tratamiento de aguas de producción con electrodiálisis

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN
CON ELECTRODIÁLISIS
Trabajo de Grado presentado ante la Escuela de Ingeniería Química como requisito parcial
para optar al Título de Ingeniero Químico.
Trabajo de Grado presentado por:
Isrrael F. Medina Roa
Profesor Asesor:
Dr. Antonio L. Cárdenas R.
Mérida, Octubre 2007
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN
CON ELECTRODIÁLISIS
Trabajo de Grado presentado ante la Escuela de Ingeniería Química como requisito parcial
para optar al Título de Ingeniero Químico.
Trabajo de Grado presentado por:
Isrrael F. Medina Roa
Profesor Asesor:
Dr. Antonio L. Cárdenas R.
Mérida, Octubre 2007
DERECHO DE AUTOR
Otorgo a la Universidad de Los Andes el derecho de reproducir y difundir el presente
Trabajo, con las únicas limitaciones que establece la legislación vigente en materia de
Derechos de Autor.
En la ciudad de Mérida a los ____ Días del mes de Octubre de 2007
Isrrael Fernando Medina Roa
C.I 16.420.815
APROBACIÓN
Considero que el Trabajo de Grado titulado
TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN CON
ELECTRODIÁLISIS
Realizado por el Ciudadano
ISRRAEL FERNANDO MEDINA ROA
Para optar al título de
INGENIERO QUÍMICO
Reúne los requisitos exigidos por la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de
Los Andes, y tiene méritos suficientes para ser sometido a la presentación y revisión
exhaustiva por parte del Jurado Examinador que se designe.
En la ciudad de Mérida, a los ____ días del mes de Octubre de 2007
Dr. Antonio L. Cárdenas R
Profesor Asesor
ACTA DE VEREDICTO
Nosotros, los abajo firmantes, constituidos como Jurado Examinador, y reunidos en Mérida
el día______de Octubre de 2007, con el propósito de evaluar el Trabajo de Grado titulado:
TRATAMIENTO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN CON
ELECTRODIÁLISIS
Presentado por el ciudadano
ISRRAEL FERNANDO MEDINA ROA
Como requisito parcial para optar al Título de
INGENIERO QUÍMICO
Emitimos el siguiente veredicto:
APROBADO
REPROBADO
Nota definitiva: (en letras) ______________________________ ( _____ puntos)
OBSERVACIONES:
_________________________________________________________________________
___________________________________________________________________
En la ciudad de Mérida, a los ____ días del mes de Octubre de 2007
____________________
_____________________
Prof. Antonio L. Cárdenas Prof. Leonardo Rennola
ASESOR
JURADO
_____________________
Prof. María E. Méndez
JURADO
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron con la
elaboración de este proyecto.
Principalmente a Dios todo poderoso, su presencia en todo momento de mi carrera fue vital,
todo sucede por su voluntad.
Al Prof. Antonio Cardenas por incentivar en mí los valores de iniciativa y esfuerzo propio,
además de todo el desarrollo intelectual y profesional adquirido por haberme iniciado en la
elaboración de este trabajo.
Al ingeniero Franklin Salazar, Julio Hernández, Yajaira Araque y a todo el laboratorio de
Membranas, Separación y Síntesis Industrial, por todo el conocimiento teórico y técnico
brindado, y por siempre colaborar incondicionalmente conmigo. En especial en las pruebas
de adsorción atómica su colaboración fue vital para la culminación de este proyecto.
Gracias.
Al laboratorio investigación de Alimentos y en especial al Prof. Cesar Izaguirre por toda su
colaboración en el inicio del proyecto, de verdad me ayudaron a comprender y comenzar
con mucho ánimo toda la investigación.
Al CDCHT por la ayuda económica brindada para la elaboración de todo el trabajo.
A todos mis compañeros y amigos del Laboratorio de Membranas, que a pesar de que cada
uno estaba realizando un proyecto distinto, siempre nos acompañamos unos a otros en todo
momento, gracias a ti Armando León, Miguel Acosta, Ana Skieriswiki, Bianca Hernández,
Sergio Monsalve, Elio Moreno, Ingrid Hoeguer y Betsabe Aguilera, les auguro todos los
éxitos como profesionales, nos vemos en la vida.
A Celimar, por estar siempre allí a mi lado, brindándome el apoyo siempre necesario, de
verdad que tu presencia ha sido de gran importancia, gracias este trabajo tiene parte de ti.
A mi hermana Mafer y mi buena amiga Mine, también hay muchos de ustedes acá.
Y por supuesto a mis padres, este trabajo también es por ellos y para ellos, siempre su
presencia a pesar de las distancia me mantuvo en el camino hacia esa meta trazada, la
inspiración de trabajo duro, constante, ético y dedicado viene total mente de ustedes.
A todos Ustedes, Muchísimas Gracias y que Dios los bendiga.
Isrrael F. Medina R.
RESUMEN.
En la explotación de un pozo petrolero, junto con el crudo son extraídas a la
superficie grandes cantidades de agua que están en el yacimiento (Aguas de Producción),
muchas veces las cantidades de agua obtenidas con la explotación del petróleo superan los
ocho barriles por cada barril de petróleo extraído, y dichas aguas pueden en muchos casos
tener altas concentraciones de sales, entre ellas los cloruros. Estas aguas para poder ser
reutilizadas en la inyección de pozo o devueltas al ambiente como líquido residual
industrial deben ser tratadas y su concentración en cloruros llevadas a niveles menores a
1000 ppm si se desechan a cuerpos de agua como lagos, ríos o mares (según decreto 883).
El presente trabajo propone usar el proceso de electrodiálisis para disminuir la
salinidad de las aguas de producción. Este proceso permite separar iones de corrientes
tratadas mediante la aplicación de un campo eléctrico y membranas de intercambio iónico.
Se estudió la desalinización de soluciones preparadas llamadas Agua Sintética y Agua
Sintética 2, una con baja y la otra con alta concentración de sales, similares a las aguas de
producción de los pozos de La Victoria del estado Apure; con un equipo piloto de
electrodiálisis modelo CH-O fabricado por Asahi Glass Co. aplicando gradientes de
potencial de 30 V. También se realizaron pruebas con una muestra de agua de producción
de los pozos de La Victoria. Se constató la disminución de la salinidad de las soluciones
logrando concentraciones de hasta 14 ppm de Cl-. También se estudió el efecto de la
velocidad del flujo en las aguas tratadas y el efecto de la concentración inicial en esta agua,
encontrándose que favorece el aumento de la velocidad en la reducción de las
concentraciones de cloruros, de igual manera se evaluó el traspaso de los cationes presentes
en solución, observándose que siguen un orden de transferencia (desde el mas rápido al mas
lento) K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+ en todos los casos inclusive en las aguas de producción. El
consumo de energía para la electrodiálisis de la solución sintética fue calculado,
encontrándose que fue de 36 W·h/l aproximadamente para las aguas sintéticas y de 34
W·h/l para el agua de producción. Los porcentajes de reducción logrados fueron en la
mayoría de los casos del 99 % para todos los iones. Estos resultados sugieren que la
electrodiálisis es un proceso que debe ser considerado en el tratamiento de aguas a las
cuáles se les deben disminuir la concentración de iones, en este caso particular, de los
cloruros.
i
ÍNDICE.
Pág.
i
ii
iv
v
1
3
Resumen
Índice
Lista de Tablas
Lista de Figuras
Introducción
Objetivos
Capitulo I Membranas.
1.1 Membranas Artificiales
1.2 Historia de las Membranas
1.3 Tipos de Membranas
1.3.1 Según su naturaleza química
1.3.2 Según su Forma y su Función
1.3.3 Según el Tipo de Modulo
1.4 Separación con Membranas.
1.4.1 Procesos que Utilizan Gradiente de Presión
1.4.2 Procesos que Utilizan Gradiente de Concentración
1.4.3 Procesos que Utilizan Gradiente de Potencial Eléctrico
4
4
5
7
7
8
11
13
14
17
18
Capitulo II La Electrodiálisis
2.1 Desarrollo Histórico de la Electrodiálisis
2.2 Principios de la Electrodiálisis
2.3 Membranas de Intercambio Iónico
2.3.1 Clasificación de las Membranas de Intercambio Iónico
2.3.1.1 Clasificación según su Estructura Física
2.3.1.2 Clasificación según su Capacidad de Intercambio
2.3.1.3 Clasificación según su Estructura Química
20
20
21
25
28
28
29
29
2.4 Polarización
2.4.1 Determinación de la Corriente Límite
2.5 Componentes Básicos del Módulo de Electrodiálisis
2.5.1 Electrodos
2.5.2 Membranas
2.5.3 Espaciadores
2.5.4 Juntas
32
37
38
39
40
40
41
2.6 Aplicaciones de la Electrodiálisis
2.6.1 Producción de Salmuera
2.6.2 Desalinización de Agua
2.6.3 Desmineralización de Suero Lácteo
2.6.4 Recuperación de Productos Químicos
2.6.5 Separación de Amino Ácidos
2.6.6 Recuperación de Sales Metálicas en Procesos de Recubrimiento Galvánico
2.6.7 Recuperación de ácidos Minerales y Metales Pesados
2.6.8 Electrodiálisis con Membranas Bipolares
42
42
42
43
43
44
44
44
44
ii
Capitulo III El Recurso del Agua
3.1 Disponibilidad de Agua en el Planeta
3.2 Las Aguas Residuales
3.2.1 Desechos Líquidos Municipales
3.2.2 Desechos Líquidos Agroindustriales
3.2.3 Desechos Líquidos Industriales
3.3 Características de las Aguas Residuales
3.3.1 Características Físicas
3.3.2 Características Químicas
3.3.3 Características Biológicas
45
46
47
48
48
49
50
50
51
53
3.4 Tratamientos de Aguas Residuales
3.4.1 Pretratamiento
3.4.2 Tratamiento Primario
3.4.3 Tratamiento Secundario
3.4.4 Tratamiento Químico
3.4.5 Tratamientos avanzados de las Aguas Residuales
54
54
54
54
54
55
3.5 Electrodiálisis en el Tratamiento avanzado de Aguas Residuales
3.6 Las Aguas de Producción
3.6.1 El Impacto en el ambiente
56
57
58
3.7 Legislación Ambiental
62
Capitulo IV Antecedentes.
64
Capitulo V Metodología Experimental.
5.1 Materiales y Equipos Usados.
5.2 Reactivos.
5.3 Metodología
5.3.1 Preparación de soluciones de NaCl y de Agua Sintética
5.3.2 Pruebas de desalación de las soluciones de NaCl en el electrodializador
5.3.3 Pruebas de desalación de Aguas sintéticas en el electrodializador
5.3.4 Filtración previa de las Aguas de Producción
5.3.5 Pruebas de desalado de Agua Producción en el Electrodiálizador
5.3.6 Determinación de Cloruros por el método de Mohr
5.3.7 Determinación de metales por Absorción atómica
65
65
69
70
70
73
75
77
78
80
82
Capitulo VI Resultados y discusiones
6.1 Resultados de la primera fase del Proyecto
6.2 Pruebas con Aguas Sintéticas y Agua de Producción
6.3 Consumo de energía
85
85
88
101
Conclusiones
Recomendaciones
Bibliografía
Anexos
105
107
108
110
iii
LISTA DE TABLAS
Tabla
Pág.
2.1
Membranas heterogéneas de electrodiálisis.
30
2.2
Membranas Homogéneas de electrodiálisis.
31
3.1
Datos típicos de aplicación para operaciones y procesos de tratamiento
avanzado de aguas residuales
55
3.2
Comparación de los sistemas de Osmosis Inversa y Electrodiálisis
57
5.1
Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de
producción “Agua Sintética”.
71
5.2
Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de
producción al doble de su concentración “Agua Sintética 2”.
71
5.3
Cantidades para preparar las soluciones madres para los ensayos de
Potasio, Magnesio y Calcio por absorción atómica.
72
5.4
Experiencias realizadas en la primera fase del proyecto.
75
5.5
Experiencias realizadas en la segunda fase del proyecto
77
5.6
Experiencias realizadas en la trecera fase del proyecto.
80
6.1
Porcentaje de Reducción en la concentración de cloruros en las pruebas
realizadas
90
6.2
Porcentaje de Reducción de cationes en las pruebas realizadas.
98
6.3
Valores de Consumo energético calculado para las distintas corridas
103
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6.10
6.11
6.12
6.13
6.14
6.15
6.16
6.17
6.18
Membrana porosa y Membrana mixta.
Módulo plano
Esquema del Módulo Tubular
Esquema del Módulo de Fibras Huecas
Representación de un proceso de electrodiálisis
Esquema de un módulo de Electrodiálisis de celdas de dos compartimientos
Esquema de una membrana de intercambio catiónico y de su mecanismo de transporte
de los cationes desde la disolución A a la B bajo la acción de un campo eléctrico
Gradientes de concentración en la interfase membrana-disolución, bajo el efecto de un
campo eléctrico. MA y MC
Esquema de un módulo de Electrodiálisis
Diferentes tipos de espaciadores
Unidad a gran escala para la desalación de agua de mar
Buretas usadas
Conductimetro
Equipo de filtración para aguas de producción
Balanza Digital
Equipo de Absorción Atómica SpectraAA 55B
Imágenes del Electrodiálizador usado para la experiencia.
Esquema del los circuitos hidráulicos del electrodiálizador CH-O
Equipo de Filtración
Filtración del Agua de Producción
Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 30V
Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 15V
Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado (a) y diluido (b) a 30V y 15 V
Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado y Agua Sintética (a) y Agua
Sintética 2 (b)
Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética a 200 l/h
Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética a diferentes
velocidades de flujo
Concentración de cloruros vs el tiempo para la prueba de Agua Sintética 2 a diferentes
velocidades de flujo
Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 100 l/h
Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 200 l/h
Porcentaje de reducción de la concentración de cloruro en las aguas tratadas a 300 l/h
Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba de
Agua Sintética a diferentes velocidades de flujo
Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba de
Agua Sintética 2 a diferentes velocidades de flujo.
Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para cada catión
Diferencia apreciable entre la turbidez de un agua sintética de alta concentración de
sales antes de ser tratada y luego de ser
Concentración de cloruros en la corriente de agua de producción y la corriente
Concentrado para la prueba realizada a 200 l/h.
Porcentaje de reducción de la concentración de cationes Vs el tiempo para la prueba
con Agua de Producción de La Victoria
Variación del amperaje a través del tiempo para diferentes velocidades de flujo.
Consumo energético de cada una de las pruebas en W·h/l
Pág.
10
11
12
13
22
23
27
33
39
41
43
65
66
66
67
67
68
69
78
78
85
86
87
89
89
91
92
93
93
93
94
96
97
98
99
100
102
104
v
Introducción.
INTRODUCCIÓN.
Hasta los años sesenta del siglo XX, la descarga de residuos líquidos en muchos
ríos, lagos y mares no modificó irreversiblemente las propiedades naturales del medio
ambiente, debido a que la cantidad y concentración de contaminantes en estos desechos
líquidos vertidos era inferior a la capacidad natural de autopurificación del medio. Luego
como consecuencia de una explosión demográfica e industrial el exceso de material
contaminante vertido a la naturaleza ha sobrepasado la capacidad natural de purificación de
los cuerpos de agua receptores.
La explotación petrolera es una de las actividades que ha incrementado sus
operaciones por diferentes partes del mundo, llegando a lugares antes no afectados por el
hombre; junto con el crecimiento de esta industria se ha dado el crecimiento de la
contaminación de los nuevos lugares de producción petrolera y entre los responsables de
dicha contaminación encontramos las Aguas de Producción.
Las aguas de producción son aguas asociadas a la extracción petrolera, dichas aguas
se encuentran en el mismo yacimiento donde se encuentra el crudo, y son extraídas junto
con el, en algunos casos la proporción es de 4 barriles de agua por barril de petróleo, y esto
genera un inconveniente ya que la reutilización de estas aguas en la inyección de pozo o la
disposición en el ambiente debe realizarse cumpliendo normas ambientales a favor alterar
lo menos posible el entorno ambiental de estos pozos. El interés del tratamiento de esta
agua sigue creciendo, y más aún en nuestro país, ya que la empresa estatal petrolera
(Petróleos de Venezuela) ha demostrado en diversas ocasiones la preocupación por este
tema. En la zona de producción Barinas – Apure, estas aguas están constituidas
principalmente por sales y metales pesados, en muchos casos los niveles de salinidad
superan los 1000 ppm de cloruro que es el nivel máximo permitido por las normas
ambiéntales para el vertido de residuos líquidos en cuerpos de agua.
La electrodiálisis es un proceso de separación que utiliza membranas selectivas a los
iones, lo que hace una excelente técnica para la separación y recuperación de electrolitos.
1
Introducción.
Esta técnica tiene múltiples aplicaciones en la industria química, como la desmineralización
de agua salada, recuperación de metales de efluentes contaminantes, separación de
aminoácidos y recuperación de reactivos, entre otras.
En el laboratorio de separación y síntesis industrial (laboratorio de membranas) de
la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes se ha comprobado la eficacia de
este proceso para la desmineralización y la eliminación del ácido lácteo del suero lácteo
producido en la elaboración de queso.
Para disminuir la salinidad del agua de producción se utilizó un equipo piloto de
electrodiálisis. En este caso se estudió también, la cantidad de energía requerida para lograr
la separación de cloruros y la concentración de sales a los que se puede llegar en la
corriente de concentrado y diluido. También se estudió el efecto de de la velocidad del flujo
y de la concentración inicial de sales.
Este proyecto permitió conocer la factibilidad de utilizar la electrodiálisis en el
tratamiento de aguas de producción de alta salinidad.
El presente trabajo esta constituido por una revisión bibliográfica en el capitulo I
sobre las membranas, en el capitulo II información acerca del proceso de electrodiálisis, el
capitulo III estudia la problemática de los Residuos Líquidos y la importancia del recurso
del Agua, la fase experimental llevada a cabo en el proyecto se muestra en el Capitulo IV y
el análisis de los resultados obtenidos en el capitulo V, por ultimo están las conclusiones y
la referencias que fueron consultadas para la revisión bibliográfica.
2
Objetivos.
OBJETIVO GENERAL.
Estudiar el proceso de electrodiálisis como método factible para disminuir la salinidad
de las aguas de producción.
OJETIVOS ESPECÍFICOS.
Estudiar la desalación de las aguas sintéticas preparadas en el laboratorio, similares a
las encontradas en los pozos de La Victoria Estado Apure.
Evaluar el efecto de la velocidad del flujo en el proceso de desalación de las aguas
tratadas.
Evaluar el efecto de la concentración inicial de las aguas tratadas sobre el proceso de
desalación, evaluando aguas sintéticas de baja y alta concentración de sales.
Estudiar el comportamiento de los cationes presentes en las soluciones tratadas a las
diferentes condiciones de velocidad y concentración, y evaluar el orden de
transferencia de estos cationes.
Estudiar la desalación con una muestra de Agua de Producción de los pozos de La
Victoria, estado Apure.
Estimar el consumo energético del proceso a las diferentes condiones.
3
Capitulo I Membranas.
CAPITULO I
MEMBRANAS.
Según el diccionario se define como una membrana a toda piel delgada que sirve de
interfase con una permeabilidad selectiva, dichas membranas tienen la función de envolver,
aislar o delimitar determinadas estructuras; pero la función que es el caso de estudio, es esa
permeabilidad selectiva que limita el transporte de ciertas especies químicas (moleculares o
iones) y/o de partículas de forma muy definidas. Antes de continuar con la descripción de las
membranas, es importante señalar que existen las membranas naturales, aquellas creadas por
la naturaleza y que están operando en procesos biológicos, por ejemplo, las membranas
celulares, que son las que delimitan el citoplasma, mantienen el equilibrio hídrico e iónico de
la célula y colaboran con sus movimientos para apoderarse de partículas nutritivas (1).
Además de las membranas naturales, existen las membranas artificiales, que son todas
aquellas a las cuales el hombre les ha dado un tratamiento (ha modificado) y un uso diferente
al que tenían al ser creadas por la naturaleza y también todas aquellas membranas que han sido
creadas por él, como por ejemplo las membranas sintéticas de polímetros (2).
1.1 Membranas artificiales.
Las membranas artificiales son aquellas que fabrica el hombre. La mayoría de las
membranas artificiales se producen a partir de polímeros, sin embargo, también existen
membranas de materiales inorgánicos, como las metálicas o cerámicas y membranas híbridas,
compuestas por materiales orgánicos e inorgánicos.
Una membrana es una fase semipermeable, que puede ser de naturaleza polimétrica,
inorgánica o mixta, que restringe el paso de ciertas sustancias o especies químicas. Dicha
membrana, o barrera, controla la tasa de transporte de varias especies químicas a través de
ella y al igual que cualquier proceso de separación, genera un producto con baja concentración
de ciertos componentes y un segundo producto enriquecido con dichos componentes. El
funcionamiento de una membrana esta determinado por dos parámetros; el flujo y la retención
4
Capitulo I Membranas.
o selectividad. El flujo o tasa de permeabilidad, es el flujo volumétrico; másico o molar, del
fluido o componentes que pasan a través de la membrana, por unidad de área de la membrana
y por unidad de tiempo. La selectividad determina si dicha membrana es permeable a los
diferentes componentes que conforman la alimentación. La retención se refiere a la fracción
de soluto en la alimentación que es retenido por la membrana (3). Idealmente las membranas
deben poseer alta selectividad y flujo, sin embargo, es difícil encontrar membranas que
cumplan esto, puesto que en general el aumento de unas variables involucra la reducción de
otras (4).
1.2 Historia de las Membranas.
El uso de una interfase para separar y mejorar la calidad de mezclas líquidas es muy
remoto, los procesos de filtración y tamizado son usados desde hace siglos.
Todos los procesos que se realizaron con el fin de separar y mejorar mezclas en la
antigüedad, se hicieron de manera empírica. No es hasta el siglo XVIII que Ph. La Hire (1640
– 1718) reporta que la vejiga de cerdo es más permeable al agua que al alcohol.
En el siglo XVIII el abad A. Nollet (1700 – 1770) estudió el rol de las membranas en el
proceso de la ósmosis. Él dió cuenta de la existencia de una diferencia de presión entre una
solución salina y el agua pura al estar separada por una membrana constituida por una vejiga
de cerdo, es decir, encontró la presión osmótica. Por esa misma época, el biólogo francés René
Dutrochet (1776 – 1847) estudia la influencia de la presión osmótica sobre los procesos
biológicos.
Las membranas como medio de separación son introducidas por el químico escocés
Thomas Grahan (1805 – 1869), cuando en 1854 las utilizó para distinguir a los cristaloides de
los coloides.
Las primeras membranas sintetizadas por el hombre las hace el físico J. Traube (1826 –
1894) al precipitar ferrocianuro de cobre sobre cerámica. Por la misma época, el médico A.
Fick (1829 – 1929) obtiene las primeras membranas de celulosa, que utiliza para estudiar la
difusión.
5
Capitulo I Membranas.
Los trabajos de L. Pasteur (1822 – 1895), dieron un gran impulso al desarrollo de las
membranas, que se empezaron a utilizar para tratar de lograr esterilizar el agua, el aire y
algunos líquidos biológicos. En 1890, W. Nerst (1864 – 1941) define lo que es un sistema
membranoso y Lhermite demuestra en 1855 que existen dos tipos de membranas; las
membranas porosas, en las cuales el efecto capilar es muy importante y las membranas que
deben considerarse como un tercer líquido, es decir, donde la solubilidad es muy importante.
En 1918 – 1919, R. Zsigmondy (1865 – 1929), estudia la ultrafiltración y coloca las bases
de la filtración moderna. En 1911 F. Donan (1870 -1956) estudia los equilibrios y potenciales
de membranas; punto de partida para todas las separaciones en los cuales el potencial eléctrico
es importante (por ejemplo la Electrodiálisis).
En 1923 Loeb y Sourirajan, son los primeros en sintetizar una membrana de acetato de
celulosa asimétrica para la desalinización del agua de mar (2).
A partir de aquí se puede hablar de cuatro generaciones de membranas, que serian las
conocidas como membranas modernas; estas cuatro generaciones de membranas modernas
son:
1) Las primeras son las desarrolladas por Loeb y Sourirajan, sintetizadas con acetato de
celulosa.
2) Mejoras introducidas al tipo de membranas anteriores, como la resistencia química
conforman la segunda generación.
3) En los años 80 aparece una tercera generación con las membranas compuestas
inorgánicas, que poseen una gran resistencia química y mecánica.
4) La cuarta generación es la que sigue en desarrollo, son las membranas compuestas
(orgánicas – inorgánicas). Se trata de obtener así membranas con las virtudes de los
compuestos inorgánicos y orgánicos (2).
6
Capitulo I Membranas.
1.3 Tipos de Membranas.
Existen varias formas de clasificar a las membranas sintéticas. La primera clasificación
es según su naturaleza química, es decir, si son de origen orgánico, inorgánico y mixto.
1.3.1 Según su naturaleza química.
•
Membranas orgánicas: Las primeras membranas de este tipo son las derivadas de la
celulosa (acetato de celulosa). Debido a la poca resistencia de estas membranas
comenzó un gran esfuerzo por mejorar las características de las mismas
desarrollándose así derivados de celulosa más resistentes, además de poliamidas,
polisulfonas, polímeros acrílicos y polímeros fluorados. Las principales características
de este tipo de membranas son: gran variedad en cuanto a la naturaleza química, una
gran gama de tamaños de poros, resistencia térmica limitada, resistencia limitada a los
solventes y pH externos, vida de corta duración, del orden de algunos meses, poca
resistencia a altas presiones. Entre las membranas orgánicas también podemos incluir a
las membranas líquidas soportadas o
a las emulsiones múltiples, cuando estas
membranas son de aceite; aunque su comportamiento es diferente al de las otras
membranas mencionadas aquí, solo entran en esta clasificación en virtud de su carácter
orgánico (2).
•
Membranas Inorgánicas: Estas membranas son mucho más recientes. Las primeras
membranas cerámicas aparecieron en el mercado al principio de los años 80. Las
características mas importante de este tipo de membrana son: una buena resistencia
química y térmica, estabilidad frente a las bacterias; son inertes antes los solventes
orgánicos y medios corrosivos, se pueden limpiar fácilmente por el contrapresión;
buena resistencia mecánica (resisten altas presiones); tienen una vida larga; se pueden
esterilizar fácilmente con vapor. Su fabricación es complicada y su precio más elevado
que las orgánicas, lo que hace que su uso no sea tan popular como el de las membranas
7
Capitulo I Membranas.
orgánicas (2). También existen membranas derivadas del vidrio y de metales con
características similares a las señaladas para las membranas cerámicas.
