Medios de filtración en plantas de desalinización: arcilla expandida vs antracita

Como la desalinización a través de la ósmosis inversa requiere que se eliminen muchos contaminantes para que sea un proceso viable, las estrategias de filtración previas al tratamiento son consideraciones importantes. African Pegmatite suministra antracita y agregado ligero de arcilla expandida que puede proporcionar soluciones de filtración eficaces y a largo plazo para garantizar el funcionamiento óptimo del proceso de ósmosis inversa, lo que garantiza un suministro seguro y potable tanto para residentes como para empresas.

La desalinización moderna es un proceso esencial para proporcionar agua tanto para la agricultura como para el suministro de agua potable en regiones donde las precipitaciones adecuadas son raras o altamente impredecibles. La planta desalinizadora contemporánea toma agua de mar y la somete a un proceso de ósmosis inversa. La ósmosis inversa es el mecanismo en el que se utiliza una membrana parcialmente permeable para eliminar iones y moléculas no deseadas del agua.

La eficiencia del proceso de ósmosis inversa (RO) radica principalmente en la eficacia de la propia membrana y del pretratamiento del agua de origen. Como tal, la planta desalinizadora moderna emplea varios tipos de filtros, a menudo en secuencia, para eliminar una gran proporción de contaminantes antes de que puedan llegar a la membrana. El agua de mar a menudo tiene concentraciones de sólidos disueltos superiores a 35 gramos por litro(1).

diagrama de la planta desalinizadora
diagrama de ósmosis y ósmosis inversa

Dos de estas tecnologías de filtro ampliamente utilizadas son el agregado de arcilla expandido por luz (LECA, arcilla expandida por procesos) y la antracita, y ambas se discutirán aquí. La idea básica es que el agua de mar pasa a través de estos materiales configurados como filtros antes de que llegue a la membrana. Cuando llega a la membrana, está en gran parte desprovista de sólidos disueltos, haciendo que el proceso de RO general sea más eficiente.

Muchas de las causas de la suciedad de la membrana del agua de mar no tratada no son fácilmente visibles para el ojo humano. Las principales causas incluyen compuestos de sílice disuelto, moléculas orgánicas adsorbidas, microorganismos, óxidos metálicos y varios coloides de hierro y aluminio(2). Los más eficaces son las configuraciones de filtración de medios duales, y son estas las que se utilizan más ampliamente en todo el mundo(3). La filtración directa (es decir, una filtración simple a través de arena o a través de un filtro de malla) se considera generalmente ineficaz, especialmente contra contaminantes orgánicos(4).

Imperativo para las operaciones de RO, debido a la inmensa escala en la que operan, cualquier filtro debe ser confiable durante largos períodos de tiempo y relativamente barato. LECA y antracita se ajustan a estos requisitos. El pretratamiento del agua de mar es el método más eficaz para garantizar la no incrustante de la membrana RO(5). Cabe señalar que ni la antracita ni la LECA son capaces de eliminar la sal del agua salada - sólo se utilizan como un filtro que se adelanta al proceso de ósmosis inversa.

planta desalinizadora

Agregado de arcilla expandida ligera (LECA)

LECA es un agregado ligero formado por arcilla estándar de calentamiento a ca. 1.200 oC en un horno rotatorio. Durante el proceso de calentamiento y rotación, la arcilla se seca, se forma en formas de bolas y se vuelve altamente porosa. Los poros recuerdan a una estructura de panal de abeja, con la forma a menudo descrita como "como una patata" debido a la constante caída a través del horno rotativo. Esta porosidad la lleva a poseer buenas propiedades absorbentes, habiendo sido utilizada previamente para eliminar metales pesados como el cadmio de los flujos de residuos de fábricas de pintura(6).

Leca moderno se produce a una gama de estándares y tamaños, que comúnmente van desde 0,1 a 25 mm de diámetro. Las densidades a granel tienden a caer en el rango de aproximadamente 250 a 500 kg m-3.

Entra en su propio, sin embargo, en el espacio de purificación de agua, donde la investigación ha demostrado que LECA es capaz de adsorb compuestos de flúor de solución acuosa, ya sea por sí solo o modificado con cloruro de magnesio o peróxido de hidrógeno(7). Además, los filtros de medios dobles que contienen arena y MgCl2/H2O2-LECA modificado son capaces de eliminar los compuestos de cromo del agua(8) - y estas LECA dopadas son capaces de ser regeneradas a través del tratamiento con ácido diluido.

