran estandarizados en todo el mundo, y

de acuerdo a la complejidad del efluente se aplican en mayor o menor grado. Generalmente el

proceso de purificación de las aguas siguen los siguientes pasos:

33..44..11 PPrreettrraattaammiieennttoo:: involucra principalmente unidades de proceso físicas y/o

químicas. “En aguas residuales urbanas esto significa la separación de materia

flotante, arena y manchas de aceite; el pretratamiento se aplica antes de someter el

afluente a otro tipo de proceso de separación de contaminantes y consiste en

separar las partículas de gran tamaño y uniformizar el caudal del afluente que entra

a la planta purificadora. Los equipos más comunes que se emplean en el

pretratamiento son: rejillas de desbaste, canales de desarenado, unidades de

flotación y homogenización.

33..44..22 TTrraattaammiieennttoo pprriimmaarriioo:: tiene como objetivo clarificar el efluente líquido residual

sedimentando la materia orgánica flotante en reposo. Para mejorar el rendimiento

de este proceso se añaden agentes químicos como sales de hierro, cal ó aluminio

que favorecen la coagulación.

33..44..33 TTrraattaammiieennttoo sseeccuunnddaarriioo:: también denominado biológico, consiste en degradar vía

biológica la materia orgánica presente en el efluente residual en compuestos no

contaminantes como H20, CO2 y lodos. Los principales sistemas de tratamiento

secundario son: lodos activados, filtros percoladores, biotorres, biodiscos,

eliminación biológica de nitrógeno y fósforo y sistemas combinados de

nitrificación-desnitrificación.

33..44..44 TTrraattaammiieennttoo QQuuíímmiiccoo:: es el proceso terminal en la purificación de efluentes

residuales urbanos e industriales donde se emplean agentes químicos con el objeto

de eliminar los microorganismos patógenos contenidos en el agua (17,19).


55

33..44..55 TTrraattaammiieennttooss aavvaannzzaaddooss ddee llaass aagguuaass rreessiidduuaalleess:: dependiendo de las metas de

calidad del agua para el tratamiento de aguas residuales, puede ser necesario algún

proceso adicional. Este tratamiento avanzado de aguas residuales generalmente

implica coagulación y floculación química, seguidas por algún aparato

especializado de clarificación. Como alternativa, algunos métodos de filtración del

agua residual o el procesamiento con membranas podría satisfacer las metas de

calidad del agua. Otra opción para el tratamiento avanzado (terciario) del agua

residual es la oxidación química de los componentes contaminantes de dicha agua

y la adsorción de los contaminantes usando carbón activado. Los procesos de

tratamientos secundarios generalmente eliminan más del 85% de DBO, sólidos en

suspensión y casi todos los elementos patógenos. En algunas circunstancias los

contaminantes restantes en el efluente secundario constituyen un problema grave.

Los procesos capaces de eliminar contaminantes que no fueron eliminados en el

tratamiento secundario se llama procesos de tratamiento avanzado de aguas

residuales. Los procesos avanzados se muestran en la tabla 3.1.

TTaabbllaa 33..11 DDaattooss ttííppiiccooss ddee aapplliiccaacciióónn ppaarraa ooppeerraacciioonneess yy pprroocceessooss ddee ttrraattaammiieennttoo aavvaannzzaaddoo ddee aagguuaass

rreessiidduuaalleess ((2200))..

Eficiencia de la eliminación, % Descripción

Tipo de agua residual tratada SS DBO DQO NH3

N org.

NO3 PO4 TSD Desecho Final

Operaciones físicas de la unidad Remoción de amoniaco con aire

ETB --- ---- --- 85-98 --- --- --- --- Ninguno

Filtración

Multimedio ETB 80-90 50-70 40-60 --- 20-40 --- --- --- Liquido y Lodo

Lecho de diatomeas ETB 95-99 --- --- --- --- --- --- --- Liquido

Microfiltros ETB 50-90 --- --- --- 20-30 --- --- --- Lodo

Destilación ETB nitrificado **

Filtración 99 98-99 96-98 --- 90-98 99 99 95-99 Liquido

Flotación ETP, ETB 60-90 --- --- --- 20-30 --- --- --- Lodo

Aplicación en tierra ETP, ETB 95-98 90-95 80-90 60-80 80-95 5-15 60-90 --- Ninguno

Osmosis inversa ETB **, Filtración 95-98 95-99 90-95 95-99 95-99 95-99 95-99 95-99 Liquido

Adsorción de carbono ETP, ETB 80-90 70-90 60-75 --- 50-90 --- --- --- Liquido

Precipitación química ETB 80-90 70-90 60-70 5-15 30-50 --- 90-95 20 Lodo

Precipitación química en:

Lodo activado ETP 80-95 90-95 85-90 30-40 30-40 30-40 30-40 30-40 Lodo

Intercambio iónico ETB**, filtración --- 40-60 30-50 85-98 80-95 80-90 85-98 --- Liquido

Electrodiálisis ETB**, filtración**

Adsorción de carbono --- --- --- 30-50 --- 30-50 30-50 40 Liquido

Oxidación (Cloro) ETB --- 80-90 65-70 50-90 --- --- --- --- Ninguno

Reducción ETB --- --- --- --- --- NO3 NH3 --- ---

Procesos de unidad biológica Asimilación bacteriana ETP 80-96 75-95 60-80 30-40 30-40 30-40 10-20 --- Lodo

Desnitrificación Aguas de retorno

Agrícola --- --- --- --- --- 60-95 --- --- Ninguno

Recolección de algas ETB --- 50-75 40-60 50-90 50-90 50-90 50 --- Algas

Nitrificación-desnitrificación

ETP,ETB --- --- --- --- --- 60-95 --- --- Ninguno

*ETP es el afluente del tratamiento primario, ETB es el afluente del tratamiento biológico **Varía con el tipo de resina


56

33..55 EElleeccttrrooddiiáálliissiiss eenn eell ttrraattaammiieennttoo aavvaannzzaaddoo ddee aagguuaass rreessiidduuaalleess..

La electrodiálisis es usada como un proceso de desalinización con membranas. Como

se explico en el capitulo anterior utiliza un campo eléctrico para extraer iones del agua

efluente. El efluente se desaliniza gradualmente hasta el punto de ser considerado agua

producto. No existe una división o separación física del efluente. El producto es esa agua sin

iones.

El proceso de electrodiálisis, tanto el normal como el que incluye inversión de la

polaridad, se usan en todo el mundo para desalinizar aguas salobres. Usando este proceso, se

puede producir agua potable (con menos de 500 mg/l de soluto) a partir de un efluente con

hasta 3000 mg/l de soluto. La electrodiálisis con inversión de polaridad no requiere

pretratamiento químico para prevenir las incrustaciones de carbonato o sulfato, aunque

requiera tratamiento químico para la limpieza periódica. El proceso de electrodiálisis no

elimina materia orgánica, bacterias ni sílice soluble. Por lo tanto, el agua producida contiene

las mismas cantidades de estos materiales que existían en el agua efluente. Los costos de

capital y operación alimentan significativamente al aumentar la salinidad del efluente (20).

A medida que la tecnología de membranas se ha perfeccionado en los campos de la

ósmosis inversa y la nanofiltración, las aplicaciones de electrodiálisis resultan menos

económicas. Sin embargo, en ciertos casos, cuando la separación de los iones del agua es el

único requisito, los dos procesos de electrodiálisis todavía tienen algunos usos. En la tabla 3.2

se comparan los procesos de electrodiálisis y ósmosis inversa.


57

TTaabbllaa 33..22 CCoommppaarraacciióónn ddee llooss ssiisstteemmaass ddee OOssmmoossiiss IInnvveerrssaa yy EElleeccttrrooddiiáálliissiiss ((2200))..

33..66 LLaass AAgguuaass ddee PPrroodduucccciióónn..

Se pronostica el incremento de los volúmenes de aguas de producción de petróleo (aguas

de capas) que se generan en forma de aguas residuales provenientes del proceso de

separación del agua del petróleo.

Estas aguas, de características salinas y alcalinas, con notable presencia de sulfuros,

sólidos suspendidos y petróleo (flotable y emulsionado), son dispuestas por medio de la

inyección profunda, y ocasionalmente vertidas superficialmente en afluentes naturales. Ambas


58

alternativas (la inyección de pozo o el vertido en la superficie) necesitan el tratamiento de

estas aguas para mejorar su calidad (21).

33..66..11 EEll iimmppaaccttoo eenn eell AAmmbbiieennttee..

En el ámbito de la industria de los hidrocarburos, la introducción de contaminantes a

los cuerpos de agua suele suceder en las distintas actividades necesarias de la industria. Desde

la etapa inicial de exploración donde el resultado final es la producción del crudo a gran

escala, se manejan una cantidad importante de materiales potencialmente contaminantes del

entorno geográfico. Uno de ellos son las aguas de producción. A continuación se muestran

diferentes casos en los que las aguas de producción son el problema a tratar, ya sea por la

contaminación del ambiente circunvecino a los pozos petroleros, o bien sea el evitar esa

contaminación y como retornar esas aguas al ambiente sin generar impacto en el ambiente. Así

como el hecho de la alta producción de este subproducto en la industria petrolera.

Gran Producción de Agua asociada se registra en pozos venezolanos.

Fuente: EL UNIVERSAL

25 de Julio de 2004.

“Más agua que crudo: eso es lo que está saliendo de los pozos operados directamente

por PDVSA. Si antes del paro la proporción era de medio barril de agua por cada uno de

petróleo, dos años más tarde se habla de cuatro por uno. Cuatro, por supuesto, son de agua”.

“Estas cifras y otras consideraciones que explican el camino al colapso que ha venido

transitando desde entonces la industria que sostiene la economía del país son producto de un

análisis y monitoreo continuo que un grupo de expertos en el tema (dentro y fuera de PDVSA)

han venido haciendo desde hace al menos dos años desde un bajo perfil que prefieren

mantener aun hoy en día pero que no les impidió, en 2003, alertar a PDVSA: había que

implementar una buena gerencia de explotación de yacimientos”.

“En los yacimientos de hidrocarburos conviven (en distintas combinaciones) agua,

crudo y gas, por lo que la extracción de petróleo viene asociada a estos fluidos. Esa

convivencia bajo tierra se hace en condiciones que generan un nivel de presión que se


59

aprovecha para obtener el petróleo por "recuperación primaria", por sus condiciones naturales.

Esa presión disminuye con el tiempo y para asegurar que el yacimiento siga siendo productivo

se aplican métodos de "recuperación secundaria" que sostengan e incrementen el índice de

presión”.

“En el yacimiento el agua siempre está por debajo del crudo y lo empuja hacia arriba,

de manera que uno de los métodos fundamentales de recuperación secundaria es reinyectar el

agua asociada a la extracción para acentuar esa presión desde abajo. El otro sistema es inyectar

parte del gas que no se procesa para comercializarlo para que presione desde arriba y

mantenga al crudo en una suerte de sándwich” (22).

IInnaauugguurraaddoo PPrriimmeerr FFoorroo NNaacciioonnaall ddee AAgguuaass ddee PPrroodduucccciióónn PPeettrroolleerraa

Fuente: PDVSA.COM

Noviembre de 2005

01-11-2005 Rumbo a la Corporación verde Inaugurado Primer Foro Nacional de Aguas de Producción Petrolera

Barinas.- Bajo el eslogan "Del Oro Negro al Oro Blanco", el vicepresidente de Exploración y

Producción de PDVSA, Luis Vierma, inauguró este lunes en Barinas el “I Foro Nacional de Control,

Manejo y Disposición de las Aguas de la Industria Petrolera”, cita que permitirá el intercambio de experiencias

entre especialistas nacionales e internacionales, y contribuirá a conocer y optimizar aún más

los procesos en materia acuífera petrolera.

En la apertura del encuentro Vierma destacó que el agua generada en la producción de

petróleo no debe ser vista como un problema pues puede ser aprovechada, con un manejo más

eficiente, como indicador para la comprensión de las cuencas sedimentarias: “el agua es el

primer componente, es el libro donde está escrita la historia de nuestras cuencas sedimentarias,

es una molécula mágica”, expresó el vicepresidente de Exploración y Producción de PDVSA.

Por otra parte, Vierma señaló que “nuestras aguas de desechos podrán ser empleadas

para el riego y poder así apalancar la actividad agrícola, ese es el gran reto para agregar valor a

las aguas de producción, aprovechar la energía térmica”.


60

Igualmente, Vierma hizo una exhortación a “retornar a la tecnología de recuperación

secundaria con el uso del agua, ya que en muy corto plazo PDVSA se va a convertir en una

corporación verde”.

Dentro de los objetivos establecidos para el foro que se lleva a cabo en Barinas, está

visualizar y asegurar la sinergia del subsuelo para el manejo efectivo del agua de producción,

compartir los diferentes sistemas de tecnologías que reducen la producción de agua en los

pozos y difundir caos de estudios sobre los temas relacionados al foro.

De esta manera Petróleos de Venezuela fomenta la actualización de tecnologías e

ideas capaces de elevar los niveles de calidad y seguridad en el manejo de aguas de

producción petrolera, iniciativa que está enmarcada dentro de los planes de Siembra Petrolera

que la Corporación y el Gobierno Bolivariano ejecutan con el propósito de impulsar al

desarrollo del país (23).

En la última nota se resalta el interés de la industria petrolera nacional por el estudio

sobre el manejo de las aguas de producción.

