Predicción del ensuciamiento coloidal en sistemas de ósmosis inversa y nanofiltración. Aplicación del índice de atascamiento modificado (MFI)

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1 Predicción del ensuciamiento coloidal en sistemas de ósmosis inversa y nanofiltración. Aplicación del índice de atascamiento modificado (MFI) Por: Antonio Casañas González (*), Joan Sanz Ataz (**), Elisenda Taberna Camprubí (**), Leopoldo Guerrero Gallego (**) y Juan Manuel Ortega Díaz(**) (*) Dow Chemical Ibérica Liquid Separations Ribera de Axpe, s/n Axpe-Erandio (Vizcaya) acasanas@dow.com (**) Veolia Water Systems Ibérica Edif. Augusta Park, Avda. Vía Augusta, s/n Sant Cugat del Vallès (Barcelona) joan.sanz@veoliawater.com RESUMEN La práctica habitual en las instalaciones de membranas para medir el potencial de ensuciamiento coloidal y, en consecuencia, medir la calidad del pretratamiento en todo momento es la medida en continuo de la turbidez y la medida esporádica puntual (normalmente cada 8 horas en instalaciones que funcionen las 24 horas del día de forma continua) del SDI (Silt Density Index) también conocido como índice de fouling por muchos autores. Aunque estas dos medidas son en la actualidad las dos únicas exigibles e imprescindibles en las instalaciones de tratamiento de agua por membranas, cada vez más se habla de otros métodos más exactos y con una base más real en lo que al mecanismo hidráulico de las membranas situadas a continuación del pretratamiento se refiere y a la evaluación de las operaciones unitarias empleadas. Tal es el caso del índice de atascamiento modificado o MFI. Palabras clave: Membranas, ósmosis inversa, nanofiltración, ensuciamiento coloidal, índice de atascamiento (SDI), índice de atascamiento modificado (MFI). ABSTRACT The normal practice in the installations using membranes to measure to colloidal fouling potential and, hence, the quality of the pre-treatment at any moment, is the continuous measurement of the turbidity and the spot measurement (normally every 8 hour in plants operating 24 hours a day) of the SDI (Silt Density Index) known as well as Fouling Index by many authors. Although, actually, these two measurements are the only ones established to control the water treatment plants using membranes, more and more other accurate methods with a more real behaviour with respect to the hydraulic mechanism of the membranes placed after the pre-treatment and to the evaluation of the unit operations employed are being used. This is the case of the Modified Fouling Index or MFI. Keywords: Membranes, reverse osmosis, nanofiltration, colloidal fouling, silt density index (SDI), modified fouling index (MFI).

2 1. Introducción Uno de los parámetros fundamentales de la operación de instalaciones con membranas, ya sea de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración o bien de ósmosis inversa, es la velocidad con que éstas se ensucian [1-3]. La mayor frecuencia de limpiezas y el tipo de ensuciamiento que se forma en las membranas podría llegar a hacer inviable una instalación. Los ensayos de medición del índice de atascamiento SDI y MFI están diseñados para simular el ensuciamiento de la membrana haciendo pasar agua a través de un microfiltro de 0,45 µm. El SDI no puede distinguir entre los diferentes mecanismos de filtración y no puede modelar la disminución del flujo en los sistemas de membrana. Tampoco es posible dar valores representativos cuando el potencial de ensuciamiento coloidal de las aguas es elevado. Sin embargo, el MFI está basado en la filtración a través de la torta formada en el microfiltro y refleja, por tanto, el mecanismo de disminución de flujo que luego va a ocurrir en las membranas [4]. Los valores del índice de atascamiento MFI están contemplados entre los parámetros de diseño de los sistemas de ósmosis inversa con un valor guía de 1 s/l 2 que permite mantener un control correcto del ensuciamiento coloidal y un valor máximo de 4 s/l 2 [5]. En general el intervalo óptimo que se aplica en los pretratamientos tiene como objetivo mantenerse en el intervalo de 0-2 s/l 2 para sistemas de ósmosis inversa y de 0-10 s/l 2 para sistemas de nanofiltración [1]. La única desviación como modelo que de la realidad podría tener el MFI sería la debida a las partículas de tamaño inferior a las 0,45 µm. Algunos autores han propuesto una medida alternativa del MFI usando ultrafiltros en vez de microfiltros. A esta modalidad del MFI se le conoce con el nombre de MFI-UF [6]. 