ES2199370T3

ES2199370T3 - Metodo y aparato para una operacion de osmosis inversa de alta eficacia.

Info

Publication number: ES2199370T3
Application number: ES97937229T
Authority: ES
Inventors: Debasish Mukhopadhyay
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: ATE239540T1; HK1023300A1; JP3321179B2; IL128457A; TR199900307T2; EP0946268B1; TW404847B; CA2264619A1; EP0946268A1; WO1998006483A1; KR20000029977A; JP2000511109A; KR100481801B1; CA2264619C; CN1236330A; AU742082B2; IL128457A0; CN1151862C; SA99200008A; EP0946268A4

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE TRATAMIENTO DEL AGUA POR SEPARACION POR MEMBRANA DESTINADO A SUPRIMIR LA DUREZA Y LA ALCANILIDAD NO HIDROXIDA POR UNA RETIRADA SIMULTANEA DE UNA RESINA DE INTERCAMBIO DE CATIONES CON BAJA ACIDEZ. EL PROCEDIMIENTO COMPRENDE UNA IONIZACION DE COMPONENTES MODERADAMENTE IONIZABLES, DEL SILICIO POR EJEMPLO, MEDIANTE EL INCREMENTO DEL PH HASTA APROXIMADAMENTE 10,5. POR ESTE HECHO, LA SEPARACION POR MEMBRANA SE VE CONSIDERABLEMENTE MEJORADA. EL PASO DEL BORO, SILICIO Y TOC DISMINUYE EN UN FACTOR 10 O MAS. SE HACE POSIBLE UNA RECUPERACION AL 90%, SI NO ES MAS, POR EL USO DE UN SISTEMA DE ALIMENTACION CON AGUA FUERTEMENTE SALINIZADA MIENTRAS QUE SE CONSIGUE SIMULTANEAMENTE UNA IMPORTANTE DISMINUCION DE LA FRECUENCIA DE LAVADO. EL APARATO UTILIZADO POR ESTE PROCEDIMIENTO DE TRATAMIENTO DEL AGUA HACE INTERVENIR UNA O VARIAS MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA (30), UN INTERCAMBIADOR DE IONES CON LECHO MEZCLADO (44, 46), UN FILTRO MICRONICO (48), UN ESTERILIZADOR DE ULTRAVIOLETAS (49), UNOS APARATOS DE DECARBONACION (20) Y UN EQUIPO DE ELECTRODEMINERALIZACION.

Description

Método y aparato para una operación de ósmosis inversa de alta eficacia.

Campo técnico

Mi invención se refiere a un método para el tratamiento de agua en sistemas de tratamiento de agua basados en membrana, de purificación y de concentración, y a un aparato para realizar el método. En una realización, mi invención se refiere a métodos para el pretratamiento de aguas de alimentación y para el funcionamiento de un equipo de ósmosis inversa (``RO''), que consiguen un mayor rechazo de solutos, produciendo de esta manera un producto de agua con una pureza muy alta (de bajo contenido de solutos), aumentando al mismo tiempo significativamente la disponibilidad en operación del equipo de tratamiento de agua.

Antecedentes

Sigue existiendo la demanda de un proceso sencillo, eficaz y barato que pueda proporcionar de forma fiable agua de una pureza deseada, en un equipo que requiera un mínimo de mantenimiento. En particular, sería deseable mejorar la eficacia del uso del agua de alimentación, y reducir tanto los costes de funcionamiento como los costes de capital para los sistemas de agua de alta pureza, como se requiere en las operaciones de diversas industrias tales como semiconductores, agentes farmacéuticos, biotecnología, plantas de producción de energía eléctrica por vapor y plantas de energía nuclear.

En la mayoría de los sistemas de tratamiento de agua para las industrias mencionadas anteriormente, el diseño de la planta y los parámetros de operación generalmente se vinculan a concentraciones finales (normalmente expresadas como sólidos disueltos totales o ``TDS'') que son tolerables en el equipo seleccionado con respecto a los límites de solubilidad de las especies poco solubles presentes. En particular, la sílice, el sulfato cálcico y el sulfato de bario a menudo limitan las concentraciones finales conseguibles. En muchos casos, incluyendo muchas plantas de energía nuclear y muchas operaciones de plantas de agua ultrapura, el boro u otros compuestos de anfólitos que actúan de forma similar, tienen un rechazo relativamente bajo a través de las membranas de los sistemas de RO que funcionan de forma convencional, y pueden imponer limitaciones de diseño o de operación. Más comúnmente, la presencia de tales compuestos produce un producto de agua de ósmosis inversa suficientemente deficiente, conocido como infiltrado, que requiere un tratamiento posterior de RO adicional para producir un agua aceptablemente pura. En cualquier caso, para evitar la formación de incrustaciones y las reducciones resultantes del rendimiento de la membrana, así como los posibles efectos perjudiciales sobre la vida de la membrana, el diseño y la operación de una planta de tratamiento de agua basado en membranas deben tener en cuenta la posibilidad de la formación de incrustaciones de sílice y de otros tipos, y deben limitar las velocidades de recuperación de agua y las prácticas de operación de acuerdo con esto. De hecho, la experiencia en las plantas típicas de RO ha demostrado que las reducciones en los caudales de infiltrado, el deterioro de la calidad del infiltrado, o el aumento de la caída de presión a través de la membrana, requieren una limpieza química de la membrana a intervalos regulares. Tal limpieza se ha requerido históricamente debido a la acumulación de incrustaciones en la membrana, a la acumulación de incrustaciones de partículas biológicas, o bioincrustaciones, o alguna combinación de las mismas. Debido al coste, a la inconveniencia y a las pérdidas de producción resultantes de tales ciclos de limpieza de membrana, sería ventajoso prolongar el tiempo entre los procesos de limpieza química requeridos tanto como sea posible, pero consiguiendo al mismo tiempo un rechazo eficaz de las especies iónicas indeseables y la producción fiable de un infiltrado de alta pureza.

Desde la introducción y la adopción casi universal de membranas compuestas de película fina desde mediados hasta finales de los años 80, las mejoras en la tecnología RO han sido de naturaleza evolutiva. La presión de operación necesaria para conseguir el rechazo y el flujo deseados (velocidad de producción de infiltrado por unidad de área de superficie de membrana, comúnmente expresada como galones por pie cuadrado de membrana al día, o litros por metro cuadrado al día) se ha reducido lentamente, mientras que el rechazo medio de la membrana compuesta de película fina ha mejorado de forma creciente.

Históricamente, los sistemas de RO de aguas salobres han estado limitados en sus velocidades de recuperación y flujo permisibles por las tendencias a la formación de incrustaciones y bioincrustaciones del agua de alimentación. Sería deseable reducir las tendencias a las incrustaciones y a las bioincrustaciones del agua de alimentación salobre hasta el punto en el que los límites de recuperación se dictaran por la presión osmótica, y en el que las velocidades de flujo pudieran aumentarse substancialmente, en comparación con los límites de los sistemas de RO de aguas salobres convencionales.

Desde el punto de vista típico de un usuario final, aún se están buscando varias áreas de mejora en la tecnología de RO - siendo una de ellas la tolerancia al cloro. Las membranas compuestas de película fina, al menos parcialmente debido a su carga superficial y a sus características, son relativamente propensas a las incrustaciones biológicas y de partículas. Con ciertas aguas de alimentación, particularmente de fuentes de agua superficiales, las bioincrustaciones de la membrana y la frecuente limpieza requerida para combatir las bioincrustaciones pueden presentar algunos problemas de operación arduos, costosos y que requieren tiempo.

Se sabe que el rechazo de especies débilmente ionizadas, tales como el carbono orgánico total (``TOC''), la sílice, el boro y similares, es significativamente menor que los rechazos de especies fuertemente ionizadas tales como sodio, cloruro, etc. Como la eficacia del intercambio de iones después de la RO se determina en gran medida por el nivel de aniones débiles presentes en el infiltrado de RO, sería ventajoso retirar (rechazar) tantos aniones como sea posible en la operación de la unidad de RO. En otras palabras, al retirar (rechazar) más sílice (y boro) en la etapa de RO, se puede conseguir un mayor rendimiento en la operación de la unidad de intercambio iónico que sigue a la unidad de RO.

Con la excepción de un proceso de RO descrito en la Patente de Estados Unidos Nº 4.574.049, expedida el 4 de marzo de 1986 a Pittner para un SISTEMA DE ÓSMOSIS INVERSA, que revela un diseño de sistema de RO de doble paso (producto en fases), el dióxido de carbono típicamente representa la mayor fracción de la carga de aniones en el infiltrado de RO. Sin embargo, una configuración de RO de múltiples pasos proporciona muy pocas ventajas en las condiciones de operación del sistema de RO convencional, ya que el contenido de dióxido de carbono del infiltrado permanece al mismo nivel (absoluto) y representa una fracción incluso mayor de la carga de anión. Por lo tanto, el alto rechazo de aniones débiles en un sistema de RO de un solo paso se considera otro área en el que aún se está buscando una mejora significativa.

Además de aumentar el rechazo de las especies débilmente ionizadas, también se desea un mayor rechazo de las especies fuertemente ionizadas.

La velocidad de recuperación, o la eficacia volumétrica, es otro parámetro en el que serían ventajosas mejoras en el rendimiento del sistema de RO. Un sistema de RO típico funciona a una recuperación de aproximadamente un 75 por ciento, donde sólo un 75 por ciento de la alimentación de entrada a la unidad de RO se usa de forma beneficiosa, y el resto (25 por ciento) se descarga. Al convertirse el agua en un bien escaso y más costoso en todo el mundo, es un objetivo importante aumentar la velocidad de recuperación máxima conseguible en un sistema de RO.

El aumento del flujo de operación es siempre importante para los usuarios finales, ya que el aumento del flujo reduce los costes de capital.

Los usuarios finales también buscan la simplificación y la reducción del coste para las operaciones de la unidad después de la RO. Esto se debe a que los niveles permisibles de impurezas en el agua ultrapura se han reducido continuamente con las normas de diseño siempre rigurosas en la geometría de los dispositivos semiconductores. De esta manera, se requiere un menor nivel de contaminantes en el sistema de agua ultrapura. Como resultado, el coste y la complejidad de los componentes del sistema posterior a la RO han aumentado dramáticamente en los últimos años.

Los procedimientos de procesamiento de agua de alta pureza y el hardware requerido para realizarlos son complejos y caros. De hecho, el sistema de intercambio de iones de lecho mixto regenerable representa, con mucho, la operación/proceso de una sola unidad más caro (y complicado) de todo el sistema de tratamiento de agua ultrapura. De esta manera, una mejora significativa en las características del agua tratada por RO reduciría apreciablemente el coste y la complejidad del sistema global de agua ultrapura.

Soy conocedor de los diversos intentos, unos en aplicaciones de tratamiento de agua de alta pureza y otros en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales, en los que se ha hecho un esfuerzo para mejorar la eficacia del rechazo de ciertos iones que son poco solubles en solución acuosa a pH neutro o casi neutro. Tales intentos se caracterizan principalmente por la eliminación de la dureza convencional y después la elevación del pH por la adición de agentes químicos. Uno de tales métodos se muestra en la Patente de Estados Unidos Nº 5.250.185, expedida el 5 de octubre de 1993 a Tao, et al., para REDUCIR LAS CONCENTRACIONES DE BORO EN AGUA CON MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA QUE FUNCIONAN A ALTO PH. En una realización preferida, su invención proporciona el uso de un reblandecedor de aguas duras de zeolita convencional seguido de un intercambiador de cationes de ácido débil que funciona en forma sódica para retirar cationes divalentes. Debido tanto a las limitaciones del equipo como a las consideraciones de diseño del proceso, sus etapas de pretratamiento van seguidas de la etapa algo costosa y por lo demás indeseable de administrar al agua de alimentación un inhibidor de las incrustaciones para prevenir adicionalmente la formación de incrustaciones que aumentan la dureza. Además, aunque este método proporciona una etapa simultánea de eliminación de dureza y alcalinidad, lo cual es beneficioso en muchos tipos de aplicaciones que son interesantes para mí, su método no proporciona una alta eficacia en esa etapa de eliminación, como se demuestra por el hecho de que se requieren dos etapas de reblandecimiento adicionales corriente abajo en su proceso. Además, su solicitud se refiere, y se describe y reivindica con respecto a aguas producidas en campos petrolíferos que contienen compuestos de hidrocarburo (que contienen sólo carbono e hidrógeno, y generalmente no ionizables), mientras que en las aplicaciones que son de interés para mí, tales compuestos están casi totalmente ausentes. En las aplicaciones de interés principal para mí, están presentes varios ácidos orgánicos naturales tales como ácidos húmicos y fúlvicos, particularmente en aguas superficiales presentadas para el tratamiento.

