IV MUESTRA DE PROYECTOS Y TRABAJOS TÉCNICOS (IV MPTT) Prototipo de unidad para el tratamiento de agua marina vía desalinización por electrodiálisis. DÍAZ, H.; GONZÁLEZ, J.; GUEVARA, J.; JUÁREZ, R.; MONTILLA, G.*; RIVERA, J.; TORRES, I.; VICTORIA, T. Dirección para correspondencia: viane_g@hotmail.com Resumen Desalinización o desalación es un proceso destinado a eliminar el componente salino del agua del mar o del agua continental salobre con el objetivo de obtener agua potable. Los métodos de reducción de la salinidad del agua se clasifican en función de las fases acuosas involucradas. Por ejemplo, cuando ocurren cambios de fases los métodos son tres (3): congelación, cuando se pasa por una fase sólida, destilación clásica (por compresión de gases o multiflash ) y condensación. Por otro lado, si no existen cambios de fases y el agua a tratar se conserva en su estado líquido, los procedimientos utilizados son la ósmosis inversa y la electrodiálisis. El objetivo del presente trabajo es elaborar, un prototipo a escala de laboratorio, de una unidad para el tratamiento de agua marina por medio de la electrodiálisis. La unidad consiste en una celda construida de material acrílico de 28X28X20 cm con electrodos de níquel (5% pureza comercial) de 0.2 cm de diámetro y 30.5 cm de longitud y se utilizaron como membranas intercambiadoras iónicas, mallas con sustrato a base de arcillominerales En los ensayos preliminares de desalinización se utilizó una diferencia de potencial de 20 voltios y un tiempo de tratamiento de 90 minutos, para tratar 9 L de agua marina del litoral Pacífico veragüense. Descriptores: Celda electroquímica, desalinización, electrodiálisis, ósmosis inversa, tratamiento de agua del mar. Abstract Prototype of unit for the marine water treatment via desalination by electrodyalisis. Desalination or desalination is a process destined to eliminate the saline component of the water of the sea or the brackish continental water with the objective to obtain potable water. The methods of reduction of the salinity of the water are classified based on the involved watery phases. For example, when the methods happen changes of phases are three (3): freezing, when one goes through a solid phase, classic distillation (by compression of gases or "multiflash") and condensation. On the other hand, if changes of phases do not exist and the water to treat is conserved in its liquid state, the used procedures are the inverse osmosis and the electrodyalisis. The objective of the present work is to elaborate, a prototype on scale of laboratory, a unit for the marine water treatment by means of the electrodyalisis. The unit consists of a constructed cell of acrylic material of 28X28X20 cm with nickel electrodes (5% commercial purity) of 0,2 cm of diameter and 30,5 cm in length and were used like ionic interchanging membranes, meshes with substrate with clays minerals In the preliminary tests of desalination was used a difference of potential of 20 volts and a time of treatment of ±90 minutes, to deal with 9 L marine water of veragüense the Pacific coast. Key words: Desalinization, electrochemical cell, electrodyalisis, inverse osmosis, sea water treatment. Centro Regional de Veraguas, San Antonio, 23 al 25/11/2005
Introducción La escasez de agua dulce en muchas regiones de nuestro planeta, aunado a una industrialización masiva y al desarrollo de los países, requiere de mayores cantidades de este recurso natural. En lo que respecta al tercer mundo, el consumo promedio de agua es de 50 L*h- 1*d-1, mientras que en las naciones industrializadas sobrepasa los 500 L por día (estos datos comprenden todos los usos). La cantidad absolutamente indispensable para el mantenimiento de la vida de un adulto normal varía de 7 a 15 L, según la temperatura y el tipo de actividad que realice. En clima templado, la cantidad de agua que el hombre necesita diariamente se calcula en 2 L (Chamizo & Garritz, 1995). Para subsanar este problema, diversas tecnologías de tratamiento se han propuesto en muchos lugares, mientras que otras recurren a otras vías y tecnologías distintas de las que en otros lugares se han considerado como convencionales. La desalación de aguas salobres continentales y de aguas oceánicas, se está tornando en un procedimiento ampliamente difundido y utilizado en regiones necesitadas de agua dulce. Definida como la eliminación de sales del agua de mar, salmuera o agua salobre de modo que sirva para consumo humano. En términos comerciales, las plantas desaladoras aparecieron durante la década de los años 60; a partir de entonces se empezaron a instalar varias unidades en diferentes partes del contexto mundial, cuyas capacidades de producción alcanzan los 8000 m 3 por día. Sin embargo, una gran limitante es el costo de la energía, la cual