UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

AUTOR: KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA

QUITO

2015

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

AUTOR: KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA TUTOR: ING. WASHINGTON RUIZ LÓPEZ

QUITO

2015

APROBACIÓN DEL TUTOR

En calidad de Tutor del trabajo de grado titulado: “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA UTILIZADA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO”, me permito certificar que el mismo es original y ha sido desarrollado por la Señorita ARAUJO ULLOA KAREN DANIELA bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas, considero que el trabajo está concluido y tiene mi aprobación.

En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de julio del 2015.

Ing. Washington Ruiz López PROFESOR TUTOR

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AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, KAREN DANIELA ARAUJO ULLOA en calidad de autora del trabajo de tesis realizado sobre “DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO

MEDIO DE ENFRIAMIENTO”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8,19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de julio del 2015

Karen Daniela Araujo Ulloa C.C.1719710749 [email protected]

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DEDICATORIA

Con todo mi amor, a mis padres: Elsa y Manuel. A mi madre Elsa, pilar fundamental en mi vida, que gracias a su apoyo, perseverancia, valentía, rectitud, pureza y por poseer un alma inquebrantable y una fortaleza innata, logró hacer realidad cada sueño, meta y éxito de mi vida. A mi padre Manuel, por ser un apoyo incondicional en cada momento, una motivación constante para salir adelante y un eterno compañero desde mis primeros años de vida. Este logro es completamente por y para ustedes. A mis hermanos: Roberto y Andrea, mi motor de vida, ya que con amor y confianza, lograron forjar un significado de hermandad superior a cualquier clase de amor, lo cual representó una constante inspiración, valor y fuerza para continuar y seguir adelante. Ustedes fueron la razón que no me permitía flaquear, ni derrotarme. Estaría incompleta y vacía sin su amor. A mi tercer hermano, que me hizo creer de la real existencia de ángeles presentes en la tierra.

Daniela Araujo Ulloa

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AGRADECIMIENTOS

A Dios, Padre Todopoderoso, por cobijarme con su sabiduría, cuidarme y brindarme su amor a través de mi familia, mis padres y mis hermanos.

A mis padres, por brindarme un hogar estable, el cual siempre represento un santuario para mí, por todo su esfuerzo, entera confianza, amor, y por enseñarme con el ejemplo a ser una mujer con valores sólidos como: la honestidad, respeto, equidad, perseverancia, tolerancia y valentía, estas características llegaron a ser mi principal inspiración para lograr una carrera estudiantil intachable y exitosa. A mis hermanos, por su incondicional soporte, su tiempo, esfuerzo, tolerancia y amor; ustedes fueron parte crucial en el desarrollo de mi proyecto de tesis, además de representar un aliento y una inspiración para seguir siempre adelante. A pesar de las circunstancias, su amor fue una parte crucial para seguir y culminar este proceso. A mi inolvidable Facultad de Ingeniería Química de la Honorable Universidad Central del Ecuador, por acogerme en sus aulas y permitirme ser partícipe en la enseñanza- aprendizaje de los principios fundamentales, lo cual permitió potencializar un profesionalismo responsable. A mi tutor, Ing. Washington Ruiz, por ser una guía fundamental en el desarrollo de mi proyecto de tesis, por la confianza, tolerancia y apoyo que me brindó durante este proceso. A la empresa CELEC EP. TERMOPICHINCHA, por su auspicio, lo cual representó un aporte trascendental para el desarrollo de este proyecto de tesis; en especial al Ing. Juan Carlos López, Gerente General de la empresa; al Dr. Ramiro Reyes, Jefe de Laboratorio de Control Químico y al Ing. Javier Lasluiza Navarrete, por su sincera predisposición. A mis tíos: Julio Ulloa y Janneth Márquez, por su apoyo, confianza y cariño que han caracterizado un lazo muy fuerte, el cual ha sido una inspiración en toda mi trayectoria estudiantil. A mis tíos: Edison Ulloa y Margarita Araujo, a mis primos y a todos mis seres queridos que conforman la hermosa familia Araujo Ulloa, por demostrar siempre su cariño sincero, su confianza y por compartir los momentos más felices. vi

Desde las aulas de mi amado Colegio Municipal Experimental Sebastián de Benalcázar, el lugar donde he compartido varios años de momentos que fortalecieron lazos de amistad, el cual formó en mi un fuerte ideal que me orienta para ser una digna representante y llevar el nombre del colegio muy en alto, a mis amigos, que viven en mi corazón, que alegran mi alma y que siempre han estado a mi lado apoyándome: Sergio, Fátima, Belén y Lenin. Finalmente a todos los maestros, que marcaron cada etapa del camino universitario, potencializaron todos los conocimientos relacionados a la carrera de Ingeniería Química y que me guiaron en asesorías presentadas durante la elaboración de mi Trabajo de Tesis, mil gracias de corazón.

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CONTENIDO

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LISTA DE TABLAS..................................................................................................................XI LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. XIII LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................... XV LISTA DE ANEXOS .............................................................................................................. XVI RESUMEN ........................................................................................................................... XVII ABSTRACT ......................................................................................................................... XVIII INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1 1. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 3 1.1. Aguas de Enfriamiento en una Central Termoeléctrica ......................................................... 3 1.1.1. Tipos de Agua..................................................................................................................... 3 1.1.2. Agua Cruda.. ...................................................................................................................... 3 1.1.3. Agua Desmineralizada… ................................................................................................... 3 1.2. Calidad del Agua ................................................................................................................... 4 1.2.1. Parámetros Básicos de la Calidad del Agua ...................................................................... 4 1.3. Etapas en el Tratamiento del Agua ....................................................................................... 8 1.3.1. Clarificación……………………………………………………………………………….8 1.3.2. Filtración ......................................................................................................................... 11 1.4. Desmineralización del Agua ................................................................................................ 13 1.4.1. Descripción del Proceso de Desmineralización del Agua. ............................................... 13 1.4.2. Intercambio Iónico ........................................................................................................... 14 1.4.3. Ósmosis Inversa ............................................................................................................... 39 1.4.4. Tratamiento de Agua de la Central- Termoeléctrica Guangopolo I y II ........................... 72 2. MARCO EXPERIMENTAL .................................................................................................. 82 2.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada ............................ 82 2.1.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico. ................................................................................... 82 viii

2.1.2. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de Ósmosis Inversa. ........................................................................................................ 86 2.1.3. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa ............................................. 88 2.2. Diagrama de bloques para el procedimiento experimental .................................................. 89 2.2.1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico. .................................................................................................... 89 2.2.2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa ............................................. 90 2.2.3. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de ósmosis inversa .......................................................................................................... 91 2.3. Equipos y Materiales ........................................................................................................... 91 2.4. Sustancias y Reactivos ........................................................................................................ 92 2.5. Diseño Experimental ........................................................................................................... 92 2.5.1. Estudio Comparativo de los procesos para determinar el mejor Método de desmineralización del agua.. ...................................................................................................... 92 2.5.2. Descripción del Diseño Experimental.. ............................................................................ 93 3. DATOS EXPERIMENTALES .............................................................................................. 95 3.1. Datos de la caracterización del agua a tratar ........................................................................ 95 3.2. Datos de la caracterización del Agua Desmineralizada usando equipos de las Plantas de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo ................................................ 97 3.3. Datos de la caracterización del agua para la obtención de agua desmineralizada en el laboratorio .................................................................................................................................. 99 3.4. Requerimiento de Calidad del Agua para Enfriamiento de Motores de Combustión Interna (Motor MAN)........................................................................................................................... 102 3.5. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus S 108 H .............................................. 102 3.6. Información del Producto LEWATTIT MonoPlus M500.................................................. 104 4. CÁLCULOS......................................................................................................................... 105 4.1. Cálculo promedio de las réplicas experimentales .............................................................. 105 4.1.1. Ecuación general para el cálculo promedio de las variables de cada etapa del proceso.. ................................................................................................................................... 105

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4.2. Cálculos para el Diseño de la combinación de torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa…………………………………………………………………………………………109 4.2.1. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Catiónico (V-01) ................................. 109 4.2.2. Cálculo del Diseño de la Torre de Intercambio Aniónico (V-02) .................................. 120 4.2.3. Cálculo para las especificaciones del Equipo de Ósmosis Inversa (F-01) ..................... 132 4.2.4. Especificaciones de tanques, accesorios y bombas adicionales ..................................... 135 5. RESULTADOS .................................................................................................................... 147 5.1. Características de las Torres de Intercambio Iónico .......................................................... 147 5.2. Características del Equipo de Ósmosis Inversa ................................................................. 148 5.3. Características de la Torre de Almacenamiento del agua de prefiltrado y de la Torre de Almacenamiento de Agua desmineralizada .............................................................................. 148 6. DISCUSIÓN ........................................................................................................................ 149 6.1. De la parte experimental .................................................................................................... 149 6.2. Del Diseño de Equipos ...................................................................................................... 150

7. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 152 7.1. De la parte experimental .................................................................................................... 152 7.2. Del Diseño de Equipos ...................................................................................................... 153

8. RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 154 CITAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................... 155 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 160 ANEXOS ................................................................................................................................. 163

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LISTA DE TABLAS

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Tabla 1.Clasificación de la dureza de las aguas ............................................................................6 Tabla 2. Sedimentación según el tamaño de las partículas ...........................................................8 Tabla 3. Categorías primarias de resinas de intercambio iónico .................................................24 Tabla 4. Afinidades relativas de los Iones por las resinas...........................................................25 Tabla 5.Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico ........................................................26 Tabla 6. Constantes de permeabilidad al soluto de las membranas de acetato de celulosa ........49 Tabla 7. Componentes orgánicos e inorgánicos que rechaza la membrana semipermeable ........61 Tabla 8. Parámetros del agua filtrada (Agua de Alimentación para la Torres de Intercambio Iónico), Ensayo 1, 2 y 3..............................................................................................................95 Tabla 9. Parámetros del Agua de Ingreso a las membranas (Agua de Alimentación al Equipo de Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3 .............................................................................................96 Tabla 10. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica, Guangopolo I), Ensayo 1, 2 y 3 ...........................................................................................................................97 Tabla 11. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa, permeado, Guangopolo II), Ensayo 1, 2 y 3..................................................................98 Tabla 12.Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida de la Torre Aniónica), Ensayo 1, 2 y 3 ...................................................................................................................................................99 Tabla 13. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3 .........................................................................................................................100 Tabla 14. Parámetros del Agua Desmineralizada (Salida del Equipo de Ósmosis Inversa siendo el agua de alimentación el agua Salida de la Torre Aniónica) (combinación de las Torres de Intercambio Iónico y el equipo de Ósmosis Inversa, Ensayo 1, 2 y 3 .......................................101 Tabla 15. Propiedades Físico-Químicas ...................................................................................102 Tabla 16. Propiedades Físico-Químicas del Producto Lewatit MonoPlus S 108 H ..................102 Tabla 17. Condiciones de funcionamiento recomendadas ........................................................103 Tabla 18. Propiedades Físico-Químicas del Producto Lewatit MonoPlus M 500 .....................104 Tabla 19. Condiciones de funcionamiento recomendadas ........................................................104 Tabla 20. Datos experimentales promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo ..................................................................................................106 Tabla 21. Continuación datos experimentales promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo .........................................................107 Tabla 22. Cumplimiento de Requerimientos para los diferentes datos experimentales promedio de la obtención de Agua Desmineralizada para los diferentes puntos de muestreo ..................108 Tabla 23. Densidad de ácido sulfúrico en diferentes porcentajes y temperaturas .....................112 Tabla 24. Densidad del Agua a diferentes temperaturas ...........................................................114 Tabla 25. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina catiónica fuerte ........................................................................................................................................119 xi

Tabla 26. Concentración de especies expresadas en mg CaCO 3/ L ..........................................122 Tabla 27. Densidad del Agua a diferentes temperaturas ...........................................................125 Tabla 28. Datos necesarios para generar la curva del tiempo de ruptura de la resina aniónica fuerte ........................................................................................................................................130 Tabla 29. Variables de diseño del tanque de almacenamiento de agua prefiltrado proveniente de la salida de la Torre de Intercambio Aniónico (T-03) ..............................................................136 Tabla 30. Iteraciones del Diámetro del Tanque ........................................................................136 Tabla 31. Variables de diseño del Tanque de Almacenamiento de Agua Desmineralizada (T-04) .................................................................................................................................................137 Tabla 32. Iteraciones del Diámetro del Tanque de Almacenamiento de Agua Desmineralizada .................................................................................................................................................137 Tabla 33. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-01 .........................................................140 Tabla 34. Valores de k para diversos accesorios ......................................................................143 Tabla 35.Especificaciones de las bombas usadas en el sistema ................................................145 Tabla 36. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-02 .........................................................145 Tabla 37. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-03 .........................................................145 Tabla 38. Especificaciones de la Bomba centrifuga P-04 .........................................................146 Tabla 39. Especificaciones de las Válvulas Múltiples . ............................................................146 Tabla 40. Características de las Torres de Intercambio Iónico .................................................147 Tabla 41. Características del Equipo de Ósmosis Inversa ........................................................148 Tabla 42. Características de las Torres de Almacenamiento ....................................................148

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Filtro por gravedad ......................................................................................................12 Figura 2. Filtro de presión vertical .............................................................................................12 Figura 3. Filtro de presión horizontal .........................................................................................13 Figura 4. Equilibrio de Reacción de Intercambio Iónico ............................................................15 Figura 5. Burbuja de intercambio orgánico continuo comprendiendo un polímero de poliestireno de enlace cruzado con divinilbenceno con coiones fijados (cargas negativas) de carga negativa equilibrada por los contraiones (positivos) móviles (cargas positivas) ...............18 Figura 6. Intercambiador catiónico ácido fuerte (izquierda) en la forma hidrogenada e intercambiador de base fuerte aniónico (derecha) en la forma cloruro. ......................................18 Figura 7. Estructura del estireno y divilbenceno ........................................................................19 Figura 8. Polimerización lineal del estireno ...............................................................................19 Figura 9. Estructura de una resina de intercambio iónico ...........................................................20 Figura 10. Estructura Esquema y ciclo de servicio de un proceso de columna de intercambio iónico .........................................................................................................................................30 Figura 11. Fluidización de lecho ................................................................................................36 Figura 12. Pérdidas por fricción en lechos fijos y fluidizados ....................................................37 Figura 13. Exponente de la correlación para la expansión del lecho ..........................................38 Figura 14. Proceso natural de ósmosis .......................................................................................39 Figura 15. Procesos cuya Fuerza Impulsora es la Presión ..........................................................40 Figura 16. Esquema del fenómeno de Ósmosis Inversa .............................................................42 Figura 17. Capa límite y retrodifusión en el proceso de polarización por concentración. ...........46 Figura 18. Capa de gel por incremento de la polarización por concentración.............................47 Figura 19. Concentraciones y flujos en el proceso de ósmosis inversa. ......................................49 Figura 20. Configuración de la membrana tubular .....................................................................50 Figura 21. Configuración de la membrana en espiral .................................................................51 Figura 22. Variación de la velocidad de filtración de la presión aplicada. ..................................54 Figura 23. Sección Transversal de Módulo en espiral ...............................................................56 Figura 24. Membrana de espiral .................................................................................................57 Figura 25. Sección transversal de una membrana de fibras huecas ............................................57 Figura 26. Módulos de fibras huecas ..........................................................................................58 Figura 27. Membrana tubular .....................................................................................................59 Figura 28. Resistencias de la membrana.....................................................................................64 Figura 29. Localización de la Central Termoeléctrica Guangopolo............................................72 Figura 30. Central Termoeléctrica Guangopolo I .......................................................................73 Figura 31. Central Termoeléctrica Guangopolo II ......................................................................74 Figura 32. Reservorio de Agua Cruda ........................................................................................74 Figura 33. Estanque de Tratamiento ...........................................................................................75 xiii

Figura 34. Primera Piscina de Tratamiento ................................................................................75 Figura 35. Piscina de Floculación ..............................................................................................76 Figura 36. Tanques de Sedimentación ........................................................................................76 Figura 37. Última Piscina de Sedimentación ..............................................................................77 Figura 38. Piscina de Agua Filtrada ...........................................................................................78 Figura 39. Torre de Intercambio Catiónico y Aniónico ..............................................................78 Figura 40. Sistema de Ablandamiento de Agua..........................................................................80 Figura 41. Equipo de Ósmosis Inversa en la Central Guangopolo II ..........................................81 Figura 42. Trasvasado de Agua Filtrada .....................................................................................83 Figura 43. Verificación de apertura de válvula ...........................................................................84 Figura 44. Verificación de ciclo en service ................................................................................84 Figura 45. Bypass del flujo de entrada a las Torres ....................................................................84 Figura 46. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Catiónica ................................................85 Figura 47. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Aniónica .................................................85 Figura 48. Recepción de Agua desmineralizada .........................................................................86 Figura 49. Verificación de válvula en la corriente de entrada de agua a las membranas ............87 Figura 50. Muestreo de Agua de Permeado y Rechazo ..............................................................87 Figura 51. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico .....................................................................................................89 Figura 52. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa .............................................90 Figura 53. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de ósmosis inversa ..........................................................................................................91 Figura 54. Diagrama de Flujo del Proceso más idóneo para Desmineralización de Aguapara enfriamiento de motores de la Central Termoeléctrica Guangopolo...........................................94 Figura 55. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos ....................................138 Figura 56. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos ....................................139 Figura 57. Ficha técnica de Tanques de Almacenamiento de químicos ....................................140 Figura 58. Diagrama Modificado de Moody, para obtener el factor de fricción .......................142 Figura 59. Curva de rendimiento para el modelo PS 1 ¼ -3-3, 3HP .........................................144 Figura 60. Válvula Múltiple .....................................................................................................146

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LISTA DE GRÁFICOS

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Gráfico 1. Cf/Co=f (t) (Resina Catiónica fuerte) ......................................................................119 Gráfico 2. Cf/Co=f(t) (Resina Aniónica fuerte)........................................................................131

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LISTA DE ANEXOS

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ANEXO A. Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) y Simbología del proceso propuesto para la obtención de Agua Desmineralizada ............................................................164 ANEXO B. Vistas de la planta propuesta para la obtención de Agua Desmineralizada ... ¡Error! Marcador no definido. ANEXO C. Diagrama del Equipo para obtención de Agua Desmineralizada ..........................173 ANEXO D. Análisis Físico-Químico del Agua Filtrada ...........................................................174 ANEXO E. Análisis Físico-Químico del Agua de Ingreso a las Membranas del Equipo de Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II ..........................................................................178 ANEXO F. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada obtenida usando las Torres de Intercambio Iónico de la Central Guangopolo I .......................................................................182 ANEXO G. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis Inversa de la Central Guangopolo II ..........................................................................186 ANEXO H. Análisis Físico-Químico del Agua Desmineralizada usando las Torres de Intercambio Iónico en el Laboratorio .......................................................................................193 ANEXO I. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando el Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio ..............................................................................................197 ANEXO J. Análisis Físico-Químico del Agua Permeada y de Rechazo utilizando la combinación de las Torres de Intercambio Iónico y del Equipo de Ósmosis Inversa del Laboratorio ...............................................................................................................................204 ANEXO K. Información del PRODUCTO LEWATTIT MONOPLUS S 108 H .....................211 ANEXO L. Información del producto LEWATTIT MONOPLUS M500 ................................214 ANEXO M. Curvas de Rendimiento del Modelo requerido para el sistema propuesto ............217 ANEXO N. Información Técnica de las Válvulas Múltiples de las torres de Intercambio Iónico diseñadas ..................................................................................................................................218

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DISEÑO DE UNIDADES DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA COMO MEDIO DE ENFRIAMIENTO

RESUMEN

Se diseñaron dos unidades de desmineralización del agua a ser usada como medio de enfriamiento en motores de combustión interna pertenecientes a la Empresa CELEC (Central Guangopolo).

