“Retos ambientales: Panorama industrial”

1. “Retos ambientales: Panorama industrial” (Tercera Parte) Monserrat Chairez Llamas Ingeniería Química Dr. Mahmoud M. El-Halwagi Texas A&M University Dr. Pedro Medellín Milán Universidad Autónoma de San Luis Potosí Process Integration for Environmental Control in Engineering curricula (PIECE)

2. PROBLEMA El agua de desecho producida en las secciones de proceso antes mencionadas son llevadas a una unidad de tratamiento primario (separador API), y la corriente resultante presenta las características siguientes: Consideremos una refinería típica con una capacidad promedio de 100,000 bbl/day como la presentada en la figura de la siguiente diapositiva. En este proceso la fuente principal de contaminantes como fenol, amoniaco y sulfuro es la unidad de cracking catalítico. No obstante lo anterior, considerables cantidades de estos componentes, y altos niveles de BOD y COD se encuentran también en el agua aceitosaproveniente de los fraccionadores en las unidades de destilación. Table 3.1: Composición de la corriente de desecho acuosa

3. Amine Producción de Hidrógeno H2S CO2 NH3 H2S Amine plant Fuel Gas LPG y gases ligeros Butano Gasolina Gasoline Blending Alquilación Gas plant NH3 H2S H2 Naphtha Catalytic Reforming Desulfurización NH3 H2S Jet Fuel Destilados medios Treating Kerosene Gas Naphtha NH3, H2S Destilación atmosférica Gas Oils Cracking catalítico Desulfurización Heating oil H2 CO2 NH3 H2S Gas H2 Naphtha Hydrocracking Lubricating oil Grease Wax Destilación al vacío Treating Gas HCN H2S Naphtha Coke Coking Industrial Fuel Asphalt

4. El efluente primario es entonces llevado a tratamiento secundario, donde los niveles de BOD5, COD, aceite y sólidos suspendidos son disminuidos y pueden ser despreciados para este problema. Generalmente, los compuestos de azufre son difíciles de remover, por lo tanto no lidiaremos con su tratamiento y solo consideraremos la composición del afluente secundario como se muestra en la tabla 3.2: Tabla 3.2 Composición del efluente secundario

5. 15.6 12.6 109 4.5 0.10 8.5 0.082 0.25 0.016 (\2\) BOD5 TSS COD Aceite y grasa Compuestos fenólicos Amoniaco como N Sulfuro Cromo total Cromo hexavalente pH 28.2 19.5 210.0 8.4 0.21 18.8 0.18 0.43 0.035 (\2\) La refinería tiene que cumplir con los límites establecidos por el Codigo Federal de Regulaciones (40 CFR 419.22) indicados abajo: Promedio de valores máximos diarios que no deben excederse para 30 días consecutivos Contaminante o propiedad contaminante Máximo para 1 día (kilogramos por 1,000 m3 de alimentación) Tabla 3.3. Límites establecidos por el Código Federal de Regulaciones para una refinería con unidad de cracking catalítico

6. Con el objetivo de alcanzar los requerimientos del CFR, el efluente secundario será llevado a tratamiento terciario y las opciones consideradas son: • Disminuir el contenido de fenol y amoniaco por Steam Stripping • Remover el fenol presente usando Ósmosis Inversa Para el último caso, supondremos que no existe amoniaco presente en la corriente, así que el único contaminante a remover será el fenol: Tabla 3.4 Composición del efluente secundario para el caso de Tratamiento por Osmosis Inversa

7. PREGUNTAS: • ¿Es el nivel de separación logrado con cada uno de estos métodos terciarios de tratamiento suficientemente bueno para satisfacer los límites impuestos por el CFR? • ¿La concentración buscada podría ser alcanzada al modificar algunas condiciones de operación? Si es así, ¿como afectarían estas modificaciones los costos? • De acuerdo a la separación final alcanzada y al análisis de costos, ¿cual es la tecnología más apropiada para este caso? • ¿Qué método recomendarías como tratamiento secundario tomando en cuenta que los niveles de BOD5, COD, y las cantidades de sólidos suspendidos y aceite deben ser lo suficientemente bajas para cumplir con las regulaciones dictadas por el CFR? • ¿Alguno de los métodos terciarios propuestos es conveniente para la remoción adicional de BOD, COD, sólidos suspendidos o aceite?

