Forward Osmosis (III): Membranas, DS y Fouling

Esquema de funcionamiento de la Ósmosis Directa. Fuente: Yale University

En este tercer artículo, una vez introducido lo que es la Ósmosis Directa y explicado su proceso, voy a hablaros de las características de las membranas utilizadas así como de los tipos de soluciones extractoras y las causas de fouling que afectan al proceso.

1. Membranas

Las primeras membranas que se probaron para el proceso de ósmosis directa (OD) en realidad estaban pensadas para la ósmosis inversa, por lo que no demostraban resultados convincentes debido a fundamentalmente dos características: la hidrofobicidad y la excesiva amplitud (150 micrómetros) de los soportes de dichas membranas. Todo eso cambió cuando se inició el desarrollo de soportes más finos (de unos 50 micrómetros) que permitían flujos mucho más elevados a través de estas membranas.

En el caso de usar membranas de OD para tratamiento de aguas residuales, éstas tendrán más propensión al ensuciamiento y por lo tanto necesitaremos que dispongan de las siguientes características:

  • Una capa separadora ultrafina para conseguir un elevado rendimiento de la solución de rechazo.
  • Una capa de soporte lo más fina posible con elevada estabilidad mecánica, manteniendo durante el mayor tiempo posible las condiciones de operación fijadas.
  • Elevada afinidad por el agua (hidrofília) para mantener el flujo de paso y reducida propensión al fouling.
Materiales

Los materiales más utilizados para la fabricación de las membranas de OD son el triacetato de celulosa (CTA), muy resistente al cloro y poco propenso a la adsorción de aceites grasos y minerales. También es más resistente a variaciones térmicas y degradación química y/o biológica que la misma celulosa. Aún así, la nuevas generaciones de membranas de OD aguantan unas variaciones superiores de pH que el CTA (de 2 a 12 Vs de 3 a 8).

La susceptibilidad al fouling de dichas membranas también dependen de los materiales, por ejemplo, las de CTA (hidrofílicas) tienen menos tendencia a ensuciarse que las de tipo hidrofóbico. Además, las membranas de poliamida (PA) se han desarrollado con la intención de suavizar los ángulos de contacto y permitir una mayor resistencia al fouling.

Investigaciones recientes dedicadas a mejorar la fabricación han dado resultados prometedores centrándose en la adición de agentes formadores de poros para mejorar el flujo de paso por las membranas.

2. Soluciones Osmóticas

Aproximadamente el 40% de las Soluciones Osmóticas o Extractoras (Draw Solutions, DS) estan compuestas de cloruro de sodio debido principalmente a su solubilidad pero tambien a su bajo coste y alto potencial osmótico. Éste se usa a unas concentraciones similares al agua marina (que también se utiliza como DS) con la ventaja de la ausencia de sólidos en suspensión o microorganismos como sí puede tener el agua de mar, provocando un augmento de biofouling en el sistema.

Draw Solutions más usadas en los procesos de ósmosis directa
DS adecuadas para tratar aguas residuales

Para provocar un flujo óptimo de agua en el sistema necesitamos un elevado potencial osmótico que supere al del agua residual a tratar. También debemos considerar de que la DS no sea tóxica, se pueda recuperar fácilmente una vez reconcentrada y además no deteriore el OMBR si hay un bioreactor en el sistema de tratamiento para que no afecte la calidad del lodo ni el crecimiento de los microorganismos.

Las propiedades de transporte también seran significativas cuando escojamos una DS. Por ejemplo, las moléculas grandes tienen menor difusividad y filtran más lentamente a través de la membrana que las pequeñas. Otros factores a tener en cuenta son el pH y la temperatura, sobretodo para evitar casos de scaling por precipitación de calcio, sulfatos o carbonatos.

En el caso concreto de las aguas residuales como solución de alimentación al sistema de OD, ciertos investigadores han propuesto el cloruro de magnesio como DS debido a su alta eficiencia en el potencial osmótico, aunque su coste es mayor que el cloruro de sodio.

En la siguiente tabla se muestran ventajas e inconvenientes de varios DS:

Fuente: Water Research

3. Fouling

La falta de presión adicional debida a la naturaleza del proceso y la tendencia a un flujo de agua bajo condicionan el ensuciamiento de las membranas de OD.

Como podemos ver en la imagen inferior, tenemos cuatro tipos de fouling de los cuales el biofouling es el más abundante en tratamiento de aguas residuales debido a la presencia de microorganismos y las secreciones de polímeros extracelulares propios de las bacterias.

Imagen: Osmosis Directa. Estado
Actual y Perspectivas de Futuro
. Xavier Simon

La acumulación de agentes «foulantes» afecta a la cantidad (flujo del permeado) y a la calidad (concentración de la solución osmótica) del agua producida. Todo esto influye en el rendimiento de las membranas, reduciendo su permeabilidad, aumentando el consumo energético y costes de tratamiento, llegando a estropearlas de forma definitiva.