Además, en el documento japonés KOKAI Nº Sho 58-112890, publicado el 29 de junio de 1984 por Yokoyama, et al., para un MÉTODO DE DESALINACIÓN CON UNA UNIDAD DE MEMBRANA DE ÓSMOSIS INVERSA, se describe un método usado en aplicaciones de agua de alta pureza. Sus ejemplos muestran unidades de ósmosis inversa que utilizan un proceso de pretratamiento de una resina de intercambio catiónico de ácido fuerte (``SAC'') para el reblandecimiento en un ejemplo y sin reblandecimiento en el otro ejemplo. Aunque su proceso funcionará para ciertas aguas de alimentación, no enseña cómo puede emplearse la operación a mayores niveles de pH mientras se evitan las incrustaciones de las membranas de RO.

Para entender mejor mi proceso; es útil entender algunos principios químicos básicos del agua. Con respecto al carbonato cálcico (CaCO_{3}), por ejemplo, la probabilidad de que se produzca una precipitación en una membrana de RO en la zona de rechazo final puede predecirse por el uso del índice de la Langelier, algunas veces conocido como índice de saturación de Langelier (LSI). Véase el Nalco Water Handbook, copyright 1979, de McGrawn-Hill. Este índice generalmente se formula como se indica a continuación:

LSI = pH_{rechazo} - pH_{S}

donde pH_{S} = el pH a la saturación de CaCO_{3} (rechazo)

y pH_{S} = pCa + pAlk + C

y donde:

pCa = -log de concentración de iones de Ca^{++} (moles/litro)

pAlk = -log de la concentración de iones de HCO_{3}^{-} (moles/litro)

C = una constante basada en la intensidad iónica total y la temperatura de rechazo de RO.

En un agua de rechazo de RO dada, para evitar las incrustaciones de carbonato, lo más preferible es mantener el LSI negativo, es decir, en un estado tal que se disuelva el CaCO_{3}. Sin embargo, en el campo, se ha descubierto que en ciertas condiciones, con el uso de ciertos tipos de aditivos antiincrustantes, puede tolerarse un LSI de hasta aproximadamente +1,5, sin que se produzca la formación de incrustaciones de CaCO_{3}. En cualquier caso, al pH de cualquier rechazo de RO dado, los valores de pH deben minimizarse para evitar la formación de incrustaciones indeseables. Para poner esto en perspectiva, debe considerarse que en cualquier operación de pretratamiento de RO, puede preverse que siempre habrá al menos alguna salida de calcio de la etapa de reblandecimiento. De esta forma, dependiendo de la dureza del agua de alimentación de partida y del esquema del proceso de pretratamiento puesto en práctica, puede preverse un límite inferior del valor conseguible del término pCa, debido a la concentración del ión Ca^{++} presente en el agua de alimentación de RO tratada. Además, en todos los casos, el valor de C se fija por la intensidad iónica total y por la temperatura. De esta manera, para mantener el LSI en un intervalo aceptable -para proporcionar una operación de RO sin incrustaciones- la salida de calcio (así como otros iones de dureza tales como magnesio) se convierte en un factor crítico. La patente de TAO et al., identificada anteriormente, enfoca este problema proporcionando diversos tipos de reblandecedores en serie. Específicamente, él simplemente acepta los costes de capital y de operación inevitablemente altos asociados con este proceso. Yokoyama, por otra parte, evidentemente decidió limitar la operación de RO a un pH que fuera coherente con el grado de eliminación de calcio. Cuando funciona con el rechazo de RO a un pH de 9, asumiendo una salida de 0,1 ppm de Ca^{++} del tren de intercambio iónico descrito, y un factor de concentración de 5 (``5X'') en la RO, es de esperar que su operación de RO proporcione un rechazo de RO con un LSI de aproximadamente -0,5. Ese LSI es aceptable para la operación sin incrustaciones, con o sin inhibidores de las incrustaciones. Sin embargo, si el pH en el ejemplo de Yokoyama se aumentara a 11, por ejemplo, dado el mismo método de pretratamiento, podría esperarse un LSI de aproximadamente +2,4. En tal caso, el índice de saturación de Langelier del agua de rechazo estaría muy por encima del nivel en el que los antiincrustantes actuales tienen la capacidad de proporcionar una operación de RO sin incrustaciones.

De esta manera, en su mayor parte, los métodos de la técnica anterior que conozco tienen uno o más de los siguientes inconvenientes: (a) no consiguen de forma fiable los niveles de dureza y de alcalinidad no asociada a hidróxido extremadamente bajos necesarios para una operación esencialmente sin incrustaciones a niveles de pH muy altos; (b) se basan en un equipo redundante y caro, con costes de operación asociados, para minimizar la salida de dureza, (c) dependen principalmente de la reducción de la dureza para reducir el LSI del rechazo de RO (y no incluyen disposiciones para una desalcalinización de alta eficacia), y (d) se basan en aditivos contra las incrustaciones para prevenir la formación de incrustaciones. De esta manera, las ventajas de mi proceso de tratamiento sencillo que explota (a) la eliminación de dureza a niveles residuales muy bajos, y (b) una desalcalinización eficaz, para permitir una operación de RO sin problemas durante un largo período a altos niveles de pH, son importantes y evidentes.

Además, a causa de los límites del factor de concentración superiores debido a la tendencia a la formación de incrustaciones, los sistemas de RO a menudo no pueden usar aproximadamente un veinticinco por ciento (25%) o más del agua de alimentación de partida. Además, a niveles de recuperación mayores de aproximadamente un setenta y cinco por ciento (75%) o algo inferiores, dependiendo de la química del agua de partida, el control de las incrustaciones químicas y de las incrustaciones biológicas en los sistemas de RO convencionales se vuelve casi imposible cuando se intentan conseguir tiempos de proceso largos. Por lo tanto, no se ha conseguido el uso comercial generalizado de sistemas de RO con una recuperación de agua superior a aproximadamente un setenta y cinco por ciento (75%).

Como el agua cada vez es más caro, o su suministro está restringido, o ambas cosas, sería deseable aumentar la relación entre el agua producida tratada y la alimentación de agua de partida en los sistemas de RO. Por lo tanto, puede apreciarse que sería deseable conseguir menores costes del tratamiento de agua permitiendo un tratamiento del agua con mayores porcentajes de recuperación globales que los que se pueden conseguir comúnmente hoy en día. Finalmente, claramente sería deseable satisfacer tales objetivos del tratamiento de agua cada vez más difíciles con una mejor disponibilidad del sistema y tiempos de procesamiento mayores de los que se pueden conseguir actualmente.

Que yo sepa, hasta ahora no se ha considerado factible hacer funcionar un sistema de tratamiento de agua basado en ósmosis inversa a un pH mayor que aproximadamente 9, en operaciones a largo plazo continuas y sostenibles para producir un producto de agua tratada muy purificada. La estrategia industrial convencional ha sido controlar o luchar contra la formación de incrustaciones, mediante el uso de un pH moderado, limitando la concentración final y la recuperación de agua resultante, por medio del uso de aditivos químicos. Históricamente, el funcionamiento de las membranas de acetato de celulosa estaba limitado a un intervalo de pH de aproximadamente 4 a 7. Las membranas de tipo compuesto de película fina y poliamida más nuevas, tradicionalmente han funcionado en el intervalo de pH de aproximadamente 4 a aproximadamente 8. Aunque ocasionalmente se ha intentado una operación a un pH superior para algunos fines especiales, normalmente ha sido en aplicaciones no relacionadas con la sílice. Y, aunque se ha utilizado una operación a valores de pH superiores en aplicaciones de RO de segundo paso donde estaba implicada la sílice, que yo sepa, sólo se ha realizado después de una operación de RO de primer paso con un pH de operación neutro o casi neutro. En los casos en los que son especialmente preocupantes los compuestos orgánicos, el pH a menudo puede tener valores por debajo de 5 y, preferiblemente, por debajo de 4.

A diferencia de los métodos de la técnica anterior para el tratamiento de agua, el método enseñado en este documento usa la filosofía de diseño esencial de eliminar prácticamente todo el fenómeno de aparición de incrustaciones durante la operación de primer paso al máximo pH posible usando las membranas disponibles, manteniendo al mismo tiempo el factor de concentración deseado, y aprovechando la recuperación de agua que se obtiene.

Sumario

Ahora he inventado un nuevo método de tratamiento de agua basado en la eliminación agresiva de la dureza y la alcalinidad, seguido de la separación por membrana a alto pH, para producir un infiltrado de alta calidad con una concentración de sílice extremadamente baja.

En un solo proceso de tratamiento de agua de alimentación, se tratan aguas de alimentación de una composición química adecuada con una resina de intercambio catiónico de ácido débil, que funciona en forma de hidrógeno, para eliminar simultáneamente la dureza y la alcalinidad. Las resinas de intercambio catiónico de ácido débil puede hacerse funcionar a unos niveles de dureza y alcalinidad del agua de alimentación de partida entrante muy por encima de los que provocarían el fallo de los sistemas de intercambio iónico convencionales debido a la saturación de la dureza.

El diseño del tren de tratamiento preferido usado en mi planta de tratamiento de agua residual soluciona varios problemas importantes y serios. En primer lugar, la baja dureza, junto con la práctica eliminación de la alcalinidad no relacionada con hidróxido, elimina substancialmente la precipitación de compuestos que forman incrustaciones asociada con los aniones sulfato, carbonato o silicato. De esta forma, se minimizan los requisitos de limpieza. Esto es importante desde el punto de vista comercial porque permite que una planta de tratamiento de agua evite pérdidas de producción de agua que, de otra forma, requeriría de forma indeseable un aumento del tamaño de la planta de tratamiento para acomodar la producción perdida durante los ciclos de limpieza. En segundo lugar, las condiciones de operación de alto pH preferidas permiten conseguir un alto grado de ionización en diversas especies que están poco ionizadas a un pH neutro o casi neutro en solución acuosa, para permitir que tales especies se rechacen preferentemente por el sistema de membrana. Finalmente, la operación a alto pH proporciona protección contra la contaminación biológica, impidiendo de esta manera la contaminación indeseable del agua producida. Al alto pH de operación preferido, se destruyen eficazmente las bacterias y las endotoxinas. Esencialmente, los sistemas de tratamiento de agua que funcionan de acuerdo con las enseñanzas de este documento normalmente funcionan en condiciones que normalmente podrían considerarse condiciones de limpieza para sistemas de RO convencionales.