8. DATOS ADICIONALES Para los cálculos de Ósmosis Inversa, los siguientes datos son requeridos: INFORMACIÓN GEOMÉTRICA Longitud de fibra, l: 0.750 m Longitud de sello de fibra, ls: 0.075 m Radio externo de fibra, ro: 42 x 10-6 m Radio interno de fibra, ri: 21 x 10-6 m Área de la membrana, Sm: 180 m2 Velocidad de flujo máxima por módulo: 0.460 kg/s Velocidad de flujo mínima por módulo: 0.210 kg/s Presión máxima de alimentación: 25.58 x 105 Caída de presión por módulo: 0.405 x 105 Permeabilidad del agua pura, A: 1.20 x 10-10 Parámetro de transporte del soluto: 2.43 x 10-4 Mahmoud M. El-Halwagi, Synthesis of Reverse-Osmosis Networks for Waste Reduction, AIChE Journal, August 1992

9. Desechos Industriales Las características de las aguas de desecho industriales, su composición, flujo y volumen difieren considerablemente entre industrias dependiendo del proceso específico llevado a cabo. Como se vio en la sección 2.3, el agua de desecho de la industria de refinación del petróleo y petroquímica contiene compuestos químicos muy peligrosos como hidrocarburos, fenoles, sulfuro de hidrógeno, ácido sulfúrico, etc. Por tanto, el impacto ambiental de estas aguas depende, además de sus características colectivas como BOD (biochemical oxygen demand) , COD (chemical oxygen demand) y sólidos suspendidos (suspended solids, SS), del contenido específico de compuestos orgánicos e inorgánicos. Estas sustancias dictarán el método más apropiado de tratamiento.

10. El programa de la EPA para el control de desechos está basado en la siguiente jerarquía: Prevención Reuso Reciclaje Recuperación de energía Tratamiento Contención Disposición El tratamiento de aguas de desecho puede tomar lugar a diferentes puntos del proceso. • El agua de desecho puede ser: • Pretratada para su descarga en las fuentes municipales de tratamiento. • Tratada completamente en la planta y reusada o descargada directamente a las aguas de recepción. • Tratada en el punto de generación. Opciones para controlar el desecho de aguas industriales

11. INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO Oxidación Química Precipitación Química Coagulación Dissolved air flotation Oxidación Electroquímica Floculación Hidrólisis Neutralización Extracción con solvente Intercambio iónico Adsorción con carbón Destilación Filtración Stripping con vapor Oil and grease skimming Separación agua/aceite Sedimentación Tecnología de membranas Remoción biológica de nitrógeno Bioaugmentation Lodos Activados Aereación extendida Procesos anaeróbicos Rotating biological contactors Sequencing batch reactores y filtros por goteo Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho

12. INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT METHODS QUÍMICO FÍSICO BIOLÓGICO Oxidación Química Precipitación Química Coagulación Dissolved air flotation Oxidación Electroquímica Floculación Hidrólisis Neutralización Extracción con solvente Intercambio iónico Adsorción con carbón Destilación Filtración Sttripping con vapor Oil and grease skimming Separación agua/aceite Sedimentación Tecnología de membranas Remoción biológica de nitrógeno Bioaugmentation Lodos Activados Aereación Extendida Procesos anaeróbicos Rotating biological contactors Sequencing batch reactores y filtros por goteo Clasificación de métodos de tratamiento de aguas de desecho Procesos Físico/químicos si agentes químicos tales como agentes coagulantes son agregados.

13. Corriente de alimentación de agua de desecho TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho TRATAMIENTO SECUNDARIO Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje Tratamiento Convencional Tratamiento de alta calidad

14. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho TRATAMIENTO SECUNDARIO Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje Corriente de alimentación de agua de desecho Remoción de gravilla, escombros y cantidades excesivas de aceites y grasas. Planta de pretratamiento de agua de desecho

15. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho TRATAMIENTO SECUNDARIO Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO AVANZADO Clarificador A descarga o a reuso/reciclaje Corriente de alimentación de agua de desecho Remueve cerca del 50 a 70% de SS, 25 a 50% de BOD5 y 65% de aceite y grasa.

16. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Proceso de tratamiento de aguas de desecho TRATAMIENTO SECUNDARIO Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje Corriente de alimentación de agua de desecho La remoción alcanzada es de hasta 85-95% de BOD y SS y 65% de COD.

17. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Separación por membranas Proceso de tratamiento de aguas de desecho TRATAMIENTO SECUNDARIO Es una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. TRATAMIENTO AVANZADO A descarga o a reuso/reciclaje Corriente de alimentación de agua de desecho • Remoción de : • Sólidos orgánicos y suspendidos adicionales. • Nitrogenous Oxygen Demand (NOD) • Nutrientes • Materiales Tóxicos También llamado “Tratamiento Terciario”

18. TRATAMIENTO PREELIMINAR TRATAMIENTO PRIMARIO Grit Chamber Clarificador en Main Wastewater Treatment Plant en Oakland Objetivo: Separar sustancias que pueden causar problemas al equipo de purificación de la planta. Sólidos inorgánicos pesados como arena, grava, metal o vidrio son removidos. El escombrocolectado es usualmente enviado a un relleno sanitario. Procesos usados: Principalmente sedimentación y filtración. Equipo usado: Bar screens, comminutors y grit chambers. Generalmente el agua de desecho entra primero a una bar screen para remover sólidos de gran tamaño y entonces pasa a una grit chamber. Objetivo: Remoción de sólidos orgánicos e inorgánicos, aceites y grasas. También son removidos algunos compuestos orgánicos de fósforo y nitrógeno, así como metales pesados asociados con sólidos. Constituyentes coloidales y disueltos no son afectados. Procesos usados: Sedimentación, flotación y separación agua/aceite. Equipo usado: Clarificadores y tanques sedimentadores para remover sólidos suspendidos y separadores API para separación agua/aceite.

19. TRATAMIENTO SECUNDARIO Tratamiento con RBC http://www.oleau.fr/ Objetivo: Descomposición de materia orgánica disuelta usando biologically active sludge. Consiste en el tratamiento biológico del efluente proveniente de tratamiento primario para remover los sólidos residuales orgánicos, suspendidos, coloidales y disueltos. • Procesos usados: Tres enfoquesson usados para lograr el tratamiento secundario • Sistemas de película fija: Los microorganismos crecen en sustratos (rocas, plástico, arena) sobre los cuales el agua de desecho es extendida. La película de microorganismos continua creciendo y se haciéndose gruesa mientras los nutrientes son absorbidos. Algunos ejemplos son rotating biological contactors (RBC), trickling filters y filtros de arena. • Sistemas de película suspendida: Los microorganismos son suspendidos en el agua de desecho y, una vez que han absorbido nutrientes, se reproducen y sedimentan como lodo. Una porción de lodo es llevada nuevamente junto con el agua de desecho de entrada funcionando como microorganismos “semilla”, mientras que la otra parte es enviada a tratamiento de lodos. Ejemplos de tales sistemas son aereación extendida, activated sludge, sequential batch reactor systems y oxidation ditch. • Sistemas de Lagunas: Son estanques poco profundos diseñados para contener el agua de desecho por varios meses mientras es tratada usando una combinación de procesos químicos, físicos y biológicos. Algunos equipos de aeración pueden ser adicionados para elevar la eficiencia del sistema. Los tipos mas comunes de lagunas son: • Lagunas anaeróbicas • Lagunas naturalmente aeróbicas • Lagunas aereadas

