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Sistema de ósmosis inversa industrial
Introducción al proyecto
Principio del sistema de ósmosis inversa
A una temperatura determinada, se utiliza una membrana semipermeable para separar el agua dulce de la salina. El agua dulce se desplaza hacia la salina a través de esta membrana. A medida que aumenta el nivel de líquido en el lado salino del ventrículo derecho, se genera una presión que impide que el agua dulce del ventrículo izquierdo se desplace hacia el lado salino, alcanzándose finalmente el equilibrio. Esta presión de equilibrio se denomina presión osmótica de la solución, y este fenómeno se conoce como ósmosis. Si se aplica una presión externa superior a la presión osmótica en el lado salino del ventrículo derecho, el agua de la solución salina del ventrículo derecho se desplazará hacia el agua dulce del ventrículo izquierdo a través de la membrana semipermeable, separándose así el agua dulce del agua salada. Este fenómeno es el opuesto al de la permeabilidad, denominado permeabilidad inversa.
Por lo tanto, la base del sistema de desalinización por ósmosis inversa es
(1) La permeabilidad selectiva de una membrana semipermeable, es decir, que permite el paso selectivo del agua pero no de la sal;
(2) La presión externa de la cámara de solución salina es mayor que la presión osmótica de la cámara de solución salina y de la cámara de agua dulce, lo que proporciona la fuerza impulsora para que el agua se mueva de la cámara de solución salina a la cámara de agua dulce. Las presiones osmóticas típicas para algunas soluciones se muestran en la tabla a continuación.
La membrana semipermeable mencionada anteriormente, utilizada para separar el agua dulce del agua salada, se denomina membrana de ósmosis inversa. Estas membranas suelen estar fabricadas con materiales poliméricos. Actualmente, las membranas de ósmosis inversa empleadas en centrales termoeléctricas se fabrican principalmente con materiales compuestos de poliamida aromática.
La tecnología de ósmosis inversa (RO) es una tecnología de separación y filtración por membrana que funciona mediante la diferencia de presión. El tamaño de sus poros es tan pequeño como el nanómetro (1 nanómetro = 10⁻⁹ metros). Bajo una presión determinada, las moléculas de H₂O pueden atravesar la membrana de RO, mientras que las sales inorgánicas, los iones de metales pesados, la materia orgánica, los coloides, las bacterias, los virus y otras impurezas presentes en el agua de origen no pueden atravesarla. De esta manera, se puede distinguir con precisión entre el agua pura que la atraviesa y el agua con impurezas que no la atraviesa.
En aplicaciones industriales, las plantas de ósmosis inversa utilizan equipos especializados para facilitar el proceso. Los sistemas industriales de ósmosis inversa están diseñados para tratar grandes volúmenes de agua y se emplean en diversas industrias, como la agrícola, la farmacéutica y la manufacturera. Los equipos utilizados en estos sistemas están diseñados específicamente para garantizar que el proceso de ósmosis inversa sea eficiente y eficaz en la producción de agua dulce a partir de fuentes de agua salada.
El proceso de ósmosis inversa es una tecnología importante para la desalinización del agua de mar, que puede proporcionar agua potable a zonas donde el agua escasea o donde las fuentes de agua tradicionales están contaminadas. A medida que avanzan los equipos y la tecnología de ósmosis inversa, este proceso sigue siendo una solución clave para la escasez de agua y los problemas de calidad en todo el mundo.
Características principales de la membrana de ósmosis inversa:
Direccionalidad y características de separación de la separación por membrana
La membrana práctica de ósmosis inversa es asimétrica, con una capa superficial y una capa de soporte, y presenta una direccionalidad y selectividad bien definidas. La direccionalidad se manifiesta al someter la superficie de la membrana a salmuera a alta presión para la desalinización; al aumentar la presión, la permeabilidad al agua de la membrana y, por consiguiente, la tasa de desalinización, aumenta. En cambio, al someter la capa de soporte a salmuera a alta presión, la tasa de desalinización se reduce prácticamente a cero al aumentar la presión, pero la permeabilidad al agua aumenta considerablemente. Debido a esta direccionalidad, no puede utilizarse en sentido inverso.
Las características de separación de la ósmosis inversa para iones y materia orgánica en el agua no son las mismas, lo que se puede resumir de la siguiente manera:
(1) La materia orgánica es más fácil de separar que la materia inorgánica.