PPeerrúú:: PPeettrroolleerraa ppooddrrííaa sseerr ddeemmaannddaaddaa ppoorr ccoonnttaammiinnaacciióónn

Fuente: IPS (ipsnoticias.net)

Agosto del Presente año.

¡Arankartuktaram!, ¡Respétennos!, exclaman en su lengua las comunidades indígenas

achuar desde el corazón de la Amazonia de Perú. El grito va dirigido al Estado y a las

empresas multinacionales de exploración y explotación de hidrocarburos.

Luego de más de 30 años de sufrir contaminación ambiental, el pueblo achuar de la

cuenca del río Corrientes, en la selva peruana, evalúa iniciar acciones legales contra las

compañías responsables de los daños. Este sería el primer caso llevado a las instancias

judiciales por los pueblos indígenas en este país.


61

Las actividades de explotación petrolera en territorios indígenas comenzaron con la

presencia de la estadounidense Occidental Petroleum Corporation (Oxy) en los años 70. A

partir de 1996, la compañía de capitales argentinos Pluspetrol Norte opera en las cuencas altas

de los ríos Pastaza, Corrientes y Tigre, y desde el año 2000, ha extendido su área de

intervención.

La investigación gubernamental "Visita de reconocimiento para la evaluación de la

calidad sanitaria de los recursos hídricos y muestreo biológico en las comunidades de la

cuenca del río Corrientes", publicado en mayo de 2006, contiene un informe científico sobre la

presencia de metales pesados en la población indígena, el cual fue elaborado como respuesta a

un petitorio de la Federación de Comunidades Nativas del rió Corrientes (Feconaco).

La ONG asegura que además hay contaminación en las lagunas y los lagos, donde se

abastecían de pescado las comunidades, y que se han alejado los animales del monte, que eran

alimento de los pobladores. Se trata, dice un documento de Racimos de Ungurahui, de una

cadena de daños originada por la actividad petrolera que se convierte "en un instrumento de

violación de uno de los derechos fundamentales de los pobladores: la alimentación".

Robert Guimaraes, vicepresidente de la Asociación Interétnica de Desarrollo de la

Selva Peruana (Aidesep), manifestó en nombre de las comunidades afectadas que urgía la

reinyección y el tratamiento de las aguas de producción, atender los pasivos ambientales y

evitar las actividades de nuevas petroleras en territorio achuar.

Al respecto, el ministro de Energía y Minas, el arquitecto Juan Valdivia Romero, dijo

a IPS que funcionarios de su despacho mantienen reuniones con los directivos de Pluspetrol

Norte, para que se aceleren las labores de reinyección de las aguas residuales de producción en

el subsuelo, como método de disposición ambiental aceptable.

Sobre el conjunto de los daños ambientales producidos por las empresas petroleras,

Valdivia Romero afirmó que "reconocemos la importancia que tiene para las comunidades la

pronta disminución de los pasivos ambientales. Nosotros, desde la dirección de fiscalización,

le exigimos a la empresa el estricto cumplimiento de las normas sobre el manejo de las aguas

asociadas a la extracción del petróleo" (24).


62

En este caso muy especial se da de manifiesto como el vertido de las aguas de

producción a los afluentes naturales no afecta solo al medio ambiente, si es responsable del

deterioro de la calidad de vida de la comunidad indígena, el problema no solo es de la madre

tierra, también afecta significativa mente al ser humano.

33..77 LLeeggiissllaacciióónn AAmmbbiieennttaall..

En nuestro país existen normas y leyes para la protección del ambiente así como un

organismo que vela por el cumplimiento de ellas, este organismo es el Ministerio del

Ambiente y Los Recursos Naturales.

Entre las principales normas que rigen el control de la calidad de los cuerpos de agua y los

vertidos líquidos es el conocido como “Decreto 883” publicado en Gaceta Oficial de la

Republica de Venezuela Nº 5.021 el 11 de octubre de 1995, el cual dicta las Normas para la

Clasificación y el Control de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos o Efluentes

Líquidos. (25). En este decreto el estado venezolano reconoce la obligación de proteger las

cuencas hidrográficas, la clasificación y control de la calidad de los cuerpos de agua y el

control de los efluentes líquidos susceptibles a degradar el medio acuático y alterar los niveles

de calidad para preservar y mejorar el medio ambiente.

En el Capitulo III (del control de vertidos líquidos) en el articulo 7 (la sección I de este

decreto) se habla de las actividades que están sujetas a control por este decreto, de acuerdo a

la Clasificación Industrial Internacional Uniforme de las Naciones Unidas, la lista de

actividades industriales es grande pero resalta la de La Producción de Petróleo y Gas Natural,

la cual esta clasificada como división 22, agrupación 220 grupo 2200 (25).

Además toda actividad que genere vertidos líquidos que no estén incluidas en el artículo 7

son controladas por este decreto, es así como en el artículo 8 señala que serán controladas:

a) Actividades cuyos vertidos contengan elementos tóxicos o nocivos indicados en el artículo

9, grupo I ver anexos.

b) Actividades cuyos vertidos superan una población equivalente de 1000 PE en términos de

demanda bioquímica de oxigeno (DBO5,20), con sólidos suspendidos por encima de


63

90g/had/día o DBO mayor de 54 g/had/día o que afecten desde el punto de vista sanitario

áreas recreacionales o cuerpos de agua.

c) Las aguas servidas que en su conjunto, tenga descargas que excedan el límite de 1000 PE, en

términos de DBO5,20.

Otro artículo a resaltar en este resumen del decreto 883, es el articulo 9, y destacar que en

el grupo II de los constituyentes de vertidos líquidos, se habla de sustancias que aún cuando no

se conozca de su efecto tóxico, agudo o crónico, genera condiciones en el cuerpo receptor que

afecta la biota o perjudican cualquier uso potencial de las aguas. Es en este grupo que

encontramos entre muchos otros constituyentes de la contaminación a los cloruros. Y a más

allá en el artículo 10 se establecen los rangos y límites máximos de calidad de vertidos

líquidos a ríos, estuarios, lagos y embalses. Encontramos que para cloruros el límite máximo

es de 1000 mg/l.

Hemos visto parte de las normas que controlan el vertido de los residuos líquidos, y se han

resaltado los que hablan sobre la concentración de cloruros ya que es lo que se busca controlar

con el proceso de electrodiálisis. Las empresas productoras de petróleo están en la obligación

de cumplir estas normas y de allí la inquietud sobre el tratamiento de las aguas asociadas a la

extracción del hidrocarburo.

CCaappiittuulloo IIVV AAnntteecceeddeenntteess

64

CCAAPPIITTUULLOO IIVV

AAnntteecceeddeenntteess..

La base fundamental para la elaboración de un proyecto, constituye la evolución

de una idea propia o ajena, de alguna inquietud que se tiene para resolver un problema.

En vista de ello es necesario realizar la investigación de trabajos similares acerca del

proyecto. A continuación se presenta un antecedente (el único a nuestro conocimiento)

donde se estudió la desalación de aguas de producción con el uso de la electrodiálisis.

SIRIVEDHIM, T; Mc CUE, J; DALLBAUMAN, L; Reclaiming produced water

for beneficial use: salt removal by electrodialysis. Se utilizó la Electrodiálisis para

remover sales de cinco tipos aguas de producción sintéticas que simulaban a diferentes

pozos productores de los Estados Unidos, tres de esas aguas fueron de baja

concentración de sales y las otras dos de alta concentración. Se evaluaron el efecto de

aplicar tres diferentes caídas de potencial (3,0, 6,5 y 9,8V), y el efecto de las diferentes

concentraciones, el orden de transferencia de los cationes también fue estudiado y se

encontró el orden (del mas rápido al mas lento) Mg2+ ≈ Ca2+ > K+ > Na+. También se

encontró que a mayor voltaje es menor el tiempo de tratamiento y que para soluciones

de alta concentración de sales se requirió más tiempo de proceso. (27).

CCaappiittuulloo VV MMeettooddoollooggííaa EExxppeerriimmeennttaall

65

CCAAPPIITTUULLOO VV

MMEETTOODDOOLLOOGGÍÍAA EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL

Para alcanzar los objetivos propuestos fue necesario hacer diversas pruebas

experimentales; para ello se utilizaron materiales y equipos, además de una metodología para

los diferentes ensayos y pruebas realizadas en el laboratorio.

55..11 MMaatteerriiaalleess yy EEqquuiippooss UUssaaddooss..

Entre los materiales usados en las pruebas realizadas en el proyecto se encuentran:

Material de vidrio de laboratorio: como buretas, fiolas, agitadores, embudos, matraces,

vasos precipitados, pipetas, cilindros graduados, balones aforados de 25 ml, 50 ml, 100 ml,

500 ml, 1000 ml y 2000 ml.

FFiigguurraa 55..11 BBuurreettaass uussaaddaass..

Soporte universal.

Cronómetro.

Desecadora con Silica Gel.

Para medir la conductividad de las soluciones se utilizó un conductímetro de OAKTON

modelo CON510 TDS, y una celda de conductividad modelo WD-35608-50 con sensor de

temperatura, cuyas características son:

Intervalo para la constante de celda: 0,75 – 0,95 cm-1. Rango de Conductividad: < 100 mS/cm. Rango de temperatura: 0 – 100 ºC.


66

Cuerpo de Epoxi. Electrodos de Acero inoxidable de constante K=1,0.

FFiigguurraa 55..22 CCoonndduuccttiimmeettrroo

Equipo de filtración para separar los sólidos suspendidos, dicho equipo constaba de:

Papel de filtro Whatman® de N# 2 Cat Nº 1002150 de 15,0 cm de diámetro 40

ashless, hecho de celulosa.

Bomba de vacío.

Matraz Kitasato.

Embudo buncher.

a b c

d

FFiigguurraa 55..33 EEqquuiippoo ddee ffiillttrraacciióónn ppaarraa aagguuaass ddee pprroodduucccciióónn.. ((aa))PPaappeell ddee ffiillttrroo,, ((bb)) eemmbbuuddoo,, ((cc)) kkiittaassaattoo yy

((dd)) eeqquuiippoo ccoommpplleettoo ccoonn llaa bboommbbaa ddee vvaaccííoo.


67

Balanza analítica digital Denver Instruments.

FFiigguurraa 55..44 BBaallaannzzaa DDiiggiittaall

Equipo de Absorción Atómica: para la determinación de los iones disueltos en las aguas

tratadas, específicamente sodio, potasio, calcio y magnesio, se utilizó un espectrofotómetro

de absorción atómica Marca Varian modelo SpectrAA 55B.

FFiigguurraa 55..55 EEqquuiippoo ddee AAbbssoorrcciióónn AAttóómmiiccaa SSppeeccttrraaAAAA 5555BB

El equipo utilizado para la desmineralización de las soluciones de cloruro de sodio y la

solución sintética, es un electrodiálizador modelo CH-O, fabricado por la empresa

japonesa Asahi Glass Co. (ver figura 5.6). Este modelo de electrodiálizador, es un equipo

comercial a escala piloto para uso experimental, el cual proporciona los mismos resultados

que un equipo industrial. El diagrama del equipo y sus circuitos hidráulicos se muestran en

la figura 5.7. Las especificaciones del electrodiálizador son las siguientes:

Modelo: CH-O. Número de pares de membranas: 10 Membrana aniónica: AMV (estándar) Membrana catiónica: CMV (estándar) Membrana del ánodo: CMV (estándar) Membrana del cátodo: CMV (estándar) Dimensiones de las membranas: 160mm ancho x 240mm largo. Área efectiva de las membranas: 0,021 m2. Espesor del espaciador: 0,75 mm.


68

Material del ánodo: Pt - Ti. Material del cátodo: SUS316. Material del sistema de tubería: U-PVC. Tanques de almacenamiento: el electrodiálizador posee tres tanques rectangulares de

PVC de 3,5 litros de capacidad cada uno, para almacenar las soluciones diluida, concentrada y de lavado, que serán alimentadas al equipo.

Rotámetros: cada circuito de flujo posee un rotámetro de área, elaborado de PVC y acrílico, con rango de trabajo de 0 – 300 l/h.

Bombas: tres bombas centrifugas fabricadas por Iñaki Pumps, con una descarga máxima de 16 – 19 l/min y una cabeza máxima de 2,7 – 4,2 m de agua (50 – 60 Hz).

Para el suministro de corriente se utilizó una fuente de poder fabricada por Kikusi modelo

350 W–PAN35-10A, cuyas especificaciones son:

Voltaje y frecuencia de entrada: 120 V, CA monofásica, 50/60 Hz. Voltaje variable entre 0 – 35V. Corriente variable entre 0 – 10A.

FFiigguurraa 55..66 IImmáággeenneess ddeell EElleeccttrrooddiiáálliizzaaddoorr uussaaddoo ppaarraa llaa eexxppeerriieenncciiaa.. ((aa)) EElleeccttrrooddiiaalliizzaaddoorr,, ((bb)) ppaaqquueettee ccoonn mmeemmbbrraannaass,, ((cc)) eelleeccttrrooddiiaalliizzaaddoorr,, ((dd)) bboommbbaass,, ((ee)) ffuueennttee ddee ppooddeerr..

a b c

d e


69

FFiigguurraa 55..77 EEssqquueemmaa ddeell llooss cciirrccuuiittooss hhiiddrrááuulliiccooss ddeell eelleeccttrrooddiiáálliizzaaddoorr CCHH--OO

El circuito representado por el color verde en la figura 5.7 muestra la trayectoria de la

solución de lavado de electrolitos, la cual sale del tanque TE pasa por una bomba, luego por

un rotámetro y al final se divide en dos corrientes que se dirige a cada uno de los

compartimientos de los electrodos (cátodo EK y ánodo EA); igualmente la línea azul

representa el circuito de solución diluida (solución de la que queremos eliminar los iones),

dicha solución parte del tanque TD, pasa por la bomba, un rotámetro y una válvula que regula

su flujo, pasa por el compartimiento D (diluido) y al final terminan en el tanque TD; por

ultimo el circuito de color rojo representa el ciclo de la solución concentrada que lleva una

trayectoria similar al anterior.