Ahora he desarrollado un nuevo diseño de proceso para uso en el tratamiento del agua. Mi invención se define en su forma más general por el alcance de las reivindicaciones 1 (proceso) y 44 (aparato) adjuntas. En una realización, el proceso implica el tratamiento de una corriente de agua de alimentación que se caracteriza por la presencia de (i) dureza, (ii) alcalinidad y (iii) especies moleculares que están poco ionizadas cuando están en soluciones acuosas con un pH neutro o casi neutro, para producir una corriente de producto que contiene un bajo nivel de solutos y una corriente de rechazo que contiene un alto nivel de solutos. El proceso implica la eliminación eficaz de la tendencia del agua de alimentación de partida de formar incrustaciones cuando el agua de alimentación de partida se concentra en un factor de concentración deseado a un pH seleccionado, realizando, en cualquier orden, uno o más de los siguientes procesos (i) la eliminación de la dureza de la corriente de agua de alimentación de partida, (ii) la eliminación de la alcalinidad de la corriente de agua de alimentación de partida, o (iii) la eliminación de los gases disueltos creados durante la etapa de eliminación de la dureza. Después, el pH del agua de alimentación se eleva a un pH seleccionado de al menos aproximadamente 8,5, o hasta 9,0, o hasta aproximadamente 10, o preferiblemente (con membranas de tipo compuesto de película fina disponibles actualmente) a un intervalo comprendido entre 10 y 11 o, de otra forma, superior a 11, y más preferiblemente hasta aproximadamente 12 o algo mayor, hasta que los efectos beneficiosos obtenidos por los altos porcentajes de rechazo de sílice y de otras especies se compensen por el coste adicional. Con las membranas compuestas de película fina disponibles actualmente, el control del pH a un valor de hasta aproximadamente 10,5 proporciona la mayoría de los efectos beneficiosos de este método sin comprometer la vida de la membrana a largo plazo. El aumento del pH se consigue añadiendo una base seleccionada a la corriente de alimentación reblandecida y desalcalinizada, preferiblemente por inyección directa o, como alternativa, por el uso de intercambio aniónico. El aumento de pH promueve la ionización de las especies moleculares que están poco ionizadas cuando están en un pH neutro o casi neutro. Un concepto alternativo es que se aumentan las substancias protonables, es decir, aceptoras de protones, o bases. El agua de alimentación con el pH ajustado después se envía a través de un equipo de separación de membrana, típicamente del tipo de ósmosis inversa, pero como alternativa del tipo de nanofiltración u otro tipo o configuración adecuada que esté disponible de otra forma, o que pueda estar disponible en el futuro, y en el que pueda ponerse en práctica el presente método, para producir una corriente de rechazo y una corriente de producto. El equipo de separación de membrana idealmente es del tipo que tiene un membrana semipermeable que substancialmente resiste al paso de especies ionizadas a su través. Es importante que en mi proceso, el equipo de separación de membrana produzca una corriente de producto substancialmente exenta de las especies normalmente indeseables que están poco ionizadas cuando están en soluciones acuosas a un pH neutro o casi neutro.

Objetos, ventajas y características

Por lo anterior, será evidente que un objeto importante y primario de la presente invención reside en la disposición de un nuevo método para el tratamiento de agua para producir de forma fiable y continua durante ciclos operativos largos una corriente de producto de agua con un patrón de calidad de pureza extremadamente alta preseleccionado.

Más específicamente, un objeto importante de mi invención es proporcionar un método de tratamiento de agua basado en membranas que sea capaz de evitar los problemas de incrustaciones y bioincrustaciones comunes, para proporcionar de forma fiable un método para generar agua de alta pureza cuando se haga funcionar con una alta eficacia.

Otros objetos importantes pero más específicos de la invención residen en la disposición de un método para el tratamiento de agua como se describe en el párrafo anterior que:

-: permite eliminar la dureza y la alcalinidad de un agua de alimentación seleccionada de una manera sencilla y directa;

-: tiene un mínimo de requisitos de unidades de proceso; minimiza o evita los sistemas de alimentación de agentes químicos complejos;

-: requiere menos espacio físico que las plantas de tratamiento de agua de la tecnología existente;

-: es fácil de construir, de iniciarse y de ponerse en servicio;

-: tiene altos porcentajes de eficacia, es decir, proporciona altos rendimientos de agua de producto con respecto a la cantidad de agua de alimentación que entra en la planta de tratamiento de agua;

-: junto con el objeto anterior, proporciona menos costes de unidad al operario de la planta de tratamiento de agua y, de esta manera, el usuario del agua, que en el caso actual; y

-: junto con el objeto que se acaba de mencionar, ocasiona el uso de menos agentes químicos que en la mayoría de las instalaciones de tratamiento de agua, eliminando prácticamente el uso de algunos tipos de aditivos químicos usados comúnmente hasta ahora, particularmente inhibidores de las incrustaciones.

Una característica de una realización de la presente invención es el uso de una combinación única de intercambio catiónico de ácido débil con una eliminación substancialmente completa de la dureza y la alcalinidad, y la posterior operación de RO de alto pH, permitiendo de esta manera que la planta de tratamiento de agua minimice el porcentaje de agua de rechazo. Con esto se obtienen altas eficacias totales del ciclo.

Otra característica de la presente invención es el uso de una operación de alto pH para ionizar fuertemente especies débilmente ionizables tales como sílice, boro o TOC, permitiendo de esta manera la operación con niveles de rechazo de sílice, boro o TOC considerablemente superiores a los límites de los sistemas de tratamiento de RO convencionales cuando se tratan aguas de alimentación de química comparable.

Otra característica de la presente invención es la capacidad de reconvertir plantas de RO existentes para que funcionen de acuerdo con el presente diseño de proceso, para aumentar la capacidad sin aumentar los requisitos de la membrana de RO.

Otra característica de la presente invención es la capacidad de proporcionar un agua de producto de mayor pureza mientras que se funciona a mayores niveles de flujo que los que se han podido conseguir hasta ahora con los diseños de sistemas de RO convencionales.

Otros objetos, características y ventajas adicionales importantes de mi invención serán evidentes para los especialistas en la técnica a partir de lo anterior y por la descripción detallada que se presenta a continuación, y por las reivindicaciones adjuntas, junto con los dibujos asociados.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos, se hará referencia a las características idénticas mostradas en las diversas figuras por números de referencia idénticos sin mención adicional.

La fig. 1 ilustra el porcentaje de ionización de iones de sílice en solución acuosa en función del pH.

La fig. 2 ilustra una primera realización de mi método para una operación de ósmosis inversa de alta eficacia, que muestra el uso de una unidad de intercambio catiónico de ácido débil para la eliminación simultánea de la dureza y la alcalinidad no asociada con hidróxido.

La fig. 3 muestra una segunda realización de mi método para una operación de ósmosis inversa de alta eficacia, donde la dureza se reduce por reblandecimiento con zeolita sódica y opcionalmente por reblandecimiento con cal o cal/bicarbonato sódico.

La fig. 4 muestra una tercera realización de mi método para la operación de ósmosis inversa de alta eficacia, que muestra la configuración del equipo donde la alcalinidad del agua de alimentación de partida puede reducirse de forma eficaz y adecuada por adición de ácidos, y donde la dureza puede reducirse opcionalmente por reblandecimiento con cal o cal/bicarbonato sódico.

La fig. 5 ilustra la presión diferencial, en libras por pulgada al cuadrado, frente al tiempo (PSID frente a meses) para una membrana de ósmosis inversa empleada en un equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto que utiliza mi nuevo proceso.

La fig. 6 ilustra el flujo de infiltrado normalizado, en litros por minuto frente al tiempo, para una membrana de ósmosis inversa empleada en un equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto que utiliza mi nuevo proceso.

La fig. 7 ilustra la concentración de sílice en la corriente de rechazo de ósmosis inversa en un equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto que utiliza mi nuevo proceso.

La fig. 8 ilustra el porcentaje de rechazo de sílice frente al tiempo, para una membrana de ósmosis inversa empleada en un ensayo piloto de mi nuevo proceso.

La fig. 9 describe el uso de mi método de operación del sistema de RO cuando se usa un proceso de RO de múltiples pasos para procesar secuencialmente una porción del agua de alimentación inicial para producir un infiltrado que se ha pasado a través de más de una membrana de RO.

La fig. 10 ilustra el uso de mi método de operación del sistema de RO para el agua de alimentación de una caldera, o para el agua de alimentación de una torre de refrigeración, o para el agua de alimentación de un depurador.

La fig. 11 ilustra el uso de mi método de operación de RO en combinación con un equipo de electrodesionización continua para la producción de agua de alta pureza.

La fig. 12 ilustra un diagrama de proceso para una configuración de mi proceso de RO de alta eficacia.

La fig. 13 ilustra un sistema esquemático para un diseño de proceso de un sistema de RO convencional.

La fig. 14 ilustra un diagrama de proceso ilustrativo para mi proceso de RO de alta eficacia, que utiliza el diseño y los conceptos de operación enseñados en este documento.

Descripción detallada

He desarrollado un nuevo método para el diseño del proceso y la operación de sistemas de RO. Este nuevo método para el diseño del proceso y la operación de sistemas de RO se ha ensayado minuciosamente. Se ha demostrado que el proceso es capaz de conseguir mejoras importantes en los objetivos de la operación de RO.

Los atributos que caracterizan a mi diseño de proceso y operación de RO de marca HERO (tm) incluyen:

(1): un rechazo muy alto de todos los contaminantes, especialmente aniones de ácidos débiles tales como TOC, sílice, boro, etc.

(2): Una recuperación muy alta - puede conseguirse una recuperación del noventa por ciento (90%) o superior.

(3): Se eliminan esencialmente las incrustaciones biológicas.

(4): Se reducen substancialmente las incrustaciones de partículas.

(5): Se reduce substancialmente la frecuencia de limpieza.

(6): Puede no ser necesaria la eliminación de cloro del agua de alimentación, debido a las especies químicas resultantes presentes al alto pH de operación, o en algunos casos, por la eliminación de la necesidad de añadir cloro en el primer sitio.

(7): Se elimina prácticamente la adición de inhibidores de incrustaciones.

(8): Se consigue un flujo substancialmente mayor.

(9): Se reduce el coste de capital global, en comparación con los sistemas de RO convencionales.

(10): Se reduce el coste de operación global, en comparación con los sistemas de RO convencionales.

(11): Se reduce significativamente la complejidad de un sistema de agua ultrapura.

El sistema de RO de marca HERO presenta una alta especificidad de sitio. Las etapas del proceso individuales se adaptan para ajustarse al agua de alimentación específica en un sitio específico. Independientemente de la diferencia en el proceso de pretratamiento para diferentes sitios, un parámetro del proceso es común para todas las aplicaciones, particularmente que el sistema de RO se hace funcionar al mayor pH de rechazo posible. De acuerdo con el máximo límite de pH permisible para las membranas de RO disponibles actualmente (por ejemplo, pH 11,0 para los elementos de RO de marca FILMTEC®), un sistema de RO de marca HERO típico se diseña para funcionar a un pH de hasta aproximadamente 11, medido en la corriente de rechazo de RO.

Debido a los altos factores de concentración (es decir, recuperación en porcentaje) permitidos por mi proceso de RO de marca HERO, el pH de alimentación de la RO es correspondientemente inferior. Por ejemplo, en un sistema que funciona con una recuperación del noventa por ciento (90%), un pH de alimentación de 10,0 producirá una corriente de rechazo a un pH de aproximadamente 11, siempre que la alimentación de RO sólo esté ligeramente tamponada por la presencia de carbonato, fosfato, etc. A diferencia de los sistemas de RO convencionales, que típicamente funcionan con una recuperación de aproximadamente el setenta y cinco por ciento (75%), un sistema de RO de marca HERO puede hacerse funcionar rutinariamente a una recuperación del noventa por ciento (90%) o superior, limitada sólo por la presión osmótica del rechazo de RO. El aumento de pH desde la alimentación de RO al rechazo se magnifica con recuperaciones muy altas. De esta manera, el pH máximo permisible se puede aplicar específicamente para las condiciones de rechazo de RO.

Para que funcione un sistema RO con rechazo hasta un pH próximo a 11, o aproximadamente pH 11 o superior, deben cumplirse varias condiciones de proceso para eliminar eficazmente la posibilidad de formación de incrustaciones en la membrana de RO. Algunas de estas condiciones de proceso también son necesarias para hacer funcionar un sistema de RO con un porcentaje de recuperación muy alto. Tales condiciones de proceso son las siguientes:

(1): La concentración de calcio, magnesio, estroncio y bario en la alimentación de RO debe eliminarse substancialmente, preferiblemente a casi cero, y más preferiblemente a esencialmente cero.

(2): Debe eliminarse substancialmente, y preferiblemente a casi cero, el contenido de aluminio, hierro y manganeso, incluyendo especies unidas orgánicamente, así como la presencia de partículas coloidales que contengan tales materiales.

(3): Deben reducirse a un nivel tan bajo como el que se pueda conseguir de forma práctica los aniones tamponantes (específicamente especies de bicarbonato o carbonato y/o fosfato).

La selección de las operaciones específicas y los puntos de control para satisfacer los requisitos de las condiciones de proceso anteriores se ve influenciada por las características de cada agua de alimentación específica. El porcentaje de recuperación necesario (o deseado para una aplicación específica) también afecta a las operaciones y a los criterios del punto de control. La fig. 2 representa una secuencia de procesos de unidad de RO muy eficaz en cuanto al coste.

La primera etapa es ajustar la relación entre dureza y alcalinidad del agua de alimentación, si es necesario. La optimización de esta relación, que típicamente se realiza por la adición de álcalis, hace que sea posible la eliminación completa de la dureza en la siguiente etapa de proceso.

