Evaluación de sistemas comerciales en espiral de destilación por membranas y su aplicación al tratamiento de aguas.Evaluation of spiral wound commercial systems of membrane distillation and their application to wáter treatment

Resumen

La desalinización de agua de mar y el tratamiento de aguas residuales para su reutilización se han propuesto como alternativas para obtener agua dulce y así mitigar la escasez de agua. El 80 % de la población con problemas de acceso a agua dulce adecuada corresponde a comunidades rurales aisladas que suelen disponer de una alta radiación solar y se caracterizan por la carencia de infraestructuras de suministro de energía, conexión a la red eléctrica y un bajo consumo per-cápita. Estas circunstancias dificultan el uso de las tecnologías de desalinización tradicionales como la ósmosis inversa, la destilación súbita multi-etapa y la destilación multi-efecto, que se encuentran bien asentadas comercialmente, debido a que no se pueden reducir fácilmente a sistemas muy pequeños y tampoco son adecuadas para llevar a cabo una operación discontinua. Una opción para satisfacer la demanda de agua dulce en estas zonas es el uso de la Destilación por Membranas ya que permite su uso descentralizado a pequeña escala y es menos susceptible a la operación intermitente. Esta es una tecnología de separación no isotérmica que se realiza a través de una membrana hidrófoba. La fuerza impulsora es el gradiente de presión de vapor generado a ambos lados de la membrana que fuerza al vapor a pasar a través de los poros de la membrana. Debido a que la membrana es hidrófoba, sólo pueden atravesar la membrana las moléculas volátiles en forma de vapor y la solución líquida con todas las impurezas es retenida. Sin embargo, aunque en los últimos años la Destilación por Membranas ha ganado atención y algunas empresas han desarrollado módulos comerciales de Destilación por Membranas, esta tecnología no se encuentra aún suficientemente implantada comercialmente. Resulta por tanto necesario obtener más información experimental de campo sobre el rendimiento, la caracterización de la operación y su optimización para facilitar el desarrollo e implementación comercial de esta tecnología. Esta investigación tiene como objetivo principal la evaluación de sistemas comerciales de Destilación por Membranas como tecnología para la desalinización de agua de mar (3,5 % en peso de sales marinas) en condiciones reales, con el propósito de determinar si esta tecnología tiene madurez tecnológica para su implementación comercial. Para ello, se caracterizaron tres módulos comerciales acoplados a un campo solar, uno de ellos de la empresa Solar Spring (Oryx 150) y los otros dos de la empresa Aquastill (Aquastill-1,5 y Aquastill-5). La operación consistió en analizar y maximizar a través de la Metodología de Superficies de Respuesta el rendimiento de los módulos en términos de producción de permeado y eficiencia energética. También se evaluó la calidad del permeado obtenido en cada módulo. Una vez realizado el análisis de rendimiento de cada módulo, se llevó a cabo una comparación de los tres módulos conjuntamente. La Metodología de Superficies de Respuesta resultó idónea, tanto para ajustar el flujo específico de permeado y el consumo específico de energía a una ecuación en función de las variables de operación, como para maximizar el rendimiento de los módulos, que consistió en encontrar los valores de las variables de operación que maximizaban el flujo específico de permeado y minimizaban el consumo específico de energía térmica. La maximización del flujo específico de permeado en los tres módulos se consiguió operando con la máxima temperatura de entrada al canal de evaporación estudiada, así como el máximo caudal de alimentación y la mínima temperatura de entrada al canal de condensación. En los tres módulos, el consumo específico de energía térmica fue mínimo cuando se operó con el máximo valor de temperatura de entrada al canal de evaporación. Sin embargo, el efecto del caudal de alimentación y la temperatura de entrada al canal de condensación fue el mismo en los módulos Oryx 150 y Aquastill-1,5, pero diferente con respecto al módulo Aquastill-5. Así, un aumento del caudal de alimentación no influyó de forma significativa en el módulo Aquastill-5 pero sí en los otros dos módulos. Finalmente, un aumento de la temperatura de entrada al canal de condensación no influyó de forma notoria en los módulos Oryx 150 y Aquastill-1,5 pero sí en el módulo Aquastill-5. Esto hizo que en el módulo Oryx 150 y en el módulo Aquastill-1,5 hubiera que comprometer el valor del caudal de alimentación para intentar alcanzar la máxima producción con el mínimo consumo de energía térmica. En el módulo Aquastill-5 esto se consiguió operando con el mismo valor de las variables de operación que maximizaban el flujo específico de permeado. Los mayores valores de flujo específico de permeado y de consumo específico de energía se obtuvieron con el módulo Aquastill-1,5 mientras que con el módulo Aquastill-5 se obtuvieron los menores valores de los parámetros. Las variables de respuesta del módulo Oryx 150 se mantuvieron entre los dos módulos de Aquastill, pero más próximos a los valores obtenidos en el módulo Aquastill-1,5. Las diferencias encontradas en los tres módulos, se debieron a la diferencia en el tiempo de residencia en el interior del canal, el cual vino determinado por la velocidad y la longitud del canal de cada módulo. Este efecto dominó por encima de otros como la configuración del módulo o las características de la membrana. Con respecto a la calidad del permeado, los tres módulos obtuvieron un permeado de buena calidad con un coeficiente de rechazo de la sal superior al 99,7 %. Por tanto, se puede concluir que los tres módulos comerciales fueron aptos para la desalinización de agua de mar logrando el objetivo de obtener un permeado de alta calidad,aunque esta tecnología continúa consumiendo una elevada cantidad de energía térmica (mínimo valor de consumo específico de energía térmica igual a 121 kWh·m-3 para el módulo Aquastill-5). La elección de un módulo u otro depende de si la energía térmica es el factor limitante o no, así como de la aplicación a la que se destine su uso. El segundo objetivo de esta investigación fue comprobar la viabilidad de la Destilación por Membranas en la eliminación de contaminantes biológicos en aguas contaminadas y estudiar el efecto conseguido en la desinfección de aguas contaminadas al hibridar esta tecnología con el proceso de oxidación avanzada foto-Fenton. Para ello, se utilizaron una solución salina con un 3,5 % en peso de sales marinas contaminada con esporas de B. subtilis y un efluente de agua residual urbana con presencia natural de esporas de Clostridium spp. Para ambas soluciones contaminadas, el permeado obtenido estuvo libre de esporas, poniendo de manifiesto la viabilidad de la Destilación por Membranas para la obtención de efluentes reutilizables o aptos para su descarga al medio ambiente. Además, su hibridación con el proceso foto-Fenton resultó beneficiosa, puesto que la reducción de la concentración de esporas fue significativa tanto en el tratamiento de la solución contaminada con esporas de B. subtilis como en el caso del agua residual urbana con presencia de esporas de Clostridium spp, alcanzándose valores por debajo del límite de detección en este último caso. Sin embargo, con el tratamiento sólo con foto-Fenton no se logró una reducción significativa de la concentración de estas esporas en ninguno de los dos casos.