55..22 RReeaaccttiivvooss..

Cloruro de sodio (NaCl, Riedel de Haën, extrapure).

Sulfato de sodio (Na2SO4, Riedel de Haën, grado analítico).

Acido sulfúrico (Fluka, 95-97%, H2SO4).

Cloruro de potasio (Riedel de Haen, pro analisi, KCl).


70

Bicarbonato de sodio (Reactivos S.A., USP, NaHCO3).

Sulfato de magnesio (Riedel de Haen, pro analisi, MgSO4).

Cloruro de calcio (Merck, pro analisi, CaCl2)

Nitrato de Plata (AgNO3 al 99,8% de pureza).

Cromato de Potasio (K2CrO4).

Agua Destilada.

55..33 MMeettooddoollooggííaa..

Los pasos realizados en las pruebas y ensayos para cumplir a cabalidad cada uno de los

objetivos propuestos se describen a continuación.

55..33..11 PPrreeppaarraacciióónn ddee ssoolluucciioonneess ddee NNaaCCll yy ddee AAgguuaa ssiinnttééttiiccaa ppaarraa llaass ccoorrrriieenntteess ddee

ccoonncceennttrraaddoo yy ddiilluuiiddoo eenn eell eeqquuiippoo ddee eelleeccttrrooddiiáálliissiiss yy oottrraass ssoolluucciioonneess nneecceessaarriiaa ppaarraa llooss

eennssaayyooss..

Se prepararon inicialmente soluciones de NaCl de 1000 y 2500 ppm para la primera fase

del proyecto, la primera se utilizó como solución en donde se concentró la sal, y la segunda

como solución a diluir. Para cada corrida se prepararon dos litros de cada una de las

soluciones. En la segunda fase del proyecto se utilizó una solución de 500 ppm de NaCl como

la solución de concentración.

Además de las soluciones anteriores se prepararon dos litros de una solución de

Na2SO4 al 3% peso, y se acidificó con H2SO4 para mantener la solución en un pH entre 3 y 2.

Esta solución es usada como solución de lavado de los electrodos.

También se prepararon soluciones de NaCl de 50 y 10 ppm, y se midieron sus

conductividades para tener una referencia al momento de realizar las pruebas con el

electrodiálizador.

La solución utilizada como solución a diluir en la segunda fase del proyecto fue un “Agua

Sintética” con la que se buscaba simular las aguas de producción obtenidas del pozo La

Victoria del estado Apure, el contenido de esta Agua Sintética se muestra en la siguiente tabla.


71

TTaabbllaa 55..11 CCaannttiiddaaddeess ppaarraa pprreeppaarraarr 22 lliittrrooss ddee ssoolluucciióónn ssiinnttééttiiccaa ddee aagguuaa ddee pprroodduucccciióónn ““AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa””..

Compuesto mmoles mg para 2 litros

NaHCO3 38 3192,38

Na2SO4 0,2 28,4

NaCl 116,8 6825,8

MgSO4·6H2O 7,8 1781,3

KCl 1,54 114,8

CaCl2 2,8 310,8

Buscando estudiar el efecto en la concentración de la corriente a diluir, se preparó otro tipo

de Agua Sintética similar a la anterior pero al doble de la concentración en todos los

compuestos que la componen, quedando de la siguiente manera (Tabla 5.2).

TTaabbllaa 55..22 CCaannttiiddaaddeess ppaarraa pprreeppaarraarr 22 lliittrrooss ddee ssoolluucciióónn ssiinnttééttiiccaa ddee aagguuaa ddee pprroodduucccciióónn aall ddoobbllee ddee ssuu

ccoonncceennttrraacciióónn ““AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa 22””.. Compuesto mmoles mg para 2 litros

NaHCO3 76 6384,76

Na2SO4 0,4 56,8

NaCl 233,6 13651,6

MgSO4·6H2O 15,6 3562,6

KCl 3,08 229,6

CaCl2 5,6 621,6

Las soluciones empleadas para determinar la concentración de cloruros por el método de

Mohr fueron nitrato de plata como titulante y como indicador cromato de potasio. Dichas

soluciones fueron de 0,02 N de AgNO3, y 0,01 M de K2CrO4. Para la preparación de dos litros

de solución de nitrato de plata fue necesario pesar 6,8084 g de dicho compuesto al 99,8%,

luego de preparada la solución fue necesario valorarlo para determinar su concentración

exacta, ya que es la solución titulante y es necesario saber el valor exacto de su concentración,

para ello se prepara una solución de NaCl a 0,02M, con una sal previamente desecada en la

campana desecadora con silica gel, y con esta solución conocida se procede a aplicar el

método de Mohr para determinar la concentración del nitrato de plata.

En los ensayos de Absorción Atómica realizados para determinar metales en las muestras

se prepararon diferentes soluciones para cada uno de los ensayos realizados. Para analizar el


72

sodio por emisión de llama se preparó una solución de KCl a 2000 ppm para realizar las

disoluciones necesarias de las muestras durante el ensayo ya que en la prueba no se puede

diluir con agua destilada, requiriéndose alrededor de 6 litros para todo el ensayo, además se

pesó 0,6355 g de NaCl desecada para preparar 250 ml de NaCl a 1000 ppm Na+ (diluyendo

con KCl), esto con el fin de utilizarla como solución madre para realizar las diluciones de

dicha solución a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm de Na+ y con ello realizar la curva de calibración de la

absorción atómica (siempre diluyendo con la solución KCl preparada anteriormente). Las

diluciones de NaCl se obtienen a partir de alícuotas provenientes de la solución madre. El

volumen necesario de la alícuota para preparar una solución de NaCl de concentración CNaCl,

se obtiene mediante:

madresol

NaClsolmadresol C

CVV

..

·= Ec. 4.1

Donde:

Vsol.: Volumen de la Solución a preparar

Vsolmadre: Volumen de la Solución madre de NaCl a añadir

CNaCl: Concentración de NaCl de la solución a diluir

Csol.madre Concentración de NaCl de la solución madre

Para los ensayos de determinación de K+, Mg2+ y Ca2+ se procedió de la misma manera,

pero esta vez las preparaciones y diluciones se realizaron con agua destilada en el caso del

ensayo de potasio, y con agua regia para los ensayos de magnesio y calcio. Las soluciones

madres preparadas para realizar la curva de cada uno de los análisis son como los indica el

manual del equipo de absorción atómica, dichas soluciones están conformadas como se

muestra en al tabla 5.3.

TTaabbllaa 55..33 CCaannttiiddaaddeess ppaarraa pprreeppaarraarr llaass ssoolluucciioonneess mmaaddrreess ppaarraa llooss eennssaayyooss ddee PPoottaassiioo,, MMaaggnneessiioo yy CCaallcciioo ppoorr aabbssoorrcciióónn aattóómmiiccaa..

Ensayo g por litro Concentración en ppm

K+ 1,907 de KCl seco 1000

Mg2+ 1,000 sal de magnesio seco 1000

Ca2+ 2,497 de CaCO3 seco 1000

Las soluciones de Mg2+ y Ca2+ se prepararon en agua regia.


73

55..33..22 PPrruueebbaass ddee ddeessaallaacciióónn ddee llaass ssoolluucciioonneess ddee NNaaCCll eenn eell eelleeccttrrooddiiaalliizzaaddoorr..

En la primera fase del proyecto de grado se realizaron pruebas preliminares de desalación

con soluciones de NaCl para demostrar la transferencia de los iones desde la corriente que

queremos diluir (que se llamará desde ahora “Diluido”) hasta la corriente en la que queremos

concentrar (que se llamará desde ahora “Concentrado”).

La primera prueba con NaCl se realizó a un voltaje fijo de 30 V, y luego una segunda

prueba a un voltaje fijo de 15 V, esto con el fin de determinar a que voltaje es más conveniente

trabajar.

El procedimiento empleado para la desalación realizada con el electrodiálizador fue el

siguiente:

1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 1000 ppm y otros dos litros de una

solución de NaCl de 2500 ppm, la primera se agrega en el recipiente de concentrado y

la segunda en el recipiente de diluido, se miden las conductividades iniciales de cada

solución.

2. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajusta el pH a 2 con ácido

sulfúrico. Luego se introduce en el tanque de la solución de lavado.

3. Se encienden las bombas, verificando primero que las válvulas de salida de las

bombas estén cerradas.

4. Por medio de los rotámetros, se fijó el flujo de cada circuito, se utilizó el mismo flujo

para cada circuito, este flujo fue de 200 l/h.

5. Antes de continuar hay que cerciorarse de que no hay fugas (goteos) en las

membranas.

6. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje con el cual se desea trabajar. Para la

primera corrida se fijó en 30 V. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se


74

verifica que esté encendida la señal de corriente constante (CC), al mismo tiempo se

pone en marcha el cronómetro.

7. Se toman muestras de las corrientes diluido y concentrado continuamente a medida que

el amperaje varía en el tiempo, y medir su conductividad para llevar un control de la

desalación, temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra y el voltaje

y amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).

8. Cuando la corriente alcance valores de conductividad entre los medidos para las

soluciones de 50 y 10 ppm (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a 19,6 ºC ) o cuando

los valores de amperaje no varían se detiene la prueba; primero se detiene el paso de

corriente de la fuente a los electrodos y luego se apagan las bombas.

9. Se cierran las válvulas de salida de las bombas.

10. Luego se vacían los tanques de almacenamiento.

Una vez completado el procedimiento de desalación, se procede al lavado del

electrodiálizador, para ello se llenaron los tanques con agua destilada y se hizo recircular por

unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detiene la

circulación de agua y se vacían los tanques.

La segunda corrida siguió el mismo procedimiento pero esta vez el voltaje se fijo en 15 V

para realizar las comparaciones. En esta fase se realizaron dos repeticiones por prueba, la tabla

5.5 muestra un resumen de los experimentos en esta fase.


75

TTaabbllaa 55..44 EExxppeerriieenncciiaass rreeaalliizzaaddaass eenn llaa pprriimmeerraa ffaassee ddeell pprrooyyeeccttoo.. Experiencia Tipo de Prueba

0:1 Voltaje: 30 V Flujo: 200 l/h Concentración inicial de diluido (2500 ppm)




55..33..33 PPrruueebbaass ddee ddeessaallaacciióónn ddee AAgguuaass ssiinnttééttiiccaass eenn eell eelleeccttrrooddiiaalliizzaaddoorr..

En esta segunda fase del proyecto se estudió el efecto de la variación del caudal de las

corrientes, y la variación de la concentración del agua sintética en el proceso.

El procedimiento empleado para estas pruebas fue el siguiente:

1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 500 ppm y otros dos litros de agua

sintética (ver punto 5.3.1 de este capítulo), la primera se agrega en el recipiente de

concentrado y la segunda en el recipiente de diluido, se miden las conductividades

iniciales de cada solución y se guardan para determinar cloruros y los otros metales.

2. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajustó el pH a 2 con ácido


3. Se encienden las bombas, verificando primero que las válvulas de salida de las

bombas estén cerradas.



5. Antes de continuar se corrobora de que no hay fugas (goteos) en las membranas.

6. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje a la que se desea trabajar, en 30 V,

ya que con 15 V el proceso dura mucho más tiempo y las corrientes se calientan

considerablemente, debido al calor generado por las bombas, lo que afecta la lectura

del conductimetro. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se verificó que


76

esté encendida la señal de corriente constante (CC) al mismo tiempo se pone en

marcha el cronómetro.


el amperaje varía en el tiempo, esto se hizo cada 3 min aproximadamente (se deben

guardar al menos 5 muestras en beakers para los análisis posteriores), y de cada

muestra se debe medir la conductividad para llevar un control de la desalación,

temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra, el voltaje y el

amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).

8. Cuando la corriente alcanzó valores de conductividad entre los medidos para las

soluciones de 50 y 10 ppm de NaCl (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a 19,6 ºC ) o

cuando los valores del amperaje no varían se detuvo la prueba, primero se detuvo el

paso de corriente de la fuente a los electrodos, se detuvo el cronómetro y luego se

apagaron las bombas. La operación finalizó cuando la conductividad de la solución

sintética fue equivalente a la conductividad de una solución entre 10 y 50 ppm de

NaCl.

9. Se cerraron las válvulas de salida de las bombas.

10. Luego se vaciaron los tanques de almacenamiento.

11. Se identificaron los recipientes de las muestras guardadas, para poder saber a que

experimento y a cual corriente y tiempo en dicho experimento pertenece.

Una vez completado el procedimiento de desalación, se procedió al lavado del

electrodiálizador, para ello se llenan los tanques con agua destilada y se hacen recircular por

unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detiene la

circulación de agua y se vacia los tanques. Para cada prueba se repitió el esquema anterior,

pero modificando los caudales a 300 y 100 l/h, también se utilizo “Agua Sintética 2” (al doble

de la concentración) en otras experiencias con las mismas variantes. Cada experimento se hizo

por duplicado y la tabla 5.6 muestra un resumen de los experimentos en esta segunda fase.