2. Índice de atascamiento modificado o MFI La medida del SDI presenta dos desventajas: la primera es que el flujo a través del filtro de 0,45 micras del medidor de SDI no reproduce el flujo a través de las membranas. En el caso del medidor de SDI el flujo es directo ( dead end ) y en las membranas el flujo es cruzado. La segunda desventaja es que las partículas inferiores a 0,45 micras pasarían a través del filtro de Millipore. Un detalle muy importante es que no existe una relación lineal entre el SDI y la concentración de coloides y materia en suspensión y tampoco con la capacidad de atascamiento [7-8]. Así aguas con valores de SDI 5 representan un aumento de 3,7 veces en la estimación de la capacidad de atascamiento respecto a valores de 3, pero valores de 6 representan un aumento de 11 veces [8]. El concepto de índice de atascamiento modificado MFI fue introducido por primera vez en 1980 por J.C.Schippers y J.Verdouw [9]. Se plantea como un factor directamente proporcional a la concentración coloidal y la materia en suspensión [3]. La evidencia de esta proporcionalidad se demostró midiendo soluciones estándar de formazina coloidal. Se observó en numerosas medidas que la filtración de cualquier agua, conteniendo materia coloidal, a través de un filtro de membrana (0,45 µm) es controlado por los siguientes mecanismos: al principio filtración por bloqueo, al poco tiempo filtración a través de la torta formada sin compactación, seguida de una filtración por torta con compactación. El modelo matemático de la filtración por torta sin compactación es simple y aplicable a la determinación de un índice que se relaciona con la naturaleza y concentración de los coloides. En principio, el ensayo del MFI se realiza a la misma presión (2,1 bar) y condiciones de membrana (0,45 micras, 47 mm de diámetro) que el SDI (ensayo normalizado ASTM D4189). Durante el ensayo de MFI, se necesita determinar una curva completa de V (volumen en litros) con respecto a t (tiempo en segundos). En la práctica los datos de los

3 volúmenes filtrados cada 30 segundos se anotan durante los 15 minutos del ensayo de MFI y posteriormente se representan en un gráfico t/v respecto a V, donde se considera la zona recta de la curva correspondiente a la filtración de la torta formada sobre el filtro, excluyendo la zona inicial correspondiente al bloqueo por filtración y la zona final de rotura de torta. De acuerdo a la teoría desarrollada por Schippers [9], esta gráfica debería ser totalmente lineal y cuya pendiente representaría el valor del MFI (s/l 2 ). En la práctica, sin embargo, la curva t/v respecto a V, no suele ser lineal para concentraciones coloidales elevadas. En estos casos, en un reciente trabajo presentado por E. Brauns en 2002 [10], se propone un cálculo simplificado del MFI. La práctica común para determinar el MFI en estas curvas no lineales es la de buscar un tramo lineal de las mismas y usar el valor de la pendiente de este tramo como valor del MFI. Está claro que en los casos de curvas t/v respecto a V no lineales los valores obtenidos de MFI representan, solamente, una parte de la información incluida en los complejos datos de fouling medidos. Así para aguas de entrada con alta concentración coloidal (SDI inmedible) se considera como zona recta la primera que se observa. Los mecanismos considerados por Schippers y Verdouw en su teoría [9] sobre el proceso de filtración sobre una membrana son los siguientes: - Filtración en profundidad ( depth filtration ). - Filtración por bloqueo. - Filtración por torta sin compresión. - Filtración por torta con compresión. En el proceso de filtración por bloqueo ocurre que los poros se bloquean debido a la presencia de partículas en el agua. La ecuación que describe la variación de volumen con respecto al tiempo en esta fase es: dv p 1 nv ---- = ---- ( ) (1) dt η R f0 k en la que: V = volumen filtrado, t = tiempo, p = diferencial de presión a través del filtro, η= vicosidad, R f0 = resistencia del filtro limpio, n = número de partículas por unidad de volumen, y k = constante que depende de la estructura del filtro de membrana. La ecuación que describe el modelo de filtración a través de un filtro en el que se ha formado una torta es la siguiente: dv 1 p A ---- = (2) dt η (R f + R k ) en donde: R f = resistencia del filtro, R k = resistencia de la torta, y A = superficie del filtro.

