Cur So Osmosis

Tratamiento de Agua por Sistemas de Osmosis Inversa

Tecnología de Materiales, Div Amb 2005

Tratamiento de Agua por Sistemas de Osmosis Inversa I) Fundamentos Teóricos Introducción. Metodología, Enfoque y Perspectiva Histórica. Agua : Concepto y Caracterización (TDS / TSS / TH / pH / NTU / SDI) Osmosis Natural y Osmosis Inversa Espectro de Filtración / Osmosis Inversa como Hiperfiltro La Membrana Osmótica : Tipos, Dimensiones, Construcción, Materiales.

II) Aplicaciones de la Osmosis Inversa Alimentación de agua para Calderas y Generadores de Vapor Procesos Industriales / Circuitos de Enfriamiento / Make-Up Agua Ultra Pura para Aplicaciones Específicas ( pretratamiento de Desionizador ) Agua como insumo (Bebidas / Farmaceutica / Alimentos) Potabilización para consumo humano / Desalinización de agua de mar. Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración. Reciclaje/ Obtención de insumos ( Concentrador ) Reciclaje / Tratamiento de efluentes restringidos

III) Planta de Osmosis Inversa ; Componentes y Equipo Pretratamiento ( Acondicionamiento Físico / Químico ) Sección de Osmosis Inversa Post-Tratamiento ( alcanzar los requerimientos del producto final ) Aspectos de Diseño (Calidad de agua Disponible  Calidad de Agua Requerida)

Especificaciones Técnicas Generales de Equipo Programas de Predicción de Resultados ( Ropro / RoDesign ) Aspectos de Operación, Monitoreo y Data Logging Aspectos de Mantenimiento Nivel (I) / (II).

IV) Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa frente a otras Tecnologías. Costo Operativo ( $ / m3 )

Costo de Capital

Amplio espectro de Remoción

Pérdida de Agua (% recovery)

Regulaciones Ambientales

Background Local

Mínima Infraestructura Confiabilidad del sistema Flexibilidad Amplio Rango de Capacidades Compacticidad / Movilidad Operación autónoma

Perspectiva Histórica de la Tecnología R/O

-Primera

aplicación, Dr Sourirajan, UCLA

1960

-Primera

patente ( membrana en espiral ) 1965

-Membrana de poliamida compuesta TFC 1974 -Primera planta Desalinizadora ( Jeddha ) 1978

Evolución de Tamaños de Plantas de Osmosis : Jeddha ( Arabia Saudita ) 12,000 m3/D

( 1978 )

Yuma plant ( Colorado River, USA ) 285,000 m3/D

( 1985 )

Refinería de Talara ( Talara, Perú ) 3,000 m3/D ( 2001 ) Desalinizadora Antofagasta ( Chile ) 50,000 m3/D

( 2003 )

Desalinizadora Codelco El Teniente ( Chile ) 40,000 m3/D CM Yanacocha ( Perú )

6,000 m3/D

( 2004 )

Desalinizadora Mlipo ( Perú ) 2,000 m3/D

( 2005 - 2006 )

( 2004 )

Propiedades físicas y químicas del agua Propiedades físicas: Estado físico :

sólida, liquida y gaseosa

Color : incolora ; Sabor : insípida

; Olor : inodora

Densidad: 1 g./c.c. a 4°C Punto de congelación: 0°C Punto de ebullición: 100°C El agua químicamente pura es un liquido inodoro e insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor, toma color azul cuando se mira a través de espesores de seis y ocho metros, porque absorbe las radiaciones rojas. Sus constantes físicas sirvieron para marcar los puntos de referencia de la escala termométrica Centígrada. A la presión atmosférica de 760 milímetros el agua hierve a temperatura de 100°C; el calor de vaporización del agua asciende a 539 calorías/gramo a 100°. Mientras que el hielo funde en cuanto se calienta por encima de su punto de fusión, el agua liquida se mantiene sin solidificarse algunos grados por debajo de la temperatura de cristalización (agua subenfriada) y puede conservarse liquida a –20° en tubos capilares o en condiciones extraordinarias de reposo. La solidificación del agua va acompañada de desprendimiento de 79,4 calorías por cada gramo de agua que se solidifica. Cristaliza en el sistema hexagonal y adopta formas diferentes, según las condiciones de cristalización. A consecuencia de su elevado calor especifico y de la gran cantidad de calor que pone en juego cuando cambia su estado, el agua obra de excelente regulador de temperatura en la superficie de la Tierra y más en las regiones marinas. Su presión de vapor crece con rapidez a medida que la temperatura se eleva y su volumen ofrece la particularidad de ser mínimo a 4°. A dicha temperatura la densidad del agua es máxima, y se ha tomado por unidad. A partir de 4° no sólo se dilata cuando la temperatura se eleva,. sino también cuando se enfría hasta 0°: a esta temperatura su densidad es 0,99980 y al congelarse desciende bruscamente hacia 0,9168, que es la densidad del hielo a 0°, lo que significa que en la cristalización su volumen aumenta en un 9 por 100. - Reacciona con los óxidos ácidos - Reacciona con los óxidos básicos - Reacciona con los metales - Reacciona con los no metales - Forma Hidratos con las Sales.