77

TTaabbllaa 55..55 EExxppeerriieenncciiaass rreeaalliizzaaddaass eenn llaa sseegguunnddaa ffaassee ddeell pprrooyyeeccttoo.. Experiencia Tipo de Prueba

2:1 Voltaje: 30 V Flujo: 200 l/h Corriente diluido: Agua Sintética






5:1 Voltaje: 30 V Flujo: 200 l/h Corriente diluido: “Agua Sintética 2”






55..33..44 FFiillttrraacciióónn pprreevviiaa ddee llaass AAgguuaass ddee PPrroodduucccciióónn..

Con la finalidad de eliminar los sólidos suspendidos con los que vienen las aguas de

producción desde el pozo (en nuestro caso de La Victoria estado Apure), entre ellos restos de

tierra y lodo que pueden afectar la integridad de las membranas y el resto del equipo, así como

el desarrollo de la prueba; se practicó una filtración antes de tratar dichas aguas en el

electrodializador, y así preservar el buen estado de las membranas y demás componentes del

equipo.


78

El procedimiento es el siguiente:

1. Se arma el equipo de filtración descrito en la parte 5.1 como se

muestra en la figura 5.9

2. Se enciende la bomba de vacío y se abren las válvulas del

sistema.

3. Luego se revisa para que no haya escape de vacío por las

conexiones y se coloca el papel de filtro ( Whatman N° 2).

4. Se agrega el agua de producción en el embudo poco a poco y

se espera a que pase hacia el kitasato, se debe tener cuidado

de que el vacío no arrastre agua de producción para

evitar perdidas.

5. Hay que vigilar el estado del papel de filtro y cambiarlo cuando se note que esta muy

cargado de sólidos.

6. Detener la bomba en cuanto el kitasato se llene y transvasar el filtrado a un envase

previamente lavado.

7. Repetir el proceso cuantas veces sea necesario.

55..33..55 PPrruueebbaass ddee ddeessaallaaddoo ddee AAgguuaa PPrroodduucccciióónn eenn eell EElleeccttrrooddiiáálliizzaaddoorr..

Con la finalidad de evaluar el desempeño de la desalación en el electrodializador se realizó

una prueba con agua de producción autentica procedente de La Victoria estado Apure, de

composición similar al de las aguas sintéticas tratadas anteriormente. La idea de esta prueba

era comprobar a las condiciones de una de las pruebas anteriores, la desalación de unas aguas

reales de pozo y determinar el consumo energético del proceso. Debido a que fue muy difícil

obtener una muestra suficiente de esta agua sólo se realizó una prueba a 200 l/h con una

repetición, y no a diferentes velocidades de flujo ya que no se contaba con suficiente muestra

de agua.

El procedimiento empleado para estas pruebas fue el siguiente:

FFiigguurraa 55..88 EEqquuiippoo ddee ffiillttrraacciióónn

FFiigguurraa 55..99 FFiillttrraacciióónn ddeell aagguuaa ddee pprroodduucccciióónn


79

1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 500 ppm, se agregaron en el

recipiente de concentrado, se midieron las conductividades iniciales de cada solución y

se guardaron para determinar cloruros y los otros metales.

2. Se filtró la muestra de agua de producción de La Victoria como se explica en el punto

5.3.4, luego se midieron dos litros de filtrado y se agregaron en el recipiente de diluido.

Se midieron las conductividades iniciales de cada solución y se guardaron para

determinar cloruros y los otros metales.

3. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajustó el pH a 2 con ácido


4. Se encendieron las bombas, verificando primero que las válvulas de salida de las

bombas estaban cerradas.



6. Antes de continuar se corrobora de que no hay fugas (goteos) en las membranas.

7. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje con el cual se desea trabajar, este fue

de 30 V. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se verifica que esté

encendida la señal de corriente constante (CC), al mismo tiempo se da marcha al

cronómetro.


el amperaje varia en el tiempo, esto se hace cada 3 min aproximadamente (se deben

guardar al menos 5 muestras en beakers para los análisis posteriores), y de cada

muestra se debe medir la conductividad para llevar un control de la desalación,

temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra, el voltaje y el

amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).


80

9. Cuando la corriente alcanzó valores de conductividad entre los medidos para las

soluciones de 50 y 10 ppm, equivalente de NaCl (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a

19,6 ºC ) o cuando los valores del amperaje no variaron finaliza la prueba, primero se

detuvo el paso de corriente de la fuente a los electrodos, se detuvo el cronómetro y

luego se apagaron las bombas.

10. Se cerraron las válvulas de salida de las bombas.

11. Luego se vaciaron los tanques de almacenamiento.

12. Se identificaron los recipientes de las muestras guardadas, para poder saber a que

experimento, a cual corriente y tiempo en dicho experimento pertenece.

Una vez completado el procedimiento de desalación, se procedió al lavado del

electrodiálizador, para ello se llenaron los tanques con agua destilada y se hizo recircular por

unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detuvo la

circulación de agua y se vaciaron los tanques. Para cada prueba se repitió el esquema anterior,

la tabla 5.7 muestra un resumen de los experimentos en esta segunda fase.

TTaabbllaa 55..66 EExxppeerriieenncciiaass rreeaalliizzaaddaass eenn llaa tteerrcceerraa ffaassee ddeell pprrooyyeeccttoo.. Experiencia Tipo de Prueba

8:1 Voltaje: 30 V Flujo: 200 l/h Corriente diluido: Agua de Producción (La Victoria)

8:2 Voltaje: 30 V Flujo: 200 l/h Corriente diluido: Agua de Producción (La Victoria)

55..33..66 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee CClloorruurrooss ppoorr eell mmééttooddoo ddee MMoohhrr..

Los cloruros son constituyentes mayoritarios del agua de producción estudiada. Estos

le dan un sabor desagradable a altas concentraciones (aprox por encima de 1000 ppm) y sobre

todo cuando se encuentran en forma de NaCl, KCl ó CaCl2. El problema principal del que

parte este proyecto de grado es la alta concentración de cloruros en las aguas de producción de

los pozos de La Victoria del estado Apure, por encima de los 1000 ppm que exige la norma en


81

el decreto 883 para disposición en cuerpos de agua, por ello se propone la electrodiálisis como

un proceso para tratar estas elevadas concentraciones y obtener un agua diluida en cloruros y

otros iones. Para ello es necesario implementar una metodología adecuada para la

determinación de los cloruros.

La metodología escogida para la evaluación de este parámetro es el establecido en el

método 4500-Cl- B del Standard Methods for Examinatión of Waters and Wastewater (26).

Dicho procedimiento es una técnica argentométrico, concretamente el método de Mohr.

Consiste en añadir a la muestra problema (cuyo pH=7-10), disolución AgNO3 valorante, y

disolución indicadora K2CrO4. El Cl- precipita con el ion Ag+ formando un compuesto muy

insoluble, de color blanco. Cuando todo el producto ha precipitado, se forma el cromato de

plata, de color rojo ladrillo, que es menos insoluble que el anterior y nos señala el fin de la

valoración.

Reacción de valoración:

ClNa + NO3Ag $ ClAg + NO3Na Ec. 4.2

Reacción indicadora:

2NO3Ag (exc.) + CrO4K2 $ CrO4Ag2 + 2NO3K Ec. 4.3

PPrroocceeddiimmiieennttoo yy CCáállccuulloo..

11..--EEssttaannddaarriizzaacciióónn ddee llaa ddiissoolluucciióónn ddee AAggNNOO33.. En un erlenmeyer de 250 ml, se añaden 10 ml (medidos con pipeta) de la disolución de

NaCl patrón (preparado como se explica en la parte 5.3.1), se adicionan 20 ml (medidos con

pipeta) de agua destilada y 1 ml (medidos con pipeta) de la disolución de K2CrO4. Se adiciona

el AgNO3 desde la bureta hasta viraje del indicador de amarillo (turbio) a pardo-amarillento

(turbio).

Cálculos:

VNaCl * NNaCl = VAg NO3 * NAg NO3 EC. 4.4

NAg NO3 = ( 50* 0.01) / (VAgNO3)

22..--DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee cclloorruurrooss eenn eell aagguuaa pprroobblleemmaa.. En un erlenmeyer de 250 ml, se añaden 10 ml de agua problema (agua de las muestras

tomadas durante el proceso de electrodiálisis), se diluye con 20 ml de agua destilada y se


82

agrega 1 ml (medidos con pipeta) de la disolución de K2CrO4 como indicador. Se adiciona

AgNO3 desde la bureta hasta viraje del indicador de amarillo (turbio) a pardo-amarillento

(turbio).

meq Cl- = meq Ag NO3 EC. 4.5

(mg Cl-) / (Peq) = VAg NO3 * NAgNO3 Si lo que queremos son los mg/l de cloruros:

ppm Cl- = (VAg NO3)*N*35.45) / Vmuestra) * 1000 EC. 4.6

55..33..77 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee mmeettaalleess ppoorr AAbbssoorrcciióónn aattóómmiiccaa..

La absorción de la luz por medio de átomos brinda una herramienta analítica poderosa

para los análisis cuantitativos y cualitativos. La espectroscopia de absorción atómica (AAS) se

basa en el principio que los átomos libres en estado fundamental pueden absorber la luz a una

cierta longitud de onda. La absorción es específica, por lo que cada elemento absorbe a

longitudes de ondas únicas. AAS es una técnica analítica aplicable al análisis de trazas de

elementos metálicos en minerales, muestras biológicas, metalúrgicas, farmacéuticas, aguas,

alimentos y de medio ambiente. Es por ello que se ha escogido esta técnica para determinar las

concentraciones de Na+, K+, Ca2+ y Mg2+ en las muestras obtenidas en el transcurso de las

pruebas realizadas, con la finalidad de evaluar la distribución de dichos iones entre las

corrientes de diluido y concentrado en el transcurso de la electrodiálisis.

55..33..77..11 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee NNaa++..

Para determinar la cantidad de sodio presente en la muestra de la corriente tratada en la

electrodiálisis, sea de la corriente concentrado o diluido, se midió el espectro de absorción en

la llama, utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción atómica y el procedimiento

3111B de Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (26) y como lo indica

el manual del equipo. Para ello se seleccionó el modo de emisión y se especificó el tipo de

catión y la longitud de onda (589nm). El procedimiento seguido fue el siguiente:

Preparar soluciones patrones de NaCl a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm en KCl (ver punto

5.3.1 de este capitulo) y medirle la absorbancia, programando el equipo en

calibración para grabar la curva de calibración obtenida.


83

Diluir en balones de 50 ml con KCl 0,5 ml de muestra y medir la absorbancia, de

estar muy diluida la muestra no será detectada por el equipo, en este caso se hace

nueva diluciones de 5 ml de muestra en 50ml, 2 ml en 25ml o tomar una alícuota sin

diluir de ser necesario.

Con las concentraciones de las diluciones determinadas por el equipo se calcula las

concentraciones de las muestras con las relaciones de dilución.

55..33..77..22 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee KK++..

Al igual que con el sodio, el potasio se determinó midiendo la emisión de la llama,

utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción atómica en el modo de emisión a una

longitud de onda de 766,5 nm. El procedimiento seguido fue similar al explicado

anteriormente para el sodio, con la diferencia que las soluciones patrones preparadas eran

hidróxido de potasio, en este caso las soluciones preparadas y las diluciones si se realizaban

con agua destilada.

55..33..77..33 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee CCaa22++..

Siguiendo el método indicado en la norma 3111 A del Standard Method for Examination

of Water and Wastewater (26) por espectrometría de absorción atómica se determinaron las

concentraciones de calcio de las muestras. Para ello se seleccionó el modo de espectrometría

de absorción atómica y se especificó el tipo de catión, se instaló y aseguró la lámpara catódica

correspondiente y se especificó la longitud de onda (422,7nm). El procedimiento seguido fue

el siguiente:

Ajustar la mezcla aire – acetileno para formar una llama de combustión completa.

Las muestras que poseen precipitados se deben acidificar con agua regia para

eliminar los precipitados.

Preparar soluciones patrones de CaCO3 a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm con agua regia se

hacen las diluciones. (ver punto 5.3.1 de este capítulo) y medirle la absorbancia,

programando el equipo en calibración para grabar la curva de calibración obtenida.

Diluir en balones de 50 ml con agua regia 0,5 ml de muestra y medir la absorbancia,

de estar muy diluida la muestra no será detectada por el equipo, en este caso se hace


84

nueva diluciones de 5 ml de muestra en 50ml, 2 ml en 25ml o tomar una alícuota sin

diluir de ser necesario.

Con las concentraciones de las diluciones determinadas por el equipo se calcula las

concentraciones de las muestras con la curva de calibración y las relaciones de

dilución.

55..33..77..33 DDeetteerrmmiinnaacciióónn ddee MMgg22++..

Al igual que con el calcio, el magnesio se determinó midiendo la absorción atómica directa

con una llama de aire y acetileno, utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción

atómica a una longitud de onda de 285,2 nm (con la lámpara correspondiente). El

procedimiento seguido fue similar al explicado anteriormente para el calcio, con la diferencia

que las soluciones patrones preparadas son con magnesio metálico y agua regia (ver punto

5.3.1), en este caso las soluciones preparadas y las diluciones se realizaban todas con agua

regia.