Para ello, se procedió a la regeneración de las resinas catiónicas y aniónicas fuertes de las Torres de Intercambio Iónico, usando ácido sulfúrico y sosa cáustica respectivamente y a la desmineralización utilizando los procesos de intercambio iónico, ósmosis inversa y la combinación de ambos. Para el primer y segundo proceso, se empleó agua filtrada proveniente de la Central Guangopolo I y II, respectivamente, y para la combinación, se utilizó agua de salida de las Torres. Las muestras obtenidas de los procesos fueron caracterizadas para determinar parámetros como: pH, conductividad, sólidos totales disueltos, dureza total, cloruros, sílice y hierro.

Con los datos obtenidos se seleccionó, a la combinación como el mejor método que cumple con el requerimiento de calidad y se procedió al diseño de las torres de intercambio iónico, especificación del equipo de ósmosis inversa y equipos adicionales necesarios.

Se concluye, que empleando el método de combinación de ambos procesos, se logró reducir la concentración de dureza total de 216.4 ppm CaCO 3 a 0.6 ppm CaCO3 y de sílice de 40 ppm SiO2 a 9 ppm SiO2.

PALABRAS CLAVES: / TRATAMIENTO DEL AGUA / DESMINERALIZACIÓN/ INTERCAMBIO IÓNICO/ ÓSMOSIS INVERSA / RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO / DISEÑO

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DESIGNING OF A WATER DEMINERALIZATION UNIT AS COOLING METHOD

ABSTRACT

Two units of water demineralization were designed to be used as a cooling method in internal combustion engines belonging to the company CELEC (Guangopolo Central).

To do so, the cation and anion strong resins from the Towers of Ionic Interchange were regenerated by using sulfuric acid and caustic soda respectively, and the demineralization using the processes of iron interchange, inversed osmosis and the combination of both. For the first and second processes filtrated water coming from the Central Guangopolo I and II was used respectfully, and for the combination water running from the towers was used. The samples obtained from the processes were characterized to determine parameters such as: pH, conductivity, total dissolved solids, total hardness, chlorides, silica and iron.

With the obtained data the combination was selected as the best method, with fulfills the quality requirements, then the ionic interchange towers were designed, specification of the inverse osmosis and other needed equipment. It is concluded that employing the combination of these methods, the total hardness was reduced from 216.4 ppm CaCO3 to 0.6 ppm CaCO3 and from 40 ppm SiO2 to 9 ppm SiO2.

KEY WORDS: WATER TREATMENT/ DEMINERALIZATION/ IONIC INTERCHANGE/ INVERSED

OSMOSIS/

IONIC

INTERCHANGE

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RESINS/

DESIGNING.

INTRODUCCIÓN

Debido a la creciente demanda energética, el país se ha visto en la necesidad de instalar centrales termoeléctricas. En agosto del 2006, se inicia una nueva etapa de crecimiento para TERMOPICHINCHA S.A, mediante la instalación en la Central Termoeléctrica Guangopolo de una unidad de 1.8 MW, para incrementar su capacidad de operación de 31.2 a 33 MW. Esta Central Termoeléctrica requiere de grandes volúmenes de agua que se captan desde el río San Pedro, que después de ser tratada desde su fuente, una parte de la misma es usada en el proceso de enfriamiento de motores de combustión interna, por lo que necesita de unidades desmineralizadoras.

En el año 2014, el personal encargado de la Planta de Tratamiento de Agua, después de observar fallas en la operación de enfriamiento en los motores de combustión interna, determinaron que la Unidad de Desmineralización actual no cumple con las exigencias demandadas por el proceso y presenta falencias en la operación. Por lo que el presente trabajo de investigación, se enfoca en el diseño de un mejor sistema de Desmineralización del agua que cumpla con el requerimiento de calidad del agua desmineralizada que se usa como agua de enfriamiento en los motores de combustión interna.

Para el presente estudio se inició, obteniendo los parámetros de diseño como: diámetro y altura de torres aniónica y catiónica, horas de operación, tiempo de regeneramiento para el proceso de intercambio iónico, y para el equipo de ósmosis inversa, parámetros como: tipos de membranas, incidencia de sílice y capacidad de retención de los sólidos disueltos. Posteriormente, se realizó la caracterización físico-química tanto del agua de entrada como de salida de cada proceso. Utilizando la planta piloto se recreó tres métodos de desmineralización del agua tales como: Intercambio Iónico, Ósmosis Inversa y la combinación de ambos, para determinar cuál de los tres métodos cumple con el requerimiento de calidad del agua desmineralizada a emplearse en el proceso de enfriamiento de los motores.

Con el proceso de Intercambio Iónico se cumplieron todos los requerimientos, excepto la concentración de sílice (15.67 ppm SiO2) que supero el valor requerido (< 10 ppm SiO 2). Analizando el proceso de Ósmosis Inversa, se cumplieron todos los requerimientos menos el

1

pH (8.36), valor que debe estar en el rango de 6 a 8 de unidades de pH, y la concentración de sílice (18 ppm SiO2). Finalmente, con la combinación de ambos procesos, se cumplieron todos los requerimientos.

Por lo tanto, determinando que la combinación de los procesos de

Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa es el mejor método para la obtención de agua desmineralizada que cumple con el requerimiento de calidad, se realizó el escalamiento a nivel industrial, obteniéndose el siguiente dimensionamiento: una Torre de Intercambio Catiónico de 73.728 cm de diámetro, 128 cm de altura y con un volumen de resina de 328.407 L; una Torre de Intercambio Aniónico de 112.613 cm de diámetro, 160 cm de altura y con un volumen de resina de 717.85 L, y por último un equipo de ósmosis inversa de 4 m de longitud y 20.52 cm de diámetro para cada cilindro que contiene las membranas semipermeables. Con este método se redujo un 99% de la concentración de dureza total y un 78 % de la concentración de sílice inicial aproximadamente.

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1. MARCO TEÓRICO

1.1. Aguas de Enfriamiento en una Central Termoeléctrica

1.1.1. Tipos de Agua. A diferencia de los aceites minerales, el agua es una sustancia de composición y propiedades bien definidas. Sus características únicas y abundancia la hacen indispensable para sostener no sólo la vida sino también un sin número de procesos productivos, convirtiéndola en el medio físico de trabajo de muchos diferentes tipos de instalaciones industriales siendo de particular interés, los sistemas de enfriamiento (de circuito abierto y cerrado).

Los sistemas de enfriamiento aprovechan la baja viscosidad del agua y su relativamente alto coeficiente de transferencia de calor para disipar la energía calórica que se genera y puede acumular en varios componentes de las máquinas de generación. No obstante, el agua debe ser purificada y tratada desde su fuente de captación hasta cada instancia de su utilización. [1]

1.1.2. Agua Cruda. Es aquella que no ha sido sometida a Proceso de Tratamiento.

1.1.3. Agua Desmineralizada. El agua desmineralizada es aquella a la cual se le han quitado los

cationes,

como

los

de sodio, calcio, hierro, cobre y

otros,

y

aniones

como

el carbonato, fluoruro, cloruro, etc. mediante un proceso de intercambio iónico. Esto significa que al agua se le han quitado todos los iones excepto el H+, o más rigurosamente H3O+ y el OH-, pero puede contener pequeñas cantidades de impurezas no iónicas como compuestos orgánicos. [2]

El agua desmineralizada o agua pura se utiliza para los siguientes propósitos:  Como agua primaria de enfriamiento de camisas y válvulas de motores  Como agua primaria de enfriamiento de inyectores  Como agua de enfriamiento de los compresores de arranque de los motores.  Como agua para la producción, de vapor en los calderos de gases de escape de los motores y en el caldero auxiliar. [3] 3

1.2. Calidad del Agua

La calidad del agua se determina por la cantidad de sólidos suspendidos, la cantidad y el tipo de sales disueltas, el número y el tipo de bacterias presentes y su tendencia corrosiva o incrustantes. Para garantizar el control de la calidad del agua debe realizarse pruebas periódicas y sistemáticas en diferentes puntos del sistema. El análisis del agua cuantifica la cantidad de impurezas disueltas en ella y determina ciertas propiedades físico – químicas tales como: pH, índice de estabilidad, cloruros, dureza, alcalinidad, sulfatos, fosfatos, sílice, dióxido de carbono, etc.). A continuación se mencionan los principales factores de la calidad del agua:

1.2.1. Parámetros Básicos de la Calidad del Agua

1.2.1.1. pH. El carácter ácido o básico del agua está dado por la concentración de los iones hidrógenos H+ presentes. [4] Con el pH se determina si el agua es ácida (aquella característica que provoca la corrosión de las tuberías de fierro), neutra o básica. Una solución que tenga pH menor que 7 es ácida, la que tenga un pH equivalente a 7 es neutra y, si el pH es mayor que 7, la solución es alcalina. [5] La determinación del pH es importante y debe realizarse con frecuencia durante el proceso de tratamiento de agua cuando hay un pH óptimo de floculación, con el cual se obtiene el mejor tipo de floc y, por lo tanto, una mejor decantación. [6]

1.2.1.2. Conductividad. La conductividad eléctrica es una medida de la resistencia que opone el agua (u otro cuerpo) al paso de la corriente eléctrica, tiene como unidad de medida µS/cm. La conductividad del agua está relacionada con la concentración de los sales en disolución, cuya disociación genera iones capaces de transportar la energía eléctrica. Como la solubilidad de las sales en el agua depende de la temperatura, evidentemente la conductividad varía con la temperatura del agua (en general, aumenta conforme aumenta la temperatura del agua). Para estandarizar la medición de la conductividad eléctrica se toma como referencia a una temperatura de medida, generalmente a 20 o a 25 °C. [7]

4

1.2.1.3. Sólidos Totales Disueltos. Se determina en forma directa por evaporación del agua y pesada del residuo salino. Se lo determina también por cálculo a partir de la conductividad del agua, medida por un puente de conductividad. Los sólidos totales disueltos nos indican la cantidad de sustancias disueltas en el agua y se lo determina en ppm. Dichos sólidos están relacionados con la tendencia corrosiva o incrustante del agua. [8] Para los ambientes de agua dulce y salobre se puede utilizar la siguiente expresión:

(1)

Donde: K= Conductividad expresada en μS. T=Sólidos Disueltos Totales. c=Coeficiente de correlación (establecido a una temperatura standart). [9]

1.2.1.4. Alcalinidad. La alcalinidad del agua se relaciona con su capacidad de disolver el gas carbónico, CO2. Este, bajo la forma de ácido carbónico, se puede mezclar de varias formas con metales alcalinos (Na, K) y alcalinos terrosos (Ca, Mg) en forma de carbonatos. Estas sales, teniendo bases fuertes y ácidos débiles, le dan al agua un carácter básico. La determinación de la alcalinidad consiste en agregar un ácido (H2SO4) de concentración conocida y determinar los volúmenes utilizados (titulación). Esta determinación permite comprobar la existencia de hidróxidos (OH-), carbonatos (CO3 -) y bicarbonatos (HCO3) en el agua. En general, se puede decir que las aguas con pH 12,0 tienen hidróxido (son cáusticas); pH 8,0 tienen carbonatos y bicarbonatos; pH 4,5 a 8,0 solo tienen bicarbonatos (son más comunes), y pH 4,5 son ácidas; es decir, tienen ácido libre además del ácido carbónico.

La necesidad de determinar la alcalinidad, en el caso del control de tratamiento, reside en lo siguiente:

a) En la necesidad de controlar el agua tratada, que de ninguna manera puede ser cáustica (existencia de hidróxidos OH-), pH 12,0. b) En la necesidad de controlar el agua en estado natural, puesto que la alcalinidad natural influye en la coagulación combinándose con el sulfato de aluminio. c) Con el resultado del pH y de la alcalinidad se determina el gas carbónico libre (CO2). Este debe ser nulo en el agua tratada para que no se vuelva corrosiva. [10]

5

1.2.1.5. Dureza Total. La dureza del agua se debe principalmente a las sales de calcio y magnesio; algunas veces, al hierro y al aluminio. La mayor parte del calcio y el magnesio presentes en el agua natural se encuentra bajo la forma de bicarbonatos, sulfatos y, ocasionalmente, cloruros y nitratos. Las sustancias productoras de dureza se depositan como escamas en las tuberías de aguas (principalmente, en las tuberías calentadas).

Tabla 1.Clasificación de la dureza de las aguas Clasificación Dureza: ppm o µg/L CaCO3 0 a 55

Densa

56 a 100

Ligeramente dura

101 a 200

Moderadamente dura

201 a 500

Muy dura

a) Tipos de Dureza

Existen dos tipos de dureza:  Temporal, dureza de carbonatos (CO3-2) o Cálcica: constituida por carbonato ácido de calcio o magnesio. Estos bicarbonatos precipitan cuando se calienta el agua transformándose en carbonatos insolubles.  Permanente o Magnésica: sulfatos (SO4-2), nitratos (NO3-) y cloruros de calcio (CaCl2) y magnesio (MgCl2). Esas sales no precipitan por ebullición.

La dureza se presenta siempre en términos de carbonato de calcio (CaCO3) como alcalinidad.

La dureza del carbonato se determina por los resultados de la alcalinidad. Tal como:  Si la alcalinidad producida por bicarbonatos y carbonatos normales, expresada en términos de CaCO3, es mayor que la dureza total, quiere decir que hay sales de sodio. Tales compuestos no producen dureza y, en ese caso, la dureza de carbonato será igual a la dureza total.  Si la suma de la alcalinidad producida por bicarbonatos y carbonatos normales es igual a la dureza total, la dureza de los carbonatos también será igual a la dureza total.

6

 Si la suma de la alcalinidad, producida por bicarbonatos y carbonatos normales, es menor que la dureza total, esta suma es igual a la dureza de carbonatos (temporal), y la diferencia entre la dureza total y dicha suma es la dureza de no carbonatos (permanente).

[11]

(2)

1.2.1.6. Cloruros. Los cloruros son sales que resultan de la combinación del gas cloro (ion negativo) con un metal (ion positivo). En la naturaleza las sales de cloruro de sodio, cloruro de potasio, y cloruro de calcio están ampliamente distribuidas, su solubilidad en agua fría es: 357, 344, 745 (g/L), respectivamente. [12]

Los cloruros son sales que están presentes en grandes cantidades en todas las fuentes de abastecimiento de agua y drenaje. Un alto contenido de cloruros en el agua industrial puede causar corrosión en las tuberías y en las estructuras. [13]

1.2.1.7. Sílice. La sílice puede, por sí sola o combinada fundamentalmente con el Magnesio, formar incrustaciones muy duras. [14]

Los análisis de la sílice, proporcionan un método sensitivo para el control de la operación de los desmineralizadores de agua, ya que la sílice es una de las primeras impurezas que salen a través de una unidad agotada. Se puede eliminar la sílice del agua por intercambio iónico, destilación, tratamientos con cal, carbonatos y magnesio.

1.2.1.8. Hierro. Es un catión muy importante desde el punto de vista de contaminación, aparece en dos formas: ión ferroso: Fe+ +, o más oxidado como ión férrico: Fe+ + +. La estabilidad y aparición en una forma u otra depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras, composición de la solución, etc. [15]

La presencia de hierro en el agua refleja la corrosión del metal de los equipos del metal de los equipos, tuberías, tanque, etc.; con los cuales está en contacto dicha agua. [16]

7

1.3. Etapas en el Tratamiento del Agua

1.3.1. Clarificación. Es el proceso por medio del cual se remueven y separan las impurezas contenidas en el agua cruda. Esta materia no disuelta está constituida por partículas relativamente grandes, las mismas que son arrastradas por el agua y partículas muy finas, representadas por los coloides, los cuales son arrastradas debido a las cargas eléctricas de dichas partículas; la presencia de estas partículas es la responsable de esta turbiedad y del color del agua cruda.

La clarificación comprende las etapas de sedimentación, coagulación y floculación. [17]

1.3.1.1. Sedimentación. La clarificación empieza con la sedimentación, es el proceso que elimina la materia suspendida sin la ayuda de sustancias químicas, donde los sólidos suspendidos se sedimentan de acuerdo a la diferencia de densidades.

En el siguiente cuadro se observa el tiempo de sedimentación de diferentes partículas a una misma temperatura. [18]

Tabla 2. Sedimentación según el tamaño de las partículas Diámetro de las partículas, mm

Orden de magnitud

Tiempo de sedimentación, s

10

Grava

0,3

1

Arena gruesa

3

0,1

Arena Fina

38

0,001

Bacterias

35

0,0001

Partículas Coloidales

65

1.3.1.2. Coagulación. La coagulación tiene como finalidad anular las cargas eléctricas de las partículas y transformar las impurezas que se encuentran en suspensiones finas o en estado coloidal y algunas que están disueltas en partículas que puedan ser removidas por la decantación (sedimentación) y la filtración. Tales aglomerados gelatinosos se agrupan y producen los flóculos.

