Estudio del comportamiento de membranas de electrodiálisis reversible para el tratamiento de galerías con alto poder incrustante.
Fecha
2021Resumen
La escasez de agua potable se está volviendo un problema muy grave en muchas regiones
del planeta debido al rápido desarrollo de la industria y al crecimiento de la población. Es
por ello por lo que se apuesta cada vez más por el tratamiento del agua y su adecuación
para el consumo humano bajo los parámetros de la normativa vigente.
En las islas oceánicas, como es el caso de las Islas Canarias, el agua es un recurso crítico
y es necesario aprovechar las explotaciones subterráneas, tales como pozos, sondeos,
galerías de drenajes o minas de agua para satisfacer la demanda. En la isla de Tenerife
están contabilizadas 1.520 excavaciones en el subsuelo de la isla para la obtención de
agua de las cuales sólo el 41% suministran agua a la población. Debido a la actividad
volcánica de esta isla, el agua subterránea de la zona noroeste se ve afecta por los gases
volcánicos que hacen aumentar considerablemente el valor de fondo de ciertos
parámetros básicos como puede ser el pH del agua o el contenido en flúor, sulfatos y
calcio. Para que estas aguas puedan ser suministradas a la población es necesario tratarlas
para que los parámetros entren en lo establecido con la normativa.
Para el tratamiento de aguas subterráneas existen diferentes tecnologías como la
microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración, la ósmosis inversa y la electrodiálisis.
Al hacer un análisis de las diferentes tecnologías y sus posibilidades de uso, se llega a la
conclusión de que la electrodiálisis es la mejor opción debido a la composición química
del agua a tratar.
La electrodiálisis es un proceso de separación electroquímico en el que los iones pasan a
través de membranas selectivas de una solución menos concentrada a otra de mayor
concentración, por acción de una corriente continua. Los cationes migran hacia el cátodo
pasando a través de las membranas catiónicas de un compartimento diluido a uno más
concentrado donde quedan retenido por una membrana aniónica. Los aniones por su parte
migran hacia el ánodo atravesando una membrana aniónica, quedándose en un
compartimento de concentrado y quedando retenida por la membrana catiónica.
La electrodiálisis reversible se basa en el mismo principio que la electrodiálisis, pero
invirtiendo periódicamente la polaridad de los electrodos y cambiando las válvulas que
controlan las corrientes de agua. Con este modo de funcionamiento se limpian las
membranas, liberando partículas coloidales que puedan estar adsorbidas en la superficie de las membranas y puedan provocar un aumento de la caída de presión sobre la
membrana, un aumento en el consumo de energía, una reducción de la producción y un
deterioro de la membrana disminuyendo su vida útil.
El agua en estudio, procedente de una galería de la isla de Tenerife, presenta una
concentración de aluminio que produce el ensuciamiento inorgánico de las membranas
EDR, que deben ser sometidas con regularidad a limpiezas químicas que tienen como
objetivo eliminar las incrustaciones existentes. Pese a estas limpiezas, después de un
periodo de tiempo tratando el agua de la galería no es posible eliminar las incrustaciones,
lo que supone la aplicación de valores de voltajes superiores a los normales para continuar
eliminando las sales y el aumento de la frecuencia de las limpiezas químicas.
Con la intención de reducir la concentración de aluminio en el agua de la galería a la que
se hace referencia y disminuir así el ensuciamiento inorgánico de la superficie de las
membranas que dificulta la eliminación del flúor, se implementó como pretratamiento un
sistema de intercambio iónico. Este proceso permite que los iones de la disolución se
intercambien por otro de igual signo que se encuentren unidos a las partículas sólidas de
la resina de intercambio iónico. Dependiendo de las propiedades de los grupos
funcionales que conforman la resina pueden diferenciarse principalmente cuatro tipos de
resinas: catiónica de ácido fuerte, catiónica de ácido débil, aniónica de base fuerte y
aniónica de base débil. Se eligió una resina comercial catiónica de ácido débil capaz de
retener la dureza del agua, y el aluminio reaccionará con la dureza retenida en la resina
desplazándola. De esta manera se espera disminuir la concentración de aluminio en agua.