CCaappiittuulloo VVII RReessuullttaaddooss yy DDiissccuussiioonneess

85

CCAAPPIITTUULLOO VVII

RREESSUULLTTAADDOOSS YY DDIISSCCUUSSIIOONNEESS..

66..11 RReessuullttaaddooss ddee llaa pprriimmeerraa ffaassee ddeell PPrrooyyeeccttoo ((pprruueebbaass pprreelliimmiinnaarreess ddee ddeessaallaacciióónn)).

Tal como se señaló en la metodología, se realizaron dos pruebas de desalación con

soluciones de NaCl, en la primera se usó en la corriente “Diluido” una solución con una

concentración inicial de 2500 ppm de NaCl, en la corriente “Concentrado” una solución con una

concentración inicial de 1000 ppm. Para esta primera corrida se fijó un voltaje de 30V y el

amperaje varía en el transcurso de la electrodiálisis, también se fijó un flujo de 200 l/h. Los

resultados obtenidos durante la desalación de la solución de 2500 ppm con un voltaje de 30 V

se muestran en la tabla A.1 (ver anexo). En ella se puede notar que la conductividad de la

solución diluida es menor al final del proceso, mientras que la del concentrado ha aumentado,

esto evidencia el paso de iones desde la corriente del diluido (solución a 2500 ppm inicialmente)

al concentrado (solución de 1000 ppm inicialmente). En la figura 6.1 se muestra la variación de

la conductividad durante el transcurso de la operación de desalación.

FFiigguurraa 66..11 CCoonndduuccttiivviiddaadd VVss.. TTiieemmppoo ppaarraa llaa ssoolluucciióónn ddiilluuiiddoo yy ccoonncceennttrraaddoo aa 3300VV

Se observa claramente la reducción de la conductividad de la corriente de diluido y el

aumento de dicha variable en el concentrado. También se observa que ambas corrientes varían

muy poco su conductividad después de los 16,7 min aproximadamente, esto se debe a que el

flujo de corriente a través de las celdas es menor ya que la concentración de iones en la celda de

diluido es muy pequeña, y si no hay flujo de corriente el traspaso de iones de diluido a

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,72 3,45 6,56 9,39 13,2 16,7 19,5 22,1 25 29,4

t (min)

L (

mS

/cm

)

Concentrado

Diluido


86

concentrado no se produce. De ahí que se puede observar un tiempo óptimo para el proceso, ya

que a mayor tiempo la eficiencia de separación es muy baja.

Para el caso de la segunda corrida las condiciones de operación son similares, excepto

que la caída de potencial fijada es de 15V, los resultados se muestran en la tabla A.2 (Ver

anexo) y en la figura 6.2.

De igual manera se observa que la conductividad de la corriente de diluido es menor y la

conductividad de la corriente de concentrado es mayor al final del proceso, es decir, se

evidencia al igual de la primera corrida el paso de iones de una solución a otra. Pero a diferencia

de la primera corrida esta necesitó más tiempo para lograr valores de transferencia de iones

similares, esto se debe a que el flujo de corriente es mayor para un voltaje mayor suponiendo

que la resistencia es la misma para las dos corrientes, es decir, que mayor flujo de corriente es

mayor la velocidad de transferencia de iones y esto es lógico. Si se evalúa la ley de Ohm I·R=V

para una resistencia similar para un voltaje mayor el flujo de corriente debe aumentar para

cumplir la ley, y para valores de voltaje menor el flujo de corriente debe ser menor, esto explica

el fenómeno observado.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8

t (min)

L (m

S/c

m)

Concentrado

Diluido

FFiigguurraa 66..22 CCoonndduuccttiivviiddaadd VVss.. TTiieemmppoo ppaarraa llaa ssoolluucciióónn ddiilluuiiddoo yy ccoonncceennttrraaddoo aa 1155VV

De igual manera que para la primera corrida, en la figura 6.2 se nota la reducción de la

conductividad en la corriente de diluido y el aumento de dicha variable en la corriente de

concentrado a través del tiempo transcurrido en el proceso. Igual se observa un tiempo máximo


87

después del cual la conductividad de las dos corrientes varía muy poco, este tiempo es cerca de

los 20,4 min, tiempo mayor que para la primera corrida debido al menor voltaje aplicado.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8

t (min)

L (

mS

/cm

)

Diluido a 30 V

Diluido a 15 V

(a) (b)

FFiigguurraa 66..33 CCoonndduuccttiivviiddaadd VVss.. TTiieemmppoo ppaarraa llaa ssoolluucciióónn ccoonncceennttrraaddoo ((aa)) yy ddiilluuiiddoo ((bb)) aa 3300VV yy 1155 VV

En las figuras 6.3 a y b se percibe mas fácilmente la diferencia de una corrida a 30V y

15V, para el caso de la figura 6.3(a) se nota como la corriente de concentrado tratado con 30V

llega a valores mayores de conductividad en un tiempo menor, de igual manera en la figura

6.3(b) la corriente de diluido a 30V alcanza valores menores de conductividad en menor tiempo.

Es importante señalar que la migración de iones a mayor diferencia de potencial

eléctrico es de esperarse, ya que la migración de los iones viene dada por la ecuación de Nerst-

Planck:

Ji = -DCi(dlnai/dx + (ZiF/RT)dE/dx) Ec 6.1

Donde Ji es el flujo de iones, D es la constante de difusión, Ci es la concentración del ión

i, ai es la actividad del ión i, x el espesor de la membrana, E el campo eléctrico, Zi la carga del

ión, F la constante de Faraday, R la constante universal de los gases, T la temperatura absoluta.

Como se puede observar, al aumentar la diferencia de potencial eléctrico, aumenta el flujo de

iones (aumenta el valor dE/dx en la ecuación) (28).

En las dos corridas se observa un ligero aumento de la temperatura para todas las

corrientes, ello es debido principalmente a la recirculación de los fluidos a través de las bombas

centrífugas que se calientan por la fricción de los “impelers”. Esto es un factor a considerar en la

próxima fase del proyecto ya que un aumento de temperatura genera un aumento de los valores

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8

t (min)

L (

mS

/cm

)

Concentrado a 30 V

Concentrado a 15 V


88

de conductividad. También se evidencia en ambas pruebas la disminución del amperaje en el

transcurso del proceso, el cual se produce por el aumento de la resistencia en las celdas a

medida que la concentración de iones disminuye en la corriente del diluido, y para mantener el

voltaje fijo y cumplir con la ley de Ohm el amperaje debe disminuir.

Con estos resultados se pudo establecer el voltaje en 30 Voltios para realizar las pruebas

de la siguiente fase del proyecto, la idea de usar un voltaje de 30V y no de 15V es que con 30V

tenemos pruebas que se realizaran en menor tiempo, disminuyendo de esta manera el

calentamiento de las aguas por el paso a través de las bombas por la fricción de los “impelers”.

Obtener grandes variaciones de temperatura en el transcurso del proceso no es favorable ya que

las mediciones de conductividad utilizadas para el seguimiento de la desalación pueden verse

afectadas y arrojar desviaciones que hagan difíciles la interpretación de los resultados.

66..22 PPrruueebbaass ccoonn AAgguuaass SSiinnttééttiiccaass yy AAgguuaa ddee PPrroodduucccciióónn.. En esta fase del proyecto se usaron las aguas sintéticas preparadas según la metodología

expuesta en el capítulo anterior, la finalidad de usar “Agua Sintética” y “Agua Sintética 2” (de

doble concentración en sus elementos) es evaluar el efecto de la concentración inicial en el agua

a tratar. Otra variable estudiada en esta fase es el efecto de la velocidad del flujo a través del

equipo de electrodiálisis, también se determinó el efecto de estas variables en el trasporte de los

diferentes iones que conforman esta agua como Na+, K+, Ca2+ y Mg2+.

Al igual que con las pruebas preliminares de desalación para comprobar que

efectivamente con la electrodiálisis podemos separar los iones de una corriente a tratar, se llevó

el control del proceso con la medida de la conductividad, en las figuras 6.4 se puede observar

como efectivamente la corriente de Agua Sintética muestra medidas de conductividad menores a

medida que avanza el proceso, y la corriente concentrado progresivamente, las medidas de

conductividad son mayores, demostrando esto que tanto la corriente de Agua Sintética va

disminuyendo su concentración en iones como que la corriente de concentrado aumenta su

concentración en estos iones.


89

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

t (min)

L (

mS

/cm

)

Concentrado

Agua Sintética

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

L (

mS

/cm

)

Concentrado

Agua Sintética 2

((aa)) ((bb))

FFiigguurraa 66..44 CCoonndduuccttiivviiddaadd VVss.. TTiieemmppoo ppaarraa llaa ssoolluucciióónn ccoonncceennttrraaddoo yy AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa ((aa)) yy AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa 22 ((bb)) ,, ppaarraa llaass ccoorrrriiddaass aa ccoonncceennttrraacciióónn sseenncciillllaa yy ddoobbllee ccoonncceennttrraacciióónn.. RReessuullttaaddooss ddee llaass pprruueebbaass 22..11,,22..22 ((aa)) yy

55..11,,55..22 ((bb))

Este comportamiento se puede observar en todas las pruebas realizadas a diferentes flujos de aguas sintéticas de baja y alta concentración (ver anexo A.3). De cada prueba realizada se obtuvieron 5 muestras de cada corriente, extraídas a

diferentes instantes de tiempo con el fin de estudiar el proceso a través del tiempo como se

explicó anteriormente en la metodología. A cada muestra se determinó la concentración de

cloruros con el método de Mohr con la finalidad de estudiar el comportamiento de dicho anión

en la solución tratada y la solución de concentrado.

0

500

1000

1500

2000

2500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

t (min)

[Cl]

pp

m

Agua Sintètica

Concentrado

FFiigguurraa 66..55 CCoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurrooss VVss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ddee AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa aa 220000 ll//hh

En la figura 6.5 se muestra como efectivamente la concentración de cloruros en el Agua

Sintética (a baja concentración) progresivamente va en descenso y como va en aumento dicho

parámetro en la corriente de concentrado. Observamos como efectivamente podemos llevar una

corriente con un concentración superior a los 2000 ppm de cloruro a niveles tan bajos cercanos a

los 20 ppm, lo que significa una reducción del 98,76 % para esta prueba realizada al Agua


90

Sintética de baja concentración a 200 l/h de flujo. En el caso de la corriente de concentrado va

de una concentración de 250 ppm aproximadamente a niveles de 2600 ppm, lo que representa

un aumento del 919,0 % aproximadamente para la prueba estudiada en este gráfico. Cabe

destacar que estos valores indican que efectivamente hay una transferencia de iones desde la

corriente de Agua Sintética a la corriente de Concentrado, y que esta transferencia es en contra

al gradiente de concentración, gracias a la presencia del campo eléctrico que atrae los cationes

hacia el cátodo del equipo y los aniones hacia el ánodo del equipo, y que debido a la disposición

adecuada de membranas catiónicas y aniónicas en el equipo se concentran los iones en la

corriente Concentrado, dicho comportamiento se observa en todos los casos (Ver anexo A.4). Al

igual que en las pruebas preliminares con soluciones de NaCl observamos que existe un

momento en el proceso donde la transferencia de iones se hace poco efectiva (a partir de los 15

min aproximadamente) en donde la transferencia ha sido casi total y la variación de las

concentraciones a partir de entonces es casi nula, esto se debe a que si tenemos una de las dos

soluciones con bajas concentraciones de iones, como es el caso ya a esta altura del proceso, la

resistencia en dicha solución será mayor y el paso de corriente será menor afectando así la

transferencia de iones, esto nos indica la existencia de un tiempo optimo en el proceso en donde

a partir de el ya no es eficaz y debería detenerse. Inclusive al continuarse existe la probabilidad

de provocar la electrolisis del agua en la cercanía de los electrodos.

En la tabla 6.1 se observa el porcentaje de reducción de la concentración de cloruros de

las pruebas realizadas, en dicho cuadro observamos como en todos los casos que los porcentajes

superan los 98,5 % de reducción de cloruros, ello muestra la efectividad del proceso, que logra

obtener aguas tratadas con concentraciones muy bajas en cloruros, concentraciones que

cumplirían con el decreto 883 (25), en el caso de ser un agua tratada para la reinyección o

disposición en cuerpos de agua.

TTaabbllaa 66..11 PPoorrcceennttaajjee ddee RReedduucccciióónn eenn llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurrooss eenn llaass pprruueebbaass rreeaalliizzaaddaass.. Agua Sintética (Baja Concentración) Agua Sintética 2 (Alta Concentración)

Flujo (l/h) % Reducción de cloruros Tiempo (min)*

Flujo (l/h) % Reducción de cloruros Tiempo (min)*

100 98,63 36,3 100 99,18 32,2

200 98,76 32,6 200 99,35 27,2

300 99,15 25,6 300 99,51 27,1

* Tiempo que duro la operación a dichas condiciones, promedio de las dos repeticiones.


91

La influencia de la velocidad en el flujo del agua tratada fue estudiada, la figura 6.6 (y la

tabla 6.1) muestra concentración de cloruros en el transcurso de la prueba en el Agua Sintética

tratada a diferentes caudales, se observa claramente como para la prueba realizada a 300 l/h de

flujo, la reducción en cloruros se produce a mayor velocidad que en las pruebas realizadas a 100

y 200 l/h en donde su comportamiento es muy similar. La razón por la que la desalación ocurre

mas rápido a mayores velocidades de flujo se debe a que a mayor velocidad la capa límite se

reduce y por ende la polarización de concentración, que en los procesos con membranas afectan

significativamente la transferencia de masa, lo que implica que a mayor velocidad de flujo,

mayor transferencia de masa. También, se mejora el mezclado con mayor turbulencia.

