Fundamentos y aplicaciones de las tecnologías limpias con membranas en el tratamiento de aguas

Transcripción

1 Fundamentos y aplicaciones de las tecnologías limpias con membranas en el tratamiento de aguas

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3 Fundamentos y aplicaciones de las tecnologías limpias con membranas en el tratamiento de aguas Carlos Francisco García Olmos

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5 Agradecimientos A los revisores de esta obra: doctor José Manuel Benito Moreno, profesor de la Universidad de Burgos (España), doctor Miguel Eugenio Cadena Moreno, ingeniero Javier Gámez e ingeniero Juan Pablo Rodríguez Miranda, estos tres últimos como profesores de la Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital, por sus revisiones exhaustivas para hacer posible una mejor versión de esta obra. A la Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales por haberme brindado la oportunidad y el apoyo durante años para hacer realidad este libro. Al Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Oviedo (España), por los amplios conocimientos que me brindó durante los años que dedique a la investigación en ella, que me dieron luces para hacer esta obra. Al Comité de Publicaciones de la Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales, por su valiosa gestión durante varios años para hacer posible esta publicación. A la Editorial UD, Sección de Publicaciones por su gestión en el proceso de edición y publicación. A mi familia y amigos personales que siempre me animaron a persistir para lograr este objetivo.

6 Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales Carlos Francisco García Olmos Primera edición, abril de 2016 ISBN: Dirección Sección de Publicaciones Rubén Eliécer Carvajalino C. Coordinación editorial Miguel Fernando Niño Roa Corrección de estilo Paula Liliana Santos Diagramación Jorge Andrés Gutiérrez Urrego Editorial UD Universidad Distrital Francisco José de Caldas Carrera 24 No Teléfono: ext Correo electrónico: publicaciones@udistrital.edu.co García Olmos, Carlos Francisco Fundamentos y aplicaciones de las tecnologías limpias con membranas en el tratamiento de aguas / Carlos Francisco García Olmos. -- Bogotá : Universidad Distrital Francisco José de Caldas, páginas ; 24 cm. -- (Colección tierra y vida) ISBN Purificación de aguas residuales con membranas 2. Plantas de tratamiento de aguas residuales 3. Separación por membrana 4. Nanofiltración I. Tít. II. Serie cd 21 ed. A CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango Todos los derechos reservados. Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito de la Sección de Publicaciones de la Universidad Distrital. Hecho en Colombia

7 Contenido Introducción 19 Las tecnologías con membranas 23 Generalidades 23 Procesos con membranas cuya fuerza impulsora es la presión 23 Tipos de membranas 25 Configuración de los módulos 26 Membranas biológicas 30 Transporte a través de membranas 31 Ventajas de las membranas 32 Limitaciones de las membranas 32 Fundamentos de los procesos con membranas 33 Potencial químico 33 Ósmosis 34 Parámetros en los procesos con membranas 36 Polarización por concentración 40 Ensuciamiento de las membranas 45 Prevención de incrustaciones 49 Limpieza de membranas 53 Transporte en membranas 58 Microfiltración 61 Concepto 61 Descripción matemática 61 Aplicaciones generales de la microfiltración 63 Ejemplo de microfiltración al tratamiento de aguas superficiales 65

8 Ultrafiltración 67 Concepto 67 Descripción matemática 67 Aplicaciones generales de la ultrafiltración 68 Ejemplo de aplicación de la ultrafiltración al tratamiento de las emulsiones aceite/agua 69 Ejemplo de aplicación de la ultrafiltración en el tratamiento de las aguas residuales 71 Nanofiltración 73 Concepto 73 Principio de separación 73 Selectividad 73 Descripción matemática 73 Aplicaciones generales de la nanofiltración 74 Ejemplo de la nanofiltración aplicada a la eliminación de compuestos orgánicos de aguas superficiales con destino a consumo humano 76 Ejemplo de aplicación de la nanofiltración al tratamiento de aguas 78 Ósmosis inversa 81 Concepto 81 Equipo 81 Ventajas 82 Desventajas 82 Descripción matemática 82 Aplicaciones generales de la ósmosis inversa 83 Ejemplo de aplicación de la ósmosis inversa en acondicionamiento de aguas para calderas 83 Perspectivas y aplicaciones de las tecnologías con membranas en el tratamiento de aguas 85 Procesos híbridos 85 Desalinización de aguas salinas y salobres 87 Tratamiento de las aguas usadas en una nave espacial 89 Tratamiento de efluentes 90 Recuperación de lignina en una planta papelera 91

