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Taller de proyecto de ingeniería

“Comparación teórico-experimental de la eficiencia de la desalinización del agua salada por ósmosis inversa y por destilación"

INTEGRANTES:

Ramirez Ayma, Rubens Quenaya Fiestas, Ronald

CARRERA:

Ciclo:

ASESOR:

Ingeniería química

IV

Lopes, Gustavo Henndel

LIMA-2016

Agradecimiento

El presente proyecto es gracias a nuestros padres que constantemente nos brindan su apoyo moral, económicamente para seguir estudiando y lograr nuestros objetivos trazados. También de la misma manera al profesor Henndel, que sin su ayuda y conocimiento no hubiese sido posible este proyecto.

Tabla de contenido

Resumen

Introducción

Fundamentos teóricos y revisión bibliográfica

Metodología

Resultados y discusiones

Protocolo experimental

Bibliografía

Índice de figuras

FIGURAS

1 2 3 4

Índice de tablas TABLAS

1 2 3

Resumen En los últimos años, la creciente amenaza para purificar el agua salada debido al mal uso del agua potable y sus escases, se ha convertido en un asunto de gran preocupación. Hoy en día, la ósmosis inversa es la principal tecnología para la desalinización de las aguas saladas, debido a sus fuertes

capacidades de separación y que presenta un gran potencial para el tratamiento de estas en todo el mundo. Sin embargo, el proceso de osmosis inversa tenía algunos problemas debido a la formación de películas de polarización, porque la operación de alta presión y subproductos que pueden generar las bacterias y la suciedad. Además, el alto consumo de energía y la eliminación de salmuera, es los problemas al que se enfrenta en el proceso de osmosis inversa, debido a la limitada recuperación de agua, aproximadamente una recuperación de 35%-45% Estos problemas pueden ser superados mediante otro proceso, como una destilación. Este informe aborda el proceso de comparación entre la osmosis inversa y la destilación para la desalinización de agua salobre. La osmosis inversa se ha desarrollado mucho durante los últimos 40 años, mientras que la destilación es una tecnología emergente para la desalinización de agua salobre, sin embargo esta no se aplica plenamente en la industria. Finalmente la destilación es una mejor alternativa comparada con la osmosis inversa, encontrado teóricamente en la literatura.

OBJETIVOS

El objetivo de este proyecto es hacer un estudio del proceso de la desalinización del agua salobre mediante el proceso de osmosis inversa, por otro lado hacemos lo mismo para la desalinización por destilación. Este proyecto, se basa principalmente en hacer un estudio comparativo teórico – experimental entre estos dos procesos de desalinización. También tenemos que caracterizar la planta piloto de UTEC para futuros proyectos con esta planta piloto. Finalmente, haremos un protocolo sobre la planta piloto de UTEC para facilitar el manejo de esta.

INTRODUCCION

El agua es la fuente de la vida, la base de la supervivencia humana, y es la base principal de la economía para garantizar el desarrollo sustancial de un país. Con el aumento de la población mundial, la brecha entre la oferta y la demanda de agua es cada vez mayor y está alcanzando niveles tan alarmantes que en alguna parte del mundo, se está presentando una amenaza para la existencia humana. La escasez de agua dulce es un problema creciente en todo el mundo debido a que sólo el 1% del agua de la Tierra es agua dulce disponible para el consumo humano para beber. Los estudios informan que el 96,5% del agua de la Tierra se encuentra en los mares y océanos y el 1,7% del agua de la Tierra se encuentra en los casquetes polares. El porcentaje restante se compone de agua salobre, aguas ligeramente saladas se encuentra como agua superficial en los estuarios y las aguas subterráneas en los acuíferos salinos. La necesidad de agua dulce se encuentra en la parte superior de la agenda internacional de los problemas críticos, al menos, tan firmemente como el cambio climático. El agua pura y limpia es una necesidad absoluta para nuestra supervivencia. Los recursos de agua utilizados por los seres humanos para diversos fines domésticos, tales como beber, cocinar la comida, lavar la ropa, baños, inodoros, reconstrucciones y lavado de coches. El agua también se utiliza para diversos fines industriales, la agricultura, la generación de energía, la pesca, y así sucesivamente. La cantidad de agua dulce disponible es insuficiente para satisfacer las crecientes demandas de los seres humanos Las crecientes demandas en materia de agua y una población cada vez mayor significa que el suministro de agua se está convirtiendo en un problema grave La desalinización del agua de mar o agua salina se ha practicado con regularidad durante más de 50 años y es medio de suministro de agua bien establecida en muchos países. Ahora es viable, técnica y económicamente, para producir grandes cantidades de agua de excelente cantidad de procesos de desalinización. Sin embargo, todavía existen para producir agua de desalinización de comunidades relativamente grandes, por su continuo crecimiento, el desarrollo y la salud, y para la agricultura moderna y eficiente, con costos moderados Los procesos de membrana tales como la ósmosis inversa y destilación han prestado más atención debido a sus fuertes capacidades de separación y que presenta un gran potencial para el tratamiento de agua en todo el mundo. En los últimos años, la tecnología de membrana de ósmosis inversa es la tecnología líder para las nuevas instalaciones de desalinización y ha desarrollado tanto para aplicaciones de agua salobre y agua de mar. La membranas de ósmosis inversa para agua salobre por lo general tienen un mayor flujo de agua del producto, menos de rechazo de sal, y requieren presiones de operación más bajos debido a la menor presión osmótica. Pero estos procesos de separación con membrana tienen algunos problemas debido a la formación de películas de polarización y subproductos que