Las sustancias químicas utilizadas en la coagulación se pueden clasificar en tres categorías:

8

 Coagulantes: compuestos de aluminio o de fierro que generalmente pueden producir hidróxidos gelatinosos no solubles y absorber las impurezas.  Alcalinizantes: cal viva (óxido de calcio), hidróxido de calcio, hidróxido de sodio (soda cáustica), carbonato de sodio (carbonato sódico), que pueden proporcionar la alcalinidad necesaria para la coagulación.  Coadyuvantes de la coagulación: compuestos (arcilla, sílice activada, polielectrólitos, etcétera), que se pueden convertir en partículas más densas y hacer que los flóculos sean más firmes.

Los coagulantes actúan con los alcalis para producir hidróxidos gelatinosos que contienen y absorben impurezas. Esta propiedad es más adecuada para la remoción de la turbidez. Como también producen iones trivalentes de cargas eléctricas positivas, que atraen y neutralizan las cargas eléctricas de los coloides protegidos que, por lo general, son negativas. Esta propiedad es más adecuada para la remoción del color. [19]

a) Coagulantes de aluminio

El coagulante más utilizado para el tratamiento del agua es el sulfato de aluminio, cuya fórmula química es Al2 (SO4)3.18H2O. Se puede presentar de tres formas:

Blanco: llamado también libre de fierro. Es más costoso debido a que posee una característica que no es indispensable (libre de fierro).

Amarillo: es el más común y económico. Se produce mediante la reacción del ácido sulfúrico comercial con la bauxita pulverizada.

Negro: mezcla homogénea de sulfato de aluminio (blanco o amarillo) con 2 a 5% de carbón activo. Se utiliza para el control del sabor y del olor. La coagulación con hidróxido de aluminio Al(OH)3 se realiza en la zona de pH entre 5,0 y 8,0 por la reacción del sulfato con la alcalinidad natural o cuando se añade al agua.

Teóricamente, las reacciones son las siguientes:

9

 Con la alcalinidad natural:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2

2 Al(OH)3 + 3CaSO4 +18H2O + 6CO2

1

 Con la alcalinidad agregada:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(OH)2

Al2(SO4)3.18H2O + 3Na2CO3

2 Al(OH)3 + 3CaSO4 +18H2O

2 Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 15 H2O+ 3CO2

2

3

 Sulfato doble de aluminio y amonio:

Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O, llamado también alumbre de amonio.  Alumbre de sodio:

Na2O.Al2O3, llamado también alumbre de soda. [20] 1.3.1.3. Floculación. Es el proceso de aglomeración de las partículas previamente coaguladas, para formar flóculos de mayor tamaño causados por su reunión, a través de la agitación moderada del agua, un número de partículas precipitadas de óxido hidratado junto a la turbiedad forman una masa mayor de rápida sedimentación.

Cada coagulante posee un óptimo rango de pH para mejor coagulación. Por tanto es necesario controlar el pH de máxima precipitación del coagulante. El pH de precipitación no depende solamente del coagulante sino de las características minerales del agua.

La temperatura del agua también afecta el proceso de coagulación y a temperaturas cercanas al punto de congelación se incrementa el tiempo de mezclado así como también la dosis de coagulante.

En general el éxito de la coagulación depende de tres factores principales:

a)

La presencia de una mínima cantidad de iones aluminio para formar flóculos insolubles.

b)

La presencia de un ion fuerte, tal como un sulfato o cloruro.

c)

El pH del agua debe ser controlado en un rango definido. [21] 10

1.3.2. Filtración

La filtración del agua consiste en hacerla pasar por sustancias porosas las cuales puedan retener o remover algunas de sus impurezas. Por lo general, se utiliza como medio poroso la arena soportada por capas de piedras, debajo de las cuales existe un sistema de drenaje. Con el paso del agua a través de un lecho de arena se produce lo siguiente:  la remoción de materiales en suspensión y sustancias coloidales;  la reducción de las bacterias presentes;  la alteración de las características del agua, inclusive de sus características químicas.

Los fenómenos que se producen durante la filtración son los siguientes:

a) la acción mecánica de filtrar; b) la sedimentación de partículas sobre granos de arena; c) la floculación de partículas que estaban en formación, debido al aumento de la posibilidad de contacto entre ellas; d) la formación de la película gelatinosa en la arena, producida por microorganismos que se reproducen allí (filtro lento). [22]

1.3.2.1. Filtración por Gravedad. Son aquellos que están abiertos a la atmósfera. Sobre un fondo de diseño especial, descansa sobre un lecho de grava o antracita gruesa y sobre ella lechos de arena y antracita fina de tamaño de partícula decreciente. La capa de lecho filtrante es de 1,2 a 1,6 m. El retrolavado se realiza cuando la pérdida de presión alcanza los 2 o 3 metros de columna del agua. [23]

11

Figura 1. Filtro por gravedad

1.3.2.2. Filtración por Presión. Pueden ser verticales u horizontales y están formados por una coraza cilíndrica, que contiene lecho filtrante. Están equipados con los accesorios necesarios para realizar las operaciones de filtración retrolavado y enjuague (Figura 2), representa un filtro vertical de presión. La facilidad de operar con presión permite flujos de filtración altos. Además, pueden ser intercalados en sistemas de tuberías sin necesidad de rebombeo, y también pueden permitir operar a temperaturas elevadas sin mayores pérdidas de calor. Los de tipo horizontal son menos usados por problemas de estabilidad de los lechos filtrantes, aunque ofrecen la ventaja de menos flujo y presión de retrolavado, puesto que cada comportamiento puede ser operado individualmente.

Figura 2. Filtro de presión vertical

12

Figura 3. Filtro de presión horizontal

1.4. Desmineralización del Agua

1.4.1. Descripción del Proceso de Desmineralización del Agua. Existen procesos industriales tales como los sistemas de enfriamiento, generación de vapor, efluentes, etc., donde se requiere un

acondicionamiento

del

agua

muy

específico

relacionado

cuantitativamente

y

cualitativamente con los sólidos disueltos presentes.

El proceso de desmineralización consiste en la eliminación total de los iones presentes en el agua, tanto de origen catiónico como de origen aniónico, utilizando una serie de tratamientos tales como: evaporación/destilación, membranas (ultrafiltración, ósmosis inversa), precipitación química (cal en caliente) y por intercambio iónico. Este último se realiza mediante el uso de un conjunto de resinas de intercambio iónico, las cuales deben conformar un arreglo de forma que se pueda llevar a cabo el proceso en tres pasos principales:  Reducción de cationes, en donde se utilizan resinas catiónicas fuerte y débil.  Eliminación del CO2, el dióxido de carbono que es desprendido como producto de la eliminación de los cationes asociados al ion bicarbonato (HCO3), se elimina por desgasificación del agua descationizada.  Reducción de aniones, los aniones presentes son convertidos tanto en ácidos fuertes como débiles en la descationización, para eliminarlos se usan resinas aniónicas débiles y fuertes. [24]

13

1.4.2. Intercambio Iónico

Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solución.

Los intercambiadores iónicos son elementos conformados por una estructura sólida de forma esférica (diámetro de partículas ± 0,4 mm) y que tienen la capacidad de remover los iones (cationes o aniones) llamados contra-iones presentes en una fase líquida, mediante la sustitución del mismo con otro ion con el mismo tipo de carga o coion. La especie removida es retenida en otra fase líquida confinada en la estructura sólido o gel del intercambiador iónico.

Los propósitos para realizar el intercambio iónico son:  Purificación o modificación de la concentración de iones de una fase líquida original.  Reconcentración, aislamiento o depuración de uno o más componentes iónicos.  Separación de una mezcla de diferentes componentes iónicos en dos o más fracciones. [25]

a) Equilibrio de Reacción

Todas las reacciones químicas que se llevan a cabo en el intercambio iónico trabajan bajo un estado de equilibrio, considérese la siguiente reacción:

4

Siendo R el cuerpo de la Resina de Intercambio.

Al producirse esta reacción la concentración de dichos elementos disminuirán gradualmente a medida que ocurra la reacción hacia la derecha, como también disminuirá en esa misma proporción la velocidad de formación de los componentes R-B+A.

A partir de la formación del compuesto R-B, simultáneamente comenzará una segunda reacción con sentido opuesto, cuya velocidad de reacción aumentará en la medida que exista mayor concentración del mismo.

La concentración del producto R-B aumentará en el sistema hasta lograrse un punto de equilibrio, y éste se obtendrá cuando ambas velocidades de reacción, con signo opuesto,

14

tengan la misma magnitud. Este estado se denomina Equilibrio Químico. Es importante observar que las concentraciones permanecerán constantes debido a que las velocidades de las reacciones opuestas son iguales y no debidas a que ha cesado la actividad. También es importante mencionar que el estado de equilibrio es particular o dependiente a las siguientes condiciones:  Concentración de los componentes de la reacción.  Temperatura  Presión.

Figura 4. Equilibrio de Reacción de Intercambio Iónico

b) Equilibrio iónico para un sistema constituido por dos fases (Agua-Resina)

Dada la existencia de dos iones A y B en un sistema conformado por dos fases considerando para este estudio una fase Agua rica en elementos A y otra fase Resina con elementos B, en el sistema ocurrirá un desplazamiento de ambos iones a través de ambas fases con el fin de compensar en cada una el valor de concentración donde dichos elementos logran simultáneamente dos estados en equilibrio, uno para la fases Agua y otro para fase Resina.

En otras palabras, si el Agua dispone de una concentración X% de A, ocurrirá una migración de éste hacia la fase Resina con el objeto de lograr su correspondiente valor de concentración Y% con la cual se satura o logra el equilibrio.

15

c) Descripción mecanismo para remoción de contra-iones por intercambio iónico

Para que suceda la remoción o sustitución de especies iónicas por medio del uso de resinas de intercambio, inicialmente debe ocurrir un desplazamiento (difusión) de los contra – iones contenidos en el agua hacia el interior de la resina, una vez dentro se lleva a cabo la reacción química para ser sustituido por su correspondiente co-ion, posteriormente el co-ión. Cedido se deberá desplazar hacia el agua. Este proceso cesará tan pronto como la reacción química alcance su punto de equilibrio o Agotamiento.

En Intercambio Iónico se entiende como ciclo de Servicio al proceso cuando la resina lleva a cabo la remoción de los contra-iones hasta su agotamiento, y Regeneración a la reacción inversa donde se restituyen los co-iones en la resina. Es viable que ambos procesos ocurran en forma controlada debido a la capacidad de reversibilidad que presentan las reacciones en equilibrio.

Si se considera el ciclo de Servicio de una Resina al mezclar con agua en un envase, la remoción de contra-iones contenidos en el agua se detendrá una vez que se alcance el Equilibrio Iónico en el sistema. Esto significa que no habrá la remoción total deseada de la especie iónica.

Si se parte de un lecho de resina que se encuentra totalmente regenerado con iones (B) y por él fluye Agua cargada con contra-iones (A), como la dilución que sufre (A) en el Agua durante su travesía por el lecho de resina hasta su total remoción.

Esta dilución se debe a sucesivas reacciones químicas producto de diferentes estados de equilibrio que es debido a la variación de la relación de concentración entre los iones (A) y (B) en los diferentes Sistemas Agua-Resina constituidos por las diferentes capas del Lecho de Resina.

1.4.2.1. Resinas de Intercambio Iónico. Son polielectrolitos o macromoléculas insolubles en agua, compuestos por una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético.

16

Estas resinas de intercambio iónico reaccionan como ácidos, bases o sales, pero tienen la peculiaridad de tener sólo cationes o aniones con la habilidad de tomar la parte de la reacción química, por su capacidad de migración.

Como la concentración de grupos polares en la resina es un número finito, éstas tienen una capacidad definida del intercambio. La ventaja de las resinas de intercambio iónico es que tienen habilidad para recuperar la capacidad original, mediante el tratamiento con una solución que puede ser ácido, una base o una sal, según la resina y el uso, que desplace los iones retenidos por la resina y los reemplace por iones deseados.

Este procedimiento se llama regeneración y es el que permite utilizar la resina otra vez.

Simplemente cuando la resina agota su capacidad de intercambio, se regenera. [26] La mayoría de las reacciones normales de cambio iónico son sensibles. En los casos más sencillos, el lecho agotado se regenera con un exceso del ion presaturante. Idealmente, no tiene lugar un cambio permanente de estructuras durante el ciclo de agotamiento/regeneración (No obstante, las resinas se hinchan y encogen, y la alúmina se disuelve parcialmente durante la regeneración). Cuando las reacciones son reversibles, el medio puede ser reutilizado muchas veces antes de ser reemplazado a causa del ensuciamiento irreversible. [27]

1.4.2.2. Estructura de las resinas de intercambio iónico. Un intercambio iónico de resina consta de una matriz de polímero de enlace cruzado a la que están apegados unos grupos de cargas funcionales mediante enlace covalente. La matriz usual es de poliestireno de enlace cruzado para estabilidad estructural con un 3 a 8 por 100 de divinil-benceno. Los grupos funcionales caen dentro de cuatro categorías fuertemente

ácidos (p.ej., sulfonatos

SO3-);

débilmente ácidos (p.ej., carboxilatos COO-); fuertemente básicos (p.ej., aminas cuaternarias N+(CH3)3) y débilmente básicos (p.ej., aminas tercianas N(CH 3)2). Una presentación esquemáticamente de la matriz de resina de enlace cruzado y su funcionalidad se muestra en la Figura 5. La figura es una esfera o rosario (esférico), tridimensional, echa de cadenas de polímeros de poliestireno unidas conjuntamente por enlace cruzado de divinil benceno no los lugares cargados con iones negativos ( SO3)- o (CCO) están fijados al esqueleto básico e resina o matriz, como así se denomina. Los contraiones móviles positivos (cargas positivas en la Fig. 5) están atracción electrostática con cada ion negativo en cada posición de intercambio. La capacidad intercambio de las resinas se mide como números de cargas fijadas por unidad de volumen o peso de resina. La funcionalidad es el término utilizado para

17

identificar la composición química de los lugares de fijación cargas, por ejemplo sulfonatos (SO3)- o carboxilato (COO-). La porosidad (p.ej., gel microporoso o macroporoso) es la caracterización de la resina al grado de apertura de la estructura del polímero. Un lecho actual de resinas es mucho más cerrado que lo que señala esquema, que se muestra francamente abierto para propósito de la ilustración solamente. [28]

Figura 5. Burbuja de intercambio orgánico continuo comprendiendo un polímero de poliestireno de enlace cruzado con divinilbenceno con coiones fijados (cargas negativas) de carga negativa equilibrada por los contraiones (positivos) móviles (cargas positivas)

Figura 6. Intercambiador catiónico ácido fuerte (izquierda) en la forma hidrogenada e intercambiador de base fuerte aniónico (derecha) en la forma cloruro.

Las resinas comerciales más usadas se conforman, generalmente, por una estructura de red que hace el papel de cuerpo de la resina. Por lo general, la estructura sólida de la resina proviene de la polimerización de sustancias orgánicas que mayormente son los monómeros estireno y divilbenceno (DVB), los cuales presentan una estructura bien definida y gran estabilidad en todo el rango de pH (Figura 7). 18

Figura 7. Estructura del estireno y divilbenceno

De la polimerización del estireno se obtienen cadenas muy largas, generando esencialmente una estructura lineal (Figura 8), la cual presenta poca resistencia en presencia de solventes orgánicos empleados usualmente para preparar y dar forma a la resina. Si durante la polimerización del estireno se le añade una porción de divinilbenceno, cada molécula de éste iniciará separadamente la formación de dos cadenas de estireno. Como resultado, se obtendrá una serie de segmentos de cadenas interconectados en intervalos regulares, proporcionando una estructura tridimensional en forma de red que presenta mayor resistencia a los solventes orgánicos (Figura 9).

Figura 8. Polimerización lineal del estireno

19

Figura 9. Estructura de una resina de intercambio iónico

A la cantidad de divinilbenceno, normalmente entre 2 y 12% de la mezcla con estireno, añadida durante la polimerización se denomina “grado de reticulación” o entrecruzamiento, de esta proporción dependerán las características mecánicas de la resina en aspectos como dilatación, resistencia a la abrasión, dureza y forma. La resina que presente mayor grado de reticulación ofrecerá mayor resistencia mecánica, pero su capacidad de dilatación será menor. [29]

1.4.2.3. Tipos de Resinas de Intercambio Iónico

a) Resinas Catiónicas Fuertemente Ácidas  Intercambian iones positivos (cationes).  Funcionan a cualquier pH.  Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizados o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante.  Las resinas catiónicas fuertemente ácidas derivan su funcionalidad de los grupos ácidos sulfónicos.

20

Estas resinas fijan los cationes que están unidos a los iones cloruros, nitratos, sulfatos, silicatos, quedando en el agua los ácidos de las sales inicialmente presentes en el agua de acuerdo al siguiente detalle:

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (35)

15

b) Resinas Catiónicas Débilmente Ácidas  Tienen menor capacidad de intercambio.  No son funcionales a pH bajos.  Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las pérdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior.  Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.  Las resinas catiónicas débiles están sujetas a una menor capacidad por un aumento en la velocidad de flujo. Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son intercambiados. Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R-2H, con R como radical fijo y H como ion de sustitución, tendremos las siguientes reacciones (de acuerdo a los cationes presentes).

Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son intercambiados. Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R-2H, con R 21

como radical fijo y H como ion de sustitución tendremos las siguientes reacciones (de acuerdo a los cationes presentes):

16 17 18 19

c) Resinas Aniónicas Fuertemente Básicas  Intercambian iones negativos (aniones).  Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los desmineralizadores para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa.  Estas resinas derivan su funcionalidad de amonios cuaternarios que cambian de sitio. Todas las resinas fuertemente básicas usadas para la desmineralización pertenecen a dos grupos: tipo 1 y 2. Químicamente los dos tipos difieren de las especies de amonio cuaternario intercambiado.

Tipo 1: Tienen tres grupos metil, estas resinas son adecuadas para remoción total de aniones en todas las aguas, estas son más difíciles de regenerar y se hinchan más desde la forma clorinada a la forma hidróxido. Es más resistente a altas temperaturas y pueden ser usadas en aguas alcalinas y altas en sílice.