•
Membranas Mixtas: Estas son membranas de última generación que se utilizan
únicamente a nivel del laboratorio, todavía no han alcanzado su desarrollo comercial.
Estas membranas consisten normalmente en un esqueleto inorgánico, al cual se le han
agregado grupos orgánicos para darle una característica especial (hidrofobismo,
lipofobismo, transporte por transportadores anclados, etc.) con este tipo de membranas
se trata de obtener las ventajas de las dos anteriores, por lo general lo que se obtiene es
un compromiso; por ejemplo se sube la resistencia mecánica con respecto a una
membrana orgánica, pero se baja la resistencia térmica con respecto a una membrana
inorgánica (2).
El otro tipo de clasificación de membranas que encontramos es según su forma y función.
1.3.2 Según su Forma y Función.
•
Membranas Porosas: Poseen una estructura muy simple y se asemejan mucho a las
fibras empleadas en la filtración, en lo que se refiere al modo de separación y
transporte. Las membranas porosas consisten en una matriz sólida que posee huecos o
poros con diámetros que pueden ser menores a 1μm, mayores a 1 μm e incluso pueden
ser mayores a 20μm (Figura 1.1). La separación de los componentes se lleva a cabo
estrictamente mediante un mecanismo de tamizado, determinado por el tamaño del
poro y de la partícula. Las membranas porosas pueden fabricarse a partir de materiales
tales como cerámicas, grafito, metales y óxidos metálicos y polímeros. Su estructura
puede ser de dos tipos: simétrica o asimétrica. En las membranas simétricas el
diámetro del poro no varía a lo largo de la sección transversal de la membrana y se
utilizan en procesos tales como microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración o en
diálisis, para separar componentes que difieran marcadamente en tamaño y masa
molecular (5).
8
Capitulo I Membranas.
Las membranas porosas con estructura asimétrica, consisten en una película
muy delgada (0,1 - 1μm), colocada sobre una subestructura gruesa (100 - 200μm),
altamente porosa. La película delgada constituye la membrana selectiva y sus
características de separación vienen determinadas por el material con que este hecha o
por el tamaño de poro, sin embargo la tasa de transporte másico esta determinada por
el grosor de la película. La subestructura porosa sirve únicamente como soporte a la
frágil película delgada, es decir, para la membrana. Estas membranas son usadas en
principalmente en procesos que utilizan un gradiente de presión como fuerza
impulsora, tales como la osmosis inversa y la ultrafiltración, porque estos necesitan
una elevada transferencia de masa y una buena estabilidad mecánica (5).
•
Membranas Homogéneas: una membrana homogénea es una película densa a través
de la cual una mezcla de moléculas es transportada mediante un gradiente de presión,
de concentración o de potencial eléctrico. El mecanismo de transporte de las especies
dentro de las membranas homogéneas, ocurre estrictamente por difusión y depende de
la solubilidad de las mismas dentro de la membrana (Figura 1.1). Gracias a esto, es
posible separar eficientemente aquellas especies químicas que posean tamaños y hasta
difusividades similares, cuando sus solubilidades dentro de la membrana difieran
significativamente. Estas membranas pueden prepararse con polímeros, metales o
aleaciones de metales mediante técnicas de formación de películas. Se utilizan para
separar componentes que poseen tamaños similares pero que difieren químicamente
(5).
Entre las membranas homogéneas se encuentran las membranas líquidas, las
cuales poseen un mecanismo de separación similar al de la extracción líquido – líquido
puesto que se utilizan sistemas de múltiples fases (2 o 3, por lo general). El principio
de operación de estas membranas es relativamente simple; dos líquidos homogéneos y
miscibles (uno es la alimentación o solución donadora y el otro es la solución
receptora), están espacialmente separados por una tercera fase, la membrana. La
membrana esta constituida por un solvente el cual es prácticamente inmiscible e
9
Capitulo I Membranas.
insoluble con la alimentación y la solución receptora. La separación o transporte del
soluto desde la solución donante a la receptora se lleva a cabo gracias a que se produce
un gradiente de potencial químico que hace de fuerza impulsora. La termodinámica en
la interfase donante – membrana favorece la extracción del soluto a la membrana,
simultáneamente la termodinámica en la interfase membrana – receptor favorece el
transporte de la membrana al receptor. En la mayoría de los casos las membranas
líquidas están formadas por líquidos orgánicos, sin embargo se pueden usar
membranas acuosas cuando se desean separar soluciones orgánicas (6).
(a)
(b)
(c)
Figura 1.1 Membrana Porosa (a y b) y Membrana Mixta (c)
•
Membranas Cargadas Eléctricamente: También conocidas como membranas de
intercambio iónico. Existen del tipo orgánicas (poliméricas) e inorgánicas. Sin
embargo, hoy por hoy las únicas usadas a escala industrial son las primeras (7). Este
tipo de membranas poseen carga eléctrica, la separación se basa en la exclusión de las
especies químicas de la misma carga que la de las membranas (8), en ellas se centrará
un estudio con mayor detalle mas adelante.
10
Capitulo I Membranas.
•
Membranas Dinámicas: Son aquellas que se forman durante el proceso de filtración,
la idea es depositar sobre un soporte una capa de material filtrante antes de comenzar a
filtrar. Son como los coadyudantes de la filtración clásica (2).
1.3.3 Según el tipo de Módulo:
Las membranas pueden presentarse en diferentes tipos de módulos. La selección de
alguno de estos depende del proceso de separación, entre los más utilizados tenemos:
•
Modulo Plano: Es el modelo más antiguo y sencillo. Se deriva de los modelos de
filtro de prensa, la circulación de los líquidos se hace entre las placas, que se
encuentran separadas por membranas planas. Pueden tener diversas formas como
cuadradas, elipsoidales, circulares, ortogonales; estas membranas se colocan sobre un
soporte de la misma forma para que les dé resistencia mecánica (Figura 1.2).
Los módulos planos se pueden ensamblar de forma horizontal o vertical, estos
módulos planos también se conocen como módulos de placa (2). Este tipo de modulo
es el usado en diversos procesos entre ellos la Electrodiálisis.
Figura 1.2 Módulo plano
•
Módulos Tubulares: Este tipo de módulos se encuentra en todos los procesos de
separación en fase líquida o gaseosa (Figura 1.3). En estos módulos la membrana
filtrante se encuentra en la parte interna o externa en un soporte tubular. Estos módulos
se pueden ensamblar en serie y/o paralelo, también se pueden usar tubos con múltiples
canales, con los cuales se incrementan la superficie de filtración. El soporte tubular
puede ser de cerámica, de metal, de plástico, de fibra, material sobre el cual se deposita
11
Capitulo I Membranas.
la membrana que puede ser a su vez fija o dinámica, estos tubos pueden medir desde
pocos centímetros a dos metros (2).
Figura 1.3 Esquema del Modulo Tubular.
•
Módulos helicoidales: Es un modelo poco usado y consiste en un tubo flexible
enrollado sobre si en forma helicoidal. De esta forma se evitan las perdidas por fricción
asociadas a los empates en el caso de los filtros tubulares (2). En general su uso es cada
vez menor y actualmente casi no se encuentra este tipo de módulo.
•
Módulos Espirales: Estos módulos también se conocen como espirales planos, su uso
es muy frecuente en ósmosis inversa; el modulo consiste en dos membranas planas
entre las cuales se forman un espacio que se mantiene mediante el uso de un soporte.
Por la parte externa, se coloca otro soporte con la finalidad de recoger el filtrado. Las
membranas y los soportes se encuentran doblados sobre un tubo que se encarga de
recolectar el filtrado (2).
•
Módulos de Fibras Huecas: estos módulos consisten en una gran cantidad de
pequeños tubos de algunas decenas de micrómetros de diámetro (Figura 1.4), este tipo
de ensamblaje permite obtener superficies de intercambio muy elevadas, del orden de
1200 m2/m3. Los módulos de fibra hueca presentan el inconveniente de que si falla una
12
Capitulo I Membranas.
fibra, hay que cambiarlo completo, además, su utilización es casi exclusivamente para
el tratamiento de aguas por ósmosis inversa (2).
Figura 1.4 Esquema del Modulo de Fibras Huecas.
1.4 Separación con Membranas.
En los procesos industriales es de suma importancia la separación, concentración y
purificación de especies químicas, la separación abarca desde las realizadas entre partículas
sólidas, inmiscibles que se hallan en fases líquidas o gaseosas, hasta la separación de solutos
disueltos en fase líquida, pasando por la separación de mezclas de gases. En cualquiera de
estos procesos el papel de las membranas es el de actuar como una barrera selectiva,
permitiendo el paso de ciertos componentes y reteniendo otros.
Cuando una membrana separa dos fases fluidas, varios tipos de fuerzas pueden ser la
causa de flujo de moléculas o especies iónicas a través de ellas, a estas fuerzas las llamamos
fuerza impulsora, esta fuerza proporciona una amplia clasificación
de los procesos con
membranas, dependiendo de la forma o mecanismo en que el material es transportado a través
de la membrana, así pues las especies pueden ser transportadas bien sea por trabajo mecánico,
químico, eléctrico o térmico.
Tres son los gradientes más importantes que proporciona esa fuerza impulsora:
a. Un gradiente de presión hidrostática entre las dos fases que separa la membrana puede
producir un flujo de volumen, y con ello la separación de especies químicas, si la
permeabilidad de las membranas es diferente para los distintos compuestos.
13
Capitulo I Membranas.
b. Un gradiente de concentración entre las dos fases que separa la membrana puede
ocasionar un transporte de materia, y con ello la separación de varias especies
químicas, si las difusividades y solubilidades en la membrana son diferentes.
c. Un gradiente de potencial eléctrico irá acompañada de una separación, cuando las
diferentes especies cargadas presentan distintas movilidades en el interior de las
membranas (8).
En algunos casos, puede existir la combinación de uno o más gradientes involucrados en la
separación, aunque por lo general hay uno que es más importante.
1.4.1 Procesos que Utilizan el Gradiente de Presión.
A continuación se describen brevemente los procesos de separación con membranas
que utilizan un gradiente de presión.
•
Microfiltración: Es la técnica de separación con membranas más desarrollada a nivel
mundial, al igual que la ultrafiltración. Como su nombre lo indica, la microfiltración es
un proceso que se utiliza para separar las partículas sólidas presentes en una corriente
líquida o gaseosa mediante el uso de un medio mecánico de tamizado (que en este caso
sería la membrana), es decir, la separación ocurre por un efecto tamiz que toma en
cuenta las dimensiones relativas de partícula a separar y poro de la membrana. Este
proceso se utiliza cuando las partículas poseen diámetros comprendidos entre 0,1 a
10μm, y el solvente o sustancia en la cual están dispersas poseen un peso molecular >
(0,1 – 1)x106, es decir que permite filtrar hasta las bacterias más pequeñas. Las
membranas usadas en la microfiltración son estructuras macroporosas y en general,
simétricas con tallas de poros normalmente entre 0,1 a 10 μm, con diferencia de
presión entre las membranas de 0,1 a 2 bar (8). Entre los principales usos de la
microfiltración tenemos la filtración de partículas presentes en las corrientes líquidas ó
gaseosas utilizadas en la industria química, biológicas, farmacéuticas y de alimentos; la
clarificación o filtración estéril de soluciones sensibles al calor y bebidas; producción
de agua pura, purificación de productos, tratamientos de aguas residuales; etc. (3).
14
Capitulo I Membranas.
•
Ultrafiltración:
La
ultrafiltración
es
muy
similar
en
operación
a
la
microfiltración con la diferencia que utiliza membranas asimétricas con tamaño de
poro menor y que permiten el filtrado de partículas mucho mas pequeñas; es una
técnica que permite la separación de moléculas disueltas en función de su tamaño, al
hacer pasar una solución bajo presión a través de una membrana, el tamaño de poro de
la primera capa de la membrana está entre 0,1μm y 1 nm. Retiene a las moléculas de
proteínas y a los virus pero sin embargo deja pasar iones (sales disociadas). Al ser las
membranas asimétricas, presentan una capa muy delgada que reduce la resistencia de
la misma. Las presiones utilizadas van desde 1 a 5 bar y es un proceso simple y de bajo
costo de operación (8). La ultrafiltración puede ser utilizada para recuperar el fluido
que pasa a través del filtro o para recolectar el material que es retenido en el mismo,
por ello su gran cantidad de aplicaciones en la industria como: la recuperación de
pintura de carrocería de automóviles; la concentración de la leche y los jugos de fruta;
el aislamiento y concentración de enzimas, virus y ácidos nucleicos en la industria
farmacéutica; el tratamiento de efluentes sobre todo en la industria papelera, etc. (5).
•
Nanofiltración:
La nanofiltración es muy similar a la ósmosis inversa y cubre un
rango de separación comprendido entre las capacidades de separación de las
membranas de ósmosis inversa y las de ultrafiltración (el tamaño de poro esta
alrededor de 1 nm). Las membranas que se utilizan se forman mediante una
polimerización interfacial (por ejemplo de la polisulfona o la polietersulfona), en un
sustrato poroso. Separa partículas entre 200 y 1000 daltons y sales minerales a bajas
concentraciones; con gradientes de presión de 10 a 40 bar. Estas membranas presentan
una estructura asimétrica a tres niveles (8).
̇
Un soporte macroporoso que ofrece una buena resistencia mecánica con
flujos de solventes elevados.
̇
Una capa intermedia mesoporosa que asegura la unión entre el soporte y
la capa activa.
15
Capitulo I Membranas.
̇
Una capa activa que esta constituida de material orgánico o inorgánico
que presentan una estructura microporosa con diámetros de poros en el
orden de nanómetros.
•
Ósmosis Inversa:
La ósmosis inversa, también conocida como hiperfiltración, es
un proceso utilizado para remover solutos de bajo peso molecular tales como sales
inorgánicas (por ejemplo, NaCl) y moléculas orgánicas pequeñas (glucosa por
ejemplo), de un solvente que por lo general es agua. Consiste en aplicar una presión
(superior a la presión osmótica del sistema) en la solución con mayor contenido de sal,
la cual se pone en contacto con una membrana semipermeable, esto produce la
migración del agua desde el lado concentrado al lado diluido, reteniendo así la sal en la
solución concentrada. El método utilizado para la remoción de sales es diferente al de
la microfiltración, puesto que el mecanismo de separación entre las especies no se basa
en las diferencias de tamaño entre el soluto y el solvente, sino en la solubilidad y
difusividad del solvente en la membrana, es decir, las membranas utilizadas en este
proceso son densas (3). Este proceso es muy utilizado para la producción de agua
potable a partir del agua de mar, compite con la destilación y la electrodiálisis, cuando
la producción de agua se desea hacer a gran escala; la escogencia de uno u otro proceso
depende de las condiciones existentes en el sitio en el sitio en donde se desea obtener
el agua potable. La presión de operación está entre los 25 y 35 bar, cuando la salinidad
es de 4,5% y la temperatura es de 30 ºC. Además de la producción de agua potable a
partir de agua de mar (o de aguas salobres) la ósmosis inversa
se usa para: la
fabricación de soluciones inyectables, la separación de virus y bacterias, la producción
de agua ultra pura para diálisis renal, entre otras aplicaciones (2).
•
Separación de Gases: La separación de mezclas gaseosas, también es posible gracias
a las membranas, para ello se puede utilizar membranas porosas o membranas no
porosas (densas u homogéneas). Con las membranas porosas la separación se hace por
difusión a través de los poros (flujo de Knudsen). Un proceso muy conocido que utiliza
membranas cerámicas porosas, es la separación de los isótopos de uranio, a partir del
16
Capitulo I Membranas.
hexafluoruro de uranio (UF6). Con las membranas densas los gases se separan debido a
la diferencia de solubilidad que existe entre los diferentes componentes del gas en las
membranas, un ejemplo de esto es la separación del oxígeno del aire. Entre las
aplicaciones de esta técnica tenemos: la recuperación de hidrógeno del gas de purga de
las plantas de amoníaco, la recuperación de hidrógeno de las corrientes gaseosas de
refinería y la deshidratación del aire (2).
1.4.2
•
Procesos que Utilizan el Gradiente de Concentración.
Diálisis:
En un proceso de diálisis uno o más solutos son transferidos desde una
solución (la alimentación) hasta la otra solución (el dializado), a través de una
membrana gracias a la existencia de un gradiente de concentración a ambos lados de
dicha membrana (5), que produce un flujo de soluto que tiende a igualar las
concentraciones. La aplicación más conocida es la diálisis sanguínea, en donde el riñón
es sustituido por unas membranas artificiales. La idea es separar los productos tóxicos
producidos por el organismo como la urea o la creatinina. Las membranas de diálisis
del riñón representan aproximadamente el 80% del mercado mundial de membranas.
Este proceso también es muy utilizado en la industria farmacéutica, cosmética y de
perfumes para desmineralizar el agua usada o para extraer compuestos importantes. Se
puede también asociar la diálisis con la fermentación, con el objeto de extraer los
compuestos que pueden ser tóxicos para los microorganismos
encargados de la
fermentación y por lo tanto mejorar la producción (2).
•
Pervaporación:
En la pervaporación son removidos los componentes orgánicos
volátiles que se encuentran en una mezcla líquida, a través de una membrana
semipermeable, que posteriormente los conduce hacia una fase gaseosa y se utilizan
membranas similares a la de la diálisis. La separación de los componentes de una
mezcla líquida es determinada por la diferencia de las presiones de vapor y también
por las tasas de permeabilidad a través de la membrana. En la pervaporación se utilizan
membranas densas, que basan su selectividad en la solubilidad del componente que
17
Capitulo I Membranas.
van a separar en la misma. La fuerza impulsora del proceso es la diferencia de
potencial químico de los componentes entre las dos fases separadas por la membrana,
la cual es generada por un gradiente de concentración dentro de la interfase de la
membrana, este gradiente de potencial químico, por lo general es inducido al aplicar
una presión de vacío en el lado de la fase gaseosa (5). Entre las aplicaciones de la
pervaporación encontramos: la producción de alcohol puro, técnica que compite con la
destilación azeotrópica, en la deshidratación de solventes orgánicos, en la
desalcoholización de la cerveza y del vino, en la concentración del jugo de fruta (2).
1.4.3
Procesos que Utilizan el Gradiente de Potencial Eléctrico.
Todas estas técnicas tienen en común la aplicación de un campo eléctrico y la
utilización de membranas cargadas eléctricamente para separar iones esencialmente. Se usan
tres tipos de membranas para estos procesos, las de intercambio aniónico, que deja pasar solo
los aniones; las membranas catiónicas que sólo deja pasar cationes y las bipolares que son
permeables por una cara para los cationes y por la otra para los aniones. En el capitulo II se
tratará más a fondo sobre estos tipos de membranas.
•
Electro – Electrodiálisis (Proceso Cloro soda): Un
ejemplo,
consiste
en
la
producción de cloro y soda cáustica (NaOH) utilizando para la separación una
membrana catiónica, en uno de los compartimientos va el ánodo y una solución de
cloruro de sodio, y en el otro compartimiento el cátodo y agua. Al aplicar una
diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos, los iones sodio, que están
cargados positivamente, emigran a través de la membrana hacia el agua, y así
contrarresta la producción de iones hidroxilo, producto de la reacción catódica, la cual
además produce hidrógeno, los iones cloro cargados negativamente se mueven hacia el
ánodo y se oxidan produciendo cloro. La membrana catiónica previene la migración de
los iones hidroxilos al compartimiento catiónico ya que ella solo es permeable para los
cationes (5). La función y los tipos de membranas cargada eléctricamente se explicará
con más detalle en el siguiente capitulo.
18
Capitulo I Membranas.
•
La Electrodiálisis con membranas bipolares:
La configuración de este proceso es
similar a la de la Electrodiálisis que se explicará mas adelante, pero a diferencia de este
se usa una membrana bipolar. Esta membrana bipolar permite la hidrólisis del agua y
posibilita la producción de ácidos y bases. Actualmente este proceso se usa para la
regeneración de los efluentes de decapado del acero inoxidable y recuperar el HF, el
HNO3 y el KOH (2).
•
La Electrodiálisis: Este proceso es el objeto de estudio del trabajo y se explicará con
detalle en el capitulo II.
19
Capitulo II La Electrodiálisis.
CAPITULO II
LA ELECTRODIÁLISIS.
La Electrodiálisis es una tecnología de membranas que permite, bajo la influencia de
un campo eléctrico continuo, extraer sustancias orgánicas e inorgánicas ionizadas disueltas en
una disolución acuosa, a través de membranas selectivas de intercambio iónico (7). La
Electrodiálisis, al igual que todos los procesos de separación por membranas mencionadas en
el capitulo anterior, se basan en la transferencia de masa a través de una membrana, con la
particularidad de que en este caso se trasportan especies iónicas de bajo peso molecular de una
solución a otra a través de membranas selectivas a los iones.
La Electrodiálisis puede
definirse también como un método de separación electroquímico en el que la transferencia de
iones se logra por la aplicación de un campo eléctrico sin que se lleve a cabo ninguna reacción
química (9).
La Electrodiálisis puede remover sales de alimentos, de lácteos, de corrientes de
desecho y otras soluciones y al mismo tiempo se usa para concentrar sales, ácidos o bases. El
sistema es muy útil para remover el contenido total de sales disueltas indeseadas en corrientes
de desechos industriales como lo son las aguas de producción de un pozo petrolero.
2.1 Desarrollo Histórico de la Electrodiálisis.
Los primeros usos de la electrodiálisis se remontan a principios del siglo XIX cuando
Schwein utilizó esta técnica para purificar extractos azucareros; no obstante, su invención se
atribuye a Morse y Pierce quienes, en el año 1903 introdujeron un par de electrodos en los
compartimentos de una celda de diálisis para acelerar el proceso de separación de electrolitos
de una solución de gelatina.
No fue hasta 1940, cuando Meyer y Strauss propusieron la utilización de membranas
selectivas eléctricamente cargadas para separar aniones y cationes. Las membranas se sitúan
alternativamente entre un par de electrodos, separadas entre si 1 mm o menos. Con el
desarrollo, a finales de los años cuarenta, de membranas más selectivas y con una baja
20
Capitulo II La Electrodiálisis.
resistencia eléctrica, este tipo de dializador se convirtió en una opción valida para realizar
operaciones de dilución y concentración de disoluciones de electrolitos.
Una ventaja de esta disposición es que sólo utiliza dos electrodos para un número muy
elevado de membranas y, por lo tanto, las reacciones irreversibles que se producen en los
electrodos se distribuyen en muchos compartimientos de concentrados y diluidos, con lo que
se minimizan sus efectos. Además los problemas que pueden ocasionar el manejo de los
productos formados en los electrodos son asimismo minimizados (10).
2.2 Principios de La Electrodiálisis.
Cuando se establece un campo eléctrico en un electrodializador, los iones migran hacia
el ánodo o el cátodo, según el signo de su carga. Debido a la disposición de las membranas,
aparecen compartimientos donde las disolución del electrolito se empobrece en éste y otros,
donde el electrolito se concentra. Los cationes que están en un compartimiento de diluidos
migran por efecto del campo eléctrico hacia el cátodo, encontrándose en primer lugar una
membrana catiónica, que permite el transporte, pasando al compartimiento adyacente donde,
en su camino, se encuentran con una membrana aniónica que no pueden atravesar, quedando
retenidos en este compartimiento.
Los aniones migran hacia el ánodo, encontrándose una membrana aniónica que pueden
atravesar para entrar en un compartimiento de concentrados, donde en su trayectoria se
encuentran con una membrana catiónica que no permite su transporte, quedando retenidos en
este compartimiento (10). Para que ocurra un funcionamiento como el descrito anteriormente
el modulo de electrodiálisis debe estar formado por dos electrodos metálicos que establecen el
campo eléctrico, cátodo y ánodo, entre los cuales están colocadas las membranas como se
muestran en la figura 2.1.
21
Capitulo II La Electrodiálisis.
Figura 2.1 Representación de un proceso de electrodiálisis (20)
Como se dijo las membranas deben ser de dos tipos, una selectiva a los cationes como
calcio, sodio, potasio, amonio etc. que comúnmente son llamadas Catiónicas; el otro tipo de
membranas es selectiva a los aniones como el cloruro, hidróxido, nitrato, acetato, etc. y se
conocen como Aniónicas. Las membranas deben ir de forma alternada, es decir, una
membrana catiónica luego una aniónica, nuevamente una catiónica y así sucesivamente
formando lo que se conoce como el modulo de Electrodiálisis. Entre cada par de membranas
se coloca un separador que consiste de una malla plástica que proporciona canales de flujo a
través de los cuales fluyen las soluciones, creando turbulencia lo que mejora la transferencia
de iones, y además sirve de soporte a las membranas (11).
En la figura 2.2 se esquematiza una unidad de Electrodiálisis de dos compartimientos
con objeto de ilustrar el funcionamiento del proceso. Como se dijo consta de un conjunto de
membranas de intercambio iónico dispuestas alternativamente entre dos electrodos, de tal
forma que dan lugar a dos compartimientos. Por el compartimiento diluido (D) circula la
disolución cuyos iones se desean extraer, y por el concentrado (C), la disolución en la que
dichos iones se van a concentrar.
22
Capitulo II La Electrodiálisis.
Figura 2.2 Esquema de un módulo de Electrodiálisis de celdas de dos compartimientos
Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones migran a través
de las membranas de intercambio aniónico desde los compartimientos D a los C, donde
quedan atrapados, pues en su camino se interpone la barrera iónica constituida por membranas
de intercambio catiónico. Análogamente los cationes migran, a través de las membranas de
intercambio catiónico, desde los compartimientos D a los C, donde se concentran al impedirles
las membranas aniónicas su migración hacia el cátodo. Las reacciones electródicas sólo se
utilizan a efectos de proporcionar el campo eléctrico necesario para que se produzca el proceso
(7).
Se denomina celda a la unidad básica formada, para el caso de la electrodiálisis de dos
compartimientos, por una membrana catiónica, una membrana aniónica y dos espaciadores. Al
conjunto de celdas se le llama módulo de electrodiálisis. En un módulo como el
esquematizado en la figura 2.2 pueden haber hasta 500 celdas de dos compartimientos. La
configuración de dos compartimientos no es la única que puede ser posible, hay módulos
conformados por tres y cuatros compartimientos (7).
23
Capitulo II La Electrodiálisis.
