I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje

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1 Artículo: COMEII I CONGRESO NACIONAL COMEII 2015 Reunión Anual de Riego y Drenaje Jiutepec, Morelos, México, 23 y 24 de noviembre EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE UNA UNIDAD DE AGMD Ulises Dehesa Carrasco 1, Rogelio Servando V. 2 1 CONACYT Research Fellow, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, C.P , Jiutepec, Morelos, México. 2 Postgrado IMTA-UNAM, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, C.P , Jiutepec, Morelos, México Resumen La destilación por membrana (AGMD) es un proceso de separación térmico que se basa en el principio de la evaporación y la condensación del vapor de agua. Esta característica posibilita el uso de la tecnología para tratar altas concentraciones salinas como el agua de rechazo de una planta de RO o NF. En este trabajo, se presenta un estudio experimental de una unidad de AGMD a fin de investigar la influencia de la temperatura sobre la producción de permeado. Se realizó un estudio comparativo utilizando dos membranas de PTFE de 0.45 y 0.22 µm. Los resultados muestran que la producción de permeado presenta una tendencia de tipo exponencial como función de la temperatura de alimentación. Se establece que el consumo de energía es independiente al tamaño de poro de la membrana y el aumento en el tamaño promedio de los poros favorece la producción de permeado. Palabras claves: Destilación por membrana, desalinización solar.

2 Introducción La desalinización de agua subterránea salobre (BW) es una alternativa que se ha venido empleado en los últimos años para aumentar la disponibilidad de agua para riego agrícola (Zarzo et al., 2012). Sin embargo, este proceso a menudo se piensa como poco rentable, sobre todo por los costos asociados los cuales representan cerca del 40-45% del costo total (Zarzo et al., 2012). En los últimos años esta percepción está cambiando (Chaibi, 2000). Algunos países como España, Israel y los Emiratos Árabes Unidos han aumentado de manera significativa el volumen producido de agua desalinizada destinada para uso agrícola (Alkhudhiri et al., 2013). La ósmosis inversa (OI) y la Nano filtración (NF) han sido las principales tecnologías con mayor presencia en el mercado (Chaibi, 2000; Ali, 2011). La desalinización de agua para fines de riego, implica atender diversos retos de mitigación de efectos colaterales. De acuerdo con Zarso et al. (2012) los impactos negativos del Bum de los sistemas de desalinización que experimentó España en los años 90, han dejado en claro que es necesario regular y aplicar tecnologías periféricas a fin de lograr un manejo integral. El uso de éstas tecnologías está relacionado con el manejo de las corrientes de rechazó (efluentes), las cuales afectan de manera negativa los ecosistemas adyacentes a la planta de tratamiento, tal como ha sido documentado por Warsinger et al. (2014). La destilación por membrana (AGMD) es un proceso de separación térmico que se basa en el principio de la evaporación y la condensación del vapor de agua. Esta característica posibilita el uso de la tecnología para tratar altas concentraciones de sales como el agua de rechazo de una planta de RO o NF. A diferencia de los procesos de separación mediante energía térmica, en la AGMD el proceso ocurre a temperaturas por debajo del punto de ebullición y en un espacio reducido próximo a los 4 mm de espesor, lo que posibilita construir sistemas compactos alimentados con energía solar. Publicaciones previas han mostrado que los sistemas AGMD pueden operar con altas concentraciones salinas sin afectar de manera significativa la producción de permeado Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Abdullah et al. (2013) evaluaron la efectividad del proceso en estos sistemas empleando altas concentraciones de NaCl, Mg Cl 2, Na 2CO y 3 Na SO a través de membranas planas de PTFE. Los autores concluyen 2 4 que las membranas de PTFE son susceptibles a incrustaciones cuando se opera únicamente con soluciones alcalinas. Sin embargo, Elena et al., señalan que cuando estos sistemas trabajan con una solución binaria CaCO3 CaSO los efectos de las incrustaciones 4 en membranas PTFE resultan en menor proporción comparado con las observaciones de otros compuestos (Abdullah et al., 2013). Específicamente, estudios sobre el desempeño del sistema AGMD que operan con agua de rechazo de una planta RO o NF como influente, no han sido reportados. 2