Para llevar a cabo el estudio de la eliminación de aluminio se utilizó una planta piloto
provista de un botellón de pretratamiento de resina de intercambio iónico que realiza la
regeneración de la resina de manera automática y una unidad EDR multietapa de dos
etapas eléctricas y cuatro etapas hidráulicas. Se realizaron ensayos durante 48 horas para
analizar el rendimiento del proceso y la eliminación de los iones, así como ensayos largos
de 30 días. En ambos ensayos se comprobó que no se consigue reducir la concentración
de aluminio y por lo tanto no se elimina el problema de ensuciamiento inorgánico de las
membranas. Como ensayo adicional se analizó el efecto de la variación del pH en la
corriente de alimentación. Otro de los parámetros que se estudió fue la velocidad de
ensuciamiento de las membranas Como alternativa de pretratamiento se plantean ensayos a escala de laboratorio de JarTest para estudiar las condiciones óptimas en las que los floculantes recomendados por
la empresa pudiesen resulta una solución al problema que se presenta con el aluminio. The shortage of drinking water is becoming a very serious problem in many regions of
the planet due to the rapid development of industry and population growth. That is why
it is increasingly committed to water treatment and its suitability for human consumption
under the parameters of current regulations.
In the oceanic islands, as is the case of the Canary Islands, water is a critical resource and
it is necessary to take advantage of underground exploitations, such as wells, boreholes,
drainage galleries or water mines to satisfy the demand. On the island of Tenerife there
are 1,520 excavations in the subsoil of the island to obtain water, of which only 41%
supply water to the population. Due to the volcanic activity of this island, the groundwater
in the northwest area is affected by volcanic gases that make the background value of
certain basic parameters increase considerably, such as the pH of the water or the content
of fluorine, sulfates and calcium. For these waters to be supplied to the population, it is
necessary to treat them so that the parameters enter into what is established with the
regulations.
For groundwater treatment, there are different technologies such as microfiltration,
ultrafiltration, nanofiltration, reverse osmosis and electrodialysis. By making an analysis
of the different technologies and their possibilities of use, it is concluded that
electrodialysis is the best option due to the chemical composition of the water to be
treated.
Electrodialysis is an electrochemical separation process in which ions pass through
selective membranes from a less concentrated solution to a higher concentration one, by
the action of direct current. The cations migrate towards the cathode passing through the
cationic membranes from a dilute compartment to a more concentrated one where they
are retained by an anionic membrane. The anions for their part migrate towards the anode,
crossing an anionic membrane, remaining in a concentrate compartment and being
retained by the cationic membrane.
Reversible electrodialysis is based on the same principle as electrodialysis, but by
periodically reversing the polarity of the electrodes and changing the valves that control
the water currents. With this mode of operation, the membranes are cleaned, releasing
colloidal particles that may be adsorbed on the surface of the membranes and may cause an increase in the pressure drop over the membrane, an increase in energy consumption,
a reduction in production. and a deterioration of the membrane reducing its useful life.
The water coming from a gallery on the island of Tenerife has a concentration of
aluminium that produces inorganic fouling of the EDR membranes, which must be
regularly subjected to chemical cleaning aimed at eliminating the existing incrustations.
Despite these cleanings, after a period of time treating the water in the gallery, it is not
possible to eliminate the incrustations, which means applying higher voltage values than
normal to continue eliminating salts and increasing the frequency of the chemical
cleanings.
With the intention of reducing the aluminium concentration in the water in the gallery
referred to and thus reducing the inorganic fouling of the membrane surface that makes it
difficult to remove fluoride, an ion exchange system was implemented as a pretreatment.
This process allows the ions in the solution to be exchanged for another of the same sign
that is attached to the solid particles of the ion exchange resin. Depending on the
properties of the functional groups that make up the resin, four main types of resins can
be differentiated: strong acid cationic, weak acid cationic, strong base anionic and weak
base anionic. A weak acid cationic commercial resin capable of retaining the hardness of
water was chosen, and the aluminium will react with the hardness retained in the resin to
displace it. In this way, it is expected to decrease the aluminium concentration in water.
To carry out the study of the elimination of aluminium, a pilot plant was used equipped
with an ion exchange resin pretreatment bottle that automatically regenerates the resin
and a multistage EDR unit with two electric stages and four hydraulic stages. Trials were
conducted for 48 hours to analyze the performance of the process and the removal of ions,
as well as long trials of 30 days. In both tests, it was found that the aluminium
concentration cannot be reduced and therefore the problem of inorganic fouling of the
membranes is not eliminated. As an additional test, the effect of pH variation on the feed
stream was analyzed. Another parameter that was studied was the rate of fouling of the
membranes.
As an alternative for pretreatment, Jar Test laboratory-scale tests are proposed to study
the optimal conditions in which the flocculants recommended by the company could be
a solution to the problem that occurs with aluminium.