La segunda etapa en el tren del proceso de RO implica la utilización de una resina catiónica de ácido débil (WAC) (por ejemplo, DOWEX® MAC-3, o Lewatit CNP-80, Amberlite® IRC-86). Cuando funciona en forma de hidrógeno, la resina WAC elimina la dureza cuantitativamente, dada la relación apropiada entre dureza y alcalinidad del influente. Los iones hidrógeno liberados en el proceso de intercambio catiónico reaccionan con la alcalinidad y producen ácido carbónico (H_{2}CO_{3})_{2}, que se disuelve en el efluente de WAC.

La tercera etapa implica la adición de ácido al efluente de WAC para destruir la alcalinidad restante, si está presente tal alcalinidad. La eliminación total de la alcalinidad en esta etapa es importante para conseguir una recuperación muy alta a través del sistema de RO.

En una cuarta etapa, el efluente acidificado, que contiene prácticamente un nivel prácticamente cero de dureza y de alcalinidad, después se trata para la eliminación del dióxido de carbono. Esta eliminación puede realizarse en un descarbonizador de succión forzada/inducida o en un desgasificador de vacío existente con un diseño de lecho empaquetado o de barrera de membrana permeable a gases. Al agua de alcalinidad esencialmente cero, de dureza esencialmente cero, descarbonatada, después se le inyecta un álcali soluble, preferiblemente para ajustar el pH a 10,0 o a un valor superior, y más preferiblemente hasta el pH necesario para conseguir un pH de hasta 11,0 o un valor próximo a éste en el rechazo de RO.

La siguiente etapa consiste en hacer funcionar el sistema de RO de tal manera que el pH del rechazo sea aproximadamente 11,0, pero preferiblemente no apreciablemente superior a este valor. Obsérvese que esta limitación de pH 11 se puede aplicar simplemente con respecto a las membranas de RO disponibles actualmente. Una membrana ilustrativa, con la mayor capacidad de tolerancia al pH, es una membrana FILMTEC de tipo FT30. Si en el futuro se dispusiera de membranas de RO con una mayor capacidad de tolerancia al pH, entonces el pH de rechazo de RO máximo permisible podría elevarse de acuerdo con esto, obteniéndose las ventajas asociadas con el mayor pH, superior a 11,0.

Las aguas de alimentación utilizadas para la producción de agua de alta pureza, así como las encontradas en el tratamiento de aguas residuales, incluyen la presencia de dióxido de silicio (también conocido como sílice o SiO_{2}) en una forma u otra, dependiendo del pH y de las otras especies presentes en el agua. Para sistemas de separación de membrana y, en particular, para sistemas de separación de membrana de tipo de RO, deben evitarse religiosamente las incrustaciones en la membrana debidas a la sílice. Esto se debe a que (a) la sílice forma incrustaciones relativamente duras que reducen la productividad de la membrana, (b) normalmente es bastante difícil de eliminar, (c) el proceso de eliminación de incrustaciones produce cantidades indeseables de agentes químicos de limpieza gastados, y (d) los ciclos de limpieza producen períodos de parada indeseables y no productivos para el equipo. Por lo tanto, independientemente del nivel de sílice en el agua de alimentación de partida entrante, el funcionamiento de los procesos de separación de membrana convencionales generalmente implica una concentración de SiO_{2} en la corriente de alto nivel de sólidos disueltos totales (``TDS'') en un nivel no apreciablemente superior a 150 ppm de SiO_{2} (en forma de SiO_{2}). Típicamente, los sistemas de RO se hacen funcionar a porcentajes de recuperación reducidos, cuando sea necesario, para impedir que la concentración de sílice en la corriente de rechazo exceda de aproximadamente 150 ppm.

Las incrustaciones debidas a diversos compuestos formadores de incrustaciones, tales como sulfato cálcico, carbonato cálcico y similares, pueden predecirse por los especialistas habituales en la técnica y a los que se dirige esta memoria descriptiva, por medio del uso del índice de saturación de Langlier, como se ha descrito anteriormente, u otros datos de solubilidad disponibles. Deben tenerse en cuenta de manera apropiada los parámetros de operación, incluyendo la temperatura, el pH, los caudales de infiltrado y de rechazo, así como las diversas especies de iones presentes en el agua de alimentación de partida, y las especies añadidas durante el pretratamiento.

He descubierto que por medio de una eliminación fiable de la dureza y de la alcalinidad no asociada con hidróxido, a niveles que eviten eficazmente la formación de incrustaciones a un pH seleccionado para la operación de RO, la concentración de SiO_{2} en la corriente de rechazo de RO puede aumentarse de forma segura a 450 ppm o más. Esto se consigue aumentando el pH del agua de alimentación en el sistema de RO y sin usar agentes químicos que inhiban las incrustaciones. Además, incluso con este aumento de sílice en el rechazo de RO, el nivel de contaminación de sílice en el infiltrado de RO se reduce preferentemente y substancialmente, en comparación con la sílice que podría preverse en condiciones de procesos de RO convencionales.

Comúnmente se entiende que la solubilidad de la sílice aumenta al aumentar el pH, y que la sílice es bastante soluble en soluciones acuosas de alto pH. Junto con la solubilidad, también aumenta el grado de ionización de la sílice al aumentar el pH. Aunque el aumento de la solubilidad de la sílice no es directamente proporcional al grado de ionización, la velocidad de aumento de la solubilidad de la sílice es básicamente proporcional a la velocidad de cambio en la ionización. Esta discrepancia entre la solubilidad y la ionización se explica por el hecho de que incluso la sílice no disociada presenta alguna solubilidad en soluciones acuosas, típicamente de hasta aproximadamente ciento veinte (120) ppm a ciento sesenta (160) ppm, dependiendo de la temperatura y de otros factores. En comparación, la solubilidad de la sílice a pH 11 es superior a mil quinientos (1.500) ppm a temperatura ambiente; la solubilidad de la sílice aumenta al aumentar la temperatura y/o el pH.

La sílice está ionizada muy débilmente cuando está en soluciones acuosas neutras o casi neutras y generalmente se considera que existe en forma de ácido (meta/orto-) silícico no disociado (H_{4}SiO_{4}) en la mayoría de las aguas naturales con un pH de hasta aproximadamente 8. Se ha notificado un valor de la constante de disociación (pKa) para la primera fase de disociación de la sílice de aproximadamente 9,7, que indica que la sílice se ioniza en aproximadamente un cincuenta por ciento (50%) a un pH de 9,7; el otro cincuenta por ciento (50%) permanece en forma de ácido (orto) silícico no disociado a ese pH. En la fig. 1 se muestra una representación gráfica de la relación entre el pH y el porcentaje de ionización de sílice. Claramente, sería ventajoso, cuando se desea la ionización de la sílice, operar a un pH superior a 10, más preferiblemente superior a 11, y aún más preferiblemente superior a 12.

La comprensión del fenómeno de ionización de sílice es importante, ya que el rechazo de la mayoría de las especies a través de las membranas de un equipo de separación de membrana se aumenta al aumentar la ionización. Por consiguiente, puede esperarse que el rechazo de la sílice por una membrana de RO mejore según aumenta el grado de ionización; con respecto a la sílice, la ionización aumenta al aumentar el pH. Por lo tanto, el aumento del pH de la operación de RO proporciona efectos beneficiosos importantes. En primer lugar, puede aumentarse radicalmente la solubilidad de la sílice, aunque permanezca dentro de las limitaciones de pH actuales de las membranas de RO de tipo compuesto de película fina comerciales existentes. En segundo lugar, el rechazo de la sílice se aumenta significativamente a niveles de pH superiores, lo que corresponde a un mayor grado de ionización de la sílice.

Para conseguir los efectos beneficiosos máximos de la ionización de la sílice a alto pH, el sistema de RO debe hacerse funcionar a un pH tan alto como sea posible, dadas las limitaciones impuestas por la química de membrana y por la garantía del fabricante de la membrana. Preferiblemente, el sistema de RO se hace funcionar a un pH de aproximadamente 10 o superior, más preferiblemente a 10,5 o superior, y aún más preferiblemente a un pH de 11 o superior. Esto contrasta con la práctica típica de la operación de RO, donde el pH de la operación se ha limitado a aproximadamente 8,5 para evitar la formación de incrustaciones, particularmente de incrustaciones de sílice y de carbonato.

Haciendo referencia de nuevo a la fig. 2, se muestra una realización de mi proceso para la operación del equipo de separación de membrana. En este método, el agua de partida 10 primero se trata en una unidad 12 de intercambio catiónico de ácido débil, donde se eliminan simultáneamente la dureza y la alcalinidad asociada al bicarbonato. Para los casos en los que la dureza del agua 10 de partida es mayor que la alcalinidad, el funcionamiento de la unidad 12 de intercambio catiónico de ácido débil debe facilitarse por la adición de una fuente de alcalinidad 13, tal como por la adición de una solución acuosa de carbonato sódico (Na_{2}CO_{3}). Preferiblemente, la unidad 12 WAC se hace funcionar en forma de hidrógeno para facilitar la operación y la regeneración. Sin embargo, también funcionaría en forma de sodio, seguido de la adición de un ácido. En cualquier caso, en el caso que se acaba de mencionar y, de otra manera, opcionalmente cuando sea apropiado, el ácido 14 se añade por medio de una bomba 16 al efluente 18 de la unidad o unidades 12 WAC para potenciar la destrucción del bicarbonato. Después, el dióxido de carbono 19 que se ha creado en la WAC (y/o por la adición de ácido) se retira, preferiblemente a una presión atmosférica o en un desgasificador 20 de vacío. Finalmente, se añade un álcali 22 (base), preferiblemente por medio de inyección con la bomba 24 de una solución líquida, para aumentar el pH del agua de alimentación 25 a un nivel seleccionado. Puede usarse cualquiera de una diversidad de productos básicos convenientemente disponibles y eficaces en cuanto al coste, siempre que no se introduzca ninguna tendencia apreciable a la formación de incrustaciones. Aparte del uso de hidróxido sódico común, podrían seleccionarse otros agentes químicos tales como carbonato sódico, hidróxido potásico o carbonato potásico. De hecho, en ciertos casos puede usarse eficazmente una base orgánica, tal como un compuesto de tipo piridina, para realizar este proceso. En cualquier caso, la presurización del agua de alimentación 25 para el proceso de membrana se realiza por una bomba 26 de alta presión antes de la transferencia a la unidad 30 de separación de membrana de tipo RO como se muestra. Como alternativa, la adición de álcali (base) al agua de alimentación puede realizarse pasando el agua de alimentación a través de una unidad 31 de intercambio aniónico para aumentar el pH a un nivel deseado. El pH del agua de alimentación se eleva a un pH seleccionado de al menos aproximadamente 8,5 ó 9,0, o hasta aproximadamente 10, o preferiblemente (con membrana de tipo compuesto de película fina disponible actualmente) a un intervalo comprendido entre 10 y 11, o de otra forma superior a 11, y más preferiblemente a 12 o más, y más preferiblemente a 13 o más. Con las membranas de RO de tipo compuesto de película fina disponibles actualmente, tales como las vendidas por DOW CHEMICAL de Midland, Michigan con su marca FILMTECH por su filial FILMTEC, INC., el control del pH a un valor de aproximadamente 10,5 proporciona la mayoría de los efectos beneficiosos de este método sin comprometer la vida de la membrana a largo plazo. Sin embargo, para aumentar la solubilidad de la sílice, y el rechazo de la sílice, serían deseables membranas que permitieran que el pH se elevara al menos a aproximadamente 11, o más preferiblemente al menos a aproximadamente 12, o aún más preferiblemente al menos a aproximadamente 13. De esta forma, puede apreciarse que mi método puede usarse para obtener ventajas adicionales cuando en el mercado estén disponibles membranas con una expectativa de larga duración a tales niveles de pH elevados.

