Química del agua en sistemas de ósmosis inversa
Parte 2 de la “J” a la “Z”.
Este artículo es la continuación de la entrega previa, ¿Cómo diseñar un sistema de ósmosis inversa exitoso?, en que se hace un resumen de algunas de las consideraciones para tener en cuenta cuando se tienen ciertos componentes y parámetros en el agua y, su comportamiento para el correcto diseño y operación de los sistemas de membranas ósmosis inversa, en que cubrimos de la “A” a la “I”.
Si necesitas alguna información adicional a lo que acá expuesto sobre Tratamiento de Aguas por Osmosis Inversa, no dudes en contactarnos.
Magnesio (Mg)
Es un catión divalente que puede ser alrededor de la tercera parte de la dureza en un agua salobre, y que puede ser hasta 4 o 5 veces mayor que el calcio en el agua de mar. Por la elevada solubilidad de las sales de magnesio no es un compuesto que genere problemas de incrustación en los sistemas de ósmosis inversa.
Manganeso (Mn)
El manganeso es un contaminante de as aguas de pozo y superficiales. Al igual que el hierro se puede encontrar disuelto en ausencia de oxidantes. Una vez oxidado precipita como dióxido de manganeso. Valores superiores a 0,05 ppm de manganeso pueden generar ensuciamiento en los sistemas de ósmosis inversa, que puede controlarse por medio del uso del mismo tipo de antiescalantes usados para el hierro.
Nitratos (NO3)
Son un ion monovalente que forma sales altamente solubles que no representan un problema para los sistemas de ósmosis inversa. Generalmente, la concentración de nitratos se presenta como “mg/L o ppm como nitrógeno” en el análisis del agua y no como “ppm como nitrato” como se requiere para las proyecciones de RO. La conversión de “ppm como nitrógeno” a “ppm como nitrato” se hace multiplicando “ppm como nitrógeno” x 4,43.
Los nitratos al igual que el gas amoniaco y el ion amonio, es un ion a base de nitrógeno. El nitrógeno es introducido al agua por cuenta de la descomposición de desechos animales o vegetales, sistemas sépticos o escorrentía de campos agrícolas donde se usa el nitrógeno como nutriente de los cultivos. La concentración de los nitratos en las aguas potables se limita por el efecto negativo que tienen en el transporte de oxígeno en la sangre.
Presión osmótica
Puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable. Es una de las cuatro propiedades coligativas de soluciones, es decir las propiedades que dependen de la concentración de las partículas en dilución como el descenso en la temperatura de congelación y el incremento en la temperatura de ebullición.
Cuando se colocan soluciones de distinta concentración, separadas por una membrana semipermeable, el disolvente pasa naturalmente de la solución con menor concentración a la solución con mayor concentración buscando alcanzar el equilibrio en el proceso de ósmosis.
En los sistemas de ósmosis inversa la bomba que alimenta el sistema debe entregar la presión suficiente para vencer la presión osmótica. Entre mayor sea la concentración de sales se va a tener una presión osmótica más elevada y por lo tanto se requiere una mayor presión de bombeo.
Por regla de dedo generalmente aplicada, es que cada 1000 mg/L de SDT equivalen a cerca de 10 psi de presión osmótica, esto es el 1% de los SDT.
Potencial de Hidrógeno (pH)
El pH indica la acidez o basicidad del agua, siendo el pH 7 neutro, valores inferiores ácidos y valores superiores alcalinos o básicos. El pH es un método para expresar la concentración de iones de hidrógeno en términos de potencia de 10 con el valor de pH siendo el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno.
En el agua el pH es fundamental para determinar los niveles de equilibrio de la concentración de dióxido de carbono, bicarbonatos, carbonatos y del ion hidroxilo.
En los sistemas de ósmosis inversa, el pH del rechazo tiene a ser mayor que el pH de la alimentación por la concentración de iones carbonatos y bicarbonatos, los programas de los fabricantes de membranas de ósmosis permiten estimar el valor de pH en cada etapa del sistema, así como ver el efecto de la reducción del pH con acido que generalmente se usa para reducir el índice de saturación de Langelier y reducir la tendencia incrustante del agua.
El valor de pH del agua de alimentación y del agua de rechazo tiene efecto en la solubilidad y potencial de ensuciamiento de la sílice, el aluminio y los productos orgánicos. Y sus variaciones tienen efecto en el rechazo específico de algunos iones como fluoruros, boro y sílice.
Potasio (K)
Es un catión monovalente que se encuentra en concentraciones menores al sodio. Sus sales son altamente solubles y no representan un problema para los sistemas de ósmosis.
SDI (Silt Density Index)
Es una prueba empírica desarrollada para sistemas de membranas, en que se mide la tasa de ensuciamiento de un papel de filtro de 0,45 micras por las partículas suspendidas y coloidales del agua de alimentación. Esta prueba implica el tiempo necesario para filtrar un volumen especificado de alimentación a una constante de 30 psi en el tiempo cero y luego después de 5 minutos, 10 minutos y 15 minutos de filtración continua. Si la prueba SDI se limita a sólo mediciones a 5 o 10 minutos el usuario puede esperar un alto nivel de ensuciamiento para el RO. Los fabricantes de membranas de ósmosis limitan el valor máximo de SDI para los temas de garantía de los elementos.