pueden generar las bacterias y la suciedad. Este problema puede ser superado mediante el uso desalinización para agua de salobre.

EXPERIENCIAS EN EL MUNDO En este cuadro que se muestra, podemos notar las grandes diferencias entre varias grandes plantas a nivel mundial, se puede apreciar la capacidad, el consumo energético, el tipo de proceso de desalinización, la localización de la planta.

TABLA1

Tabla 2

TRATAMIENTO DE AGUA DEL MAR Existen varios tipos de técnicas para desalar el agua de mar, pero las más utilizadas son:

Técnicas basadas en la evaporación Podemos diferenciar dos procedimientos para llevar a cabo esta técnica; procesos térmicos y procesos por compresión. Los procesos térmicos consisten en suministrar la energía necesaria en forma de calor, mientras que en los procesos por compresión, la fuente de energía es el trabajo. Las técnicas de evaporación más utilizadas en la industria son: evaporación instantánea multietapa, evaporación multiefecto y compresión de vapor

Técnicas donde intervienen membranas Podemos encontrar diferentes técnicas donde intervienen membranas, dependiendo de la fuerza impulsora que se utiliza para hacer pasar las partículas a través éstas. La fuerza motriz es una diferencia de potencial químico o un gradiente de concentraciones, la técnica se denomina diálisis; si el impulso lo produce una corriente eléctrica, la separación de partículas se hará por electrodiálisis, y si la responsable de la separación es una diferencia de presión, entonces la técnica utilizada será la microfiltración, ultrafiltración, nano filtración o osmosis inversa en función del tamaño de la partícula a separar

OSMOSIS INVERSA Definición La osmosis es un proceso basado en el principio de la difusión, pero con la diferencia que las dos soluciones están separadas en dos compartimentos por una membrana semipermeable. La difusión se da cuando dos soluciones entran en contacto, una que contiene una concentración de soluto C1 y otra que contiene una mayor concentración de esta. El fenómeno de la difusión se da cuando la solución qué contiene más soluto se mueve hacia la que contiene menos, mientras que el disolvente se dirige en sentido contrario. La membrana semipermeable tan solo permite la difusión del disolvente de las soluciones, de manera que el soluto (sales) es absorbido por la membrana permitiendo que el agua (disolvente) se difunda a través de la membrana haciendo aumentar el nivel del compartimento que tiene una concentración de sales superior (C2).

Proceso de ósmosis inversa para desalinizar el agua del mar En las instalaciones de una planta desaladora de agua que utiliza como técnica de separación de sales la osmosis inversa, se pueden diferenciar cuatro etapas: 1. Captación del agua de mar. 2. Pre-tratamiento fisicoquímico.

3. Equipos de presión y proceso de osmosis inversa. 4. Post tratamiento del agua producida.

Captación del agua de mar A la hora de escoger unos parámetros para la captación del agua se tendrán en cuenta dos factores, la localización y el caudal de extracción del agua bruta. En función de estos, el agua se puede captar de dos maneras diferentes: Toma cerrada. Toma abierta o superficial. La toma cerrada de agua se pude realizar de dos maneras diferentes: mediante pozos aislados o a partir de una cámara común. Para explotar pozos aislados, hace falta utilizar máquinas de perforación que logren profundidades superiores a los 40metros y a una distancia aproximadamente de 3 km a orillas del mar. La permeabilidad de la cámara deberá ser suficientemente buena como para garantizar el caudal de extracción solicitado. La extracción de agua de los depósitos se efectúa a partir de bombas sumergidas. Cada una deberá estar dimensionada por un caudal que permita aportar agua bruta necesaria para el funcionamiento posterior del proceso de osmosis inversa. Las principales ventajas de la captación de agua para la toma cerrada son las siguientes:  Escasez o nula actividad biológica.  Índices de turbidez y ensuciamiento bajos.  Contenido bajo en oxígeno.  Temperatura estable del agua.