La distancia entre membranas existente en los equipos industriales está comprendida
entre 0,4 y 2 mm. Está definida por la presencia entre cada par de membranas de una junta y
de un espaciador. La función de este último es además proporcionar una distribución de flujo
uniforme dentro de cada compartimiento (7).
Generalmente sólo una pequeña cantidad de agua atraviesa la membrana,
esencialmente sólo el agua de hidratación de los iones transferidos. En el caso de
desionización de una solución concentrada, el transporte de esta agua de hidratación puede ser
útil para concentrar la solución tratada en materiales no ionizados. El trasporte de iones
generalmente no es acompañado de materiales no ionizados cuyo peso molecular sea mayor a
200, aunque existen membranas que permiten que materiales no ionizados de peso molecular
mayor a 500 sean transportados con el agua de hidratación (12).
La electrodiálisis es un proceso termodinámicamente reversible, de manera que la
dirección del flujo de materia y carga puede ser invertida simplemente invirtiendo la polaridad
del sistema. Esta característica diferencia de la diálisis por difusión que es un proceso
prácticamente irreversible (9).
Otra característica importante es que
la electrodiálisis, en contraste con la
ultrafiltración, diafiltración, diálisis e intercambio iónico, permite recuperar el ión removido
en una solución más concentrada que aquella de la que fue eliminado y libre de iones extraños.
Muchas veces esta alta concentración permite reutilizar los electrolitos recuperados. Otra
ventaja es que no se requieren regeneradores químicos, como en el caso de la desionización
por intercambio iónico, gracias a que no ocurre una reacción química (12).
Podemos conseguir equipos de electrodiálisis en diferentes configuraciones
dependiendo de los requerimientos de la separación que se desea realizar, la operación puede
realizarse de forma continua, discontinua (por lotes) o semicontinua (7). La operación por
lotes tiene la ventaja que permite un producto de concentración definida, es posible alcanzar
una relación de concentraciones entre el diluido y concentrado que puede llegar hasta 1/150,
24
Capitulo II La Electrodiálisis.
sin embargo, resulta inadecuada para grandes instalaciones debido al tamaño de los recipientes
de almacenaje (11).
La configuración en continuo permite manejar grandes cantidades del fluido a tratar.
En este tipo de proceso se hace necesario colocar varios módulos de electrodiálisis en serie
(electrodiálisis multietapa) o ser recirculado una segunda vez (doble paso). Otra modalidad
consiste en recircular el concentrado, con lo que se obtiene ventajas adicionales: se aumenta el
porcentaje de recuperación, se disminuye el consumo de hidráulico y la cantidad de
concentrados a evacuar. Sin embargo, concentraciones muy elevadas de la solución a tratar
disminuyen la selectividad de las membranas y aumenta el trasporte de agua a través de las
mismas (11).
El modo semicontinuo o Feed and Bleed en la terminología anglosajona es una
combinación de los otros dos (discontinuo y continuo). Se utiliza cuando las condiciones de
proceso son las adecuadas para operar en discontinuo y la densidad de corriente límite no es
muy baja. De esta forma se combinan las ventajas del discontinuo, lográndose elevados grados
de desalación, y las del continuo, aparte del periodo de puesta en marcha del equipo, el
sistema opera de voltaje y densidad de corriente constante en el tiempo, lo que simplifica el
control de la operación e incide positivamente en la estabilidad de las membranas, que no se
ven sometidas con tanta frecuencia a los cambios bruscos de concentración típicos del proceso
discontinuo (7).
2.3 Membranas de Intercambio Iónico.
Existen muchos tipos de membranas con funciones y propiedades muy particulares. En
el caso de la electrodiálisis se usan membranas cargadas eléctricamente o mejor conocidas
como, membranas de intercambio iónico.
Las características principales de este tipo de membranas son su alta selectividad hacia
especies iónicas, poseen una resistencia eléctrica baja (entre 0,3 y 2 mili-ohms/m2), buena
resistencia mecánica y gran estabilidad química y biológica. Químicamente estas membranas
25
Capitulo II La Electrodiálisis.
son resinas de intercambio iónico de forma de láminas cuyo espesor está entre 0,15 y 0,6 mm
(12). Existen membranas de intercambio iónico orgánicas (poliméricas) e inorgánicas. Sin
embargo, hoy por hoy las únicas utilizadas a escala industrial son las primeras (7), por ello el
estudio de este tipo de membranas se centrará exclusivamente en las mismas.
Básicamente una membrana de intercambio iónico consta de una estructura polimérica
entre cruzada, que tienen fijo una gran concentración de grupos funcionales cargados,
negativamente en las membranas de intercambio catiónico y positivamente en
las de
intercambio aniónico. El entrecruzamiento es necesario para evitar que los polímeros que
portan los grupos intercambiadores se disuelvan en agua. Además, el grado de
entrecruzamiento es importante pues afecta a las propiedades de la membrana. Uno de los
agentes de entrecruzamiento más utilizados es el divinilbenceno (DVB), en concreto con el
vinilpoliestireno y la vinilpiridina (7).
Las membranas aniónicas contienen grupos positivos fijos en la red polimérica que
están neutralizados eléctricamente por grupos aniónicos móviles que están en los intersticios
de la red débilmente asociados a los grupos catiónicos fijos. Las membranas catiónicas poseen
grupos negativos fijos en la red polimérica y cationes móviles en los intersticios. La cantidad
de cargas fijas de una membrana constituye su capacidad de intercambio, y se expresa en
equivalentes-gramo por kilogramo de masa de membrana. Las membranas comerciales tienen
una capacidad de intercambio comprendida entre 0,5 y 3 eq-g/kg (11).
Los grupos intercambiadores más usuales en las membranas comerciales son:
•
Sulfonato, -SO-3, y carboxilato, -COO- en las membranas de intercambio catiónico.
•
Amonio cuaternario, -NR3+, o amina terciaria, -NR2, en las membranas de intercambio
aniónico.
La química relacionada con su preparación es similar a la utilizada para fabricar las bien
conocidas resinas de intercambio iónico. De hecho, una membrana de intercambio iónico
26
Capitulo II La Electrodiálisis.
puede considerarse como una resina de intercambio iónico en forma de lámina, con la
salvedad de que no es necesario regenerarlas (7).
Para que una membrana pueda cumplir correctamente su función de intercambio, los
intersticios de la red polimérica deben estar embebidos en el disolvente, que casi siempre es
agua. Es decir, la membrana se presenta como un gel hinchado por el disolvente (7). En la
figura 2.3 se presenta esquemáticamente una sección transversal de una membrana de
intercambio catiónico separando dos disoluciones, así como su mecanismo de acción. Las
cargas negativas fijas a la estructura polimérica son neutralizadas gracias a los iones de carga
contraria, llamados contraiones (en este caso los cationes).
Figura 2.3 Esquema de una membrana de intercambio catiónico y de su mecanismo de transporte de los cationes desde
la disolución A a la B bajo la acción de un campo eléctrico (7)
Bajo la acción de un campo eléctrico los cationes se mueven desde la disolución A a la
B a través de los canales formados por los intersticios de la matriz polimérica que constituye a
la membrana. Por el contrario, los aniones, llamados coiones, son rechazados puesto que
tienen la misma carga eléctrica que los iones unidos a la membrana. Este ultimo fenómeno es
conocido como exclusión Donan (7). Como consecuencia, desde un punto de vista teórico, los
27
Capitulo II La Electrodiálisis.
cationes transportan prácticamente la totalidad de la corriente eléctrica a través de la
membrana. En el caso de las membranas aniónicas, son los aniones quienes trasportan la
corriente eléctrica.
De acuerdo a su fabricación, las membranas de intercambio iónico pueden clasificarse
en homogéneas y heterogéneas.
2.3.1 Clasificación de las Membranas de intercambio Iónico.
2.3.1.1 Clasificación según su estructura Física
•
Membranas Homogéneas: Las membranas homogéneas tienen propiedades uniformes
en todos los puntos. Se obtienen por una reacción de condensación de polifenoles o
poliaminas, el producto de la reacción es impregnado sobre un tejido sintético
formando una película delgada de material intercambiador. También pueden
fabricarse por fijación de un grupo funcional fijo sobre un soporte inerte (cloruro de
polivinilo, polietileno, teflón), o por inmovilización de un electrolito como en el caso
del poliestireno sulfónico (13).
•
Membranas Heterogéneas: Estas están constituidas por dos fases poliméricas
diferentes. Sus principales desventajas son; canales de flujo excesivamente grandes,
alta resistencia eléctrica en disoluciones salinas diluidas, baja resistencia mecánica en
su estado altamente hinchado. El excesivo tamaño en sus canales de flujo origina una
elevada transferencia de agua por eléctro-ósmosis y una excesiva difusión de
moléculas neutras entre las disoluciones separadas por la membrana (7).
28
Capitulo II La Electrodiálisis.
2.3.1.2 Clasificación según su capacidad de intercambio.
Desde el punto de vista de su capacidad de intercambio se clasifican en:
•
Catiónicas, solo permeables a los cationes.
•
Aniónicas, sólo permeables a los aniones.
Teóricamente las primeras son selectivas a los cationes, mientras que las segundas lo son
exclusivamente a los aniones.
A su vez cada una de ellas e clasifican en:
•
Débiles.
•
Fuertes.
Las débiles son aquellas cuyos grupos intercambiadores de iones se disocian parcialmente
en medio acuoso. Pertenecen a este grupo los grupos carboxilato –COO- en el caso de las
catiónicas y los grupos amonio primario –NH3+en el caso de las aniónicas. Así el grupo –
COO- se encuentra prácticamente en su forma no disociada, -COOH, por debajo de pH 6, su
capacidad de intercambio es en consecuencia muy reducida por debajo de tal pH. En el caso de
la aniónicas sucede lo contrario. Los grupos –NH3+ se encuentran en su forma no disociada, NH2, por encima de pH 7. Las fuertes son aquellas cuyos grupos intercambiadores de iones se
encuentran disociados completamente en todo el intervalo de pH. Por ejemplo, el grupo
sulfonato, -SO3-, en las catiónicas y el amonio cuaternario en las aniónicas.
2.3.1.3 Clasificación según su estructura química.
Desde el punto de vista de sus estructuras química se clasifican en: Perfluoradas y no
perfluoradas. Las primeras fueron inicialmente desarrolladas a principios de los años sesenta,
encontrando desde entonces un amplio abanico de aplicaciones debido a su gran resistencia
química y mecánica (7). Ellas fueron desarrolladas primordialmente para superar las
limitaciones que poseen las membranas basadas en hidrocarburos, al ser sometidas a medios
oxidantes o degradantes. Su uso principal se encuentra en las celdas de electrodiálisis, en las
cuales muestra excelente estabilidad térmica y química. Las membranas fabricadas por
DuPont se comercializan bajo el nombre de Nafión, y su estructura química se basa en un
29
Capitulo II La Electrodiálisis.
copolímero de tetrafluoroetileno y un éter vinilico perfluorado que porta un grupo terminal
sulfónico. Existen asimismo membranas perfluoradas, por ejemplo las Flemion de Asahi
Glass, con grupos intercambiadores de iones débiles, en las que el grupo sulfónico se ha
sustituido por un carboxilato, -COONa (7). Las membranas no perfluoradas se encuentran
fácilmente disponibles tanto en forma catiónica como aniónica, son las mas usadas en
electrodiálisis por ser las más económicas.
Tabla 2.1 Membranas heterogéneas de electrodiálisis.
Nombre
lonac
Fabricante
lonac
Chemical Co.
Tipo de membrana
Codificación
lonac
Amberplex
Ionac
Rohm &
Haas
Chemical Co.
Nepton
Neosepta
Ionics Inc.
Tokuyama
Soda Ltd.
Permaplex
Permutit
Permutit
Permutit Co.
Co. (Zerolit
(Zerolit Ltd.)
Ltd.)
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
MC3142
MA3148
MC3470
MA3475
C1
A1
CR61
AR111
CL25T
AV4T
C10
A10
C1373
A1374
0,15
0,17
0,3
0,4
0,7
0,7
0,6
0,6
0,17
0,15
0,5
0,5
0,2
0,2
305
305
305
127
127
102
102
102
102
102
0,04
0,04
0,03
0,04
0,05
0,05
0,02
0,02
0,05
0,5
0,03
0,03
1,05
1,13
2
1
3,0
1,6
1,8
2,0
2,0
1,3
96,2
99,0
90,0
86,8
98,0
96,0
90,0
82,0
9,6
10,5
6,0
12,0
3,2
4,7
25,0
60,0
8,0
8,0
13,3
14,0
7,9
8,6
4,0
7,0
Espesor del
espaciador (mm)
Longitud de
La Membrana (cm)
305
Ancho de la
membrana (cm)
102
Espesor de la
membrana (cm)
0,02
0,02
cambio (meq/gr)
0,95
0,60
Selectividad (%)
94,1
90,0
9,1
10,1
13,0
13,3
Capacidad de
Resistencia
z
eléctrica (W*cm )
40,0
60,0
Presión de
ruptura (bar)
(C) membrana catiónica; (A) membrana aniónica.
P. Sucial, J. C. González-Bauza, Dimensionado y diseño de la electrodiálisis, enero 2001
30
Capitulo II La Electrodiálisis.
Tabla 2.2 Membranas Homogénea s de electrodiálisis.
Nombre
A.M.F.
A.M.F.
Fabricante
American
Machine
and
Foundry
American
Machine and
Foundry
Nepton
Ionics Inc.
Selemion
Selemion
Asahi Glass
Asahi Glass
Co. Ltd.
Co. Ltd.
Acipex
Acipex
Asahi Chemical
Asahi Chemical
Industry
Industry
Co. Ltd.
Co. Ltd.
Tipo de
membrana
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
C
A
C60
A60
C100
A100
AZL183
BZL183
CMV
AMV
CMR
ASR
CK1
CA1
DK1
DA1
0,30
0,30
0,15
0,18
0,60
0,60
0,56
0,56
1,5
1,5
0,23
0,21
0,23
0,21
102
102
230
230
230
230
112
112
112
112
46
46
100
100
100
100
112
112
112
112
Codificación
Espesor del
espaciador
(mm)
Longitud de
La Membrana
(cm)
Ancho de la
membrana (cm)
Espesor de la
membrana (cm)
0,03
0,03
1,5
1,6
80,0
82,0
5,0
6,0
3,0
3,0
0,02
0,02
0,06
0,06
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
1,3
1,5
2,7
1,8
4,0
3,0
4,0
3,0
2,8
1,9
2,6
1,5
93,0
92,0
91,0
96,0
92,0
94,0
92,0
95,0
85,0
92,0
85,0
92,0
7,0
9,0
11,0
11,0
3,5
3,0
3,5
4,0
1,4
2,1
1,8
3,5
4,0
3,5
8,0
9,0
5,0
5,0
5,0
5,0
2,0
2,0
2,0
2,0
Capacidad de
cambio (meq/gr)
Selectividad
(%)
Resistencia
eléctrica
z
(W*cm )
Presión de
ruptura (bar)
(C) membrana catiónica; (A) membrana aniónica.
P. Sucial, J. C. González-Bauza, Dimensionado y diseño de la electrodiálisis, enero 2001
31
Capitulo II La Electrodiálisis.
2.4 Polarización.
La polarización de concentración es un fenómeno que se produce en todos los procesos
de separación con membranas. Sin embargo las características de la polarización en cada una
de estas operaciones resulta ser muy diferente. En ultrafiltración y ósmosis inversa se produce
por la acumulación, sobre la cara activa de la membrana, de solutos que no pueden atravesar la
misma, con la formación de perfiles de concentración que actúan como una nueva barrera que
dificulta la transferencia de materia del soluto y de disolvente transferible a través de la
membrana (14).
En los procesos de electro-membranas la densidad de trabajo máxima viene
determinada por el fenómeno de polarización de la membrana que se produce cuando la
concentración de la especie iónica a transportar disminuye por debajo de un nivel crítico, de
tal forma que no es posible mantener la velocidad de transporte impuesta por la intensidad de
la corriente (7). En electrodiálisis es de la misma manera, y el fenómeno tiene lugar cuando un
ion se transfiere o descarga sobre la superficie de una interfase sólida, encontrándose sujeto a
un valor límite en su transferencia de materia a través de dicha interfase.
El fenómeno que afecta negativamente a la estabilidad de las membranas se ilustra en
la figura 2.4, donde se representa el perfil de concentración en las interfases disoluciónmembranas en una celda de electrodiálisis de tres compartimentos formada por un ánodo, un
cátodo, una membrana de intercambio aniónico y una de intercambio catiónico.
32
Capitulo II La Electrodiálisis.
Figura 2.4 Gradientes de concentración en la interfase membrana-disolución, bajo el efecto de un campo eléctrico. MA
y MC: membranas de intercambio aniónico y catiónico. X-: anión. M+: catión. A: anolito. C: catolito. B: disolución
acuosa de una sal XM.
Por el compartimiento B se alimenta una disolución acuosa de una sal XM. En la zona
central de este compartimiento la mezcla de la disolución es completa, homogénea. Sin
embargo, conforme las líneas de flujo se aproximan a las interfases disolución-membrana la
velocidad lineal de la disolución disminuye, de tal forma que en las proximidades de las
membranas existen zonas en las que no hay mezcla (zona estática, capa límite). Por razones
idénticas estas zonas existen en las interfases disolución-membrana de los compartimientos A
y C, correspondientes respectivamente al analito y al catolito.
Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones X- migran desde
B hacia el anolito A a través de la membrana de intercambio aniónico MA, mientras que los
cationes M+ migran hacia el catolito C a través de la membrana de intercambio catiónico MC.
33
Capitulo II La Electrodiálisis.
Como consecuencia, en las zonas estáticas del compartimento central disminuye la
concentración del ion que es transportado con respecto a la de la disolución que alimenta
dicho compartimiento:
•
El anión X- en la interfase membrana aniónica-disolución.
•
El catión M+ en la interfase membrana catiónica-disolución.
Para compensar tal disminución, los iones de la zona de la mezcla homogénea del
compartimiento central B migran hacia las zonas estáticas por difusión. En tanto y cuanto la
velocidad de difusión sea igual a la de migración de los iones a través de la membrana,
impuesta por la corriente eléctrica, se alcanzará una situación de equilibrio.
Sin embargo, si la velocidad de migración a través de las membranas, determinada por
la densidad de corriente aplicada, excede a la difusión, la concentración de iones en las zonas
estáticas comenzará a disminuir hasta aproximarse a cero. En este momento se produce la
polarización por concentración de la membrana. La densidad de la corriente a la que se inicia
se denomina densidad de corriente limitante (o corriente límite). Por encima de ella se
produce la electrohidrólisis del agua, transportándose H+ a través de la membrana de
intercambio catiónico y OH- a través de la membrana de intercambio aniónico.
El resultado neto de la polarización por concentración es:
•
Disminución de la concentración de iones en las interfases membrana-disolución de los
compartimientos diluidos (compartimiento central B en la figura anterior)
•
Aumento de las concentraciones de iones en las interfases membrana-disolución de los
compartimientos concentrados (compartimientos anódicos A y catódicos C en la
misma figura).
Las consecuencias de la polarización por concentración de trabajar por encima de la
densidad de corriente limitante, son:
•
Incremento brusco de la resistencia eléctrica de la celda.
•
Disminución de la eficacia de la corriente.
34
Capitulo II La Electrodiálisis.
•
Disminución del pH en el compartimiento diluido y aumento en el compartimiento
concentrado.
El aumento de la resistencia eléctrica da lugar a un incremento en el consumo
específico de energía del proceso. La disminución de la eficacia de la corriente origina:
•
Un mayor consumo específico de energía.
•
Una mayor área de membrana para una producción determinada. En definitiva,
mayores costes fijos y variables.
El aumento del pH en el compartimiento concentrado y la disminución en el diluido
surge como consecuencia de que una vez producida la electrohidrólisis del agua, los iones OHson transferidos a través de la membrana aniónica al compartimiento concentrado, pero no así
los iones H+ a través de la membrana catiónica. Este último comportamiento es anómalo y se
desconoce la causa (7).
El aumento del pH en el compartimiento concentrado puede dar lugar a la
precipitación de hidróxidos insolubles, tales como los de calcio y magnesio. El fenómeno
conocido en la literatura anglosajona como scaling conduce, tanto a un incremento adicional
del consumo específico de energía, como a una disminución de la vida media de las
membranas. En el mejor de los casos evitar este fenómeno exige añadir acido para neutralizar
el exceso de iones OH-, lo que supone, tanto un coste adicional como un aumento de la
complejidad del proceso.
Para evitar tales problemas es importante que la densidad de corriente limitante sea lo
más elevada posible para cada proceso. La densidad de corriente limitante, Ilim(A.cm-2), viene
dada por la siguiente expresión:
( I lim / C d ) = DF /[δ (t m − t d )]
(2.1)
Donde:
•
Cd es la concentración de la sal en la disolución de alimentación. equivalente.cm-3.
•
D es el coeficiente de difusión de la sal, medido en cm2.s-1.
35
Capitulo II La Electrodiálisis.
•
F, el equivalente electroquímico. 96.500 culombios.equivalente-1.
•
δ es el espesor de la interfase membrana disolución, en cm.
•
tm es el número de transporte del ion en la membrana.
•
td es el número de transporte del ion en la disolución.
Dependiendo del electrolito que se tenga, td puede aproximarse a 0,5 (la mitad de la
corriente eléctrica en la disolución es transportada por los aniones y la otra mitad por los
cationes). Si se supone que la selectividad de las membranas es del 100% tm será igual a 1 por
lo tanto, la ecuación anterior se transforma en:
( I lim / C d ) = D.F /(0,5.δ )
(2.2)
De donde se deduce que el aumento de la densidad de corriente limitante requiere:
•
disminuir el espesor de la interfase membrana-disolución (zonas estáticas) mediante el
aumento de la velocidad de alimentación de la disolución.
•
Aumentar la concentración de la disolución de alimentación.
Además de la polarización por concentración existen dos fenómenos también
importantes por sus efectos negativos sobre la eficacia de un proceso de electromembranas: el
envenenamiento y la formación de incrustaciones (fouling).
El envenenamiento de las membranas se debe a la unión extremadamente fuerte de
ciertos iones por parte de los grupos intercambiadores de iones. Por ejemplo, el Mn+2 en el
caso de las membranas de intercambio catiónico. La única forma de evitar este inconveniente
es eliminar el ión causante del problema de la disolución mediante un tratamiento previo que
puede incluir resinas de intercambio iónico o precipitación en forma de hidróxidos.
La formación de incrustaciones está relacionada con la oclusión de los poros de la
membrana por parte de sustancias de gran tamaño que afecta fundamentalmente a las
membranas de intercambio aniónico, en disoluciones que contengan tensoactivos, proteínas,
ácidos húmicos, etc. En el caso de las catiónicas pueden producirse por precipitación interior
36
Capitulo II La Electrodiálisis.
de la matriz polimérica de óxidos metálicos hidratados. Al igual que los otros dos tipos de
polarización estudiadas con anterioridad esta conduce a un incremento del consumo específico
de energía, una disminución de la eficacia de la corriente (aumento de la resistencia de la
membrana) y una disminución de la vida media de las membranas.
En general, la formación de incrustaciones se puede evitar o minimizar:
•
Eliminando la materia orgánica de alto peso molecular en un tratamiento previo.
•
Incrementando el tamaño del poro de las membranas.
•
Disminuyendo la rugosidad de la superficie de las membranas.
•
Trabajando en condiciones que minimicen la polarización por concentración. Por
ejemplo, a altas velocidades de alimentación.
•
Limpieza con compuestos químicos. Disoluciones diluidas de ácidos, bases o agentes
complejantes (EDTA que disuelve los óxidos de hierro hidratados incrustados en las
membranas catiónicas).
•
Invirtiendo periódicamente la polaridad de la celda.
2.4.1 Determinación de la corriente Límite.
Partiendo de la ecuación 2.2 que expresa matemáticamente el proceso de polarización
se puede calcular la corriente limite como se mencionó anteriormente. Pero surge un problema
y es que el espesor de la capa limite no puede ser medido directamente, por lo tanto, es
necesario estimar experimentalmente el valor de la corriente límite. Se ha encontrado que este
parámetro depende de la velocidad de flujo, y se han desarrollado ecuaciones empíricas que
las relacionan:
(i / C ) lim = α . Re β
(2.3)
Donde el coeficiente Re es el número de Reynolds, β está próximo a 1/3 y α oscila
entre 0,6 y 1 (14).
Una ecuación comúnmente aceptada como primera aproximación para cualquier tipo
de membrana, y rigurosa para membranas Nepton (marca comercial de membranas), a una
temperatura de 20 ºC es la siguiente:
37
Capitulo II La Electrodiálisis.
J lim = 145.C.u 0, 6
(2.4)
Jlim: Densidad de corriente límite en mA/cm2
C: concentración del circuito diluido en eq/L
U: velocidad de flujo en cm/s. (13)
El método más utilizado para determinar la corriente límite consiste en elaborar una
curva de polarización, para lo cual se gráfica la diferencia de potencial aplicada a los
electrodos en función de la intensidad de la corriente, bajo condiciones de concentración y
temperatura constante. La curva presenta un cambio de pendiente brusco debido al aumento de
la resistencia cuando se alcanza el valor máximo de corriente que la solución puede
transportar, el punto donde se observe esta inflexión en la curva corresponde a la corriente
límite (15).
Para obtener un cambio de pendiente mas marcado, se puede graficar la resistencia
aparente del conjunto de membranas, que corresponde a la diferencia de potencial entre la
intensidad de corriente (V/I), frente al inverso de la intensidad de corriente (1/I) (11).
2.5 Componentes Básicos de un Módulo de Electrodiálisis.
Para el caso en el que los compartimientos electródicos comparten un electrolito
común. Básicamente consta de los siguientes sistemas:
•
Hidráulico.
•
Eléctrico
A su vez, el sistema hidráulico consta de los sistemas de:
•
Alimentación de los compartimientos diluidos.
•
Alimentación de los compartimientos concentrados
•
Alimentación de los compartimientos electródicos.
El sistema eléctrico lo constituye un par de eléctrodos de polaridad opuestas que
permiten aplicar diferencias de potencial y densidades de corrientes diferentes según sea las
necesidades del proceso. La corriente fluye en serie entre los dos electrodos a través de las
38
Capitulo II La Electrodiálisis.
diferentes celdas que componen el módulo. El consumo energético por lo general es bajo y
viene expresado por la suma de la energía eléctrica necesaria para transferir los iones a través
de las membranas y la energía eléctrica necesaria para bombear las disoluciones a través de los
compartimientos del módulo. Cuando la concentración de los iones en la alimentación es
elevada, predomina el primer término, que depende de la resistencia de los diferentes
componentes del módulo de electrodiálisis (7).
