Prototipo de unidad para el tratamiento de agua marina vía

IV MUESTRA DE PROYECTOS Y TRABAJOS TÉCNICOS (IV MPTT)
Prototipo de unidad para el tratamiento de agua marina vía
desalinización por electrodiálisis.
DÍAZ, H.; GONZÁLEZ, J.; GUEVARA, J.; JUÁREZ, R.;
TORRES, I.; VICTORIA, T.
MONTILLA, G.*; RIVERA, J.;
Dirección para correspondencia: [email protected]
Resumen
Desalinización o desalación es un proceso destinado a eliminar el componente salino del agua del mar o
del agua continental salobre con el objetivo de obtener agua potable. Los métodos de reducción de la
salinidad del agua se clasifican en función de las fases acuosas involucradas. Por ejemplo, cuando ocurren
cambios de fases los métodos son tres (3): congelación, cuando se pasa por una fase sólida, destilación
clásica (por compresión de gases o “multiflash”) y condensación. Por otro lado, si no existen cambios de
fases y el agua a tratar se conserva en su estado líquido, los procedimientos utilizados son la ósmosis
inversa y la electrodiálisis. El objetivo del presente trabajo es elaborar, un prototipo a escala de laboratorio,
de una unidad para el tratamiento de agua marina por medio de la electrodiálisis. La unidad consiste en una
celda construida de material acrílico de 28X28X20 cm con electrodos de níquel (5% pureza comercial) de
0.2 cm de diámetro y 30.5 cm de longitud y se utilizaron como membranas intercambiadoras iónicas,
mallas con sustrato a base de arcillominerales En los ensayos preliminares de desalinización se utilizó una
diferencia de potencial de 20 voltios y un tiempo de tratamiento de 90 minutos, para tratar 9 L de agua
marina del litoral Pacífico veragüense.
Descriptores: Celda electroquímica, desalinización, electrodiálisis, ósmosis inversa, tratamiento de agua del
mar.
Abstract
Prototype of unit for the marine water treatment via desalination
by electrodyalisis.
Desalination or desalination is a process destined to eliminate the saline component of the water of the sea
or the brackish continental water with the objective to obtain potable water. The methods of reduction of the
salinity of the water are classified based on the involved watery phases. For example, when the methods
happen changes of phases are three (3): freezing, when one goes through a solid phase, classic distillation
(by compression of gases or "multiflash") and condensation. On the other hand, if changes of phases do not
exist and the water to treat is conserved in its liquid state, the used procedures are the inverse osmosis and
the electrodyalisis. The objective of the present work is to elaborate, a prototype on scale of laboratory, a
unit for the marine water treatment by means of the electrodyalisis. The unit consists of a constructed cell of
acrylic material of 28X28X20 cm with nickel electrodes (5% commercial purity) of 0,2 cm of diameter and
30,5 cm in length and were used like ionic interchanging membranes, meshes with substrate with clays
minerals In the preliminary tests of desalination was used a difference of potential of 20 volts and a time of
treatment of ±90 minutes, to deal with 9 L marine water of veragüense the Pacific coast.
Key words: Desalinization, electrochemical cell, electrodyalisis, inverse osmosis, sea water treatment.
Centro Regional de Veraguas, San Antonio, 23 al 25/11/2005
Introducción
La escasez de agua dulce en muchas
regiones de nuestro planeta, aunado a una
industrialización masiva y al desarrollo de
los países, requiere de mayores cantidades
de este recurso natural.
En lo que respecta al tercer mundo, el
consumo promedio de agua es de 50 L*h1*d-1, mientras que en las naciones
industrializadas sobrepasa los 500 L por día
(estos datos comprenden todos los usos).
La cantidad absolutamente indispensable
para el mantenimiento de la vida de un
adulto normal varía de 7 a 15 L, según la
temperatura y el tipo de actividad que
realice. En clima templado, la cantidad de
agua que el hombre necesita diariamente se
calcula en 2 L (Chamizo & Garritz, 1995).
Para subsanar este problema, diversas
tecnologías de tratamiento se han propuesto
en muchos lugares, mientras que otras
recurren a otras vías y tecnologías distintas
de las que en otros lugares se han
considerado como convencionales.
La desalación de aguas salobres
continentales y de aguas oceánicas, se está
tornando en un procedimiento ampliamente
difundido
y
utilizado
en
regiones
necesitadas de agua dulce.
Definida como la eliminación de sales
del agua de mar, salmuera o agua salobre
de modo que sirva para consumo humano.