Tipo 2: Tiene un grupo etanol y dos metil, estas remueven todo tipo de aniones, pero pueden ser menos efectivas en la remoción de sílice, dan buenos resultados en aguas que contienen predominantemente minerales ácidos libres, cloruros y sulfatos como en el influente de una unidad descarbonatadora.

El cambiador de tipo 1 es de mayor grado básico, pero tiene menor capacidad de intercambio que el tipo 2, cuando se opera al mismo nivel de regeneración y es, por lo tanto, menos eficiente para absorber ácidos fuertes. Los tipos 1 y 2 difieren en selectividad, siendo el tipo 1, el mejor para remover sílice y ácidos débiles. El tipo 2 pierde basicidad más rápido bajo ciclos repetidos que el tipo 1 y posee menor estabilidad a altas temperatura.

22

Asimismo, existen en disponibilidad estructuras de resina basadas en otras materias primas, pero también contenido grupos cuaternarios de nitrógeno. Estas resinas poseen diferentes selectividades, capacidades, eficiencias y estabilidad específicas, paralelas, hasta cierto grado, a los de tipo 1 y 2, anteriormente descritos, pero sobreponiéndose lo suficiente para hacer sumamente difícil la clasificación. La sílice, que es muy débilmente básica, se desplazará a través de un lecho del cambiador aniónico antes de que los iones de ácidos fuertes, ya que éstos desalojan a la sílice hacia la parte inferior conforme progresa el ciclo. Por lo tanto, la capacidad de las resinas, basada sobre el punto de escape de sílice, dependerá obviamente de la relación de sílice a aniones totales.

Los cambiadores fuertemente básicos deberán ser regenerados con sosa cáustica al 4% a una temperatura entre (35 a 37,8) °C con un tiempo de contacto entre 60 a 90 minutos. Este intercambiador fija los aniones de los ácidos débiles tales como el ácido carbónico y el ácido silícico. Las reacciones serían:

20 (37)

21

d) Resinas Aniónicas Débilmente Básicas  Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración.  No se puede utilizar a pH altos, pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.  Deben ser usadas en aguas con niveles elevados de sulfatos o cloruros, o donde no se requiera la eliminación de la alcalinidad y del silicio.  Secuencia de selectividad para resinas aniónicas: 

Fijan los aniones de los ácidos fuertes como sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones débiles del ácido carbónico (

), ni del ácido silícico (

). Si consideramos a las

resinas de intercambio aniónico como R-2OH, compuestas de un radical fijo R y de un ión móvil constituido por el grupo Oh de acuerdo a los aniones presentes, tendremos las siguientes reacciones:

22 23 23

24 25

1.4.2.4. Selectividad de las Resinas de Intercambio Iónico. Es influenciada por las propiedades de la esfera, los iones intercambiadores, y la solución en la están presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio iónico. Por ejemplo, las resinas catiónicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad. La cantidad de entrecruzamiento de la esfera tiene un impacto sobre el contenido de la humedad de la esfera, y por su parte, el contenido de humedad tiene un impacto sobre la selectividad.

Una esfera con alto contenido de humedad tiene alta porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen mayor selectividad a los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto.

Los fabricantes de las resinas son muy conscientes de la naturaleza del material de intercambio iónico, y en especial del grupo funcional. Por esta razón, algunos fabricantes no sólo han desarrollado resinas de intercambio iónico tipo fuerte, sino que han puesto especial énfasis en las resinas de tipo débil e inclusive con distintos grados de enlaces cruzados y también tamaño, con el objeto de optimizar la eficiencia de operación de un proceso de intercambio iónico. Podemos representar la eficiencia de una resina, con esta ecuación:

(3)

Tabla 3. Categorías primarias de resinas de intercambio iónico Categoría

Ácido o base inorgánico análogo

Resina Intercambio

Catiónica fuerte Catiónica débil Aniónica fuerte Aniónica débil

Podemos representar el proceso dentro de una columna de intercambio iónico, como un sistema compuesto por series de equilibrios químicos; para hacerlo más gráfico, lo podemos asimilar a la idealización de la teoría de destilación en “bandejas”. Como la solución fluye hacia abajo en

24

la columna, la reacción de intercambio se desplaza en el lecho a niveles inferiores de acuerdo a las condiciones de cada nueva bandeja encontrada.

Cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en el efluente producido. Cuando se llega esa concentración, es decir, que el equilibrio en ese punto se ha conseguido en la última bandeja, se debe proceder a regenerar la resina, para poder utilizarla en un nuevo ciclo.

La cinética, estabilidad o vida efectiva, deben ser consideradas antes de seleccionar la resina adecuada. [30]

1.4.2.5. Secuencia de selectividad. Una secuencia de selectividad describe el orden en el que los iones son preferidos por una resina particular, las resinas comercialmente disponibles catiónicas y aniónicas exhiben secuencias de selectividad similar. Éstas están representadas en la Tabla 4. [31] Tabla 4. Afinidades relativas de los Iones por las resinas* Resinas catiónicas de ácido fuerte **

Resinas aniónicas de base fuerte

Catión, i

Anión, i

***

Ra2+

13.0

3.200

Ba2+

5.8

150

2+

5.0

100

2+

4.8

17

2+

2.6

9.1

2+

1.9

4.5

2+

Zn

1.8

4.1

Fe2+

1.7

3.2

Mg2+

1.67

2.3

K+

1.67

1.3

Mn2+

1.6

1.2

NH4+

1.3

1.1

1.0

1.0

0.67

0.9

Pb Sr

Cu Ca

+

Na H

+

0.27 0.14 0.07

25

* Los valores son aproximadamente los factores de reparación de una solución 0.0050.010 N (TDS=250-500 mg/L en CaCO3). ** Resinas SAC son de matriz sulfonica de poliestireno divinilbenceno con grupos funcionales sulfonados. *** Los factores de reparación son aproximados y están basados en diversas fuentes de literatura técnica y en experimentos realizados en la Universidad de Houston.

1.4.2.6. Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico

Tabla 5.Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico Propiedades

Descripción Resulta de la relación entre la velocidad de intercambio (la cual es mayor

Tamaño de partícula

con partículas pequeñas) y la rata de flujo (la cual requiere partículas grandes para tener menores perdidas de presión). Las resinas actualmente son poliácidas o polibases de alto peso molecular

Solubilidad

que son virtualmente insolubles pero después de ciertas temperaturas se solubilizan. La forma de los gránulos esféricos debe tener máxima homogeneidad y

Forma

dimensión uniformes, tal que las pérdidas en la cabeza del fluido en la percolación permanezcan aceptables. La densidad más representativa es la densidad húmeda de una partícula individual, estos tipos de resinas están entre los siguientes rangos:

Densidad



Resinas catiónicas fuertes: 1.18-1.38



Resinas catiónicas débiles: 1.13-1.20



Resinas aniónicas fuertes: 1.07-1.12



Resinas aniónicas débiles:1.02-1.10

La caída de presión relaciona el tamaño, la forma, la uniformidad y la Caída de presión

compresibilidad de las partículas, la viscosidad de la solución, la temperatura y rata de flujo utilizada. La expansión y contracción de la resina durante el agotamiento y la

Resistencia a la

regeneración no debe ser causa para que se revienten los gránulos. El diseño

fractura

de aparatos de intercambio iónico debe también estar dirigido a la expansión, a evitar excesiva tensión o abrasión mecánica de la resina.

26

1.4.2.7. Estabilidad de las Resinas de Intercambio Iónico. Cuando hablamos del deterioro de una resina de intercambio iónico, se debe considerar el hecho de que el deterioro se manifiesta en diferentes formas, cada una de ellas es independiente o relacionada con otros factores.

Las formas de deterioro las podemos enumerar:

a) Ruptura de las partículas de la resina. b) Despolimerización de la resina y consecuentemente hinchamiento. c) Disminución de la capacidad total. d) Envenenamiento de los grupos funcionales. e) Ensuciamiento debido a la precipitación de elementos extraños en o sobre la partícula del intercambiador.

Normalmente las resinas aniónicas son las menos estables que todas las resinas de intercambio iónico y su vida útil entre 70 y 300 m3 de agua tratada por cada litro. Bajo condiciones normales, la degradación es de naturaleza química, y se manifiesta en una pérdida gradual de su capacidad de intercambio.

1.4.2.8. Regeneración de las Resinas de Intercambio Iónico

La regeneración de las resinas de intercambio iónico es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad devolverle a la resina de intercambio iónico su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza haciendo pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento.  Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos débiles.  Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de bases fuertes y resinas aniónicas de bases débiles.

Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico. [32]

27

a) Regeneración de las Resinas de Intercambio Catiónico

Cuando cualquiera de las resinas de intercambio catiónico débiles o fuertes ya no tienen iones hidrógeno para intercambiar, a estas resinas se les regenera haciendo pasar una solución de ácido (normalmente ácido sulfúrico), produciéndose las siguientes reacciones:

26 (Resina regenerada)

27 (Resina regenerada)

28 (Resina regenerada)

29 (Resina regenerada)

La regeneración se realiza normalmente en serie y la solución de ácido sulfúrico atraviesa sucesivamente la resina fuertemente ácida y la resina débilmente ácida. El exceso de ácido proveniente de la regeneración de la resina fuertemente ácida es suficiente para regenerar completamente la resina débilmente ácida.

b) Regeneración de las Resinas de Intercambio Aniónico

Una vez que las resinas de intercambio aniónico débilmente y fuertemente básicas no tienen más iones OH- que intercambiar con los aniones del agua, estas deben ser regeneradas. Su capacidad de intercambio le es devuelta haciendo pasar una solución de base fuerte (generalmente se emplea hidróxido de sodio), la cual atraviesa primero el intercambiador de las resinas aniónicas de base fuerte y luego el intercambiador de las resinas aniónicas de base débil. Se producirán las siguientes reacciones:

30 31 32 [33]

28

33

c) Regeneración concurrente versus contracorriente

La reciente tendencia es usar el flujo de regeneración o caudal hacia arriba (contracorriente) con el propósito de minimizar la fuga de iones contaminantes en los subsiguientes agotamientos de los desmineralizadores de intercambio iónico. Técnicamente, la regeneración contracorriente es mejor porque expone la parte inferior (o de salida) de lecho a mejores indicios de regeneración.

1.4.2.9. Procesos de Columnas

Las operaciones de columna de intercambio iónico no dan como resultado un porcentaje fijo de remoción de contaminante en el tiempo que resultaría. Estos procesos de columna exhiben un grado variable de remoción de contaminante y una rotura en el enlace de contaminante similar.

a) Columnas de lecho fijo

Las columnas de intercambio iónico son normalmente serpientes de acero a presión construidas para proporcionar (1) un buen sistema de alimentación y distribución del regenerante; (2) un apropiado soporte al lecho, incluyendo provisión para retroplano y distribución del agua; y (3) suficiente espacio libre encima del lecho de resina para permitir la expansión esperada del lecho durante el retrolavado. Adicionalmente, el recipiente debe estar revestido de forma que se eviten problemas de corrosión resultantes de las soluciones concentradas salinas y, en algunos casos, de los ácidos y bases utilizadas para la regeneración o limpieza de la resina. Debe haber un mínimo espacio muerto debajo del lecho de resina, donde deben recogerse las soluciones regenerantes y de limpieza y, subsiguientemente, mezclarse en el efluente durante el ciclo de servicio.

b) Típico ciclo de servicio para una sola columna

Las columnas de intercambio iónico operan sobre ciclos de servicio similares, que constan de seis etapas o pasos: (1) agotamiento, (2) retrolavado o lavado intenso, (3) regeneración, (4) lavado suave, (5) lavado rápido y (6) retomo al servicio. Un esquema de proceso simple de una sola columna se muestra en la Figura 10, que incluye un «bypass» opcional para una parte del agua de alimentación. El «bypass» de mezcla será un proceso normal para aplicaciones de tratamiento de agua potable porque las resinas de intercambio iónico pueden normalmente producir un efluente libre de contaminantes que es más puro que el exigido

29

legalmente. Además, para minimizar los costos de tratamiento, parte del agua de alimentación contaminada, típicamente del 10 al 50 por 100, será «by-paseada» del proceso y mezclada con el efluente para producir un agua producto que se aproxima al agua fracción (p. ej., 70 por 100). [34]

Figura 10. Estructura Esquema y ciclo de servicio de un proceso de columna de intercambio iónico

1.4.2.10. Cálculos

a) Tamaño de lecho y tasas de flujo

Una profundidad del lecho de resinas de 30 pulgadas (76 cm) se considera usualmente como mínima, y lechos tan profundos como de 12 pies (3,67 m) no son infrecuentes. El tiempo de contacto de lecho vacío (EBCT) escogido determina el volumen de resina requerido y está normalmente en la banda de 1,5 a 7,5 min. El recíproco o inverso del EBCT es la tasa de flujo de servicio (SFR) o tasa de agotamiento, y su rango aceptado es de 1 a 5 gpm/pie3.

30

(4)

(5)

Donde QF: tasa de control volumétrico, gal/min (L/min). VR: volumen de lecho de resina incluyendo huecos, pies3 (m3). b) Bypass de agua permitido

Suponiendo que el agua que pasa a través de la resina tiene dureza cero. El caudal de bypass se calcula escribiendo un balance de dureza en el punto de mezcla, punto E en la Figura. 10, donde el efluente de la columna se mezcla con el agua fuente en paralelo. Balance de dureza de masa en el punto E:

(6) Balance de caudal en el punto E:

(7)

Dónde: QB: tasa de caudal de bypass QF: tasa de alimentación de columna y de caudal efluente QP: tasa de caudal de producto mezclada (es decir, tasa total de caudal) CB: concentración de dureza en el agua bruta de bypass CE: concentración de dureza en el efluente de la columna, supuesto que sea cero, mg/L CP: concentración elegida de dureza en el agua producto mezclada La solución a estas ecuaciones se obtiene fácilmente en términos de la fracción by pasada

:

(8)

La fracción

, que debe tratarse por intercambio iónico es: (9)

31

c) Duración del tratamiento

El tiempo de agotamiento para el brote de dureza

y los volúmenes de lecho

para el

brote de dureza se calcula de un balance de masa de dureza se calcula de un balance de masa de dureza, suponiendo de nuevo que el efluente de la resina contiene dureza nula. Expresando en palabras este balance de masa es:

(10)

Donde: qH: capacidad de dureza de la resina al nivel de regeneración seleccionado eq/L (kg/pie3) VR: Volumen de lecho de resina incluyendo los huecos o agujeros, L QF tH: volumen de agua alimentada a la columna durante el tiempo tH, L

Así pues:

(11)

El tiempo tH para un brote de dureza está relacionado con los volúmenes de lecho para el brote

BVH y el EBCT:

(12)

d) Volumen de resina

El parámetro escogido más importante fue la tasa del caudal de servicio (SFR), porque especifica directamente el volumen de resina necesario V R.

(13)

32

e) Mínimo tiempo fuera de servicio para regeneración.

El tiempo fuera de servicio (tos) de la columna que está siendo regenerada no debería exceder del tiempo de agotamiento del brote de dureza tH.

(14) Donde: : tiempo

de retrolavado, min

: tiempo de regeneración, de 30 a 60 minutos : tiempo de regeneración lento,min : tiempo de regeneración rápido, min

Un tiempo fuera de servicio conservador seria la suma de los máximos tiempos de retrolavado, regeneración y limpieza (p. ej., 2 horas). Esto no causa problemas con relación a la operación continua porque el tiempo de agotamiento debe ser mayor al tiempo fuera de servicio.

f) Dimensiones de columna.

La profundidad h de la resina fue especificada antes; de modo que la altura de la columna, además del volumen o altura para expansión del 100 por 100 del lecho de resina durante el retrolavado, se especifica en esta sección.

(15)

La relación resultante de la profundidad del techo de resina al diámetro de la columna debe estar dentro del rango aceptable de 0,2:1 a 2:1 si se proporciona una adecuada distribución del flujo.

g) Volumen de agua residual.

La solución regenerante gastada comprende los volúmenes de regenerante y de lavado lento (lavado de desplazamiento). [35]

33

h) Cálculos en lechos empacados y fluidizados

En el proceso de retrolavado en la Torres de Intercambio Iónico, el lecho se fluidiza, es por tal razón que se consideren las siguientes ecuaciones en su diseño.  Coeficiente de arrastre.

El arrastre es una fuerza mecánica que se genera por el contacto entre un sólido y el fluido. La magnitud del coeficiente de arrastre depende de varios factores como la rugosidad de la superficie del cuerpo, el número de Reynolds del fluido, la geometría del objeto y cuerpos externos o superficies cercanas.

El número de Reynolds para un determinado sólido inmerso se define como se muestra en la ecuación 16.

(16)

Donde: : número de Reynolds : diámetro de la partícula, m : velocidad intersticial del fluido, m/s : densidad de la partícula, kg/ : viscosidad del fluido, Pa.s

 Pérdida por fricción en lechos empacados

La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos es la resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. Las pérdidas por fricción para un flujo a través de un lecho empacado pueden calcularse utilizando la ecuación de Ergum:

(17) Perdidas viscosas

Perdidas turbulentas

34

Donde: : perdidas por fricción L: longitud del lecho, m : velocidad superficial del fluido, m/s : viscosidad, Pa.s : porosidad : diámetro de partícula, m : densidad del fluido, kg/

La caída de presión en un lecho empacado es directamente proporcional a las pérdidas por fricción en el lecho y corresponde a:

(18)

Ergun define el número de Reynolds como se muestra en la ecuación 19.

(19) (20)

Si

> 1, domina el término de pérdida viscosa.

Si

<

, domina el término de pérdida turbulenta.

Cuando 1<

<

, ósea que está en régimen de transición, se utiliza la siguiente

expresión:

(21)

Siendo:

= factor de fricción en un lecho empacado. [36]

 Fluidización

Cuando un fluido corre hacia arriba a través de un lecho empacado a bajas velocidades, las partículas permanecen estacionarias. Al aumentar la velocidad del fluido, la caída de presión aumenta de acuerdo a la ecuación de Ergum (ec.17 y ec. 18). Si se sigue incrementando la velocidad, llegará un momento en que la fuerza de la caída de presión iguale a la fuerza

35

gravitatoria sobre la masa de las partículas, entonces las partículas comenzarán a moverse, y éste es el principio de la fluidización.