(2) Los electrolitos son más fáciles de separar que los no electrolitos. Los electrolitos con cargas altas son más fáciles de separar, y sus tasas de eliminación generalmente siguen el siguiente orden: Fe3+> Ca2+> Na+ PO43-> S042-> C | - para el electrolito, cuanto más grande es la molécula, más fácil es eliminarla.
(3) La tasa de eliminación de iones inorgánicos está relacionada con el hidrato y el radio de los iones hidratados en el estado de hidratación iónica. Cuanto mayor sea el radio del ion hidratado, más fácil será su eliminación. El orden de la tasa de eliminación es el siguiente:
Mg2+, Ca2+> Li+ > Na+ > K+; F->C|->Br->NO3-
(4) Reglas de separación de la materia orgánica polar:
Aldehído > Alcohol > Amina > Ácido, amina terciaria > Amina secundaria > Amina primaria, ácido cítrico > Ácido tartárico > Ácido málico > Ácido láctico > Ácido acético
Los recientes avances en el tratamiento de gases residuales representan un progreso significativo para abordar los desafíos ambientales, a la vez que brindan oportunidades para que las empresas prosperen de manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Esta innovadora solución tendrá un impacto positivo en el tratamiento de gases residuales y la protección ambiental, gracias a su alta eficiencia, bajos costos operativos y la ausencia de contaminación secundaria.
(5) Par de isómeros: tert- > Diferente (iso-)> Zhong (sec-)> Original (pri-)
(6) El rendimiento de separación de la sal sódica de la materia orgánica es bueno, mientras que el fenol y los organismos de la fila del fenol muestran una separación negativa. Cuando las soluciones acuosas de solutos orgánicos polares o no polares, disociados o no disociados, se separan mediante una membrana, las fuerzas de interacción entre el soluto, el disolvente y la membrana determinan la permeabilidad selectiva de la membrana. Estos efectos incluyen la fuerza electrostática, la fuerza de unión por enlaces de hidrógeno, la hidrofobicidad y la transferencia de electrones.
(7) En general, los solutos tienen poca influencia en las propiedades físicas o de transferencia de la membrana. Solo el fenol o algunos compuestos orgánicos de bajo peso molecular provocan la expansión del acetato de celulosa en solución acuosa. La presencia de estos componentes suele disminuir el flujo de agua a través de la membrana, a veces considerablemente.
(8) El efecto de eliminación de nitrato, perclorato, cianuro y tiocianato no es tan bueno como el del cloruro, y el efecto de eliminación de la sal de amonio no es tan bueno como el de la sal de sodio.
(9) La mayoría de los componentes con masa molecular relativa mayor de 150, ya sean electrolitos o no electrolitos, pueden eliminarse fácilmente.
Además, el orden de separación de la membrana de ósmosis inversa para hidrocarburos aromáticos, cicloalcanos, alcanos y cloruro de sodio es diferente.
(2) Bomba de alta presión
En el funcionamiento de la membrana de ósmosis inversa, el agua debe ser bombeada a la presión especificada para completar el proceso de desalinización. Actualmente, las bombas de alta presión utilizadas en centrales termoeléctricas son de tipo centrífugo, de émbolo, de tornillo y otras variantes. Entre ellas, la bomba centrífuga multietapa es la más utilizada, ya que alcanza una eficiencia superior al 90 % y permite ahorrar energía. Este tipo de bomba se caracteriza por su alta eficiencia.
(3) Ontología de ósmosis inversa
El cuerpo de ósmosis inversa es una unidad de tratamiento de agua que combina y conecta los componentes de la membrana de ósmosis inversa mediante tuberías, siguiendo una disposición específica. Cada membrana de ósmosis inversa se denomina elemento de membrana. Un número determinado de componentes de membrana de ósmosis inversa se conectan en serie según ciertos requisitos técnicos y se ensamblan con una carcasa para formar un componente de membrana.
1. Elemento de membrana
Elemento de membrana de ósmosis inversa. Unidad básica compuesta por una membrana de ósmosis inversa y material de soporte, con función para uso industrial. Actualmente, los elementos de membrana en serpentín se utilizan principalmente en centrales térmicas.
Actualmente, diversos fabricantes de membranas producen una variedad de componentes para diferentes usuarios industriales. Los elementos de membrana utilizados en centrales térmicas se pueden dividir, a grandes rasgos, en: elementos de membrana de ósmosis inversa para la desalinización de agua de mar a alta presión; elementos de membrana de ósmosis inversa para la desalinización de agua salobre a baja y ultrabaja presión; y elementos de membrana antiincrustantes.