El hecho de que no se aprecie una diferencia entre las pruebas realizadas a 100 y 200 l/h

podría deberse a que esa diferencia en la velocidad del flujo no implica un aumento sustancial

en la turbulencia, como si ocurre cuando ya pasamos a 300 l/h. Sin embargo, las diferencias no

son sustanciales entre los tres flujos estudiados, por lo que aparentemente hay un gran grado de

turbulencia en los tres casos, y las pequeñas diferencias se deban a errores experimentales.

0

500

1000

1500

2000

2500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00t (min)

pp

m C

l

200 l/h

300 l/h

100 l/h

FFiigguurraa 66..66 CCoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurrooss vvss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ddee AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa aa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo..

De igual manera la desalación obtenida en los tres casos cumple con lo esperado, si

observamos la tabla 6.1 a mayor velocidad el porcentaje de desalado es mayor, lo que resulta

razonable con lo explicado en el párrafo anterior. En la figura 6.7 vemos el caso para las

pruebas con Agua Sintética 2 (agua de alta concentración).


92

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00t (min)

pp

m C

l 200 l/h

300 l/h

100 l/h

FFiigguurraa 66..77 CCoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurrooss vvss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ddee AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa 22 aa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo..

Al igual que para las aguas de baja concentración la desalación ocurre mas rápido para

elevadas velocidades de flujo, podemos observa como para las pruebas a 300 l/h se alcanza

niveles bajos de concentración en menores tiempos, pero a diferencia de las pruebas con aguas

de baja concentración, con esta Agua Sintética 2 se observa una diferencia notable entre las

pruebas a 200 l/h y 100 l/h, aquí ya el factor velocidad es mas importante entre estos dos

caudales, ya que inclusive la diferencia entre las pruebas a 200 l/h y 300 l/h es muy pequeña, lo

que sugiere que existe una relación entre la velocidad y la concentración de las sales, y que hay

un punto crítico en la velocidad que favorece a la desalación que depende también de la

concentración del agua tratada, podemos deducir que dicho punto se encuentra a mayores

velocidades para concentraciones menores y se desplaza a menores velocidades para mayores

concentraciones, aunque para afirmar esto es necesario muchos mas estudios y mas pruebas a

diferentes velocidades y concentraciones.

El efecto de la concentración fue estudiado para la desalación de estas aguas sintéticas.

Para ello se repitieron las pruebas a bajas concentraciones esta vez a altas concentraciones de

sales disueltas, lo que denominamos Agua Sintética y Agua sintética 2 respectivamente como

fue indicado en la metodología. En las figuras 6.8, 6.9 y 6.10 podemos observar el porcentaje de

reducción de concentración de cloruros a través del tiempo para las pruebas realizadas a 100,

200 y 300 l/h. La razón de expresar este comportamiento en porcentaje de reducción es para

poder realizar una comparación entre aguas con una diferencia en concentración inicial

aproximadamente del doble. La tendencia a seguir en las tres gráficas es el aumento del


93

porcentaje de reducción de cloruros, este

porcentaje fue calculado con respecto a las

concentraciones iniciales. En la figura 6.8 se

alcanzan porcentajes de reducción mayores

en menos tiempo para Agua Sintética, lo que

indica que la disminución de concentración

de cloruros en las aguas tratadas de menor

concentración inicial se produce levemente

mas rápido que en el caso de las aguas

tratadas con altas concentraciones de

cloruros, esto a 100 l/h. Este

comportamiento indica que para iguales

velocidades de flujo las diferentes

concentraciones iniciales no ejercen una

influencia muy notable, y simplemente se

desconcentra en menos tiempo las aguas que

tienen menos iones inicialmente.

Observando las figuras 6.9 y 6.10 el

comportamiento es similar al descrito

anteriormente, en el caso de las pruebas a

200 l/h no hay una diferencia tan marcada

entre la velocidad de desalación, ello puede

deberse a algún error experimental, en el

caso de las pruebas realizadas a 300 l/h si

notamos una diferencia mas marcada en los

dos comportamientos, observándose que con

aguas de menor concentración inicial se

alcanzan altos porcentajes de reducción en

menos tiempo que con las aguas de alta

concentración inicial.

FFiigguurraa NNºº 66..88 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurroo eenn llaass aagguuaass ttrraattaaddaass aa 110000 ll//hh

FFiigguurraa NNºº 66..99 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurroo eenn llaass aagguuaass ttrraattaaddaass aa 220000

ll//hh

FFiigguurraa NNºº 66..1100 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurroo eenn llaass aagguuaass ttrraattaaddaass aa 330000

ll//hh

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n d

e C

l

Agua Sintética

Agua Sintética 2

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n d

e C

l

Agua Sintética

Agua Sintética 2

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n d

e C

l

Agua Sintética

Agua Sintética 2


94

Estos comportamientos indican que en un proceso de electrodiálisis el cambio de la

concentración inicial de las aguas a ser tratadas no ejerce una influencia importante en el

proceso, demostrando que la electrodiálisis es un método de tratamiento muy flexible y que se

adapta a aguas de diferentes concentraciones. Para el caso del tratamiento de aguas de

producción de diferentes pozos es muy importante ya que las concentraciones de las sales no

siempre son las mismas y con este proceso pueden ser tratadas de igual manera, llegando

siempre a los mismos niveles de concentración finales, siendo las variables a controlar el flujo y

la caída de potencial. Es necesario realizar más pruebas a diferentes concentraciones para

asegurar estas afirmaciones. En la tabla 6.1 observamos como son mayores los porcentajes

finales de reducción para aguas de mayor concentración, ello es lógico si observamos que las

concentraciones finales de cloruros alcanzadas son muy similares en todos los casos.

FFiigguurraa 66..1111 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ccaattiioonneess vvss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ddee AAgguuaa SSiinnttééttiiccaa aa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo..

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

100 l/h

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

200 l/h

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

300 l/h


95

El comportamiento de los cationes fué estudiado en estas pruebas. La figura 6.11 muestra el

porcentaje de reducción de los cationes a 100, 200 y 300 l/h para aguas a baja concentración

inicial de sales (Agua Sintética). Observamos como en todos los iones efectivamente se logra

reducir más del 99% de las concentraciones, esto para todos los flujos probados. Se observa

como en todos los casos el catión K+ logra altos porcentajes de reducción en menor tiempo

indicando una mayor velocidad de transferencia de este catión desde la corriente de Agua

Sintética a la corriente de Concentrado. Observando el comportamiento de los otros cationes

encontramos que el segundo catión en lograr altos porcentajes de reducción en menor tiempo es

el Mg2+ y por ultimo el Ca2+. En la figura 6.12 de igual manera vemos el comportamiento de los

cationes en desalación de Agua Sintética 2 (aguas de alta concentración), en este caso vemos un

comportamiento similar donde la transferencia de los cationes va en el orden (del más rápido al

mas lento) K+ > Mg2+ > Ca2+, en el caso del comportamiento del Na+ ya es más estable y

podríamos decir que sería el segundo catión en trasferirse más rápido (después del K+) pero

sería recomendable realizar mas estudios para afirmar este comportamiento, ya que se observa

un comportamiento irregular para este ion que se atribuyen a errores en la medición de las

concentraciones en las muestras (por el método de emisión de llama). A diferencia de las

pruebas realizadas con aguas de baja concentración el porcentaje de reducción alcanzado para el

Ca2+ es mucho menor (alrededor del 90 %), dicho comportamiento podría deberse a una

saturación de las membranas debido a la presencia de una cantidad mayor de dicho catión, lo

que muestra en este caso una influencia en la concentración de iones en el agua a tratar sobre el

proceso.


96

FFiigguurraa 66..1122 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ccaattiioonneess vvss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ddee AAgguuaa

SSiinnttééttiiccaa 22 aa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo..

Este orden en la transferencia no se ajusta a lo encontrado en las pruebas realizadas por

T. Sirivedhin (27) en donde el orden de transferencia va (desde el más rápido al más lento) Mg2+

≈ Ca2+ > K+ > Na+, ello es probable a que para dichos estudios se usó una membrana diferente

y que la selectividad de estas membranas era tal que favorecía la transferencia del Mg2+ y Ca2+,

el orden conseguido en la transferencia de cationes con este trabajo indica una mayor afinidad

de las membrana por los cationes monovalentes como el potasio, en el caso de los cationes

bivalentes observamos que el magnesio tiene mayor velocidad de transferencia, ello podría

deberse a que dicho catión tiene menor peso molecular que el Ca2+, favoreciendo esto el

desplazamiento de este catión y su paso por la membrana.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00t (min)

% R

ed

uc

ció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

100 l/h

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

% R

ed

ucció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

200 l/h

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

% R

ed

ucció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO300 l/h


97

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00t (min)

%R

ed

uc

ció

n 100 l/h AS

200 l/h AS

300 l/h AS

100 l/h AS2

200 L/h AS2

300 l/h AS2

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

100 l/h AS

200 l/h AS

300 l/h AS

100 l/h AS2

200 L/h AS2

300 l/h AS2K+ Na+

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

100 l/h AS

200 l/h AS

300 l/h AS

100 l/h AS2

200 L/h AS2

300 l/h AS2Ca2+

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00

t (min)

% R

ed

uc

ció

n

100 l/h AS

200 l/h AS

300 l/h AS

100 l/h AS2

200 L/h AS2

300 l/h AS2Mg2+

FFiigguurraa 66..1133 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ccaattiioonneess vvss ttiieemmppoo ppaarraa ccaaddaa ccaattiióónn,, eenn ddiiffeerreenntteess ccoonnddiicciioonneess ddee fflluujjoo yy ccoonncceennttrraacciióónn iinniicciiaall ddee iioonneess..

En la figura 6.13 puede observarse el porcentaje de reducción de la concentración de cada

uno de los cationes en las aguas tratadas para diferentes velocidades de flujo y en las pruebas a

diferentes concentraciones iniciales para diferentes instantes de tiempo del proceso.

Encontramos en estas gráficas que no existen mayores diferencias en el comportamiento de los

cationes, indicando esto poca influencia en la transferencia de cationes, modificaciones de la

velocidad del flujo y la concentración inicial de las aguas a tratar, solo se observa una pequeña

desviación en la transferencia de Ca2+, donde se observa que se alcanzan porcentajes altos de

reducción en menor tiempo para la prueba realizada a 300 l/h a Agua Sintética. Otra

observación que podemos hacer con respecto a este catión es que a menores concentraciones

iniciales observamos mayores porcentajes de reducción, lo que ya se ha discutido. En la tabla

6.2 se observan los porcentajes de reducción finales de los distintos cationes a diferentes


98

pruebas, podemos observar como en la mayoría de los casos los porcentajes superan el 98 %,

llegando algunos hasta un 100 %.

TTaabbllaa 66..22 PPoorrcceennttaajjee ddee RReedduucccciióónn ddee ccaattiioonneess eenn llaass pprruueebbaass rreeaalliizzaaddaass.. K

+ Na

+ Mg

2+ Ca

2+ Catión

Flujo A.S A.S 2 A.S A.S 2 A.S A.S 2 A.S A.S 2

100 100,00 99,45 99,87 99,84 99,60 99,58 97,23 92,95

200 98,03 100,00 99,41 99,90 100,00 99,56 94,91 85,15

300 98,86 99,03 99,71 99,85 99,58 100,00 100,00 89,73

En las pruebas se observó un cambio en la turbidez de las aguas tratadas, siendo más

evidente para las aguas sintéticas de alta concentración, en la figura 6.14 se puede apreciar el

cambio de tonalidad entre el agua sintética de alta concentración antes y luego de ser tratada en

el equipo de electrodiálisis. La turbidez del Agua sintética de alta concentración se debe a la

presencia de precipitados de calcio y magnesio (CaCO3 y MgCO3), que a las concentraciones

alcanzadas a pH básico – neutro a la que se encontraba la solución llegaba a formar algún

precipitado; pero luego de ser tratado en el electrodializador, los precipitados se van disolviendo

progresivamente en la solución a medida que la concentración de este ion va disminuyendo,

hasta desaparecer.

FFiigguurraa 66..1144 DDiiffeerreenncciiaa aapprreecciiaabbllee eennttrree llaa ttuurrbbiiddeezz ddee uunn aagguuaa ssiinnttééttiiccaa ddee aallttaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ssaalleess aanntteess ddee sseerr ttrraattaaddaa yy lluueeggoo ddee sseerr ttrraattaaddaa ((iizzqquuiieerrddaa yy ddeerreecchhaa rreessppeeccttiivvaammeennttee))..

Con respecto a las pruebas realizadas a las aguas de producción de La Victoria estado

Apure se logró la reducción de la concentración de cloruro en la prueba realizada a 200 l/h.

Previamente se realizó una filtración para eliminar todo tipo de sólidos en suspensión y otras


99

partículas, como fué ya explicado en la metodología. Luego de ello se procedió a tratar esta

agua en el equipo de electrodiálisis de la misma manera que las aguas sintéticas estudiadas.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

[Cl]

pp

mConcentrado

Agua de Producción

(La Victoria)

FFiigguurraa 66..1155 CCoonncceennttrraacciióónn ddee cclloorruurrooss eenn llaa ccoorrrriieennttee ddee aagguuaa ddee pprroodduucccciióónn yy llaa ccoorrrriieennttee CCoonncceennttrraaddoo ppaarraa llaa pprruueebbaa rreeaalliizzaaddaa aa 220000 ll//hh..