El rechazo 32 de la unidad 30 de separación de membrana puede tirarse al alcantarillado o enviarse para un tratamiento adicional, según sea apropiado en las circunstancias particulares. El infiltrado 34 de la unidad 30 de separación de membrana puede utilizarse ``tal cual'' o puede purificarse adicionalmente para retirar la contaminación residual, por ejemplo, para usuarios de agua de alta pureza tales como fábricas de semiconductores, donde se desea una pureza del agua de 18,2 meg ohm. Un tren de tratamiento posterior a RO convencional para la producción de agua 38 de alta pureza en la industria de semiconductores incluye un intercambiador 40 de cationes, seguido de un intercambiador 42 de aniones, con unidades de intercambio iónico pulidoras de lecho mixto primaria 44 y secundaria 46. Pueden utilizarse trenes de tratamiento posteriores a RO algo diferentes para satisfacer las necesidades individualizadas de un sitio dado, de la química del agua de partida y del uso final, sin apartarse de las ventajas y efectos beneficiosos que pueden obtenerse por el método del proceso de RO descrito en este documento. Por ejemplo, en algunas circunstancias puede ser deseable omitir los intercambiadores catiónico 40 y aniónico 42, y desviar el infiltrado de RO a través de la tubería 47 para alcanzar directamente las unidades de intercambio iónico de lecho mixto primario 44 y de lecho mixto de pulido 46. Finalmente, en muchas plantas de agua ultrapura, el producto de las unidades 46 de intercambio iónico de lecho mixto de pulido se trata adicionalmente en unidades 48 de filtración finales y en unidades 49 de irradiación ultravioleta para eliminar las partículas y las bioincrustaciones, respectivamente. Cuando sea apropiado, pueden añadirse operaciones de tratamiento adicionales para satisfacer las necesidades de un usuario final particular.

Otra ventaja característica y única de mi método de operación del sistema RO es que es posible, en diversas condiciones de química del agua de alimentación de partida y condiciones de operación, hacer funcionar el tren de intercambio iónico posterior a RO entero (es decir, las unidades de intercambio iónico 40, 42, 44 y 46) sin regeneración. Dependiendo de la química, es posible reemplazar simplemente los intercambiadores de cationes 40 y de aniones 42. En el caso más habitual, la unidad 46 de lecho mixto secundaria o de pulido puede reemplazarse por una nueva resina, y la vieja resina de pulido desplazarse a la posición 44 del lecho primario. Esto es posible, particularmente en sistemas de tratamiento de aguas de tipo de alimentación de calderas y ultrapuras, porque la unidad 46 de lecho mixto de pulido se controla por la operación final cuando la salida de sílice, boro u otro iones alcanza un valor predeterminado. Cuando se alcanza el valor de salida de iones predeterminado, la unidad 46 de lecho mixto de pulido se substituye y se pone en la posición de la unidad 44 de intercambio iónico de lecho mixto primaria. Cuando se realiza el cambio de las unidades de intercambio iónico de lecho mixto, se retira la resina de la unidad 44 de lecho mixto primaria ``vieja'' y se desecha o se vende a otros usuarios de resina menos exigentes. La nueva resina después se pone en la unidad 44 de intercambio iónico de lecho mixto primaria ``vieja'', tras lo cual se convierte en la unidad 46 de intercambio iónico de lecho mixto de pulido ``nueva''.

En otras realizaciones, y cuando es adecuado para satisfacer las necesidades individuales de una química de agua de alimentación de partida seleccionada, pueden utilizarse diversas formas de eliminación de dureza, incluyendo el intercambio 50 de cationes de ácido fuerte en forma de sodio, seguido de acidificación (véase la fig. 3) o incluso el uso de un reblandecedor de cal 52 (o de cal/bicarbonato sódico similar) como una etapa de pretratamiento adicional al intercambio 50 de cationes de ácido fuerte en forma de sodio o al intercambio 12 de cationes de ácido débil (véanse las figs. 2 y 3).

Para aguas particularmente blandas, el reblandecedor 52 de cal o de cal/bicarbonato sódico puede ser totalmente inapropiado, y este método puede proceder sin reblandecimiento del agua de partida, suministrándose sólo un ácido sencillo 14 antes de la descarbonización, como puede verse en la fig. 4. Por otra parte, cuando es apropiado el reblandecimiento, algunas aguas de alimentación de partida pueden tratarse apropiadamente para conseguir reducciones en la dureza y alcalinidad hasta un grado deseado por el reblandecedor 52. Independientemente de la configuración del equipo seleccionada para el tratamiento de una química de agua de partida particular, los parámetros claves del proceso son (a) retirar los cationes que, en combinación con otras especies presentes a alto pH, tenderían a precipitar las sales poco solubles en las superficies de la membrana, y (b) eliminar la alcalinidad no asociada con hidróxido hasta el grado máximo factible, para proteger adicionalmente contra la precipitación de incrustaciones en las superficies de la membrana.

Las resinas de intercambio iónico de cationes ácidos débiles (``WAC'') usadas en la primera etapa de la realización preferida de mi método, como se ilustra en la fig. 2, son bastante eficaces en la eliminación de la dureza asociada con la alcalinidad. Tal reacción procede como se indica a continuación:

Ca^{++} + 2RCOOH \rightarrow (RCOO)_{2}Ca + 2H^{+}

Después, el hidrógeno se combina con el bicarbonato para formar ácido carbónico, que cuando se despresuriza, forma agua y dióxido de carbono, como se indica a continuación:

H^{+} + HCO_{3}^{-} \rightarrow H_{2}CO_{3} \rightarrow H_{2}O + CO_{2}

La regeneración de la resina se consigue por medio del uso de un ácido disponible convenientemente y eficaz en cuanto al coste. Es bien conocido por los especialistas en la técnica que la regeneración de resinas de intercambio iónico WAC puede proceder de una forma bastante eficaz, a niveles casi estequiométricos (generalmente, no mayores de aproximadamente un ciento veinte por ciento (120%) de los niveles ideales). Preferiblemente puede usarse ácido clorhídrico, ya que en tales casos se produciría cloruro cálcico muy soluble, y el proceso de regeneración no tendría el riesgo potencial de la formación de precipitados de sulfato insolubles, tales como sulfato cálcico, incluso con ácidos muy fuertes. Sin embargo, por medio del uso de procedimientos de regeneración por fases, es decir, por medio del uso de una baja concentración de ácido seguido de una mayor concentración de ácido, es posible utilizar de forma fiable otros ácidos, incluyendo el ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}), evitando al mismo tiempo precipitados indeseables en la resina. De esta manera, los iones de dureza se solubilizan para formar sales solubles, que se eluyen del lecho de la resina y típicamente se tiran al alcantarillado. El uso de ácido sulfúrico es particularmente ventajoso en operaciones de fabricación de semiconductores, ya que tales plantas típicamente usan grandes cantidades de tal ácido, y el ácido residual o gastado puede utilizarse ventajosamente para la regeneración de un lecho de intercambio catiónico de ácido débil.

Por la resina WAC también se eliminan otros cationes polivalentes, más comúnmente hierro (Fe^{++}/Fe^{++}), magnesio (Mg^{++}), bario (Ba^{++}), estroncio (Sr^{++}), aluminio (Al^{+++}) y manganeso (Mn^{++}/Mn^{++++}). Como la presencia de cantidades incluso muy pequeñas de dureza o de otras especies de reducción de la solubilidad al aumentar el pH dará como resultado la precipitación de sales poco solubles en las condiciones del proceso presentes en mi proceso, debe tenerse cuidado de impedir la precipitación en la membrana de substancias tales como carbonato cálcico, hidróxido cálcico, hidróxido magnésico y silicato magnésico. Una precaución que debe observarse es que deben reducirse agresivamente en el agua de alimentación tanto la dureza como las formas de alcalinidad no asociadas con hidróxido, antes del ajuste del pH hacia arriba en las condiciones de operación de RO seleccionadas. Una vez que se han eliminado la dureza y las formas de alcalinidad no asociadas con hidróxido, puede realizarse el aumento del pH deseado con cualquier fuente alcalina conveniente, tal como álcali de sodio o potasio, o por intercambio aniónico. Una vez que se ha finalizado este pretratamiento, entonces un sistema de RO puede hacerse funcionar de forma segura a niveles de pH muy altos, para aprovechar la solubilidad de la sílice mencionada anteriormente.

En los casos en los que la composición del agua de partida es tal que es ventajoso el reblandecimiento con zeolita sódica, como se representa en la fig. 3, la eliminación de la dureza de calcio procede como se indica a continuación:

Ca^{+2} + Na_{2}X \rightarrow CaX + 2Na^{+}

Después, la alcalinidad de bicarbonato se convierte en dióxido de carbono, con un ácido seleccionado, de una manera similar a la mostrada a continuación:

NaHCO_{3} + HCl \rightarrow NaCl + H_{2}O + CO_{2}

Para las aguas en las que el reblandecimiento con cal puede ser un método aceptable o preferido para la reducción inicial de la dureza y la alcalinidad, la adición de cal al agua reduce la dureza de calcio y magnesio, y la alcalinidad de bicarbonato asociada, como se indica a continuación:

Ca(HCO_{3})_{2} + Ca(OH)_{2} \rightarrow 2 CaCO_{3} \downarrow + 2 H_{2}O

Mg(HCO_{3})_{2} + 2Ca(OH)_{2} \rightarrow Mg(OH)_{2} \downarrow + 2 CaCO_{3} + 2 H_{2}O

Esta configuración del proceso se representa como una realización alternativa de mi método, como se ilustra en las figs. 3 y 4. Sin embargo, en los casos en los que se usa el reblandecimiento con cal o cal/bicarbonato sódico, debe tenerse mucho cuidado en la evaluación del rendimiento del resto del sistema de pretratamiento, ya que la solubilidad de los iones de dureza sigue siendo apreciable en la corriente 54 del efluente del reblandecedor 52.

Para la mayoría de las aguas de alimentación, particularmente cuando no se emplea cal o cal/bicarbonato sódico, el uso de una etapa de eliminación de dióxido de carbono aumenta significativamente la eficacia en cuanto al coste del proceso cuando se realiza antes de aumentar el pH. Esto también ayuda a mantener un nivel de alcalinidad total inferior en la alimentación al RO, proporcionando de esta manera un margen mayor de seguridad contra las incrustaciones debidas a la salida de iones de dureza de la etapa de eliminación de cationes. La desalcalinización por la eliminación de dióxido de carbono también ayuda a mejorar el rechazo de la sílice, debido a la ausencia de especies competitivas. Esto se debe a que el rechazo de un anión débilmente ionizado se ve afectado por la presencia y concentración de otros aniones débilmente ionizados en el agua de alimentación; esto se aplica a aniones débilmente ionizados tales como boro, ácidos orgánicos (TOC), cianuro, fluoruro y ciertos compuestos de arsénico y selenio.

Como la operación de alto pH también aumenta la ionización de otros aniones débilmente ionizados, incluyendo borato, ácidos orgánicos (TOC), cianuro, fluoruro y ciertos compuestos de arsénico y selenio, sus porcentajes de rechazo se aumentan en un sistema de membrana de RO. Por consiguiente, en general, mi método puede aplicarse ventajosamente para rechazar a través de la membrana la mayoría de los ácidos débiles con un pKa_{1} de aproximadamente 7,5 o superior. El rechazo de la sílice puede aumentarse hasta aproximadamente un 99,95% o más, desde un rechazo basal convencional de aproximadamente un 99%; esto constituye una reducción de al menos un orden de magnitud en la cantidad de la sílice que entra en el infiltrado, proporcionando de esta manera un aumento de 10 veces más (10^{+}) en la vida de funcionamiento para el lecho de resina de intercambio iónico que elimina la sílice, particularmente las unidades del intercambiador 42 aniónico y de lecho mixto.

En el caso del cianuro, pueden conseguirse rechazos en una RO de primer paso superiores a un noventa por ciento (90%), a diferencia del intervalo más típico de aproximadamente el cincuenta por ciento (50%) o similar conseguido con los procesos de RO convencionales.

De forma similar al caso para la sílice, el rechazo de boro puede aumentarse desde un nivel basal convencional en un intervalo de aproximadamente un 60-70% al 99% y superior, por la operación a un pH convenientemente elevado. Los efectos beneficiosos sobre el porcentaje de rechazo debidos a la operación a un pH superior empiezan a un pH ligeramente inferior en el caso del boro, ya que el pKa para el boro es de 9,14, aproximadamente media unidad de pH superior al del ácido ortosilícico, particularmente 9,7. Sin embargo, los efectos beneficiosos de una operación a alto pH son mucho más pronunciados en el caso del boro, porque el ácido ortosilícico (H_{2}SiO_{4}) en solución acuosa típicamente incluye seis moléculas de agua de hidratación, mientras que el ácido bórico (H_{3}BO_{3}) típicamente no tiene unida ninguna molécula de agua de hidratación. De esta manera, la molécula de ácido ortosilícico es muy grande con respecto al tamaño de poros de membrana en comparación con el ácido bórico, sin importar el pH, y como resultado, la sílice tiene porcentajes de rechazo normales mucho mayores. Por consiguiente, el aumento de ionización del ácido bórico, cuando funciona a un pH superior a aproximadamente 9,1, es extremadamente beneficioso, y aumenta según se eleva el pH a un valor comprendido entre 10 y 11, o al punto de control preferido actualmente de aproximadamente 10,5. El efecto de rechazo de boro podría mejorar incluso más cuando un sistema de RO se haga funcionar a un pH de 12 o incluso de 13, cuando en el mercado se disponga de membranas para tal práctica.

