Verdaderas soluciones llave en mano para la purificación de agua por membrana

Sep 25, 2023

La conversión de una gran variedad de fuentes de agua en agua purificada por membrana de alta calidad es fundamental para abordar aplicaciones en múltiples industrias que van desde la fabricación industrial, la producción de petróleo y gas en alta mar, la producción de alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, microelectrónica y generación de energía.

Por Cameron W. Hipwell, PE

La conversión de una gran variedad de fuentes de agua en agua purificada por membrana de alta calidad es fundamental para abordar aplicaciones en múltiples industrias que van desde la fabricación industrial, la producción de petróleo y gas en alta mar, la producción de alimentos y bebidas, productos farmacéuticos, microelectrónica y generación de energía.

En particular, la generación de energía a partir de combustibles fósiles requiere una gran cantidad de agua porque consume una parte significativa de toda el agua tratada en los países desarrollados.

Las fuentes de agua que van desde ríos y lagos hasta agua potable municipal, así como agua de mar, deben someterse a una serie de pasos para producir agua de producto tratada adecuada para el uso final. Las estaciones generadoras de energía pueden estar ubicadas en regiones costeras, tierra adentro cerca de ríos y lagos, o en lugares que utilicen agua potable municipal, aguas subterráneas o efluentes secundarios tratados biológicamente. Las impurezas en estas diversas fuentes son sólidos suspendidos totales (TSS), especies coloidales como sílice, sólidos disueltos totales (TDS) y materia orgánica disuelta. La naturaleza y los respectivos niveles de estas impurezas determinan la idoneidad del agua y los pasos de tratamiento necesarios para su uso en una planta de energía.

La clave para producir agua purificada en el sitio es la utilización de sistemas de proceso de filtración por membrana. Los procesos de filtración bien reconocidos de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO), que se muestran en la Figura 1, proporcionan grados discretos de eliminación de sólidos coloidales o suspendidos y, en los casos de nanofiltración y ósmosis inversa, rechazo de especies iónicas disueltas específicas.

Cada uno de estos procesos utiliza membranas semipermeables, pero en el caso de MF también puede incluir filtros de profundidad microporosos.

La producción de agua ultrapura y de alta pureza es fundamental para abordar los requisitos de operación de calderas y turbinas en toda la industria de generación de energía.

Los servicios clave de suministro de agua dentro de una planta de energía, como se muestra en la Figura 1, incluyen agua de reposición sin tratar para toda la planta, agua de reposición de caldera para el circuito de agua/vapor, agua de refrigeración del condensador de la turbina de vapor y agua de refrigeración auxiliar. Otros servicios de agua que pueden ser necesarios, dependiendo de la planta específica, incluyen agua de reposición para los sistemas de desulfuración de gases de combustión, agua para el manejo y eliminación de cenizas y, en el caso de plantas de turbinas de gas de ciclo simple y combinado, nebulización directa de agua de la aire de entrada a la turbina de gas (compresión húmeda) para aumentar la potencia y el control de emisiones (NOx).

El agua purificada se caracteriza por unos límites específicos en función de su uso final. El parámetro general más utilizado para la generación industrial y de energía es el total de sólidos disueltos (TDS). En la fabricación de alimentos y bebidas, por ejemplo, el permeado de NF o RO que tiene niveles de TDS de 5 a 100 mg/litro suele ser aceptable y para el agua de reposición de torres de enfriamiento, los niveles de TDS pueden estar en el rango de 100 a 500 mg/litro.

Sin embargo, para servicios de agua pura más exigentes, como agua desmineralizada para aplicaciones de generación de energía o fabricación de dispositivos médicos, los valores de resistividad/conductividad son los más convenientes. La capacidad del agua para conducir electricidad está determinada por la concentración de especies ionizadas disueltas. El agua desionizada tiene una conductividad baja de 0,055 μsiemens en comparación con el agua de mar que tiene una conductividad de >50 000 μsiemens.

Por conveniencia, el parámetro de agua ultrapura más citado es el recíproco de la conductividad expresado en megaohmios (MΩ), por lo que el agua desionizada con una conductividad de 0,055 μsiemens tiene una resistencia de 18 MΩ. El agua ultrapura con una resistividad de 18 MΩ generalmente se especifica como requerida para aplicaciones severas como la fabricación de semiconductores y la producción de agua de reposición para calderas de energía supercrítica. Para la mayoría de las aplicaciones de agua desmineralizada en centrales eléctricas, es suficiente agua con una resistividad >10 MΩ (0,1 microsiemens).

