Escalamiento de membrana

La incrustación en la membrana se produce cuando una o más sales escasamente solubles (p. ej., carbonato de calcio, fosfato de calcio, etc.) precipitan y forman una capa densa en la superficie de la membrana en aplicaciones de ósmosis inversa (OI). ^[1] Las figuras 1 y 2 muestran imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la superficie de la membrana de OI sin y con incrustaciones, respectivamente. La incrustación en la membrana, al igual que otros tipos de ensuciamiento de la membrana , aumenta los costos de energía debido a una mayor presión de operación y reduce la producción de agua permeada. ^[2] Además, la incrustación puede dañar y acortar la vida útil de las membranas debido a las frecuentes limpiezas de la membrana ^[3] y, por lo tanto, es un desafío operativo importante en las aplicaciones de OI.

La incrustación en la membrana puede ocurrir cuando las sales escasamente solubles en el concentrado de ósmosis inversa se sobresaturan , lo que significa que sus concentraciones exceden sus niveles de equilibrio ( solubilidad ). En los procesos de ósmosis inversa, la mayor concentración de sales escasamente solubles en el concentrado se debe principalmente a la extracción de agua de permeado del agua de alimentación. La relación entre agua de permeado y agua de alimentación se conoce como recuperación, que está directamente relacionada con la incrustación en la membrana. La recuperación debe ser lo más alta posible en las instalaciones de ósmosis inversa para minimizar el consumo específico de energía. Sin embargo, a altas tasas de recuperación, la concentración de sales escasamente solubles en el concentrado puede aumentar drásticamente. Por ejemplo, para una recuperación del 80 % y del 90 %, la concentración de sales en el concentrado puede alcanzar 5 y 10 veces su concentración en el agua de alimentación, respectivamente. Si las concentraciones de calcio y fosfato en el agua de alimentación de RO son 200 mg/L y 5 mg/L, respectivamente, las concentraciones en el concentrado de RO serán 1000 mg/L y 50 mg/L con una recuperación del 90%, excediendo el límite de solubilidad del fosfato de calcio y dando como resultado incrustaciones de fosfato de calcio.

Es importante señalar que la escala de la membrana no solo depende de la sobresaturación sino también de la cinética de cristalización , es decir, la nucleación y el crecimiento de los cristales .

Las sales más comunes que provocan incrustaciones en los procesos de ósmosis inversa son:

• Carbonato de calcio
• Sulfato de calcio
• Sílice/ silicatos metálicos
• Sulfato de bario
• Fosfato de calcio

Existen varios índices disponibles para determinar la tendencia a la formación de incrustaciones de sales poco solubles en una solución acuosa. Estos índices proporcionan información sobre si una determinada especie formadora de incrustaciones está subsaturada , saturada o sobresaturada. La formación de incrustaciones no se produce cuando un compuesto está subsaturado, mientras que se producirá tarde o temprano cuando un compuesto esté sobresaturado.

Los índices más utilizados para predecir el escalamiento en aplicaciones de ósmosis inversa son:

• Índice de saturación (SI)

${\displaystyle SI=\log {\frac {IAP}{K_{sp}}}}$

donde IAP y K _sp son el producto de la actividad iónica y el producto de la solubilidad de la sal poco soluble, respectivamente. Por ejemplo, el SI para el sulfato de calcio se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle SI=\log {\frac {\gamma [Ca^{2+}]\gamma [SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}}$

donde, γ es el coeficiente de actividad . [Ca ²⁺ ] y [SO ₄ ²⁻ ] son ​​concentraciones de calcio y sulfato en mol/L, respectivamente.

• Relación de sobresaturación (S _r )

${\displaystyle S_{r}=\surd {\frac {IAP}{K_{sp}}}}$

donde IAP y Kps son el producto de la actividad iónica y el producto de la solubilidad de la sal poco soluble, respectivamente. Por ejemplo, S _r para el sulfato de calcio se puede calcular de la siguiente manera:

${\displaystyle S_{r}=\surd {\frac {\gamma[Ca^{2+}]\gamma[SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}}$

donde, γ es el coeficiente de actividad. [Ca ²⁺ ] y [SO ₄ ²⁻ ] son ​​concentraciones de calcio y sulfato en mol/L, respectivamente.