20. De acuerdo al tipo de proceso utilizado TRATAMIENTO AVANZADO Definición: Cualquier proceso aplicado después de tratamiento secundario diseñado para producir un efluente de mayor calidad para proteger las aguas receptoras o para proveer agua reusable para su posterior reciclaje industrial y/o doméstico. Esta tecnología incluye todas las unidades de operación no comúnmente encontradas en los tratamientos típicos. Clasificación de los procesos de tratamiento avanzados: “Proceso de tratamiento en el cual las unidades de operación son añadidas al tratamiento secundario convencional.” TRATAMIENTO TERCIARIO “Proceso de tratamiento en el cual procesos biológicos y fisicoquímicos son entremezclados para conseguir el efluente deseado.” TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO Combinación de tratamientos biológicos y fisicoquímicos. COMBINADO BIOLOGICAL-PHYSICAL-CHEMICAL TREATMENT

21. Consta de dos fases: • Nitrificación o primera fase: Ocurre en ambiente aeróbico y un tanque similar al usado en lodos activados es usado para oxidar la amoniaco a nitrato. • Segunda fase: Ocurre en un ambiente anóxico (sin oxígeno libre, i.e., O2) donde los nitratos son denitrificados a nitrógeno molecular por medio de diferentes géneros de bacteria usando los nitratos como compuesto oxidante en lugar de oxígeno. PROCESO FISICOQUÍMICO PROCESO BIOLÓGICO TRATAMIENTO AVANZADO Otra manera de clasificar los métodos avanzados de tratamiento es diferenciándolos de acuerdo a su objetivo final. Algunos ejemplos se presentan a continuación. • Stripping alcalino con aire • Intercambio iónico: El agua de desecho es pasada a través de una cama porosa de resina orgánica donde intercambiadores de iones catiónicos y aniónicos reaccionan con cationes y aniones respectivamente para la remoción o recuperación. • Breakpoint chlorination REMOCIÓ N DE N I TRÒGENO www.mech-chem.com/ about/wyman.html

22. Clarificador Efluente secundario Reactor anaeróbico Reactor aeróbico Efluente limpio de P Desecho de activated sludge con bacteria rica en P. PROCESO QUÍMICO PROCESO BIOLÓGICO TRATAMIENTO AVANZADO La remoción de fósforo se logra al promover que los PAO’s (phosphorus accumulating organisms) crezcan y consuman el fósforo usando un tanque anaeróbico localizado frente a un tanque de aereación de activated sludge. Ya que estos métodos convierten el fósforo disuelto en forma de partículas, es común usar filtros de arena como etapa final. REMOCIÓN DE FÓSFORO Por precipitación química usando iones metálicos multivalentes como sales de hierro o compuestos de aluminio tales como cloruro férrico o alum (sulfato de aluminio). Tratamiento con Alum en Squibb Lake, Lawrenceville, NJ http://www.alliedbiological.com/treatment1.html

23. TRATAMIENTO AVANZADO Filtración.Usada para la eliminación adicional de sólidos suspendidos y BOD (Demanda bioquímica de oxígeno). Estos procesos incluyen filtros de arena, pantanos construidos (artificiales) y filtración por membranas. Microstraining. Método usado para la remoción adicional de sólidos suspendidos y BOD asociado. El proceso envuelve el paso del efluente a través de un tambor rotativo horizontal con una tela filtrante fija como a pantalla porosa. Estanques de pulido. Se emplea para obtener remoción adicional de sólidos suspendidos. El tratamiento puede ser aeróbico o facultativo (combinación de actividad biológica aeróbica y anaeróbica). Post-aereación. Método usando para mantener un nivel determinado de oxígeno disuelto. Esto es logrado por aeración mecánica, aereación difusa o aeración en cascada. OTROS MÉTODOS DE TRATAMIENTO Adsorción con carbón activado.Se aplica como tratamiento avanzado para la remoción de compuestos orgánicos no biodegradables o como tratamiento secundario al reemplazar al tratamiento biológico convencional. Algunas moléculas como metanol, ácido fórmico y azúcares no son removidas por este método.