aumenta de forma significativa en todos los países, por lo que existe una presión sobre aquellos países que no cuentan con los recursos energéticos necesarios. A partir de la década de los 90, esas limitantes se ven superados con el desarrollo de nuevas tecnologías, como es el caso de las membranas, y la consiguiente reducción de los costos de producción de agua salada. De los varios procesos que la literatura técnica reporta y que se pueden aplicar para la desalación del agua, la utilización de un determinado proceso, dependerá, principalmente, de las características físicoquímicas del agua a tratar, de la energía disponible y de los costos operacionales del proceso Los procesos de desalación, los cuales pueden variar desde la simple evaporación y posterior condensación, hasta los procesos de osmosis inversa y electrodiálisis, se agrupan como se presenta en el cuadro a continuación: Cuadro Nº1 Principales procesos de desalación con sus características fundamentales. Categoría Características Ejemplos Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 El agua, en su tratamiento, pasa por una fase gaseosa como es la evaporación y puede llevarse a cabo por procedimientos de: El agua pasa por una fase sólida. El agua en su tratamiento permanece en estado líquido, son los procesos con membranas. Procesos varios. Evaporación solar Comprensión mecánica de vapor Térmico de doble o múltiple efecto Térmico por evaporación súbita en múltiple etapa ( multiflash ) Congelación Formación de hidratos Osmosis Inversa Electrodiálisis Intercambio iónico Extracción con disolvente Absorción La primera instalación para electrodiálisis data de 1960. El proceso consiste, como se muestra en la fig. 1, de dos electrodos con cargas diferentes, separados por una serie de cámaras en las cuales se encuentran membranas aniónicas (es decir, son permeables únicamente a los aniones; por ejemplo, Cl -1, S0 4-2, etc.). Cuando no hay paso de corriente mediante los electrodos, cada compartimiento está
lleno de agua salada. Al aplicarse la corriente eléctrica, los iones migran hacia el electrodo de polaridad opuesta, pasando por la membrana catiónica. El Na +1, el Ca +2 y el Mg +2 se mueven hacia el electrodo negativo y se detienen al llegar a la membrana aniónica; lo mismo sucede con los aniones: migran a través de la membrana aniónica y son detenidos por la catiónica. Después de cierto tiempo se tienen compartimientos alternadamente llenos de salmuera y de agua dulce (Chamizo & Garritz, 1995). pacífico veragüense y en los ensayos se utilizaron 9 L. Membranas iónicas: las dos membranas de separación utilizadas en los ensayos, fueron construidas por medio de la utilización de una malla metálica con revestimiento de tejido natural, la cual sirvió de soporte para la colocación de aproximadamente 0.5 Kg de arcillo mineral. Ensayos: en los ensayos preliminares de desalinización se utilizaron dos electrodos de níquel de 0.2 cm de diámetro y 30.5 cm longitud una diferencia de potencial de 20 Voltios y un tiempo de tratamiento de ± 90 minutos. El control del voltaje se realizó por medio de un multímetro digital portátil marca Fluke. Caracterización de las muestras: las muestras acuosas fueron caracterizadas en términos de sus propiedades (ph, conductividad, turbidez, oxígeno disuelto, temperatura y salinidad), por medio de la utilización de equipo portátil de análisis de agua Horiba U-10. Figura Nº 1. Esquematización del proceso de electrodiálisis Antes de someter el agua al proceso de desalación, normalmente se requiere de una etapa de pre-tratamiento, las cuales pueden ser: desinfección, precipitación, filtración, descarbonatación, y desincrustación, entre otros. La etapa de pre-tratamiento tiene como objetivo eliminar sólidos disueltos y en suspensión, ya que la presencia de los mismos dificultaría y encarecería el costo del proceso de desalación propiamente dicho. Adicionalmente, también se requiere una fase de post-tratamiento que incluye principalmente una remineralización, ajuste del ph y desinfección. Materiales y métodos Construcción de celda: Una celda con dimensiones de 28X28X20 cm (fig. 2) y utilizada en los ensayos de electrodiálisis, fue construida por medio de la utilización de una lámina de acrílico de 0.48 cm de espesor. Muestra de agua: las muestras de aguas oceánicas fueron obtenidas del litoral Figura Nº 2. Disposición y montaje de elementos para los ensayos de desalinización Eficiencia del proceso: la eficiencia del proceso de electrodiálisis fue determinada por medio de la utilización de la ecuación 1: P1 P2 E = *100 (1) P 1 Donde: E = Eficiencia, % P 1 = Valor del parámetro inicial P 2 = Valor del parámetro final Resultados y Discusión Dentro del marco de sustentación del tema en estudio, se hizo necesario realizar