Uno de los contaminantes más perniciosos es el arsénico. Si esto entra en el sistema de agua, podrían producirse muertes. Los investigadores han demostrado que el uso de LECA modificada por reactivos de Fenton ha sido eficaz en la eliminación de 99 de arsenite (As2+) y iones de arsenato (As4+) de una solución acuosa a una concentración de 150 g por litro, en 60 minutos(9). El reactivo de Fenton es una mezcla de peróxido de hidrógeno y hierro, y es un material barato para usar a escala.

Los materiales orgánicos han demostrado ser retirados del agua por LECA(10), con una sorpción altamente eficaz de fenantropina, fluorantropina y pirenaico del agua a una concentración individual de 0,02 mg L-1. LECA fue capaz de eliminar entre el 70 y el 72% de estos orgánicos en una sola pasada durante un período máximo de 21 horas cuando sólo se utilizaron 0,2 g de LECA. Los investigadores informaron de un aumento de las tasas de sorpción (es decir, filtración) con adición adicional de LECA - con más del 92% de los contaminantes orgánicos eliminados cuando se emplearon 4 g de LECA. Fenómenos similares se han observado cuando las arcillas expandidas se han utilizado en la limpieza del alcantarillado, cuando las arcillas similares a leca se utilizaron con filtros de arena(11). La eliminación natural de la materia orgánica utilizando LECA es un área bien establecida, con estudios que muestran la eliminación efectiva de estos del agua en el régimen de contaminación de 10 a 50 mg L-1. Se demostró que LECA era eficiente en toda la gama de contaminantes con eficiencias en un orden similar a los coagulantes de metales pesados, con una mejora notable sobre la arena(12). La filtración completa se logró cuando la coagulación con quitosano se combinó con la filtración LECA(13). Los resultados superaron consistentemente a los experimentos de control.

Una comparación viable con leca se activaría tamices moleculares, como se utiliza con frecuencia en el laboratorio de química; como los LECAs pueden ser regenerados, son eficaces con bajas "cargas" y son a su vez insolubles. Además, LECA es incompresible bajo cargas presurizadas o de tipo gravedad. estos

Proceso automatizado de purificación de agua.

Antracita

La antracita es una de las formas más omnipresentes de carbón. Ocurre naturaly fácilmente extraído, es barato. Teniendo muchos usos aparte de como combustible, su uso como medio de filtración es ampliamente conocido(14). Uno de los principales beneficios ambientales de emplear la antracita como filtro y no como combustible es que como no se quema, no hay emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Cabe señalar, sin embargo, que la antracita rara vez se utiliza sola como filtro pre-RO. Más bien, se utiliza como parte de una configuración de filtro de doble soporte junto con sand(15) o junto a arena y granate como filtro de medios mixtos,

proporcionando una filtración gruesa a fina superior. Normalmente, la antracita está presente para eliminar sólidos suspendidos y algunos orgánicos disueltos(16). La dureza relativa de Antracita significa que no se descompone o aplasta fácilmente en escenarios de filtración.

En entornos no RO, la filtración de antracita ha demostrado su valía al ser eficaz en la eliminación de trazas orgánicas de la solución acuosa(17). Se ha demostrado que los filtros simples de antracita y arena son eficaces a la eliminación del carbono orgánico del agua contaminada a caudales de hasta 14 m3 h-1,eliminando más de dos tercios de los orgánicos presentes en un solo paso(18).

Un tema común a lo largo de la literatura es que la antracita se utiliza ampliamente como filtro pre-RO como parte de una "estrategia de pretratamiento" integral. Cuando se utiliza como filtro para pre-RO en un esquema de floculación-filtración en línea, la antracita se utiliza junto con la arena y se encontró que la reducción de turbidez era alta (es decir, menos sólidos disueltos o parcialmente disueltos se permitieron a través del filtro) con un excelente rendimiento en un corto tiempo incluso en el orden de cinco horas, con altos caudales de hasta 10 m3 h-1(19).