En términos comerciales, las plantas
desaladoras aparecieron durante la década
de los años 60; a partir de entonces se
empezaron a instalar varias unidades en
diferentes partes del contexto mundial,
cuyas capacidades de producción alcanzan
los 8000 m3 por día. Sin embargo, una gran
limitante es el costo de la energía, la cual
aumenta de forma significativa en todos los
países, por lo que existe una presión sobre
aquellos países que no cuentan con los
recursos energéticos necesarios. A partir de
la década de los 90, esas limitantes se ven
superados con el desarrollo de nuevas
tecnologías, como es el caso de las
membranas, y la consiguiente reducción de
los costos de producción de agua salada.
De los varios procesos que la literatura
técnica reporta y que se pueden aplicar para
la desalación del agua, la utilización de un
determinado
proceso,
dependerá,
principalmente, de las características físicoquímicas del agua a tratar, de la energía
disponible y de los costos operacionales del
proceso
Los procesos de desalación, los cuales
pueden variar desde la simple evaporación
y posterior condensación, hasta los
procesos
de
osmosis
inversa
y
electrodiálisis, se agrupan como se presenta
en el cuadro a continuación:
Cuadro Nº1 Principales procesos de desalación con sus características fundamentales.
Categoría
Características
Ejemplos
• Evaporación solar
El agua, en su tratamiento, pasa por
• Comprensión mecánica de vapor
una fase gaseosa como es la
• Térmico de doble o múltiple efecto
Grupo 1
evaporación y puede llevarse a cabo
• Térmico por evaporación súbita en
por procedimientos de:
múltiple etapa (”multiflash”)
• Congelación
Grupo 2
El agua pasa por una fase sólida.
• Formación de hidratos
El agua en su tratamiento permanece
• Osmosis Inversa
Grupo 3
en estado líquido, son los procesos con
• Electrodiálisis
membranas.
• Intercambio iónico
Grupo 4
Procesos varios.
• Extracción con disolvente
• Absorción
La
primera
instalación
para
electrodiálisis data de 1960. El proceso
consiste, como se muestra en la fig. 1, de
dos electrodos con cargas diferentes,
separados por una serie de cámaras en las
cuales se encuentran membranas aniónicas
(es decir, son permeables únicamente a los
aniones; por ejemplo, Cl-1, S04-2, etc.).
Cuando no hay paso de corriente mediante
los electrodos, cada compartimiento está
lleno de agua salada. Al aplicarse la
corriente eléctrica, los iones migran hacia el
electrodo de polaridad opuesta, pasando
por la membrana catiónica. El Na+1, el Ca+2
y el Mg+2 se mueven hacia el electrodo
negativo y se detienen al llegar a la
membrana aniónica; lo mismo sucede con
los aniones: migran a través de la
membrana aniónica y son detenidos por la
catiónica. Después de cierto tiempo se
tienen compartimientos alternadamente
llenos de salmuera y de agua dulce
(Chamizo & Garritz, 1995).
pacífico veragüense y en los ensayos se
utilizaron 9 L.
Membranas
iónicas:
las
dos
membranas de separación utilizadas en los
ensayos, fueron construidas por medio de la
utilización de una malla metálica con
revestimiento de tejido natural, la cual sirvió
de soporte para la colocación de
aproximadamente 0.5 Kg de arcillo mineral.
Ensayos: en los ensayos preliminares
de desalinización se utilizaron dos
electrodos de níquel de 0.2 cm de diámetro y
30.5 cm longitud una diferencia de potencial
de 20 Voltios y un tiempo de tratamiento de
± 90 minutos. El control del voltaje se realizó
por medio de un multímetro digital portátil
marca Fluke.
Caracterización de las muestras: las
muestras acuosas fueron caracterizadas en
términos de sus propiedades (pH,
conductividad, turbidez, oxígeno disuelto,
temperatura y salinidad), por medio de la
utilización de equipo portátil de análisis de
agua Horiba® U-10.
Figura Nº 1. Esquematización del proceso
de electrodiálisis
Antes de someter el agua al proceso de
desalación, normalmente se requiere de una
etapa de pre-tratamiento, las cuales pueden
ser: desinfección, precipitación, filtración,
descarbonatación, y desincrustación, entre
otros.
La etapa de pre-tratamiento tiene como
objetivo eliminar sólidos disueltos y en
suspensión, ya que la presencia de los
mismos dificultaría y encarecería el costo
del proceso de desalación propiamente
dicho.
Adicionalmente, también se requiere
una fase de post-tratamiento que incluye
principalmente una remineralización, ajuste
del pH y desinfección.
Materiales y métodos
Construcción de celda: Una celda con
dimensiones de 28X28X20 cm (fig. 2) y
utilizada en los ensayos de electrodiálisis,
fue construida por medio de la utilización de
una lámina de acrílico de 0.48 cm de
espesor.
