METODO Y SISTEMA PARA AUMENTAR LA RECUPERACION Y PREVENIR EL ENSUCIAMIENTO POR PRECIPITACION EN PROCEDIMIENTOS DE MEMBRANA SOMETIDOS A PRESION.

Un procedimiento para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar una o más sales o minerales poco solubles,

comprendiendo dicho procedimiento alimentar una corriente de agua a presión que contiene especies solubles capaces de formar una o más de las siguientes sales o minerales poco solubles: carbonato de calcio; sulfato de calcio; sílice; fosfato de calcio; sulfato de bario; sulfato de estroncio y fluoruro de calcio en una zona de tratamiento que tiene una o más membranas dispuestas en la misma, hacer pasar dicha corriente por dicha membrana o membranas para recuperar un filtrado y extraer un concentrado de la misma mientras que periódicamente se invierte el sentido del flujo de dicha corriente en dicha zona de tratamiento, comprendiendo además el procedimiento estimar el tiempo de inducción t, que es el tiempo requerido para que una corriente de agua supersaturada precipite una o más de dichas sales y/o minerales poco solubles de la misma, y ajustar la inversión de flujo periódica para que tenga lugar un cierto tiempo menor que el tiempo de inducción t, estando dicha membrana o membranas expuestas a condiciones de supersaturación que se desarrollan en dicha corriente de agua durante un período de tiempo que es menor que dicho tiempo de inducción t

Método y sistema para aumentar la recuperación y prevenir el ensuciamiento por precipitación en procedimientos de membrana sometidos a presión.

La presente invención se refiere en general a mejorar la recuperación, y a prevenir el ensuciamiento por precipitación, en procedimientos de filtración de líquidos. Más en particular, la invención se refiere a un procedimiento y un sistema para prevenir el ensuciamiento por precipitación en procesos de filtración impulsados por presión de ósmosis inversa y nanofiltración, y para aumentar la recuperación por precipitación de minerales supersaturados de la corriente de concentrado antes de su posterior desalación.

Los procedimientos de filtración con membrana proporcionan soluciones atractivas para diversas aplicaciones de tratamiento de agua tales como los usados para la eliminación de constituyentes inorgánicos y, en particular, en la desalación de agua salobre y agua del mar y para la eliminación de Compuestos Químicos Orgánicos Sintéticos (SOC). Puesto que los procedimientos tradicionales de tratamiento de agua no siempre son capaces de cumplir los requerimientos impuestos por las normativas sobre agua potable, los procedimientos de filtración con membrana son cada vez más preferidos en tales aplicaciones, en particular debido a su requerimiento de poco espacio y a la eliminación eficaz de contaminantes.

Los procedimientos de membrana impulsados por presión se definen como procedimientos en los cuales se alimenta una corriente de alimentación a un caudal volumétrico Q_f en un dispositivo de membrana (por ejemplo, un recipiente a presión) equipado con membranas que dividen el espacio en un lado de la alimentación y un lado del filtrado, y en el que una diferencia de presión a través de las membranas hace que el disolvente (normalmente agua) pase desde el espacio de la alimentación a un caudal volumétrico denominado Q_p. La solución que queda, que está ahora concentrada en los solutos rechazados, abandona el espacio de la alimentación del dispositivo de membrana como una corriente concentrada a un caudal volumétrico denominado Q_r. A la fracción de alimento que abandona el dispositivo de membrana como filtrado se hace referencia como recuperación de la membrana, Y:

Puesto que la recuperación aumenta, la concentración de los solutos rechazados en la corriente de concentrado, C_r, viene dada por el balance de masas como:

Los procedimientos de membrana impulsados por presión se distinguen entre si por los tipos de solutos que éstos rechazan o pasan al lado de filtrado. Para un procedimiento dado, esta selectividad se puede definir por el rechazo de soluto empírico para cada soluto i, R_i, definido por:

donde C_fi, C_pi se refieren a las concentraciones en la alimentación y filtrado de componente i, respectivamente. Para especies con alto rechazo, R_i ? 1 y por tanto la relación definida en la ecuación 2, entre su concentración en la corriente de concentrado, C_r, y la de recuperación, Y se reduce a:

En la Tabla 1 se proporcionan definiciones típicas de los diversos tipos de procedimientos impulsados por presión:

En esta tabla d_p se refiere al diámetro del soluto rechazado. MWCO se refiere al corte o separación de peso molecular definida normalmente como el peso molecular de soluto que es rechazado en un valor igual o superior al 90% por la membrana. Se puede apreciar que los procedimientos de membrana impulsados por presión que darán lugar a una desalación parcial o completa son ósmosis inversa (RO) y nanofiltración (NF). Estos también eliminarán materiales orgánicos naturales, materiales orgánicos sintéticos y compuestos químicos inorgánicos y, por ello, son adecuados para la desalación parcial o completa de agua salobre o agua de mar.

La tasa a la cual el disolvente junto con los solutos no rechazados pasa a través de la membrana por unidad de área de membrana se define como el flujo en la membrana (representado como J_v) con unidades de volumen/(área unitaria-tiempo). Durante el procedimiento de filtración, las membranas se ensucian y como resultado son menos eficaces. El ensuciamiento de las membranas se ha convertido en uno de los principales impedimentos para su aceptación en aplicaciones de tratamiento de agua. La aparición de ensuciamiento en la membrana en procedimientos de ósmosis inversa y nanofiltración conduce a la reducción en la capacidad de producción y algunas veces a la pérdida del rechazo del soluto. Existen varios tipos de ensuciamiento que, de forma típica, se presentan en tales procedimientos:

Los procedimientos habituales para prevenir el ensuciamiento por precipitación son limitar la recuperación del sistema, Y, manteniendo la proporción de filtrado por debajo de una cierta fracción máxima del caudal de alimentación, tal que las concentraciones de las sales poco solubles no superen en gran medida la saturación en el extremo concentrado. Estos límites de saturación se pueden aumentar moderadamente alimentando antiincrustantes al extremo de alimentación de la membrana, lo cual aumenta los costes del tratamiento químico previo. Además, un requerimiento impuesto por los fabricantes de membranas requiere que exista un caudal tangencial mínimo en cada elemento espiral comercial con el fin de minimizar la polarización de concentración causada por la acumulación de sal rechazada transportada a la superficie de la membrana por el flujo (por ejemplo, para elementos de NF o RO en espiral de 20,32 cm de diámetro, algunos fabricantes recomiendan un caudal mínimo de 45 l/min).

Sin embargo, en las nuevas membranas de LPRO de baja presión (Ósmosis Inversa de Baja Presión) y LPFN (Nanofiltración de Baja Presión), que operan a presiones de (3-10 bar) 3 a 10 x 10⁵ Pa, la pérdida de carga axial a lo largo del trayecto de alimentación de los elementos de membrana puede reducir significativamente la fuerza impulsora para la filtración del agua producto, lo que requiere que los caudales no deben ser demasiado altos a través de los elementos de membrana. Estos requerimientos conflictivos hacen que el diseño de nuevas plantas de tratamiento de agua sea bastante difícil, lo que da como resultado que se han propuesto nuevas estrategias (para los modos convencionales de abordar esto véase, por ejemplo, "Innovative System Designs to Optimize Performance of Ultra-low Pressure Reverse Osmosis Membranes", Nemeth, J., Desalination, 118, 63- 71, 1998).

Otras formas de controlar el ensuciamiento de membranas utilizan procedimientos hidrodinámicos y químicos, retrolavados periódicos, limpieza química, cambio de las condiciones de operación y reducción del flujo de operación. Otra solución para controlar el ensuciamiento de las membranas propone cambiar la sentido del flujo con el fin de reducir la polarización de la concentración y el ensuciamiento en general ("Ultrafiltration Membranes and Applications", Breslau, B. R. et al, Polymer Science and Technology, Plenum Press, Vol. 13; "Flux Enhancement Using Flow Reversal in Ultrafiltration", Hargrove, SC and Ilias,...

1. Un procedimiento para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar una o más sales o minerales poco solubles, comprendiendo dicho procedimiento alimentar una corriente de agua a presión que contiene especies solubles capaces de formar una o más de las siguientes sales o minerales poco solubles: carbonato de calcio; sulfato de calcio; sílice; fosfato de calcio; sulfato de bario; sulfato de estroncio y fluoruro de calcio en una zona de tratamiento que tiene una o más membranas dispuestas en la misma, hacer pasar dicha corriente por dicha membrana o membranas para recuperar un filtrado y extraer un concentrado de la misma mientras que periódicamente se invierte el sentido del flujo de dicha corriente en dicha zona de tratamiento, comprendiendo además el procedimiento estimar el tiempo de inducción t, que es el tiempo requerido para que una corriente de agua supersaturada precipite una o más de dichas sales y/o minerales poco solubles de la misma, y ajustar la inversión de flujo periódica para que tenga lugar un cierto tiempo menor que el tiempo de inducción t, estando dicha membrana o membranas expuestas a condiciones de supersaturación que se desarrollan en dicha corriente de agua durante un período de tiempo que es menor que dicho tiempo de inducción t.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el tiempo de inducción t está determinado con antelación de forma experimental, o se estima por separado para cada una de las sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuación:

A y B son constantes relacionadas con una sal o mineral muy poco soluble dado y la membrana usada; y S es la relación entre el producto de la actividad real máxima de una sal poco soluble dada en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana y el producto de la solubilidad termodinámica o, para un mineral sin disociar, la relación de la concentración de mineral real máxima respecto a la concentración de saturación de dicho mineral para la composición dada.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la zona de tratamiento es un recipiente a presión que comprende al menos primera, segunda y tercera aberturas, usándose dicha tercera abertura para recuperar el filtrado y está en comunicación de fluido con el interior de dicho recipiente a través de las membranas, en el que el sentido del flujo de la corriente se invierte periódicamente entre un flujo hacia adelante, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha primera abertura y el concentrado se extrae a través de dicha segunda abertura, y un flujo invertido, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha segunda abertura y dicho concentrado se extraer a través de dicha primera abertura.

4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende:

5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la válvula de derivación se deja abierta durante un período de tiempo adecuado para prevenir la precipitación de sales poco solubles en tuberías y válvulas corriente abajo del recipiente a presión.

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además dirigir el concentrado supersaturado extraído a un cristalizador, precipitar en el mismo una o más sales y/o minerales poco solubles, separar los sólidos de la fase líquida y devolver dicho líquido a la zona de tratamiento.

7. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 6, en el que el agua contiene sulfato de calcio o carbonato de calcio.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el agua es agua salobre o agua de mar o agua residual.

9. Un sistema de membrana impulsado por presión para purificar agua que contiene especies solubles que pueden formar sales y/o minerales poco solubles, que comprende:

10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el cristalizador está en forma de un recipiente que contiene iniciadores de cristalización, un lecho fluidizado o un lecho fijo.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el cristalizador comprende una barrera de membrana montada en el mismo para permitir la separación del precipitado.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además medios de detección capaces de proporcionar a la unidad de control señales correspondientes al producto de la actividad real máxima de una sal poco soluble dada en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana o, para un mineral sin disociar, la concentración de mineral máxima, y en el que la unidad de control está adaptada para estimar el tiempo de inducción de acuerdo a la fórmula

en la que A y B son constantes relacionadas con la sal/mineral y la membrana y S es la relación entre dicho producto de la actividad real máxima y el producto de la solubilidad termodinámica o, para un mineral sin disociar, la relación de dicha concentración de mineral real máxima a dicha concentración de saturación de dicho mineral para una composición dada.

13. Un sistema para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar sales y/o minerales poco solubles de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende:

14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende al menos dos dispositivos de detección unidos a la unidad de control y un dispositivo de medida del flujo de filtrado y de concentrado, siendo dichos dispositivos de detección capaces de detectar el nivel de concentración de al menos una sal en la corriente de agua en las proximidades de la primera y segunda aberturas del recipiente a presión, y en el que dichos dispositivos de detección y medida proporcionan a dicha unidad de control señales correspondientes para calcular S, o dicha unidad de control recibe el valor de S como dato de entrada, y estima así dicho tiempo de inducción, y en el que dicha unidad de control está adaptada para recibir entradas de datos de A y B y estimar así el tiempo de inducción por medio de la siguiente ecuación:

15. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es un elemento arrollado en espiral.

16. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es un elemento de fibra hueca que tiene un diámetro interno menor que 3 mm.

17. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es de una geometría de placa y bastidor.

18. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es de geometría tubular que tiene un diámetro interno mayor que 3 mm.