Normas EPA secundarias para Agua Potable ( National Secondary Drinking Water Regulations )

Contaminant Aluminum Chloride Color Copper Corrosivity Fluoride Foaming Agents Iron Manganese Odor PH Silver Sulfate Total Dissolved Solids Zinc

Secondary Standard 0.05 to 0.2 mg/L 250 mg/L 15 (color units) 1.0 mg/L noncorrosive 2.0 mg/L 0.5 mg/L 0.3 mg/L 0.05 mg/L 3 threshold odor number 6.5-8.5 0.10 mg/L 250 mg/L 500 mg/L 5 mg/L

(*) National Secondary Drinking Water Regulations (NSDWRs or secondary standards) are nonenforceable guidelines regulating contaminants that may cause cosmetic effects (such as skin or tooth discoloration) or aesthetic effects (such as taste, odor, or color) in drinking water. EPA recommends secondary standards to water systems but does not require systems to comply. However, states may choose to adopt them as enforceable standards.

Típico Análisis de Agua (net feed) para diseño de Osmosis Inversa

KOCH Membrane Systems, Inc. Project: SnSebastian Prepared By: Project Engineer

ROPRO Ver. 7.0-CP

Date: Sep-23-2003 Description: R/O for Boiler Type: Single Pass Design

ARRAY SUMMARY – PASS 1 Permeate Flow Pass Recovery Inlet Press w/o FA Inlet Pres w/FA

75.0 60.0 152.4 166.0

USGPM % Psig Psig

1 TFC 8822HR-400 2 TFC 8822HR-400 3 TFC 8822HR-400

Tubes /Bank (#) 3 2 1

Total Feed (GPM) 125.0 83.2 59.5

Total Conc. (GPM) 83.2 59.5 50.0

Bank

Bank 1 2 3 System

Element Type

Tube Feed (GPM) 41.7 41.6 59.5

Stream Number Concentration Ca++ Mg++ Na+ K+ NH4+ Sr++ Ba++ Fe++ Mn++ CO3- HCO3SO4- C1NO3FSiO2 CO2 Sum of Ions TDS (180 C) pH Hardness (as CaCO3) Osm Pressure (Psig) Langelier Index Stiff–Davis Index

Temp (Design/Avg) 25.0/ Fouling Allowance (FA) conc. Pres w/o FA

25.0 Deg C 10.0 % 119.7 Psig

Elems /Tube (#) 3 3 3

Manifold Loss (Psig) 0.0 0.0 0.0

Elems Elem /Bank Age (#) (Yr) 9 3.00 6 3.00 3 3.00

Tube Conc. (GPM) 27.7 29.8 50.0

Avg Flux (GFD) 16.7 14.2 11.5

Boost Pressure (Psig) 0.0 0.0 0.0

Inlet Pres (Psig) 152.4 144.3 135.8

Avg NDP (Psig) 127.3 109.9 89.3

Net Feed 4 (mg/L)

RO Inlet 5 (mg/L)

Conc. 18 (mg/L)

Permeate 13 (mg/L)

265.00 95.00 315.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 260.00 420.00 750.00 0.00 0.00 32.00 42.20

265.00 95.00 315.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 98.03 420.00 844.12 0.00 0.00 32.00 159.12

659.92 236.57 780.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 242.43 1046.39 2095.88 0.00 0.00 79.37 159.10

1.72 0.62 4.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.48 2.41 9.61 0.00 0.00 0.42 157.89

2137.00 2004.70 7.00 1052.99 16.82 0.28 ---

2069.15 2019.27 6.00 1052.99 16.82 -1.15 ---

5140.63 5017.28 6.39 2622.22 41.76 0.06 -0.34

23.22 21.45 4.55 6.84 0.21 -6.41 ---

Perm Back Pressure (Psig) 0.0 0.0 0.0

Bank Final DP Element (Psig) Beta 8.1 1.100 8.5 1.079 16.1 1.037

Proceso de Osmosis Natural o Directa

Osmosis : Proceso natural mediante el cual moléculas de agua fluyen a través de una membrana semipermeable, desde una solución de baja concentración a otra de mayor concentración. Es una búsqueda natural de equilibrio de concentraciones y ocurre a igual presión en ambos lados.