3 Las características del agua de rechazo de una planta de desalinización, dependen de la geología del subsuelo (Birnhack et al., 2010). Sin embargo, los compuestos de,, CaCO 3 CaSO 4 Na 2 SO 4 y NaCl a menudo se encuentran en mayor cantidad en muestras tomadas en campo. Si se considera que la tecnología de AGMD pueda ser utilizada para tratar los efluentes de los sistemas de desalinización, entonces sería pertinente realizar un estudio detallado sobre los efectos que tienen los compuestos sobre la producción de permeado. En este trabajo se presenta un estudio experimental de una unidad de AGMD a fin de investigar la influencia de la temperatura sobre la producción de permeado, empleando como influente una mezcla binaria de NaCl H2O. Se realizó un estudio comparativo utilizando dos membranas de PTFE (0.45, 0.22 µm). Los resultados de este trabajo tienen como objetivo establecer una línea comparativa para estudios posteriores utilizando otro compuestos tales como, y. CaCO 3 CaSO 4 Na 2 SO 4 Materiales y métodos La Figura 1 muestra una imagen del dispositivo experimental de una unidad AGMD. El prototipo está formado por dos paredes laterales, una membrana hidrófoba, una placa de refrigeración, varias juntas que actúan como sello y como soporte para mantener el espaciamiento correcto de los canales de alimentación y el espacio de aire. Las paredes laterales están hechas de una placa de Nylon, con 254 mm de espesor. El Nylon es utilizado con el fin de reducir las pérdidas de calor parásitas al medio ambiente. Las juntas están hechas de silicón y polipropileno con espesores de 3 y 1 mm respectivamente. En la unidad, se utilizaron dos tipos de membranas de PTFE (politetrafluoroetileno) proporcionado por Millipore Company, con un tamaño de poro de 0.22 y 0.45 µm. a) b) Figura 1. Diagrama de una unidad AGMD. a) Componentes por separado b) unidad ensamblada. 3

4 El canal de alimentación se forma por un espacio entre una de las placas laterales y la membrana hidrófoba. El canal de alimentación tiene las siguientes dimensiones nominales 80 mm ancho, 6 mm de profundidad y 180 mm de longitud, el cual se logra mediante un par de juntas de silicón. El canal de refrigeración se forma con la segunda pared lateral y la placa de aluminio. Ambos canales tienen las mismas dimensiones y se construye utilizando el mismo concepto. Las dos partes que se forman, y que albergan los canales de alimentación y refrigeración, se unen entre sí mediante una serie de tornillos dejando entre ellas un espacio de aire de 4 mm de espesor. Este espacio queda alojado en el interior del sistema por medio de una combinación de juntas. La membrana hidrófoba está soportada mediante una malla metálica de 1 mm de espesor, esto con el fin de reducir la deformación de la membrana producida por la presión de flujo y la temperatura de alimentación. Las corrientes que ingresan a la unidad (alimentación y refrigeración) son suministradas mediante dos bombas de caudal variable, esto con el fin de mantener los valores constantes durante las pruebas experimentales. Los flujos alimentación y refrigeración fueron medidos a la salida de la bomba antes de entrar en la unidad utilizando dos medidores de flujo IR-Opflow PVDF (tipo 1) con una precisión de ± 1%. Las lecturas de las temperaturas en el sistema se realizaron por medio de seis termopares tipo T (cobre /Constantán), previamente calibrados. Cuatro de ellos fueron instalados en la entrada y salida de los canales de alimentación y enfriamiento. Los dos restantes fueron ubicados en el interior del espacio de aire en la unidad AGMD. El primero de ellos en contacto con la placa de refrigeración donde se condensa el vapor permeado y la segunda, adyacente a la membrana presionando suavemente la superficie de ésta. El producto condensado se recuperó con un vaso de precipitado y para cuantificarlo se utilizó la técnica gravimétrica, por medio de una balanza marca Ohaus 700/800 con 0,1 g de precisión. El flujo de destilado a través de la membrana se determinó a partir de la evolución temporal del nivel de líquido en este recipiente. En el experimento se utilizó una mezcla de cloruro de sodio (99,9% de pureza, JT Baker) en agua destilada, con una concentración de 30,000 ppm. Para medir la conductividad se empleó un conductimetro y ph combinado marca Hanna Instruments. El conjunto de pruebas realizadas tienen como objetivo el estudio de la respuesta térmica de la unidad de desalinización AGMD como una función de la temperatura de alimentación, mientras que el caudal y la temperatura en el canal de enfriamiento permanecen constantes. Para ello, se llevaron a cabo ocho pruebas bajo diferentes condiciones de operación. En cada prueba, el flujo de alimentación se mantuvo constante en un valor de 0.4 l/min, variando sólo la temperatura de alimentación en el intervalo de 40 a 80 C, con un paso de 10 C por cada prueba. La lectura de los datos para los flujos y temperaturas se realizó con un intervalo 10 s, durante un período de 20 min, para cada una de las condiciones de operación. Por lo tanto, cada valor reportado como resultado representa un promedio de más de 120 mediciones. 4