En la figura 6.15 podemos apreciar como efectivamente se logra la reducción de cloruros

en el agua de producción tratada, y como se concentran en la corriente Concentrado, el

comportamiento que observamos en la figura es muy similar a observado con las Aguas

Sintéticas a las mismas condiciones (200 l/h y 30 V). Este hecho nos indica que los estudios

realizados con las aguas sintéticas son confiables y de igual manera encontramos que

efectivamente si hubo una transferencia de los cloruros desde el agua de producción a la

corriente concentrado: Se encontró que con este proceso se lograron concentraciones por debajo

de los 26 ppm de cloruros, muy por debajo de lo exigido en el decreto 883 (1000 ppm) (25) lo

que lleva a considerar este proceso como un tratamiento efectivo para este tipo de efluentes,

donde se obtuvo un porcentaje de reducción del 99,31 %, al igual que las otras pruebas

realizadas se encontró un tiempo óptimo en donde la transferencia se hace mínima (alrededor de

los 20 min), ello por lo explicado anteriormente. En la corriente de concentrado se logran

concentraciones hasta más de 3700 ppm de cloruros.

Al igual que las otras pruebas se observa como es el potasio el catión con mayor

velocidad en la transferencia de una corriente a otra como podemos ver en la figura 6.16, en la

misma figura observamos como el K+ es seguido por el Na+, Mg2+ y luego el Ca2+ en cuanto a

las velocidades de transferencia. La explicación a este orden de velocidades podría ser que el

sodio (peso atómico 23) tiene una densidad de carga mayor que el potasio (peso atómico 39,1)


100

lo que implica una mayor densidad de carga para el primero y por ende una esfera de

hidratación mayor lo que le disminuye su movilidad. Para el sodio la movilidad es de 5,19*10-8

m2/s.V y la del potasio de 7,62*10-8 m2/s.V en solución acuosa a 298,15 K (28) y se espera que

en la membrana, la movilidad del sodio sea más reducida que la del potasio, por las

restricciones de espacio. En cuanto al calcio y al magnesio, ambos tienen densidades de carga

mayores que el sodio y potasio, por lo que se espera que su velocidad sea menos en fase acuosa

libre. Pero en este caso, hay bicarbonatos en el medio y carbonatos, por lo que es posible que se

formen carbonatos de calcio y magnesio, pero el Kps del carbonato de calcio (Kps= 4,8*10-9) es

mucho menor que el del carbonato de magnesio (Kps = 1*10-5), lo que sugiere que el calcio, aún

en menores concentraciones tiene más posibilidades de precipitar y esto hace que su

transferencia sea menor. Esto y la permeabilidad de la membrana son una posible explicación al

orden de transferencia de los cationes medidos en este trabajo.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00t (min)

% R

ed

ucció

n

POTASIO

CALCIO

MAGNESIO

SODIO

FFiigguurraa 66..1166 PPoorrcceennttaajjee ddee rreedduucccciióónn ddee llaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ccaattiioonneess vvss ttiieemmppoo ppaarraa llaa pprruueebbaa ccoonn AAgguuaa ddee PPrroodduucccciióónn ddee LLaa VViiccttoorriiaa..


101

66..33 CCoonnssuummoo ddee eenneerrggííaa.

Para hacer una estimación aproximada del consumo de energía del proceso de desalación

de las soluciones tratadas por electrodiálisis, se tomaron en cuenta los requerimientos de energía

eléctrica necesarios para la separación y el bombeo de los fluidos.

El cálculo del consumo de energía se realizo con base en el tiempo y la energía

consumida en las corridas realizadas con un caudal de 100, 200 y 300 l/h. En las corridas

señaladas anteriormente se invertían aproximadamente 30min en promedio para la desalación de

dos litros de solución, y cerca de 15min para el lavado del equipo, con esto podemos calcular el

consumo de energía eléctrica para la electrodiálisis.

Para ello se graficó para cada corrida la variación del amperaje versus el tiempo y se

determinó el área bajo la curva obtenida. Al multiplicar este valor por la diferencia de potencial

usada durante la operación, que fue de 30V, se obtiene el consumo de energía en W·min. Como

se ve en la figura 6.17.

En las gráficas podemos observar como el amperaje va disminuyendo a medida que se

va logrando la desalación de las aguas tratadas, esta disminución de iones hace que la resistencia

de la celda vaya en aumento, como el voltaje se mantiene constante y la resistencia va

aumentando a través del proceso, la intensidad de la corriente debe disminuir para cumplir la ley

Ohm, es por ello que se observa este comportamiento en todos los casos. Se puede observar que

los valores de intensidad para las aguas de alta concentración de sales son mayores que para el

otro caso, ello es gracias a que hay mayor cantidad de iones en solución lo que genera menor

resistencia y ello proporciona un mayor paso de corriente a través de la celda, obteniendo así

mayores valores de amperaje.


102

0

1

2

3

4

5

6

7

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

Am

p

200 l/h

0

1

2

3

4

5

6

7

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

Am

p

300 l/h

FFiigguurraa 66..1177 VVaarriiaacciióónn ddeell aammppeerraajjee aa ttrraavvééss ddeell ttiieemmppoo ppaarraa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo,, llaaddoo iizzqquuiieerrddoo

aagguuaa ssiinnttééttiiccaa ddee bbaajjaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ssaalleess,, llaaddoo ddeerreecchhoo aagguuaass ssiinnttééttiiccaa ddee aallttaa ccoonncceennttrraacciióónn ddee ssaalleess..

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

t (min)

Am

p

100 l/h

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00t (min)

am

p 200 l/h

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

Am

p

300 l/h

0

1

2

3

4

5

6

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

Am

p

100 l/h


103

Luego de escoger las curvas que se ajustaran mejor al comportamiento de cada una de las

gráficas, se calculó el área bajo la curva de las gráficas de la figura 6.17 (amperaje Vs tiempo)

y multiplicando esta área por el voltaje que es fijo en 30 V se obtienen los consumos eléctricos

de la electrodiálisis en W.min.

Para el costo de la energía eléctrica utilizada para el funcionamiento de las tres bombas

con una potencia de 80W, que funcionan por 30 min aprox. y 15 min para el lavado del equipo

se calcula de la siguiente manera:

litrohWlitros

hWconsumo

tratadaagua

/302

min60/1min4580

_

⋅=⋅⋅

= Ec 6.2

Sumando este valor al obtenido por el consumo energético de la electrodiálisis obtenemos el

consumo energético total por litro.

TTaabbllaa 66..33 VVaalloorreess ddee CCoonnssuummoo eenneerrggééttiiccoo ccaallccuullaaddoo ppaarraa llaass ddiissttiinnttaass ccoorrrriiddaass..

Corrida Concentración

de sales Flujo (l/h)

Área bajo

la curva h

Várea

min/60

·

W.h/l

Consumo total

con Bombas

(W.h/l)

2.1 y 2.2 200 66,97 33,48 8,37 38,37

3.1 y 3.2 300 24,41 12,21 3,05 33,05

4.1 y 4.2

Baja

100 88,8 44,4 22,2 52,2

5.1 y 5.2 200 68,43 34,22 17,11 47,11

6.1 y 6.2 300 58,13 29,07 14,53 44,53

7.1 y 7.2

Alta

100 90,6 45,3 22,65 52,65


104

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

W·h

/l

1

Pruebas

100 l/h AS

200 l/h AS

300 l/h AS

100 l/h AS 2

200 l/h AS 2

300 l/h AS 2

Agua de Producción 200 l/h

FFiigguurraa 66..1188 CCoonnssuummoo eenneerrggééttiiccoo ddee ccaaddaa uunnaa ddee llaass pprruueebbaass eenn WW··hh//ll..

En la figura 6.18 podemos ver una comparación entre los consumos totales obtenidos en

las distintas pruebas, el valor de los consumos de las pruebas a 100 l/h son mayores a las otras,

ello pudo deberse a la duración que tuvo estas pruebas, en el resto de las pruebas se observa un

consumo muy similar en cada una de ellas, se observa que para aguas sintéticas de baja

concentración hay una pequeña diferencia, mostrándose un consumo algo menor, en este caso

de las aguas sintéticas de alta concentración observamos que la prueba a 200 y 300 l/h genera un

consumo algo mayor, debido a que a mayores presencia de iones la transferencia de corriente es

mayor, ya que tenemos menos resistencia, pero la diferencia no grandes, sólo que el consumo

gira alrededor de los 30 a 40 W·h/l para todos los casos a 200 y 300 l/h, incluyendo para las

aguas de producción que muestran el mismo comportamiento.

Podemos observar que el proceso no requiere un consumo muy grande de energía por

litro de agua tratado, la mayor cantidad de energía es la requerida por las bombas y el costo de

esta operación disminuirá al manejar mayores cantidades como sucede a escala industrial.

CCoonncclluussiioonneess

105

CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS..

El trabajo realizado permite obtener las conclusiones siguientes:

La desalación por electrodiálisis es una posibilidad entre los métodos de separación por

membranas para el tratamiento de aguas de producción con alto contenido de cloruros,

ya que con dicho proceso pueden llegarse a concentraciones de cloruros muy por

debajo de los 1000 mg/l que exige la ley (Decreto 883).

La Electrodiálisis demostró ser un proceso que se adecua perfectamente para aguas de

producción de baja y alta concentración, cambios en la concentración de iones de las

aguas a tratar no generan grandes cambios en el proceso, y los resultados obtenidos son

muy similares.

La velocidad del flujo de las aguas tratadas en el equipo afectan al proceso, se observó

que a mayores flujos la velocidad de desalación es mayor, tanto en aguas de baja como

aguas de alta concentración de sales.

El transporte de los cationes en las aguas sintéticas y en el agua de producción sigue el

orden de K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+ (del mas rápido al mas lento), ello es debido

probablemente a mayor afinidad de la membrana a cationes monovalentes y en otros

casos el transporte es más fácil para iones de menor peso molecular.

En la mayoría de los casos el porcentaje de reducción tanto para los cationes como

para el cloruro es superior al 99 %, consiguiéndose concentraciones en las aguas

tratadas de hasta 14 ppm de cloruros en uno de los casos de las aguas sintéticas, y para

aguas de producción una concentración de 20 ppm.

Se realizaron experimentos de desalación para soluciones de NaCl de 2500 ppm, los

resultados indican la factibilidad técnica de usar este método para disminuir la

concentración de iones en aguas sintéticas parecidas a las aguas de producción.

CCoonncclluussiioonneess

106

El proceso de electrodiálisis es más eficiente a mayor caída de potencial, ya que se

logra la separación de iones en menos tiempo.

El consumo de energía para una operación de desalación de un agua sintética es

alrededor de los 36 W·h/l en promedio. Y para las aguas de producción tratadas el

consumo es alrededor de los 34 W·h/l.

La mayor cantidad del consumo de energía es por el uso de las bombas, y seguramente

los gastos disminuirán al llevar el proceso a escala industrial donde se manejan

mayores cantidades de agua a tratar.

Los resultados de las pruebas realizadas indica que no hay un efecto importante de la

concentración inicial de la solución tratada sobre el proceso.

RReeccoommeennddaacciioonneess..

107

RREECCOOMMEENNDDAACCIIOONNEESS..

Se recomienda hacer el estudio mas detallado a diferentes concentraciones de iones y a

una misma velocidad de flujo, para observar como varía la velocidad de flujo a varias

concentraciones.

Es recomendable realizar ahora mas pruebas con aguas de producción reales, y evaluar

aguas de diferentes orígenes para evaluar así la flexibilidad del proceso.

En el cálculo de la velocidad de transferencia de Na+ hay una desviación en una de las

pruebas que pueden deberse a errores en la medición de este ion, es recomendable

realizar más pruebas.

Estudiar alternativas de disposición del concentrado.

Se recomienda la limpieza del equipo luego de cada corrida, y el pretratamiento de las

aguas ya que si contienen sólidos precipitados y suspendidos, lodos u otros

contaminantes, podrían afectar el funcionamiento de las membranas.

BBiibblliiooggrraaffííaa..

108


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AAnneexxooss

AAnneexxooss

111

AAnneexxoo AA..11 RReessuullttaaddooss ddee llaa ddeessaallaacciióónn ddee uunnaa ssoolluucciióónn ddee NNaaCCll aa 22550000ppppmm ccoonn uunnaa ccoorrrriieennttee ddee 3300 VV ffiijjoo..

30 V CONCENTRADO DILUIDO t (min) AMP Conductividad (mS/cm) Temperatura (ºC) Conductividad (mS/cm) Temperatura (ºC)

Inicial 0 0 1,9 20,7 4,14 20,7 0,72 2,35 2,97 21,1 3,36 21,1 3,45 1,6 4,59 21,3 1,724 21,3 6,563 0,9 5,59 21,5 0,945 21,5 9,385 0,49 6,27 21,9 0,523 21,9 13,206 0,23 6,47 22,1 0,209 22,1 16,668 0,14 6,59 22,3 0,0831 22,2 19,536 0,1 6,63 22,4 0,051 22,2 22,119 0,08 6,69 22,4 0,0347 22,6 25,049 0,06 6,79 22,7 0,01673 22,8

Final 29,382 0,05 6,84 23,2 0,00583 22,8

AAnneexxoo AA..22 RReessuullttaaddooss ddee llaa ddeessaallaacciióónn ddee uunnaa ssoolluucciióónn ddee NNaaCCll aa 22550000ppppmm ccoonn uunnaa ccoorrrriieennttee ddee 1155 VV ffiijjoo..