4 En el caso de no haber compresión de la torta, la resistencia de la misma es proporcional al volumen que atraviesa la membrana según la siguiente ecuación: V R k = x I (3) A En la que I es una constante del potencial de fouling del agua a medir. Combinando las fórmulas (2) y (3), e integrando a p constante entre t = 0 y t = t, obtenemos: t η R f η VI ---- = (4) V p A 2 p A 2 El término η I p A 2 de acuerdo a esta ecuación puede servir como índice de la tendencia de un agua que contiene coloides a ensuciar una membrana si p, η y A 2 se toman como valores de referencia fijos. Este término es el que se ha dado a conocer como Índice de Fouling Modificado, MFI, y es, como habíamos indicado anteriormente, la pendiente de la curva que relaciona t/v respecto a V, es decir, tan α. La fórmula quedaría, de manera simplificada: t η R f ---- = MFI V (5) V p A Está claro que de acuerdo a esta ecuación, la relación lineal entre t/v y V en la que la pendiente sería el MFI sólo ocurre cuando se asume como válida una relación también lineal entre la resistencia de la torta y el volumen filtrado de acuerdo a la ecuación (3). Esta suposición no siempre es verdad debido a la compresión de la torta que para simplificar vamos a obviar y que fueron desarrollados primeramente por Schippers y recientemente ampliado por Brauns [10]. Según varios autores [11] el existente modelo de MFI no se correlaciona a la perfección con el ensuciamiento coloidal real observado en la práctica en instalaciones de ósmosis inversa, nanofiltración o ultrafiltración. La causa de esta desviación se debe probablemente a las partículas coloidales menores de 0,45 µm. Para predecir el ensuciamiento de una forma más exacta habría que realizar el MFI usando membranas de ultrafiltración en flujo dead-end según el método MFI-UF aplicado tanto a sistemas de osmosis inversa como nanofiltración [12]. La Figura 1 presenta la gráfica obtenida en la medición del MFI a la salida de un filtro bicapa, donde el valor es inferior a 2 s/l 2 y la respuesta es lineal en prácticamente todo el intervalo de medición (de 30 segundos a 15 minutos).

5 Figura 1. Curva de MFI a salida de un filtro bicapa (antracita-arena). Valor MFI 1,8 s/l Casos estudiados Se aplicó el índice de atascamiento MFI en la evaluación del pretratamiento de ósmosis inversa de aguas superficiales tratadas que presentaban valores de SDI superiores a 15 medidos como SDI 5. De acuerdo con la norma ASTM D4189, la cuantificación del SDI tiene como límite que el tiempo de filtración final no supere el valor equivalente a cuatro veces el tiempo inicial. De esta forma y para los tiempos establecidos en el ensayo de 5, 10 y 15 minutos los valores máximos que podemos cuantificar son para cada tiempo de ensayo 15, 7,5 y 5, respectivamente. El planteamiento de un tratamiento por etapas, la propia valoración de los cambios introducidos y la variabilidad del agua a tratar pueden ser evaluados con la medición del MFI, no siendo posible con el SDI. Los ensayos de medición de MFI en diferentes tipos de pretratamiento e impacto en la operación del sistema de ósmosis inversa se llevaron a cabo en una planta piloto con 18 elementos Filmtec BW FR en una configuración de dos etapas en tubos de presión de tres elementos cada uno (Figura 2). Figura 2. Planta piloto de ósmosis inversa Agua superficial pretratada en ETAP El agua tratada en ETAP consistente en un proceso de preoxidación con permanganato de potasio en la captación, precloración a la llegada a planta, coagulación y floculación, decantación y filtración de arena, presentó valores de turbidez típicamente entre 0,1 y 0,4 NTU, con algún valor superior a 0,5 NTU pero siempre inferior a 1 NTU. La medición del MFI presentó una gran variabilidad, demostrando la pobre correlación entre turbidez, concentración coloidal y capacidad de ensuciamiento. El recuento de partículas mostró un porcentaje elevado de partículas entre 1 y 2 µm del orden del 86% y entre 1 y 5 µm del orden del 95%. Las Figuras 3, 4, 5 y 6 presentan respectivamente la curva completa del MFI, la zona recta considerada para el cálculo del MFI y el aspecto de la torta retenida en el filtro de 0,45 µm empleado en el ensayo con agua a salida de ETAP con turbidez 0,39 NTU en la observación al microscopio electrónico de barrido y a la vista. Las mediciones de MFI del agua a tratar a salida de ETAP, se llevaron a cabo durante un período de 45 días. La Tabla 1 refleja los valores estadísticos correspondientes a una serie de 36 medidas de MFI realizadas. En todos los casos la turbidez no superó 1 NTU y se mantuvo consistentemente entre 0,1 y 0,4 NTU. Debido a los altos valores de MFI del agua a tratar, la zona recta considerada para el cálculo es la primera que se observa, siendo la segunda de mayor pendiente probablemente debida a un efecto de filtración en profundidad en la torta formada en el filtro de 0,45 µm. Figura 3. Gráfica de medición del índice de atascamiento MFI en agua salida ETAP 0,39 NTU. Figura 4. Gráfica de cálculo del índice de atascamiento MFI para salida de ETAP 0,39 NTU. MFI 0,45 = 37,9 s/l 2. Figura 5. Micrografía electrónica de barrido del filtro MFI a la salida de la ETAP.