Con mucho, el servicio de agua más crítico para cualquier planta de energía es mantener la integridad y el rendimiento de los componentes del generador de vapor. Para minimizar el transporte de productos de corrosión al generador de vapor, la calidad del maquillaje debe ser de suficiente pureza. El agua de alta pureza adecuada para la reposición de calderas se caracteriza típicamente por los niveles de contaminantes de iones monovalentes y multivalentes disueltos y la resistividad del agua, como se indica en la Tabla 1.

El acondicionamiento adecuado del agua de reposición de la caldera puede reducir los problemas operativos relacionados con la corrosión y las fallas de los componentes. Antes de la aparición de los procesos de membrana para la producción de agua de alta pureza en las centrales eléctricas, prevalecía el pretratamiento mediante tecnologías convencionales.

Los sistemas de pretratamiento convencionales predominantes involucraron clarificadores de sedimentación con coagulantes químicos, filtración de múltiples medios, seguidos por sistemas de desmineralización de intercambio iónico (IX). Un sistema IX típico consta de tres lechos de resina, configurados en serie con un intercambiador catiónico seguido de un intercambiador aniónico seguido de un intercambiador de lecho mixto. En el intercambiador catiónico, los cationes monovalentes cargados positivamente como el sodio (Na+) y el potasio (K+) y los cationes divalentes como el calcio (Ca++) y el magnesio (Mg++) se intercambian con hidrógeno (H+) que está unido a la resina catiónica. En el intercambiador aniónico, los cloruros (Cl-), sulfatos (SO4–) y nitratos (NO3–) y CO2 cargados negativamente se intercambian con hidróxido (OH-) que está adherido a la resina aniónica. El agua se forma como los iones H+ y OH- resultantes liberados de la resina IX.

El intercambiador de iones de lecho mixto final contiene una mezcla íntima de resinas catiónicas y aniónicas que actúan como una serie completa de etapas sucesivas de intercambio catiónico y aniónico que dan como resultado agua de muy alta pureza como producto final. El lecho mixto es mucho más complejo en comparación con los recipientes de resina individuales que contienen un solo intercambiador catiónico o aniónico. Debe preverse la separación de las dos resinas en el recipiente antes de la regeneración, y conjuntos de distribuidores para inyectar y recoger dos regenerantes diferentes. Además, debe haber una disposición para volver a mezclar las resinas antes de volver al servicio.

El intercambio de iones es un proceso reversible que permite que las resinas catiónicas se regeneren pasando ácidos fuertes (tipo clorhídrico o sulfúrico) a través del lecho de resina catiónica y luego enjuagando las perlas de resina del exceso de ácidos. Del mismo modo, las resinas aniónicas se regeneran utilizando soluciones alcalinas concentradas (tipo hidróxido de sodio).

Los sistemas basados ​​en resina de desionización (DI) convencionales funcionan en lotes hasta que se agota la resina. El proceso no continuo es inherentemente un enfoque menos sostenible que utiliza grandes cantidades de productos químicos ácidos y cáusticos peligrosos.

Los procesos modernos de tratamiento de agua para las centrales eléctricas implican una tecnología de membrana más sostenible en lugar de los equipos de pretratamiento convencionales y la tecnología IX. Los sistemas compactos de membranas MF y UF, como se muestra en la Figura 2, se han convertido en opciones cada vez más populares como pasos de pretratamiento para eliminar los sólidos coloidales y en suspensión antes de la OI. UF proporciona filtración por debajo de 0,02 micras para un tratamiento de alta eficiencia de turbidez y sólidos suspendidos.

RO ha avanzado como la tecnología dominante para producir agua con bajo contenido de TDS. Esto generalmente se logra utilizando una configuración de membrana de ósmosis inversa de doble paso, como se muestra en la Figura 3. Los niveles de TDS del primer paso pueden acercarse a 5-300 mg/litro. El permeado para el primer pase de RO se alimenta a un segundo conjunto de membranas de RO para la eliminación final de TDS hasta 1-20 mg/litro. Además, las membranas de ósmosis inversa se pueden usar para eliminar directamente los TDS tanto del agua de mar como del agua salobre con niveles de TDS de hasta 40 000 mg/litro y 15 000 mg/litro, respectivamente. El permeado de ósmosis inversa de las alimentaciones de agua de mar y agua salobre puede reducirse típicamente a menos de 10 mg/litro, en el segundo paso de permeado de ósmosis inversa.