Figura 11. Fluidización de lecho  Velocidad y porosidad mínima de fluidización

La porosidad cuando ocurre la verdadera fluidización es la porosidad mínima para la fluidización. El lecho se expande hasta esta porosidad antes de que aparezca el movimiento de las partículas. Se puede estimar mediante ecuaciones empíricas sugeridas por Wen la esfericidad. [37]:

(22)

La relación entre la altura del lecho y la porosidad es: (23)

Donde

es la altura del lecho con porosidad

,y

es la altura con porosidad

.

La velocidad mínima de fluidización es la velocidad a la cual comienza la fluidización, en la figura 12 corresponde al punto “A” que es la intersección de la ecuación para lechos fijos y la ecuación para lechos fluidizados.

36

Figura 12. Pérdidas por fricción en lechos fijos y fluidizados  Caída de presión y velocidad mínima de fluidización

Cuando comienza la fluidización, la caída de presión a través del lecho equilibra la fuerza de gravedad sobre los sólidos, descontando el empuje del fluido. (24)

Como se muestra en la figura 12, el punto de intersección entre la ec. 24 y la ec. 17 (Ergun) nos permite tener la siguiente expresión, que corresponde a la velocidad mínima de fluidización:

(25)

Donde: : velocidad mínima de fluidización, cm/s : viscosidad, Pa.s : porosidad mínima de fluidización : esfericidad : diámetro de partícula, cm : densidad del sólido, g/ : densidad del fluido, g/

37

 Expansión del lecho fluidizado

La variación de la porosidad tiene relación con la velocidad del fluido, dicha relación se define como sigue:

[38]

(26)

Figura 13. Exponente de la correlación para la expansión del lecho

1.4.2.11. Ventajas y desventajas de los procesos de remoción de contaminante inorgánico por Intercambio Iónico.

a) Ventajas.  Operaciones sobre demanda.  Relativamente insensible a las variaciones de flujo, corto tiempo de contacto requerido.  Relativamente insensible a las trazas de concentración del nivel contaminante.  Esencialmente nivel cero de afluente contaminante posible.  Gran variedad de resinas efectivas disponibles.  Los efectos beneficiarios de la selectividad conversa ocurren después de la regeneración.  En algunas aplicaciones, el regenerante utilizado puede volver a utilizarse sin remoción de contaminante.

38

b) Desventajas.  Capacidad potencial de puntas cromatográficas de efluente cuando se usan lechos simples.  Calidad del efluente variable con respeto a los iones de respaldo cuando se utilizan lechos simples.  Usualmente no factibles a altos niveles de sulfato o sólidos totales disueltos.  Grandes volúmenes de regenerante deben utilizarse y verterse. [39]

1.4.3. Ósmosis Inversa

1.4.3.1. Ósmosis. La ósmosis es un proceso natural donde el solvente, principalmente agua, fluye a través de una membrana semipermeable, lo que significa que solo deja pasar las moléculas más pequeñas de solvente, de una solución con una baja concentración de sólidos disueltos a una solución con una solución con una alta concentración de sólidos disueltos. El solvente, fluye de la membrana hasta que la concentración se iguale en ambos lados de la membrana.

Figura 14. Proceso natural de ósmosis

1.4.3.2. Técnicas con Membranas cuya fuerza impulsora es la presión. De acuerdo con el tamaño de las partículas del soluto que va a atravesar la membrana, se clasifican éstas, valiéndose para ello del denominado umbral de corte, que es un parámetro referido al peso molecular medido en Dalton, del producto más pequeño que es retenido por la membrana en un 90 o 95 % aunque en la retención influyen otros factores como la forma y carga de las moléculas, otros solutos, etc., (Cheryan, 1986, Mulder, 1991).

39

Estas técnicas con membranas, cuya fuerza impulsora es la presión son: Microfiltración (MF), Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) y Ósmosis Inversa (OI).

Figura 15. Procesos cuya Fuerza Impulsora es la Presión

La microfiltración retiene partículas en suspensión con un diámetro medio de una micra, con tamaños que van de 0,05 a 10 micrómetros. Utiliza membranas porosas y el mecanismo de exclusión. Las presiones que se aplican van de 0.5 a 3 bares y se dispone de membranas con un amplio rango de materiales.

La microfiltración se emplea en la clarificación de vinos, cerveza y zumos de frutas, en la esterilización de fármacos, concentración de células, como pretratamiento para procesos posteriores de nanofiltración y ósmosis inversa, y en el tratamiento de aguas residuales utilizadas para reemplazar filtros prensa, decantadores, etc.

La ultrafiltración retiene macromoléculas, pero utiliza el peso molecular como índice de rechazo, ya que por tamaños de las moléculas no se puede determinar el umbral de corte. El intervalo está entre 1000 y 5000 Dalton, o de 2 a 100 nanómetros. Utiliza como principio el mecanismo de exclusión mediante membranas porosas, de material polimérico o inorgánico. Presentan el problema del ensuciamiento.

40

Las aplicaciones de la ultrafiltración se dan en la concentración y purificación empleadas en la industria lechera y de alimentos, en la metalurgía, textiles y automóviles y en el tratamiento de aguas residuales y otros efluentes.

La nanofiltración ocupa un lugar intermedio entre la Ultrafiltración y la Ósmosis Inversa. En la ósmosis inversa, la separación del soluto no se debe a su tamaño, y es un mecanismo de disolución-difusión a través de la membrana. Estas sólo permiten el paso del agua, (Mulder, 1991, Bhattacharyya, 1992). [40]

1.4.3.3. Descripción del Proceso de Ósmosis Inversa. Este fenómeno se determina tomando en consideración la posibilidad de invertir la presión osmótica aplicando una presión igual o superior a la misma, en el lado de la solución más concentrada para de esta manera, provocar el paso del agua en sentido inverso. Este fenómeno se llama ósmosis inversa.

La ósmosis inversa es la separación de componentes orgánicos e inorgánicos del agua por el uso de una presión ejercida en una membrana semipermeable mayor que la presión osmótica de la solución. La presión forza al agua pura a través de la membrana semipermeable, dejando atrás los sólidos disueltos. El resultado es un flujo de agua pura, esencialmente libre de minerales, colídales, partículas de materia y bacterias.

El agua se hace pasar a través de membranas que dividen el flujo en dos efluentes, uno concentrado y otro que se conoce como permeado. La membrana es una película semipermeable que permite obtener agua con una baja concentración de contaminantes debido a la diferencia de presión osmótica generada entre el efluente de alimentación, el permeado y la membrana.

El permeado es un efluente bajo en sales y el Rechazo es un efluente con alto contenido de sales y contaminantes. [41]

41

Figura 16. Esquema del fenómeno de Ósmosis Inversa

1.4.3.4. Presión Osmótica. Los datos experimentales muestran que la presión osmótica de una solución es proporcional a la concentración del soluto y a la temperatura T. Van´t Hoff demostró originalmente que la relación es semejante a la de la presión de un gas ideal. Por ejemplo, en soluciones de agua diluidas:

(27)

Donde: : presión osmótica en atm . : concentración total de los iones disueltos en

.

R: constante de la ley de los gases (

)

T: temperatura en °C.

Una aproximación de la presión osmótica puede ser que por cada 1.000 ppm de concentración de TDS es igual a 0.76 atm de presión osmótica.

La presión osmótica es un valor estático, es decir que el valor de presión osmótica cambiará al momento en que pase un poco de agua a través de la membrana, en el sentido del agua salada al agua pura, ya que tendremos un incremento en la concentración en el agua salada, lo que ocasionará que se incremente la presión osmótica, razón por la cual será necesario incrementar la presión en el agua a desalar. Una forma de calcular la presión máxima a aplicar se puede obtener conociendo las características de la membrana, es decir, conocer el porcentaje de

42

rechazo de sales de la membrana, así como el porcentaje de recuperación máximo que permite la membrana sin sufrir daño alguno, por lo general las membranas rechazan un 99.7% de sales y pueden recuperar hasta un 14% del agua de alimentación, variando según el agua de alimentación. [42]

1.4.3.5. Paso de sales. El paso de sales se define como la proporción de concentración de sales en el lado de permeado de la membrana relativa al promedio de concentración en la alimentación/concentrado. Matemáticamente se expresa en la ecuación 4:

(28)

Donde: SP: paso de sales en (%). : concentración de sales en el permeado

.

: concentración media de sales en el caudal de alimentación

. [43]

1.4.3.6. Rechazo de sales. El rechazo de sales es lo opuesto del paso de sales y se define por la ecuación siguiente: (29)

Donde: SR: rechazo de sales en (%). SP: paso de sales como se definió en la ecuación 28. [44]

1.4.3.7. Porcentaje de Recuperación de Permeado (Conversión). La recuperación de permeado es otro parámetro importante en el diseño y operación de sistemas de ósmosis inversa. El porcentaje de recuperación o conversión del agua de alimentación en el producto (permeado) se define por la siguiente ecuación: (30)

(31)

43

Donde: R: recuperación en (%). : caudal de agua del producto o permeado. : caudal de agua de alimentación. : caudal del concentrado

La recuperación también puede expresarse en función de las concentraciones, es decir:

(32)

Donde: R: recuperación en (%). : concentración del concentrado. : concentración de alimentación. : concentración en el permeado.

El porcentaje de recuperación afecta el paso de sales y el caudal del producto. A medida que se incrementa el porcentaje de recuperación, la concentración de sales en el lado de alimentación de la membrana aumenta, lo que causa un incremento en el flujo de sales que atraviesa la membrana como se indica en el ecuación 39. [45]

1.4.3.8. Presión neta de manejo. Se la define como la fracción de presión que se aplica en exceso a la presión osmótica a la entrada y a cualquier caída de presión dentro del sistema. El valor de este decrece a lo largo de la unidad de ósmosis inversa, también conocida como Net Driving Presurre (NDP).

(33)

Donde: : presión de alimentación. : presión osmótica. : presión de permeado. : caída de presión a lo largo de la unidad de ósmosis inversa. : presión osmótica del permeado.

44

El NDP está en función del porcentaje de recuperación, así como del arreglo de membranas en el sistema de ósmosis inversa y de la presión de alimentación.

1.4.3.9. Flujo promedio. Es una combinación del flujo de permeado dividido entre el área total de las membranas instaladas en la unidad de ósmosis inversa.

(34)

Donde: : caudal del permeado

.

: número de elementos en el sistema . : área de la membrana por elemento (

.

1.4.3.10. Permeabilidad específica. La permeabilidad específica o flujo específico, caracteriza el material de la membrana en términos de la cantidad de agua que produce dividido entre el gradiente de la presión neta de transporte, es decir:

(35)

La permeabilidad específica depende de la resistencia que presenta la membrana al flujo de agua.

Donde: APF: flujo promedio. NDP: presión neta de manejo.

1.4.3.11. Concentración por polarización (Factor Beta). Cuando se desarrolla un proceso de separación con membranas, a medida que avanza el tiempo van quedando solutos en cercanías de la membrana, del lado de la alimentación, las cuales pertenecen a sales disueltas que no han podido pasar al permeado.

45

Figura 17. Capa límite y retrodifusión en el proceso de polarización por concentración.

Estos solutos son arrastrados por la corriente de rechazo, pero esta velocidad en la superficie de la membrana es casi nula, por lo que estos sólo pueden pasar a la corriente rápida del rechazo por difusión, que se produce en sentido contrario a la del flujo a permear, razón por la cual se le puede llamar retrodifusión, y que origina una zona en la que la concentración de especies es mayor que la del resto de la solución, y que se denomina “capa límite”.

La situación anterior se ha llamado polarización de la membrana, y cuando aumenta la concentración de esta solución en contacto con la membrana, se dice que hay concentración por polarización. (Fariñas, 1999).

Con el tiempo esta concentración de soluto en proximidades de la superficie de la membrana se incrementa, pero llega hasta un valor límite para el que los dos flujos opuestos se igualan y se llega al estado estacionario. Sin embargo, puede suceder que la concentración de soluto en la capa de polarización se incremente hasta que llegue a formarse una capa de gel que se opone a la transferencia de materia.

46

Figura 18. Capa de gel por incremento de la polarización por concentración.

Desde la superficie de la membrana hacia la corriente principal difunden diversos solutos, a distintas velocidades, dependiendo del tamaño del ion o partícula, su carga y su concentración, pero los iones monovalentes lo hacen mucho más rápido que los de valencias superiores.

La concentración de solutos límite en la superficie de la membrana se denomina concentración de gel. (Cheryan, 1986, Shu-Sen, 1988, Mulder, 1991, Kulkarni, 1992). Cuando se llega a esta situación, un incremento en la presión de operación no aumenta la velocidad de permeación sino únicamente el espesor de la capa de gel.

La capa límite se forma rápidamente durante el proceso, pero desaparece cuando se suspende el gradiente de presión, pero la capa de gel se forma más lentamente y suele ser permanente.

A medida que el agua fluye a través de la membrana y las sales son rechazadas por ésta, una capa límite se forma cerca de la superficie de la membrana en la cual la concentración de sales excede la concentración promedio de sales en el flujo turbulento. Este aumento de concentración de sales se denomina concentración por polarización es la reducción del caudal real de agua del producto y del rechazo de sales contras los estimados teóricos. Los efectos de la concentración por polarización son los siguientes:

a) Mayor presión osmótica en la superficie de la membrana que en el promedio del caudal de alimentación,

, y reducción del diferencial de Presión Neta aplicada a través de la

membrana:

47

b) Reducción del caudal de agua que traviesa la membrana. c) Aumento del paso de sales a través de la membrana. d) Aumento de la probabilidad de exceder la solubilidad de sales moderadamente solubles en la superficie de la membrana, y de las posibilidades de precipitación que causará la formación de incrustaciones sobre las membranas.

El Factor de Concentración por Polarización (CPF o Factor Beta), se puede definir como la proporción de concentración de sales en la superficie de la membrana (Cs) en la concentración en el flujo turbulento promedio (Cb).

(36)

1.4.3.12. Ecuaciones de flujo específico para la ósmosis inversa

a) Modelos básicos para los procesos de membrana

Existen dos tipos básicos de mecanismos de transporte de masa que pueden ocurrir a través de membranas. En el primer tipo básico, que utiliza membranas apretadas capaces de retener solutos con tamaños de cerca de 10

o menores, ocurre principalmente el transporte tipo

difusión. Tanto el soluto como el disolvente migran por difusión molecular o de Fickian en el polímero, impulsados por gradientes de concentración establecidos en la membrana por la diferencia de presión aplicada. En el segundo tipo básico que utiliza membranas microporosas holgadas que retienen partículas mayores de 10 , ocurre un mecanismo tipo criba en el cual el disolvente se mueve a través de los microporos con flujo esencialmente viscoso, y las moléculas de soluto, lo bastante pequeñas como para pasar a través de los poros, son arrastradas por convección con el disolvente.  Modelo del tipo de difusión Para la difusión del disolvente a través de la membrana, se muestra en la siguiente figura:

48

Figura 19. Concentraciones y flujos en el proceso de ósmosis inversa.

1.4.3.13. Constantes de permeabilidad para las membranas de ósmosis inversa. Las constantes de permeabilidad de las membranas se determinan experimentalmente para el e tipo particular de membrana que se va a usar en las membranas de acetato de celulosa, las constantes típicas de permeabilidad al agua

fluctúan entre (

y

)

.

Los valores para otros tipos de membranas pueden ser muy diferentes. En general, la constante de permeabilidad al agua de una membrana particular no depende del soluto presente. Algunos valores relativos comunes para las constantes de permeabilidad al soluto

de las membranas

de acetato de celulosa son los siguientes:

Tabla 6. Constantes de permeabilidad al soluto de las membranas de acetato de celulosa Constante de permeabilidad al soluto

,

Sales NaCl BaCl2 MgCl2 CaCl2 Na2SO4 KCl NH4Cl , Al

49

1.4.3.14. Tipos de equipo para ósmosis inversa. En la unidad de placa y marco, unas delgadas placas de apoyo de plástico con finas ranuras se cubren por ambos lados con membranas como en un filtro de prensa. Una solución de alimentación con sobrepresión fluye entre las membranas, que guardan poco espacio entre sí. El disolvente permea a través de la membrana y fluye en las ranuras hacia la salida.

En la unidad tubular, las membranas en forma de tubos se insertan dentro de fundas de tubos porosos, que sirven como recipiente con sobrepresión. Estos tubos se disponen en manojos como en un intercambiador de calor.

Figura 20. Configuración de la membrana tubular

En la unidad de enrollado en espiral se usan membranas planas, y entre ellas se interpone material de soporte poroso y plano. Después, las membranas, el soporte y un separador de malla del lado de la alimentación se enrollan en espiral alrededor de un tubo. En el de fibras huecas, de 100 a 200 µm de diámetro y paredes de cerca de 25 µm de grueso, las fibras se disponen en un manojo semejante al de un intercambiador de calor. [46]

50

Figura 21. Configuración de la membrana en espiral

1.4.3.15. Parámetros en los procesos con Membranas

a) Velocidad de Filtración

Se determina con base en el volumen de solución de la alimentación que pasa en un lapso de tiempo a través de la membrana, donde el flujo de alimentación es tangencial a permear por unidad de área.

El concepto de velocidad de filtración anterior se expresa matemáticamente como:

(37)

Donde: J: velocidad de Filtración en . V: volumen de solución de la alimentación en m3. t: tiempo de la solución a través de la membrana en s. A: área de la membrana en m2.

De acuerdo con (Mulder, 1991, Raman, 1994), la resistencia al flujo a través de la membrana se puede obtener como la suma de las resistencias R:

51

(38)

Donde: : Resistencia de la membrana, que depende del grado de porosidad de la membrana y del espesor de la misma. : Resistencia por la adsorción de solutos sobre la membrana. : Resistencia por el bloqueo de poros, debido a sustancias en suspensión. Resistencia debido a la capa de gel formada a la entrada de flujo a permear la membrana y localizada sobre ella. Es similar a la de polarización de la concentración. Responde a sustancias que se agregan y se compactan formando una segunda capa. No siempre ocurre, pero es causada por la concentración de sólidos sobre la membrana. : Resistencia debida a la polarización de la concentración por sólidos que se agrupan a la entrada de la membrana, y se oponen a la filtración.