Toma abierta o superficial Los sistemas de toma abierta pueden ser explotados de dos maneras diferentes, mediante una toma de agua superficial o a partir de un emisario submarino. En el primer caso, se extraen caudales mayores que en los sistemas de toma cerrada pero el rendimiento resulta muy bajo ya que el agua de captación se puede ver afectado o bien por la presencia de sólidos en suspensión, por una elevada actividad biológica, o por una sensibilidad importante en la polución de hidrocarburos y una temperatura variable del agua.

Pre-tratamiento fisicoquímico. La principal misión del pre-tratamiento, es suprimir o reducir los atascos que se puedan producir en la membrana, ya que la presencia de sólidos y otros contaminantes, pueden afectar al rendimiento de la planta y aumentar la polarización de la membrana de manera que se incrementaría el conjunto de sales en el agua producto. El pre-tratamiento por el que pasa el agua de mar, puede ser o bien físico o químico.

Se entiende como pre-tratamiento físico el que tiene el objetivo básico de eliminar los sólidos en suspensión que se encuentran en el agua. Se pueden diferenciar tres tipos de pre-tratamiento físico: la filtración, la coagulación-floculación y la decantación. Mientras que los pre-tratamiento químicos, tienen como objetivo eliminar todos aquellos microorganismos y productos que puedan afectar al buen funcionamiento de las membranas. Entre los pretratamiento químicos más utilizados en una desalinizadora de agua figuran: la desinfección, el ajuste del pH y la aplicación de anti incrustante

DESINFECCIÓN: El agua se desinfecta para disminuir su actividad biológica y evitar así que los microorganismos proliferen en la instalación. El desinfectante más utilizado es el hipoclorito de sodio que actúa como un bactericida muy eficiente para intervalos reducidos de pH. ACIDIFICACIÓN: Este proceso evita las incrustaciones de carbonato cálcico en las membranas, reduce la velocidad de oxidación del ión ferroso y disminuye la velocidad de hidrólisis de las membranas. El producto más utilizado es el ácido sulfúrico aunque también se puede utilizar el bisulfito de sodio. COAGULACIÓN: Evita la precipitación sobre las membranas, agrupando las materias coloidales orgánicas e inorgánicas que se encuentran en suspensión en el agua de mar. La agrupación se obtiene gracias a la adición de un reactivo químico, de poli electrolitos o de sales de hierro. Posteriormente, estos flóculos quedan unidos en un lecho filtrante. FILTRACIÓN: En este proceso se hace pasar el agua a través de un filtro multicapas formado por tierra, carbón de antracita, tierra de diatomeas y carbón activo

PROCESO OSMOSIS INVERSA En esta etapa, una o más bombas de alta presión impulsan el agua hacia las membranas que producirán, por el fenómeno de osmosis inversa, las aguas resultantes de este proceso. En términos generales, a partir del agua de alimentación se obtiene entre un 40% y un 45% de agua producto, a la que se le añade una base (hipoclorito sódico) que estabiliza su pH entorno a 7 y además gracias a sus propiedades actúa como desinfectante, convirtiéndola así en agua apta para su uso o consumo. Por otro lado entre un 55% y un 60% del agua impulsada para a convertirse en salmuera, que es el agua con alta concentración de sales que será nuevamente enviada al mar (a través de un emisario submarino por gravedad), u otra área de disposición. Cuando se trata de plantas medianas o grandes se hace pasar esta agua de rechazo por un sistema de turbinas donde se aprovecha su energía residual (presión), disminuyendo así el consumo energético. Hay que recalcar que el agua en las actuales plantas desaladoras puede pasar por una segunda etapa de Osmosis Inversa. El agua resultante pasa a un depósito de almacenaje, donde, de ser necesario, se le añaden minerales de modo que mejore su calidad para el consumo humano según las normas sanitarias vigentes. La particularidad del sistema de desalación con sistema de ósmosis inversa es

que requiere de un suministro constante de energía para evitar la degradación de sus membranas. Por este motivo los sistemas híbridos con base en las energías renovables pudiesen ser la clave para el éxito de este tipo de plantas.