24. Los ejemplos mas comunes usados en el tratamiento de agua de desecho se presentan en la siguiente tabla: Tabla 3.5: Métodos de tratamiento de aguas de desecho. http://nett21.gec.jp/CCT_DATA/WATER/INTRODUCTION/html/Water-001.html

25. SeparadorAPI Dissolved Air Flotation Equalization basin Activated Sludge Process Este efluente es entonces tratado en una central conocida como tratamiento de “fin de tubería" ya que normalmente es implementado como última etapa del proceso, antes de que Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Es común en la mayoría de las refinerías colectar todas las aguas de desecho y combinarlas en una corriente única. la corriente sea dispuesta o repartida. El tratamiento de fin de tubería incluye sistemas biológicos y químicos. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Adaptado de “An Integrated Expert System for Operating a Petroleum Refinery. Activated Sludge Process” Weibo Yuan, Michael K. Stenstrom , Naci H. Ozgur, David Okrent

26. El separador del Instituto Americano del Petróleo, (API) es un gran tanque rectangular que opera bajo el principio de la ley de Strokes, la cual define la velocidad de ascenso de una partícula de aceite basado en su densidad y tamaño. API Separator Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

27. API Separator Dissolved Air Flotation Equalization basin Activated Sludge Process El separador del Instituto Americano del Petróleo, (API). Está diseñado para proveer suficiente tiempo de retención dinámico para permitir al aceite emulsificado libre aglomerarse y elevarse a la superficie. Los sólidos se sedimentan en el fondo del separador o son llevados a través del mismo con el agua, dependiendo de su velocidad de sedimentación y su densidad. Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

28. Separador API http://www.monroeenvironmental.com/api_clarifiers.htm API Separator Dissolved Air Flotation Equalization basin Activated Sludge Process • Relativamente ineficiente • Requiere gran cantidad de espacio Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Acepta una gran variedad y proporciones de aceite y sólidos, incluyendo aceite viscoso, pegajoso o ceroso. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

29. Entonces, el desecho aceitoso fluye a la sección de flotación, en la cual las burbujas de aire ascendentes se adhieren a estas partículas causando también su elevación. Separador API La unidad de Dissolved Air Flotation (DAF) consta de 2 secciones. Primero, en la cámara de floculación, el influente es mezclado con demulsificadores cuagulantes que causan la aglomeración de pequeñas gotas de aceite y sólidos. Clarifier Equalization basin Activated Sludge Process Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Reciclaje de lodos Lodos a desecho

30. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Activated Sludge Process Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Finalmente, la escoria es removida en la superficie por un skimmer y el lodo asentado en el fondo es desplazado por gravedad o bombeo. http://www.hydroflotech.com/site_map.htm Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

31. Feed Tanks API Separator Dissolved Air Flotation Equalization basin Activated Sludge Process Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Equalization Basin Son tanques o estanques alineados. De acuerdo al Departamento de Ambiente y Recursos Naturales de Dakota del Sur, las equalization basins tienen dos objetivos: Alimentación www.baycodws.org/_about/process.html Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

32. “El objetivo secundario es disminuir la fuerza de los constituyentes del agua de desecho al mezclar el agua de desecho en la equalization basin para mantener un grado fiable de control operacional. Feed Tanks El objetivo primario es disminuir las variaciones causadas por la entrada e infiltración y las variaciones de flujo, para alcanzar un caudal casi constante en el proceso de tratamiento corriente abajo. API Separator Raw Feed Dissolved Air Flotation Genesee County ARTP Equalization Basin Equalization basin Activated Sludge Process Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho

33. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo El proceso de Activated Sludge Process es uno de los procesos de tratamiento secundario mas comunes. Este proceso usa bacterias Saprophytic para remover sólidos suspendidos y BOD disuleto. De acuerdo al Manual de Prácticas # 9 de Activated Sludge (Water Environment Association, 1987), el proceso de activated sludge consta de cinco equipos esenciales interrelacionados: Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

34. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Un tanque de aeración en el cual aire u oxígeno es introducido al sistema para crear un ambiente aeróbico. Existen cuando menos siete modificaciones en forma y número de tanques para producir variaciones en el patrón de flujo. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

35. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Una fuente de aereación, que puede ser de oxígeno puro, aire comprimido o por aereación mecánica. Fotografía de un difusor usado para suministrar el aire necesitado por los microorganismos. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