Una vez especificados los sistemas que contribuyen a un módulo de electrodiálisis, se
puede comenzar a hablar de sus componentes básicos (ver figura 2.5). Los cuales son:
•
Electrodos.
•
Membranas.
•
Espaciadores.
•
Juntas.
Espaciadores (3 y 5)
Figura 2.5 Esquema de un módulo de Electrodiálisis
2.5.1 Electrodos: Los eléctrodos son materiales conductores de la electricidad, a través de los
cuales se verifica la transferencia electrónica con la disolución en la que se encuentran las
sustancias cuya transformación se desea. En electrodiálisis únicamente cumplen la función de
proporcionar el campo eléctrico necesario para que se produzca el proceso. Por lo tanto son
DSAs (ánodos dimensionalmente estables como los elaborados con óxidos metálicos por
ejemplo los de dióxido de estaño) ó Pt/Ti (platino soportado sobre titanio) como ánodos, y
acero inoxidable como cátodo.
39
Capitulo II La Electrodiálisis.
Otro factor a tomar en cuenta es la ocurrencia de reacciones en la superficie de los
electrodos. Para minimizar este factor se deben emplear soluciones de lavado con electrolitos,
como el sulfato de sodio, que no se electrolicen en las condiciones de trabajo. Con frecuencia
las soluciones de lavado de ambos electrodos se mantienen separadas, pero por lo general
estas dos corrientes se mezclan para compensar la diferencia de pH generada por las
reacciones electródicas, del mismo modo, se le adiciona ácido a dicha solución para evitar la
precipitación de calcio y magnesio. En las instalaciones industriales, en donde se manejen
grandes cargas de alimentación, es de gran importancia mantener separados los gases
generados en ambas reacciones (la anódica y la catódica), ya que en el ánodo se forma oxígeno
con algo de cloro y en el cátodo se forma hidrógeno, los cuales al mezclarse pueden originar
una combustión incontrolada del hidrógeno (7).
2.5.2 Membranas: Basta recordar que en electrodiálisis los criterios más importantes que se
toman en cuenta para seleccionar las membranas de intercambio iónico, son los de alta
permselectividad y baja resistencia eléctrica. La única excepción la constituyen las dos
membranas que delimitan los compartimientos electródicos (de las soluciones de lavado).
Éstas últimas deberían ser perfluoradas, de alta resistencia química, ya que se enfrentan a un
ambiente químico mucho más agresivo que el resto de las membranas del módulo (oxidante en
el ánodo y valores extremos de pH, ácido en el ánodo y básico en el cátodo) (7).
2.5.3 Espaciadores:
Los espaciadores son materiales plásticos (polietileno, poliéster) en
forma de malla que se colocan entre cada par de membranas. Sus funciones son las siguientes:
•
Proporcionar los canales de flujo a través de los cuales fluyen las disoluciones.
•
Actuar como promotores de turbulencia y controlar la distribución de flujo.
•
Sellar las celdas.
•
Soportar las membranas.
Actualmente existen dos tipos básicos de espaciadores (ver figura 2.6) que se diferencian
por el recorrido que la disolución realiza por el interior de los compartimientos del
módulo:
•
De flujo tortuoso (tortuous path).
40
Capitulo II La Electrodiálisis.
•
De flujo laminar (sheet flow).
Figura 2.6 Diferentes tipos de espaciadores: a) de flujo tortuoso; b) de flujo laminar. A: entrada de la
disolución de alimentación. B: camino del flujo. E: malla espaciadora de plástico. P: promotores de
turbulencia. S: salida de la disolución del producto.
2.5.4 Juntas: Su objetivo es doble: Evitar fugas de electrolito en la celda, ya que es fuente
importante de problemas tales como cortos circuitos; y evitar la mezcla de las corrientes que
fluyen por los compartimientos concentrados y diluidos.
Deben poseer alta estabilidad química y resistencia mecánica. Es de gran interés que ambas
propiedades se satisfagan con el menor espesor posible, pues de esta forma se minimizará las
distancia intermembránica y por lo tanto el consumo específico de energía (3).
41
Capitulo II La Electrodiálisis.
2.6 Aplicaciones de la Electrodiálisis.
La electrodiálisis es un proceso único, ya que permite separar especies iónicas que
muchas veces no pueden ser separados por otros métodos. Además, tienen la ventaja de que es
adaptable tanto a procesos continuos como a procesos por etapas. Por estas razones tiene
muchas aplicaciones industriales, algunas de las cuales se mencionaran a continuación.
2.6.1 Producción de Salmuera.
Es la aplicación más importante en términos de la capacidad mundial instalada.
Permite la concentración de agua de mar produciendo una salmuera de la que
finalmente se obtendrá sal sólida. De esta forma se reducen los costos, ya que la
cantidad de agua que se debe evaporar para obtener los cristales de sal será mucho
menor, lo que implica un menor gasto de energía (12). Por estas consideraciones y
otras locales la sal de mesa se fabrica en Japón por electrodiálisis. La producción anual
estimada es superior a las 350.000 toneladas, que exigen más de 500.000 m2 de área de
membrana. Los lideres en este campo son obviamente las empresas japonesas
TOKUYAMA SODA, ASAHI GLASS y ASAHI CHEMICAL (7).
2.6.2 Desalinización de Agua.
Con este método puede producirse agua para la industria petroquímica, refinerías, agua
para caldera y generadores de vapor, agua para refrigeración, e incluso agua potable
(Figura 2.7). Este proceso resulta adecuado para obtener agua potable a partir del agua
de mar en aquellos lugares donde las fuentes de agua son escasas, la mayor parte de las
plantas potabilizadoras de agua salada se encuentran en Oriente Medio y en el Norte de
África (10).
42
Capitulo II La Electrodiálisis.
Figura 2.7 Unidad a gran escala para la desalación de agua de mar
2.6.3 Desmineralización del Suero Lácteo.
Es la tercera aplicación en cuanto a capacidad mundial instalada. El lactosuero como
efluente es muy contaminante por su alta demanda bioquímica de oxígeno y su alta
demanda química de oxígeno. En algunos países industrializados, este suero es
recuperado por diversas técnicas, ya que contienen una cantidad no despreciable de
proteínas, lactosa y calcio que lo hacen atractivo para la elaboración de productos
lácteos. Para mejorar el lactosuero se debe disminuir o eliminar el contenido de sal y en
algunos casos disminuir su acidez. La electrodiálisis permite separar la sal del suero
salado sin eliminar los compuestos orgánicos, como proteínas y lactosa, presentes en el
suero gracias a la selectividad de las membranas utilizadas. Por medio de
electrodiálisis también es posible separar ácido láctico formado por fermentación de la
lactosa presente en el suero lácteo (16).
2.6.4 Recuperación de Productos Químicos.
Se puede utilizar para recuperar los reactivos en procesos de neutralización ácido base
en los que se obtiene una sal de poco valor. Por ejemplo, en la industria papelera se
producen grandes cantidades de sulfato de sodio, este producto puede convertirse de
nuevo en ácido sulfúrico y sosa por medio de una electrodiálisis (10).
43
Capitulo II La Electrodiálisis.
2.6.5 Separación de Aminoácidos.
Los aminoácidos tienen la propiedad de que pueden ser protonados a valores de pH que
dependen de su punto isoeléctrico. Aprovechando esto, puede llevarse a cabo una
separación por electrodiálisis a diferentes pH para cada aminoácidos (10).
2.6.6 Recuperación de sales metálicas en Procesos de Recubrimiento Galvánicos.
Mediante electrodiálisis se logra concentrar las aguas de lavado de los recubrimientos y
recircularlas al proceso, con lo que se logra una recuperación superior al 90 %, no sólo
de los metales contenidos en la disolución de lavado, sino también de otros compuestos
como ácido bórico y cianuros. Además se minimiza el problema medioambiental que
implica desechar esta agua de lavado. Ejemplos de esta aplicación son la recuperación
de níquel y sales de cobre, entre otros (16).
2.6.7 Recuperación de ácidos Minerales y Metales Pesados.
Por medio de procesos de electrodiálisis con membranas muy especializadas, es
posible obtener concentraciones de ácidos comprendidas entre 12 y 22 %, partiendo de
disoluciones 100 veces más diluidas, lo que facilita el reciclado de dichos ácidos. En el
caso de efluentes que contienen metales pesados y otros residuos tóxicos es posible
eliminarlos, siempre y cuando estén ionizados, y concentrarlos para, mediante un
tratamiento posterior recuperarlos o depositarlos en vertederos controlados (16).
2.6.8 Electrodiálisis con Membranas Bipolares.
Las membranas bipolares tienen la propiedad de comportarse como aniónicas por una
cara y catiónicas por otra. La aplicación más importante de este proceso es la
regeneración de baños de decapado de acero. Las aguas residuales del proceso de
decapado contienen hidróxidos metálicos, ácido fluorhídrico (HF) y ácido de nítrico
(HNO3). Para su recuperación se precipitan los hidróxidos metálicos añadiendo
hidróxido de potasio (KOH), y la solución resultante es sometida a una electrodiálisis
con membranas bipolares con lo cual se regenera el KOH por un lado y por el otro se
tiene una mezcla de HF y HNO3 que es recirculada al proceso de decapado (16).
44
Capitulo III El Recurso del Agua
CAPITULO III
El Recurso del Agua.
El agua, junto con el aire, la tierra y la energía, constituyen los cuatro principales
recursos naturales básicos para la existencia y desarrollo del hombre. Los antiguos filósofos
griegos consideraban al agua como uno de los cuatros elementos junto con el aire, el fuego y
la tierra Los científicos no descartaron esta idea hasta la última mitad del siglo XVIII.
Desde épocas anteriores, el hombre utiliza el recurso agua como elemento necesario
para lograr mejores niveles de desarrollo. Es así, como el aprovechamiento de este recurso
natural le facilitó al hombre primitivo, hace aproximadamente 8.000 años, emprender el
camino de la segunda revolución tecnológica humana conocida como la revolución agrícola
social. Las principales culturas que surgieron en la antigüedad se desarrollaron en las riveras
de grandes ríos; este es el caso de Mesopotámica desarrollada en las riveras de los ríos Tigris
y Eufrates, la India en el Indo, la Egipcia en las márgenes del río Nilo y la China junto al río
Amarillo.
Como consecuencia de la revolución industrial, se produce un crecimiento exponencial
de la población humana y la expansión industrial por todo el planeta agravándose en la
segunda parte del siglo XX; situación que ha demandado grandes volúmenes de agua, y que
podría ser insostenible en nuestro siglo XXI, como consecuencia de esta demanda y el modelo
de gestión seguido por el hombre para satisfacerla ha ocurrido el agotamiento progresivo de
las fuentes naturales de estos recursos (17).
El agua es el componente químico más abundante en la biosfera y quizás el más
importante. Es también el mayor constituyente de los seres vivos; casi toda la vida en la tierra,
incluida la humana, utiliza agua como la sustancia indispensable para los procesos
metabólicos.
El agua en el ambiente no es químicamente pura, ya que en su ciclo hidrológico,
absorbe, arrastra y disuelve gases, minerales, compuestos vegetales y microorganismos que le
dan características muy especiales.
45
Capitulo III El Recurso del Agua
3.1 Disponibilidad del agua en el Planeta.
A pesar de que el volumen total del agua en el planeta es de 1,386·1018 m3, la cantidad de
agua dulce disponible es de aproximadamente sólo el 0,008%, es decir, 5,544·1015 m3. Esta
cantidad representa para una población mundial de 6 mil millones de personas un volumen
promedio de aproximadamente 9,24·105 m3 por persona. La velocidad a la cual se puede
utilizar esta aparente abundancia de agua está limitada por la rapidez con la cual el agua se
desplaza en el ciclo hidrológico. Como el tiempo de reposición, puede variar desde unos días
hasta 30.000 años, es difícil estimar una dotación per cápita continua (17).
Como una referencia más práctica para estimar la disponibilidad de agua, Kiely (18)
considera utilizar el balance hidrológico anual en el planeta que determina una precipitación
anual sobre la tierra de 119 mil km3; considera, además, que sólo puede estar disponible el
30%. Basado en esta información, la dotación por persona al día es aproximadamente 16,3·103
l/hab·día (17).
Esta disponibilidad diaria de 16 mil litros por persona no se corresponde con el déficit de
agua que tiene varias regiones del planeta. Actualmente, la escasez de agua potable en estas
regiones se debe a la distribución no uniforme de las fuentes de agua en la tierra, a la
ubicación de muchas ciudades lejos de estas fuentes, al aumento de la demanda de agua
potable y a la contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. La combinación de
estos factores nos demuestra por qué el consumo promedio diario de agua en el mundo es de
35 litros por persona. Como la Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda un
consumo por habitante de 250 litros, es evidente la escasez de agua en muchas regiones del
planeta.
El agua para abastecimiento público corresponde al agua de determinada calidad física,
química y biológica utilizada en hogares, escuelas, hospitales, comercios, limpieza de calles y
protección contra incendios. La calidad del agua de abastecimiento utilizada para consumo
humano tiene un impacto significativo en la salud y bienestar de la población.
46
Capitulo III El Recurso del Agua
El agua para la industria se utiliza como materia prima (por ejemplo en la industria de
refrescos y bebidas), en el control de procesos (como la refrigeración o la generación de
vapor) y en las operaciones de limpieza (lavado de equipos).
El agua para irrigación permite el desarrollo de la agricultura en regiones secas o cuando
los períodos de lluvia y verano son de baja pluviosidad. El agua como vía de transporte la
utiliza el hombre desde tiempos remotos con el fin de facilitar la comunicación y el
intercambio entre pueblos. El agua como medio de recreación es fundamental para la salud
física y mental de las personas; este es el caso del uso de las playas y balnearios en ríos (17).
Todos estos usos que corresponden a la cotidianidad de la civilización generan
consumos, que a medida en que aumenta el grado de contaminación de las fuentes, son menos
satisfechas, y es así como se genera la necesidad de preservar las fuentes naturales, y la
reutilización de las aguas ya usadas, ya sea para tratarlas completamente para su regreso
inmediato al servicio, o ayudar al ambiente tratándolas parcialmente (lo mínimo necesario)
para que la madre tierra haga el resto y así contar con mas tiempo de este vital recurso.
3.2 Las Aguas Residuales.
Hasta los años sesenta del siglo XX, la descarga de residuos líquidos en muchos ríos,
lagos o estuarios no modificó irreversiblemente sus propiedades naturales debido a que la
carga contaminante vertida era inferior a la capacidad de autopurificación de estos ecosistemas
acuáticos. Posteriormente, como consecuencia de la explosión demográfica e industrial el
exceso de materia contaminante vertido ha sobrepasado, en muchos casos, la capacidad natural
de purificación de las masas de agua receptoras, transformándolas en focos permanentes de
contaminación.
Las masas de agua receptoras al perder las propiedades físicas, químicas y biológicas
necesarias para mantener el equilibrio del ecosistema, pierden también sus condiciones
naturales para ser utilizadas como fuentes de abastecimiento de agua para uso doméstico e
industrial, para uso recreativo, como vías de transporte o como fuente de energía.
47
Capitulo III El Recurso del Agua
La perdida cada vez mayor de la calidad de las aguas naturales, aunado a las escasas
reservas de agua dulce en el planeta, llevó al hombre a plantearse la necesidad de revisar el
modelo actual de gestión de los residuos líquidos y estudiar su incidencia en la disponibilidad
de agua potable para las futuras generaciones (17).
Las aguas residuales son todos aquellos residuos líquidos resultantes de las diferentes
actividades del hombre, cuya calidad desde el punto de vista físico, químico o microbiológico
se considera no apta para el consumo humano. Se pueden clasificar en aguas domésticas,
aguas industriales y aguas municipales o negras (17).
El origen de los desechos es un determinante de las características de cada desecho. Se
distinguen tres tipos de desechos.
3.2.1 Desechos Líquidos Municipales.
Se originan principalmente en las viviendas y en el comercio, son las aguas residuales
de centros urbanos, la composición cambia de un lugar a otro, en función de las
condiciones socioeconómicas de la población, el clima y otros factores típicos de cada
localidad. Debido a los diferentes usos que se le han impartido, en las aguas residuales
hay más cloruros, sulfatos, nitrógeno, fósforo, sólidos y materia orgánica que en el
agua de consumo. Las concentraciones de oxigeno disuelto son muy bajas, ya que la
materia orgánica se descompone u oxida por la acción de microorganismos en el agua
consumiendo el oxigeno disuelto (19). Las labores domésticas contaminan el agua,
sobre todo, con residuos fecales y detergentes.
3.2.2 Desechos líquidos Agroindustriales.
Se produce en explotaciones pecuarias y en el procesado de cosechas de alimentos.
Aportan cantidades apreciables de materia orgánica biodegradable, materia en
suspensión, nitrógeno, fósforo, etc. (19). Los trabajos agrícolas y ganaderos pueden
producir una contaminación muy grave de las aguas de los ríos y los acuíferos, debido
sobre todo a los vertidos de aguas cargadas de residuos orgánicos, procedentes de las
labores de transformación de productos vegetales, o de los excrementos de los
animales.
48
Capitulo III El Recurso del Agua
3.2.3 Desechos Líquidos Industriales.
Las aguas industriales son generadas en las diferentes actividades industriales, por
tanto, pueden ser un residuo acuoso proveniente del proceso, el agua resultante de las
actividades de lavado o el agua utilizada como refrigerante. El volumen de agua
residual producida depende principalmente del tipo y tamaño del complejo industrial y
del porcentaje de agua reutilizada. Los residuos industriales, a diferencia de los
municipales, son de composición muy variada y sus características físicas, químicas y
biológicas son específicas para cada industria; por ejemplo, los residuos procedentes de
la industria láctea son muy biodegradables, en cambio los derivados de la industria de
la galvanotecnia son inorgánicos y tóxicos (17).
Entre los principales contaminantes e industrias que los generan están las siguientes
(19).
Materia orgánica biodegradable: Esta procede de mataderos, curtiembres, centrales
azucareros, fábricas de cerveza, destilados, alimentos enlatados, pasta alimenticia.
Materia en suspensión: Se originan en fábricas de jabones, aceites y grasa, cerveza,
hilados y laboratorios de productos farmacéuticos.
Compuestos orgánicos: Fenoles, orgánicos sintéticos, proceden de refinerías y
producción de petróleo, plantas de coque y productos sintéticos.
Agentes reductores inorgánicos: sulfitos, sulfatos y sales ferrosas, provienen de la
industria de la pulpa y papel y la minería.
Grasas, aceites, combustibles y materia flotante: se originan en fábricas de grasas,
aceites vegetales, jabones, productos lácteos y estaciones de servicio automotor.
Nitrógeno y fósforo: provienen de fábricas de fertilizantes, productos alimenticios
ricos en proteínas y operaciones pecuarias.
Color y turbidez: afectan la estética del agua, provienen de plantas de pulpa y papel,
industria textil, productos químicos, farmacéuticos, alimentos y limpieza de metales.
Calor: provienen de sistemas de enfriamiento, plantas termoeléctricas, calderas de
vapor y reactores nucleares, en este caso el agua residual, que no presenta
contaminantes orgánicos o inorgánicos, tiene una temperatura mucho más elevada que
49
Capitulo III El Recurso del Agua
la de los cauces a los que va a parar, ocasionando graves trastornos en los ecosistemas
acuáticos.
En el caso de la producción petrolera encontramos como principales residuos líquidos,
las aguas de producción y lodos perforación, los contaminantes principales de estos dos
residuos son: sales, aceites, gases, DBO, Olor, Fenoles y compuestos sulfurosos y aceites
En definitiva, la consecuencia de la producción de todos estos contaminantes es el
vertido de aguas residuales cargadas de materia orgánica, metales, aceites industriales e
incluso radiactividad. Para evitar los problemas que pueden causar los contaminantes de las
aguas residuales existen sistemas de depuración que sirven para devolverles las características
físicas y químicas originales.
3.3 Características de las aguas residuales.
El grado de contaminación que produce un agua residual se puede determinar por medio
de sus características físicas, químicas o biológicas. Es importante considerar que los
parámetros que determinan las características físicas, químicas y biológicas del agua no son
independientes entre si; este es el caso de la temperatura (parámetro físico) que afecta en el
agua la concentración de los gases disueltos (parámetro químicos) o la actividad biológica de
los microorganismos (parámetro biológico) (17).
3.3.1 Características Físicas.
Temperatura:
Varía de un lugar a otro y durante las horas del día y épocas del año. En el trópico
puede variar entre 15 y 26 ºC para desechos domésticos. El aumento de temperatura acelera la
descomposición de la materia orgánica, aumenta el consumo de oxigeno para la oxidación y
disminuye la solubilidad del oxígeno y otros gases. La densidad, viscosidad y tensión
superficial disminuyen al aumentar la temperatura, estos cambios modifican la velocidad de
sedimentación de partículas en suspensión y la transferencia de oxigeno en procesos
biológicos de tratamiento (19).
50
Capitulo III El Recurso del Agua
Sólidos:
Se encuentran en suspensión, coloidales y disueltos, en los análisis de laboratorio sólo
se hace la distinción entre sólidos en suspensión que retiene el papel de filtro #40 y disueltos.
Además se determinan los sólidos totales por evaporación (19).
La Turbidez:
Es una medida de la capacidad de un agua residual para transmitir o en su defecto
absorber la luz, debido a la cantidad de materia en suspensión y coloidal presente en el agua
como arcilla, limo, materia orgánica o microorganismos. El agua turbia restringe la
profundidad visual y refleja condiciones antiestéticas y no adecuadas para su uso (17).
El Color:
Es la respuesta visual a la presencia de sustancias orgánicas e inorgánicas en el agua
como taninos, ácidos húmico, óxidos de hierro o manganeso y residuos industriales
procedentes de procesos de pulpa y papel, textileras, colorantes, agroindustriales, mataderos,
etc. El color puede reflejar la edad del agua residual, por ejemplo, el agua residual municipal
recién producida es generalmente gris; sin embargo, a medida que avanza el proceso de
descomposición el color del agua cambia a gris oscuro para finalmente tornarse negra (17).
El Olor:
Es la respuesta fisiológica del sentido del olfato a la presencia en el agua residual de
sustancias volátiles, tanto orgánicas (fenoles, etc.) como inorgánicas (amoníaco, cloro, sulfuro
de hidrógeno, etc.). En el caso de las aguas residuales domésticas, el olor se debe
principalmente a los gases producidos durante la descomposición de la materia orgánica (17).
3.3.2 Características Químicas.
Los Ácidos y Bases:
Aportan cantidades de iones hidronio u oxidrilos suficientes para producir variaciones
en el pH natural de los ecosistemas acuáticos. El intervalo de pH apropiado para el desarrollo
de la vida está comprendido entre 6,5 y 7,5.
51
Capitulo III El Recurso del Agua
Los Cloruros:
Son aniones que se encuentran en el agua residual proveniente, en la mayoría de los
casos, de una de las sales más utilizadas en la alimentación humana como es el cloruro de
sodio. Se estima que el hombre expulsa a través de la orina y las heces aproximadamente 6
gramos de cloruros por persona al día, en consecuencia, la presencia de este ión en el agua
residual podría indicar la posible contaminación de origen fecal (17).
Los Nutrientes:
El nitrógeno agregado en las proteínas principalmente y el fósforo en compuestos
orgánicos y los detergentes son nutrientes que promueven el crecimiento de organismos
productores autótrofos en aguas receptoras de desechos (19).
Tóxicos:
Afectan a los microorganismos y a los procesos de tratamiento y provienen de
productos farmacéuticos, químicos y biocida. Algunos tóxicos comunes son: plomo, cromo,
zinc, mercurio, cianuro, ácidos, bases fuertes, derivados del petróleo y biocidas (19).
Gases disueltos:
En aguas residuales los gases son productos de la descomposición biológica de la
materia orgánica y de la transferencia desde la atmósfera. Los principales gases disueltos en
las aguas residuales son Oxigeno (O2), dióxido de carbono (CO2), sulfuro de hidrógeno (H2S),
amoníaco (NH3) y metano (CH4). El oxigeno es uno de los componentes más importantes de
las aguas naturales, de su presencia depende la vida de los organismos aerobios y, como
consecuencia, el equilibrio natural de los ecosistemas acuáticos. Por esta razón el oxigeno
disuelto es un indicador importante de la calidad de las aguas (17).
Demanda bioquímica de oxigeno (DBO):
El DBO u oxigeno consumible, es el requerido para oxidar o consumir la materia
orgánica como fuente de alimento por microorganismos aerobios. También se le conoce como
la DBO requerida por las bacterias durante el proceso de estabilización de la materia orgánica
52
Capitulo III El Recurso del Agua
susceptible de descomposición por acción bacteriana sirve como alimento para dichos
microorganismos, liberándose al mismo tiempo energía en el proceso de oxidación.
Mientras mayor es la DBO, mayor es la concentración de compuestos orgánicos en el
agua y se necesitaría mayor oxigeno disuelto para poder consumir en su totalidad la materia
orgánica. La DBO se expresa como mg de O2/l durante un periodo de 5 días a 20 ºC (19).
Demanda química de oxigeno (DQO):
La DQO se basa en que todos los compuestos orgánicos, pueden ser oxidados por la
acción de oxidantes fuertes como el dicromato de potasio, en medio ácido o sea la DQO
permite determinar en su totalidad la materia orgánica expresada en oxígeno necesario para
oxidación a CO2 y H2O. (19).
La Materia Orgánica:
La materia orgánica esta constituida principalmente por carbono, hidrógeno, oxigeno y,
en menor proporción, nitrógeno, azufre y fósforo. Las diferentes composiciones de estos
elementos químicos forman diversos grupos de compuestos; en el caso del agua residual los
compuestos más importantes son las proteínas, los carbohidratos, los aceites, las grasas, la
urea, los agentes tensoactivos y los pesticidas. Una característica importante de la materia
orgánica es que puede ser descompuesta por bacterias y hongos; pero durante el proceso de
descomposición se consume parcial o totalmente el oxigeno disuelto en el agua (17).
3.3.3 Características Biológicas.
En aguas residuales se encuentran microorganismos saprofitos que degradan la materia
orgánica en compuestos simples utilizando o no oxigeno disuelto, y microorganismos
patógenos agregados a las aguas que mueren rápidamente al encontrarse en un medio o hábitat
extraño. Los patógenos, sin embargo, sobreviven un tiempo suficientemente prolongado para
infectar a otros usuarios del agua (19).