El permeado de ósmosis inversa proporciona la calidad de agua tratada ideal para el pulido final para producir >10 MΩ de agua de reposición desmineralizada (desmin). Para este paso de pulido final, la electrodesionización continua (EDI) con desgasificación de membrana (CO2) se está convirtiendo en una opción preferida sobre la tecnología IX. Similar a la tecnología IX, EDI elimina las especies ionizadas del agua utilizando resinas de intercambio iónico y el proceso incorpora membranas de intercambio iónico y un potencial eléctrico de CC.

El agua de alimentación que ingresa a un módulo de membrana EDI (que se muestra en la Figura 4) fluye hacia los compartimentos de la membrana que contienen resinas de intercambio iónico. Los módulos contienen membranas permeables a cationes y permeables a aniones y el potencial eléctrico de CC proporciona la fuerza motriz para el paso de cationes a través de la membrana permeable a cationes y de aniones a través de la membrana permeable a aniones. El agua de alimentación EDI sale del módulo EDI como agua de producto EDI de alta pureza debido a la eliminación de iones a través de las membranas de cationes y aniones.

Los sistemas EDI pueden lograr una eliminación de TDS superior al 99 % y proporcionar agua ultrapura con una resistividad de hasta 18 MΩ. EDI proporciona una solución sostenible de agua ultrapura mediante la regeneración continua sin ácidos agresivos ni productos químicos cáusticos que se requieren para los sistemas de intercambio iónico (IX) convencionales.

El uso de sistemas de lecho de resina EDI sobre IX evita el transporte de productos químicos peligrosos, el almacenamiento de productos químicos y la eliminación de productos químicos ácidos y cáusticos. Las soluciones de ingeniería ambiental incorporan sistemas de ósmosis inversa de alta recuperación con EDI para optimizar el rendimiento y reducir los costos operativos (OPEX).

Los esquemas de proceso de membrana de varios pasos que incorporan pretratamiento, UF, RO y EDI están diseñados minuciosamente para garantizar una producción confiable y de alta eficiencia de agua purificada por membrana.

Muy a menudo, los proveedores de estos sistemas adquieren componentes individuales, incluidos módulos de membrana, bombas, instrumentación, controles y tuberías de interconexión, y luego los integran en un sistema de proceso.

Varios fabricantes de medios de filtración de membrana proporcionan sistemas de proceso completos utilizando sus productos de membrana, pero subcontratan la mayoría de los elementos periféricos. El fabricante de membranas rara vez está suficientemente integrado verticalmente para proporcionar todos los componentes.

Una planta de energía de turbina de gas natural de ciclo combinado de 1200-MW que se muestra en la Figura 5 estaba experimentando altos costos operativos asociados con la planta de tratamiento de agua convencional original que utilizaba desmineralización basada en resina de intercambio iónico.

La planta recibió recientemente un sistema compacto de ultrafiltración (UF) y ósmosis inversa de agua salobre (BWRO) de 200 gpm para reemplazar el clarificador convencional existente, el filtro de medios y el sistema de eliminación de cationes/aniones IX.

El nuevo sistema basado en membrana se probó completamente en húmedo simulando el rendimiento in situ en las instalaciones de purificación de agua de Parker en Los Ángeles.

Los sistemas de proceso de membrana han evolucionado rápidamente hasta convertirse en la opción preferida sobre los procesos de tratamiento de agua convencionales que involucran clarificadores, filtros de medios grandes, lechos de resina catiónica y aniónica IX. MF y/o UF para eliminar sólidos en suspensión antes de RO y EDI son capaces de eliminar sólidos en suspensión de hasta 0,02 micras de tamaño que anteriormente habían causado el ensuciamiento de los lechos de resina IX aguas abajo.

Las membranas MF, UF, RO y EDI están completamente integradas en sistemas compactos que están modularizados para una máxima flexibilidad. El proceso de membrana RO y EDI también es más favorable para el medio ambiente que el IX, ya que se evita la regeneración de resina con productos químicos peligrosos.

Sistemas Seawater RO (SWRO) prediseñados, ideales para producir agua dulce para centrales eléctricas costeras, centrales eléctricas costeras o cualquier aplicación industrial que requiera agua ultrapura producida bajo demanda.

Con un tamaño compacto y controles completamente automáticos, una unidad SWRO puede producir hasta 1500 toneladas métricas de agua RO por día con el menor consumo de energía por tonelada de agua producida. El agua producida por ósmosis inversa se puede pulir con módulos de membrana EDI para proporcionar agua ultrapura con una resistividad de hasta 18 MΩ.

Autor

Cameron Hipwell es un ingeniero profesional registrado en Parker Hannifin Filtration Group.