Los filtros de doble soporte dirigidos por antracita se han utilizado en entornos tropicales en plantas de RO, lo que demuestra ser altamente eficaz en el tratamiento del agua de mar cruda y contaminada antes del RO, produciendo finalmente más de 50 m3 por día (50.000 L) de agua potable que cumple plenamente con las normas de la OMS(20). Este ejemplo en particular proporcionó más de 35 recuperaciones de agua en el transcurso de un año. Junto con el carbono activado granular (un material con el que la antracita comparte muchas similitudes), el antracita se utilizó como un componente altamente eficaz en un filtro dual para eliminar el material biológico de una configuración experimental previa a la RO. Esta configuración a pequeña escala no mostró disminución en el rendimiento incluso después de 55 días de actividad constante, por encima de 5 metros por hora a través de un filtro de 20 cm. En ambos ejemplos, se requería un procesamiento mínimo de la antracita, limitado a la molienda a tamaños de partícula adecuados. Como parte de una filtración multi-medios configurada, la antracita junto con greensand y carbón activado fue capaz de eliminar cantidades significativas de hierro de una solución acuosa antes de un proceso de RO(21).

A través de aplicaciones de filtración para RO, los tamaños de grano de antracita varían entre 0,35 y 0,8 mm, con una profundidad mínima de la cama de 0,8 m. Las plantas más modernas que utilizan filtros de doble soporte de antracita/arena pueden manejar más de 40 m3 por hora (22). La mayor parte de la utilidad de filtración de antracita proviene de su excelente funcionalidad de exclusión de tamaño y porosidad. Después de su uso, la antracita gastada se descarta típicamente.

La antracita ya encuentra comúnmente un amplio uso de filtración, particularmente como un componente vital de una filtración de doble soporte configurada para procesos de extracción de disolventes y electrowinning para la producción de metales.

gotas de agua golpeando el agua
Hermoso chapoteo de agua azul

comparación

Un estudio en el norte de Grecia tomó filtros de antracita y LECA para RO y los ejecutó en paralelo, con el objetivo de encontrar una diferencia discernible entre los dos enfoques(17). La investigación -tanto en escalas vegetales como de laboratorio- encontró que LECA y la antracita se realizaron en gran medida de la misma manera a través de las pruebas de concentración de orgánicos en el filtrado, la densidad de limo y la turbidez. Notable, sin embargo, es que ambos métodos sufrieron rendimiento sabio en los inviernos más fríos, pero no a un nivel inaceptable. El material LECA y la antracita estaban en el rango de tamaño de 1,2 a 2,4 mm.

Ambos tipos de filtración - cuando en una configuración de filtro de doble medio - son altamente eficaces contra la exposición de floraciones de algas a la membrana RO(18). Las bacterias son mucho más difíciles de eliminar utilizando procesos de filtro dual que los contaminantes sólidos y los materiales orgánicos, sin embargo, se ha demostrado que los filtros de medios duales que contienen antracita eliminan algunas bacterias en un estudio, pero la mayoría fueron eliminados por procesos de filtración posteriores(19). En otro estudio, se demostró que los filtros LECA atrapan - pero también en algunos casos para desarrollar - vida bacteriana(20).

proceso de purificación de agua
membrana de ósmosis inversa

Naturalmente, la filtración no es la única arma en el arsenal del diseñador de plantas de RO. A menudo, el agua de mar antes de la filtración se tratará químicamente para precipitar los contaminantes esperados - estos se recogen en el filtro de arena o se les permite separarse de la gravedad. Se puede añadir hexametafosfato de sodio para inducir la precipitación de carbonato de calcio y sulfato de calcio. Se puede realizar la acidificación (ya que el agua de mar es ligeramente básica) y añadir sulfato de aluminio para facilitar la filtración(21). Los tratamientos posteriores a la filtración no son infrecuentes, dependiendo de la escala de contaminación.