algunas pruebas cuyos resultados se desglosarán a continuación. Como se observa en la tabla de la página a continuación, se presenta la comparación de los diferentes valores de los parámetros característicos del agua marina cuyos datos fueron obtenidos a diferentes intervalos de tiempo. Por ejemplo, en términos de la cantidad de oxígeno disuelto, el agua marina presentó un contenido inicial de 3.11 mg*l -1, mientras que el agua, después de ser tratada por medio de la electrodiálisis, su contenido promedio de oxígeno disuelto fue de 1.48 mg*l -1, considerando las tres cámara de reacción, lo cual representó una variación en este parámetro en torno al 52 %. Tabla Nº 1 Principales resultados obtenidos en los ensayos de desalinización del agua marina del litoral pacífico veragüense. Diferencia de potencial 20 Voltios tiempo de tratamiento ± 90min. Propiedades Agua marina Agua Ensayo Natural Filtrada potable Cámara 1 Cámara 2 Cámara 3 ph 7.83 8.27 8.15 8.38 7.05 6.39 Conductividad (ms*cm -1 ) 26.5 22.8 0.71 22.4 22.2 22.4 Turbidez (NTU) 20 15 10 12 11 12 Oxígeno disuelto (mg*l -1 ) 3.11 2.09 1.09 1.58 1.32 1.56 Temperatura (ºC) 26 24.4 25.9 24.7 25.3 25 Salinidad (%) 1.64 1.60 0 1.35 1.34 1.35 Al analizar las muestras se pudo determinar que la salinidad del agua presentó variaciones no tan significativas. Esta particularidad se la podemos atribuir al hecho de que en las cámaras de separación se concentraron iones compatibles con el electrodo receptor, situación que presentamos esquemáticamente en la figura 3. Figura Nº 3. Esquema de la separación iónica (Na, Cl). Así tenemos que en la cámara 3, que contenía el ánodo (+) de la celda galvánica, se observó la formación de un líquido de color verduzco (ver figura 3), y en la parte de la base de la cámara, justo por debajo del electrodo, se observó la formación de pequeños cristales de sales, probablemente cloruro de níquel, ya que al momento de retirar el electrodo, éste se presentó completamente corroído. Figura Nº 3. Fotografía de las cámaras de reacción indicando los resultados obtenidos, en términos de coloración. En términos del ph de las muestras de agua en las diferentes cámaras de la celda galvánica después del ensayo realizado indican que en efecto se dieron variaciones significativas de concentraciones iónicas. Por ejemplo, en la cámara 1, cátodo (-), se dieron concentraciones de cationes, los cuales normalmente forman bases, en contra parte, ya en la cámara 3, ánodo (+), ocurrieron concentraciones de aniones, formadores de ácidos, con ph menores que 7. Una situación particular, ocurrió en la cámara central (2), en donde el ph de la muestra se mantuvo prácticamente neutro, Por lo anterior recomendamos que este proyecto sea una antesala para futuros trabajos de investigación. Conclusiones Al terminar este trabajo concluimos que: De las diversas clasificaciones de los métodos existentes para el tratamiento del agua de mar, los procesos que emplean membranas selectivas son los más eficientes, específicamente el método de desalinización por electrodiálisis; aunque es
el proceso económicamente más costoso, la recuperación en cuanto al volumen de agua obtenida es mayor, además presenta un menor consumo energético y mayor durabilidad de las membranas. La electrodiálisis se torna una técnica viable para la desalinización del agua del mar, no obstante otros estudios deberán realizarse; especialmente tendientes a abaratar costos. Agradecimientos Expresamos nuestro más sincero agradecimiento al Dr. Alexis Tejedor por brindarnos su asesoría, amistad y confianza y al Lic. Jesús Alberto Mendoza, por las sugerencias que hicieron posible la culminación de este proyecto. Referencias Bibliográficas Chamizo, A.; Garritz, A. et al (1995). La Hidrosfera-Desalinización del Agua de Mar, Química Terrestre, México, ISBN 968-16-3439-X n.2. Disponible en línea en: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/cienc ia/volumen2/ciencia3/097/htm/sec_10.ht m. Accesado: 17 de junio de 2005. González, F. (2001) Evolución global de la capacidad instaladoras de plantas desaladoras. AEDyR Asociación Española de Desalación y Reutilización. Madrid, n.1. Disponible en línea en: http://www.abcm.org.br/journal/index.sht ml. Accesado: 27 de junio de 2005. Lenntech. Sistemas de Membranas. Tecnología de Membranas. Disponible en:http://www.lenntech.com/espanol/.htm. Accesado: 21 de julio de 2005. MMS Ibérica. Tipos, Compuestos y Configuraciones de Membranas Ingeniería y sistemas de filtración por membranas. Disponible en: http://www.mmsiberica.com/membranas. htm. Accesado: 20 de julio 2005. Water desalination http://www.twdb.state.tx.us/publications/r eports/groundwaterreports/gwreports/ R360AEPC/Ch15.pdf La desalación y sus costos http://www.portalbesana.es/documentos/ documentacion/congreshorticmedit/desal acion.pd