36. Feed Tanks Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Clarificadores. Los sólidos provenientes del proceso de Activated sludge son separados del agua de desecho por floculación y sedimentación gravitacional. Entonces los lodos espesos resultantes (RAS) se dirigen a los fondos, mientras que en la porción superior del clarificador se forma una mezcla de agua de desecho con bajos niveles de sólidos de activated-sludge en suspensión. Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Lodos a desecho Reciclaje de lodos Activated Sludge Process

37. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Los RAS de los clarificadores secundarios es bombeado de regreso al tanque de aereación, para asegurar el recubrimiento de los microorganismos. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

38. Separador API Dissolved Air Flotation Equalization basin Planta típica de Tratamiento de efluentes de una refinería de petróleo • Finalmente, los lodos de activated sludgeconteniendo superpoblación de microorganismos deben ser removidos o desechados del sistema. Alimentación Tanques de Alimentación Recipiente de Aereación Efluente Clarificador Reciclaje de lodos Lodos a desecho Activated Sludge Process

39. Técnicas de separación de Membranas Las técnicas de separación de membranas (Membrane separation, MS) han experimentado gran crecimiento en los años recientes y son ampliamente aplicadas en la industria en nuestros días ya que están orientadas a cumplir con las siguientes necesidades: • Demanda de productos de mayor calidad. • Presiones regulatorias en aumento. • El elevado interés en preservar los recursos naturales. • Sustentabilidad ambiental y económica.

40. APLICACIÓN De entre sus muchas fortalezas, algunas de las razones para el incremento en la aplicaciónde los procesos de separación de membranas son: • Ahorro de energía apreciable: bajo consumo de energía porque estos sistemas operan a temperatura cercana a la ambiente. • Tecnología limpia con facilidad operacional. • Diseño compacto y modular (usando menos espacio que los voluminosos equipos y métodos tradicionales). • Producen productos de alta calidad debido a la gran selectividad de las membranas. • Permite la recuperación de subproductosvendibles de las corrientes de desecho, lo que incrementa su rentabilidad. • Gran flexibilidad en el diseño de sistemas. • Fácil incorporación a plantas industriales ya existentes.

41. Técnicas de separación de membranas • El objetivo básico de los procesos de separación de membranas es la permeación selectiva de una o más especies a través de la membrana, logrando así la separación. • De acuerdo a la IUPAC, una membrana es una “estructura que tiene dimensiones laterales mucho más grandes que su grosor, a través de la cual puede ocurrir transferencia de masa bajo una variedad de fuerzas impulsoras”. • Ya que las membranas no permiten el flujo de líquido, el transporte a través de las mismas es por: • Sorción: Se refiere a la adsorción o a la absorción de las partículas en la membrana. • Difusión: El movimiento de partículas desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Para que ocurra difusión, la membrana debe ser permeable a las moléculas. • La permeabilidad describe la velocidad de transporte de las partículas a través de la membrana. Retenido Alimentación Membrana bomba Permeado Representación esquemática de una unidad de separación de membrana.

42. Sección Up-stream process Sección In-course process Sección Down-stream process subproducto Feed stream 1 residuos PROCESO Producto Final Feed stream 2 Purificación, producción recuperación, revalorización del efluente. Preparación del fluido Regeneración del fluido, producción. “Las técnicas de separación de membranas pueden ser aplicadas en diferentes secciones del proceso”. • Los procesos de separación de membranas pueden diferir uno de otro en el tipo y configuración de la membrana, el mecanismo de transporte para varios componentes de las soluciones y, la naturaleza de la fuerza impulsora del proceso. Subproducto a venta

43. Definiciones Comunes Antes de continuar con la separación por membranas e introducir la técnica de ósmosis Inversa (Reverse Osmosis, RO), la comprensiónde las siguientes definiciones es necesaria. • Retenido: Corriente retenida en el lado de alta presión de la membrana. • Permeado: Corriente retenida en el lado de baja presión de la membrana. • Flujo Osmótico (Osmotic Flow ,OF): La creciente diferencia de potencial químico debida a la diferencia en concentraciones de los solutos en las soluciones, resulta en la permeación del portador (usualmente agua), a través de la membrana. Este proceso ocurre del lado de alto potencial químico (baja concentración), al lado de bajo potencial (alta concentración). • Presión osmótica (P): La presión necesaria para detener el proceso de ósmosis. Es la presión hidrostática que debe ser aplicada al lado de alta concentración de soluto de una membrana ideal semipermeable rígida con el objetivo de detener el transporte de solvente a través de la membrana.