5 Resultados Los valores máximos de las desviaciones estándar, para la temperatura de alimentación y refrigeración fueron ± 0,18 C y ± 0,25 C respectivamente. Para el caudal de alimentación la desviación estándar máxima fue de ± 0,007 l/min y 0,027 ± para el flujo de refrigeración. Por otra parte, la desviación estándar máxima para el destilado fue de 0,12 ± l / m 2 h. Con base en lo anterior se establece que las desviaciones estándar observadas en el experimento, no afectan de manera significativa los resultados. Toda vez que para este tipo de pruebas la máxima desviación estándar permitida es de 1 C (Dehesa et al., 2013). Las Figuras 2 y 3 muestran la evolución de las temperaturas durante dos pruebas distintas. Figura 2. Comportamiento de la temperatura en el sistema AGMD. Figura 3. Comportamiento de la temperatura en el sistema AGMD. 5

6 La producción de permeado a menudo se expresa como función de la temperatura de alimentación. Sin embargo, esta forma de expresar los resultados no es del todo conveniente. En el experimento se observó que la cantidad de destilado producido depende de la temperatura de alimentación y de la temperatura del canal de refrigeración. En este contexto, a fin de representar la producción de permeado con función del potencial termodinámico efectivo, la producción de permeado se expresada como función de la diferencia de la media aritmética entre la entrada y la salida del canal de alimentación y el canal de refrigeración. Como se muestra en la ecuación 1. THi THo TRi TRo T (1) 2 2 La Figura 4 muestra la producción de destilado como función de la diferencia aritmética de temperatura. Como se puede observar, el volumen de destilado presenta una tendencia de tipo exponencial. Figura 4. Producción de destilado como función de la diferencia de temperatura entre el canal de alimentación y el canal de refrigeración. En el Cuadro 1 se presentan los resultados de la comparación entre ambas membranas. Se observa que la producción de permeado es mayor cuando el tamaño de poro aumenta. Creemos que esto sucede porque al aumentar el tamaño de poro la tortuosidad en la membrana es menor, lo que se traduce en una resistencia menor al flujo neto de masa a través de la membrana. En la Figura 5 se presenta una comparación de dos micrografías por SEM de las membranas utilizadas. Las micrografía muestran una tortuosidad mayor para una membrana de 0.22 µm. 6

7 Cuadro 1. Producción de permeado µm TH TB ΔT Arit Arit ( C) Temp. Nominal Dest l/m 2 *hr 0.45 µm Temp. TH TB ΔT Dest Nominal Arit Arit ( C) l/m 2 *hr Figura 5. Micrografía de las membranas de PTFE, (a) 0.45 μm y (b) 0.22 μm. La Figura 6 muestra el consumo de energía como función de la temperatura de alimentación. Los resultados muestran que el consumo es mayor a medida que aumenta la temperatura de alimentación. Existe evidencia que un poro más pequeño afecta el flujo neto de masa a través de la membrana. Sin embargo, la destilación por membrana no es proceso de filtración. Por lo tanto, una disminución en el permeado no necesariamente se traduce en un aumento en el consumo de energía como se muestra en la figura 6. 7

8 Figura 6. Potencia suministrada con relación a la temperatura de alimentación. Un análisis con más detalle muestra que el calor sensible (calor parásito) aumenta a medida que aumenta la temperatura de alimentación Fig. 7. Con base en lo anterior no se observa evidencia de aumento en el consumo de energía como función del tamaño de poro. Figura 7. Flujo de Calor sensible (círculos) y calor latente (triángulos) a través de la unidad AGMD. 8

9 Conclusiones De los resultados obtenidos se concluye que la producción de permeado presenta una tendencia de tipo exponencial como función de la temperatura de alimentación. Se establece que el consumo de energía es independiente al tamaño de poro de la membrana y el aumento en el tamaño promedio de los poros favorece la producción de permeado. Referencias Bibliográficas Abdullah A., Darwish N., Hilal N., Treatment of saline solutions using Air Gap Membrane Distillation: Experimental study, Desalination 323 (2013) 2 7. Birnhack L., Shlesinger N., Lahav O., A cost effective method for improving the quality of inland desalinated brackishwater destined for agricultural irrigation, Desalination 262 (2010) Chaibi M.T. An overview of solar desalination for domestic and agriculture water needs in remote arid areas. Desalination 127 (2000) Dehesa-Carrasco, U., Pérez-Rábago, C.A., Arancibia-Bulnes, C.A. Experimental evaluation and modeling of internal temperatures in an air gap membrane distillation unit, (2013) Desalination 326 PP Eyad S. H., Brackish water desalination by a standalone reverse ósmosis desalination unit powered by photovoltaic solar energy, Renewable Energy , Warsinger D. M,Swaminathan J., Guillen-Burrieza E., Arafat H. A., Lienhard J. H., Scaling and fouling in membrane distillation for desalination applications: A review, Desalination xxx (2014) xxx xxx. Zarzo D., Campos E., Terrero P., Spanish experience in desalination for agriculture. Desalination and Water Treatment, 1 (2012)