horizonte oceánico

Medios de filtración en plantas desaladoras: arcilla expandida contra antracita

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 g por L(1).

diagrama de la planta desalinizadora
diagrama de ósmosis y ósmosis inversa

Dos
tecnologías de filtro ampliamente utilizadas
son Light Expanded Clay Aggregate (LECA, proceso de arcilla expandida) y antracita, y ambas serán discutidas 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).

planta desalinizadora

Agregado de arcilla expandida ligera

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. 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).

En el espacio de purificación de agua, donde la investigación ha demostrado que LECA es capaz de adsorbir compuestos de flúor de solución acuosa, ya sea por sí mismo 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.

Una comparación viable sería con los tamices moleculares activados, como se utiliza con frecuencia en el laboratorio de química, ya que las LECA se pueden regenerar, son eficaces a bajas "cargas" y son insolubles. Estas propiedades significan que la filtración LECA es fácil de trabajar.

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(10). 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 medio junto con arena(11) o junto a arena y
granate como un filtro de medios mixtos,
proporcionando una filtración superior de grueso a fino. Típicamente, la antracita está presente para eliminar sólidos suspendidos y algunos orgánicos disueltos(12).

Los filtros de medios duales dirigidos por la antracita se han utilizado en entornos tropicales en plantas de RO, lo que demuestra ser altamente eficaz en el tratamiento de la pre-RO de agua de mar cruda y contaminada, produciendo finalmente más de 50 m3 por día (50.000 L) de agua potable que cumple plenamente con las normas de la OMS(13). Este ejemplo en particular proporcionó más de 35 recuperaciones de agua en el transcurso de un año. Junto con el carbón activado granular (un material con el que la antracita comparte muchas similitudes) la antracita se utilizó como un componente altamente eficaz en un filtro dual para eliminar el material biológico de una configuración experimental pre-RO(14). 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 configuración de filtración multimedios, la antracita junto a la arena verde y el carbón activado fue capaz de eliminar cantidades significativas de hierro de la solución acuosa antes de un proceso de RO(15).

A través de las aplicaciones de filtración para tamaños de grano de antracita RO pueden variar entre 1 mm y 2,4 mm, con una profundidad mínima de lecho de 0,8 m. Las plantas más modernas que utilizan filtros de medios duales de antracita/arena pueden manejar más de 40 m3 por hora(16). 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.

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

Resumen

  • 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 medios duales, se utiliza así para garantizar un mejor suministro de calidad a la membrana para evitar la suciedad
  • La antracita y el agregado de arcilla expandida ligera son dos materiales líderes utilizados como filtros
  • Con los mares cada vez más contaminados, y la escasez de agua se está convirtiendo en un problema en algunas regiones, se deben establecer procesos de RO eficaces - estos procesos no pueden funcionar sin una filtración eficiente de la antracita
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 G. M. Wesner y R. L. Culp, J. Sondeo de agua. Control Fed., 1972, 44, 1932

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

12 S. Vigneswaran et al., Tecnología de separación y purificación., 2016, 162, 171

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

14 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2009, 247, 77

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

16 Departamento del Ejército, Manual Técnico de Desalinización del Agua, Washington, D.C., 1986

17 A. J. Karabelas et al., Desalination, 2008, 222, 24

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

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

20 F. X. Simon et al., Desalination, 2013, 328, 67

21 C. W. Saltonstall, Desalación, 1976, 18, 315