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Ejemplo - Ensayo piloto

Se preparó un sistema de tratamiento de agua piloto para ensayar la eficacia del método descrito. El sistema de tratamiento de agua piloto se diseñó para tratar un suministro de agua urbana de partida entrante para proporcionar un producto de agua de alta pureza para un uso futuro potencial en una planta de fabricación de semiconductores. Los objetivos eran (a) aumentar la recuperación, para minimizar el uso del agua, (b) aumentar la pureza del agua tratada, y (c) aumentar el tiempo medio entre las limpiezas de membrana. El sistema piloto realizó una serie de ensayos. En cada uno de los ensayos, el sistema se inició con un nivel de sílice de 450 ppm o mayor en el rechazo de RO. El sistema de planta piloto se hizo funcionar continuamente hasta que se experimentó (a) una reducción del diez por ciento (10%) en el flujo de agua del infiltrado de RO normalizado, o (b) se alcanzó un aumento del quince por ciento (15%) en la presión diferencial axial a través de la membrana de RO. El ensayo piloto se realizó con una unidad de separación de membrana que incluía una membrana de RO Dow/Filmtec Modelo FT30/BW4040, que se hizo funcionar a presiones de aproximadamente 130 psig (896,318 kPa) a aproximadamente 185 psig (1265,530 kPa), con temperaturas del agua de alimentación que variaban de aproximadamente 20ºC a aproximadamente 25ºC, y a velocidades de agua de alimentación de hasta aproximadamente 8 galones estadounidenses por minuto (30 litros por minuto) como máximo. Como se ve en la fig. 6, se ensayaron flujos de infiltrado normalizado a largo plazo de ligeramente más de 5 galones estadounidenses por minuto (aproximadamente 20 litros por minuto). El aparato de ensayo piloto incluía un par de lechos de intercambio catiónico de ácido débil que funcionaban en paralelo, utilizando el producto de resina catiónica de ácido débil de Rohm and Hass Company (Philadelphia, Pennsylvania) número IRC-86, seguido de un descarbonatador de aire a presión, inyección de hidróxido sódico, y separación del agua de alimentación tratada por la membrana de RO en una corriente de rechazo y una corriente de infiltrado.

La tabla 1 presenta los análisis químicos del funcionamiento de la planta piloto para el agua de partida, el rechazo de RO y el infiltrado de RO. La tabla 1 también muestra los porcentajes de rechazo conseguidos en la operación de RO piloto, y compara esos porcentajes con los conseguidos con un sistema de RO convencional que funciona en el mismo agua de alimentación. En particular, obsérvese el nivel de sílice en el agua de alimentación de partida (67 ppm) y en el rechazo de RO (480 ppm). La concentración de sílice en el rechazo de RO es aproximadamente tres veces la que se puede conseguir normalmente en el agua de rechazo de configuraciones de proceso de RO convencionales. Además, incluso a la alta concentración de sílice en el rechazo de RO, se observa un mejor rechazo de sílice, ya que se consiguió un rechazo de sílice del 99,87% en comparación con rechazos que variaban de aproximadamente un 95% hasta aproximadamente un 99% con un sistema de RO convencional en el mismo agua de alimentación.

De hecho, se experimentaron porcentajes de rechazo mejorados con todas las especies químicas importantes con respecto a los porcentajes de rechazo experimentados con la RO convencional, como se demuestra por los datos presentados en la tabla 1. Específicamente, los altos porcentajes de rechazo de boro y TOC también proporcionan un efecto beneficioso significativo adicional en la reducción de la carga del anión 42 corriente abajo y las unidades 44 y 46 de intercambio iónico de lecho mixto. A este respecto, debe tenerse en cuenta que se consiguió un rechazo del 98,51% para el boro, en comparación con aproximadamente el 60%-70% que se puede conseguir en los sistemas de RO convencionales en el mismo agua de alimentación. Típicamente, la terminación de un proceso de intercambio aniónico o de lecho mixto se determina por la salida de sílice o, en ciertos casos, de boro. A pesar de la mayor recuperación en el sistema de RO piloto, el contenido de sílice en el infiltrado del sistema de RO convencional fue tres veces mayor que en el sistema de RO piloto. Específicamente, se consiguieron concentraciones de sílice de 0,45 ppm de SiO_{2} en el infiltrado de la unidad de ensayo piloto de este método, en comparación con 1,5 ppm de SiO_{2} en el infiltrado de RO convencional. Claramente, se pueden conseguir niveles de menos de 1,0 ppm de SiO_{2} en el infiltrado de RO cuando se utiliza el presente método, y de hecho, se ha demostrado que se pueden conseguir niveles de menos de 0,5 ppm de SiO_{2}. Además, el contenido de boro en el infiltrado de mi nuevo proceso fue de 0,007 ppm de B, frente a 0,06 ppm de B para el infiltrado de un sistema de RO convencional. Claramente, se demostraron niveles de boro de menos de 0,05 ppm, así como niveles de menos de 0,01 ppm de boro. Los resultados de ensayo de la tabla 1 también muestran este resultado, ya que el rechazo de boro en un sistema de RO convencional varía de aproximadamente un sesenta por ciento a un setenta por ciento (60%-70%), mientras que se demostró que el rechazo de boro en mi proceso de tratamiento de agua era de aproximadamente un noventa y ocho coma cinco por ciento (98,5%). En otras palabras, en un proceso de RO convencional, de aproximadamente treinta a cuarenta (30 a 40) iones borato pasan a través de la membrana por cada cien (100) presentes en el agua de alimentación, mientras que en mi proceso pasan menos de dos y, específicamente, sólo aproximadamente uno coma cinco (1,5) iones borato pasan a través de la membrana de cada cien (100) presentes. En otras palabras, un 30 por 100 o un 40 por 100 de los iones borato en el agua de alimentación alcanza el infiltrado en la RO convencional, frente a un 1,5 por 100 en este proceso. En ciertas aguas de alimentación, este número se reduciría incluso adicionalmente, a un valor tan bajo como de 1/100 ó 1/1000, proporcionando porcentajes de rechazo de boro del noventa y nueve por ciento (99%) o del noventa y nueve coma nueve por ciento (99,9%), respectivamente. De esta manera, esto indica que los tiempos de proceso en el intercambiador aniónico 42, aunque no necesariamente son proporcionados a los niveles de sílice y boro en el influente, sin embargo tienden a ser significativamente mayores cuando se trata el infiltrado 34 procedente de mi nuevo proceso, en comparación con los tiempos de proceso cuando se trata el infiltrado de un sistema de RO convencional. Como el agotamiento del anión se indica por un nivel predeterminado de salida de sílice (SiO_{2}) y, en algunos casos, de boro, y como la concentración de salida del lecho de resina está relacionada con la concentración media de especies en el lecho de la resina, al conseguir una reducción significativa en la concentración de tales aniones en el influente con respecto al lecho de resina de intercambio iónico, la consecuencia es que se consiguen tiempos de proceso mayores antes de alcanzar la salida máxima permisible de SiO_{2} o boro.

TABLA 1 Resultados analíticos del ensayo piloto

	Alimentación de	Rechazo de	Infiltrado de	Rechazo de	Rechazo de RO
	partida (ppm)	RO piloto (ppm)	RO piloto (ppm)	RO piloto (%)	convencional (%)
Sodio	29,9	460	0,955	99,73	95-98
Potasio	6,4	18,7	<0,003	99,98+	90-95
Calcio	34	<0,1	<0,003	- -
Magnesio	5,3	<0,1	0,0001	- -
Cloruro	12,1	78,1	<0,004	99,99+	97-98
Nitrato	0,74	9,42	0,003	99,96	90-95
Sulfato	46,1	278,4	<0,001	99,99+	99,91
Boro	0,083	0,62	0,007	98,51	60-70
Sílice	67	480	0,46	99,87	95-99
(disuelta)
TOC	0,64	1,1	<0,003	99,66+	90-95
pH	8,0	10,8	10,3	- -	- -
Las concentraciones se proporcionan en ppm como iones, a menos que se indique otra cosa.

TABLA 2 Efectos de intercambio iónico de sodio

	Sodio, ppb
	RO convencional	Nuevo proceso
Infiltrado de RO	193	955
Después de catión IX	0,431	<0,007

TABLA 3 Resultados después del intercambio iónico de lecho mixto

Constituyente	RO convencional	Nuevo proceso
Boro	No detectable	No detectable
Sílice	0,43 ppb	0,35 ppb
TOC	5,9 ppb	<3,0 ppb

De forma importante, se descubrió que los niveles de boro, y particularmente de sílice y TOC, eran extremadamente bajos después del tratamiento del infiltrado 34 en los intercambiadores iónicos 44 y 46 de lecho mixto en la planta piloto. Se proporciona una comparación con el infiltrado posterior al lecho mixto de un proceso de RO convencional con los datos de la tabla 3. De forma significativa se descubrió que, en mi nuevo proceso, en el agua tratada posterior al intercambio iónico de lecho mixto, el nivel de TOC era menor que 3,0 ppb, es decir, por debajo del límite de detección.

Y no deben pasarse por alto los rechazos significativamente mejorados de sodio y potasio, que aumentaron hasta el 99,73% y 99,98%, respectivamente, desde unos porcentajes de rechazo del sistema de RO convencional que variaban del noventa y cinco al noventa y ocho por ciento (95-98%) en el caso del sodio, y de aproximadamente el noventa al noventa y cinco por ciento (90-95%) en el caso del potasio.

El rechazo significativamente superior de especies muy ionizadas tales como sodio, potasio, cloruro y sulfato, en comparación con las operaciones de RO convencionales, como se demuestra por los datos de la tabla 1, fue un resultado experimental particularmente importante e inesperado del ensayo piloto. Además, aunque el infiltrado de RO en el ensayo de la planta piloto contenía un mayor nivel de sodio que el infiltrado de un proceso de RO convencional, como se indica en la tabla 2, el impacto del mayor contenido de sodio sobre el intercambio catiónico posterior a la RO tiene relativamente poca trascendencia. Como el infiltrado de RO de mi nuevo proceso es muy alcalino (en la tabla 1 se muestra un pH típico de 10,3 durante el ensayo piloto) y contiene niveles significativos de iones hidróxido libres, el grado de eliminación de sodio y la capacidad de la resina en la unidad 40 de intercambio catiónico se aumenta en un margen substancial. El efecto de la mayor alcalinidad de hidróxido en el infiltrado para aumentar la eliminación de sodio de tal infiltrado se muestra en la tabla 2. En el tratamiento de RO convencional del mismo agua de alimentación, donde el infiltrado del sistema de RO tiene sólo 193 ppb de sodio, la resina de intercambio catiónico sólo es capaz de conseguir la eliminación de sodio hasta aproximadamente 0,431 ppb. Por el contrario, en mi nuevo proceso, aunque se encontraron 995 ppb de sodio en el infiltrado de RO después del tratamiento de intercambio catiónico, la concentración de iones de sodio se redujo a menos de 0,007 ppb.