Los requisitos básicos para los elementos de membrana son:
A. Densidad de empaquetamiento de la película lo más alta posible.
B. No es fácil polarizar la concentración
C. Fuerte capacidad antipolución
D. Es conveniente limpiar y reemplazar la membrana.
E. El precio es barato
2. Cubierta de membrana
El recipiente a presión que se utiliza para cargar el elemento de membrana de ósmosis inversa en el dispositivo de ósmosis inversa se llama carcasa de membrana, también conocido como "recipiente a presión". La unidad de fabricación es Haide Energy, y cada recipiente a presión mide aproximadamente 7 metros de largo.
La carcasa del recipiente a presión suele estar hecha de tela plástica reforzada con fibra de vidrio y resina epoxi, y el revestimiento exterior es de pintura epoxi. Algunos fabricantes también producen carcasas de acero inoxidable. Debido a la alta resistencia a la corrosión del PRFV, la mayoría de las centrales térmicas optan por carcasas de PRFV. El material del recipiente a presión es PRFV.
Factores que afectan al rendimiento de los sistemas de tratamiento de agua por ósmosis inversa:
Para condiciones específicas del sistema, el flujo de agua y la tasa de desalinización son características de la membrana de ósmosis inversa, y existen muchos factores que afectan el flujo de agua y la tasa de desalinización del cuerpo de ósmosis inversa, incluyendo principalmente la presión, la temperatura, la tasa de recuperación, la salinidad del afluente y el valor de pH.
(1) Efecto de la presión
La presión de entrada de la membrana de ósmosis inversa afecta directamente al flujo de la membrana y a la tasa de desalinización. El aumento del flujo de la membrana guarda una relación lineal con la presión de entrada. La tasa de desalinización también guarda una relación lineal con la presión de entrada, pero cuando la presión alcanza un cierto valor, la curva de variación de la tasa de desalinización tiende a aplanarse y la tasa deja de aumentar.
(2) Efecto de la temperatura
La tasa de desalinización disminuye con el aumento de la temperatura de entrada de la ósmosis inversa. Sin embargo, el flujo de agua producida aumenta casi linealmente. La razón principal es que, al aumentar la temperatura, la viscosidad de las moléculas de agua disminuye y la capacidad de difusión es mayor, por lo que el flujo de agua aumenta. Con el aumento de la temperatura, la velocidad a la que la sal pasa a través de la membrana de ósmosis inversa se acelera, por lo que la tasa de desalinización se reduce. La temperatura del agua cruda es un índice de referencia importante para el diseño de sistemas de ósmosis inversa. Por ejemplo, cuando una central eléctrica está en proceso de transformación técnica de ingeniería de ósmosis inversa, la temperatura del agua cruda en el diseño se calcula según 25 ℃, y la presión de entrada calculada es de 1,6 MPa. Sin embargo, la temperatura del agua en el funcionamiento real del sistema es de solo 8 ℃, y la presión de entrada debe aumentarse a 2,0 MPa para garantizar el flujo de diseño de agua dulce. Como resultado, aumenta el consumo de energía del sistema, se acorta la vida útil del anillo de sellado interno del componente de membrana del dispositivo de ósmosis inversa y aumenta el coste de mantenimiento del equipo.
(3) Efecto del contenido de sal
La concentración de sal en el agua es un índice importante que afecta la presión osmótica de la membrana, y esta aumenta con el incremento del contenido de sal. Si la presión de entrada de la ósmosis inversa permanece constante, el contenido de sal del agua de entrada aumenta. Dado que el aumento de la presión osmótica contrarresta parcialmente la fuerza de entrada, el flujo disminuye y, por consiguiente, la tasa de desalinización también.
(4) La influencia de la tasa de recuperación
El aumento en la tasa de recuperación del sistema de ósmosis inversa conlleva un mayor contenido de sal en el agua de entrada del elemento de membrana en la dirección del flujo, lo que resulta en un aumento de la presión osmótica. Esto contrarresta el efecto impulsor de la presión del agua de entrada de la ósmosis inversa, reduciendo así el flujo de agua producida. El aumento del contenido de sal en el agua de entrada del elemento de membrana conlleva un aumento del contenido de sal en el agua dulce, reduciendo así la tasa de desalinización. En el diseño del sistema, la tasa máxima de recuperación del sistema de ósmosis inversa no depende de la limitación de la presión osmótica, sino que a menudo depende de la composición y el contenido de sal en el agua cruda, ya que con la mejora de la tasa de recuperación, las sales microsolubles como el carbonato de calcio, el sulfato de calcio y el silicio se incrustarán en el proceso de concentración.
(5) La influencia del valor de pH
El rango de pH aplicable a los diferentes tipos de elementos de membrana varía enormemente. Por ejemplo, el flujo de agua y la tasa de desalinización de la membrana de acetato tienden a ser estables en el rango de pH de 4 a 8, y se ven muy afectados en el rango de pH inferior a 4 o superior a 8. En la actualidad, la gran mayoría de los materiales de membrana utilizados en el tratamiento de agua industrial son materiales compuestos, que se adaptan a un amplio rango de valores de pH (el valor de pH se puede controlar en el rango de 3 a 10 en operación continua, y el flujo de la membrana y la tasa de desalinización en este rango son relativamente estables.
Método de pretratamiento de la membrana de ósmosis inversa:
La filtración por membrana de ósmosis inversa difiere de la filtración por lecho filtrante. En el lecho filtrante, la filtración es completa, es decir, el agua cruda pasa a través de toda la capa filtrante. La filtración por membrana de ósmosis inversa utiliza un método de filtración de flujo cruzado, donde parte del agua cruda pasa a través de la membrana en dirección vertical. En este proceso, las sales y diversos contaminantes son retenidos por la membrana, mientras que el resto del agua cruda fluye paralelamente a la superficie de la membrana, pero no se eliminan por completo. Con el tiempo, los contaminantes residuales agravan la contaminación de la membrana. Cuanto mayor sea la concentración de contaminantes en el agua cruda y la tasa de recuperación, más rápida será la contaminación de la membrana.
1. Control de escala
Cuando las sales insolubles del agua cruda se concentran continuamente en el elemento de membrana y superan su límite de solubilidad, precipitan en la superficie de la membrana de ósmosis inversa, lo que se denomina "incrustación". Al determinar la fuente de agua, a medida que aumenta la tasa de recuperación del sistema de ósmosis inversa, aumenta el riesgo de incrustación. Actualmente, es habitual aumentar las tasas de reciclaje debido a la escasez de agua o a los impactos ambientales de las descargas de aguas residuales. En este caso, las medidas de control de incrustaciones bien pensadas son particularmente importantes. En los sistemas de ósmosis inversa, las sales refractarias comunes son CaCO3, CaSO4 y SiO2, y otros compuestos que pueden producir incrustaciones son CaF2, BaSO4, SrSO4 y Ca3(PO4)2. El método común para inhibir las incrustaciones es añadir un inhibidor de incrustaciones. Los inhibidores de incrustaciones que se utilizan en mi taller son Nalco PC191 y NP200 (Europa y América).
2. Control de la contaminación por partículas coloidales y sólidas
La obstrucción por coloides y partículas puede afectar seriamente el rendimiento de los elementos de la membrana de ósmosis inversa, provocando, por ejemplo, una reducción significativa en la producción de agua dulce y, en ocasiones, también una disminución en la tasa de desalinización. El síntoma inicial de la obstrucción por coloides y partículas es el aumento de la diferencia de presión entre la entrada y la salida de los componentes de la membrana de ósmosis inversa.
La forma más común de evaluar los coloides y las partículas del agua en los elementos de la membrana de ósmosis inversa es medir el valor SDI del agua, a veces llamado valor F (índice de contaminación), que es uno de los indicadores importantes para monitorear el funcionamiento del sistema de pretratamiento de ósmosis inversa.
El índice de densidad de sedimentos (SDI) mide la variación de la velocidad de filtración del agua por unidad de tiempo e indica el grado de contaminación. La cantidad de coloides y partículas en el agua afecta al valor del SDI. Este valor se puede determinar mediante un instrumento especializado.
3. Control de la contaminación microbiana de la membrana
Los microorganismos presentes en el agua cruda incluyen principalmente bacterias, algas, hongos, virus y otros organismos superiores. Durante el proceso de ósmosis inversa, los microorganismos y los nutrientes disueltos en el agua se concentran y enriquecen continuamente en la membrana, creando un entorno ideal para la formación de biopelículas. La contaminación biológica de los componentes de la membrana de ósmosis inversa afecta gravemente el rendimiento del sistema. La diferencia de presión entre la entrada y la salida de los componentes aumenta rápidamente, lo que reduce el rendimiento de agua de la membrana. En ocasiones, la contaminación biológica se produce en la planta de producción de agua, contaminando el agua tratada. Por ejemplo, durante el mantenimiento de los equipos de ósmosis inversa en algunas centrales termoeléctricas, se ha detectado musgo verde en las membranas y las tuberías de agua dulce, un ejemplo típico de contaminación microbiana.
Una vez que el elemento de membrana se contamina con microorganismos y forma biopelícula, su limpieza se vuelve muy difícil. Además, las biopelículas que no se eliminan por completo provocan un rápido crecimiento de los microorganismos. Por lo tanto, el control de los microorganismos es una de las tareas más importantes del pretratamiento, especialmente en los sistemas de ósmosis inversa que utilizan agua de mar, agua superficial y aguas residuales como fuentes de agua.
Los principales métodos para prevenir la proliferación de microorganismos en las membranas son: cloración, microfiltración o ultrafiltración, oxidación con ozono, esterilización ultravioleta y adición de bisulfito de sodio. Los métodos más utilizados en el sistema de tratamiento de agua de las centrales termoeléctricas son la cloración, la esterilización y la ultrafiltración, antes de la ósmosis inversa.
Como agente esterilizante, el cloro es capaz de inactivar rápidamente muchos microorganismos patógenos. Su eficacia depende de la concentración de cloro, el pH del agua y el tiempo de contacto. En aplicaciones de ingeniería, el cloro residual en el agua se controla generalmente entre 0,5 y 1,0 mg, y el tiempo de reacción entre 20 y 30 minutos. La dosis de cloro debe determinarse mediante pruebas, ya que la materia orgánica presente en el agua también consume cloro. El cloro se utiliza para la esterilización, y el pH óptimo para su aplicación práctica se sitúa entre 4 y 6.
El uso de la cloración en sistemas de agua de mar difiere del de agua salobre. Generalmente, el agua de mar contiene unos 65 mg de bromo. Al tratar químicamente el agua de mar con hidrógeno, este reacciona primero con el ácido hipocloroso para formar ácido hipobromoso. Por lo tanto, su efecto bactericida se debe al ácido hipobromoso, no al ácido hipocloroso, y este último no se descompone a un pH elevado. En consecuencia, la cloración resulta más eficaz en agua de mar que en agua salobre.
Debido a que el elemento de membrana del material compuesto tiene ciertos requisitos en cuanto al cloro residual en el agua, es necesario llevar a cabo un tratamiento de reducción de cloración después de la esterilización con cloro.
4. Control de la contaminación orgánica
La adsorción de materia orgánica en la superficie de la membrana provocará una disminución del flujo de la membrana y, en casos graves, causará una pérdida irreversible del flujo de la membrana y afectará la vida útil de la misma.
En el caso de las aguas superficiales, la mayor parte del agua está compuesta por productos naturales. Mediante un proceso combinado de clarificación por coagulación, filtración por coagulación de corriente continua y filtración con carbón activado, se puede reducir considerablemente la materia orgánica del agua para cumplir con los requisitos del agua de ósmosis inversa.
5. Control de polarización de concentración
En el proceso de ósmosis inversa, a veces se produce un alto gradiente de concentración entre el agua concentrada en la superficie de la membrana y el agua de entrada, fenómeno conocido como polarización de concentración. Cuando esto ocurre, se forma una capa de concentración relativamente alta y relativamente estable, denominada "capa crítica", en la superficie de la membrana, lo que dificulta la implementación efectiva del proceso de ósmosis inversa. Esto se debe a que la polarización de concentración aumenta la presión de permeación de la solución en la superficie de la membrana, reduciendo la fuerza impulsora del proceso de ósmosis inversa y, en consecuencia, la tasa de desalinización y el rendimiento del agua. Cuando la polarización de concentración es severa, algunas sales ligeramente disueltas precipitan y se incrustan en la superficie de la membrana. Para evitar la polarización de concentración, el método efectivo consiste en mantener el flujo de agua concentrada en un estado turbulento, es decir, aumentando el caudal de entrada para incrementar el caudal de agua concentrada, de modo que la concentración de sales microdisueltas en la superficie de la membrana se reduzca al mínimo. Además, una vez apagado el dispositivo de tratamiento de agua por ósmosis inversa, el agua concentrada que se encuentra en el lado del agua concentrada de reemplazo debe lavarse a tiempo.
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