• Índice de saturación de Langelier (LSI)

El LSI se utiliza únicamente para la incrustación de carbonato de calcio. Por otro lado, el SI y el S _r son aplicables para todos los compuestos.

Un valor positivo para cada SI y LSI indica que puede producirse escalamiento en RO, mientras que un valor negativo implica que no se producirá escalamiento. De manera similar, puede producirse escalamiento cuando S _r >1, pero no cuando S _r <1.

Existen varios métodos para prevenir la formación de incrustaciones en aplicaciones de ósmosis inversa, entre ellos la acidificación del agua de alimentación de ósmosis inversa, la reducción de la recuperación del sistema de ósmosis inversa y la adición de antiincrustantes. ^[4] La acidificación del agua de alimentación de ósmosis inversa fue uno de los primeros métodos para abordar la formación de incrustaciones de carbonato de calcio en los procesos de ósmosis inversa. ^[5] Sin embargo, debido a los riesgos asociados con el uso de ácido, este método se está volviendo menos común. Además, la acidificación puede no ser eficaz para todos los tipos de incrustaciones; por ejemplo, es muy eficaz para prevenir la formación de incrustaciones de carbonato de calcio, pero no de sulfato de calcio. ^[6]

Otro método para prevenir la formación de incrustaciones es utilizar la ósmosis inversa con una recuperación baja (relación entre el agua de permeado y el agua de alimentación). La recuperación de la aplicación de ósmosis inversa se reduce con este método para reducir el nivel de sobresaturación del agua concentrada a condiciones de subsaturación. La recuperación baja reduce el efecto adverso de la polarización de la concentración porque hay menos concentración de soluto en la superficie de la membrana, lo que reduce el potencial de formación de incrustaciones. Sin embargo, este método no es muy atractivo ni económico porque da como resultado un alto consumo específico de energía. Además, la gran cantidad de concentrado desechado es un problema.

La adición de antiincrustantes a la alimentación de RO es una de las estrategias más ampliamente aplicadas en términos de control de incrustaciones. ^[7] Los antiincrustantes se pueden utilizar para aumentar la recuperación del proceso de RO y contienen principalmente compuestos orgánicos como grupos funcionales sulfonato , fosfonato o ácido carboxílico . ^{[8] [9]} La adición de antiincrustantes dificulta el proceso de cristalización, es decir, la fase de nucleación y/o crecimiento de los compuestos de incrustación. Los antiincrustantes previenen la formación de incrustaciones mediante tres mecanismos, a saber, inhibición de umbral, modificación de cristales y dispersión. ^[10] La inhibición de umbral es cuando las moléculas antiincrustantes se adsorben en los núcleos de los cristales y detienen su proceso de nucleación, mientras que la modificación de cristales y la dispersión son la capacidad de los antiincrustantes para detener el crecimiento y/o aglomeración de cristales y partículas. ^[11] Para las incrustaciones de sílice, también existe una función adicional donde previene la polimerización de monómeros de sílice, previniendo así el crecimiento de polímeros de sílice. ^{[12] [13]} Existen varios antiincrustantes comerciales en el mercado, como Kurita, Avista, BASF, etc. ^{[14] [ 15] [16]} En aplicaciones de ósmosis inversa, los antiincrustantes se eligen en función de la composición del agua de alimentación y sus dosis se calculan generalmente mediante programas informáticos creados por los fabricantes de antiincrustantes. Por ejemplo, Avista tiene un software de dosificación de productos químicos llamado AdvisorCI™, ^[17] que se utiliza para calcular la dosificación precisa de productos químicos en sistemas de ósmosis inversa.