6 Figura 6. Aspecto a la vista del filtro de 0,45 µm después del ensayo MFI en el agua de salida de la ETAP. Tabla 1. Valores estadísticos del índice de atascamiento MFI 0,45 en las aguas de salida ETAP. Ensay os Máxi mo Míni mo Medi a Media na Desviaci ón Percen til 10 Percen til 25 Percen til 75 Percen til 90 estándar N s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l 2 s/l Filtración multicapa con coagulación en línea La reducción del índice de atascamiento MFI se realizó inicialmente en base a la filtración multicapa combinada con la coagulación en línea. En estas condiciones los valores del MFI fueron inferiores 4 s/l 2, valor máximo recomendado por Dow FilmTec para controlar el ensuciamiento coloidal y en general próximos a 1-2 s/l 2 [5]. Las Figuras 7 y 8 presentan respectivamente las curvas completas del MFI para la salida y entrada al sistema de filtración. Las Figuras 9 y 10 muestran aspecto limpio del filtro de 0,45 µm empleado en el ensayo con agua a salida del segundo filtro con turbidez 0,08 NTU en la observación al microscopio electrónico de barrido y a la vista. Figura 7. Gráfica del índice de atascamiento MFI para salida de filtro tricapa. MFI 0,45 = 0,2 s/l 2 (R 2 = 0,991). Figura 8. Gráfica del índice de atascamiento MFI para entrada al filtro tricapa. MFI 0,45 = 10,6 s/l 2 (R 2 = 0,988). Figura 9. Micrografía electrónica de barrido del filtro MFI a la salida del filtro tricapa. Figura 10. Aspecto a la vista del filtro de 0,45 µm después del ensayo MFI en el agua de salida del filtro tricapa Filtración en serie con coagulación y floculación en línea La reducción del índice de atascamiento MFI se realizó también mediante la filtración en serie con filtros multicapa de filtración en profundidad combinada con la coagulación y floculación en línea y aplicada de forma separada en cada etapa de filtración (sistema OFSY). En estas condiciones los valores del MFI fueron próximos a 1 s/l 2, valor guía recomendado por Dow FilmTec para controlar el ensuciamiento coloidal [5]. Las Figuras 11, 12, 13 y 14 presentan respectivamente la curva completa del MFI, la zona recta considerada para el cálculo del MFI y el aspecto limpio del filtro de 0,45 µm empleado en el ensayo con agua a salida del segundo filtro con turbidez 0,08 NTU en la observación al microscopio electrónico de barrido y a la vista. La Figura 15 muestra la reducción de la concentración coloidal como MFI mediante el tratamiento de filtración en serie, tomando mediciones el mismo día por la mañana y tarde.