44. En el caso de soluciones diluidas, la presión osmótica puede predecirse con la ecuación de Van’t Hoff: Donde C es la concentración molar del soluto, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta. • Membrane packing density: Define el área efectiva de la membrana instalada por volumen de módulo y es el principal indicador para el grado de pretratamiento necesario para los diferentes módulos con la finalidad de lograr la operación segura y libre de problemas del sistema.

45. Membranas • La separación máxima alcanzada en los procesos de membranas depende de la permeabilidad de la membrana por los componentes de la solución alimentada. • Una membrana permeable permite el paso de todas las sustancias disueltas en el solvente. • Una Membrana semipermeable es capaz de transportar diferentes especies moleculares a diferentes velocidades bajo condiciones idénticas. La membrana semipermeable ideal en los procesos de membranas es aquella que es permeable solo al solvente, pero impermeable a todos los solutos. • Los procesos de separación de membranas dependen fuertemente de la naturaleza química de los materiales con que las membranas están fabricadas y de la estructura física de las mismas. • Las siguientes son algunas características deseables en las membranas: • Buena permeabilidad • Alta selectividad • Estabilidad mecánica • Estabilidad térmica • Habilidad para soportar grandes diferencias de presión a través de la membrana

46. CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS MEMBRANA Biológico Sintético Sólido ORIGEN MATERIAL Líquido No-poroso Poroso Inorgánico Orgánico MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA

47. CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS MEMBRANA Biológico Sintético Sólido ORIGEN MATERIAL Líquido No-poroso Poroso Inorgánico Orgánico MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA Discriminación de acuerdo al tamaño de partícula o molécula. El mecanismo en el que se basa la separación es tamizado o filtración. Un gradiente en presión hidráulica actúa como fuerza impulsora. Discriminación de acuerdo a las afinidades químicas entre los componentes y los materiales de la membrana.

48. CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS MEMBRANA Biológico Sintético Sólido ORIGEN MATERIAL Líquido No-poroso Poroso Inorgánico Orgánico MORFOLOGÍA/ ESTRUCTURA • El transporte de masa a través de estas membranas es descrito por el “modelo de solución-difusión” como sigue: • Sorción de un componente fuera de la mezcla de alimentación y solución en el material de la membrana. • Transporte a través de la membrana a lo largo de un gradiente de potencial. • Desorción al otro lado de la membrana.

49. CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS Construida de un solo material, por esta razón la membrana es uniforme en densidad y estructura de poro a través de la sección transversal. SIMÉTRICA (HOMOGÉNEA) De acuerdo a la estructura física (“trans-wall symmetry”) ASIMÉTRICA Pueden ser homogéneas o heterogéneas y son caracterizadas por un cambio de densidad en el material de la membrana a través de la sección transversal de la misma. COMPOSITE (HETEROGÉNEA) Esta cualidaddescribe el nivel de uniformidad a través de la sección transversal de la membrana. Skinned type: consiste de una densa capa usada como barrera filtrante primaria y, una gruesa y más porosa subestructura que sirve como soporte. Graded density type: La estructura porosa decrece gradualmente en densidad desde el lado de alimentación hasta el lado del filtrado de la membrana. Constituidas por diferentes (heterogénea) materiales, las membranas tienen una delgada pero densa capa que sirve como barrera filtrante. Pero, a diferencia de las skinned membranes, está hecha de diferente material que la subestructura porosa sobre la cual está soportado.

50. Mide la cantidad de la alimentación que es recuperada como permeado. • Factor de Recuperación Donde Qpermeate y QFeed son la velocidad de flujo del permeado y de la alimentación, respectivamente. RENDIMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LAS MEMBRANAS • El rendimientode una membrana depende de: • Las características de la membrana • La solución de alimentación a ser tratada • Las condiciones de operación Los siguientes son algunos parámetros usados para medir el rendimiento de las membranas: