Química del agua en ósmosis inversa: prevención de incrustaciones y ensuciamiento

La protección de las membranas de ósmosis inversa comienza por conocer el agua de alimentación. Las sales disueltas, las partículas en suspensión, los microorganismos y la materia orgánica requieren enfoques de pretratamiento diferentes.

Esta guía explica cómo la química del agua y las condiciones de funcionamiento influyen en la formación de incrustaciones y el ensuciamiento, y presenta los principales métodos de prevención para sistemas de ósmosis inversa de agua salobre y agua de mar.

En esta página

• Evaluar el agua de alimentación y la recuperación
• Prevenir las incrustaciones minerales
• Entender los cálculos de incrustación
• Controlar las incrustaciones de sílice
• Eliminar partículas, coloides y metales
• Controlar el ensuciamiento biológico
• Reducir el ensuciamiento orgánico
• Comparar las opciones de pretratamiento

1. Evaluar el agua de alimentación y la recuperación

La evaluación del pretratamiento considera la fuente de agua, la temperatura, el pH, la alcalinidad, las sales disueltas, la sílice, el hierro y el aluminio, junto con los sólidos en suspensión, la materia orgánica y la actividad microbiana. La recuperación prevista determina cuánto se concentrarán los componentes retenidos.

Para una estimación inicial, suponiendo un paso de sales despreciable y ausencia de precipitación:

Esta estimación simplificada no incluye la polarización por concentración: las concentraciones en la superficie de la membrana pueden ser mayores que en el agua a granel. El diseño detallado también debe tener en cuenta las interacciones entre iones, el rendimiento de las membranas y la disposición de las etapas de ósmosis inversa.

2. Prevenir las incrustaciones minerales

Las incrustaciones se forman cuando las sales poco solubles precipitan y se depositan sobre la membrana. Entre las posibles incrustaciones se encuentran las de carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio y fluoruro de calcio. El método de prevención adecuado depende de las sales presentes y de sus concentraciones en las condiciones de funcionamiento.

Dosificación de ácido

Reducir el pH puede disminuir el riesgo de incrustaciones de carbonato de calcio. La dosificación de ácido no ofrece la misma protección frente a las incrustaciones de sulfatos. Además, el ácido sulfúrico aporta sulfato, lo que puede aumentar el riesgo de precipitación de sulfato de calcio, bario o estroncio.

Dosificación de antiincrustante

Los antiincrustantes retrasan la formación y el crecimiento de cristales; algunas formulaciones también dispersan las partículas. La selección del producto y su dosis dependen del análisis completo del agua, la recuperación, la temperatura y la compatibilidad con la membrana. La compatibilidad con los coagulantes utilizados aguas arriba es especialmente importante: los polímeros catiónicos residuales pueden reaccionar con los antiincrustantes aniónicos y formar depósitos.

Ablandamiento

El intercambio catiónico con resinas de ácido fuerte puede eliminar la dureza y otros cationes formadores de incrustaciones. El intercambio catiónico con resinas de ácido débil proporciona un ablandamiento parcial asociado a la alcalinidad por bicarbonatos. El ablandamiento con cal y con cal-soda ofrece alternativas basadas en la precipitación. La selección debe considerar la dureza residual, el pH, la regeneración o la gestión de lodos, y la filtración posterior.

Ajuste de la recuperación

Reducir la recuperación disminuye la concentración de sales retenidas en el concentrado, pero aumenta el volumen de agua de rechazo. La recuperación debe seleccionarse junto con el pretratamiento, en lugar de tratarse como un objetivo operativo independiente.

3. Entender los cálculos de incrustación

El riesgo de incrustaciones de carbonato puede evaluarse mediante el índice de saturación de Langelier (LSI) o, para aguas de mayor salinidad, el índice de saturación de Stiff y Davis. Un índice positivo indica una tendencia termodinámica a la precipitación de carbonato de calcio; no describe todos los tipos de incrustaciones.

Para otras sales poco solubles, la evaluación del riesgo de incrustación compara el producto de las actividades iónicas con el producto de solubilidad correspondiente. La temperatura, la fuerza iónica y la especiación química afectan al resultado. Las concentraciones por sí solas no sustituyen por completo una evaluación basada en las actividades.

Utilice las condiciones del concentrado al evaluar el riesgo. Los límites de funcionamiento del antiincrustante deben basarse en la proyección del proveedor seleccionado y en las recomendaciones del fabricante de la membrana, no en un único límite de saturación universal.

4. Controlar las incrustaciones de sílice

La sílice se concentra a medida que aumenta la recuperación. Su solubilidad depende de la temperatura y del pH, mientras que el hierro y el aluminio pueden contribuir a la formación de depósitos de silicatos difíciles de eliminar.

Entre las opciones de control figuran reducir la recuperación, eliminar la sílice mediante un pretratamiento adecuado y utilizar una formulación compatible para el control de la sílice cuando corresponda. Cualquier ajuste del pH o de la temperatura también debe comprobarse frente a otros riesgos de incrustación y a los límites de funcionamiento de la membrana.

Evalúe por separado las formas disueltas y coloidales. La filtración de partículas no elimina la sílice disuelta ni los metales disueltos.

5. Eliminar partículas, coloides y metales

Los sólidos en suspensión y los coloides pueden depositarse en las membranas y restringir el flujo. Según la calidad del agua de alimentación, el pretratamiento puede incluir coagulación y floculación, clarificación, filtración en medios granulares, microfiltración o ultrafiltración.

El hierro y el manganeso requieren especial atención porque la oxidación puede transformar las especies disueltas en partículas insolubles. Si la oxidación forma parte del pretratamiento, los sólidos resultantes deben eliminarse antes de las membranas de ósmosis inversa.

La filtración con cartuchos proporciona una barrera final contra las partículas, pero no debe compensar un tratamiento previo insuficiente. Compruebe el posible arrastre de coagulantes, floculantes e hidróxidos metálicos, además de las partículas del agua bruta.

6. Controlar el ensuciamiento biológico

Los microorganismos que llegan a un sistema de ósmosis inversa pueden adherirse a las superficies y formar biopelículas. El aumento de la presión diferencial y la disminución del caudal normalizado de permeado pueden indicar ensuciamiento, aunque estos síntomas por sí solos no permiten identificar su causa.

Una estrategia de control biológico combina un pretratamiento adecuado, la vigilancia microbiológica y el control de la proliferación en depósitos, tuberías y filtros. La cloración o el tratamiento UV aguas arriba pueden ser adecuados según la calidad del agua y la configuración del proceso.

Cuando se utiliza cloro aguas arriba de membranas de poliamida sensibles al cloro, debe controlarse el oxidante residual antes de la etapa de ósmosis inversa. El carbón activado y el bisulfito o metabisulfito de sodio son opciones de decloración. La dosificación de productos químicos, la mezcla y la supervisión deben ajustarse a los requisitos de la membrana seleccionada.

7. Reducir el ensuciamiento orgánico

La materia orgánica natural, los aceites, las grasas y algunos polímeros pueden adsorberse sobre las membranas y reducir el caudal de permeado. Su eliminación depende de su forma y composición: la coagulación, el carbón activado y la ultrafiltración pueden tratar distintas fracciones orgánicas.

Evalúe la contaminación orgánica junto con los productos químicos de tratamiento propuestos. Un proceso que elimina eficazmente las partículas puede permitir, aun así, que las sustancias orgánicas disueltas lleguen a las membranas de ósmosis inversa.

8. Comparar las opciones de pretratamiento

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