NIVEL II Soluciones al Ensuciamiento de Membranas en Instalaciones de Ósmosis Inversa Por Fernando del Vigo, Silvia Gallego y Jaime Sepúlveda
Nuevos retos en el tratamiento del agua: problemas y soluciones Los problemas de escasez de agua en cantidad y calidad para los diversos usos que hacemos de ella es uno de los principales problemas a los que debemos enfrentarnos. Cada vez son más las plantas instaladas para la producción de agua potable, riego o uso industrial que emplean la tecnología de membranas, especialmente ósmosis inversa (OI). Pero además, cada vez con mayor frecuencia, estas técnicas se emplean también en procesos de reutilización de aguas residuales procedentes de efluentes urbanos e industriales. Paralelamente al desarrollo de estas técnicas y sus nuevas
aplicaciones es necesario que se avance en el conocimiento de los procesos que pueden afectar a su funcionamiento y rendimiento. Cualquier instalación de OI presentará a medio o largo plazo problemas de ensuciamiento de las membranas que hacen necesaria la realización de limpiezas. El protocolo de limpieza dependerá del tipo de depósito (biopelícula, materia orgánica, depósitos inorgánicos o de naturaleza coloidal) presente en las membranas por lo que es imprescindible su caracterización. En una “autopsia de membrana” se combinan diferentes procedimientos de análisis y ensayos capaces de aportar información relativa a la naturaleza de los depósitos y otros aspectos que puedan asociarse con deficiencias en el funcionamiento de las instalaciones. A su vez son una herramienta capaz de aportar los datos necesarios para el planteamiento de nuevas pautas en la gestión de instalaciones que minimicen o retrasen la aparición de los problemas detectados.
Autopsia de Membranas: una herramienta para solucionar los problemas de ensuciamiento en las instalaciones de ósmosis inversa. Una autopsia de membrana es un ensayo destructivo en el que un elemento de una instalación es sacrificado para su estudio con el objetivo de resolver problemas como empeoramiento de la calidad del permeado, disminuciones en el caudal de producción o aumento de la presión diferencial detectados en la operación de la planta. Estos estudios comienzan en el momento de la selección de el/los elementos que deben ser estudiados y, aunque la metodología de trabajo depende de la problemática de cada instalación, comprende los siguientes pasos: • Inspección externa, en la que se examina la condición estructural del elemento (anillos de entrada y salida, tubo de permeado, etc.). La detección de desplazamiento del espaciador, efecto telescopio o depósitos externos es indicativa
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evaluar la eficacia de cada protocolo propuesto. de posibles deficiencias o problemas en la operación. • Otras pruebas específicas pueden realizarse para comprobar si • Inspección interna del elemento y toma de muestras para análisis. la capa de retención de sales de la membrana está dañada o se han Una vez abierto el elemento es posible inspeccionar el estado de los producido fenómenos de oxidación. sobres de membrana, líneas de pegamento, • Elaboración del informe final, en el que condición del espaciador y portador de pueden incluirse otros aspectos de análisis producto así como la presencia de como la analítica del agua de alimentación, depósitos. revisión de la dosificación de antiicrustante o • Análisis de la superficie de la valoración del pretratamiento, que estén membrana y/o depósitos identificado. Para relacionados con los problemas identificados. caracterizar los depósitos identificados en Los resultados obtenidos en este tipo de la superficie de las membranas se realizan estudios permiten garantizar la efectividad de análisis químicos y microbiológicos. En un protocolo de limpieza y establecer medidas ocasiones la naturaleza del depósito o la preventivas encaminadas a minimizar estos cantidad en la que es detectado hacen problemas de ensuciamiento en el futuro. preciso recurrir a técnicas como la microscopía electrónica (SEM) acoplada a Autopsia de membranas. Inspección externa. energía dispersiva de rayos X (EDX) o la Ensuciamiento de membranas: espectro-metría de infrarrojo (ATR/FT-IR) principales casos detectados para su correcta caracterización. La naturaleza del ensuciamiento detectado • Pruebas de caracterización de la en los diferentes casos estudiados y sus efectos membrana y limpieza, mediante el empleo sobre el funcionamiento de la instalación se de plantas piloto y células de flujo. Una describen a continuación: vez caracterizado el ensuciamiento se procede al desarrollo de diferentes Incrustaciones protocolos de limpieza que son probados empleando muestras del elemento Carbonato Cálcico sacrificado. Caudal y retención de sales son Los cristales de carbonato cálcico se caracterizados antes y después de cada originan muy rápidamente debido a la elevada limpieza según las especificaciones de cada cinética de precipitación de este compuesto. fabricante de membranas con el fin de Estas incrustaciones, las más comunes en Materia orgánica en la superficie de una membrana.
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instalaciones de OI, presentan como efectos inmediatos una brusca disminución del caudal, aumento de la salinidad y de la presión diferencial. Este efecto es más acusado en las membranas situadas en las últimas posiciones de la instalación, siendo este hecho común para cualquier tipo de incrustación. El carbonato cálcico es una incrustación cuya limpieza es muy sencilla, ya que cualquier ácido fuerte disolverá estos cristales, si bien en muchos casos la poliamida habrá experimentado un
deterioro irreversible en su capacidad de retención de sales.
Sulfato Cálcico
Sulfato de bario en la superficie de una membrana (imágen SEM-EDX).
Cada vez es más común encontrarse estas incrustaciones debido a la alta tasa de conversión a la que operan las plantas de OI. Sus efectos son muy similares a las incrustaciones de carbonato cálcico, si bien son más complicadas de eliminar. La disolución de incrustaciones de Sulfato Cálcico en membranas no puede realizarse mediante el empleo de ácidos fuertes ya que el pH necesario es muy inferior al límite establecido por los fabricantes de membranas. Pruebas de limpieza realizadas en nuestros laboratorios, así como en planta, indican que los mejores resultados se obtienen mediante el empleo de agentes quelantes formulados específicamente, los cuales forman complejos solubles con el Calcio. Los precipitados de sulfato de calcio, como cualquier incrustación, están asociados a un deterioro irreversible de la poliamida.
Sulfato de Bario y Estroncio Es frecuente encontrar Bario y Estroncio en agua de mar y aguas de proceso, aunque puntualmente son encontrados en pozos y aguas de red. Si bien sus concentraciones son muy bajas, muy pequeñas cantidades de estos elementos llevan a la precipitación tanto de Sulfato de Bario como de Sulfato de Estroncio. Estas dos incrustaciones suelen encontrarse conjuntamente. Incrustaciones de este tipo rápidamente originan un aumento de caudal de las membranas con un brusco empeora-miento en la calidad del permeado. Sus efectos son muy similares a la oxidación, si bien se manifiestan con más intensidad en las últimas membranas. En la mayoría de los casos estos depósitos no son detectables visualmente, y únicamente pueden identificarse mediante SEM (microscopía electrónica). Los mejores resultados en la limpieza de este tipo de incrustaciones han sido obtenidos mediante la utilización de agentes quelantes específicos para el Bario y el Estroncio.
Sílice El problema de la Sílice es muy frecuente en instalaciones de agua salobre en las Islas Canarias, si bien también hay zonas del levante español con elevadas concentraciones de este elemento. Incrustaciones Silíceas originan progresivamente una disminución tanto en el caudal de producción, como en la calidad del mismo. Análisis de estos depósitos silíceos indican que la precipitación de silicatos siempre está asociada a la presencia de hierro y/o de 8
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la dosificación en dosis de choque de biocidas, los cuales deben ser no oxidantes y compatibles con las membranas, además de contar con pretratamiento adecuado.
aluminio, y muy frecuentemente se encuentran también precipitaciones de carbonato cálcico. La limpieza de los precipitados silíceos debe hacerse en medio alcalino a valores de pH y temperatura lo más elevados posibles, formulando detergentes y agentes quelantes.
Materia Orgánica
La materia orgánica en la mayoría de las instalaciones es un problema asociado al de la biopelícula. En muchos casos esta Depósitos materia orgánica procede de la propia degradación de la biopelícula, y en otros Biopelícula casos es la biopelícula la que tiene como base En todas las membranas de poliamida Depósito de hierro en la superficie de una membrana. física y nutricional esta materia orgánica. El habitan bacterias y otros microorganismos. problema en las plantas de OI de materia Cuando estos microorganismos reciben orgánica puede verse minimizado mejorando nutrientes y se encuentran en un hábitat el pretratamiento del agua de aporte, si bien óptimo para ellos, se produce un desarrollo este es un problema creciente en las nuevas de los mismos originando la bien conocida aplicaciones de membranas para el tratabiopelícula. Membranas con elevada cantidad miento de aguas residuales. de biopelícula progresivamente experimentan Membranas con materia orgánica una disminución en su producción, asociada progresivamente experimentan una disminua un ligero incremento en el paso de sales. ción en su producción, asociada a un Este efecto es más acusado en los primeros incremento en la presión diferencial. Este elementos. efecto es más acusado en la primera etapa. Las limpiezas que mejor resultados Las limpiezas de esta materia orgánica son ofrecen a este problema son las alcalinas que Depósito de fosfato cálcico sobre membrana (imágen sencillas y generalmente dan muy buenos formulan diferentes surfactantes a un elevado tomada mediante SEM-EDX). resultados mediante la utilización de pH y temperatura. Si bien la biopelícula no surfactantes a los elevados valores de pH y temperatura. En casos con daña físicamente las membranas en muchos casos no es posible mucha cantidad de materia orgánica es necesario utilizar elevados recuperar totalmente los parámetros de funcionamiento de diseño de caudales de limpieza con el fin de mejorar el arrastre del depósito. las mismas. Para tener controlada la biopelícula es muy recomendable
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Hierro El Hierro encontrado en las membranas puede tener varios orígenes: iónico, proveniente de restos de corrosión, coloidal y de exceso de coagulantes. Restos de corrosión no originan problemas en las membranas, ya que estas partículas quedan retenidas en los filtros de seguridad, si bien la progresiva disolución (y muy lenta) de las mismas implica un aumento en las concentraciones de Hierro en disolución. En algunos casos puntuales en instalaciones con un deficiente pretratamiento se encuentran cantidades muy elevadas de restos de corrosión, las cuales originan un efecto de abrasión en la poliamida, deteriorando irreversiblemente la retención de sales de la misma. Son el Hierro en disolución, el cual se deposita en las membranas como óxido férrico y el Hierro proveniente de coagulantes, típicamente cloruro o sulfato férricos, los que originan un depósito en las membranas (ambas etapas por igual) causante de una creciente pérdida de producción de la instalación. Solamente el hierro precipitado como silicato causa incrustaciones capaces de dañar de forma no recuperable la retención de sales de las membranas. Este frecuente problema viene siendo atajado mediante la oxidación del equilibrio Fe2+/Fe3+ y su posterior retención en el filtro de arena. Su limpieza se realiza de una forma sencilla, ampliamente viene siendo utilizado ácido cítrico, si bien podemos mejorar su eficacia mediante un ajuste del pH a 4,1 (máxima solubilidad del Hierro) y la adición de agentes surfactantes.
Aluminio El aluminio encontrado en las membranas puede tener tres orígenes: iónico, coloidal (aluminosilicatos) y de exceso de coagulantes. Cada vez es más frecuente encontrar depósitos basados en aluminio
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debido a los cada vez más utilizados coagulantes y floculantes, básicamente derivados del sulfato de alúmina y policloruros de aluminio. Estos restos de coagulantes tienen una muy difícil limpieza, y en muchas ocasiones tenemos que irnos a condiciones muy agresivas de muy elevado pH y temperatura para favorecer la acción de los detergentes. En numerosas ocasiones las limpiezas de estos depósitos no dan resultados muy efectivos, al igual que en las limpiezas de depósitos coloidales. El aluminio en disolución se incrusta en las membranas en los casos de tener además elevadas concentraciones de Silicio en el agua, originando incrustaciones descritas anteriormente.
Materia coloidal La existencia de materia coloidal en la superficie de las membranas indica deficiencias en el sistema de pretratamiento a las membranas, si bien en muchos casos los coloides presentan tamaños incluso inferiores a 1 micra, por lo que su eliminación mediante filtrado es muy dificil. En estos casos es necesario una coagulación-floculación previa al filtro de arena para optimizar su retención. En estos casos es muy importante utilizar productos compatibles con las membranas y optimizar la dosificación de los mismos para evitar problemas en las membranas. Esta materia coloidal se deposita en toda la instalación, si bien sus efectos son más acusados en la primera etapa, causando una pérdida de producción y un aumento en la presión diferencial. Su limpieza, en muchas ocasiones muy complicada, debe hacerse mediante la combinación de surfactantes y agentes quelantes en medio alcalino, siendo prioritario un elevado caudal de recirculación de la solución de limpieza.