Solución Diluída

... .. . . . . ... ..... .. . .. .... .. ..

Solución concentrada

Membrana Semipermeable

Proceso de Osmosis Inversa

Osmosis Inversa : Proceso mediante el cual se revierte el flujo de moléculas de agua a través de la membrana semipermeable, como resultado de aplicar presión a la solución de mayor concentración. Es posible entonces obtener agua pura a partir de una solución de alta concentración a través de un método mecánico.

Presión

Agua pura

... .. . . . . ... ..... .. . .. .... .. ..

Solución de alta concentración

Membrana Semipermeable

Flujos en una sección de Osmosis Inversa

(2) (1)

(3)

( 1 ) Alimentación

100 %

( 2 ) Producto

35 % ~ 85%

( 3 ) Rechazo

65 % ~ 15 %

Tipos de Membranas de Osmosis Inversa

- COMPUESTO QUIMICO

: Poliamida Compuesta ( TFC ) TFC Alto / Medio / Bajo rechazo Acetato de Celulosa Poliolefina Aromática Polisulfona

- DIMENSIONALMENTE ( Diámetro x Longitud ) 8”x 40” 8”x 60” 4”x 40” 2 ½”x 40”

- OTROS TIPOS ( FORMA ) Placas planas / Paralelas

Disposición Constructiva de la Membrana TFC de Enrollamiento en Espiral

Dirección de los flujos dentro del módulo ( Flujo Cruzado )

Procesos de Tratamiento de agua por Tecnología de Membranas de mayor uso en la Industria Ultrafiltration.

Ultrafiltration (UF) is a similar process to RO and NF, but is defined as a crossflow process that does not reject ions. UF rejects contaminants in the range of 1000 dalton (10 angstrom) to 0.1 micron particles. Because of the larger pore size in the membrane, UF requires a much lower operating pressure: 10 to 100 psig (0.7 to 6.9 bar). UF removes organics, bacteria, and pyrogens while allowing most ions and small organics, such as glucose, to permeate the porous structure

⇓ Nanofiltration. Nanofiltration (NF) equipment removes organic compounds in the 300 to 1,000 molecular weight range, rejecting selected salts (typically divalent), and passing more water at lower pressure operations than RO systems. NF economically softens water without the pollution of salt-regenerated systems and provides unique organic desalting capabilities.

⇓ Reverse Osmosis. Reverse osmosis (RO) was the first crossflow membrane separation process to be widely commercialized. RO removes virtually all organic compounds and 90 to 99% of all ions. A large selection of reverse osmosis membranes are available to meet varying rejection requirements. RO can meet most water standards with a single-pass system and the highest standards with a double-pass system. RO rejects 99.9+% of viruses, bacteria and pyrogens. Pressure, on the order of 200 to 1,000 psig (13.8 to 68.9 bar), is the driving force of the RO purification process. It is much more energy efficient compared to heat-driven purification (distillation) and more efficient than the strong chemicals required for ion exchange. No energy-intensive phase change is required.

Ventajas y Desventajas de la Osmosis Inversa frente a otras Tecnologías de uso Industrial --------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Costo operativo ($/m3)

Costo de Capital

Amplio espectro de Remoción

Pérdida de Agua (%Recovery)

Regulaciones Ambientales

Background Local

Mínima infraestructura Confiabilidad del Sistema Flexibilidad Amplio Rango de Capacidades Compacticidad / Movilidad Operación Autónoma

Especificación tipica, Membranas de 4” y 8” para agua Brackish ( pozo salobre )

Test Conditions The stated performance is initial (data taken after 30 minutes of operation), based on the following conditions:

NaCl Solution, PPM Applied Pressure, psig (MPa) Operating Temperature, °F (°C) Permeate Recovery pH Range

1500 225 psi (1.55) 77° (25°) 15% 6.5-7.0

Application Data Maximum Applied Pressure, psig (MPa) Maximum Feed Flow, GPM (m3/h) Maximum Operating Temperature, °F (°C) Feedwater pH Range* Maximum Feedwater Turbidity, NTU Maximum Feedwater SDI (15 mins) Maximum Chlorine Concentration, PPM Maximum Ratio of Concentrate to Permeate Flow for Any Element Maximum Pressure Drop for Each Element, psig *See technical literature for extended pH tolerance

600 (4.14) 4040-16(3.6), 8-inch-75(17.0) 113° (45°) 3.0-10.0 1.0 5.0