Mientras que ambos materiales (arcilla y antracita) son abundantes y de fácil acceso tanto en términos mineros como económicos, la antracita tiene la ventaja de poder ser utilizado "fuera de la caja" con un procesamiento mínimo requerido. El procesamiento se limita típicamente a moler la antracita cruda a tamaños de partícula adecuados. La arcilla, por otro lado, debe calentarse primero en un horno rotatorio, y luego dependiendo de la aplicación, dopada/impregnada con otra sustancia química - añadiendo gasto, tiempo y complejidad al proceso. La antracita es más rentable, ya que requiere menos procesamiento, lo que también añade el beneficio de ser más respetuoso con el medio ambiente.

agua limpia corriendo sobre una cascada

Consultoría de óxido de manganeso

  • El acceso al agua potable y segura es cada vez más importante tanto para el suministro doméstico como para el industrial, en particular en el mundo en desarrollo y para los lugares afectados por la sequía aguda estacional
  • La ósmosis inversa es uno de los procesos por los que se puede producir agua potable a partir del agua de mar
  • RO se basa en una membrana parcialmente permeable para funcionar, y si esto se bloquea o ensucia, la eficiencia del proceso disminuye significativamente
  • La filtración, a menudo utilizando una configuración de doble soporte, se utiliza así para garantizar un suministro de mejor calidad a la membrana para evitar ensuciamientos
  • La antracita es una de las formas superiores de carbón, naturalmente existente como una de las fuentes más puras de carbono. Durante mucho tiempo se ha utilizado como un medio de filtración.
  • El agregado ligero de arcilla expandida (LECA) es un material hecho del tratamiento de arcilla en un horno rotativo para producir un material poroso y de baja densidad que es muy adecuado para aplicaciones de filtración
  • La antracita y la LECA son dos materiales líderes utilizados como filtros, ambos son altamente eficaces para eliminar contaminantes del agua (metales pesados, residuos orgánicos, etc.) tanto en situaciones convencionales de limpieza de agua como en situaciones previas a la RO
  • Con los mares cada vez más contaminados, y la escasez de agua se está volviendo más un problema en algunas regiones, se deben establecer procesos eficaces de RO - tales procesos no pueden funcionar sin una filtración eficiente de los gustos de la antracita y leca

 

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Granate
Olla llena de antracita molida

Referencias:

1 S.-H. Kim et al., Desalinización y tratamientode agua , 2011, 32 , 339

2 L.J. Latham et al., Practical Experiences of Biofouling in Reverse Osmosis Systems en: Proc. Congreso Mundial de la IDA sobre Desalinización y Ciencias del Agua, Abu Dabi, 1996

3 S.-H. Kim et al., Desalination, 2009, 249, 308

4 J. Leparc et al., Desalination, 2007, 203, 243

5 N. Prihasto et al., Desalinización, 2009, 249, 308

6 M. Malakootian et al., Int. J. Environ. Sci. Technol., 2009, 6, 183

7 M. Zarrabi et al., J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2014, 45, 1821

8 A. Hamdy et al., Curr. World Env., 2012, 7, 23

9 S. S. Martínez et al. Desalinización, 2011, 272, 212

10 M. A. Nkansah et al., J. Haz. Mater., 2012, 217, 360

11 V. K. Nguyen et al., Biores. Tecnología., 2020, 306, 123095

12 B. Eikebrokk y T. Saltnes, Suministro de agua, 2001, 1, 131

13 B. Eikebrokk y T. Saltnes, Aqua, 2002, 51, 323

14 G.M. Wesner y R. L. Culp, J. Sondeo de agua. Control Fed., 1972, 44, 1932

15 S. Jeong y S. Vigneswaran, Chem. Eng. J., 2013, 228, 976

16 S. Vigneswaran et al., Tecnología de Separación y Purificación., 2016, 162, 171

17 M. Kuosa et al., Int. J. Proceso mineral., 2017, 163, 24

18 A. Takdastan et al., Désal. tratamiento del agua, 2016, 57, 20792

19 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2009, 247, 85

20 C. P. Teo et al., Desalination and Water Treat., 2009, 3, 183

21 S. Chaturvedi y P. N. Dave, Desalination, 2012, 303, 15

22 Departamento del Ejército, Manual Técnico de Desalación de Agua,Washington, D.C., 1986

23 A. J. Karabelas et al., Desalinización, 2008, 222, 24

24 L. O. Villacorte et al., Desalination, 2015, 360, 61

25 S. Lee et al., Desalination, 2016, 385, 83

26 F. X. Simon et al., Desalinización, 2013, 328, 67

27 C. W. Saltonstall, Desalination, 1976, 18, 315