Las resistencias anteriores no siempre se presentan todas, pero su ocurrencia afecta de forma inversa la velocidad de filtración, de tal manera que si la fuerza impulsadora que es la diferencia de presión es directamente proporcional a ella, esta relación se puede expresar como:

(39)

Como se desprende la ecuación 23, el aumento de la resistencia va reduciendo la velocidad de filtración, y esta resistencia puede ir en aumento por que el transporte de sólidos hacia la membrana se hace cada vez mayor.

La formación de la torta en un proceso de filtración a presión constante en el cual la dirección del flujo es tangencial a la membrana, y se expresa como:

(40)

Donde: µ: viscosidad dinámica de la solución de alimentación. : concentración de la solución de alimentación.

52

α: característica de la torta, y depende de los sólidos que se aglomeran encima de la superficie de la membrana. V: volumen de solución de la alimentación en m3. t: tiempo de la solución a través de la membrana en s. A: área de la membrana en m2. : Resistencia de la membrana, que depende del grado de porosidad de la membrana y del espesor de la misma.

Combinando las ecuaciones 28 y 29, se obtiene:

(41)

En la ecuación 30, el término

representa la resistencia de las partículas que se van

acumulando. De acuerdo a esta ecuación, se puede afirmar que la velocidad de filtración se ve afectada por cambios en la presión; por cambios en la temperatura porque su variación afecta la viscosidad del fluido y por cambios en la concentración de solutos en la alimentación, ya que una mayor concentración de ellos hará más difícil el flujo a través de la membrana.

b) Presión de Operación

En ósmosis inversa, el flujo de alimentación es en dirección tangencial a la superficie de permeado de la membrana, y en razón de la alta velocidad de alimentación inducida por las presión aplicada, las sustancias retenidas allí son arrastradas de la superficie, evitando así la obstrucción de poros.

53

Figura 22. Variación de la velocidad de filtración de la presión aplicada.

Como se vio al tratar lo relativo a la velocidad de filtración, ésta afectada directamente por la presión aplicada a la solución de alimentación, y la relación entre la velocidad de filtración y la presión transmembranar se mantiene constante sólo cuando el flujo de alimentación está libre de solutos como el agua pura. [47]

1.4.3.16. Sistemas de Membranas. Las membranas se utilizan de manera muy particular para la obtención de agua tratada procedente de aguas subterráneas, superficiales o residuales. Actualmente las membranas son competitivas con las técnicas convencionales. El proceso de la separación por membrana se basa en la utilización de membranas semipermeables.

El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias.

Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de membrana: selectividad y productividad.

La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención o de separación mientras que la productividad se expresa mediante un parámetro llamado flujo. Estos dos parámetros dependen del tipo de membrana que se utilice dentro de un sistema de purificación de agua.

54

a) Membrana semipermeable

Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética en la que el agua puede penetrar y traspasar con mucha más facilidad que los otros componentes que se encuentran en dicha solución; por ejemplo para separar y quitar los sólidos disueltos, materia orgánica, materia coloidal, sub-microorganismos, virus y bacterias del agua.

El proceso se llama ósmosis inversa puesto que requiere la presión para forzar el agua pura a través de una membrana; saliendo las impurezas detrás. La ósmosis inversa es capaz de quitar un 95 a 99% los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las bacterias para de esta manera generar agua segura y de buena calidad para el consumo humano.

La permeabilidad de la membrana puede ser tan pequeña que prácticamente todas las impurezas, moléculas de la sal , bacterias y los virus son separados del agua, su función consiste básicamente en la remoción o desmineralización de los componentes orgánicos presentes disueltos en el agua (TDS) por la acción de una presión ejercida sobre una membrana semipermeable. [48]

1.4.3.17. Material de las membranas. Dependiendo del material de las membranas, ciertos factores afectaran la calidad y la cantidad del agua producida a través de esta tecnología. En la actualidad hay tres tipos de materiales para membranas que son usados en sistemas de ósmosis inversa: Acetato de Celulosa, Poliamidas y Membrana de Película Delgada.

Cada uno de los materiales de las membranas exige ciertos requisitos sobre el agua de entrada, los cuales deben cumplirse si se aspira lograr la vida normal de la membrana. Los factores que más afectan el material de la membrana son: la temperatura, el pH, las bacterias, el cloro libre y el índice de saturación de Langlier.

a) Acetato de Celulosa (CA)

Se obtiene de tratar la celulosa procedente del algodón y la madera con ácido acético. A partir del acetato de celulosa modificado, se han fabricado una gran diversidad de membranas en función de los tratamientos complementarios a los que se someten después de su formación. A continuación se muestra una representación gráfica de la evolución de la esperanza de vida de una membrana de acetato de celulosa en función de la temperatura y del pH de trabajo.

55

b) Poliamidas aromáticas

Dentro del grupo de las poliamidas aromáticas, existen dos polímeros con unas características de resistencia química muy parecidas: la poliamida aromática lineal y la poliamida aromática con entrecruzamientos. El primer tipo se utiliza para fabricar membranas integrales, mientras que la poliamida aromática entrecruzada presenta una menor compactación y un mejor comportamiento ante los oxidantes. [49]

1.4.3.18. Tipos de Membranas

Entre los tipos de membranas más importantes tenemos: la de espiral enrolladas y las que son fabricadas con fibra hueca; aunque también existen membranas planas y en configuración tubular.

a) Membranas de espiral

Las membranas de espiral consisten en dos capas de membrana, situadas en un tejido colector de permeados. Esta funda de membrana envuelve a un desagüe de permeados situados en posición central. Esto hace que la densidad de embalaje de las membranas sea mayor. El canal de entrada del agua se sitúa a una altura moderada, para prevenir la obstrucción de la unidad de membrana. Las membranas de espiral son usadas solamente para aplicaciones de nanofiltración y ósmosis inversa.

Figura 23. Sección Transversal de Módulo en espiral

56

Fuente: AQUARENT. Plantas purificadoras de agua, ósmosis inversa, agua destilada. [Fecha de consulta: 14 julio 2015]. Disponible: < http://www.livingwater.org/osmosis_inversa___desmineralizacion__desalacion__agua_destilada.htm Figura 24. Membrana de espiral

b) Membranas de fibras huecas

Las membranas de fibras huecas tienen un diámetro inferior a 0.1 µm. En consecuencia, las posibilidades de obstrucción de una membrana de fibras huecas son muy elevadas. Las membranas solo pueden ser usadas para el tratamiento de agua con un bajo contenido de sólidos suspendidos. La densidad de empaquetamiento de una membrana de fibras huecas es muy alta. Las membranas de fibras huecas son casi siempre usadas solamente para nanofiltración y ósmosis inversa.

Figura 25. Sección transversal de una membrana de fibras huecas

57

Figura 26. Módulos de fibras huecas

c) Membranas planas o almohadiformes

Las membranas que constan de placas planas se llaman membranas almohadiformes. El nombre de almohadiforme viene de la forma de almohada que tienen dos membranas cuando son empaquetadas juntas en una unidad de membrana. Dentro de la “almohada” hay una placa de apoyo, que se ocupa de la solidez.

En el módulo se encuentran muchas almohadas con un cierto espacio de separación entre ellas que depende del contenido en sólidos disueltos del agua residual. El agua fluye de adentro hacia afuera a través de las membranas. Cuando el tratamiento ha sido realizado, el permeado se recoge en el espacio entre las membranas, desde donde es sacado a través de cañerías. [50]

d) Membranas tubulares

Las membranas tubulares no son membranas autosuficientes. Están situadas dentro de un tubo, hechas de un tipo especial de material. Este material es la capa que sostiene a la 58

membrana. Debido a que las membranas tubulares se localizan internamente en un tubo, el flujo en una membrana a la capa que la sostiene es muy débil.

Las membranas tubulares tienen un diámetro de 5 a 15 mm. Debido al tamaño de la superficie de la membrana, no es probable que las membranas tubulares se obstruyan. Un inconveniente de las membranas tubulares es que la densidad del empaquetamiento es baja, lo que resulta en un mayor precio por módulo.

Figura 27. Membrana tubular

e) Membranas capilares

Con las membranas capilares la membrana sirve de barrera selectiva, que es suficientemente grande para resistir las presiones de filtración. Debido a esto, el flujo a través de las membranas capilares puede ser tanto de adentro afuera como de afuera hacia adentro.

El diámetro de las membranas capilares es mucho más pequeño que el de las membranas tubulares, concretamente de 0.5 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores.

1.4.3.19. Ventajas de las Membranas  Menor costeo que otras tecnologías que tienen objetivos similares.  Alta selectividad.  Diseño a menudo simple.  Trabajan en continuo y en condiciones poco forzadas. 59

 Fácil cambio de escala.  Flexibilidad para ser ajustada a diferentes procesos y fácil de ser combinada en procesos híbridos. Lo más importante es que puede ser combinada con un proceso tradicional, puesto que hay procesos que no son suficientemente eficaces, pero al trabajar conjuntamente con membranas pueden dar muy buenos resultados.  Se considera como una de las mejores tecnologías medioambientales disponibles por su gran selectividad para efluentes.

1.4.3.20. Factores del agua de alimentación que afecta a la membrana semipermeable

Entre los factores más importantes que afectan a las membranas semipermeables utilizadas en los tratamientos de purificación de agua tenemos los que se enuncian a continuación:

a) Presión

La presión del agua de alimentación afecta la cantidad y la pureza del agua producida por la ósmosis inversa. Baja presión del agua de alimentación causa baja corriente y baja pureza.

b) pH

Determinar la variedad del pH en agua de alimentación es muy importante. Es recomendado de usar una variedad más amplia de membranas cuando el agua de alimentación es básica, ácida o inestable.

c) Índice de saturación de Langlier (ISL)

El ISL indica el principio de la formación de una escala sobre el área de la membrana. El ISL necesita examen de la temperatura, del total de sólidos inorgánicos, de la dureza alcalina, y pH del agua de alimentación. Si el índice ISL es positivo, se recomienda la instalación de un suavizador de agua ante del sistema de ósmosis inversa.

d) Cloro libre (TFC) y bacterias

Las membranas de acetato de celulosa necesitan una limpieza constante de TFC para impedir la propagación de bacterias y que se dañe la membrana. En cambio, la poliamida y las

60

membranas finas, como cintas, son dañadas por el TCF. El carbón activado es usado para remover el TCF cuando la poliamida y las membranas finas lo necesitan.

e) Temperatura

La duración de la membrana se basa la temperatura del agua de alimentación que debe ser de 25°C. Por cada 1°C bajo 25°C, la cantidad de la producción del agua es reducida por 3%. El agua de alimentación que tiene una temperatura superior a 35°C dañara la mayoridad de las membranas.

1.4.3.21. Elementos que rechazan la membrana semipermeable. Respecto a los componentes orgánicos e inorgánicos peligrosos para la salud; y que las membranas semipermeables retienen y rechazan tenemos los siguientes:

Tabla 7. Componentes orgánicos e inorgánicos que rechaza la membrana semipermeable Componente

Porcentaje, %

Componente

Porcentaje, %

Aluminio

97-98

Mercurio

96-98

Amonio

85-95

Níquel

97-99

Arsénico

94-96

Nitrato

93-96

Bacterias

96-98

Fosfato

96-99

Bicarbonatos

95-98

Polifosfato

98-99

Bromuros

93-96

Potasio

92

Cadmio

96-98

Pirogen

96-98

Calcio

96-98

Radioactividad

95-98

Cloro

94-95

Radio

97

Cromato

90-98

Selenio

97

Cromo

96-98

Silicona

85-90

Cobre

97-99

Silicato

95-97

Cianuro

90-95

Plata

95-97

Ferrocianuro

98-99

Sodio

96-98

Fluoruro

94-96

Sulfato

96-98

Hierro

98-99

Zinc

98-99

Plomo

96-98

Insecticidas

97

Magnesio

96-98

Detergentes

97

Manganeso

96-98

Herbicidas

97

61

Fuente: Carate Safla, Enrique y Lapo Molina, Luis.(2011). Diseño y Construcción de una Planta Prototipo para Purificación de Agua de Vertientes por el Método de Ósmosis Inversa. Trabajo de Grado. Ingeniero Mecánico. Universidad Politécnica Salesiana. Sede Quito. Facultad de Ingenierías. 2011. 40p.

1.4.3.22. Limitaciones de las Membranas 

Polarización de la concentración.



Ensuciamiento de las membranas.



Bajo tiempo de vida de las membranas.

1.4.3.23. Ensuciamiento de Membranas. El ensuciamiento es favorecido por la polarización por concentración. (Mulder, 1991). Si aumenta la concentración del flujo de alimentación y se produce adsorción, o interacción química de sustancias en la superficie de la membrana o al interior de los poros, entonces aumenta la polarización de la membrana, puesto que los depósitos sobre las mismas retrasan la retrodifusión de los solutos hacia la corriente principal, ocasionando una disminución de la productividad y un aumento en el paso de esos solutos, y por consiguiente una mayor concentración del permeado.

Así es que ocurre el ensuciamiento de la membrana que ya constituye un estado permanente mientras no se le limpie debidamente utilizando sustancias químicas, y ya no simplemente con agua, como se afirmaba para el caso de polarización de la concentración.

El ensuciamiento se debe a las interacciones soluto-soluto y soluto-membrana, pero para cada aplicación tiene un origen determinado, de acuerdo con el material de la membrana y la solución a tratar.

a) Orígenes del Ensuciamiento  Físico-químicos: adsorción de moléculas sobre la superficie de la membrana o su interior.  Químicos: poca solubilidad en la capa de polarización o insolubilización por cambio de condiciones. Precipitación sobre la superficie de la membrana de sales minerales y óxidos metálicos.  Mecánicas: depósitos en los poros de la membrana, bloqueándolos.

62

 Hidrodinámicos: irregularidad en el reparto del flujo, que acelera la concentración por polarización y el ensuciamiento en zonas de la membrana que trabajan con conversiones elevadas, y la existencia de zonas muertas, que tienen muy poco flujo.  Otros: ensuciamientos extraños, como el de azufre coloidal, cuando en un pozo de captación de agua, hay H2S, y se inyecta cloro o entra aire en el pozo, se puede llegar a formar azufre coloidal por oxidación del H2S por parte del oxígeno o del cloro. Este azufre coloidal es muy difícil de eliminar.

b) Expresión Matemática para Ensuciamiento de Membranas

Se emplea una ecuación como la de los estudios de filtración, donde a la resistencia de la membrana (Rm) se le añade la del ensuciamiento (Re). (Cheryan, 1986, Kulkarni, 1992):

(42)

La resistencia del ensuciamiento cambia con el tiempo, con lo cual para poder predecir su valor hay que realizar pruebas con la disolución a separar.

De acuerdo con Mulder, 1991, la velocidad de permeación convectiva (J) a través de la membrana se relaciona directamente con la diferencia de presiones aplicada entre alimentación y permeado, (

), y en forma inversa con la viscosidad entre la solución y la membrana, ( ), y

la resistencia total a la velocidad de permeación J, como (

):

(43)

En mayor o menor grado las resistencias que contribuyen a RT son:

63

Figura 28. Resistencias de la membrana

La resistencia de la membrana, (Rm), la cual sería la única involucrada en un caso ideal, la resistencia por el bloqueo de poros, Rp, la resistencia de absorción de solutos por parte de la membrana, la resistencia por la formación de la capa de gel, R g y la resistencia de la polarización por concentración, Rcp. El ensuciamiento se relaciona con el tamaño de la molécula o partícula, (d), y el tamaño de poro (dp) de la membrana.

Si

ensuciamiento por adsorción sólo se produce en la superficie de la membrana. No

existe gran incidencia en la velocidad de permeación.

Si

ensuciamiento también se produce al interior de los poros. Si incide en la

velocidad de permeación.

El ensuciamiento se puede sostener dentro de un cierto rango de valores cuando las moléculas o partículas permanecen estables con relación al pH, fuerza iónica y temperatura de la disolución. También es importante tener presente que una alta velocidad tangencial de circulación, resulta en un incremento del esfuerzo cortante sobre la superficie de la membrana. Desfavoreciendo la adsorción de moléculas sobre ella.

c) Consecuencia del ensuciamiento

Entre los efectos del ensuciamiento se puede mencionar la reducción del tamaño aparente de los poros e incremento de la selectividad con el paso del tiempo, pero con reducción de la velocidad 64

de permeación, (flux). No obstante, esta disminución aparente de los poros es de acuerdo a la estructura inicial de ellos, y del tamaño de las sustancias que causan ensuciamiento.

Estos hechos hacen un tanto compleja la predicción de la selectividad en el tiempo, sobre todo a largo plazo, y cuando se hacen separaciones finas.

La disminución de la velocidad de permeación tiene una influencia negativa sobre la economía de una operación con membranas, y por consiguiente la medida a tomar es la de reducir su ocurrencia, lo cual se recomienda mediante el pretratamiento del flujo de alimentación, del que se espera sirva como método preventivo de este ensuciamiento, y preserve la membrana de sustancias o elementos agresivos. Para un funcionamiento adecuado de las membranas es conveniente que la solución de alimentación se halla sometido previamente a un pre-tratamiento, para retener sustancias que se puedan depositar sobre la membrana o quedar atrapadas en el interior de los módulos.

En general, los sistemas de membranas tienen una instalación de pretratamiento, ya que es mejor evitar ese ensuciamiento, que pensar en protocolos de limpieza, puesto que estos van reduciendo la vida útil. Este pretratamiento es un punto de análisis económico importante, puesto que se evalúa frente a sus beneficios al evitar el ensuciamiento y la limpieza de la membrana.

1.4.3.24. Prevención de Incrustaciones. En la ósmosis inversa llega a ocurrir que sales solubles como CaCO3 se concentran por debajo de su límite de solubilidad. Aunque el CaCO 3 es más soluble que muchas otras sales, (BaSO4, etc.), el Ca++ es un elemento mucho más abundante en la naturaleza.

El CaCO3 se precipita rápido, si se concentra por debajo de su límite de solubilidad. Este problema se previene añadiendo un ácido, un inhibidor de incrustaciones, haciendo un ablandamiento del agua de alimentación, limpieza preventiva o utilizando una baja recuperación.

El uso de ácido sulfúrico para bajar el pH y prevenir la formación de incrustaciones de CaCO 3 puede aumentar la probabilidad de éstas por el sulfato.

