¿Cómo prevenir la contaminación y la incrustación en los sistemas de ósmosis inversa? Comprender el impacto de la polarización de concentración

Polarización de concentración (CP)

La polarización de concentración se refiere a los efectos adversos causados por la acumulación continua de solutos en la superficie de la membrana, lo que afecta el rendimiento de la membrana. A medida que el agua atraviesa la membrana, la solución de alimentación (que contiene agua y solutos) se transporta a la superficie de la membrana. Cuando el agua purificada pasa a través de la membrana, los solutos se acumulan cerca de la superficie de la membrana. ① En la filtración por membrana, las partículas entran en contacto con la membrana y forman una capa de torta de filtración. ② Debido al distinto mecanismo de eliminación de la ósmosis inversa (RO), los solutos en la solución forman una capa límite de alta concentración en la superficie de la membrana. Esto da como resultado una polarización de la concentración, lo que hace que la concentración del soluto en la superficie de la membrana sea mayor que la de la solución a granel dentro del canal de alimentación.

Efectos adversos de la polarización de concentración en el rendimiento de RO
① La alta concentración de soluto en la superficie de la membrana aumenta el gradiente de presión osmótica, reduciendo el flujo de agua.
② Los gradientes de concentración elevados y el flujo de agua reducido mejoran la transferencia de masa de soluto a través de la membrana, lo que reduce las tasas de rechazo.
③ Se pueden exceder los límites de solubilidad de los solutos, lo que provoca precipitación e incrustaciones.

Ensuciamiento e incrustaciones en ósmosis inversa

Las membranas de nanofiltración (NF) y RO son susceptibles de ensuciarse a través de varios mecanismos. Las fuentes principales de incrustaciones e incrustaciones incluyen partículas, precipitación de sales inorgánicas insolubles, oxidación de metales solubles y sustancias biológicas.

1. Incrustaciones de partículas

Los ciclos de operación de RO no incluyen el retrolavado para eliminar las partículas acumuladas (de hecho, el retrolavado puede causar la deslaminación de la capa activa de la capa de soporte en membranas compuestas de película delgada). La contaminación por partículas es una preocupación importante en los sistemas de ósmosis inversa. Casi todos los sistemas de ósmosis inversa requieren un tratamiento previo para minimizar la contaminación por partículas, ya que las partículas residuales afectan la eficiencia de la limpieza.

Las sustancias inorgánicas y orgánicas, incluidos los componentes microbianos y los desechos biológicos, pueden provocar incrustaciones de partículas, lo que provoca obstrucciones y formación de torta de filtración. El bloqueo se produce cuando partículas grandes de la solución de alimentación quedan atrapadas en los canales y tuberías de alimentación. El pretratamiento de la solución de alimentación mediante prefiltración puede reducir la obstrucción. Los fabricantes de membranas de ósmosis inversa recomiendan el uso de filtros de cartucho de 5 μm como paso mínimo de pretratamiento para proteger los módulos de membrana.

Las partículas forman una capa de torta de filtración en la superficie de la membrana, lo que aumenta la resistencia hidráulica y afecta el rendimiento del sistema. El agua de alimentación propensa a la contaminación por partículas requiere un tratamiento previo avanzado para reducir las concentraciones de partículas a niveles aceptables. Como métodos de pretratamiento se emplean la coagulación, la filtración (usando arena, carbón u otros medios) y, a veces, la microfiltración (MF) o la ultrafiltración (UF).

2.Precipitación y escalamiento de sales inorgánicas
La incrustación inorgánica ocurre cuando las sales en la solución exceden sus límites de solubilidad y precipitan. La precipitación ocurre cuando los iones que constituyen estas sales se concentran más allá de sus productos de solubilidad, particularmente en áreas de alta concentración cerca de la superficie de la membrana, lo que exacerba la polarización de la concentración. Las incrustaciones inorgánicas en la superficie de la membrana reducen la permeabilidad al agua o causan daños irreversibles a la membrana.

En ausencia de pretratamiento, se debe evitar la precipitación minimizando la polarización de la concentración, limitando la tasa de rechazo de sal o la tasa de recuperación. La polarización de la concentración se puede reducir mejorando el flujo turbulento en los canales de alimentación y manteniendo velocidades de flujo mínimas especificadas por los fabricantes de equipos. Limitar las tasas de rechazo de sal no es práctico debido a objetivos de ingeniería contradictorios, pero a menudo es necesario restringir las tasas de recuperación para evitar la precipitación. La tasa de recuperación máxima permitida antes de que ocurra la precipitación de sal se define como la tasa de recuperación permitida, y la sal que inicia la precipitación se denomina "sal crítica". Las incrustaciones comunes en las aplicaciones de tratamiento de agua incluyen carbonato de calcio (CaCO₃) y sulfato de calcio (CaSO₄).