53
Capitulo III El Recurso del Agua
3.4 Tratamiento de aguas residuales.
Los tratamientos para aguas residuales se encuentran estandarizados en todo el mundo, y
de acuerdo a la complejidad del efluente se aplican en mayor o menor grado. Generalmente el
proceso de purificación de las aguas siguen los siguientes pasos:
3.4.1 Pretratamiento: involucra principalmente unidades de proceso físicas y/o
químicas. “En aguas residuales urbanas esto significa la separación de materia
flotante, arena y manchas de aceite; el pretratamiento se aplica antes de someter el
afluente a otro tipo de proceso de separación de contaminantes y consiste en
separar las partículas de gran tamaño y uniformizar el caudal del afluente que entra
a la planta purificadora. Los equipos más comunes que se emplean en el
pretratamiento son: rejillas de desbaste, canales de desarenado, unidades de
flotación y homogenización.
3.4.2 Tratamiento primario: tiene como objetivo clarificar el efluente líquido residual
sedimentando la materia orgánica flotante en reposo. Para mejorar el rendimiento
de este proceso se añaden agentes químicos como sales de hierro, cal ó aluminio
que favorecen la coagulación.
3.4.3 Tratamiento secundario: también denominado biológico, consiste en degradar vía
biológica la materia orgánica presente en el efluente residual en compuestos no
contaminantes como H20, CO2 y lodos. Los principales sistemas de tratamiento
secundario son: lodos activados, filtros percoladores, biotorres, biodiscos,
eliminación biológica de nitrógeno y fósforo y sistemas combinados de
nitrificación-desnitrificación.
3.4.4 Tratamiento Químico: es el proceso terminal en la purificación de efluentes
residuales urbanos e industriales donde se emplean agentes químicos con el objeto
de eliminar los microorganismos patógenos contenidos en el agua (17,19).
54
Capitulo III El Recurso del Agua
3.4.5 Tratamientos avanzados de las aguas residuales: dependiendo de las metas de
calidad del agua para el tratamiento de aguas residuales, puede ser necesario algún
proceso adicional. Este tratamiento avanzado de aguas residuales generalmente
implica coagulación y floculación química, seguidas por algún aparato
especializado de clarificación. Como alternativa, algunos métodos de filtración del
agua residual o el procesamiento con membranas podría satisfacer las metas de
calidad del agua. Otra opción para el tratamiento avanzado (terciario) del agua
residual es la oxidación química de los componentes contaminantes de dicha agua
y la adsorción de los contaminantes usando carbón activado. Los procesos de
tratamientos secundarios generalmente eliminan más del 85% de DBO, sólidos en
suspensión y casi todos los elementos patógenos. En algunas circunstancias los
contaminantes restantes en el efluente secundario constituyen un problema grave.
Los procesos capaces de eliminar contaminantes que no fueron eliminados en el
tratamiento secundario se llama procesos de tratamiento avanzado de aguas
residuales. Los procesos avanzados se muestran en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Datos típicos de aplicación para operaciones y procesos de tratamiento avanzado de aguas
residuales (20).
Descripción
Tipo de agua residual
tratada
SS
DBO
Eficiencia de la eliminación, %
N
NH3
NO3
org.
DQO
PO4
TSD
Desecho Final
Operaciones físicas de la unidad
Remoción de amoniaco
con aire
Filtración
Multimedio
Lecho de diatomeas
Microfiltros
Destilación
Flotación
Aplicación en tierra
Osmosis inversa
Adsorción de carbono
Precipitación química
Precipitación química en:
Lodo activado
Intercambio iónico
Electrodiálisis
Oxidación (Cloro)
Reducción
ETB
---
----
---
85-98
---
---
---
---
Ninguno
ETB
ETB
ETB
ETB nitrificado **
Filtración
ETP, ETB
ETP, ETB
ETB **, Filtración
ETP, ETB
ETB
80-90
95-99
50-90
50-70
-----
40-60
-----
-------
20-40
--20-30
-------
-------
-------
Liquido y Lodo
Liquido
Lodo
99
60-90
95-98
95-98
80-90
80-90
98-99
--90-95
95-99
70-90
70-90
96-98
--80-90
90-95
60-75
60-70
----60-80
95-99
--5-15
90-98
20-30
80-95
95-99
50-90
30-50
99
--5-15
95-99
-----
99
--60-90
95-99
--90-95
95-99
----95-99
--20
Liquido
Lodo
Ninguno
Liquido
Liquido
Lodo
ETP
ETB**, filtración
ETB**, filtración**
Adsorción de carbono
ETB
ETB
80-95
---
90-95
40-60
85-90
30-50
30-40
85-98
30-40
80-95
30-40
80-90
30-40
85-98
30-40
---
Lodo
Liquido
-------
--80-90
---
--65-70
---
30-50
50-90
---
-------
30-50
--NO3
30-50
--NH3
40
-----
Liquido
Ninguno
---
Procesos de unidad biológica
Asimilación bacteriana
Desnitrificación
Recolección de algas
Nitrificacióndesnitrificación
ETP
Aguas de retorno
Agrícola
ETB
ETP,ETB
80-96
75-95
60-80
30-40
30-40
30-40
10-20
---
Lodo
-----
--50-75
--40-60
--50-90
--50-90
60-95
50-90
--50
-----
Ninguno
Algas
---
---
---
---
---
60-95
---
---
Ninguno
*ETP es el afluente del tratamiento primario, ETB es el afluente del tratamiento biológico
**Varía con el tipo de resina
55
Capitulo III El Recurso del Agua
3.5 Electrodiálisis en el tratamiento avanzado de aguas residuales.
La electrodiálisis es usada como un proceso de desalinización con membranas. Como
se explico en el capitulo anterior utiliza un campo eléctrico para extraer iones del agua
efluente. El efluente se desaliniza gradualmente hasta el punto de ser considerado agua
producto. No existe una división o separación física del efluente. El producto es esa agua sin
iones.
El proceso de electrodiálisis, tanto el normal como el que incluye inversión de la
polaridad, se usan en todo el mundo para desalinizar aguas salobres. Usando este proceso, se
puede producir agua potable (con menos de 500 mg/l de soluto) a partir de un efluente con
hasta 3000 mg/l de soluto. La electrodiálisis con inversión de polaridad no requiere
pretratamiento químico para prevenir las incrustaciones de carbonato o sulfato, aunque
requiera tratamiento químico para la limpieza periódica. El proceso de electrodiálisis no
elimina materia orgánica, bacterias ni sílice soluble. Por lo tanto, el agua producida contiene
las mismas cantidades de estos materiales que existían en el agua efluente. Los costos de
capital y operación alimentan significativamente al aumentar la salinidad del efluente (20).
A medida que la tecnología de membranas se ha perfeccionado en los campos de la
ósmosis inversa y la nanofiltración, las aplicaciones de
electrodiálisis resultan menos
económicas. Sin embargo, en ciertos casos, cuando la separación de los iones del agua es el
único requisito, los dos procesos de electrodiálisis todavía tienen algunos usos. En la tabla 3.2
se comparan los procesos de electrodiálisis y ósmosis inversa.
56
Capitulo III El Recurso del Agua
Tabla 3.2 Comparación de los sistemas de Osmosis Inversa y Electrodiálisis (20).
3.6 Las Aguas de Producción.
Se pronostica el incremento de los volúmenes de aguas de producción de petróleo (aguas
de capas) que se generan en forma de aguas residuales provenientes del proceso de
separación del agua del petróleo.
Estas aguas, de características salinas y alcalinas, con notable presencia de sulfuros,
sólidos suspendidos y petróleo (flotable y emulsionado), son dispuestas por medio de la
inyección profunda, y ocasionalmente vertidas superficialmente en afluentes naturales. Ambas
57
Capitulo III El Recurso del Agua
alternativas (la inyección de pozo o el vertido en la superficie) necesitan el tratamiento de
estas aguas para mejorar su calidad (21).
3.6.1 El impacto en el Ambiente.
En el ámbito de la industria de los hidrocarburos, la introducción de contaminantes a
los cuerpos de agua suele suceder en las distintas actividades necesarias de la industria. Desde
la etapa inicial de exploración donde el resultado final es la producción del crudo a gran
escala, se manejan una cantidad importante de materiales potencialmente contaminantes del
entorno geográfico. Uno de ellos son las aguas de producción. A continuación se muestran
diferentes casos en los que las aguas de producción son el problema a tratar, ya sea por la
contaminación del ambiente circunvecino a los pozos petroleros, o bien sea el evitar esa
contaminación y como retornar esas aguas al ambiente sin generar impacto en el ambiente. Así
como el hecho de la alta producción de este subproducto en la industria petrolera.
Gran Producción de Agua asociada se registra en pozos venezolanos.
Fuente: EL UNIVERSAL
25 de Julio de 2004.
“Más agua que crudo: eso es lo que está saliendo de los pozos operados directamente
por PDVSA. Si antes del paro la proporción era de medio barril de agua por cada uno de
petróleo, dos años más tarde se habla de cuatro por uno. Cuatro, por supuesto, son de agua”.
“Estas cifras y otras consideraciones que explican el camino al colapso que ha venido
transitando desde entonces la industria que sostiene la economía del país son producto de un
análisis y monitoreo continuo que un grupo de expertos en el tema (dentro y fuera de PDVSA)
han venido haciendo desde hace al menos dos años desde un bajo perfil que prefieren
mantener aun hoy en día pero que no les impidió, en 2003, alertar a PDVSA: había que
implementar una buena gerencia de explotación de yacimientos”.
“En los yacimientos de hidrocarburos conviven (en distintas combinaciones) agua,
crudo y gas, por lo que la extracción de petróleo viene asociada a estos fluidos. Esa
convivencia bajo tierra se hace en condiciones que generan un nivel de presión que se
58
Capitulo III El Recurso del Agua
aprovecha para obtener el petróleo por "recuperación primaria", por sus condiciones naturales.
Esa presión disminuye con el tiempo y para asegurar que el yacimiento siga siendo productivo
se aplican métodos de "recuperación secundaria" que sostengan e incrementen el índice de
presión”.
“En el yacimiento el agua siempre está por debajo del crudo y lo empuja hacia arriba,
de manera que uno de los métodos fundamentales de recuperación secundaria es reinyectar el
agua asociada a la extracción para acentuar esa presión desde abajo. El otro sistema es inyectar
parte del gas que no se procesa para comercializarlo para que presione desde arriba y
mantenga al crudo en una suerte de sándwich” (22).
Inaugurado Primer Foro Nacional de Aguas de Producción Petrolera
Fuente: PDVSA.COM
Noviembre de 2005
01-11-2005
Rumbo a la Corporación verde
Inaugurado Primer Foro Nacional de Aguas de Producción Petrolera
Barinas.- Bajo el eslogan "Del Oro Negro al Oro Blanco", el vicepresidente de Exploración y
Producción de PDVSA, Luis Vierma, inauguró este lunes en Barinas el “I Foro Nacional de Control,
”, cita que permitirá el intercambio de experiencias
Manejo y Disposición de las Aguas de la Industria Petrolera
entre especialistas nacionales e internacionales, y contribuirá a conocer y optimizar aún más
los procesos en materia acuífera petrolera.
En la apertura del encuentro Vierma destacó que el agua generada en la producción de
petróleo no debe ser vista como un problema pues puede ser aprovechada, con un manejo más
eficiente, como indicador para la comprensión de las cuencas sedimentarias: “el agua es el
primer componente, es el libro donde está escrita la historia de nuestras cuencas sedimentarias,
es una molécula mágica”, expresó el vicepresidente de Exploración y Producción de PDVSA.
Por otra parte, Vierma señaló que “nuestras aguas de desechos podrán ser empleadas
para el riego y poder así apalancar la actividad agrícola, ese es el gran reto para agregar valor a
las aguas de producción, aprovechar la energía térmica”.
59
Capitulo III El Recurso del Agua
Igualmente, Vierma hizo una exhortación a “retornar a la tecnología de recuperación
secundaria con el uso del agua, ya que en muy corto plazo PDVSA se va a convertir en una
corporación verde”.
Dentro de los objetivos establecidos para el foro que se lleva a cabo en Barinas, está
visualizar y asegurar la sinergia del subsuelo para el manejo efectivo del agua de producción,
compartir los diferentes sistemas de tecnologías que reducen la producción de agua en los
pozos y difundir caos de estudios sobre los temas relacionados al foro.
De esta manera Petróleos de Venezuela fomenta la actualización de tecnologías e
ideas capaces de elevar los niveles de calidad y seguridad en el manejo de aguas de
producción petrolera, iniciativa que está enmarcada dentro de los planes de Siembra Petrolera
que la Corporación y el Gobierno Bolivariano ejecutan con el propósito de impulsar al
desarrollo del país (23).
En la última nota se resalta el interés de la industria petrolera nacional por el estudio
sobre el manejo de las aguas de producción.
Perú: Petrolera podría ser demandada por contaminación
Fuente: IPS (ipsnoticias.net)
Agosto del Presente año.
¡Arankartuktaram!, ¡Respétennos!, exclaman en su lengua las comunidades indígenas
achuar desde el corazón de la Amazonia de Perú. El grito va dirigido al Estado y a las
empresas
multinacionales
de
exploración
y
explotación
de
hidrocarburos.
Luego de más de 30 años de sufrir contaminación ambiental, el pueblo achuar de la
cuenca del río Corrientes, en la selva peruana, evalúa iniciar acciones legales contra las
compañías responsables de los daños. Este sería el primer caso llevado a las instancias
judiciales por los pueblos indígenas en este país.
60
Capitulo III El Recurso del Agua
Las actividades de explotación petrolera en territorios indígenas comenzaron con la
presencia de la estadounidense Occidental Petroleum Corporation (Oxy) en los años 70. A
partir de 1996, la compañía de capitales argentinos Pluspetrol Norte opera en las cuencas altas
de los ríos Pastaza, Corrientes y Tigre, y desde el año 2000, ha extendido su área de
intervención.
La investigación gubernamental "Visita de reconocimiento para la evaluación de la
calidad sanitaria de los recursos hídricos y muestreo biológico en las comunidades de la
cuenca del río Corrientes", publicado en mayo de 2006, contiene un informe científico sobre la
presencia de metales pesados en la población indígena, el cual fue elaborado como respuesta a
un petitorio de la Federación de Comunidades Nativas del rió Corrientes (Feconaco).
La ONG asegura que además hay contaminación en las lagunas y los lagos, donde se
abastecían de pescado las comunidades, y que se han alejado los animales del monte, que eran
alimento de los pobladores. Se trata, dice un documento de Racimos de Ungurahui, de una
cadena de daños originada por la actividad petrolera que se convierte "en un instrumento de
violación de uno de los derechos fundamentales de los pobladores: la alimentación".
Robert Guimaraes, vicepresidente de la Asociación Interétnica de Desarrollo de la
Selva Peruana (Aidesep), manifestó en nombre de las comunidades afectadas que urgía la
reinyección y el tratamiento de las aguas de producción, atender los pasivos ambientales y
evitar las actividades de nuevas petroleras en territorio achuar.
Al respecto, el ministro de Energía y Minas, el arquitecto Juan Valdivia Romero, dijo
a IPS que funcionarios de su despacho mantienen reuniones con los directivos de Pluspetrol
Norte, para que se aceleren las labores de reinyección de las aguas residuales de producción en
el subsuelo, como método de disposición ambiental aceptable.
Sobre el conjunto de los daños ambientales producidos por las empresas petroleras,
Valdivia Romero afirmó que "reconocemos la importancia que tiene para las comunidades la
pronta disminución de los pasivos ambientales. Nosotros, desde la dirección de fiscalización,
le exigimos a la empresa el estricto cumplimiento de las normas sobre el manejo de las aguas
asociadas a la extracción del petróleo" (24).
61
Capitulo III El Recurso del Agua
En este caso muy especial se da de manifiesto como el vertido de las aguas de
producción a los afluentes naturales no afecta solo al medio ambiente, si es responsable del
deterioro de la calidad de vida de la comunidad indígena, el problema no solo es de la madre
tierra, también afecta significativa mente al ser humano.
3.7 Legislación Ambiental.
En nuestro país existen normas y leyes para la protección del ambiente así como un
organismo que vela por el cumplimiento de ellas, este organismo es el Ministerio del
Ambiente y Los Recursos Naturales.
Entre las principales normas que rigen el control de la calidad de los cuerpos de agua y los
vertidos líquidos es el conocido como “Decreto 883” publicado en Gaceta Oficial de la
Republica de Venezuela Nº 5.021 el 11 de octubre de 1995, el cual dicta las Normas para la
Clasificación y el Control de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos o Efluentes
Líquidos. (25). En este decreto el estado venezolano reconoce la obligación de proteger las
cuencas hidrográficas, la clasificación y control de la calidad de los cuerpos de agua y el
control de los efluentes líquidos susceptibles a degradar el medio acuático y alterar los niveles
de calidad para preservar y mejorar el medio ambiente.
En el Capitulo III (del control de vertidos líquidos) en el articulo 7 (la sección I de este
decreto) se habla de las actividades que están sujetas a control por este decreto, de acuerdo a
la Clasificación Industrial Internacional Uniforme de las Naciones Unidas, la lista de
actividades industriales es grande pero resalta la de La Producción de Petróleo y Gas Natural,
la cual esta clasificada como división 22, agrupación 220 grupo 2200 (25).
Además toda actividad que genere vertidos líquidos que no estén incluidas en el artículo 7
son controladas por este decreto, es así como en el artículo 8 señala que serán controladas:
a)
Actividades cuyos vertidos contengan elementos tóxicos o nocivos indicados en el artículo
9, grupo I ver anexos.
b)
Actividades cuyos vertidos superan una población equivalente de 1000 PE en términos de
demanda bioquímica de oxigeno (DBO5,20), con sólidos suspendidos por encima de
62
Capitulo III El Recurso del Agua
90g/had/día o DBO mayor de 54 g/had/día o que afecten desde el punto de vista sanitario
áreas recreacionales o cuerpos de agua.
c)
Las aguas servidas que en su conjunto, tenga descargas que excedan el límite de 1000 PE, en
términos de DBO5,20.
Otro artículo a resaltar en este resumen del decreto 883, es el articulo 9, y destacar que en
el grupo II de los constituyentes de vertidos líquidos, se habla de sustancias que aún cuando no
se conozca de su efecto tóxico, agudo o crónico, genera condiciones en el cuerpo receptor que
afecta la biota o perjudican cualquier uso potencial de las aguas. Es en este grupo que
encontramos entre muchos otros constituyentes de la contaminación a los cloruros. Y a más
allá en el artículo 10 se establecen los rangos y límites máximos de calidad de vertidos
líquidos a ríos, estuarios, lagos y embalses. Encontramos que para cloruros el límite máximo
es de 1000 mg/l.
Hemos visto parte de las normas que controlan el vertido de los residuos líquidos, y se han
resaltado los que hablan sobre la concentración de cloruros ya que es lo que se busca controlar
con el proceso de electrodiálisis. Las empresas productoras de petróleo están en la obligación
de cumplir estas normas y de allí la inquietud sobre el tratamiento de las aguas asociadas a la
extracción del hidrocarburo.
63
Capitulo IV Antecedentes
CAPITULO IV
Antecedentes.
La base fundamental para la elaboración de un proyecto, constituye la evolución
de una idea propia o ajena, de alguna inquietud que se tiene para resolver un problema.
En vista de ello es necesario realizar la investigación de trabajos similares acerca del
proyecto. A continuación se presenta un antecedente (el único a nuestro conocimiento)
donde se estudió la desalación de aguas de producción con el uso de la electrodiálisis.
SIRIVEDHIM, T; Mc CUE, J; DALLBAUMAN, L; Reclaiming produced water
for beneficial use: salt removal by electrodialysis. Se utilizó la Electrodiálisis para
remover sales de cinco tipos aguas de producción sintéticas que simulaban a diferentes
pozos productores de los Estados Unidos, tres de esas aguas fueron de baja
concentración de sales y las otras dos de alta concentración. Se evaluaron el efecto de
aplicar tres diferentes caídas de potencial (3,0, 6,5 y 9,8V), y el efecto de las diferentes
concentraciones, el orden de transferencia de los cationes también fue estudiado y se
encontró el orden (del mas rápido al mas lento) Mg2+ ≈ Ca2+ > K+ > Na+. También se
encontró que a mayor voltaje es menor el tiempo de tratamiento y que para soluciones
de alta concentración de sales se requirió más tiempo de proceso. (27).
64
Capitulo V Metodología Experimental
CAPITULO V
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Para alcanzar los objetivos propuestos fue necesario hacer diversas pruebas
experimentales; para ello se utilizaron materiales y equipos, además de una metodología para
los diferentes ensayos y pruebas realizadas en el laboratorio.
5.1 Materiales y Equipos Usados.
Entre los materiales usados en las pruebas realizadas en el proyecto se encuentran:
Material de vidrio de laboratorio: como buretas, fiolas, agitadores, embudos, matraces,
vasos precipitados, pipetas, cilindros graduados, balones aforados de 25 ml, 50 ml, 100 ml,
500 ml, 1000 ml y 2000 ml.
Figura 5.1 Buretas usadas.
Soporte universal.
Cronómetro.
Desecadora con Silica Gel.
Para medir la conductividad de las soluciones se utilizó un conductímetro de OAKTON
modelo CON510 TDS, y una celda de conductividad modelo WD-35608-50 con sensor de
temperatura, cuyas características son:
Intervalo para la constante de celda: 0,75 – 0,95 cm-1.
Rango de Conductividad: < 100 mS/cm.
Rango de temperatura: 0 – 100 ºC.
65
Capitulo V Metodología Experimental
Cuerpo de Epoxi.
Electrodos de Acero inoxidable de constante K=1,0.
Figura 5.2 Conductimetro
Equipo de filtración para separar los sólidos suspendidos, dicho equipo constaba de:
Papel de filtro Whatman® de N# 2 Cat Nº 1002150 de 15,0 cm de diámetro 40
ashless, hecho de celulosa.
Bomba de vacío.
Matraz Kitasato.
Embudo buncher.
a
b
c
d
Figura 5.3 Equipo de filtración para aguas de producción. (a)Papel de filtro, (b) embudo, (c) kitasato y
(d) equipo completo con la bomba de vacío.
66
Capitulo V Metodología Experimental
Balanza analítica digital Denver Instruments.
Figura 5.4 Balanza Digital
Equipo de Absorción Atómica: para la determinación de los iones disueltos en las aguas
tratadas, específicamente sodio, potasio, calcio y magnesio, se utilizó un espectrofotómetro
de absorción atómica Marca Varian modelo SpectrAA 55B.
Figura 5.5 Equipo de Absorción Atómica SpectraAA 55B
El equipo utilizado para la desmineralización de las soluciones de cloruro de sodio y la
solución sintética, es un electrodiálizador modelo CH-O, fabricado por la empresa
japonesa Asahi Glass Co. (ver figura 5.6). Este modelo de electrodiálizador, es un equipo
comercial a escala piloto para uso experimental, el cual proporciona los mismos resultados
que un equipo industrial. El diagrama del equipo y sus circuitos hidráulicos se muestran en
la figura 5.7. Las especificaciones del electrodiálizador son las siguientes:
Modelo: CH-O.
Número de pares de membranas: 10
Membrana aniónica: AMV (estándar)
Membrana catiónica: CMV (estándar)
Membrana del ánodo: CMV (estándar)
Membrana del cátodo: CMV (estándar)
Dimensiones de las membranas: 160mm ancho x 240mm largo.
Área efectiva de las membranas: 0,021 m2.
Espesor del espaciador: 0,75 mm.
67
Capitulo V Metodología Experimental
Material del ánodo: Pt - Ti.
Material del cátodo: SUS316.
Material del sistema de tubería: U-PVC.
Tanques de almacenamiento: el electrodiálizador posee tres tanques rectangulares de
PVC de 3,5 litros de capacidad cada uno, para almacenar las soluciones diluida,
concentrada y de lavado, que serán alimentadas al equipo.
Rotámetros: cada circuito de flujo posee un rotámetro de área, elaborado de PVC y
acrílico, con rango de trabajo de 0 – 300 l/h.
Bombas: tres bombas centrifugas fabricadas por Iñaki Pumps, con una descarga
máxima de 16 – 19 l/min y una cabeza máxima de 2,7 – 4,2 m de agua (50 – 60 Hz).
Para el suministro de corriente se utilizó una fuente de poder fabricada por Kikusi modelo
350 W–PAN35-10A, cuyas especificaciones son:
Voltaje y frecuencia de entrada: 120 V, CA monofásica, 50/60 Hz.
Voltaje variable entre 0 – 35V.
Corriente variable entre 0 – 10A.
a
d
c
b
e
Figura 5.6 Imágenes del Electrodiálizador usado para la experiencia. (a) Electrodializador, (b) paquete con
membranas, (c) electrodializador, (d) bombas, (e) fuente de poder.
68
Capitulo V Metodología Experimental
Figura 5.7 Esquema del los circuitos hidráulicos del electrodiálizador CH-O
El circuito representado por el color verde en la figura 5.7 muestra la trayectoria de la
solución de lavado de electrolitos, la cual sale del tanque TE pasa por una bomba, luego por
un rotámetro y al final se divide en dos corrientes que se dirige a cada uno de los
compartimientos de los electrodos (cátodo EK y ánodo EA);
igualmente la línea azul
representa el circuito de solución diluida (solución de la que queremos eliminar los iones),
dicha solución parte del tanque TD, pasa por la bomba, un rotámetro y una válvula que regula
su flujo, pasa por el compartimiento D (diluido) y al final terminan en el tanque TD; por
ultimo el circuito de color rojo representa el ciclo de la solución concentrada que lleva una
trayectoria similar al anterior.
5.2 Reactivos.
Cloruro de sodio (NaCl, Riedel de Haën, extrapure).
Sulfato de sodio (Na2SO4, Riedel de Haën, grado analítico).
Acido sulfúrico (Fluka, 95-97%, H2SO4).
Cloruro de potasio (Riedel de Haen, pro analisi, KCl).
69
Capitulo V Metodología Experimental
Bicarbonato de sodio (Reactivos S.A., USP, NaHCO3).
Sulfato de magnesio (Riedel de Haen, pro analisi, MgSO4).
Cloruro de calcio (Merck, pro analisi, CaCl2)
Nitrato de Plata (AgNO3 al 99,8% de pureza).
Cromato de Potasio (K2CrO4).
Agua Destilada.