El rechazo mejorado del carbono orgánico total (``TOC'') en mi proceso también proporciona un efecto beneficioso significativo para los operarios de la planta de RO. Es normal que las aguas de origen natural contengan cantidades detectables de ácidos orgánicos de alto peso molecular y sus derivados, particularmente ácidos húmico, fúlvico y tánico. Estos compuestos proceden de la putrefacción de materiales vegetativos, y normalmente están relacionados con productos de condensación de compuestos de tipo fenólico. En general, los ácidos húmicos incluyen la fracción de substancias húmicas que son solubles en agua a pH alcalino, pero que precipitan a pH ácido. Los ácidos fúlvicos incluyen la fracción de substancias húmicas que son solubles en agua a pH alcalino y ácido. Estos ácidos, y sus productos de descomposición, pueden estar presentes en la corriente de agua de alimentación y formar depósitos indeseables en substratos seleccionados, particularmente substancias selectivas para aniones. Además, tienden a contribuir a las bioincrustaciones en los sistemas de RO convencionales. Por lo tanto, es deseable minimizar el efecto de tales moléculas sobre o a través de la membrana de ósmosis inversa, de forma que puedan evitarse las consecuencias adversas de su presencia, particularmente en la unidad de intercambio aniónico. Como puede verse por medio de la referencia a la tabla 1, el contenido de TOC del infiltrado 34 es substancialmente inferior al contenido de TOC de un proceso de RO convencional, con un nivel de TOC idéntico en el agua de alimentación de partida. Específicamente, en el sistema de RO de planta piloto hay un rechazo del noventa y nueve coma sesenta y seis por ciento (99,66%) de TOC, en comparación con sólo un noventa a un noventa y cinco por ciento (90-95%) de recuperación en los sistemas de RO convencionales. Como ocurre en los casos de la sílice y el boro, la mayor ionización del TOC al pH elevado de mi nuevo proceso se atribuye a este importante resultado. De esta manera, aprovechando el intervalo de ionización de las especies de carbono orgánico ionizables se pueden conseguir reducciones eficaces de TOC cuando se hacen funcionar sistemas de RO de acuerdo con el método indicado en este documento.

También pueden apreciarse mejor los resultados de operación de la unidad de ensayo piloto haciendo referencia a las figs. 5, 6, 7 y 8. La fig. 5 ilustra la relación entre la presión axial diferencial (?P) frente al tiempo, en kPa (libras por pulgada al cuadrado) para la membrana de ósmosis inversa empleada en el equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto. La presión diferencial mostrada no se ha corregido con respecto a los cambios en el caudal del agua de alimentación. En comparación con la RO convencional, los resultados del ensayo piloto demuestran que se ha conseguido un caudal de infiltrado normalizado estable, un porcentaje de rechazo de sílice estable y una presión diferencial estable. Esto indica que en mi nuevo proceso se han eliminado esencialmente las bioincrustaciones/incrustaciones. La fig. 6 muestra el flujo de infiltrado normalizado, en litros por minuto, frente al tiempo durante un período de seis meses, para la membrana de ósmosis inversa empleada en el equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto.

La fig. 7 ilustra la concentración de sílice en la corriente de rechazo de ósmosis inversa durante un período de seis meses en el equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto. La fig. 8 ilustra el porcentaje de rechazo de la sílice, frente al tiempo durante un período de seis meses, para la membrana de ósmosis inversa empleada en un equipo de ensayo de ósmosis inversa piloto. Este rechazo de sílice se basa en una concentración de sílice media aritmética en la unidad de RO piloto.

Después de cada parada de la operación de la planta piloto debido a una reducción del diez por ciento (10%) o mayor en el flujo de infiltrado normalizado, las membranas se inspeccionaron y se limpiaron. Un hallazgo importante fue que la limpieza puede realizarse de forma sencilla y eficaz por medio de agentes químicos de limpieza de membrana comerciales, tales como soluciones de ácido clorhídrico, EDTA tetrasódico e hidróxido sódico. No se requerían agentes de limpieza químicos patentados caros. Se demostró que una membrana de RO que funcionaba con pretratamiento de agua de alimentación de la forma indicada en este documento se restauraba completamente a un flujo de esencialmente un cien por cien (100%) de los valores de rendimiento de partida. Substancialmente toda la limpieza se realizó con la primera etapa ácida del proceso de limpieza, indicando de esta manera que las especies de incrustación predominantes eran carbonato cálcico, hidróxido magnésico, silicato magnésico y similares. De forma importante, esto reveló que ni las incrustaciones de sílice ni las bioincrustaciones eran problemas importantes en las condiciones de proceso especificadas. La mayor procesabilidad o mayor disponibilidad del sistema con incrustaciones mínimas y prácticamente sin bioincrustaciones, claramente es otro efecto beneficioso importante de mi nuevo método operativo de RO.

Las incrustaciones biológicas de las membranas compuestas de película fina han tendido a ser un problema común hasta ahora y, con ciertas fuentes de agua de alimentación específicas, han sido prácticamente insuperables. Aunque se preveía que el control de las incrustaciones biológicas se mejoraría debido a la operación a niveles de pH relativamente altos, el grado de control de incrustaciones biológicas conseguido realmente supera con mucho las expectativas, siendo los niveles de bacterias prácticamente no detectables durante la autopsia de los elementos de la membrana de RO. Esto significa que en lugar de acumularse bacterias vivas y muertas contra la superficie de la membrana, como es común en los sistemas de RO convencionales, en mi método único, las bacterias entrantes se destruyen y disuelven de la superficie de la membrana. De esta manera, este método de pretratamiento y operación de RO puede ser útil para tratar fuentes de agua problemáticas. Esto es eficaz porque las soluciones de alto pH producen desinfección por lisis de las células o ruptura de la pared celular. Este es un método de actuación bastante potente y rápido de actividad antibacteriana, en comparación, por ejemplo, con la cloración, que actúa por el método mucho más lento de difusión a través de la pared celular para provocar la muerte por inactivación de las enzimas de los microorganismos. También a diferencia de los sistemas desinfectados con cloro, en la operación de alto pH preferida en el presente método, se destruyen eficazmente por lisis virus y endotoxinas (fragmentos de lipopolisacáridos derivados de las paredes celulares de bacterias Gram-negativas), permitiendo de esta manera que el presente método se pueda emplear para la producción de agua sin pirógenos o estéril. Esencialmente, el presente método, cuando se hace funcionar a un pH superior a aproximadamente 10, proporciona la higienización (reducción 3 log en bacterias y destrucción de la materia vegetativa) y también puede proporcionar una esterilización esencialmente verdadera (reducción 12 log en bacterias y la eliminación de biopelículas y de esporas) del equipo del proceso, ya que los resultados de ensayo demostraron un recuento de bacterias cero (0) en el infiltrado. Además, debe indicarse que el mayor pH del infiltrado en este método de operación permite resultados útiles similares en el equipo de tratamiento posterior a la RO. Tal método de operación sería particularmente beneficioso en la producción de agua de alta pureza para aplicaciones farmacéuticas, donde el agua del producto finalmente debe cumplir los requisitos de las normas de la Farmacopea de Estados Unidos 23 (``USP 23''), que se suplementan. A este respecto, la omisión del uso de polímeros en el agua de partida, antiincrustantes y otros agentes químicos patentados en el pretratamiento de RO, como se describe en este documento con respecto a una realización preferida, puede eliminar aditivos indeseables en el agua de calidad farmacéutica, y reducir costes al reducir los ensayos necesarios en el agua del producto de la RO. Más concisamente, la selección de un pH para las condiciones de operación de RO que no soportan el crecimiento bacteriano y que consiga la eliminación de la dureza y la alcalinidad a un nivel que evite el uso de aditivos, es un método superior para la producción de agua de alta pureza.

Otra ventaja de la operación de alto pH es que aumenta la protección de las membranas, en particular los tipos compuestos de película fina, que tienen una tolerancia limitada para los agentes oxidantes a valores de pH neutros, casi neutros y moderadamente alcalinos (hasta aproximadamente pH 9). Cuando se añade cloro al agua de alimentación de RO, típicamente se utilizan cloro gaseoso (Cl_{2}) o hipoclorito sódico (NaOCl). Debido a la sensibilidad de la membrana al cloro libre, en los sistemas de RO convencionales, normalmente se retira por inyección de sulfito (SO_{3}^{--}). Sin embargo, por encima de pH 9, y particularmente por encima de pH 10, se reduce significativamente el efecto del cloro y de otros oxidante similares sobre las membranas compuestas de película fina. Esto se debe a que la concentración de especies no ionizadas (tales como HOCl, conocido como ácido hipocloroso) se reduce espectacularmente, ya que tales ácidos son relativamente débiles. Por consiguiente, en mi proceso de ósmosis inversa de alto pH HERO (tm), que típicamente funciona a un pH de 10 o superior, generalmente no es necesaria la eliminación del cloro, reduciéndose de esta manera la complejidad y los costes del sistema. Esto puede ser especialmente beneficioso para los sistemas que utilizan una fuente de agua municipal como agua de alimentación en la planta de tratamiento de agua.

Otro efecto beneficioso de mi nuevo proceso de operación de membrana es una mayor duración de la membrana. En las operaciones de membrana y, en particular, con respecto a las operaciones de RO, puede esperarse una mayor duración del elemento de membrana, principalmente porque se evitan las incrustaciones y bioincrustaciones y, de esta manera, se reduce espectacularmente la exposición a agentes químicos de limpieza fuertes (por ejemplo, agentes químicos ácidos y tensioactivos).

Las membranas de RO se retiran del servicio cuando el rechazo de especies críticas, por ejemplo, sílice, boro o TOC, se reduce por debajo de un límite aceptable. Para la sílice, esto normalmente ocurre cuando el rechazo se reduce a un valor comprendido entre el noventa y cinco y el noventa y seis por ciento (95%-96%), desde un valor original del noventa y nueve por ciento (99%) o superior. Como se ha descrito anteriormente, los valores de rechazo iniciales para la sílice en mi proceso son significativamente superiores a los conseguidos en los sistemas de RO convencionales. Por lo tanto, si se aceptaran las limitaciones de RO convencionales para el rechazo de la sílice, por ejemplo, un elemento de membrana específico duraría más antes de alcanzar los límites aceptables. Dicho de otra forma, incluso después de un período considerable de servicio, los elementos de membrana utilizados en el presente método proporcionarán rechazos de sílice superiores a los proporcionados por las nuevas membranas que funcionan en configuraciones de proceso de RO convencionales.

También se puede conseguir un alto flujo, o producción de infiltrado, debido a las condiciones de operación únicas de mi método para hacer funcionar un sistema de RO. Varios factores contribuyen a este resultado. Se prevé un flujo, expresado como litros de agua que pasan a través de un metro cuadrado de membrana en un día, denominado l/m^{2}/día (galones de agua que pasan a través de un pie cuadrado de membrana en un día, denominado generalmente ``GFD'') de aproximadamente 15 GFD para los sistemas de RO convencionales. En el ensayo piloto, la membrana FILMTEC BW de tipo compuesto de película fina indicada se hizo funcionar a 977 l/m^{2}/día (24 GFD), y se evaluó favorablemente un potencial de hasta 1222 l/m^{2}/día (30 GFD). Aunque se cree que la última velocidad de flujo es el límite hidráulico corriente aproximado del diseño de un módulo de RO convencional, basándose en las configuraciones de espacio, se prevé que podrá conseguirse un flujo incluso mayor en este método de operación (de hasta 2036 l/m^{2}/día (50 GFD) o similar) cuando se disponga de módulos de membrana que puedan soportar tal flujo aumentado. Éste es un resultado muy ventajoso para los operarios de los sistemas de RO ya que, por ejemplo, si el flujo normal se duplica por medio del uso de este método, entonces los metros cuadrados (pies cuadrados) totales de superficie de membrana requeridos se reducen en un factor de dos. Por lo tanto, se consiguen reducciones correspondientes en el coste de capital (específicamente, para membranas y recipientes de presión) y en requisitos de espacio del suelo. Los costes de operación, que ya se han reducido significativamente por otros efectos beneficiosos del presente método, se reducen adicionalmente al reducir los costes de reemplazo de la membrana. El aumento del flujo del ciento cincuenta por ciento (105%) demostrado en los ensayos con respecto a la base de diseño para los sistemas de RO convencionales proporciona un efecto beneficioso inmediato.