En esta imagen se aprecia el proceso de osmosis inversa. FIGURA1

POST TRATAMIENTO

Eliminación del CO2 libre En el proceso de desgasificación, para disminuir la presencia de dióxido de carbono, se darán las operaciones de desorción-absorción al mismo tiempo. Así, el agua a tratar se empobrecerá de CO2 (desorción) y se enriquecerá en O2 (absorción). Alcalinización Con el procedimiento de aireación del agua desalada se pasa de tener un pH aproximado de 5,5 a valores que oscilan entre 6 y 6,5. Pero aun así, se necesita aumentar aún más el pH para contrarrestar el pretratamiento de acidificación y obtener valores comprendidos entre 7,2 y 7,6. Para ello se utilizará NaOH diluido al 0,1%. La presencia de este agente provoca que aumente la concentración de iones OH - , con lo cual, se producirá una neutralización de la acidez. Pasivación Las sustancias inhibidoras de la corrosión no actúan sobre los compuestos químicos del agua, sino que basan su poder de inhibición en la formación de pares electrolíticos que se forman en el metal constituyendo así una fina película protectora que suprime el contacto metal-agua, evitando así la corrosión. Los inhibidores de la corrosión deben cumplir dos premisas fundamentales: - Que no contengan ningún elemento tóxico. Que sean eficaces en pequeñas dosis, aunque su contenido en el agua sea bajo. El aditivo más utilizado es el polifosfato sódico a base de fosfato-zinc. Post-cloración Antes del uso final, el agua se almacena en un depósito de forma que existe riesgo de que se vuelva a contaminar de nuevo. Es por ello, que hay que desinfectar el agua de nuevo, para ello, se pueden seguir tres posibles procedimientos: Gas cloro: Es muy utilizado por su bajo coste se emplea cuando se tratan grandes caudales. Hipoclorito de sodio: Es el procedimiento más barato tan de implantación como de funcionamiento. Hipoclorito de calcio: Aporta calcio que sirve para elevar el contenido de este elemento en el agua producto.

Fuentes alternativas de energía

Energía Solar Fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es una de las energías alternativas más utilizadas en el proceso de ósmosis inversa. Se obtiene a partir de la conversión de energía luminosa del sol, mediante la transformación de esta en electricidad a través de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Esta electricidad se utiliza de manera directa, o bien se almacena en acumuladores para un uso posterior. Los componentes para un sistema aislado de energía fotovoltaica, como el sistema implementado en el proyecto, posee los siguientes componentes: a.- Módulos fotovoltaicos: Dispositivos que captan la energía solar y la transforman en energía eléctrica. b.- Regulador de carga: Controlador del proceso de carga de energía en los acumuladores, y protector de excesos de carga y de su descarga por exceso de uso. c.- Sistema de acumulación: Dispositivo o dispositivos que almacenan la energía eléctrica producida por el generador fotovoltaico, a fin de poder utilizar esta en períodos en el que la demanda exceda la capacidad de producción de los módulos fotovoltaicos. d.- Inversor o acondicionador de la energía eléctrica: Es la componente del sistema encargada de transformar la corriente continua producida por el generador fotovoltaico o el sistema de acumulación, en corriente alterna, la que es entregada a los dispositivos de distribución o uso final de la energía producida. e.- Elementos de protección del circuito: Dispositivos que protegen la descarga y derivación de elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga.

FIGURA2

Impactos ambientales en la desalinización del agua de mar

En todos los procesos de desalinización, estas generan una corriente de producto de baja salinidad y una corriente concentrada de alta salinidad. La eliminación del concentrado, o en los basureros, es el impacto ambiental más significativo para las instalaciones de desalinización. La composición de la corriente de concentrado varía drásticamente, de acuerdo con el proceso de desalinización usado. Por lo tanto, el impacto ambiental del concentrado también varía significativamente. La industria de la desalación tiene una larga historia de las operaciones ambientalmente seguros. Sin embargo, en algunas partes del mundo, en particular en los EE.UU, la regulación de la eliminación de concentrado puede ser un factor importante para los usuarios potenciales de desalinización. En la "Conferencia Europea de Desalación y el medio ambiente" que se centra principalmente en el efecto de la eliminación de concentrado en el medio ambiente. Esta conferencia dice que la calidad de la corriente de agua concentrada depende de:      

La calidad del agua de la fuente de alimentación Los aditivos químicos en el pre-tratamientos, como ácidos, la cloración, entre otros Recuperación de agua Temperatura Productos químicos en el post-tratamiento La cantidad de mezcla de concentrado

El agua de alimentación es típicamente tratada previamente con productos químicos para el control de escalado, ensuciamiento y corrosión del equipo interno. Estos productos químicos están presentes en bajos niveles relativamente, por lo general menos de 10 miligramos por litro.