El pretratamiento es esencial para todos los sistemas prácticos de RO para evitar la formación de incrustaciones debido a sales poco solubles. La precipitación de carbonato de calcio es frecuente, por lo que la mayoría de los sistemas requieren un tratamiento previo para este compuesto. La acidificación de la solución de alimentación para ajustar el pH convierte los iones de carbonato en bicarbonato y dióxido de carbono, evitando la precipitación de CaCO₃. Comúnmente se usan ácidos sulfúrico y clorhídrico, aunque el ácido sulfúrico puede aumentar las concentraciones de sulfato, lo que provoca incrustaciones de sulfato. La mayoría de las soluciones de alimentación de ósmosis inversa se ajustan a un pH de 5,5 a 6,0, donde la mayoría de los carbonatos existen como CO₂ y atraviesan la membrana.

La incrustación de otras sales críticas generalmente se evita utilizando inhibidores de incrustación. Estos inhibidores previenen la formación y el crecimiento de cristales, suprimiendo la precipitación incluso en condiciones sobresaturadas. El grado permitido de sobresaturación depende de las propiedades del inhibidor, a menudo patentadas y específicas de las configuraciones del equipo. La selección de inhibidores apropiados debe seguir las recomendaciones del fabricante del inhibidor y del equipo, con un análisis del agua de alimentación y un diseño de tasa de recuperación específicos del sitio.

Más allá de la acidificación y los inhibidores, las instalaciones modernas incorporan medidas para reducir los volúmenes de aguas residuales concentradas y mejorar la recuperación de agua, mitigando aún más las incrustaciones.

3. Incrustaciones de óxido metálico
El agua subterránea, una fuente común de alimentación de RO/NF, suele ser anaeróbica. Los compuestos de hierro y manganeso disueltos se oxidan y precipitan cuando los oxidantes ingresan a la solución de alimentación, ensuciando las membranas. La incrustación de hierro es más frecuente y ocurre rápidamente con la entrada de aire. La oxidación o eliminación de hierro/manganeso oxidado puede prevenir la contaminación. Para concentraciones bajas de hierro, basta con impedir la entrada de aire; Los inhibidores de incrustaciones a menudo incluyen aditivos para mitigar las incrustaciones de hierro en baja concentración. El pretratamiento del hierro implica oxidación con oxígeno o cloro, seguida de mezcla, tiempo de retención hidráulica adecuado y oxidación-filtración en medios granulares o filtros de membrana. Cuando se utilizan oxidantes, se debe evitar el contacto con membranas, especialmente poliamida o materiales sensibles a la oxidación. Los limpiadores comerciales y los protocolos de limpieza pueden eliminar los depósitos de hierro de las membranas de ósmosis inversa.

Otro componente del agua subterránea anaeróbica es el sulfuro de hidrógeno (H₂S). La entrada de aire oxida el H₂S a azufre coloidal, lo que ensucia las membranas. Al igual que con la oxidación del hierro, prevenir la entrada de aire es fundamental para evitar la contaminación por azufre. Los depósitos de azufre en las membranas suelen ser irreversibles.

4. Incrustaciones biológicas
El ensuciamiento biológico se refiere a la adhesión o crecimiento de microorganismos o sustancias solubles extracelulares en la superficie de la membrana o dentro de los canales de alimentación. Común en los sistemas de OI, degrada el rendimiento al reducir el flujo, disminuir las tasas de rechazo, aumentar la caída de presión entre los módulos, contaminar el permeado, degradar los materiales de las membranas y acortar la vida útil de las membranas.

La contaminación biológica se puede prevenir manteniendo condiciones operativas óptimas, aplicando biocidas y lavando periódicamente los módulos de membrana inactivos. Muchas soluciones de alimentación RO/NF (normalmente agua subterránea) tienen cargas microbianas bajas. El funcionamiento adecuado garantiza que las fuerzas de corte en los canales de alimentación eviten la acumulación bacteriana excesiva. Sin embargo, los microbios proliferan rápidamente durante los períodos de inactividad. Para mitigar esto, es necesario lavar periódicamente con permeado o agregar biocidas durante las paradas. Las soluciones de cloro dentro de los límites recomendados sirven como biocidas para las membranas de acetato de celulosa, pero las membranas de poliamida, susceptibles a la degradación del cloro, requieren alternativas como el bisulfito de sodio.

Para las membranas de acetato de celulosa, se puede utilizar cloración continua en concentraciones controladas. Para membranas de poliamida, se puede emplear irradiación ultravioleta, cloraminación o decloración posterior a la cloración.

Conclusión
El pretratamiento es fundamental para prevenir incrustaciones y incrustaciones. Los métodos comunes incluyen inhibidores de acidificación e incrustaciones para prevenir la precipitación de sal y filtración para bloquear las partículas. Es posible que las fuentes de agua de alimentación limpia (por ejemplo, agua subterránea) solo requieran filtración con cartucho antes que las unidades de membrana, mientras que las tomas de agua superficial requieren métodos de filtración avanzados, que incluyen coagulación, floculación, sedimentación y filtración granular o de membrana. Dado que el rendimiento de la membrana depende de la eficacia del pretratamiento, la selección y el diseño adecuados de los trenes de pretratamiento son esenciales.