Detección y Limpieza

Una detección rápida del ensuciamiento de las membranas ayuda a una mayor durabilidad y a recuperar el rendimiento original de éstas. Determinar el potencial de ensuciamiento del agua a tratar puede ayudar a una mejor predicción del fouling, y esto se puede hacer en tiempo real o a posteriori, por ejemplo practicando una autopsia a la membrana para analizar qué tipo de ensuciamiento se ha producido.

Vías de detección de fouling. Fuente: Water Research

Para su limpieza se puede recurrir a métodos de tipo químico o físico. En el caso de utilizar productos químicos su elección dependerá del tipo de ensuciamiento, material del cual esté hecha la membrana y el tipo de agua de alimentación. En el caso de evitar el scaling tenemos varios agentes antiescalantes e inhibidores, además de que hay que tener en cuenta lavados periódicos con (ácidos, bases, oxidantes o agentes quelantes) para mantener a largo plazo el rendimiento de filtración. Un método adicional válido para la recuperación del flujo (hasta un 90%) es el air scouring juntamente con varios detergentes industriales.

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Forward Osmosis (II): Proceso

Fuente: TECNOAQUA

En el proceso de Forward Osmosis (FO) o también llamada Ósmosis Directa se utiliza el gradiente de presión osmótica entre una solución muy concentrada (extractora o draw solution) y otra más diluida (de alimentación o feed solution) para conseguir la difusión del agua desde un lado a otro de la membrana semipermeable que las separa. En definitiva, la diferencia de potencial químico es la que hace funcionar este proceso en vez de la diferencia de presión física que actúa en la ósmosis inversa.

Fuente: TECNOAQUA

Aunque ya hace años que se escribe sobre la ósmosis directa, no ha sido hasta este siglo XXI donde esta tecnología ha pasado del laboratorio a ser una realidad palpable. Su interés ha ido creciendo de forma significativa desde 2005 hasta 2012, año en el cual se puso en marcha la primera planta desalinizadora de FO del mundo, en Omán (200 m3/día).

Por otro lado, las posibles ventajas de su aplicación en el tratamiento de aguas complejas sobre las tecnologías actuales serían:

  • Debido a la ausencia de las altas presiones hidráulicas que sí existen en la OI, el gasto energético es mucho menor y los materiales usados no necesitan ser tan resistentes.
  • Mayor flexibilidad y aplicabilidad debido a la baja propensión al fouling así como una mayor facilidad de limpieza derivada de ésta.
  • Se puede usar como tecnología extractora de agua, muy útil para una posterior digestión anaerobia de aguas residuales convencionales.
  • Puede tratar aguas mucho más salinas (con una presión superior a 80 bar) que la OI .

La FO puede diseñarse para tratar un amplio grupo de aguas complejas como por ejemplo las de la industria téxtil, las aguas provenientes de la producción de petróleo y gas, las ricas en nutrientes o los lixiviados de vertedero, pasando por las aguas residuales de la industria nuclear. 

Proceso

Para que el proceso se lleve a cabo, es vital la existencia de la membrana semipermeable. Ésta se instala en un módulo o celda de filtración que permite la entrada y salida tanto de la solución extractora como de la de alimentación. Las celdas suelen tener una configuración de tipo sandwich y la circulación de las soluciones se produce a contracorriente.

Fuente: TECNOAQUA

La cuantificación del agua que atraviesa la membrana se lleva acabo mediante una balanza donde, a medida que avanza el proceso de ósmosis directa, la solución extractora va aumentando de peso. De forma inversa, la solución de alimentación va disminuyendo el suyo paulatinamente.

A pequeña escala el proceso se opera en modo discontínuo y circuito cerrado, donde poco a poco la solución extractora se va diluyendo y la de alimentación concentrando. En mayores dimensiones esta tecnología funciona en contínuo, por lo que la regeneración de la solución extractora se convierte en un factor crítico para una operación óptima del proceso.

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Forward Osmosis (I): Introducción

Bosque de manglares. Fuente: Mangrove Forests

Imaginad 2 líquidos de distinta concentración separados por una membrana donde sólo el agua puede atravesarla. Por un fenómeno llamado difusión las moléculas de agua pasarán del líquido menos concentrado al más concentrado, produciéndose una dilución de esta último. Al final del proceso tendremos las dos soluciones con la misma concentración, este proceso que se produce de forma espontánea en la naturaleza se llama ósmosis, y la tecnología basada en ella Ósmosis Directa (OD) o Forward Osmosis (FO).

La FO es una tecnología de membrana relativamente nueva la cual no necesita ninguna presión externa para llevarse a cabo, lo que se traduce en un proceso de bajo consumo energético. Esta característica la convierte en una alternativa muy interesante comparada con otros tratamientos de membrana presurizados.

