Evaluación de anti-incrustantes para disminuir el ensuciamiento producido por sílice en membranas de ósmosis inversa

El ensuciamiento producido en las membranas de ósmosis inversa puede ser producido por partículas presentes en el agua de entrada, o bien por la concentración de sales solubles, que precipitan mediante su concentración en las membranas de ósmosis inversa, pueden superar su producto de solubilidad y pasan a ser insolubles, quedándose depositadas en las membranas de ósmosis inversa. 

El SDI (silt density index), es un índice que permite evaluar el potencial de ensuciamiento de un agua sobre membranas considerando únicamente las partículas en suspensión y/o coloides presentes. El SDI se determina midiendo el tiempo necesario para filtrar una cierta cantidad de agua a través de un filtro de 0,45 micras. 

La conversión es la relación en porcentaje entre el volumen de agua permeada y la alimentación. Una instalación trabajando al 50% de conversión producirá de cada 100 partes de la alimentación, 50 partes de permeado y 50 partes de concentrado. 

El factor de concentración (FC) es el número de veces que se concentra el agua rechazada respecto de la alimentación. En el caso de que la conversión sea del 50 % el factor de concentración es 2. Además, la concentración que se produce en la superficie de la membrana de ósmosis inversa es superior al factor de concentración, ya que la polarización incrementa la concentración. La polarización externa se produce en los procesos de separación de membrana, ya que se produce una acumulación de soluto en la zona más próxima a la membrana. Este fenómeno disminuye la eficacia de la separación, produciéndose un aumento de la presión osmótica local. Este fenómeno se produce en el lado externo de la membrana. El factor de polarización (β) tiene como máximo teórico un valor de 2 [1]. En la tabla 1 se muestra a modo de ejemplo el factor de concentración a distintas conversiones y suponiendo distintos factores de polarización.

La sílice y silicatos son algunos de los precipitados más indeseables junto con el sulfato de calcio en procesos de ósmosis inversa, ya que dependiendo del tipo de compuesto, éste puede ser insoluble y de muy difícil eliminación en los elementos de ósmosis inversa. El silicio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y se encuentra presente en forma de varios minerales. La arcilla está formada por aluminosilicatos con un bajo producto de solubilidad y se encuentran en estado coloidal, lo que provoca que se queden adheridos a las membranas de ósmosis causando la reducción del flujo de permeado. Algunas composiciones de aluminosilicatos son: arcilla (Al2O3SiO2·H2O), caolín (Al2Si2O5(OH)4), feldespato (KAlSiO3), mullita (3Al2O3·2SiO2) y andalucita (Al2OSiO4) [2].

La solubilidad de la sílice en agua es de 150-180 ppm, aunque dicha solubilidad está condicionada en gran medida por la composición del agua en la que se encuentra disuelta. Tanto la fuerza iónica como la alcalinidad son dos parámetros que condicionan su solubilidad.

Debido a la diversa variedad de problemas de incrustación que pueden presentarse en una membrana de ósmosis inversa, cada uno de ellos debe abordarse por separado: carbonato cálcico, sulfato cálcico, sulfato de bario, sílice o excesos de coagulante como de hidróxidos de aluminio o de hierro. Por ello, es necesario un método de laboratorio diferente para cada problemática. En nuestro anterior trabajo desarrollamos un método de laboratorio que permite establecer una clasificación de la  eficacia de los distintos anti-incrustantes para inhibir la precipitación de sulfato cálcico en agua de mar [3].

La capacidad de los diferentes anti-incrustantes para inhibir la precipitación de sales está relacionada con su estructura química [4, 5, 6], su peso molecular [7, 8], el pH de la disolución [9] y la temperatura [10]. Por ejemplo, los fosfonatos producen reacciones quelantes con el calcio y el hierro [11], mientras que los productos poliméricos producen distorsiones del cristal y un efecto dispersivo [11]. Estos mecanismos de inhibición tienen una gran efectividad en la inhibición de sales cristalinas. Sin embargo, la sílice tiene naturaleza amorfa lo que hace más compleja la inhibición de su precipitación.

La inhibición y la dispersión son dos métodos óptimos para prevenir el ensuciamiento. La inhibición detiene la formación de cristales o partículas que se están formando mientras la dispersión evita que las partículas queden unidas a la superficie de la membrana [12]. La dispersión de sílice también considera partículas de silicatos con un bajo producto de solubilidad y que se encuentren ya precipitados. En la figura 1 se muestra un esquema de la formación y deposición de sílice sobre la membrana de ósmosis inversa.

Cuando el ion silicato polimeriza se producen una serie de cadenas entrecruzadas de distintos pesos moleculares, anillos de distintos tamaños y estructuras oligoméricas. El coloide resultante es una combinación de difícil predicción y análisis, ya que la polimerización se produce al azar y su análisis resulta complejo. En la figura 2 se muestra una de las posibles estructuras que adopta la sílice al polimerizar.

La prevención del ensuciamiento mediante sílice puede prevenirse mediantes tres procesos:

- Precipitación de ésta mediante la adición de hidróxido magnésico o cloruro magnésico con una posterior etapa de filtración. Este proceso sólo es necesario cuando la concentración de sílice es muy elevada.

- Inhibición, este mecanismo consiste en el retraso o prevención de la formación de sílice coloidal.

- Dispersión, este modo de prevención consiste en evitar que las partículas de sílice coloidal se agreguen, crezcan y se queden adheridas a las membranas. Este mismo mecanismo también es válido en el caso de partículas sólidas de pequeño tamaño.

Debido a que cada uno de estos procesos tiene un fundamento diferente son necesarios métodos diferentes para evaluar cada uno de los procesos. Tanto la inhibición como la dispersión requieren el uso de anti-incrustantes. Para evaluar la relación entre la composición química de los anti-incrustantes con el efecto de inhibición y dispersión se han desarrollado dos métodos que permiten la comparación efectiva entre éstos.

Los formulaciones de anti-incrustantes comerciales actualmente están formadas por fosfonatos, compuestos poliméricos o mezclas de ambos. Por ello, en nuestro trabajo hemos incluido cuatro compuestos poliméricos, tres fosfonatos y un compuesto quelante.

Los polímeros pueden dividirse en función de su estructura en cuatro tipos: lineal, entrecruzada, ramificada y dendrimérica. En nuestro trabajo se han seleccionado tres de las cuatro arquitecturas poliméricas para determinar la influencia de la estructura polimérica en la inhibición y  dispersión de sílice. Los polímeros entrecruzados han sido descartados por ser insolubles... (Descargar para seguir con la lectura)

Reportaje publicado en el Nº 159  Mayo - Junio 2012

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