15 V CONCENTRADO DILUIDO t (min) AMP Conductividad (mS) Temperatura (ºC) Conductividad (mS) Temperatura (ºC)

Inicial 0 0 2,19 21,8 4,23 22,1 0,757 1,66 2,98 21,9 3,41 22,3 3,16 1,32 4,26 22,6 2,23 22,6 5,925 0,91 4,76 22,8 1,478 22,8 9,665 0,57 5,46 23,1 0,851 23,1 12,055 0,36 5,75 23,1 0,535 23,3 15,134 0,23 5,89 23,3 0,322 23,3 17,0685 0,15 6,03 23,8 0,211 23,5 20,361 0,11 6,09 23,7 0,142 23,7 23,314 0,08 6,21 23,9 0,0815 23,8 25,93 0,06 6,19 24,4 0,0715 24,6 29,441 0,04 6,41 24,6 0,0493 24,6

Final 32,817 0,03 6,45 24,8 0,0252 24,8

AAnneexxooss

112

AAnneexxoo AA..33 DDaattooss EExxppeerriimmeennttaalleess ddee llaass ccoorrrriiddaass rreeaalliizzaaddaass

Primera tanda: caída de potencial de 30 V Concentración del agua Sintética sencilla.

Corrida Flujo 200 l/h

2.1 Agua Sintética Concentrado

t (min) AMP Temperatura

(ºC) Conductividad (mS) Temperatura (ºC)

Conductividad (mS) Muestra

0 0 21,1 9,67 21,1 0,69 *

0,81 3,19 22,8 5,57 22,8 3,17

3,13 2,8 23,2 3,54 23,2 4,98

5,39 2,05 23,6 2,28 23,6 6,24

7,74 1,32 23,6 1,335 23,6 6,81

10,29 0,73 24 0,567 23,8 7,32 *

13,37 0,41 23,9 0,348 24,3 7,73

16,38 0,23 24,6 0,1783 24,3 7,82 *

20,38 0,12 24,6 0,0727 24,5 7,97

23,89 0,08 24,9 0,066 24,7 8,04 *

27,86 0,06 25 0,0592 24,9 8,06

31,37 0,05 24,8 0,0303 25,1 8,07 *

Corrida Flujo 200 l/h 2.2 Agua Sintética Concentrado


(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra

0,00 0 21,1 9,32 21,1 0,624 *

0,93 2,95 22,8 5,11 23,2 3,57

3,99 2,1 23,8 2,75 23,8 5,25

7,12 1,3 24,4 1,566 24,4 6,54

10,30 0,75 24 0,894 28,2 7,07 *

11,48 0,59 24,3 0,606 24,6 7,23

14,27 0,33 24,4 0,347 24,3 7,26

17,83 0,2 24,5 0,217 24,5 7,32 *

18,69 0,17 24,7 0,127 25,1 7,44

22,00 0,11 25,1 0,0764 25,1 7,52

24,92 0,09 25,3 0,0597 26,6 7,54 *

26,38 0,08 25,2 0,0263 25,2 7,83

30,17 0,07 25,2 0,0261 25,4 7,85

33,83 0,06 26 0,01739 26,8 7,88 *

AAnneexxooss

113




(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra

0 0 21,1 7,04 21,3 1,613 *

1,51 3,8 22,4 4,11 22,9 4,77

3,62 2,82 22,9 2,1 23,2 6,56

5,68 1,56 23,5 1,083 23,6 7,55

8,12 0,72 23,6 0,5 23,8 7,85 *

11,03 0,28 23,7 0,201 23,8 8,02

12,93 0,19 24,1 0,1161 24,3 8,04 *

13,93 0,14 22,8 0,0801 23,8 8,07 *

17,95 0,1 23,9 0,0348 24,3 8,25

21,08 0,09 24,8 0,0242 24,8 8,31

24,91 0,08 25 0,01604 25 8,31 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 23,7 7,04 23,5 1,519 *

0,66 3,87 23,4 6,02 23,9 2,18 2,79 3,47 24,9 3,89 24,8 4,86 5,70 1,98 25,7 1,406 25,6 7,23 * 9,46 0,47 25,7 0,29 25,5 7,73

12,45 0,19 25,9 0,0997 25,9 8,05 *

16,13 0,09 25,9 0,0318 26,1 8,08 19,75 0,08 26,1 0,0201 26,3 8,14 * 23,10 0,07 26,2 0,01891 26,4 8,14

26,19 0,06 27,3 0,01595 26,6 8,14 *

AAnneexxooss

114



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 21,1 7 21,1 1,557 *

0,48 3,44 21,6 5,41 21,8 3,84 3,35 2,67 22,2 3,5 22,3 5,83 5,88 1,86 22,7 2,32 22,8 6,66 * 9,48 1,04 22,8 1,218 23,1 7,62

12,73 0,61 23,1 0,702 23,1 8,05 16,00 0,37 23,4 0,412 23,9 8,27 * 20,23 0,2 24 0,18 23,8 8,43 24,59 0,14 23,8 0,0923 24,2 8,43 * 27,98 0,1 24,3 0,0428 24,3 8,56

30,94 0,08 24,5 0,0381 24,4 8,64 34,25 0,08 24,9 0,028 24,7 8,65

38,41 0,08 24,8 0,0213 25,2 8,66 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 20,6 7,43 20,5 0,867 *

1,01 3,36 21,7 4,55 22,6 4,2 4,00 2,64 23,1 3,05 23,2 5,92 7,35 1,6 24,1 1,59 24,2 6,96 *

10,82 0,86 24,1 0,804 24,1 7,37 14,37 0,47 24,5 0,604 24,3 7,62 16,76 0,33 24,8 0,407 24,4 7,93 * 19,93 0,2 24,8 0,1374 24,6 8,06 23,14 0,13 25,3 0,0703 25 8,23 * 27,03 0,09 25,4 0,0309 25 8,23

30,62 0,07 26 0,02 25,3 8,25

34,12 0,07 25,2 0,015 25,3 8,25 *

AAnneexxooss

115

Segunda tanda: caída de potencial de 30 V Concentración del agua Sintética al doble



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 22,1 13,23 21,3 0,868 *

0,57 6,38 22,2 12,12 23 2,24 * 5,44 5,55 22,4 6,81 23,7 7,2 8,52 2,5 24,2 2,08 24 10,1 *

11,24 1,2 24,4 0,705 24,4 11,74 14,03 0,35 24,6 0,235 24,7 12,1 * 16,55 0,16 25 0,089 24,6 12,19 19,51 0,11 24,8 0,043 25,6 12,21 22,94 0,1 25,3 0.0298 25,1 12,24

25,49 0,09 25,3 0,0242 25,4 12,24 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 20,4 14,35 20,8 0,943 *

1,11 6,38 21,5 11,61 20,6 2,67

3,82 6,55 22,4 7,77 22,2 7,3 6,45 4,4 23,3 4,16 23,1 10,52 * 9,05 2,4 23,7 1,82 23,6 12,2

11,87 1,11 23,8 0,864 24 13,13 * 14,94 0,55 23,8 0,293 24 13,4 17,22 0,27 24,3 0,1405 24 13,75 20,01 0,15 24 0,0909 24,4 13,75 * 23,26 0,12 24,5 0,0492 24,6 13,77 25,34 0,11 24,6 0,0343 24,8 13,76

28,84 0,11 25,2 0,0308 25 13,8 *

AAnneexxooss

116



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 22,1 14,35 22,6 0,943 *

0,84 6,5 23,2 12,41 22,6 2,23 4,90 5,44 24,5 5,93 24,4 10

7,44 2,91 25,2 2,56 25,3 12,79 * 10,70 1,04 25,3 0,763 25,5 14,43 13,63 0,43 26,1 0,233 25,8 14,58 * 16,47 0,18 25,8 0,0771 25,8 14,76 19,00 0,13 25,9 0,0573 26,1 14,76 * 21,99 0,11 26,1 0,0415 25,7 14,83 24,51 0,11 26,3 0,0399 26,1 14,76

28,23 0,1 26,4 0,0359 26,6 14,75 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 21,6 15,47 21,9 0,982 *

0,99 6,27 23,2 12,54 23 3,46 4,39 6 24,3 6,8 24,2 9,6 *

7,39 2,63 25,2 2,84 25,1 12,7 9,79 1,28 25,9 1,216 25,7 14,06

12,48 0,66 26,2 0,383 25,8 14,39 * 15,35 0,3 26 0,1337 25,9 14,67 17,71 0,16 25,9 0,0955 26 14,67 20,42 0,13 26,3 0,0583 26,1 14,76 * 23,73 0,11 26 0,0377 26,1 14,8 25,91 0,11 26,2 0,0233 26,2 14,81

28,39 0,11 26,8 0,0231 26,3 14,8 *

AAnneexxooss

117




(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 19,9 15,49 19,8 0,963 *

2,02 5,24 21,3 11,04 20,9 5,04 4,75 4,79 22,2 7,72 22,1 8,48 7,10 3,7 22,7 5,4 22,7 10,65 * 9,74 2,53 22,9 3,54 22,9 12,32

12,58 1,85 23,6 2,24 23,2 13,45 14,97 1,17 23,7 1,282 23,4 13,77 * 17,51 0,72 23,4 0,742 23,2 14,53 19,83 0,49 23,9 0,454 23,6 14,56 22,24 0,31 24,1 0,331 23,9 14,88 * 24,63 0,21 24,1 0,1792 24,2 14,78 27,53 0,16 24,6 0,1029 24,7 14,86 29,77 0,12 24,6 0,0898 24,3 14,94

32,05 0,11 24,8 0,0686 24,9 14,93 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra

0 0 21,1 15,49 21,5 0,97 * 1,52 5,31 23,3 11,45 22,9 4,26 4,06 5,21 24,4 7,74 24,3 8,15 6,97 4,44 24,8 5 25,1 11,26 * 9,58 2,56 25,1 2,79 25,1 12,87

12,09 1,48 25,8 1,463 25,9 13,87 14,89 0,8 25,9 0,752 25,9 14,09 * 18,36 0,38 25,9 0,326 26 14,61 22,24 0,2 26,2 0,1298 26,1 14,77 24,77 0,15 26,6 0,1074 26,7 14,56 * 27,32 0,12 26,3 0,0593 26,6 14,69 30,28 0,11 26,4 0,0295 26,7 14,84

32,25 0,1 26,8 0,0275 26,7 14,8 *

AAnneexxooss

118

Tercera tanda: caída de potencial de 30 V Agua de Producción de La Victoria.



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 20,4 10,22 21 0,99 *

2,32 5,83 21,8 5,84 21 4,38 4,28 3,94 22,5 3,29 22,2 6,96 5,92 2,23 22,7 2,22 22,9 8,61 * 7,77 1,15 23 1,084 22,9 9,3 9,71 0,6 23,1 0,67 23,1 9,68

11,57 0,37 23,3 0,382 23,2 9,87 * 13,53 0,23 23,3 0,214 23,4 9,96 16,04 0,15 23,6 0,0992 23,5 10,01

18,42 0,11 23,6 0,0468 23,9 10,08 * 20,86 0,09 23,7 0,0307 23,9 10,13

22,74 0,08 24,2 0,0204 24 10,14

24,89 0,08 24,4 0,0156 24,4 10,15 *



(ºC) Conductividad

(mS) Temperatura

(ºC) Conductividad

(mS) Muestra 0 0 21,4 9,6 21,7 0,995 *

2,72 5,38 23,3 5,51 23,3 5,31 4,83 3,72 24 4,03 23,6 7,14 6,26 2,69 23,9 2,55 24,1 8,81 * 8,02 1,61 24,3 1,47 24,4 9,57

10,18 0,91 24,7 0,925 24,4 10,13 11,72 0,6 24,7 0,595 24,8 10,27 *

13,70 0,38 24,1 0,368 24,6 10,39 15,35 0,28 24,9 0,23 25 10,52 17,05 0,2 25,2 0,1453 24 10,68 * 19,18 0,16 25,1 0,0962 25 10,75 21,07 0,12 25 0,0613 25 10,86

23,15 0,11 25,4 0,0595 25 10,79 *

AAnneexxooss

119

AAnneexxoo AA..44 CCoommppoorrttaammiieennttoo ddee llaass ccoonncceennttrraacciioonneess ddee cclloorruurrooss aa ddiiffeerreenntteess vveelloocciiddaaddeess ddee fflluujjoo.. Corrida 2.1 y 2.2 ( 200 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal

0

500

1000

1500

2000

2500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00t (min)

[Cl]

pp

m

Agua Sintètica

Concentrado

Corrida 3.1 y 3.2 ( 300 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

[Cl]

pp

m

Agua Sintètica

Concentrado

Corrida 4.1 y 4.2 ( 100 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal

0

500

1000

1500

2000

2500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00t (min)

[Cl]

pp

m

Concentrado

Agua Sintética

AAnneexxooss

120

Corrida 5.1 y 5.2 ( 200 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética al doble

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

[Cl]

pp

m

Concentrado

Agua Sintética


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

t (min)

[Cl]

pp

m

Concentrado

Agua Sintética


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

t (min)

[Cl]

pp

m

Concentración

Agua Sintética

Documents

TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN CON ELECTRODIÁLISIS