Opciones a la eliminación del concentrado Se utilizan varios métodos para deshacerse de las corrientes de concentrado. Drenaje superficial es el método más frecuente de tratamiento utilizado para las plantas de aguas salobres y es el método de eliminación de casi todas las plantas de agua de mar. Drenaje superficial incluiría la descarga de aguas de superficie aguas, tales como el mar, un río o arroyo, o hasta el final del efluente de una depuradora de aguas residuales de plantas. Las opciones de eliminación de efluentes para la eliminación de concentrado que se han utilizado son:

-

Drenaje superficial

-

Eliminación de la parte delantera de una planta de tratamiento de aguas residuales para su procesamiento Inyección en pozos profundos Aplicación al suelo Estanques de evaporación Estanques de procesamiento de sal

PROTOCOLO EXPERIMENTAL

1.Verificar que las válvulas V1, V3, V4, V5, V6, V8 y V9 se hallen cerradas 2. IMPORTANTE: Abrir las válvulas V2 y V7 3. Verificar que el equipo esté enchufado 4. Abrir el tablero y desbloquear el botón de emergencia. 5. Encender el interruptor general de la planta, accionar la planta 6. Verificar que el interruptor AUT/PC se encuentra en la posición AUT 7. MUY IMPORTANTE: Abrir el aire que se halla detrás del tablero. De otro modo no se podrá accionar las válvulas neumáticas.

Metodología - Desarrollar un protocolo experimental sencillo. - Realizar un estudio evaluativo de las plantas. - Comparar resultados de la literatura entre plantas industriales y resultados experimentales de nuestra planta piloto. - Revisión bibliográfica a realizar.

RESULTADOS

Solución inicial de la alimentación –agua del grifo – 510 µS/cm

Caudal Permeado(l/h) vs Presión(bar) 250 200 150 100 50 0 8

10

12

13

16

19

21

23

25

27

30

33

35

FIGURA3

Solución inicial de NaCl de la alimentación : 10gr/L - 13830µS/cm

Recuperación (%) vs Presión(bar) 14 f(x) = 0.45x - 2.87 R² = 0.99

12 10

Recuperación (%)

8

Linear (Recuperación (%))

6 4 2 0 10

15

20

25

30

35

40

FIGURA4

Comparación entre la conductividad del agua de grifo y el agua destilada

TABLA3

DISCUSIONES

 



Se puede apreciar como la conductividad cuando le hacemos la destilación al agua destilada, disminuye considerablemente. En otro cuadro se aprecia, a medida que aumenta la recuperación hasta un límite que la conductividad llega a no variar, esto se debe a que en la membrana se forma una película de polarización, haciendo que la conductividad no disminuya considerablemente Para el primer cuadro, pudimos notar como el agua de grifo puede disminuir considerablemente su conductividad

Conclusiones     

El porcentaje de recuperación es relativamente bajo debido a la polarización de concentración. Es conveniente trabajar con presiones altas, si se desea obtener mayores cantidades de agua recuperada. Se debe aplicar una presión mínima de 10bar para obtener un caudal de recuperación. A presiones altas el valor de la conductividad es menor. En la experiencia para el agua de grifo se obtuvo una purificación mayor utilizando la destilación (0.96 µS/cm )comparado con la ósmosis inversa (8 µS/cm a 35bar ), no obstante este proceso requiere una mayor cantidad de energía. de recuperación es relativamente bajo debido a la polarización de concentración.

BIBLIOGRAFIA • Manuel Latorre, “COSTES ECONÓMICOS Y MEDIOAMBIENTALES DE LA DESALACIÓN DE AGUA DE MAR”. Tortosa 2004, pp 2-7 • Lauren F. Greenleea , Desmond F. Lawlerb , Benny D. Freemana , Benoit Marrotc , Philippe Moulinc, “Reverse osmosis desalination: Water sources, technology, and today’s challenges”, 2009 , pp 2340-2342 • Asociación Internacional de Desalación (DA). Desalination “handbook” ,2008-2009. • Fundación Desarrollo Sostenible (28 agosto, 2015). Nace en Murcia la campaña nacional " Riega con el sol”. Disponible: www.fundaciondesarrollosostenible.org/naceen-murcia-la-campana-nacional-riega-con-el-sol/ • Pere Estupinya (20 de octubre de 2010). Energía solar para desalinizar agua. Disponible: blogs.elpais.com/apuntes-cientificos-mit/2010/10/energía-solar-paradesalinizar-agua-respuesta-al-cambio-climático-en-la-isla-de-bequia.html • Disponible en :www.prodes-project.org/index.php@id=105.html