9 Reactores con membranas 92 Funciones de las membranas en un reactor 92 Aplicaciones de las tecnologías con membranas en el tratamiento de aguas en Colombia 95 Procesos de membranas para el tratamiento de agua residual industrial con altas cargas del colorante amarillo ácido Consideraciones básicas para la aplicación de procesos con membranas de ósmosis inversa y nanofiltración en el tratamiento de aguas para consumo humano en Colombia 97 Resumen 101 Referencias 105

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11 Índice de figuras Figura 1 Procesos cuya fuerza impulsora es la presión 24 Figura 2. Módulo de placas 27 Figura 3. Módulo tubular 27 Figura 4. Módulo en espiral 28 Figura 5. Sección transversal de módulo en espiral 29 Figura 6. Vista de módulos en espiral disponibles en el mercado 29 Figura 7. Módulo de fibras huecas 30 Figura 8. Estructura de la membrana biológica 30 Figura 9. Ilustración del proceso de ósmosis 34 Figura 10. Operación de filtración tangencial en proceso con membranas 37 Figura 11. Variación de la velocidad de filtración en función de la presión aplicada 39 Figura 12 Capa límite y retrodifusión en el proceso de polarización por concentración 41 Figura 13. Capa de gel por incremento de la polarización por concentración 41 Figura 14. Modelo de transferencia de materia 42 Figura 15. Resistencias a la velocidad de permeación 47 Figura 16. Sistema de microfiltración con membrana sumergida 65 Figura 17. Diagrama esquemático del equipo de UF utilizado 70 Figura 18. Planta de nanofiltración para m 3 /día 76 Figura 19. Diagrama de flujo de la planta de nanofiltración 77 Figura 20. Barrera permeable, que actúa como captadora de iones, usando hierro de valencia cero (ZVI) 79

12 Figura 21. Instalación para acondicionamiento de aguas para uso industrial, con la membrana ESPA1, consistente de 66 módulos de dos membranas en serie 84 Figura 22. Tecnología con membranas como separador de algas, y tanque de fermentación 86 Figura 23. Desalinización de aguas 88 Figura 24. Instalación para reciclaje de aguas en una nave espacial 90 Figura 25. Tratamiento de efluentes con membranas 91 Figura 26. Biorreactor con membranas para tratamiento de efluentes industriales 93 Figura 27. Reactor biológico operando con un módulo de membranas, para la depuración de aguas residuales 94 Figura 28. Instalación para el tratamiento de aguas residuales industriales, que contenían el colorante amarillo ácido 23 96

13 Índice de tablas Tabla 1. Clasificación de las membranas 25 Tabla 2. Efectos de los tipos de ensuciamiento sobre los parámetros característicos 55 Tabla 3. Resultados en el tratamiento de aguas superficiales mediante microfiltración 64 Tabla 4. Valores de los parámetros típicos de un agua 75 Tabla 5. Características fisicoquímicas del efluente residual evaluado con el colorante amarillo ácido Tabla 6. Aplicaciones de las membranas cuya fuerza de impulsión es la presión 102

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15 Presentación Este libro está dirigido especialmente a estudiantes de ingeniería ambiental y de disciplinas afines. Es recomendable que se aborde en forma secuencial, tal como es presentado, para que el lector pueda conocer progresivamente los principales aspectos de las tecnologías limpias con membranas, cuya fuerza impulsora es la presión. Las tecnologías con membranas, en razón de ser tecnologías limpias, corresponden a procesos amigables con el medio ambiente y tienen como premisa principal las operaciones basadas en principios de reducción de los efectos negativos hasta los valores más bajos, desde su fase inicial. Estos efectos negativos provienen en muchos casos de elementos residuales contaminantes. Todos los productos generados en los procesos de las tecnologías limpias con membranas son aprovechables, implican un valor económico añadido y no utilizan operaciones que requieran cambios de fase debido a que son procesos físicos de separación, además, son preventivos ya que no posponen la mitigación de los efectos sobre el medio ambiente para el final del tubo. Los objetivos propuestos en este texto exponen, en primer lugar, la presentación de los fundamentos básicos de los procesos con membranas cuya fuerza impulsora es la presión, los tipos y las configuraciones de los módulos. En segundo lugar, buscan que el lector conozca los principales aspectos de esta tecnología, sus ventajas y limitaciones. El tercer objetivo propuesto es que el lector comprenda el concepto de cada uno de los procesos, de los modelos matemáticos relacionados con estos, su operación y las aplicaciones generales, además, se incluyen ejemplos específicos en el tratamiento de aguas (que es la aplicación más importante en la que se enfoca este texto). Finalmente, se dan a conocer con mayor ilustración las aplicaciones y perspectivas más importantes de estas tecnologías, de cara al futuro. Los procesos que se abordan son los de la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración, y por último la ósmosis inversa, que es la más selectiva y la que requiere más requisitos en su implementación.