La presión que se ejerce en el caso de la FO es la presión osmótica. En el esquema siguiente vemos como gracias al gradiente de presión osmótica las moléculas de agua pasan a través de la membrana para equilibrar la concentración a cada lado de ésta:

Evolución de un sistema basado en la Forward Osmosis. Fuente: Forward Osmosis Tech

Proceso

La FO es una tecnología que puede tratar 2 líquidos al mismo tiempo, el más concentrado y con presión osmótica más elevada (Draw solution) se irá diluyendo paulatinamente a medida que el más diluido y con menor presión osmótica (Feed solution) recorre el camino inverso:

Esquema de funcionamiento de la FO. Fuente: Membranes Journal

Esta peculiaridad abre un abanico de posibilidades no sólo en la desalinización y depuración de aguas sino también por lo que respecta a la gestión y tratamiento de efluentes industriales. Al no necesitar una presión externa para hacer funcionar el proceso, la FO destaca sobretodo por su bajo consumo energético, derivando en unos menores costes de limpieza por fouling debido a la ausencia de compresión. Si a todo esto le añadimos el poder tratar dos efluentes distintos en un solo paso tenemos una tecnología de aplicación sumamente prometedora. 

Potencial

Para terminar con este primer post de introducción (habrá más relacionados con ejemplos de feeddraw solutions, tipos de membranas, estudios piloto y aplicaciones a escala industrial) a la Forward Omosis, hay que destacar que durante estos últimos diez años ha habido un crecimiento exponencial en el número de publicaciones científicas, por lo que demuestra el interés de la comunidad científica y el potencial de aplicación a escala real:

Fuente: Membranes Journal

Bibliografía

· Forward Osmosis Application in Manufacturing Industries: A Short Review. Anita Haupt and André Lerch. Membranes Journal. 23 July 2018.

· ForwardOsmosisTech’s forward osmosis guide (eBook).

· Forward Osmosis Tech (web)

Entrevista a Ignasi Rodríguez-Roda Layret (II)

– Tu periplo investigador empieza con la tesis doctoral.

Sí, la hice en el campo de la Inteligencia Artificial aplicada a las depuradoras de aguas residuales, pero era 1998 y el Big Data y Data Mining aún estaban muy poco desarrollados. En definitiva, los datos «objetivos» del momento eran mayoritariamente de mala calidad, y por lo tanto, nos centrábamos más en la percepción que tenía en cada momento el jefe de planta: olores, colores, funcionamento de la línea de fangos, etc.

– Fuisteis unos avanzados a vuestra época.

Puede ser… hace poco que las grandes empresas del sector del agua han empezado a hablar de forma habitual de la IA. De alguna forma el concepto ha traspasado los centros de investigación, entrando con fuerza en la industria y ya es una realidad para varios sectores.

– Desde que estás en el ICRA trabajas con varias tecnologías, concretamente con membranas.

Sí, trabajamos con diferentes tipos como son membranas de terciario, desalinización, osmosis inversa y directa…. Pero también tenemos una segunda línea de investigación igualmente importante dedicada a la eliminación de fármacos; hacemos el seguimiento y vemos como se transforman en el medio acuático, como se eliminan, la toxicidad, etc. El ICRA es referente en tomar las medidas.

– Relacionado con el tema de membranas, has mencionado la Osmosis Directa. Es una tecnología interesante porque reduce mucho el consumo energético en comparación con la inversa, aunque tiene algunos inconvenientes…

Efectivamente, aún le queda un largo camino por recorrer, tan solo hay 3 o 4 empresas que se dedican a esta tecnología en el mundo y hay ciertos problemas con el tipo de solución salina a utilizar. También tenemos una legislación incompleta en reutilización y la reposición de estas membranas no tiene la misma agilidad que las convencionales, estos inconvenientes sumados al cálculo de retorno económico hacen que las empresas vean con cierta cautela su uso en la industria.

– Hablando de empresas, participaste en un estudio en reutilización de aguas grises en un hotel de la Costa Brava. Sale a cuenta?

Económicamente hablando el hotel no nota este ahorro ya que la factura del agua es una parte pequeña de sus gastos totales, y si lo miramos por el lado del consumo de agua tampoco. Pero si un día el ayuntamiento impone restricciones por sequía es evidente que tendran una ventaja competitiva. Luego también hay un tema de promoción como empresa ambientalmente responsable, que ahora mismo sería dar un ejemplo de cara al uso sostenible del recurso.

Font: Dutch Water Sector

– Y una mejora de la Huella Hídrica

Desde luego, pero soy bastante escéptico al respecto. Reconozco el valor de concienciación del concepto pero creo que es muy difícil de calcular porque los criterios son demasiado dispares para tener una visión global significativa.