Sílice (SiO)2
La química de la sílice es un tema complejo y algo impredecible. De manera similar a como TOC informa la concentración total de orgánicos (como carbono) sin detallar cuáles son los compuestos orgánicos, la sílice informa la concentración total de silicio (como sílice) sin detallar cuáles son los compuestos de silicio. El contenido de “Sílice total” de un agua se compone de “Sílice reactiva” y “Sílice coloidal”.
Sílice reactiva (p.e. silicatos SiO4) es sílice disuelta que está ligeramente ionizada y no ha sido polimerizada en una cadena larga. La sílice reactiva es la forma de sílice que se utiliza en los programas de proyección de RO y aunque tiene características aniónicas, no se cuenta como un anión en términos de equilibrio de un análisis de agua, pero sí se incluye dentro de la suma de los sólidos disueltos totales (TDS).
La sílice coloidal es sílice polimerizada que se comporta más como un sólido que como un ion disuelto, ésta puede ser removida por un sistema de ósmosis inversa, pero generará problemas de ensuciamiento coloidal.
La solubilidad de la sílice reactiva se limita típicamente a 200-300% con el uso de un dispersante de sílice, exceder su nivel de saturación puede resultar en la polimerización de la sílice.
La solubilidad de la sílice reactiva es directamente proporcional a la temperatura.
La solubilidad de la sílice se incrementa con valores de pH inferiores a 7 y con valores de pH superiores a 7,8 un.
El rechazo de sílice es sensible al pH, con un aumento del rechazo a un pH más básico, ya que la sílice reactiva existe más en forma de sal que en forma ácida.
Sodio (Na)
Es un catión monovalente cuyas sales tienen una alta solubilidad y no causa un problema de escala de RO. El sodio, en el agua de mar, es el catión prevalente. El sodio es el catión utilizado para balancear los análisis de agua de alimentación para hacer las simulaciones de los sistemas de ósmosis inversa.
Estroncio (Sr)
Es un catión divalente, que al formar sulfato de estroncio tiene baja solubilidad y tiene alta posibilidad de generar problemas de incrustación en los elementos finales de las osmosis inversas. La solubilidad del sulfato de estroncio se reduce con concentraciones mayores de sulfatos y a bajas temperaturas. El estroncio se puede encontrar en algunas aguas de pozo junto con minerales de plomo en concentraciones por debajo de 15 ppm.
Sulfato (SO4-2)
Es un anión divalente, debido a la baja solubilidad del sulfato de calcio, del sulfato de bario y del sulfato de estroncio puede presentar incrustación en los elementos finales de las ósmosis inversas. La solubilidad de estas sales es aún menor a bajas temperatura. El límite superior recomendado para el sulfato en el agua potable es de 250 ppm por problemas de sabor.
TDS (Total Dissolved Solids)
El residuo sólido inorgánico que queda del agua después de la filtración de los coloides y sólidos suspendidos se denominan sólidos disueltos totales, se expresa en mg/L o ppm. Para el cálculo de los sistemas de ósmosis inversa, se determina a partir de la suma de cationes, aniones y sílice, expresados cada uno de estos iones en ppm del ion.
Los TDS del agua de alimentación, o del permeado, en las proyecciones de diseño de RO, se puede estimar a partir de la conductividad con un factor de conversión que puede estar entre 0,5 y 0,8 según el tipo de agua.
Temperatura
Es un parámetro de diseño crítico que tiene efectos significativos en los requisitos de presión de la bomba de alimentación, en el equilibrio de flujo hidráulico entre etapas, en la calidad de permeado y en la solubilidad de las sales, en especial con aquellas con solubilidad limitada. Una aproximación adecuada es indicar que una disminución de disminución de 5,5 °C en la temperatura de alimentación incrementa la presión requerida de bombeo un 15%.
Adicionalmente, el caudal permeado por cada etapa también se ve afectado por la temperatura: al incrementarla temperatura, los elementos iniciales incrementan la cantidad de permeado, lo que incide en una reducción del flujo de agua disponible para el permeado en los elementos finales, este desbalance hidráulico se reduce al disminuir la temperatura.
A temperaturas más altas, el paso de la sal se incrementa debido a la mayor movilidad de los iones a través de la membrana.
Al incrementarse la temperatura la solubilidad del carbonato de calcio se reduce, y al reducirse la temperatura se reduce la solubilidad de los sulfatos de calcio, bario, estroncio y sílice.
Turbidez
La turbidez es una medida de la transparencia que el agua o cualquier líquido incoloro pierde debido a la presencia de partículas en suspensión y que por su naturaleza coloidal no sedimentan fácilmente dando el aspecto de una nubosidad o suciedad.
La turbidez se determinada midiendo la cantidad relativa de luz que pasa a través del líquido y se reporta en unidades nefelométricas de turbidez o NTU. Para la garantía de los elementos de ósmosis inversa puede debe ser menor a 0,5 NTU en el agua de alimentación.
En un sistema de ósmosis inversa con una recuperación del 75% los sólidos que generan la turbidez se incrementarán por un factor de 4 veces, con lo que una turbidez de 0,5 NTU en la alimentación será una turbidez de 2 NTU en los elementos finales, este efecto de concentración permite ver el efecto que puede llegar a tener una turbidez que puede ser baja en agua potable como 1 o 2 NTU en sistemas de ósmosis inversa, y debe ser tenido en cuenta como parámetro de control de los sistemas de pretratamiento.