65

a) Uso de un ácido

La solubilidad del CaCO3 depende del pH: 34

Se puede alcanzar el equilibrio del lado derecho cuando se pasa el CaCO3 a Ca (HCO3)2 al añadir un ácido que baja el pH. El ácido a utilizarse deberá ser alto grado de calidad.

El H2SO4 es muy empleado, pero es preferible el HCl en el caso de tener un alto potencial de que se forma incrustación por CaSO4, SiSO4 y BaSO4. Para que no haya incrustaciones en una sistema de ósmosis inversa, por carbonato de calcio, el pH en la corriente concentrada deberá ser menor que el pH de saturación, (pHs), y así esté en equilibrio con el CaCO3. La relación anterior se puede poner en términos del índice de saturación de Langelier (LSI) para aguas salobres, y el índice de estabilidad de Stiff & Davis para aguas de mar. El LSI se calcula como:  Para Sólidos Disueltos Totales (SDI)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

Donde: SDT: sólidos disueltos totales en

66

Alcalinidad como

en

.

La ecuación 28 se la obtuvo en ASTM D3739-88: Cálculo y Ajuste del LSI Para Ósmosis Inversa.

b) Uso de un inhibidor de las incrustaciones.

Estos hacen más lento el proceso de precipitación de las sales solubles, siendo absorbidas sobre cristales de sal formados, que previenen la atracción de sales supersaturadas a las superficies del cristal. En estas condiciones los cristales nunca crecen de tamaño hasta una concentración suficiente que les permita caer y quedar fuera de la suspensión.

Además, muchos inhibidores de incrustaciones tienen algunas cualidades dispersivas. Estos disponen de partículas que circulan las sales suspendidas, o sólidos orgánicos con el inhibidor de escala cargado aniónicamente. Estas partículas cargadas repelen la aglomeración de sales, que podrían llegar a precipitar.

Los inhibidores de incrustaciones que son efectivos para controlar la del carbonato de calcio, sulfato de calcio y fluoruro de calcio son:

Hexametafosfato de sodio (SHMP), ampliamente utilizado porque es un buen inhibidor de bajo costo. Sin embargo se debe tener cuidado con la hidrólisis del SHMP en la dosificación del tanque de alimentación (debe prepararse una solución fresca cada 3 días).

La hidrólisis no solo disminuye la eficacia en la prevención de incrustaciones, sino que puede originar una incrustación de fosfato de calcio.

El SHMP debe ser dosificado para que resulte una concentración en la corriente de 20

. La

dosis en la corriente de alimentación se calcula como:

Dosis= 20 x (1-recobro)

Otros inhibidores de incrustaciones que se utilizan son los organofosfonatos, que son más resistentes a la hidrólisis, pero son más costosos; y los ácidos poliacrílicos (PAA) de mayor peso molecular; llegan a ser más efectivos que SHMP.

67

c) Ablandamiento con resinas de intercambio iónico de ácido fuerte Los cationes que forman escala tales como: Ca 2+, Ba2+, Mg2+ y Fe 2+, pueden ser eliminados por una resina de intercambio iónico. Esta puede ser una forma de prevenir la escala en plantas pequeñas a medianas de ósmosis inversa.

Estas resinas deben ser regeneradas con NaCl al acercarse a la saturación. Este sistema tiene el problema del alto consumo de cloruro de sodio, con el consiguiente efecto ambiental si no se dispone convenientemente el efluente, y motiva un coste económico añadido.

Una técnica reciente de regeneración es el uso de resinas denominadas Menósferas Dowex, que pueden reducir el consumo de NaCl en 110% del valor estequiométrico.

d) Ablandamiento con resinas de intercambio iónico de ácido débil Este tipo de resina puede eliminar cationes que forman incrustaciones tales como Ca 2+, Ba2+, Mg2+ y Fe

2+

, ligado a bicarbonato, y liberan H+, y se baja el pH a un valor mínimo de 4,2

para el cual los ácidos del grupo carboxílico no están muy disociados. Esta forma de ablandamiento es solo parcial, y es ideal para aguas con un alto contenido de bicarbonato, y tiene como ventajas que el consumo de ácido para regeneración es casi el estequiométrico (105%), y en consecuencia se reduce los costes de operación y el impacto ambiental, y además la disminución de los SDT del agua por la eliminación de las sales del bicarbonato permite obtener permeados con menores SDT.

Como desventajas de estas resinas esta la dureza residual del ablandamiento incompleto y las variaciones del pH del agua tratada de 3,5 a 6,5 según el grado de ensuciamiento de la resina. Cuando el pH es menos de 4.2 el paso de ácido mineral aumenta los SDT en el permeado, por lo cual se recomienda usar más de una columna de resina en paralelo y regenerarlas en diferentes tiempos para mantener el valor del pH. Otra posibilidad para evitar pH bajos es la eliminación de CO2 o el ajuste del pH con NaOH.

68

1.4.3.25. Limpieza de Membranas

a) Detección del ensuciamiento

El requerimiento de limpieza se convierte en una urgencia cuando se reduce la velocidad de permeación en forma significativa, con problemas tan difíciles de resolver como el ensuciamiento al interior de los poros, dificultando la recuperación total de la membrana a pesar de que se use agentes químicos a elevadas temperaturas.

Si las membranas se ensucian en un corto periodo de operación del sistema, la recuperación de membranas es muy factible. Sin embargo, cuando una membrana sucia sigue trabajando, puede llegar a un estado irreversible totalmente, por atascamiento, creando caminos preferenciales, que evitan que el agente de limpieza llegue donde se le requiere. En una planta de ósmosis inversa los parámetros más importantes son su pérdida de carga, su producción (caudal de permeado) y el porcentaje de rechazo de sales. (Fariñas, 1999).

Los parámetros anteriores dependen de unas variables entre las cuales están:  Presión de funcionamiento.  Temperatura del sistema.  Salinidad.  Porcentaje de recuperación.

El ensuciamiento o precipitación en las membranas se puede detectar por el seguimiento de los parámetros en el tiempo, bajo condiciones estacionarias. Por ejemplo, una primera señal de ensuciamiento es la pérdida de carga a través de los módulos, que suele suceder antes de que el porcentaje de rechazo de sales o la velocidad de permeación comiencen a disminuir.

El paso de sales es también un buen indicador, el cual cuando la membrana está limpia, no varía en un lapso importante de tiempo.

Otros indicadores para saber cuándo limpiar la membrana son la variación del caudal de rechazo y de permeado, y la necesidad de incrementar la presión de operación.

Se recomienda realizar limpiezas preventivas periódicamente, ante la sospecha de que hay ensuciamiento, verificando antes que esta situación no sea atribuible a otros motivos.

69

b) Métodos de Limpieza

La selección de un método específico depende del agente que provoca el ensuciamiento, pero en principio se hace un enjuague con agua para que la suciedad no se quede adherida a su superficie. Luego se hacen unos tratamientos, hasta que recupere sus condiciones iniciales.

Mulder, 1991, distingue los siguientes métodos de pretratamiento:  Limpieza hidráulica.  Limpieza mecánica.  Limpieza química.  Limpieza eléctrica.

Limpieza Hidráulica. Incluye el lavado con permeado a presión y retroalimentación, que solo es aplicable a membranas de microfiltración y ultrafiltración. Se utiliza normalmente durante las paradas, a fin de:  Disminuir el retorno de solvente por ósmosis natural.  Eliminar completamente la solución a tratar, del interior de las tuberías y de los módulos del sistema, evitando corrosión de partes metálicas y precipitación posible de sales.

Lo anterior también se realiza para desplazar reactivos del interior de la planta, cuando esta se somete a limpieza química.

Son limpieza hidráulica también la presurización, y el cambio en la dirección del flujo con una frecuencia dada.

Limpieza Mecánica. Solo se puede aplicar sistemas tubulares, donde se utiliza un cepillo o una esponja para retirar la suciedad de las membranas. También haciendo circular bolas de esponja, como se acostumbra a hacer con los condensadores de las centrales térmicas.

Esta limpieza mecánica no es posible en los módulos espirales ni de fibra hueca, por no tener acceso a su superficie activa. Pero debido a lo delicado de la superficie activa no se recomienda este método de limpieza, en general.

70

Limpieza Química. Es el método más importante para reducir el ensuciamiento, con diversos químicos que se utilizan separados o en combinación, que se hacen recircular por los módulos para disolver las precipitaciones o remover depósitos de las membranas.

Los pasos recomendados a seguir para realizar la limpieza química son:  Identificación del problema.  Selección del sistema de limpieza.  Formulación para el tipo de ensuciamiento.

1.4.3.26. Ventajas de la Ósmosis Inversa  Permiten la eliminación de todos los iones contaminantes inorgánicos y la mayoría de los iones disueltos.  Son relativamente insensibles a flujos y niveles de sólidos disueltos totales (TDS), y así, apropiado para sistemas pequeños con alto grado de fluctuación estacional en la demanda de agua.  No tiene interrupciones ya que es un proceso continuo.  La baja concentración posible del efluente favorece la mayor velocidad de permeación.  Se elimina también bacterias y partículas.  La simplicidad en la operación y en la automatización permite la menor atención del operador y hace a la Ósmosis Inversa adecuada para aplicaciones en sistemas pequeños.

1.4.3.27. Desventajas de la Ósmosis Inversa  Las membranas son propensas al ensuciamiento.  Alta inversión de capital y costos de operación.  Importancia de la presión osmótica que se opone a la presión aplicada.  Manejo de aguas residuales (solución de salmuera) es un problema potencial.  En algunos casos se requiere un alto nivel de pretratamiento.  Umbral de corte de las membranas no muy bien definido.

71

1.4.4. Tratamiento de Agua de la Central- Termoeléctrica Guangopolo I y II

1.4.4.1. Ubicación de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo I y II.

Figura 29. Localización de la Central Termoeléctrica Guangopolo

La Central Termoeléctrica Guangopolo se encuentra ubicada en la provincia de Pichincha, Valle de los Chillos, Calle José de la Cuadra, junto al Reservorio de Guangopolo, Sector Armenia.

1.4.4.2. Descripción de la Central Termoeléctrica Guangopolo I

El 23 de mayo de 1961, se crea al Instituto Ecuatoriano de Electrificación, INECEL, como una Institución Pública para el manejo del Sistema Eléctrico del Ecuador.

En abril de 1977 inicia la operación comercial de la Central Termoeléctrica Guangopolo con una potencia instalada de 31.2 MW, y en marzo de 1981 se da inicio a la operación de la Central Termoeléctrica Santa Rosa con una capacidad instalada de 51 MW. El 6 de enero de 1999, luego de la escisión del INECEL se constituye la Compañía de Generación Termoeléctrica TERMOPICHINCHA S.A, encargándose de la operación, mantenimiento, producción y comercialización de la energía producida en las Centrales Termoeléctricas Guangopolo y Santa Rosa.

En agosto de 2006, se inicia una nueva etapa de crecimiento para TERMOPICHINCHA S.A, con la instalación de una unidad de 1.8 MW para contar con una potencia total instalada de 33 72

MW. Las unidades de generación de la Central utilizan para su operación, residuo de la Refinería Shushufindi.

La producción de la Central se entrega al Sistema Nacional Interconectado a través de la Subestación Vicentina.

Figura 30. Central Termoeléctrica Guangopolo I

1.4.4.3. Descripción de la Central Termoeléctrica Guangopolo II

El Gobierno Ecuatoriano a través del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable y la Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP vieron la necesidad de dotar de autonomía energética a la ciudad de Quito, ante posibles contingentes en la línea de transmisión TotorasSanta Rosa del Sistema Nacional Interconectado que abastece a la ciudad capital, se incluyó el Proyecto denominado Guangopolo II, en lo que constituye la Fase II del programa de cooperación técnica con el Gobierno de Cuba denominado “Instalación de Unidades Termoeléctricas de Generación con una capacidad total de 150.8 MW de Potencia”. Este Convenio Cuba-Ecuador es ejecutado por CELEC EP TERMOPICHINCHA, en el marco del Decreto Ejecutivo No. 89, emitido por el señor Presidente Constitucional de la República, el 12 de Octubre de 2009.

La Central Termoeléctrica Guangopolo II genera 50 MW, sustituyendo tecnología con más de 35 años de antigüedad, por tecnología de punta, mucho más eficiente y que cumple con la normativa nacional e internacional en emisiones al ambiente, y a la vez fortalece el Sistema Nacional Interconectado, aumentando la confiabilidad y continuidad del servicio. La Central se encuentra ubicado junto a la actual Central Térmica “Guangopolo”, Valle de los Chillos-Sector

73

La Armenia, Parroquia Conocoto, cantón Quito en la provincia de Pichincha, a una altitud de 2.434 msnm. [52]

Figura 31. Central Termoeléctrica Guangopolo II

1.4.4.4. Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo I

a) Sistema de Captación

La captación del agua se realiza directamente por gravedad desde el reservorio de la Empresa Eléctrica Quito (piscina Nº 2) y se controla mediante una válvula de compuerta.

El agua así captada se almacena en el estanque de captación de agua cruda, cuya capacidad es de 63m3. En el ingreso al estanque existe una rejilla que impide el paso de materiales sólidos y otras impurezas.

Figura 32. Reservorio de Agua Cruda

74

b) Sistema de Clarificación

Para el tratamiento del agua cruda, se hace mediante dos bombas que funcionan en forma alternada, se conduce el agua al estanque de tratamiento, el mismo que se halla conformado por 6 tanques intercomunicados entre sí, en los cuales se lleva a cabo el proceso de clarificación por decantación de los sólidos.

Figura 33. Estanque de Tratamiento  Primera Piscina de Tratamiento En el tanque de agua cruda, cuya capacidad es de 14 m 3, se adiciona hipoclorito de sodio al 10% con el fin de eliminar las bacterias existentes.

Este químico se bombea directamente desde un tanque de almacenamiento de 500 litros de capacidad, ubicado en el cuarto de tratamiento de agua.

Figura 34. Primera Piscina de Tratamiento

75

 Piscina de Floculación En el tanque mezclador, cuya capacidad es de 14m3, se adiciona policloruro de aluminio, bombeado desde un tanque de 3m3 de capacidad, ubicado también en el cuarto de tratamiento de agua. La mezcla se realiza mediante un agitador motorizado para aglutinar las impurezas del agua. En el tanque floculador, que tiene una capacidad de 36 m3, por acción de un agitador se separan las impurezas del agua.

Figura 35. Piscina de Floculación  Centro de Sedimentación y Piscina de Distribución Los tanques de sedimentación, cuya capacidad es de 145 m 3 c/u, se los utiliza para la sedimentación de las impurezas existentes en el agua. En este estanque se reduce la velocidad del agua por medio de una pared perforada que evita la turbulencia y favorece la sedimentación.

Figura 36. Tanques de Sedimentación

76

 Ultima Piscina de Sedimentación En el tanque intermedio, de capacidad aproximada de 72m 3, una parte del agua es purificada y se envía al subproceso de agua desmineralizada y la otra parte se envía al estanque de la torre de enfriamiento. El agua perteneciente en este tanque se denomina Agua Clarificada.

Figura 37. Ultima Piscina de Sedimentación

c) Sistema de Obtención de Agua Desmineralizada

Una vez que el agua llega al tanque intermedio, una parte de la misma se destina a este subproceso.

 Piscina de Agua Filtrada

Por medio de dos bombas que funcionan alternadamente, se envía el agua desde el tanque de agua clarificada hasta el estanque de filtración, cuya capacidad es de 7m 3, pasando el agua por dos filtros, uno de antracita con el fin de retirar las impurezas que hayan quedado y otro de carbón activado para eliminar el cloro residual.

77

Figura 38. Piscina de Agua Filtrada  Desmineralización del Agua

La desmineralización se realiza llevando el agua cristalina por medio de dos bombas desde el estanque de filtración, hasta la torre catiónica de capacidad de 7m 3 para separar los cationes. A continuación se bombea el agua a una torre aniónica con el fin de separar los aniones, hasta llegar al tanque de agua pura con capacidad de 30 m3. Luego de cierto periodo de tiempo es necesario realizar la regeneración de las resinas, para lo que se hace circular en contra flujo ácido sulfúrico al 25% en la torre catiónica y sosa cáustica al 25% en la torre aniónica.

Figura 39. Torre de Intercambio Catiónico y Aniónico El ácido sulfúrico se almacena en un tanque con una capacidad de 5.8m 3, del cual se abastece mediante una bomba al tanque intermedio y por medio de gravedad se alimenta al tanque de mezcla, cuya capacidad es de 400 litros, el mismo que posee un 78

intercambiador de calor que utiliza como fluido de absorción de calor, agua cristalina bombeada desde el estanque de filtración; además posee un agitador que se encarga de mezclar el ácido sulfúrico con agua para obtener ácido sulfúrico al 25%. La sosa cáustica se almacena en un tanque con una capacidad de 12.18m 3, desde el que se abastece por medio de una bomba al tanque de servicio de sosa cáustica al 25%, cuya capacidad es de 200 litros, el mismo que posee un agitador para mezclar la sosa cáustica con agua y es bombeada hasta un tanque de servicio donde se prepara la mezcla.

d) Sistema de agua de enfriamiento

El agua que ha circulado por la torre de enfriamiento y el agua que viene directamente del estanque intermedio para compensar la pérdida de agua durante el proceso de enfriamiento, es almacenada en el estanque de la torre de enfriamiento que tiene una capacidad de 495 m 3. En este estanque se adiciona ácido sulfúrico bactericida, hipoclorito de sodio y un inhibidor de corrosión de sistema abierto, con el fin de bajar la concentración alcalina del agua y eliminar bacterias.

Para la circulación del agua de enfriamiento se utilizan tres bombas con una capacidad de 1900 m3/h, abasteciendo todos los sistemas de intercambiadores de calor del aceite de sistema, agua de camisas de cilindro, aceite de turbo alimentador, agua de válvulas y aire de admisión de cada una de las unidades, logrando así mantener temperaturas normales de operación.

1.4.4.5. Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo II

a) Sistema de Captación

La línea de tratamiento de Agua Cruda en la Central Guangopolo II, inicia con la captación de agua, esto es para generar 100 m3 de agua desmineralizada como requerimiento diario. Al igual que el sistema de captación de la Central Termoelectrica Guangopolo I, esta agua es captada de la misma piscina de captación.

79

b) Sistema de Clarificación

El sistema de Clarificación está compuesto por procesos de desferrización, filtración con arena, ablandamiento de agua y terminando con el filtro de arena.

Primero, el agua bruta pasa al lado de aspiración del sistema intensificador de presión, que genera la presión requerida para suministrar los componentes de tratamiento de agua. Después de ello, el agua pasa a través del filtro de flujo reversible de 100 μm. Después de esta etapa de filtrado, un caudal parcial del agua se dirige al tanque de suministro. El caudal principal de agua fluye hacia el sistema de desferrización para eliminar las partículas residuales de hierro.

Después de este paso, el agua fluye hacia el ablandador del agua, el cual elimina la dureza del agua.

Figura 40. Sistema de Ablandamiento de Agua

El sistema siguiente de filtro de carbón activo se usa para combinar el cloro y para el pulido general. Finalmente, el agua tratada se controla mediante el sistema de análisis automático de agua para la dureza residual antes de que fluya al sistema de ósmosis inversa.

c) Sistema de Obtención de Agua Permeada

Para la obtención de Agua Desmineralizada, se utiliza un equipo de Ósmosis Inversa (GENO®-RKF 7.000S (00GCF37AT020). El agua antes de entrar a las membranas se le coloca un regulador de pH (ácido clorhídrico) para regular el pH de entrada que tolera las membranas. El agua desmineralizada se almacena en dos tanques de almacenamiento de 8 metros de altura cada uno de 50 m3. [53] 80

Figura 41. Equipo de Ósmosis Inversa en la Central Guangopolo II

81

2. MARCO EXPERIMENTAL

2.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada

2.1.1. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico.

2.1.1.1. Regeneración de Resinas

a) Regeneración de Resinas Catiónicas

El proceso se realiza con la válvula múltiple, realizando los siguientes pasos:  Lavar la resina por 10 min, para esto colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash.  Preparar previamente la solución de ácido: colocando en el tanque de preparación de solución acida, 2 kg de ácido sulfúrico y completando con agua hasta los 65 litros. Nota: la cantidad necesaria de ácido para cada regeneración, se obtiene mediante cálculo utilizando la Ficha Técnica de la Resina Catiónica Fuerte: Lewatit MonoPlus S 108 H. (Ver la sección 3.5).  Colocar la válvula múltiple en el ciclo Brine and Slow, para comenzar el proceso de Inyección de Ácido, después del primer retrolavado por un tiempo de 30 a 50 min.  Colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash, terminando el proceso de inyección de ácido por un tiempo de 15 min.  Colocar válvula múltiple en el ciclo Service, terminando el proceso de Retrolavado.

b) Regeneración de Resinas Aniónicas

El proceso se realiza con la válvula manual, una vez terminada la regeneración de la columna catiónica, realizando los siguientes pasos:  Lavar la resina por 10 min, para esto colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash.

82

 Preparar previamente la solución de sosa cáustica: colocando en el tanque de preparación de solución alcalina, 2 kg de ácido sulfúrico y completando con agua hasta los 65 litros.  Agitar hasta la completa disolución. Nota: la cantidad necesaria de sosa cáustica sólida para cada regeneración, se obtiene mediante cálculo utilizando la Ficha Técnica de la Resina Aniónica Fuerte: Lewatit MonoPlus M 500. (Ver la sección 3.6).  Colocar la válvula múltiple en el ciclo Brine and Slow, para comenzar el proceso de Inyección de Ácido, después del primer retrolavado por un tiempo de 30 a 50 min.  Colocar la válvula múltiple en el ciclo Backwash, terminando el proceso de inyección de ácido por un tiempo de 15 min.  Colocar la válvula múltiple en el ciclo Service, terminando el proceso de Retrolavado. quedando el equipo listo para el proceso de intercambio iónico.

2.1.1.2. Obtención de Agua Desmineralizada  Tomar una muestra del agua filtrada de la Central Termoeléctrica Guangopolo I para una posterior caracterización.  Tomar 153 L de Agua Filtrada de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo I.  Trasvasar el volumen del Agua Filtrada tomada de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo I al tanque de alimentación del Proceso de Intercambio Iónico.

Figura 42. Trasvasado de Agua Filtrada  Verificar si la válvula de globo en la salida del tanque de alimentación se encuentra completamente abierta. 83

Figura 43. Verificación de apertura de válvula  Verificar si las 2 válvulas múltiples tanto de la Torre Catiónica o Aniónica se encuentran en la Etapa Service.

Figura 44. Verificación de ciclo en service

 Colocar la válvula de globo en ¼ de abertura, esto quiere decir que en el flujo de by-pass se mantenga con un flujo 3

y que entre a la Torre de Intercambio Iónico con 13

.

Nota: no se coloca a la válvula de globo una posición de totalmente abierta ya que es una sugerencia de diseño hacer bypass en el flujo de entrada.

Figura 45. Bypass del flujo de entrada a las Torres  Encender la bomba de 1 HP. 84

 Tomar una muestra de agua después de la Torre Catiónica en el punto de muestreo, para esto se abre la válvula y otra muestra después de la Torre Aniónica para una posterior caracterización.

Figura 46. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Catiónica

Figura 47. Muestreo de Agua en la salida de la Torre Aniónica  Receptar el agua proveniente después de la Torre Aniónica en un tanque de recepción. Nota: esta agua receptada se trata de Agua Desmineralizada.

85

Figura 48. Recepción de Agua desmineralizada

2.1.2. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de Ósmosis Inversa.

2.1.2.1. Obtención de Agua Desmineralizada  Tomar muestra del agua filtrada de la Central Termoeléctrica Guangopolo II para una posterior caracterización.  Tomar 153L de Agua de Ingreso para las membranas de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo II.  Trasvasar el volumen del Agua de Ingreso para las membranas tomada de la Planta de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica Guangopolo II al tanque de alimentación del Proceso de Ósmosis Inversa.  Verificar si la válvula de globo en la salida de la línea de permeado esté totalmente abierta.

86

Figura 49. Verificación de válvula en la corriente de entrada de agua a las membranas  Encender la bomba de 1 HP.  Tomar la medida de la presión de alimentación hasta que se estabilice el manómetro.  Tomar una muestra de agua en la línea de rechazo (manguera negra) y otra muestra en la línea del permeado (manguera azul).

Figura 50. Muestreo de Agua de Permeado y Rechazo  Receptar el agua de rechazo y permeado en los recipientes de recepción de permeado y de recepción de rechazo. Nota: el agua de permeado se trata de Agua Desmineralizada.

87

2.1.3. Procedimiento experimental para la obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa

 Colocar el agua perteneciente a la salida de la Torre Aniónica (la obtención de dicha agua se logra siguiendo el procedimiento 2.1.1.2.) en el tanque de alimentación.  Verificar si la válvula de globo en la salida de la línea de permeado esté totalmente abierta.  Encender la bomba de 1 HP.  Tomar la medida de la presión de alimentación hasta que se estabilice el manómetro.  Tomar una muestra de agua en la línea de rechazo (manguera negra) y otra muestra en la línea del permeado (manguera azul).  Receptar el agua de rechazo y permeado en los recipientes de recepción de permeado y de recepción de rechazo. Nota: el agua de permeado se trata de Agua Desmineralizada

88

2.2. Diagrama de bloques para el procedimiento experimental

2.2.1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico.

Figura 51. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando Torres de Intercambio Iónico

Agua H2O

Agua H2O

LAVADO DE RESINA

Agua H2O

H2SO4 al 98.5 % (p/v)

PREPARACIÓN DE ÁCIDO

INYECCIÓN DE ÁCIDO

t= 10 min Agua Residual

LAVADO DE RESINA t= 15 min

t= (30-50) min REGENERACIÓN DE RESINAS CATIÓNICAS Agua H2O

INYECCIÓN DE SOSA

H2SO4 al 98.5 % (p/v)

NaOH al 98 % (p/p)

PREPARACIÓN DE SOSA

Agua H2O LAVADO DE RESINA t= 10 min

t= (30-50) min REGENERACIÓN DE RESINAS ANIÓNICAS Agua H2O

LAVADO DE RESINA

SERVICIO

RECEPCIÓN

t= 10 min

Agua Residual

INTERCAMBIO IÓNICO t intercambio= (45-50) min

Agua Residual

AGUA DESMINERALIZADA

89

SERVICIO

2.2.2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa

Figura 52. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando la combinación de Torres de Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa

Agua H2O

Agua H2O

LAVADO DE RESINA

Agua H2O

H2SO4 al 98.5 % (p/v)

PREPARACIÓN DE ÁCIDO

INYECCIÓN DE ÁCIDO

t= 10 min Agua Residual

LAVADO DE RESINA t= 15 min

t= (30-50) min REGENERACIÓN DE RESINAS CATIÓNICAS Agua H2O

INYECCIÓN DE SOSA

H2SO4 al 98.5 % (p/v) Agua H2O

NaOH al 98 % (p/p)

PREPARACIÓN DE SOSA

LAVADO DE RESINA t= 10 min

t= (30-50) min Agua Residual

REGENERACIÓN DE RESINAS ANIÓNICAS Agua H2O

LAVADO DE RESINA

SERVICIO

RECEPCIÓN

t= 10 min

INTERCAMBIO IÓNICO t intercambio= (45-50) min

Agua Residual

Agua de Rechazo

AGUA DESMINERALIZADA

90

ÓSMOSIS INVERSA

SERVICIO

2.2.3. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de ósmosis inversa

Agua Filtrada (Guangopolo II) H2 O RECEPCIÓN

Agua de Rechazo

ÓSMOSIS INVERSA

AGUA DESMINERALIZADA

Figura 53. Diagrama de bloques del proceso de obtención de agua desmineralizada utilizando el equipo de ósmosis inversa

2.3. Equipos y Materiales 

Termómetro

(1)

Ap= ± 1 °C

Rg: (-20-250) °C



Conductímetro

(4)

Ap= ± 0.01 mS/cm

Rg: (0-2000) mS/cm



Vaso de Precipitación

(28)

Ap=± 50 ml

Rg: (50-1000) ml



Frascos para muestreos

(7)

V= 1000 ml



Canecas de plástico

(1)

V= 61 L



Manómetro

(2)



Cronómetro

(4)



Balde plástico graduado

(10)



Guantes plásticos

(2)



Gafas de seguridad

(1)



Mandil

(1)



Mascarilla de doble filtro

(1)



Agitador de vidrio

(1)



Equipo de Ósmosis Inversa

(1)



Torres de Intercambio Iónico

(2)



Probeta



Balanza

Ap=± 5 psi

Rg: (0-200) psi Ap=± 0.001 s

Ap=± 1 L

Rg: (0-20) L

(1)

Ap=± 1 ml

Rg: (0-1000) mL

(1)

Ap= ± 0,1 g

Rg: (0 – 600) g

91

2.4. Sustancias y Reactivos 

Agua potable

H2 O



Agua Filtrada

H2 O



Ácido sulfúrico

H2SO4

Conc= 98.5% (p/v)



Sosa cáustica

NaOH

Conc= 98.5% (p/p)



Resina de intercambio catiónica fuerte: Lewatit® MonoPlus S 108 H



Resina de intercambio aniónica fuerte: Lewatit® MonoPlus M 500

2.5. Diseño Experimental

En el desarrollo del presente trabajo de grado se considera: el estudio comparativo de los procesos para determinar el mejor método de desmineralización del agua mediante: Torres de Intercambio Iónico, equipo de Ósmosis Inversa y la combinación de los mismos para obtener una mayor eficiencia del proceso, planteamiento de diseño experimental, y diseño del mejor método de desmineralización del agua.

2.5.1. Estudio Comparativo de los procesos para determinar el mejor Método de desmineralización del agua. La Central Termoeléctrica de Guangopolo, al dividirse en dos secciones: Guangopolo I y Guangopolo II, utiliza en cada Planta de Tratamiento de Agua dos diferentes Procesos de Desmineralización del Agua para enfriamiento de motores; tales como Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa respectivamente. Pero basándose en el requerimiento de calidad del agua para enfriamiento de la empresa cada método empleado tiene inconvenientes. Es por tal razón que, se plantea 3 métodos para así realizando un estudio comparativo de los mismos, se concluya con el mejor proceso de Desmineralización de Agua: Intercambio Iónico, Ósmosis Inversa y/o la combinación de ambos procesos.

2.5.1.1. Intercambio Iónico. Las ventajas de este método radican en que su operación es sobre demanda, el tiempo de contacto es corto, la insensibilidad a la concentración del agua de alimentación, la extensa variedad y disponibilidad de resinas efectivas; con lo cual lo hace un proceso de desmineralización idóneo. Sin embargo, la utilización de únicamente este método en la Central Guangopolo I no satisface los requerimientos de calidad del agua requeridos.

92

2.5.1.2. Ósmosis Inversa. Las ventajas de este método son amplias como una gran eliminación de contaminantes del agua de alimentación, insensibilidad a flujos y niveles de sólidos totales disueltos, continuidad en su proceso, simplicidad en su operación, hacen que sea un sistema idóneo para desmineralizar el agua. Sin embargo, aunque el

requerimiento de calidad se

cumple, el tiempo de vida útil de las membranas se está disminuyendo de 1 año a 4 meses , debido a que el agua de alimentación posee un alto nivel de Sílice ≈70 ppmSiO2, que contamina a las membranas y acorta su tiempo de vida útil.

2.5.1.3. Intercambio Iónico y Ósmosis Inversa. Al combinar estos dos procesos, el de Intercambio Iónico seguido por Ósmosis Inversa (ya existentes en las Plantas de Tratamiento de Agua de la Central Termoeléctrica de Guangopolo), se combinan los beneficios de los mismos, siendo así que el agua de alimentación al equipo de Ósmosis Inversa se trataría del agua de salida de la Torre de Intercambio Aniónico, por lo cual se reduciría notablemente la concentración de Sílice que ingresa a las membranas de 70 a 15 ppm SiO2 aproximadamente, y así se aumentaría el tiempo de vida útil de las membranas.

2.5.2. Descripción del Diseño Experimental. Esta sección plantea la descripción de los sistemas experimentales para la Desmineralización del Agua utilizada para enfriamiento de motores de combustión interna. Se utilizan Torres de Intercambio Iónico, el sistema de intercambio catiónico utiliza resina de intercambio catiónicas fuerte: Lewatit® MonoPlus S 108 H y el sistema de intercambio aniónico utiliza resina de intercambio aniónicas fuerte: Lewatit® MonoPlus M 500. Como también se implementa la utilización de Equipo de Ósmosis Inversa: MerlinTM, Reverse Osmosis System. Adicionalmente, en esta sección se describen las consideraciones de diseño de cada equipo que interviene en el sistema experimental.

La especificación

de unidades adicionales para la operación del mejor método para

desmineralizar agua tales como: tanques de almacenamiento, tanques de preparación de ácido y sosa, válvulas y bombas se consideran en esta sección.

93

Agua Residual

Rechazo o Concentrado

Agua Filtrada

Intercambio Catiónico

Intercambio Aniónico

(Resina Catiónica Fuerte)

(Resina Aniónica

Agua de Retrolavado

Corriente de Salida

Fuerte)

Ósmosis Inversa Agua Desmineralizada (Permeado)

Agua de Retrolavado

Figura 54. Diagrama de Flujo del Proceso más idóneo para Desmineralización de Aguapara enfriamiento de motores de la Central Termoeléctrica Guangopolo

94

3. DATOS EXPERIMENTALES

3.1. Datos de la caracterización del agua a tratar En esta sección se presentan los datos del análisis físico-químico del agua a tratar, es decir, el agua de alimentación a las Torres de Intercambio Iónico y al equipo de Ósmosis Inversa de la Planta de Tratamiento de Guangopolo I y II, respectivamente. Tabla 8. Parámetros del agua filtrada (Agua de Alimentación para la Torres de Intercambio Iónico), Ensayo 1, 2 y 3 IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA Tipo de Muestra

Agua Filtrada

Fecha de Toma de Muestra

2/06/15

17/06/15

01/07/2015

Punto de Toma de Muestra: Piscina de Agua Filtrada RESULTADOS VALORES ENSAYO REALIZADO Alcalinidad Total Cloruros Conductividad Dureza Cálcica Dureza Magnésica Dureza Total Hierro pH Sílice Sólidos Totales Disueltos

ENSAYO 1

ENSAYO 2

ENSAYO 3

173.4 57.4 570.4 64.4 111.6 176 0.1 7.70 45 283

201.8 58.5 583 68.6 147.8 216.4 0.1 7.75 40 287

201 99 566.9 66 102 168 0.2 7.7 70 279

UNIDAD

MÉTODO

ppm CaCO3 ppm ClµS/cm ppm CaCO3 ppm CaCO3 ppm CaCO3 ppm Fe Unidades de pH ppm SiO2 ppm

APHA,AWWA,WPCF 2320 APHA,AWWA,WPCF 4500- ClAPHA,AWWA,WPCF 2510 APHA,AWWA,WPCF 2340 APHA,AWWA,WPCF 2340 APHA,AWWA,WPCF 2340 Colorímetro (kit) APHA,AWWA,WPCF 4500- H+ APHA,AWWA,WPCF 4500- SiAPHA,AWWA,WPCF 2540

Nota: Los datos del análisis físico-químico realizado en el Laboratorio de Control Químico de la Central Termoeléctrica de Guangopolo para cada muestra y cada día de toma de muestras se encuentran en el anexo D.

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Tabla 9. Parámetros del Agua de Ingreso a las membranas (Agua de Alimentación al Equipo de Ósmosis Inversa), Ensayo 1, 2 y 3 IDENTIFICACIÓN DE LA MUESTRA Agua Tratada 2/06/15 17/06/15 01/07/2015 Fecha de Toma de Muestra Punto de Toma de Muestra: Agua de Alimentación al Equipo de Ósmosis Inversa RESULTADOS VALORES ENSAYO REALIZADO UNIDAD MÉTODO ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3 Alcalinidad Total 195 195.2 194.8 ppm CaCO3 APHA,AWWA,WPCF 2320 Cloruros 46.3 59.1 93 ppm Cl APHA,AWWA,WPCF 4500- ClConductividad 556.1 582 563 µS/cm APHA,AWWA,WPCF 2510 Dureza Cálcica