– «Comparativa a gran escala de varias tecnologías en agua reciclada, con especial émfasis en MBR». Me puedes explicar el objetivo de este artículo en el que has colaborado recientemente?

Este artículo lo escribimos debido a la ausencia de datos reales a gran escala de este tipo de tecnología, y por eso acabó saliendo en The MBR site. Los datos, que son de las licitaciones de las plantas , se pueden consultar en el CEDEX. Una vez recopiladas y analizadas vimos que los MBR eran bastante competitivos en comparación con los terciarios convencionales, además de que se obtiene una agua final de gran calidad.

– Así, en contra del tópico no hay tanta diferencia para contar con ellos en tratamiento terciario.

Sí, pero hay que tener en cuenta qué uso le queremos dar al agua producida, la queremos para regar campos de golf? Regadío? Recargar un acuífero? Baldeo de calles? O quizás para reutilización como agua potable…

– Y en función de este uso final construir la tecnología que se adapte mejor?

Efectivamente, lo que pasa es que en Catalunya mayoritariamente se ha construido por circunstancias que no tienen mucho que ver con este criterio.

– Es decir, se vierte al río sin reaprovecharla…

Y si esta tecnología la comparas con una EDAR convencional ya no sale a cuenta, porque aparte de desaprovechar este agua para reutilización el sistema con MBR suele ser un 20% mas caro. Un esfuerzo en vano. Continúa leyendo Entrevista a Ignasi Rodríguez-Roda Layret (II)

Proyecto OMBReuse

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Osmosis Directa (FO). Spectrum.ieee.org

El proyecto OMBReuse pretende reducir los costes de producir agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo.

Este proyecto queda reflejado en un artículo conjunto escrito por el LEQUIA y el ICRA en la revista RETEMA (Ene-Feb 2016) y hace referencia a las opciones que tenemos para poder obtener agua potable a partir de agua de mar, salobre o residual; es decir, a partir de aguas de difícil potabilización y que hace poco no eran consideradas ni un recurso.

Se habla de desalinización, regeneración, reutilización indirecta y directa de agua potable. En este último caso se comenta la obligación de instalar una barrera múltiple como puede ser un biorreactor de membrana (MBR) seguido de una ósmosis inversa (RO) y una desinfección (luz UV, ozono, cloración), para obtener una agua segura y de calidad para su consumo con la contrapartida de costes parecidos a las de la desalinización, 0,5-1€/m3.

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MBR acoplado a Osmosis Inversa. Esquema publicado por Sunmanyang

Como ya he comentado al inicio de esta entrada, el proyecto quiere reducir los costes de producción de agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo. Y es aquí donde entra en acción la Ósmosis Directa (FO).

La FO ya ha sido probada a escala de laboratorio y piloto, y a diferencia de la RO la obtención del permeado se produce por diferencia de gradiente de salinidad entre los dos lados de la membrana. Una solución de alta salinidad o «solución extractora» forma parte del sistema empleado, la cual se mezcla con el agua residual para entonces ser separada por la RO convencional. En este sentido, y debido a que el sistema utiliza la doble barrera (FO+RO) se podría aplicar a la reutilización como agua potable.

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OMBR. Esquema de la revista Environmental Science

Aplicada en el contexto de los MBR, la novedad que nos aporta el proyecto OMBReuse es la sustitución en el reactor de las membranas convencionales por las de ósmosis directa, consiguiendo unas elevadas tasas de eliminación de contaminantes además de una disminución del ensuciamiento. En definitiva, nos sigue aportando agua de alta calidad pero a un menor coste. Este nuevo esquema de depuración ha recibido el nombre de OMBR (Osmotic Membrane Bioreactor) y tiene un futuro prometedor, aunque aún quedan algunos inconvenientes por resolver, por ejemplo el rendimiento de la solución extractora.

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Fundamentos de la osmosis directa. Imagen de Porifera

Vistas las ventajas de la FO, la acumulación de sales en el reactor biológico y la posterior validación a escala real serían los principales retos a superar. Por lo que respecta al aumento de salinidad, los microorganismos del reactor se ven afectados, provocando inestabilidad en el proceso.

Finalmente, considerando los ejes fundamentales del proyecto MBReuse, estos serían:

  • Optimización del proceso de membranas.
  • Evaluación del beneficio de usar 2 membranas densas (FO y RO) como concepto de doble barrera.
  • Evaluación de la problemática del ensuciamiento en comparación con MBR convencionales.
  • Desarrollo de herramientas de control para la concentración de sales y optimización de operación y limpieza.
  • Desarrollo de un sistema de ayuda a la decisión para integrar la OMBR en el esquema de tratamiento de aguas residuales en ámbito local.

Este proyecto empezó en 2015 y tiene una duración de 2 años, así que próximamente sabremos los resultados de toda la experiencia acumulada.

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