El impacto de la salinidad del agua de alimentación en los sistemas de ósmosis inversa

La salinidad del agua de alimentación, generalmente expresada como sólidos disueltos totales (SDT), es la suma de las concentraciones de todas las sales inorgánicas (como sodio, calcio, magnesio, cloruro, sulfato, etc.) en el agua. Es uno de los parámetros más críticos en el diseño, operación y eficiencia económica de un sistema. Ósmosis inversa sistema, y ​​su impacto es integral e interconectado.

1. Impacto directo sobre la presión osmótica y la presión de funcionamiento.

La esencia del proceso de ósmosis inversa (OI) radica en superar la presión osmótica natural del agua, forzando el paso de las moléculas de agua a través de una membrana semipermeable, mientras se retienen las sales. Según la ecuación de van der Hoff, la presión osmótica de una solución es directamente proporcional a su concentración molar (directamente relacionada con los sólidos disueltos totales, TDS).

Presión osmótica ≈ 0,8 bar / (1000 mg/L de sólidos disueltos totales). Esta es una fórmula empírica simplificada, pero muy intuitiva. Si el agua de alimentación tiene una concentración de sólidos disueltos totales (SDT) de 1000 mg/L, su presión osmótica teórica es de aproximadamente 0,8 bar. Si la concentración de SDT aumenta a 5000 mg/L (como en el caso del agua salobre), su presión osmótica teórica se eleva a aproximadamente 4 bar. Para el agua de mar, la concentración de SDT es de aproximadamente 35 000 mg/L, con una presión osmótica teórica de hasta aproximadamente 28 bar.

Para generar una fuerza impulsora de permeación efectiva (presión impulsora neta), la presión de operación de la Sistema de ósmosis inversa La presión debe ser mucho mayor que la presión osmótica. Por lo tanto, por cada orden de magnitud de aumento en la salinidad del agua de alimentación, la presión de operación requerida aumenta casi linealmente. La presión de operación para la ósmosis inversa de desalinización de agua de mar suele ser de 55 a 80 bar, mientras que para la ósmosis inversa de agua salobre común es de solo 10 a 25 bar. Esto implica un mayor consumo de energía y mayores requisitos para los equipos y materiales.

2. Impacto en la tasa de desalinización del sistema

La tasa de rechazo de las membranas de ósmosis inversa para diferentes iones es relativamente estable. Sin embargo, los cambios en la salinidad del agua de alimentación afectan el rendimiento de desalinización del sistema en dos niveles.

Disminución aparente de la tasa de desalinización: La tasa de desalinización se calcula como (1 - salinidad del permeado / salinidad del agua de alimentación) * 100 %. Suponiendo una permeabilidad absoluta constante a la sal (la cantidad de sal que pasa por unidad de tiempo), cuando la salinidad del agua de alimentación aumenta bruscamente, incluso si las propiedades físicas de la membrana permanecen inalteradas, la "tasa de desalinización" calculada disminuirá.

Más importante aún, una alta salinidad implica un mayor gradiente de concentración de sal a través de la membrana, lo que aumenta la fuerza impulsora para la difusión de sal desde la superficie de la membrana hacia el lado permeado (exacerbando la polarización de concentración), lo que conlleva un aumento en el flujo real de sal. A salinidad extremadamente alta, la tasa de desalinización de la membrana muestra, en efecto, una disminución sustancial.

3. Impacto en el permeado y la recuperación

A una presión de operación fija, la presión de impulsión neta es igual a la presión de operación menos la presión osmótica. Como se mencionó anteriormente, una alta salinidad genera una alta presión osmótica, lo que reduce directamente la presión de impulsión neta.

El flujo de permeado es directamente proporcional a la presión neta de impulsión. Si la presión de operación se mantiene constante, un aumento en los sólidos disueltos totales (TDS) de la alimentación de 1000 mg/L a 5000 mg/L puede provocar una disminución de 3 a 4 bares en la presión neta de impulsión, lo que resulta en una disminución del 20 % al 30 % o más en el flujo de permeado.

Cuando aumenta la tasa de recuperación del sistema (permeado/alimentación), la salinidad de la alimentación en el extremo del elemento de membrana se concentra exponencialmente. Para evitar picos de presión osmótica y riesgos de incrustación debido a una concentración excesiva de sólidos disueltos totales (TDS) al final del sistema de alimentación, los sistemas de alimentación con alta salinidad deben emplear tasas de recuperación más conservadoras.

Las tasas de recuperación de agua de ósmosis inversa (OI) en aguas municipales comunes pueden alcanzar el 75 %. En aguas con alto contenido de agua salobre, las tasas de recuperación suelen estar entre el 60 % y el 70 %. Las tasas de recuperación de agua de mar se limitan aún más al 40 %-50 %. Las bajas tasas de recuperación implican una mayor descarga de concentrado y un menor aprovechamiento del agua.

4. Mayor tendencia a la obstrucción y formación de incrustaciones en la membrana.

La alta salinidad en sí misma no causa directamente la incrustación, pero crea un ambiente más propenso a la formación de incrustaciones y sedimentos.

Polarización por concentración aumentada: Cuando el agua con alto contenido de sólidos disueltos totales (TDS) se concentra en la superficie de la membrana, la concentración de sales y otros contaminantes (como silicatos, sulfatos y materia orgánica) es mucho mayor que en el flujo de agua principal. Esto aumenta significativamente el riesgo de que las sales poco solubles (como CaSO₄, CaCO₃ y BaSO₄) superen su producto de solubilidad y precipiten, lo que provoca incrustaciones.

Degradación de la estabilidad coloidal: La alta fuerza iónica comprime la doble capa eléctrica de las partículas coloidales, alterando su estabilidad y haciéndolas más propensas a depositarse en la superficie de la membrana, formando incrustaciones coloidales.

Limpieza difícil: Una vez que se produce la obstrucción en un entorno con alta concentración de sal, la capa de obstrucción suele ser más densa y más difícil de limpiar, lo que acorta la vida útil de la membrana.

5. Impacto decisivo en el consumo de energía y la economía.

El impacto general se refleja, en última instancia, en los costos operativos. En los sistemas de ósmosis inversa, la energía eléctrica es consumida principalmente por la bomba de alimentación. La presión de operación suele ser proporcional al consumo de energía.

La desalinización de agua salobre con una concentración de 1000 mg/L hasta alcanzar el mismo volumen de permeado puede consumir tan solo entre 0,8 y 1,2 kWh/m³. Sin embargo, la desalinización de agua de mar con una concentración de 35000 mg/L suele consumir entre 2,5 y 4,0 kWh/m³, es decir, entre 3 y 4 veces más.

El elevado consumo energético es la principal razón por la que la desalinización de agua de mar resulta significativamente más cara que la de agua salobre. Además, el funcionamiento a alta presión exige un mayor rendimiento de los materiales de las bombas, las tuberías y las carcasas de los diafragmas, lo que también incrementa la inversión inicial.