Fosfato Cálcico Cada vez es más frecuente encontrar deposiciones de fosfatos en las membranas, especialmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales. Hasta el momento la única forma de evitar la deposición de fosfato cálcico en las membranas era eliminar los fosfatos en el pretratamiento o mantenerlos en disolución ajustando el pH. Hoy en día existen antiincrustantes específicamente formulados con este fin. Los depósitos formados por fosfatos originan en cuestión de minutos una elevada disminución en el caudal de producción de las membranas, comenzando por los últimos elementos, si bien este caudal es muy fácilmente restaurado a los valores de diseño tras una limpieza ácida de las membranas durante unos pocos minutos. Análisis de estos depósitos indican que se forma una muy fina capa de fosfatos en la superficie de la poliamida, siendo esta capa muy resistente al paso de agua. En muchos casos estos depósitos también pueden limpiarse mediante el uso de surfactantes alcalinos. Hay ocasiones donde en los primeros elementos se encuentran depósitos de fosfato cálcico en el separador de las membranas, causando un incremento en la presión diferencial de la planta. Estos depósitos ya vienen formados y su limpieza es más
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complicada, teniendo que utilizar limpiadores ácidos a unos valores de pH muy bajos.
Consideraciones finales 1. Los resultados obtenidos en las diferentes autopsias realizadas en nuestros laboratorios nos indican nos indican la existencia de gran variedad de depósitos que tienen efectos negativos sobre el funcionamiento del sistema. Los problemas asociados a depósitos e incrustaciones en las membranas pueden ser en la mayoría de los casos eliminados si bien para esto es necesario conocer exactamente su naturaleza. 2. En muchas ocasiones, aunque se dispongan de datos relativos a la calidad del agua de alimentación o la operación de la instalación, la única forma de caracterizar estos depósitos es la realización de una autopsia 3. Frecuentemente cualquier depósito presente en una membrana no deteriora irreversiblemente el funcionamiento de la misma, si bien incrustaciones como el Carbonato Cálcico, Fluoruro Cálcico, Sulfato Cálcico, Sulfato de Bario, Sulfato de Estroncio y Sílice de no ser limpiadas en sus primeras etapas de formación deterioran irreversiblemente la retención de sales. Cuando se trata de problemas de biopelícula y materia orgánica pueden producirse fenómenos de ensuciamiento irreversibles por creación de zonas o canales de flujo preferencial. 4. Como recomendación general es conveniente realizar una limpieza de las membranas cuando se observe una disminución del caudal, aumento del paso de sales o aumento de la presión diferencial del 10-15 por ciento. Todos los productos empleados en las limpiezas
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deberán ser no oxidantes y totalmente compatibles con las membranas, y siempre deben ser respetadas las condiciones indicadas por los fabricantes de las membranas. 5. Además de la caracterización del depósito, las autopsias de membranas permiten ensayar la efectividad de diferentes protocolos de limpieza y diseñar programas específicos para cada instalación. Así mismo los resultados obtenidos de estos estudios permiten implantar prácticas de operación capaces de alargar la vida de las membranas y mejorar los rendimientos de la instalación.
Acerca de los autores D. Fernando del Vigo Pisano, Director Técnico de Genesys Membrane Products es el responsable de los mercados español, latinoamericano y del medio oriente. Cuenta con más de 10 años de experiencia en el desarrollo de productos antiincrustantes y limpiadores específicos para empleo en instalaciones de ósmosis inversa. Contacto:
[email protected] Dña. Silvia Gallego López, responsable del Servicio de Asistencia Técnica y los laboratorios de análisis del grupo GENESYS en Madrid (España), cuenta con más de 7 años de experiencia en investigación en el campo de la tecnología de membranas. Contacto:
[email protected] D. Jaime Sepúlveda Barrios, Gerente de operaciones de Genesys Latinoamérica S.A. cuenta con 18 años de experiencia en diferentes empresas de tratamiento de aguas, tanto en laboratorio como en asistencia al cliente. Contacto:
[email protected]. GENESYS LATINOAMÉRICA S.A., Templo Votivo 885, Maipú, Santiago, Chile.
[email protected]. www.genesysro.com
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