Muestra de agua: las muestras de
aguas oceánicas fueron obtenidas del litoral
Figura Nº 2. Disposición y montaje de
elementos
para
los
ensayos
de
desalinización
Eficiencia del proceso: la eficiencia del
proceso de electrodiálisis fue determinada
por medio de la utilización de la ecuación 1:
E=
P1 − P2
* 100
P1
(1)
Donde:
E = Eficiencia, %
P1 = Valor del parámetro inicial
P2= Valor del parámetro final
Resultados y Discusión
Dentro del marco de sustentación del
tema en estudio, se hizo necesario realizar
algunas pruebas cuyos resultados se
desglosarán a continuación.
Como se observa en la tabla de la
página a continuación, se presenta la
comparación de los diferentes valores de los
parámetros característicos del agua marina
cuyos datos fueron obtenidos a diferentes
intervalos de tiempo.
Por ejemplo, en términos de la cantidad
de oxígeno disuelto, el agua marina
presentó un contenido inicial de 3.11 mg*L-1,
mientras que el agua, después de ser
tratada por medio de la electrodiálisis, su
contenido promedio de oxígeno disuelto fue
de 1.48 mg*L-1, considerando las tres
cámara de reacción, lo cual representó una
variación en este parámetro en torno al 52
%.
Tabla Nº 1 Principales resultados obtenidos en los ensayos de desalinización del agua marina
del litoral pacífico veragüense. Diferencia de potencial 20 Voltios tiempo de tratamiento ± 90min.
Agua
Agua marina
Ensayo
Propiedades
potable
Cámara 1 Cámara 2 Cámara 3
Natural
Filtrada
pH
7.83
8.27
8.15
8.38
7.05
6.39
-1
Conductividad (mS*cm )
26.5
22.8
0.71
22.4
22.2
22.4
Turbidez (NTU)
20
15
10
12
11
12
Oxígeno disuelto (mg*L-1)
3.11
2.09
1.09
1.58
1.32
1.56
Temperatura (ºC)
26
24.4
25.9
24.7
25.3
25
Salinidad (%)
1.64
1.60
0
1.35
1.34
1.35
Al analizar las muestras se pudo
determinar que la salinidad del agua
presentó variaciones no tan significativas.
Esta particularidad se la podemos atribuir al
hecho de que en las cámaras de separación
se concentraron iones compatibles con el
electrodo
receptor,
situación
que
presentamos esquemáticamente en la figura
3.
Figura Nº 3. Esquema de la separación
iónica (Na, Cl).
Así tenemos que en la cámara 3, que
contenía el ánodo (+) de la celda galvánica,
se observó la formación de un líquido de
color verduzco (ver figura 3), y en la parte
de la base de la cámara, justo por debajo
del electrodo, se observó la formación de
pequeños cristales de sales, probablemente
cloruro de níquel, ya que al momento de
retirar el electrodo, éste se presentó
completamente corroído.
Figura Nº 3. Fotografía de las cámaras de
reacción indicando los resultados obtenidos,
en términos de coloración.
En términos del pH de las muestras de
agua en las diferentes cámaras de la celda
galvánica después del ensayo realizado
indican que en efecto se dieron variaciones
significativas de concentraciones iónicas.
Por ejemplo, en la cámara 1, cátodo (-), se
dieron concentraciones de cationes, los
cuales normalmente forman bases, en
contra parte, ya en la cámara 3, ánodo (+),
ocurrieron concentraciones de aniones,
formadores de ácidos, con pH menores que
7.
Una situación particular, ocurrió en la
cámara central (2), en donde el pH de la
muestra se mantuvo prácticamente neutro,
Por lo anterior recomendamos que este
proyecto sea una antesala para futuros
trabajos de investigación.
Conclusiones
Al terminar este trabajo concluimos que:
De las diversas clasificaciones de los
métodos existentes para el tratamiento del
agua de mar, los procesos que emplean
membranas selectivas son los más
eficientes, específicamente el método de
desalinización por electrodiálisis; aunque es
el proceso económicamente más costoso, la
recuperación en cuanto al volumen de agua
obtenida es mayor, además presenta un
menor consumo energético y mayor
durabilidad de las membranas.
La electrodiálisis se torna una técnica
viable para la desalinización del agua del
mar, no obstante otros estudios deberán
realizarse; especialmente tendientes a
abaratar costos.
Agradecimientos
Expresamos nuestro más sincero
agradecimiento al Dr. Alexis Tejedor por
brindarnos su asesoría, amistad y confianza
y al Lic. Jesús Alberto Mendoza, por las
sugerencias que hicieron posible la
culminación de este proyecto.
Referencias Bibliográficas
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Mar”, Química Terrestre, México, ISBN
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http://www.twdb.state.tx.us/publications/r
eports/GroundWaterReports/GWReports/
R360AEPC/Ch15.pdf
La desalación y sus costos
http://www.portalbesana.es/documentos/
documentacion/congreshorticmedit/desal
acion.pd