5.3 Metodología.
Los pasos realizados en las pruebas y ensayos para cumplir a cabalidad cada uno de los
objetivos propuestos se describen a continuación.
5.3.1 Preparación de soluciones de NaCl y de Agua sintética para las corrientes de
concentrado y diluido en el equipo de electrodiálisis y otras soluciones necesaria para los
ensayos.
Se prepararon inicialmente soluciones de NaCl de 1000 y 2500 ppm para la primera fase
del proyecto, la primera se utilizó como solución en donde se concentró la sal, y la segunda
como solución a diluir. Para cada corrida se prepararon dos litros de cada una de las
soluciones. En la segunda fase del proyecto se utilizó una solución de 500 ppm de NaCl como
la solución de concentración.
Además de las soluciones anteriores se prepararon dos litros de una solución de
Na2SO4 al 3% peso, y se acidificó con H2SO4 para mantener la solución en un pH entre 3 y 2.
Esta solución es usada como solución de lavado de los electrodos.
También se prepararon soluciones de NaCl de 50 y 10 ppm, y se midieron sus
conductividades para tener una referencia al momento de realizar las pruebas con el
electrodiálizador.
La solución utilizada como solución a diluir en la segunda fase del proyecto fue un “Agua
Sintética” con la que se buscaba simular las aguas de producción obtenidas del pozo La
Victoria del estado Apure, el contenido de esta Agua Sintética se muestra en la siguiente tabla.
70
Capitulo V Metodología Experimental
Tabla 5.1 Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de producción “Agua
Sintética”.
Compuesto
mmoles mg para 2 litros
NaHCO3
38
3192,38
Na2SO4
0,2
28,4
NaCl
116,8
6825,8
MgSO4·6H2O
7,8
1781,3
KCl
1,54
114,8
CaCl2
2,8
310,8
Buscando estudiar el efecto en la concentración de la corriente a diluir, se preparó otro tipo
de Agua Sintética similar a la anterior pero al doble de la concentración en todos los
compuestos que la componen, quedando de la siguiente manera (Tabla 5.2).
Tabla 5.2 Cantidades para preparar 2 litros de solución sintética de agua de producción al doble de su
concentración “Agua Sintética 2”.
Compuesto
mmoles mg para 2 litros
NaHCO3
76
6384,76
Na2SO4
0,4
56,8
NaCl
233,6
13651,6
MgSO4·6H2O
15,6
3562,6
KCl
3,08
229,6
CaCl2
5,6
621,6
Las soluciones empleadas para determinar la concentración de cloruros por el método de
Mohr fueron nitrato de plata como titulante y como indicador cromato de potasio. Dichas
soluciones fueron de 0,02 N de AgNO3, y 0,01 M de K2CrO4. Para la preparación de dos litros
de solución de nitrato de plata fue necesario pesar 6,8084 g de dicho compuesto al 99,8%,
luego de preparada la solución fue necesario valorarlo para determinar su concentración
exacta, ya que es la solución titulante y es necesario saber el valor exacto de su concentración,
para ello se prepara una solución de NaCl a 0,02M, con una sal previamente desecada en la
campana desecadora con silica gel, y con esta solución conocida se procede a aplicar el
método de Mohr para determinar la concentración del nitrato de plata.
En los ensayos de Absorción Atómica realizados para determinar metales en las muestras
se prepararon diferentes soluciones para cada uno de los ensayos realizados. Para analizar el
71
Capitulo V Metodología Experimental
sodio por emisión de llama se preparó una solución de KCl a 2000 ppm para realizar las
disoluciones necesarias de las muestras durante el ensayo ya que en la prueba no se puede
diluir con agua destilada, requiriéndose alrededor de 6 litros para todo el ensayo, además se
pesó 0,6355 g de NaCl desecada para preparar 250 ml de NaCl a 1000 ppm Na+ (diluyendo
con KCl), esto con el fin de utilizarla como solución madre para realizar las diluciones de
dicha solución a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm de Na+ y con ello realizar la curva de calibración de la
absorción atómica (siempre diluyendo con la solución KCl preparada anteriormente). Las
diluciones de NaCl se obtienen a partir de alícuotas provenientes de la solución madre. El
volumen necesario de la alícuota para preparar una solución de NaCl de concentración CNaCl,
se obtiene mediante:
Vsol .madre =
Vsol ·C NaCl
C sol .madre
Ec. 4.1
Donde:
Vsol.:
Volumen de la Solución a preparar
Vsolmadre: Volumen de la Solución madre de NaCl a añadir
CNaCl:
Concentración de NaCl de la solución a diluir
Csol.madre Concentración de NaCl de la solución madre
Para los ensayos de determinación de K+, Mg2+ y Ca2+ se procedió de la misma manera,
pero esta vez las preparaciones y diluciones se realizaron con agua destilada en el caso del
ensayo de potasio, y con agua regia para los ensayos de magnesio y calcio. Las soluciones
madres preparadas para realizar la curva de cada uno de los análisis son como los indica el
manual del equipo de absorción atómica, dichas soluciones están conformadas como se
muestra en al tabla 5.3.
Tabla 5.3 Cantidades para preparar las soluciones madres para los ensayos de Potasio, Magnesio y
Calcio por absorción atómica.
Ensayo
g por litro
Concentración en ppm
K+
1,907 de KCl seco
1000
Mg2+
1,000 sal de magnesio seco
1000
Ca2+
2,497 de CaCO3 seco
1000
Las soluciones de Mg2+ y Ca2+ se prepararon en agua regia.
72
Capitulo V Metodología Experimental
5.3.2 Pruebas de desalación de las soluciones de NaCl en el electrodializador.
En la primera fase del proyecto de grado se realizaron pruebas preliminares de desalación
con soluciones de NaCl para demostrar la transferencia de los iones desde la corriente que
queremos diluir (que se llamará desde ahora “Diluido”) hasta la corriente en la que queremos
concentrar (que se llamará desde ahora “Concentrado”).
La primera prueba con NaCl se realizó a un voltaje fijo de 30 V, y luego una segunda
prueba a un voltaje fijo de 15 V, esto con el fin de determinar a que voltaje es más conveniente
trabajar.
El procedimiento empleado para la desalación realizada con el electrodiálizador fue el
siguiente:
1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 1000 ppm y otros dos litros de una
solución de NaCl de 2500 ppm, la primera se agrega en el recipiente de concentrado y
la segunda en el recipiente de diluido, se miden las conductividades iniciales de cada
solución.
2. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajusta el pH a 2 con ácido
sulfúrico. Luego se introduce en el tanque de la solución de lavado.
3. Se encienden las bombas, verificando primero que las válvulas de
salida de las
bombas estén cerradas.
4. Por medio de los rotámetros, se fijó el flujo de cada circuito, se utilizó el mismo flujo
para cada circuito, este flujo fue de 200 l/h.
5. Antes de continuar hay que cerciorarse de que no hay fugas (goteos) en
las
membranas.
6. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje con el cual se desea trabajar. Para la
primera corrida se fijó en 30 V. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se
73
Capitulo V Metodología Experimental
verifica que esté encendida la señal de corriente constante (CC), al mismo tiempo se
pone en marcha el cronómetro.
7. Se toman muestras de las corrientes diluido y concentrado continuamente a medida que
el amperaje varía en el tiempo, y medir su conductividad para llevar un control de la
desalación, temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra y el voltaje
y amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).
8. Cuando la corriente alcance valores de conductividad entre los medidos para las
soluciones de 50 y 10 ppm (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a 19,6 ºC ) o cuando
los valores de amperaje no varían se detiene la prueba; primero se detiene el paso de
corriente de la fuente a los electrodos y luego se apagan las bombas.
9. Se cierran las válvulas de salida de las bombas.
10. Luego se vacían los tanques de almacenamiento.
Una vez completado el procedimiento de desalación, se procede al lavado del
electrodiálizador, para ello se llenaron los tanques con agua destilada y se hizo recircular por
unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detiene la
circulación de agua y se vacían los tanques.
La segunda corrida siguió el mismo procedimiento pero esta vez el voltaje se fijo en 15 V
para realizar las comparaciones. En esta fase se realizaron dos repeticiones por prueba, la tabla
5.5 muestra un resumen de los experimentos en esta fase.
74
Capitulo V Metodología Experimental
Tabla 5.4 Experiencias realizadas en la primera fase del proyecto.
Experiencia
Tipo de Prueba
Voltaje: 30 V
0:1
Flujo: 200 l/h
Concentración inicial de diluido (2500 ppm)
Voltaje: 30 V
0:2
Flujo: 200 l/h
Concentración inicial de diluido (2500 ppm)
Voltaje: 15 V
1:1
Flujo: 200 l/h
Concentración inicial de diluido (2500 ppm)
Voltaje: 15 V
1:2
Flujo: 200 l/h
Concentración inicial de diluido (2500 ppm)
5.3.3 Pruebas de desalación de Aguas sintéticas en el electrodializador.
En esta segunda fase del proyecto se estudió el efecto de la variación del caudal de las
corrientes, y la variación de la concentración del agua sintética en el proceso.
El procedimiento empleado para estas pruebas fue el siguiente:
1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 500 ppm y otros dos litros de agua
sintética (ver punto 5.3.1 de este capítulo), la primera se agrega en el recipiente de
concentrado y la segunda en el recipiente de diluido, se miden las conductividades
iniciales de cada solución y se guardan para determinar cloruros y los otros metales.
2. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajustó el pH a 2 con ácido
sulfúrico. Luego se introduce en el tanque de la solución de lavado.
3. Se encienden las bombas, verificando primero que las válvulas de
salida de las
bombas estén cerradas.
4. Por medio de los rotámetros, se fijó el flujo de cada circuito, se utilizó el mismo flujo
para cada circuito, este flujo fue de 200 l/h.
5. Antes de continuar se corrobora de que no hay fugas (goteos) en las membranas.
6. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje a la que se desea trabajar, en 30 V,
ya que con 15 V el proceso dura mucho más tiempo y las corrientes se calientan
considerablemente, debido al calor generado por las bombas, lo que afecta la lectura
del conductimetro. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se verificó que
75
Capitulo V Metodología Experimental
esté encendida la señal de corriente constante (CC) al mismo tiempo se pone en
marcha el cronómetro.
7. Se toman muestras de las corrientes diluido y concentrado continuamente a medida que
el amperaje varía en el tiempo, esto se hizo cada 3 min aproximadamente (se deben
guardar al menos 5 muestras en beakers para los análisis posteriores), y de cada
muestra se debe medir la conductividad para llevar un control de la desalación,
temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra, el voltaje y el
amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).
8. Cuando la corriente alcanzó valores de conductividad entre los medidos para las
soluciones de 50 y 10 ppm de NaCl (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a 19,6 ºC ) o
cuando los valores del amperaje no varían se detuvo la prueba, primero se detuvo el
paso de corriente de la fuente a los electrodos, se detuvo el cronómetro y luego se
apagaron las bombas. La operación finalizó cuando la conductividad de la solución
sintética fue equivalente a la conductividad de una solución entre 10 y 50 ppm de
NaCl.
9. Se cerraron las válvulas de salida de las bombas.
10. Luego se vaciaron los tanques de almacenamiento.
11. Se identificaron los recipientes de las muestras guardadas, para poder saber a que
experimento y a cual corriente y tiempo en dicho experimento pertenece.
Una vez completado el procedimiento de desalación, se procedió al lavado del
electrodiálizador, para ello se llenan los tanques con agua destilada y se hacen recircular por
unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detiene la
circulación de agua y se vacia los tanques. Para cada prueba se repitió el esquema anterior,
pero modificando los caudales a 300 y 100 l/h, también se utilizo “Agua Sintética 2” (al doble
de la concentración) en otras experiencias con las mismas variantes. Cada experimento se hizo
por duplicado y la tabla 5.6 muestra un resumen de los experimentos en esta segunda fase.
76
Capitulo V Metodología Experimental
Tabla 5.5 Experiencias realizadas en la segunda fase del proyecto.
Experiencia
Tipo de Prueba
Voltaje: 30 V
2:1
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
2:2
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
3:1
Flujo: 300 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
3:2
Flujo: 300 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
4:1
Flujo: 100 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
4:2
Flujo: 100 l/h
Corriente diluido: Agua Sintética
Voltaje: 30 V
5:1
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
Voltaje: 30 V
5:2
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
Voltaje: 30 V
6:1
Flujo: 300 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
Voltaje: 30 V
6:2
Flujo: 300 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
Voltaje: 30 V
7:1
Flujo: 100 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
Voltaje: 30 V
7:2
Flujo: 100 l/h
Corriente diluido: “Agua Sintética 2”
5.3.4 Filtración previa de las Aguas de Producción.
Con la finalidad de eliminar los sólidos suspendidos con los que vienen las aguas de
producción desde el pozo (en nuestro caso de La Victoria estado Apure), entre ellos restos de
tierra y lodo que pueden afectar la integridad de las membranas y el resto del equipo, así como
el desarrollo de la prueba; se practicó una filtración antes de tratar dichas aguas en el
electrodializador, y así preservar el buen estado de las membranas y demás componentes del
equipo.
77
Capitulo V Metodología Experimental
El procedimiento es el siguiente:
1. Se arma el equipo de filtración descrito en la parte 5.1 como se
muestra en la figura 5.9
2. Se enciende la bomba de vacío y se abren las válvulas del
Figura 5.8 Equipo de filtración
sistema.
3. Luego se revisa para que no haya escape de vacío por las
conexiones y se coloca el papel de filtro ( Whatman N° 2).
4. Se agrega el agua de producción en el embudo poco a poco y
se espera a que pase hacia el kitasato, se debe tener cuidado
de que el vacío no arrastre agua de producción para
evitar perdidas.
Figura 5.9 Filtración del agua de producción
5. Hay que vigilar el estado del papel de filtro y cambiarlo cuando se note que esta muy
cargado de sólidos.
6. Detener la bomba en cuanto el kitasato se llene y transvasar el filtrado a un envase
previamente lavado.
7. Repetir el proceso cuantas veces sea necesario.
5.3.5 Pruebas de desalado de Agua Producción en el Electrodiálizador.
Con la finalidad de evaluar el desempeño de la desalación en el electrodializador se realizó
una prueba con agua de producción autentica procedente de La Victoria estado Apure, de
composición similar al de las aguas sintéticas tratadas anteriormente. La idea de esta prueba
era comprobar a las condiciones de una de las pruebas anteriores, la desalación de unas aguas
reales de pozo y determinar el consumo energético del proceso. Debido a que fue muy difícil
obtener una muestra suficiente de esta agua sólo se realizó una prueba a 200 l/h con una
repetición, y no a diferentes velocidades de flujo ya que no se contaba con suficiente muestra
de agua.
El procedimiento empleado para estas pruebas fue el siguiente:
78
Capitulo V Metodología Experimental
1. Se prepararon dos litros de una solución de NaCl de 500 ppm, se agregaron en el
recipiente de concentrado, se midieron las conductividades iniciales de cada solución y
se guardaron para determinar cloruros y los otros metales.
2. Se filtró la muestra de agua de producción de La Victoria como se explica en el punto
5.3.4, luego se midieron dos litros de filtrado y se agregaron en el recipiente de diluido.
Se midieron las conductividades iniciales de cada solución y se guardaron para
determinar cloruros y los otros metales.
3. Se prepararon dos litros de solución de Na2SO4 al 3 % y se ajustó el pH a 2 con ácido
sulfúrico. Luego se introduce en el tanque de la solución de lavado.
4. Se encendieron las bombas, verificando primero que las válvulas de salida de las
bombas estaban cerradas.
5. Por medio de los rotámetros, se fijó el flujo de cada circuito, se utilizó el mismo flujo
para cada circuito, este flujo fue de 200 l/h.
6. Antes de continuar se corrobora de que no hay fugas (goteos) en las membranas.
7. Se encendió la fuente de poder y se fijó el voltaje con el cual se desea trabajar, este fue
de 30 V. Luego se oprime el botón de salida de la fuente y se verifica que esté
encendida la señal de corriente constante (CC), al mismo tiempo se da marcha al
cronómetro.
8. Se toman muestras de las corrientes diluido y concentrado continuamente a medida que
el amperaje varia en el tiempo, esto se hace cada 3 min aproximadamente (se deben
guardar al menos 5 muestras en beakers para los análisis posteriores), y de cada
muestra se debe medir la conductividad para llevar un control de la desalación,
temperatura, y anotar el tiempo en el que fue tomada la muestra, el voltaje y el
amperaje para ese momento (se puede leer en la fuente de poder).
79
Capitulo V Metodología Experimental
9. Cuando la corriente alcanzó valores de conductividad entre los medidos para las
soluciones de 50 y 10 ppm, equivalente de NaCl (0,10 y 0,02 mS/cm respectivamente a
19,6 ºC ) o cuando los valores del amperaje no variaron finaliza la prueba, primero se
detuvo el paso de corriente de la fuente a los electrodos, se detuvo el cronómetro y
luego se apagaron las bombas.
10. Se cerraron las válvulas de salida de las bombas.
11. Luego se vaciaron los tanques de almacenamiento.
12. Se identificaron los recipientes de las muestras guardadas, para poder saber a que
experimento, a cual corriente y tiempo en dicho experimento pertenece.
Una vez completado el procedimiento de desalación, se procedió al lavado del
electrodiálizador, para ello se llenaron los tanques con agua destilada y se hizo recircular por
unos 10 a 15 min. Luego al medir conductividad y ser parecida al del agua limpia se detuvo la
circulación de agua y se vaciaron los tanques. Para cada prueba se repitió el esquema anterior,
la tabla 5.7 muestra un resumen de los experimentos en esta segunda fase.
Tabla 5.6 Experiencias realizadas en la tercera fase del proyecto.
Experiencia
Tipo de Prueba
Voltaje: 30 V
8:1
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: Agua de Producción (La Victoria)
Voltaje: 30 V
8:2
Flujo: 200 l/h
Corriente diluido: Agua de Producción (La Victoria)
5.3.6 Determinación de Cloruros por el método de Mohr.
Los cloruros son constituyentes mayoritarios del agua de producción estudiada. Estos
le dan un sabor desagradable a altas concentraciones (aprox por encima de 1000 ppm) y sobre
todo cuando se encuentran en forma de NaCl, KCl ó CaCl2. El problema principal del que
parte este proyecto de grado es la alta concentración de cloruros en las aguas de producción de
los pozos de La Victoria del estado Apure, por encima de los 1000 ppm que exige la norma en
80
Capitulo V Metodología Experimental
el decreto 883 para disposición en cuerpos de agua, por ello se propone la electrodiálisis como
un proceso para tratar estas elevadas concentraciones y obtener un agua diluida en cloruros y
otros iones. Para ello es necesario implementar una metodología adecuada para la
determinación de los cloruros.
La metodología escogida para la evaluación de este parámetro es el establecido en el
método 4500-Cl- B del Standard Methods for Examinatión of Waters and Wastewater (26).
Dicho procedimiento es una técnica argentométrico, concretamente el método de Mohr.
Consiste en añadir a la muestra problema (cuyo pH=7-10), disolución AgNO3 valorante, y
disolución indicadora K2CrO4. El Cl- precipita con el ion Ag+ formando un compuesto muy
insoluble, de color blanco. Cuando todo el producto ha precipitado, se forma el cromato de
plata, de color rojo ladrillo, que es menos insoluble que el anterior y nos señala el fin de la
valoración.
Reacción de valoración:
ClNa + NO3Ag $ ClAg + NO3Na
Ec. 4.2
Reacción indicadora:
2NO3Ag (exc.) + CrO4K2 $ CrO4Ag2 + 2NO3K Ec. 4.3
Procedimiento y Cálculo.
1.-Estandarización de la disolución de AgNO3.
En un erlenmeyer de 250 ml, se añaden 10 ml (medidos con pipeta) de la disolución de
NaCl patrón (preparado como se explica en la parte 5.3.1), se adicionan 20 ml (medidos con
pipeta) de agua destilada y 1 ml (medidos con pipeta) de la disolución de K2CrO4. Se adiciona
el AgNO3 desde la bureta hasta viraje del indicador de amarillo (turbio) a pardo-amarillento
(turbio).
Cálculos:
VNaCl * NNaCl = VAg NO3 * NAg NO3
EC. 4.4
NAg NO3 = ( 50* 0.01) / (VAgNO3)
2.-Determinación de cloruros en el agua problema.
En un erlenmeyer de 250 ml, se añaden 10 ml de agua problema (agua de las muestras
tomadas durante el proceso de electrodiálisis), se diluye con 20 ml de agua destilada y se
81
Capitulo V Metodología Experimental
agrega 1 ml (medidos con pipeta) de la disolución de K2CrO4 como indicador. Se adiciona
AgNO3 desde la bureta hasta viraje del indicador de amarillo (turbio) a pardo-amarillento
(turbio).
meq Cl- = meq Ag NO3
EC. 4.5
(mg Cl-) / (Peq) = VAg NO3 * NAgNO3
Si lo que queremos son los mg/l de cloruros:
ppm Cl- = (VAg NO3)*N*35.45) / Vmuestra) * 1000
EC. 4.6
5.3.7 Determinación de metales por Absorción atómica.
La absorción de la luz por medio de átomos brinda una herramienta analítica poderosa
para los análisis cuantitativos y cualitativos. La espectroscopia de absorción atómica (AAS) se
basa en el principio que los átomos libres en estado fundamental pueden absorber la luz a una
cierta longitud de onda. La absorción es específica, por lo que cada elemento absorbe a
longitudes de ondas únicas. AAS es una técnica analítica aplicable al análisis de trazas de
elementos metálicos en minerales, muestras biológicas, metalúrgicas, farmacéuticas, aguas,
alimentos y de medio ambiente. Es por ello que se ha escogido esta técnica para determinar las
concentraciones de Na+, K+, Ca2+ y Mg2+ en las muestras obtenidas en el transcurso de las
pruebas realizadas, con la finalidad de evaluar la distribución de dichos iones entre las
corrientes de diluido y concentrado en el transcurso de la electrodiálisis.
5.3.7.1 Determinación de Na+.
Para determinar la cantidad de sodio presente en la muestra de la corriente tratada en la
electrodiálisis, sea de la corriente concentrado o diluido, se midió el espectro de absorción en
la llama, utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción atómica y el procedimiento
3111B de Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (26) y como lo indica
el manual del equipo. Para ello se seleccionó el modo de emisión y se especificó el tipo de
catión y la longitud de onda (589nm). El procedimiento seguido fue el siguiente:
Preparar soluciones patrones de NaCl a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm en KCl (ver punto
5.3.1 de este capitulo) y medirle la absorbancia, programando el equipo en
calibración para grabar la curva de calibración obtenida.
82
Capitulo V Metodología Experimental
Diluir en balones de 50 ml con KCl 0,5 ml de muestra y medir la absorbancia, de
estar muy diluida la muestra no será detectada por el equipo, en este caso se hace
nueva diluciones de 5 ml de muestra en 50ml, 2 ml en 25ml o tomar una alícuota sin
diluir de ser necesario.
Con las concentraciones de las diluciones determinadas por el equipo se calcula las
concentraciones de las muestras con las relaciones de dilución.
5.3.7.2 Determinación de K+.
Al igual que con el sodio, el potasio se determinó midiendo la emisión de la llama,
utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción atómica en el modo de emisión a una
longitud de onda de 766,5 nm. El procedimiento seguido fue similar al explicado
anteriormente para el sodio, con la diferencia que las soluciones patrones preparadas eran
hidróxido de potasio, en este caso las soluciones preparadas y las diluciones si se realizaban
con agua destilada.
5.3.7.3 Determinación de Ca2+.
Siguiendo el método indicado en la norma 3111 A del Standard Method for Examination
of Water and Wastewater (26) por espectrometría de absorción atómica se determinaron las
concentraciones de calcio de las muestras. Para ello se seleccionó el modo de espectrometría
de absorción atómica y se especificó el tipo de catión, se instaló y aseguró la lámpara catódica
correspondiente y se especificó la longitud de onda (422,7nm). El procedimiento seguido fue
el siguiente:
Ajustar la mezcla aire – acetileno para formar una llama de combustión completa.
Las muestras que poseen precipitados se deben acidificar con agua regia para
eliminar los precipitados.
Preparar soluciones patrones de CaCO3 a 60, 40, 20, 10 y 5 ppm con agua regia se
hacen las diluciones. (ver punto 5.3.1 de este capítulo) y medirle la absorbancia,
programando el equipo en calibración para grabar la curva de calibración obtenida.
Diluir en balones de 50 ml con agua regia 0,5 ml de muestra y medir la absorbancia,
de estar muy diluida la muestra no será detectada por el equipo, en este caso se hace
83
Capitulo V Metodología Experimental
nueva diluciones de 5 ml de muestra en 50ml, 2 ml en 25ml o tomar una alícuota sin
diluir de ser necesario.
Con las concentraciones de las diluciones determinadas por el equipo se calcula las
concentraciones de las muestras con la curva de calibración y las relaciones de
dilución.
5.3.7.3 Determinación de Mg2+.
Al igual que con el calcio, el magnesio se determinó midiendo la absorción atómica directa
con una llama de aire y acetileno, utilizando para ello el espectrofotómetro de absorción
atómica a una longitud de onda de 285,2 nm (con la lámpara correspondiente). El
procedimiento seguido fue similar al explicado anteriormente para el calcio, con la diferencia
que las soluciones patrones preparadas son con magnesio metálico y agua regia (ver punto
5.3.1), en este caso las soluciones preparadas y las diluciones se realizaban todas con agua
regia.
84
Capitulo VI Resultados y Discusiones
CAPITULO VI
RESULTADOS Y DISCUSIONES.
6.1 Resultados de la primera fase del Proyecto (pruebas preliminares de
desalación).
Tal como se señaló en la metodología, se realizaron dos pruebas de desalación con
soluciones de NaCl, en la primera se usó en la corriente “Diluido” una solución con una
concentración inicial de 2500 ppm de NaCl, en la corriente “Concentrado” una solución con una
concentración inicial de 1000 ppm. Para esta primera corrida se fijó un voltaje de 30V y el
amperaje varía en el transcurso de la electrodiálisis, también se fijó un flujo de 200 l/h. Los
resultados obtenidos durante la desalación de la solución de 2500 ppm con un voltaje de 30 V
se muestran en la tabla A.1 (ver anexo). En ella se puede notar que la conductividad de la
solución diluida es menor al final del proceso, mientras que la del concentrado ha aumentado,
esto evidencia el paso de iones desde la corriente del diluido (solución a 2500 ppm inicialmente)
al concentrado (solución de 1000 ppm inicialmente). En la figura 6.1 se muestra la variación de
la conductividad durante el transcurso de la operación de desalación.