7 Figura 11. Gráfica de medición del índice de atascamiento MFI. Agua salida de la filtración en serie 0,08 NTU. Figura 12. Gráfica de cálculo del índice de atascamiento MFI para salida de salida filtración en serie 0,08 NTU. MFI 0,45 = 1,1 s/l 2. Figura 13. Micrografía electrónica de barrido del filtro MFI a la salida de la filtración en serie. Figura 14. Aspecto a la vista del filtro de 0,45 µm después del ensayo MFI en el sistema de filtración en serie. Figura 15. Gráfica del índice de atascamiento MFI para entrada y salida del sistema de filtración. Entrada: MFI 0,45 = 61,6 37,9 s/l 2. Salida: MFI 0,45 = 2,0 1,1 s/l 2 (mañana-tarde) 4. Conclusiones La medida del SDI es una medida práctica para dar una idea aproximada del potencial de ensuciamiento coloidal pero queda muy lejos de poder afinar cuando por motivos de comparación o para explicar diferentes comportamientos, un rango de medidas de entre 2,5 y 5,0 se hace insuficiente para poder ver diferencias apreciables. El índice de atascamiento modificado, MFI, se muestra como una medida más exacta del mecanismo del bloqueo, y por tanto de ensuciamiento, en las membranas debido a los coloides contenidos en el agua. Valores aproximadamente iguales de SDI pueden resultar en aguas distintas en valores de MFI totalmente diferentes. Otros métodos más recientes como el MFI-UF aunque seguramente representarían de manera más exacta el comportamiento de una membrana frente al ensuciamiento por coloides requieren un equipo más sofisticado y una instalación con una cierta dificultad de manejo que en la práctica caería, probablemente, en desuso al poco tiempo de operación de la planta. Las medidas de turbidez y de SDI seguirán usándose dada su sencillez de cálculo aunque deben tenerse en cuenta su interpretación y su verdadero significado. En especial es posible obtener valores realmente bajos de turbidez (inferiores a 0,5 NTU) y en cambio mantener potenciales de ensuciamiento coloidal muy elevados. En lo que respecta al pretratamiento de cualquier planta de ósmosis inversa, el empleo del MFI permite comparar potenciales de ensuciamiento en aguas con SDI inmedibles y conocer la reducción de la concentración coloidal en cada punto del mismo. En definitiva, el MFI, índice de atascamiento modificado se perfila como la mejor aproximación práctica y aplicable, en casos en los que como éste haya necesidad de encontrar una explicación determinada de comportamientos específicos o para encontrar la solución a un diseño que podría no ser el más óptimo para un agua en particular. 5. Agradecimientos Los autores agradecen al Dr. J.C. Schippers sus comentarios sobre el método de cálculo e interpretación de las curvas correspondientes a valores elevados del MFI. 6. Bibliografía 1. American Water Works Association Research Foundation, Lyonnaise des Eaux, Water Research Commission of South Africa (1998). Tratamiento del agua por procesos de membrana. Mc. Graw Hill. Madrid.

8 2. B.S. Parekh (1988). Reverse osmosis technology. Marcel Dekker, Inc. New York and Bassel. 3. M. Mulder (1996). Basic principles of membrane technology. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, The Netherlands. 4. S.F.E. Boerlage, M.D. Kennedy, P.A.C. Bonne, G. Galjaard, J.C. Shippers (1997). Prediction of flux decline in membrane systems due to particulate fouling, Desalination 113, FilmTec - Dow Liquid Separations (2004). FILMTEC Membranes Technical Manual. 6. S.F.E. Boerlage, M.D. Kennedy, M. Aniye, E.M. Abogrean, D.E.Y. El-Holadi, Z.S. Tarawneh, J.C. Shippers (2000). Modified fouling Index-ultrafiltration to compare pre-treatment processes of reverse osmosis feedwater. Proceedings of the Conference on Membranes in Drinking and Industrial Water Production, volume 1, L Aquila, Italy. 7. S.S.Kremen, M. Tanner (1998). Silt density indeces (SDI), percent plugging factor (%PF): their relation to actual foulant deposition, Desalination 119, D. Comstock.(1982). Testing the membrane plugging factor in reverse osmosis. Journal American Water Works Association, vol. 74,nº 9, J.C. Schippers, and J. Verdouw (1980). The modified fouling index, a method of determining the fouling characteristics of water, Desalination, 32, E. Brauns, E.V. Hoof, B.Molenberghs, C. Dotremont, W.Doyen, R. Leysen (2002). A new method of measuring and presenting the membrane fouling potential, Desalination 150, F.E.B.Siobhan, M.D. Kennedy, M.P.Aniye, E.M.Abogrean, G. Galjaard, J.C. Shippers (1998). Monitoring particulate fouling in membrane systems, Desalination 118, A.I. Schäfer, A.G. Fane, T.D. Waite (2005). Nanofiltration: Principles and applications. Elsevier.