8
Concentrado
7
Diluido
L (mS/cm)
6
5
4
3
2
1
0
0
0,72 3,45 6,56 9,39 13,2 16,7 19,5 22,1 25 29,4
t (min)
Figura 6.1 Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 30V
Se observa claramente la reducción de la conductividad de la corriente de diluido y el
aumento de dicha variable en el concentrado. También se observa que ambas corrientes varían
muy poco su conductividad después de los 16,7 min aproximadamente, esto se debe a que el
flujo de corriente a través de las celdas es menor ya que la concentración de iones en la celda de
diluido es muy pequeña, y si no hay flujo de corriente el traspaso de iones de diluido a
85
Capitulo VI Resultados y Discusiones
concentrado no se produce. De ahí que se puede observar un tiempo óptimo para el proceso, ya
que a mayor tiempo la eficiencia de separación es muy baja.
Para el caso de la segunda corrida las condiciones de operación son similares, excepto
que la caída de potencial fijada es de 15V, los resultados se muestran en la tabla A.2 (Ver
anexo) y en la figura 6.2.
De igual manera se observa que la conductividad de la corriente de diluido es menor y la
conductividad de la corriente de concentrado es mayor al final del proceso, es decir, se
evidencia al igual de la primera corrida el paso de iones de una solución a otra. Pero a diferencia
de la primera corrida esta necesitó más tiempo para lograr valores de transferencia de iones
similares, esto se debe a que el flujo de corriente es mayor para un voltaje mayor suponiendo
que la resistencia es la misma para las dos corrientes, es decir, que mayor flujo de corriente es
mayor la velocidad de transferencia de iones y esto es lógico. Si se evalúa la ley de Ohm I·R=V
para una resistencia similar para un voltaje mayor el flujo de corriente debe aumentar para
cumplir la ley, y para valores de voltaje menor el flujo de corriente debe ser menor, esto explica
el fenómeno observado.
7
Concentrado
L (mS/cm)
6
Diluido
5
4
3
2
1
0
0
0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8
t (min)
Figura 6.2 Conductividad Vs. Tiempo para la solución diluido y concentrado a 15V
De igual manera que para la primera corrida, en la figura 6.2 se nota la reducción de la
conductividad en la corriente de diluido y el aumento de dicha variable en la corriente de
concentrado a través del tiempo transcurrido en el proceso. Igual se observa un tiempo máximo
86
Capitulo VI Resultados y Discusiones
después del cual la conductividad de las dos corrientes varía muy poco, este tiempo es cerca de
los 20,4 min, tiempo mayor que para la primera corrida debido al menor voltaje aplicado.
4,5
7
4
6
3,5
5
L (mS/cm)
L (mS/cm)
8
4
3
Diluido a 30 V
Diluido a 15 V
3
2,5
2
1,5
2
Concentrado a 30 V
1
Concentrado a 15 V
0
1
0,5
0
0
0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8
0
0,76 3,16 5,93 9,67 12,1 15,1 17,1 20,4 23,3 25,9 29,4 32,8
t (min)
(a)
t (min)
(b)
Figura 6.3 Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado (a) y diluido (b) a 30V y 15 V
En las figuras 6.3 a y b se percibe mas fácilmente la diferencia de una corrida a 30V y
15V, para el caso de la figura 6.3(a) se nota como la corriente de concentrado tratado con 30V
llega a valores mayores de conductividad en un tiempo menor, de igual manera en la figura
6.3(b) la corriente de diluido a 30V alcanza valores menores de conductividad en menor tiempo.
Es importante señalar que la migración de iones a mayor diferencia de potencial
eléctrico es de esperarse, ya que la migración de los iones viene dada por la ecuación de NerstPlanck:
Ji = -DCi(dlnai/dx + (ZiF/RT)dE/dx)
Ec 6.1
Donde Ji es el flujo de iones, D es la constante de difusión, Ci es la concentración del ión
i, ai es la actividad del ión i, x el espesor de la membrana, E el campo eléctrico, Zi la carga del
ión, F la constante de Faraday, R la constante universal de los gases, T la temperatura absoluta.
Como se puede observar, al aumentar la diferencia de potencial eléctrico, aumenta el flujo de
iones (aumenta el valor dE/dx en la ecuación) (28).
En las dos corridas se observa un ligero aumento de la temperatura para todas las
corrientes, ello es debido principalmente a la recirculación de los fluidos a través de las bombas
centrífugas que se calientan por la fricción de los “impelers”. Esto es un factor a considerar en la
próxima fase del proyecto ya que un aumento de temperatura genera un aumento de los valores
87
Capitulo VI Resultados y Discusiones
de conductividad. También se evidencia en ambas pruebas la disminución del amperaje en el
transcurso del proceso, el cual se produce por el aumento de la resistencia en las celdas a
medida que la concentración de iones disminuye en la corriente del diluido, y para mantener el
voltaje fijo y cumplir con la ley de Ohm el amperaje debe disminuir.
Con estos resultados se pudo establecer el voltaje en 30 Voltios para realizar las pruebas
de la siguiente fase del proyecto, la idea de usar un voltaje de 30V y no de 15V es que con 30V
tenemos pruebas que se realizaran en menor tiempo, disminuyendo de esta manera el
calentamiento de las aguas por el paso a través de las bombas por la fricción de los “impelers”.
Obtener grandes variaciones de temperatura en el transcurso del proceso no es favorable ya que
las mediciones de conductividad utilizadas para el seguimiento de la desalación pueden verse
afectadas y arrojar desviaciones que hagan difíciles la interpretación de los resultados.
6.2 Pruebas con Aguas Sintéticas y Agua de Producción.
En esta fase del proyecto se usaron las aguas sintéticas preparadas según la metodología
expuesta en el capítulo anterior, la finalidad de usar “Agua Sintética” y “Agua Sintética 2” (de
doble concentración en sus elementos) es evaluar el efecto de la concentración inicial en el agua
a tratar. Otra variable estudiada en esta fase es el efecto de la velocidad del flujo a través del
equipo de electrodiálisis, también se determinó el efecto de estas variables en el trasporte de los
diferentes iones que conforman esta agua como Na+, K+, Ca2+ y Mg2+.
Al igual que con las pruebas preliminares de desalación para comprobar que
efectivamente con la electrodiálisis podemos separar los iones de una corriente a tratar, se llevó
el control del proceso con la medida de la conductividad, en las figuras 6.4 se puede observar
como efectivamente la corriente de Agua Sintética muestra medidas de conductividad menores a
medida que avanza el proceso, y la corriente concentrado progresivamente, las medidas de
conductividad son mayores, demostrando esto que tanto la corriente de Agua Sintética va
disminuyendo su concentración en iones como que la corriente de concentrado aumenta su
concentración en estos iones.
88
9
16
8
14
7
12
6
5
L (mS/cm)
L (m S /c m )
Capitulo VI Resultados y Discusiones
Concentrado
4
Agua Sintética
3
10
4
1
2
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
Agua Sintética 2
6
2
0
0,00
Concentrado
8
0
0,00
5,00
10,00
t (min)
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
t (min)
(a)
( b)
Figura 6.4 Conductividad Vs. Tiempo para la solución concentrado y Agua Sintética (a) y Agua Sintética 2
(b) , para las corridas a concentración sencilla y doble concentración. Resultados de las pruebas 2.1,2.2 (a) y
5.1,5.2 (b)
Este comportamiento se puede observar en todas las pruebas realizadas a diferentes
flujos de aguas sintéticas de baja y alta concentración (ver anexo A.3).
De cada prueba realizada se obtuvieron 5 muestras de cada corriente, extraídas a
diferentes instantes de tiempo con el fin de estudiar el proceso a través del tiempo como se
explicó anteriormente en la metodología. A cada muestra se determinó la concentración de
cloruros con el método de Mohr con la finalidad de estudiar el comportamiento de dicho anión
en la solución tratada y la solución de concentrado.
2500
[Cl] ppm
2000
1500
Agua Sintètica
Concentrado
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
40,00
Figura 6.5 Concentración de cloruros Vs tiempo para la prueba de Agua Sintética a 200 l/h
En la figura 6.5 se muestra como efectivamente la concentración de cloruros en el Agua
Sintética (a baja concentración) progresivamente va en descenso y como va en aumento dicho
parámetro en la corriente de concentrado. Observamos como efectivamente podemos llevar una
corriente con un concentración superior a los 2000 ppm de cloruro a niveles tan bajos cercanos a
los 20 ppm, lo que significa una reducción del 98,76 % para esta prueba realizada al Agua
89
Capitulo VI Resultados y Discusiones
Sintética de baja concentración a 200 l/h de flujo. En el caso de la corriente de concentrado va
de una concentración de 250 ppm aproximadamente a niveles de 2600 ppm, lo que representa
un aumento del 919,0 % aproximadamente para la prueba estudiada en este gráfico. Cabe
destacar que estos valores indican que efectivamente hay una transferencia de iones desde la
corriente de Agua Sintética a la corriente de Concentrado, y que esta transferencia es en contra
al gradiente de concentración, gracias a la presencia del campo eléctrico que atrae los cationes
hacia el cátodo del equipo y los aniones hacia el ánodo del equipo, y que debido a la disposición
adecuada de membranas catiónicas y aniónicas en el equipo se concentran los iones en la
corriente Concentrado, dicho comportamiento se observa en todos los casos (Ver anexo A.4). Al
igual que en las pruebas preliminares con soluciones de NaCl observamos que existe un
momento en el proceso donde la transferencia de iones se hace poco efectiva (a partir de los 15
min aproximadamente) en donde la transferencia ha sido casi total y la variación de las
concentraciones a partir de entonces es casi nula, esto se debe a que si tenemos una de las dos
soluciones con bajas concentraciones de iones, como es el caso ya a esta altura del proceso, la
resistencia en dicha solución será mayor y el paso de corriente será menor afectando así la
transferencia de iones, esto nos indica la existencia de un tiempo optimo en el proceso en donde
a partir de el ya no es eficaz y debería detenerse. Inclusive al continuarse existe la probabilidad
de provocar la electrolisis del agua en la cercanía de los electrodos.
En la tabla 6.1 se observa el porcentaje de reducción de la concentración de cloruros de
las pruebas realizadas, en dicho cuadro observamos como en todos los casos que los porcentajes
superan los 98,5 % de reducción de cloruros, ello muestra la efectividad del proceso, que logra
obtener aguas tratadas con concentraciones muy bajas en cloruros, concentraciones que
cumplirían con el decreto 883 (25), en el caso de ser un agua tratada para la reinyección o
disposición en cuerpos de agua.
Tabla 6.1 Porcentaje de Reducción en la concentración de cloruros en las pruebas realizadas.
Agua Sintética (Baja Concentración)
Agua Sintética 2 (Alta Concentración)
Flujo (l/h)
% Reducción de cloruros
100
99,18
Tiempo
(min)*
32,2
32,6
200
99,35
27,2
25,6
300
99,51
27,1
Flujo (l/h)
% Reducción de cloruros
100
98,63
Tiempo
(min)*
36,3
200
98,76
300
99,15
* Tiempo que duro la operación a dichas condiciones, promedio de las dos repeticiones.
90
Capitulo VI Resultados y Discusiones
La influencia de la velocidad en el flujo del agua tratada fue estudiada, la figura 6.6 (y la
tabla 6.1) muestra concentración de cloruros en el transcurso de la prueba en el Agua Sintética
tratada a diferentes caudales, se observa claramente como para la prueba realizada a 300 l/h de
flujo, la reducción en cloruros se produce a mayor velocidad que en las pruebas realizadas a 100
y 200 l/h en donde su comportamiento es muy similar. La razón por la que la desalación ocurre
mas rápido a mayores velocidades de flujo se debe a que a mayor velocidad la capa límite se
reduce y por ende la polarización de concentración, que en los procesos con membranas afectan
significativamente la transferencia de masa, lo que implica que a mayor velocidad de flujo,
mayor transferencia de masa. También, se mejora el mezclado con mayor turbulencia.
El hecho de que no se aprecie una diferencia entre las pruebas realizadas a 100 y 200 l/h
podría deberse a que esa diferencia en la velocidad del flujo no implica un aumento sustancial
en la turbulencia, como si ocurre cuando ya pasamos a 300 l/h. Sin embargo, las diferencias no
son sustanciales entre los tres flujos estudiados, por lo que aparentemente hay un gran grado de
turbulencia en los tres casos, y las pequeñas diferencias se deban a errores experimentales.
2500
ppm Cl
2000
1500
200 l/h
300 l/h
1000
100 l/h
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
40,00
Figura 6.6 Concentración de cloruros vs tiempo para la prueba de Agua Sintética a diferentes velocidades de
flujo.
De igual manera la desalación obtenida en los tres casos cumple con lo esperado, si
observamos la tabla 6.1 a mayor velocidad el porcentaje de desalado es mayor, lo que resulta
razonable con lo explicado en el párrafo anterior. En la figura 6.7 vemos el caso para las
pruebas con Agua Sintética 2 (agua de alta concentración).
91
Capitulo VI Resultados y Discusiones
4500
4000
3500
ppm Cl
3000
200 l/h
2500
300 l/h
2000
100 l/h
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
Figura 6.7 Concentración de cloruros vs tiempo para la prueba de Agua Sintética 2 a diferentes velocidades
de flujo.
Al igual que para las aguas de baja concentración la desalación ocurre mas rápido para
elevadas velocidades de flujo, podemos observa como para las pruebas a 300 l/h se alcanza
niveles bajos de concentración en menores tiempos, pero a diferencia de las pruebas con aguas
de baja concentración, con esta Agua Sintética 2 se observa una diferencia notable entre las
pruebas a 200 l/h y 100 l/h, aquí ya el factor velocidad es mas importante entre estos dos
caudales, ya que inclusive la diferencia entre las pruebas a 200 l/h y 300 l/h es muy pequeña, lo
que sugiere que existe una relación entre la velocidad y la concentración de las sales, y que hay
un punto crítico en la velocidad que favorece a la desalación que depende también de la
concentración del agua tratada, podemos deducir que dicho punto se encuentra a mayores
velocidades para concentraciones menores y se desplaza a menores velocidades para mayores
concentraciones, aunque para afirmar esto es necesario muchos mas estudios y mas pruebas a
diferentes velocidades y concentraciones.
El efecto de la concentración fue estudiado para la desalación de estas aguas sintéticas.
Para ello se repitieron las pruebas a bajas concentraciones esta vez a altas concentraciones de
sales disueltas, lo que denominamos Agua Sintética y Agua sintética 2 respectivamente como
fue indicado en la metodología. En las figuras 6.8, 6.9 y 6.10 podemos observar el porcentaje de
reducción de concentración de cloruros a través del tiempo para las pruebas realizadas a 100,
200 y 300 l/h. La razón de expresar este comportamiento en porcentaje de reducción es para
poder realizar una comparación entre aguas con una diferencia en concentración inicial
aproximadamente del doble. La tendencia a seguir en las tres gráficas es el aumento del
92
Capitulo VI Resultados y Discusiones
porcentaje de reducción de cloruros, este
120,00
porcentaje fue calculado con respecto a las
alcanzan porcentajes de reducción mayores
en menos tiempo para Agua Sintética, lo que
indica que la disminución de concentración
% R e d u c c ió n d e C l
concentraciones iniciales. En la figura 6.8 se
100,00
de cloruros en las aguas tratadas de menor
80,00
Agua Sintética
60,00
Agua Sintética 2
40,00
20,00
concentración inicial se produce levemente
0,00
0,00
mas rápido que en el caso de las aguas
tratadas
con
cloruros,
altas
esto
concentraciones
a
100
l/h.
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
t (min)
de
Figura Nº 6.8 Porcentaje de reducción de la
concentración de cloruro en las aguas tratadas a 100 l/h
Este
comportamiento indica que para iguales
velocidades
de
flujo
las
120,00
diferentes
100,00
influencia muy notable, y simplemente se
desconcentra en menos tiempo las aguas que
tienen menos iones inicialmente.
% R ed u cció n d e C l
concentraciones iniciales no ejercen una
80,00
60,00
Agua Sintética
40,00
Agua Sintética 2
20,00
Observando las figuras 6.9 y 6.10 el
0,00
0,00
comportamiento es similar al descrito
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
t (min)
anteriormente, en el caso de las pruebas a
Figura Nº 6.9 Porcentaje de reducción de la
concentración de cloruro en las aguas tratadas a 200
l/h
200 l/h no hay una diferencia tan marcada
entre la velocidad de desalación, ello puede
120,00
deberse a algún error experimental, en el
notamos una diferencia mas marcada en los
dos comportamientos, observándose que con
aguas de menor concentración inicial se
alcanzan altos porcentajes de reducción en
menos tiempo que con las aguas de alta
100,00
% R e d u c c ió n d e C l
caso de las pruebas realizadas a 300 l/h si
80,00
Agua Sintética
Agua Sintética 2
60,00
40,00
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
t (min)
concentración inicial.
Figura Nº 6.10 Porcentaje de reducción de la
concentración de cloruro en las aguas tratadas a 300
l/h
93
Capitulo VI Resultados y Discusiones
Estos comportamientos indican que en un proceso de electrodiálisis el cambio de la
concentración inicial de las aguas a ser tratadas no ejerce una influencia importante en el
proceso, demostrando que la electrodiálisis es un método de tratamiento muy flexible y que se
adapta a aguas de diferentes concentraciones. Para el caso del tratamiento de aguas de
producción de diferentes pozos es muy importante ya que las concentraciones de las sales no
siempre son las mismas y con este proceso pueden ser tratadas de igual manera, llegando
siempre a los mismos niveles de concentración finales, siendo las variables a controlar el flujo y
la caída de potencial. Es necesario realizar más pruebas a diferentes concentraciones para
asegurar estas afirmaciones. En la tabla 6.1 observamos como son mayores los porcentajes
finales de reducción para aguas de mayor concentración, ello es lógico si observamos que las
concentraciones finales de cloruros alcanzadas son muy similares en todos los casos.
120,00
120,00
100,00
100,00
% Reducción
CALCIO
MAGNESIO
60,00
SODIO
40,00
80,00
POTASIO
CALCIO
60,00
MAGNESIO
SODIO
40,00
100 l/h
200 l/h
20,00
0,00
0,00
20,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
t (min)
120,00
100,00
POTASIO
% Reducción
% R e d u c c ió n
POTASIO
80,00
CALCIO
80,00
MAGNESIO
SODIO
60,00
40,00
300 l/h
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
Figura 6.11 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes vs tiempo para la prueba de Agua
Sintética a diferentes velocidades de flujo.
94
Capitulo VI Resultados y Discusiones
El comportamiento de los cationes fué estudiado en estas pruebas. La figura 6.11 muestra el
porcentaje de reducción de los cationes a 100, 200 y 300 l/h para aguas a baja concentración
inicial de sales (Agua Sintética). Observamos como en todos los iones efectivamente se logra
reducir más del 99% de las concentraciones, esto para todos los flujos probados. Se observa
como en todos los casos el catión K+ logra altos porcentajes de reducción en menor tiempo
indicando una mayor velocidad de transferencia de este catión desde la corriente de Agua
Sintética a la corriente de Concentrado. Observando el comportamiento de los otros cationes
encontramos que el segundo catión en lograr altos porcentajes de reducción en menor tiempo es
el Mg2+ y por ultimo el Ca2+. En la figura 6.12 de igual manera vemos el comportamiento de los
cationes en desalación de Agua Sintética 2 (aguas de alta concentración), en este caso vemos un
comportamiento similar donde la transferencia de los cationes va en el orden (del más rápido al
mas lento) K+ > Mg2+ > Ca2+, en el caso del comportamiento del Na+ ya es más estable y
podríamos decir que sería el segundo catión en trasferirse más rápido (después del K+) pero
sería recomendable realizar mas estudios para afirmar este comportamiento, ya que se observa
un comportamiento irregular para este ion que se atribuyen a errores en la medición de las
concentraciones en las muestras (por el método de emisión de llama). A diferencia de las
pruebas realizadas con aguas de baja concentración el porcentaje de reducción alcanzado para el
Ca2+ es mucho menor (alrededor del 90 %), dicho comportamiento podría deberse a una
saturación de las membranas debido a la presencia de una cantidad mayor de dicho catión, lo
que muestra en este caso una influencia en la concentración de iones en el agua a tratar sobre el
proceso.
95
Capitulo VI Resultados y Discusiones
120,00
120,00
100,00
% Reducción
80,00
POTASIO
CALCIO
60,00
MAGNESIO
SODIO
40,00
100 l/h
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
80,00
POTASIO
60,00
CALCIO
MAGNESIO
SODIO
40,00
200 l/h
20,00
25,00
30,00
35,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
120,00
100,00
% Reducción
% Reducción
100,00
80,00
POTASIO
60,00
CALCIO
MAGNESIO
300 l/h
40,00
SODIO
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
Figura 6.12 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes vs tiempo para la prueba de Agua
Sintética 2 a diferentes velocidades de flujo.
Este orden en la transferencia no se ajusta a lo encontrado en las pruebas realizadas por
T. Sirivedhin (27) en donde el orden de transferencia va (desde el más rápido al más lento) Mg2+
≈ Ca2+ > K+ > Na+, ello es probable a que para dichos estudios se usó una membrana diferente
y que la selectividad de estas membranas era tal que favorecía la transferencia del Mg2+ y Ca2+,
el orden conseguido en la transferencia de cationes con este trabajo indica una mayor afinidad
de las membrana por los cationes monovalentes como el potasio, en el caso de los cationes
bivalentes observamos que el magnesio tiene mayor velocidad de transferencia, ello podría
deberse a que dicho catión tiene menor peso molecular que el Ca2+, favoreciendo esto el
desplazamiento de este catión y su paso por la membrana.
96
35,00
Capitulo VI Resultados y Discusiones
120,00
120,00
100,00
100 l/h AS
80,00
200 l/h AS
300 l/h AS
60,00
100 l/h AS2
40,00
200 L/h AS2
K
20,00
0,00
0,00
+
300 l/h AS2
5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00
% R e d u c c ió n
% R e d u c c ió n
100,00
100 l/h AS
80,00
200 l/h AS
60,00
300 l/h AS
100 l/h AS2
40,00
200 L/h AS2
Na
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
300 l/h AS2
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
t (min)
t (min)
120,00
120,00
100 l/h AS
80,00
200 l/h AS
60,00
300 l/h AS
100 l/h AS2
40,00
200 L/h AS2
Ca
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
2+
20,00
300 l/h AS2
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
% R e d u c c ió n
100,00
100,00
% R e d u c c ió n
+
100 l/h AS
80,00
200 l/h AS
300 l/h AS
60,00
100 l/h AS2
40,00
200 L/h AS2
2+
Mg
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
t (min)
15,00
300 l/h AS2
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
t (min)
Figura 6.13 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes vs tiempo para cada catión, en
diferentes condiciones de flujo y concentración inicial de iones.
En la figura 6.13 puede observarse el porcentaje de reducción de la concentración de cada
uno de los cationes en las aguas tratadas para diferentes velocidades de flujo y en las pruebas a
diferentes concentraciones iniciales para diferentes instantes de tiempo del proceso.
Encontramos en estas gráficas que no existen mayores diferencias en el comportamiento de los
cationes, indicando esto poca influencia en la transferencia de cationes, modificaciones de la
velocidad del flujo y la concentración inicial de las aguas a tratar, solo se observa una pequeña
desviación en la transferencia de Ca2+, donde se observa que se alcanzan porcentajes altos de
reducción en menor tiempo para la prueba realizada a 300 l/h
a Agua Sintética. Otra
observación que podemos hacer con respecto a este catión es que a menores concentraciones
iniciales observamos mayores porcentajes de reducción, lo que ya se ha discutido. En la tabla
6.2 se observan los porcentajes de reducción finales de los distintos cationes a diferentes
97
45,00
Capitulo VI Resultados y Discusiones
pruebas, podemos observar como en la mayoría de los casos los porcentajes superan el 98 %,
llegando algunos hasta un 100 %.
Catión
Flujo
100
200
300
Tabla 6.2 Porcentaje de Reducción de cationes en las pruebas realizadas.
Na+
Mg2+
Ca2+
K+
A.S 2
A.S 2
A.S 2
A.S 2
A.S
A.S
A.S
A.S
99,45
99,87
99,84
99,60
99,58
100,00
97,23
92,95
100,00
99,41
99,90
100,00
99,56
98,03
94,91
85,15
99,03
99,85
99,58
100,00 100,00
98,86
99,71
89,73
En las pruebas se observó un cambio en la turbidez de las aguas tratadas, siendo más
evidente para las aguas sintéticas de alta concentración, en la figura 6.14 se puede apreciar el
cambio de tonalidad entre el agua sintética de alta concentración antes y luego de ser tratada en
el equipo de electrodiálisis. La turbidez del Agua sintética de alta concentración se debe a la
presencia de precipitados de calcio y magnesio (CaCO3 y MgCO3), que a las concentraciones
alcanzadas a pH básico – neutro a la que se encontraba la solución llegaba a formar algún
precipitado; pero luego de ser tratado en el electrodializador, los precipitados se van disolviendo
progresivamente en la solución a medida que la concentración de este ion va disminuyendo,
hasta desaparecer.
Figura 6.14 Diferencia apreciable entre la turbidez de un agua sintética de alta concentración de
sales antes de ser tratada y luego de ser tratada (izquierda y derecha respectivamente).
Con respecto a las pruebas realizadas a las aguas de producción de La Victoria estado
Apure se logró la reducción de la concentración de cloruro en la prueba realizada a 200 l/h.
Previamente se realizó una filtración para eliminar todo tipo de sólidos en suspensión y otras
98
Capitulo VI Resultados y Discusiones
partículas, como fué ya explicado en la metodología. Luego de ello se procedió a tratar esta
agua en el equipo de electrodiálisis de la misma manera que las aguas sintéticas estudiadas.
4000
3500
[Cl] ppm
3000
Concentrado
2500
Agua de Producción
(La Victoria)
2000
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
Figura 6.15 Concentración de cloruros en la corriente de agua de producción y la corriente Concentrado
para la prueba realizada a 200 l/h.
En la figura 6.15 podemos apreciar como efectivamente se logra la reducción de cloruros
en el agua de producción tratada, y como se concentran en la corriente Concentrado, el
comportamiento que observamos en la figura es muy similar a observado con las Aguas
Sintéticas a las mismas condiciones (200 l/h y 30 V). Este hecho nos indica que los estudios
realizados con las aguas sintéticas son confiables y de igual manera encontramos que
efectivamente si hubo una transferencia de los cloruros desde el agua de producción a la
corriente concentrado: Se encontró que con este proceso se lograron concentraciones por debajo
de los 26 ppm de cloruros, muy por debajo de lo exigido en el decreto 883 (1000 ppm) (25) lo
que lleva a considerar este proceso como un tratamiento efectivo para este tipo de efluentes,
donde se obtuvo un porcentaje de reducción del 99,31 %, al igual que las otras pruebas
realizadas se encontró un tiempo óptimo en donde la transferencia se hace mínima (alrededor de
los 20 min), ello por lo explicado anteriormente. En la corriente de concentrado se logran
concentraciones hasta más de 3700 ppm de cloruros.
Al igual que las otras pruebas se observa como es el potasio el catión con mayor
velocidad en la transferencia de una corriente a otra como podemos ver en la figura 6.16, en la
misma figura observamos como el K+ es seguido por el Na+, Mg2+ y luego el Ca2+ en cuanto a
las velocidades de transferencia. La explicación a este orden de velocidades podría ser que el
sodio (peso atómico 23) tiene una densidad de carga mayor que el potasio (peso atómico 39,1)
99
Capitulo VI Resultados y Discusiones
lo que implica una mayor densidad de carga para el primero y por ende una esfera de
hidratación mayor lo que le disminuye su movilidad. Para el sodio la movilidad es de 5,19*10-8
m2/s.V y la del potasio de 7,62*10-8 m2/s.V en solución acuosa a 298,15 K (28) y se espera que
en la membrana, la movilidad del sodio sea más reducida que la del potasio, por las
restricciones de espacio. En cuanto al calcio y al magnesio, ambos tienen densidades de carga
mayores que el sodio y potasio, por lo que se espera que su velocidad sea menos en fase acuosa
libre. Pero en este caso, hay bicarbonatos en el medio y carbonatos, por lo que es posible que se
formen carbonatos de calcio y magnesio, pero el Kps del carbonato de calcio (Kps= 4,8*10-9) es
mucho menor que el del carbonato de magnesio (Kps = 1*10-5), lo que sugiere que el calcio, aún
en menores concentraciones tiene más posibilidades de precipitar y esto hace que su
transferencia sea menor. Esto y la permeabilidad de la membrana son una posible explicación al
orden de transferencia de los cationes medidos en este trabajo.
120,00
% Reducción
100,00
80,00
POTASIO
CALCIO
60,00
MAGNESIO
SODIO
40,00
20,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
Figura 6.16 Porcentaje de reducción de la concentración de cationes vs tiempo para la prueba con Agua de
Producción de La Victoria.
100
Capitulo VI Resultados y Discusiones
6.3 Consumo de energía.
Para hacer una estimación aproximada del consumo de energía del proceso de desalación
de las soluciones tratadas por electrodiálisis, se tomaron en cuenta los requerimientos de energía
eléctrica necesarios para la separación y el bombeo de los fluidos.
El cálculo del consumo de energía se realizo con base en el tiempo y la energía
consumida en las corridas realizadas con un caudal de 100, 200 y 300 l/h. En las corridas
señaladas anteriormente se invertían aproximadamente 30min en promedio para la desalación de
dos litros de solución, y cerca de 15min para el lavado del equipo, con esto podemos calcular el
consumo de energía eléctrica para la electrodiálisis.
Para ello se graficó para cada corrida la variación del amperaje versus el tiempo y se
determinó el área bajo la curva obtenida. Al multiplicar este valor por la diferencia de potencial
usada durante la operación, que fue de 30V, se obtiene el consumo de energía en W·min. Como
se ve en la figura 6.17.
En las gráficas podemos observar como el amperaje va disminuyendo a medida que se
va logrando la desalación de las aguas tratadas, esta disminución de iones hace que la resistencia
de la celda vaya en aumento, como el voltaje se mantiene constante y la resistencia va
aumentando a través del proceso, la intensidad de la corriente debe disminuir para cumplir la ley
Ohm, es por ello que se observa este comportamiento en todos los casos. Se puede observar que
los valores de intensidad para las aguas de alta concentración de sales son mayores que para el
otro caso, ello es gracias a que hay mayor cantidad de iones en solución lo que genera menor
resistencia y ello proporciona un mayor paso de corriente a través de la celda, obteniendo así
mayores valores de amperaje.
101
Capitulo VI Resultados y Discusiones
6
4
3,5
5
3
4
100 l/h
2
Am p
Amp
2,5
100 l/h
1,5
2
1
1
0,5
0
0,00
3
10,00
20,00
30,00
40,00
0
0,00
50,00
t (min)
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
t (min)
3,5
7
3
6
2,5
5
200 l/h
Amp
amp
200 l/h
2
1,5
3
1
2
0,5
1
0
0,00
10,00
20,00
t (min)
30,00
0
0,00
40,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
7
4
6
3,5
300 l/h
300 l/h
3
5
Am p
2,5
2
1,5
4
3
1
2
0,5
1
0
0,00
5,00
t (min)
4,5
Am p
4
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
0
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
Figura 6.17 Variación del amperaje a través del tiempo para diferentes velocidades de flujo, lado izquierdo
agua sintética de baja concentración de sales, lado derecho aguas sintética de alta concentración de sales.
102
Capitulo VI Resultados y Discusiones
Luego de escoger las curvas que se ajustaran mejor al comportamiento de cada una de las
gráficas, se calculó el área bajo la curva de las gráficas de la figura 6.17 (amperaje Vs tiempo)
y multiplicando esta área por el voltaje que es fijo en 30 V se obtienen los consumos eléctricos
de la electrodiálisis en W.min.
Para el costo de la energía eléctrica utilizada para el funcionamiento de las tres bombas
con una potencia de 80W, que funcionan por 30 min aprox. y 15 min para el lavado del equipo
se calcula de la siguiente manera:
consumo =
80W ⋅ 45 min⋅1h / 60 min
= 30W ⋅ h / litro
2litros agua _ tratada
Ec 6.2
Sumando este valor al obtenido por el consumo energético de la electrodiálisis obtenemos el
consumo energético total por litro.
Tabla 6.3 Valores de Consumo energético calculado para las distintas corridas.
Corrida
Concentración
de sales
2.1 y 2.2
Flujo (l/h)
Área bajo
la curva
Consumo total
área ·V
60 min/ h
W.h/l
con Bombas
(W.h/l)
200
66,97
33,48
8,37
38,37
300
24,41
12,21
3,05
33,05
4.1 y 4.2
100
88,8
44,4
22,2
52,2
5.1 y 5.2
200
68,43
34,22
17,11
47,11
300
58,13
29,07
14,53
44,53
100
90,6
45,3
22,65
52,65
3.1 y 3.2
6.1 y 6.2
7.1 y 7.2
Baja
Alta
103
Capitulo VI Resultados y Discusiones
60,00
100 l/h AS
50,00
200 l/h AS
300 l/h AS
W·h/l
40,00
100 l/h AS 2
30,00
200 l/h AS 2
300 l/h AS 2
20,00
Agua de Producción 200 l/h
10,00
0,00
1
Pruebas
Figura 6.18 Consumo energético de cada una de las pruebas en W·h/l.
En la figura 6.18 podemos ver una comparación entre los consumos totales obtenidos en
las distintas pruebas, el valor de los consumos de las pruebas a 100 l/h son mayores a las otras,
ello pudo deberse a la duración que tuvo estas pruebas, en el resto de las pruebas se observa un
consumo muy similar en cada una de ellas, se observa que para aguas sintéticas de baja
concentración hay una pequeña diferencia, mostrándose un consumo algo menor, en este caso
de las aguas sintéticas de alta concentración observamos que la prueba a 200 y 300 l/h genera un
consumo algo mayor, debido a que a mayores presencia de iones la transferencia de corriente es
mayor, ya que tenemos menos resistencia, pero la diferencia no grandes, sólo que el consumo
gira alrededor de los 30 a 40 W·h/l para todos los casos a 200 y 300 l/h, incluyendo para las
aguas de producción que muestran el mismo comportamiento.
Podemos observar que el proceso no requiere un consumo muy grande de energía por
litro de agua tratado, la mayor cantidad de energía es la requerida por las bombas y el costo de
esta operación disminuirá al manejar mayores cantidades como sucede a escala industrial.
104
Conclusiones
CONCLUSIONES.
El trabajo realizado permite obtener las conclusiones siguientes:
La desalación por electrodiálisis es una posibilidad entre los métodos de separación por
membranas para el tratamiento de aguas de producción con alto contenido de cloruros,
ya que con dicho proceso pueden llegarse a concentraciones de cloruros muy por
debajo de los 1000 mg/l que exige la ley (Decreto 883).
La Electrodiálisis demostró ser un proceso que se adecua perfectamente para aguas de
producción de baja y alta concentración, cambios en la concentración de iones de las
aguas a tratar no generan grandes cambios en el proceso, y los resultados obtenidos son
muy similares.
La velocidad del flujo de las aguas tratadas en el equipo afectan al proceso, se observó
que a mayores flujos la velocidad de desalación es mayor, tanto en aguas de baja como
aguas de alta concentración de sales.
El transporte de los cationes en las aguas sintéticas y en el agua de producción sigue el
orden de K+ > Na+ > Mg2+ > Ca2+ (del mas rápido al mas lento), ello es debido
probablemente a mayor afinidad de la membrana a cationes monovalentes y en otros
casos el transporte es más fácil para iones de menor peso molecular.
En la mayoría de los casos el porcentaje de reducción tanto para los cationes como
para el cloruro es superior al 99 %, consiguiéndose concentraciones en las aguas
tratadas de hasta 14 ppm de cloruros en uno de los casos de las aguas sintéticas, y para
aguas de producción una concentración de 20 ppm.
Se realizaron experimentos de desalación para soluciones de NaCl de 2500 ppm, los
resultados indican la factibilidad técnica de usar este método para disminuir la
concentración de iones en aguas sintéticas parecidas a las aguas de producción.
105
Conclusiones
El proceso de electrodiálisis es más eficiente a mayor caída de potencial, ya que se
logra la separación de iones en menos tiempo.
El consumo de energía para una operación de desalación de un agua sintética es
alrededor de los 36 W·h/l en promedio. Y para las aguas de producción tratadas el
consumo es alrededor de los 34 W·h/l.
La mayor cantidad del consumo de energía es por el uso de las bombas, y seguramente
los gastos disminuirán al llevar el proceso a escala industrial donde se manejan
mayores cantidades de agua a tratar.
Los resultados de las pruebas realizadas indica que no hay un efecto importante de la
concentración inicial de la solución tratada sobre el proceso.
106
Recomendaciones.
RECOMENDACIONES.
Se recomienda hacer el estudio mas detallado a diferentes concentraciones de iones y a
una misma velocidad de flujo, para observar como varía la velocidad de flujo a varias
concentraciones.
Es recomendable realizar ahora mas pruebas con aguas de producción reales, y evaluar
aguas de diferentes orígenes para evaluar así la flexibilidad del proceso.
En el cálculo de la velocidad de transferencia de Na+ hay una desviación en una de las
pruebas que pueden deberse a errores en la medición de este ion, es recomendable
realizar más pruebas.
Estudiar alternativas de disposición del concentrado.
Se recomienda la limpieza del equipo luego de cada corrida, y el pretratamiento de las
aguas ya que si contienen sólidos precipitados y suspendidos, lodos u otros
contaminantes, podrían afectar el funcionamiento de las membranas.
107
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109
Anexos
Anexos
Anexo A.1 Resultados de la desalación de una solución de NaCl a 2500ppm con una
corriente de 30 V fijo.
Inicial
Final
30 V
t (min)
0
0,72
3,45
6,563
9,385
13,206
16,668
19,536
22,119
25,049
29,382
AMP
0
2,35
1,6
0,9
0,49
0,23
0,14
0,1
0,08
0,06
0,05
CONCENTRADO
Conductividad (mS/cm) Temperatura (ºC)
20,7
1,9
2,97
21,1
4,59
21,3
5,59
21,5
6,27
21,9
6,47
22,1
6,59
22,3
6,63
22,4
6,69
22,4
6,79
22,7
23,2
6,84
DILUIDO
Conductividad (mS/cm) Temperatura (ºC)
20,7
4,14
3,36
21,1
1,724
21,3
0,945
21,5
0,523
21,9
0,209
22,1
0,0831
22,2
0,051
22,2
0,0347
22,6
0,01673
22,8
22,8
0,00583
Anexo A.2 Resultados de la desalación de una solución de NaCl a 2500ppm con una
corriente de 15 V fijo.
Inicial
Final
15 V
t (min)
0
0,757
3,16
5,925
9,665
12,055
15,134
17,0685
20,361
23,314
25,93
29,441
32,817
AMP
0
1,66
1,32
0,91
0,57
0,36
0,23
0,15
0,11
0,08
0,06
0,04
0,03
CONCENTRADO
Conductividad (mS) Temperatura (ºC)
21,8
2,19
2,98
21,9
4,26
22,6
4,76
22,8
5,46
23,1
5,75
23,1
5,89
23,3
6,03
23,8
6,09
23,7
6,21
23,9
6,19
24,4
6,41
24,6
24,8
6,45
DILUIDO
Conductividad (mS) Temperatura (ºC)
22,1
4,23
3,41
22,3
2,23
22,6
1,478
22,8
0,851
23,1
0,535
23,3
0,322
23,3
0,211
23,5
0,142
23,7
0,0815
23,8
0,0715
24,6
0,0493
24,6
24,8
0,0252
111
Anexos
Anexo A.3 Datos Experimentales de las corridas realizadas
Primera tanda: caída de potencial de 30 V
Concentración del agua Sintética sencilla.
Corrida
2.1
Flujo 200 l/h
t (min)
0
0,81
3,13
5,39
7,74
10,29
13,37
16,38
20,38
23,89
27,86
31,37
AMP
0
3,19
2,8
2,05
1,32
0,73
0,41
0,23
0,12
0,08
0,06
0,05
Corrida
2.2
Flujo 200 l/h
t (min)
0,00
0,93
3,99
7,12
10,30
11,48
14,27
17,83
18,69
22,00
24,92
26,38
30,17
33,83
AMP
0
2,95
2,1
1,3
0,75
0,59
0,33
0,2
0,17
0,11
0,09
0,08
0,07
0,06
Agua Sintética
Concentrado
Temperatura
Conductividad (mS)
Conductividad
(ºC)
Temperatura (ºC)
(mS)
21,1
9,67
21,1
0,69
22,8
5,57
22,8
3,17
23,2
3,54
23,2
4,98
23,6
2,28
23,6
6,24
23,6
1,335
23,6
6,81
24
0,567
23,8
7,32
23,9
0,348
24,3
7,73
24,6
0,1783
24,3
7,82
24,6
0,0727
24,5
7,97
24,9
0,066
24,7
8,04
25
0,0592
24,9
8,06
24,8
0,0303
25,1
8,07
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
9,32
22,8
5,11
23,8
2,75
24,4
1,566
24
0,894
24,3
0,606
24,4
0,347
24,5
0,217
24,7
0,127
25,1
0,0764
25,3
0,0597
25,2
0,0263
25,2
0,0261
26
0,01739
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
0,624
23,2
3,57
23,8
5,25
24,4
6,54
28,2
7,07
24,6
7,23
24,3
7,26
24,5
7,32
25,1
7,44
25,1
7,52
26,6
7,54
25,2
7,83
25,4
7,85
26,8
7,88
112
Muestra
*
*
*
*
*
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Corrida
3.1
Flujo 300 l/h
t (min)
0
1,51
3,62
5,68
8,12
11,03
12,93
13,93
17,95
21,08
24,91
AMP
0
3,8
2,82
1,56
0,72
0,28
0,19
0,14
0,1
0,09
0,08
Corrida
3.2
Flujo 300 l/h
t (min)
0
0,66
2,79
5,70
9,46
12,45
16,13
19,75
23,10
26,19
AMP
0
3,87
3,47
1,98
0,47
0,19
0,09
0,08
0,07
0,06
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
7,04
22,4
4,11
22,9
2,1
23,5
1,083
23,6
0,5
23,7
0,201
24,1
0,1161
22,8
0,0801
23,9
0,0348
24,8
0,0242
25
0,01604
Concentrado
Temperatura Conductividad
(ºC)
(mS)
21,3
1,613
22,9
4,77
23,2
6,56
23,6
7,55
23,8
7,85
23,8
8,02
24,3
8,04
23,8
8,07
24,3
8,25
24,8
8,31
25
8,31
Agua Sintética
Concentrado
Temperatura
Conductividad Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
(ºC)
(mS)
23,7
7,04
23,5
1,519
23,4
6,02
23,9
2,18
24,9
3,89
24,8
4,86
25,7
1,406
25,6
7,23
25,7
0,29
25,5
7,73
25,9
0,0997
25,9
8,05
25,9
0,0318
26,1
8,08
26,1
0,0201
26,3
8,14
26,2
0,01891
26,4
8,14
27,3
0,01595
26,6
8,14
113
Muestra
*
*
*
*
*
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Corrida
4.1
Flujo 100 l/h
t (min)
0
0,48
3,35
5,88
9,48
12,73
16,00
20,23
24,59
27,98
30,94
34,25
38,41
AMP
0
3,44
2,67
1,86
1,04
0,61
0,37
0,2
0,14
0,1
0,08
0,08
0,08
Corrida
4.2
Flujo 100 l/h
t (min)
0
1,01
4,00
7,35
10,82
14,37
16,76
19,93
23,14
27,03
30,62
34,12
AMP
0
3,36
2,64
1,6
0,86
0,47
0,33
0,2
0,13
0,09
0,07
0,07
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
7
21,6
5,41
22,2
3,5
22,7
2,32
22,8
1,218
23,1
0,702
23,4
0,412
24
0,18
23,8
0,0923
24,3
0,0428
24,5
0,0381
24,9
0,028
24,8
0,0213
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
1,557
21,8
3,84
22,3
5,83
22,8
6,66
23,1
7,62
23,1
8,05
23,9
8,27
23,8
8,43
24,2
8,43
24,3
8,56
24,4
8,64
24,7
8,65
25,2
8,66
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
20,6
7,43
21,7
4,55
23,1
3,05
24,1
1,59
24,1
0,804
24,5
0,604
24,8
0,407
24,8
0,1374
25,3
0,0703
25,4
0,0309
26
0,02
25,2
0,015
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
20,5
0,867
22,6
4,2
23,2
5,92
24,2
6,96
24,1
7,37
24,3
7,62
24,4
7,93
24,6
8,06
25
8,23
25
8,23
25,3
8,25
25,3
8,25
114
Muestra
*
*
*
*
*
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Segunda tanda: caída de potencial de 30 V
Concentración del agua Sintética al doble
Corrida
5.1
t (min)
0
0,57
5,44
8,52
11,24
14,03
16,55
19,51
22,94
25,49
Corrida
5.2
t (min)
0
1,11
3,82
6,45
9,05
11,87
14,94
17,22
20,01
23,26
25,34
28,84
Flujo 200 l/h
AMP
0
6,38
5,55
2,5
1,2
0,35
0,16
0,11
0,1
0,09
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
22,1
13,23
22,2
12,12
22,4
6,81
24,2
2,08
24,4
0,705
24,6
0,235
25
0,089
24,8
0,043
25,3
0.0298
25,3
0,0242
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,3
0,868
23
2,24
23,7
7,2
24
10,1
24,4
11,74
24,7
12,1
24,6
12,19
25,6
12,21
25,1
12,24
25,4
12,24
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
20,4
14,35
21,5
11,61
22,4
7,77
23,3
4,16
23,7
1,82
23,8
0,864
23,8
0,293
24,3
0,1405
24
0,0909
24,5
0,0492
24,6
0,0343
25,2
0,0308
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
20,8
0,943
20,6
2,67
22,2
7,3
23,1
10,52
23,6
12,2
24
13,13
24
13,4
24
13,75
24,4
13,75
24,6
13,77
24,8
13,76
25
13,8
Muestra
*
*
*
*
*
Flujo 200 l/h
AMP
0
6,38
6,55
4,4
2,4
1,11
0,55
0,27
0,15
0,12
0,11
0,11
115
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Corrida
6.1
t (min)
0
0,84
4,90
7,44
10,70
13,63
16,47
19,00
21,99
24,51
28,23
Corrida
6.2
t (min)
0
0,99
4,39
7,39
9,79
12,48
15,35
17,71
20,42
23,73
25,91
28,39
Flujo 300 l/h
AMP
0
6,5
5,44
2,91
1,04
0,43
0,18
0,13
0,11
0,11
0,1
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
22,1
14,35
23,2
12,41
24,5
5,93
25,2
2,56
25,3
0,763
26,1
0,233
25,8
0,0771
25,9
0,0573
26,1
0,0415
26,3
0,0399
26,4
0,0359
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
22,6
0,943
22,6
2,23
24,4
10
25,3
12,79
25,5
14,43
25,8
14,58
25,8
14,76
26,1
14,76
25,7
14,83
26,1
14,76
26,6
14,75
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,6
15,47
23,2
12,54
24,3
6,8
25,2
2,84
25,9
1,216
26,2
0,383
26
0,1337
25,9
0,0955
26,3
0,0583
26
0,0377
26,2
0,0233
26,8
0,0231
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,9
0,982
23
3,46
24,2
9,6
25,1
12,7
25,7
14,06
25,8
14,39
25,9
14,67
26
14,67
26,1
14,76
26,1
14,8
26,2
14,81
26,3
14,8
Muestra
*
*
*
*
*
Flujo 300 l/h
AMP
0
6,27
6
2,63
1,28
0,66
0,3
0,16
0,13
0,11
0,11
0,11
116
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Corrida
7.1
Flujo 100 l/h
t (min)
0
2,02
4,75
7,10
9,74
12,58
14,97
17,51
19,83
22,24
24,63
27,53
29,77
32,05
AMP
0
5,24
4,79
3,7
2,53
1,85
1,17
0,72
0,49
0,31
0,21
0,16
0,12
0,11
Corrida
7.2
Flujo 100 l/h
t (min)
0
1,52
4,06
6,97
9,58
12,09
14,89
18,36
22,24
24,77
27,32
30,28
32,25
AMP
0
5,31
5,21
4,44
2,56
1,48
0,8
0,38
0,2
0,15
0,12
0,11
0,1
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
19,9
15,49
21,3
11,04
22,2
7,72
22,7
5,4
22,9
3,54
23,6
2,24
23,7
1,282
23,4
0,742
23,9
0,454
24,1
0,331
24,1
0,1792
24,6
0,1029
24,6
0,0898
24,8
0,0686
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
19,8
0,963
20,9
5,04
22,1
8,48
22,7
10,65
22,9
12,32
23,2
13,45
23,4
13,77
23,2
14,53
23,6
14,56
23,9
14,88
24,2
14,78
24,7
14,86
24,3
14,94
24,9
14,93
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,1
15,49
23,3
11,45
24,4
7,74
24,8
5
25,1
2,79
25,8
1,463
25,9
0,752
25,9
0,326
26,2
0,1298
26,6
0,1074
26,3
0,0593
26,4
0,0295
26,8
0,0275
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,5
0,97
22,9
4,26
24,3
8,15
25,1
11,26
25,1
12,87
25,9
13,87
25,9
14,09
26
14,61
26,1
14,77
26,7
14,56
26,6
14,69
26,7
14,84
26,7
14,8
117
Muestra
*
*
*
*
*
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Tercera tanda: caída de potencial de 30 V
Agua de Producción de La Victoria.
Corrida
8.1
Flujo 200 l/h
t (min)
0
2,32
4,28
5,92
7,77
9,71
11,57
13,53
16,04
18,42
20,86
22,74
24,89
AMP
0
5,83
3,94
2,23
1,15
0,6
0,37
0,23
0,15
0,11
0,09
0,08
0,08
Corrida
8.2
Flujo 200 l/h
t (min)
0
2,72
4,83
6,26
8,02
10,18
11,72
13,70
15,35
17,05
19,18
21,07
23,15
AMP
0
5,38
3,72
2,69
1,61
0,91
0,6
0,38
0,28
0,2
0,16
0,12
0,11
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
20,4
10,22
21,8
5,84
22,5
3,29
22,7
2,22
23
1,084
23,1
0,67
23,3
0,382
23,3
0,214
23,6
0,0992
23,6
0,0468
23,7
0,0307
24,2
0,0204
24,4
0,0156
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21
0,99
21
4,38
22,2
6,96
22,9
8,61
22,9
9,3
23,1
9,68
23,2
9,87
23,4
9,96
23,5
10,01
23,9
10,08
23,9
10,13
24
10,14
24,4
10,15
Agua Sintética
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,4
9,6
23,3
5,51
24
4,03
23,9
2,55
24,3
1,47
24,7
0,925
24,7
0,595
24,1
0,368
24,9
0,23
25,2
0,1453
25,1
0,0962
25
0,0613
25,4
0,0595
Concentrado
Temperatura
Conductividad
(ºC)
(mS)
21,7
0,995
23,3
5,31
23,6
7,14
24,1
8,81
24,4
9,57
24,4
10,13
24,8
10,27
24,6
10,39
25
10,52
24
10,68
25
10,75
25
10,86
25
10,79
118
Muestra
*
*
*
*
*
Muestra
*
*
*
*
*
Anexos
Anexo A.4 Comportamiento de las concentraciones de cloruros a diferentes
velocidades de flujo.
Corrida 2.1 y 2.2 ( 200 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal
2500
[Cl] ppm
2000
1500
Agua Sintètica
Concentrado
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
40,00
Corrida 3.1 y 3.2 ( 300 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal
3000
2500
Agua Sintètica
[Cl] ppm
2000
Concentrado
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
t (min)
Corrida 4.1 y 4.2 ( 100 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética normal
2500
Concentrado
Agua Sintética
[Cl] ppm
2000
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00 25,00
t (min)
30,00
35,00
40,00
45,00
119
Anexos
Corrida 5.1 y 5.2 ( 200 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética al doble
4500
4000
[Cl] ppm
3500
Concentrado
3000
Agua Sintética
2500
2000
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
t (min)
25,00
30,00
35,00
Corrida 6.1 y 6.2 ( 300 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética al doble
4500
4000
[Cl] ppm
3500
Concentrado
3000
Agua Sintética
2500
2000
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
t (min)
20,00
25,00
30,00
Corrida 7.1 y 7.2 ( 100 l/h a 30 V) concentración de Agua Sintética al doble
4500
4000
3500
Concentración
[Cl] ppm
3000
Agua Sintética
2500
2000
1500
1000
500
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
t (min)
120