Cuando se utiliza el presente método, la presión osmótica del rechazo de RO representa la limitación final para la tecnología de RO. Una vez que el tratamiento del agua de alimentación de partida apropiado ha retirado eficazmente las especies poco solubles, tales como carbonato cálcico, sulfato cálcico, sulfato de bario, sílice, etc., la concentración de rechazo puede avanzar hasta que se alcance la limitación de la presión osmótica. En este momento, las presiones de diseño para los sistemas de RO demostrados comercialmente típicamente limitan a aproximadamente 8280 kPa (1.200 psig). Si se realiza una concesión de diseño para una fuerza directriz de 1378,951 kPa (200 psig) con respecto a la corriente de rechazo, entonces la presión osmótica máxima permisible sería de aproximadamente 6900 kPa (1.000 psig). Con fines ilustrativos, basándose en una regla simplificada de que cien (100) ppm de TDS ejercen aproximadamente un (1) psig de presión osmótica, el nivel de TDS máximo permisible de la corriente de rechazo sería de aproximadamente 100.000 ppm. De esta manera, esta nueva tecnología de operación de RO, independientemente de la química del agua de alimentación, es potencialmente capaz de concentrar todo el agua de alimentación a aproximadamente 100.000 ppm sin tener en cuenta las diversas especies poco solubles y, en particular, con respecto al sulfato cálcico, sulfato de bario y sílice.

Otra ventaja de mi nueva tecnología de operación de RO es que los sistemas de RO existentes, cuando se reconviertan con el equipo de pretratamiento descrito en este documento para la eliminación de la dureza y la alcalinidad, podrán aprovechar los efectos beneficiosos de operación de este proceso.

Otras aplicaciones para este método de operación de RO único son aplicaciones de alta pureza tales como la fabricación de semiconductores y aplicaciones farmacéuticas, así como los usos industriales más tradicionales para aguas de alimentación de calderas, aguas de alimentación de torres de refrigeración y aguas de alimentación de depuradores. La aplicación de mi método de operación de sistema de ósmosis inversa a sistemas de producción de agua de alta pureza se muestra en la fig. 9. En esta figura, se utiliza una técnica de proceso de ósmosis inversa de múltiples pasos para procesar secuencialmente una porción del agua de alimentación 10 de partida inicial para producir un infiltrado final 34_{(1+N)} que se ha pasado secuencialmente a través de un número N de unidades de membrana de ósmosis inversa, donde N es un número entero positivo, típicamente dos (2) o algunas veces tres (3), aunque podría utilizarse un número superior. Como se ha descrito anteriormente, al agua 10 de alimentación de partida, si tiene una alcalinidad deficiente, se le puede añadir alcalinidad por cualquier técnica conveniente, tal como por medio de la adición de carbonato sódico 13, y después esa corriente R_{C} tratada se envía al sistema 12 de intercambio catiónico de ácido débil. Después del intercambio catiónico, puede añadirse un ácido 14 tal como clorhídrico o sulfúrico para producir una corriente W_{A} tratada intermedia. Después, se retira el dióxido de carbono en una unidad 20 de descarbonatación para producir una corriente D tratada intermedia. Después, el pH se eleva por un método conveniente y eficaz en cuanto al coste, tal como la adición de una solución 22 alcalina o por la unidad 31 de intercambio aniónico, para producir una corriente D_{OH} de tratamiento intermedia adicional. El rechazo de 32_{(N)} de la unidad N de ósmosis inversa (y cualquier unidad de RO intermedia entre la primera unidad de RO 30_{(1)} y la unidad de RO final 30_{(N)}) después se recicla al agua de alimentación antes de la unidad de RO 30_{(N)}, para producir un agua de alimentación 25_{(1+N)} que contiene especies de solutos indeseables pero tolerables y agua disolvente. La bomba 26 presuriza al agua de alimentación 25_{(1+N)} para producir una alimentación presurizada a la primera unidad de RO 30_{(1)}; después del procesamiento, se obtiene el infiltrado 34_{(1)}, que después se suministra a la siguiente unidad de ósmosis inversa o a la serie de 1 a N unidades. El rechazo del tren de RO entero se muestra como rechazo 32_{(1+N)}. El infiltrado tratado de alta pureza procedente del tren entero se muestra como infiltrado o agua de producto 34_{(1+N)}, y se suministra al equipo de intercambio iónico habitual para la limpieza final antes del uso. La unidad 40 de intercambio catiónico produce una corriente C de pureza intermedia adicional, que se sigue por una unidad 42 de intercambio aniónico para producir una corriente A de pureza intermedia adicional. Antes del uso, una unidad 44 de intercambio iónico de lecho mixto primaria produce una corriente P de pureza aún mayor, y una unidad 46 de intercambio iónico de lecho mixto secundaria o de pulido opcional produce un producto S de pureza aún mayor, posiblemente de pureza final, o, usando la misma nomenclatura que se ha indicado anteriormente, la corriente de agua de producto pura 38_{(1+N)}. En la fabricación de semiconductores, generalmente se practica una filtración final en filtros submicrométricos 48, usando filtros con dimensiones nominales de 0,02 micrómetros, pero quizás seleccionados entre tamaños que varían de aproximadamente 0,02 micrómetros a aproximadamente 0,1 micrómetros, para producir una corriente M de producto aún mayor. Además, es habitual el control biológico por el paso del agua de alta pureza a través de una unidad 49 esterilizadora UV, que normalmente funciona a una longitud de onda de 254 nm para destruir cualquier bacteria que pueda permanecer en la corriente M de alta pureza para producir un agua U ultrapura final. En muchos sistemas, las posiciones de los filtros 48 submicrométricos finales y de la unidad 49 esterilizadora UV pueden invertirse, o puede utilizarse un filtro adicional después de la esterilización UV.

La fig. 10 ilustra el uso de mi método de operación del sistema de ósmosis inversa para el agua de alimentación de calderas, para el agua de alimentación de torres de refrigeración o para el agua de alimentación de depuradores. La unidad 30 de ósmosis inversa y diversos equipos de pretratamiento se hacen funcionar de acuerdo con los métodos indicados anteriormente, para producir un infiltrado 34 de alta pureza. El infiltrado 34 de agua de producto después se trata en un sistema de intercambio iónico cuando sea necesario, basándose en los requisitos específicos de la caldera, y se suministra como agua de alimentación 100 a una caldera 102. El agua purgada 104 de la caldera 102 se envía a un depósito 106 de acumulación para el bombeo 108 a través de una tubería 109 de retorno al tren de pretratamiento de RO. Aunque la torre 110 de refrigeración y el depurador 112 pueden alimentarse con el infiltrado 34 de RO, más típicamente, la torre 110 de refrigeración y el depurador 112, por ejemplo, en una planta de suministro de energía eléctrica por vapor, se suministraría por los suministros 10 de agua de partida habituales, tales como suministros de agua municipal o de pozo. Por lo tanto, el agua purgada 114 de la torre de refrigeración y el agua purgada 116 del depurador típicamente presentan altos niveles de dureza y de alcalinidad. De forma similar, este sistema puede usarse para tratar agua que esté en contacto íntimo con cenizas, tales como el agua de una balsa con cenizas o el agua de desescoriado de cenizas procedente de plantas de energía eléctrica de vapor con combustión de carbón. En mi proceso de ósmosis inversa, normalmente puede obtenerse una cantidad significativa de agua reutilizable por mi método de pretratamiento y operación de RO, a diferencia de lo que ocurre con los sistemas de RO convencionales.

Otro uso ventajoso de mi método para el pretratamiento y operación de un sistema de RO se ilustra en la fig. 11, donde se muestra una realización preferida similar a la explicada anteriormente en uso con un sistema de RO de múltiples pasos (en este caso, dos pasos con unidades de RO 30_{(1)} y 30_{(N)}, donde N = 2), en el pretratamiento para un sistema 150 de electrodesionización continuo. El infiltrado de RO 34_{(1+N)}, cuando se trate por electrodesionización continua, producirá un agua desionizada E de calidad muy alta que, después del tratamiento ultravioleta 46 y de la filtración final 48, será aceptable para uso en la industria microelectrónica como un agua ultrapura UP. Opcionalmente, puede omitirse la unidad 46 de intercambio iónico de lecho mixto de tipo secundario o de pulido, y el agua producida E de electrodesionización continua puede enviarse directamente a la unidad 49 de esterilización UV. Esto es así porque las limitaciones de la electrodesionización continua para rechazar el boro, la sílice, el TOC y similares limita su capacidad de producir, como un efluente directo, agua de 18,2 megohm para la fabricación de dispositivos electrónicos. Además, el infiltrado 34_{(1+N)} del sistema de RO de dos pasos, cuando se hace funcionar de acuerdo con el método descrito en este documento, contiene niveles muy bajos de las especies que son problemáticos para la electrodesionización continua, tales como boro, sílice, TOC y similares. De esta manera, se cree que el uso de tal infiltrado como alimentación para una unidad de tratamiento de electrodesionización continua permite que tales unidades de electrodesionización produzcan agua de 18,2 megohm sin los efectos beneficiosos de los pulidores 46 de intercambio iónico corriente abajo. La ventaja del uso de una electrodesionización continua con respecto al intercambio iónico convencional, por supuesto, es que el proceso continuo (en lugar del proceso discontinuo de resinas de intercambio iónico) se regenera eléctricamente en lugar de químicamente y, por lo tanto, evita el uso de agentes químicos de regeneración convencionales.

El presente método puede usarse ventajosamente incluso con aguas residuales. Como un sistema de RO, cuando se haga funcionar como se enseña en este documento, rechazará substancialmente especies ionizables a alto pH, se podrá conseguir un alto rechazo de tales constituyentes para producir un infiltrado de RO con bajos niveles de tales constituyentes, para su reciclado y reutilización. Las aguas residuales de refinerías, y de operaciones de formación de pasta papelera y de fabricación de papel, y las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, tienen un nivel bastante alto de componentes candidatos (ácidos orgánicos alifáticos y/o aromáticos y sus derivados), y son más difíciles de manipular en membranas de RO convencionales debido a las incrustaciones orgánicas y al crecimiento biológico relacionado. Los usos industriales típicos en los que puede conseguirse agua con una calidad suficiente cuando se tratan aguas residuales incluyen torres de refrigeración, aguas de alimentación de calderas, aguas de alimentación de depuradores y similares.

Efectos beneficiosos del diseño y operación del proceso de RO de marca HERO

Anteriormente, en las páginas 10-11 se indicaron muchos efectos beneficiosos del proceso ilustrativo y deseable proporcionado por el diseño de proceso del sistema de RO de marca HERO. La explicación detallada de tales efectos beneficiosos incluye:

(A) Un alto rechazo de contaminantes

Como se muestra en la tabla 4, que resume los datos de una planta piloto de proceso de RO de marca HERO, el rechazo de todas las especies es significativamente mayor que el que puede conseguirse en la operación de RO convencional. Es particularmente destacable la mejora en el rechazo de aniones débiles tales como TOC, sílice y boro. Dado que los derivados de ácido húmico/fúlvico (TOC), el ácido silícico y el ácido bórico son ácidos relativamente débiles, a altos pH de operación estos ácidos se disociarán en una medida mucho mayor (en comparación con la operación a pH casi neutro) y, por lo tanto, se rechazarán mucho mejor por la membrana de RO.

También se observó la mejora en el rechazo de especies fuertemente ionizadas (a pH casi neutro). Se cree que varios factores contribuyen a la mejora del rechazo de especies muy ionizadas. Se cree que se produce un cambio de morfología de la membrana. Se cree que un factor que contribuye de forma importante a esta mejora es una reducción significativa en el espesor de la capa de polarización de concentración adyacente a la superficie de la membrana (debido a la reducción de la tensión superficial en condiciones de causticidad libre). Además, también son un factor el hinchamiento de elastómeros tales como anillos tóricos, y las características de mejor sellado resultantes en los módulos.

El impacto del rechazo mucho mayor de la sílice, etc., sobre el comportamiento/operación de un sistema de intercambio iónico después de la RO es extremadamente significativo. Como la inmensa mayoría del intercambio iónico después de la RO se regenera basándose en la ruptura de la sílice o del boro, un factor de reducción de diez en el contenido de sílice/boro del influente proporcionará tiempos de proceso mucho mayores entre las regeneraciones. La ausencia de dióxido de carbono, así como de bicarbonato en el infiltrado de RO (debido a un alto pH, típicamente de al menos 10), también aumentará el tiempo de funcionamiento antes de que la salida de sílice/boro exceda los valores umbral normales. La reducción de la concentración de especies muy ionizadas en el infiltrado de RO tiene un significado relativamente menor, ya que la mayoría del intercambio iónico después de la RO finalmente está limitado por sílice o boro.

TABLA 4 Comparación de la RO HERO™ frente a la RO convencional

Constituyentes	Rechazo	Rechazo	Paso	Paso	Factor de	Reducción
	(%)	(%)	(%)	(%)	paso	de paso
	Convencional	HERO	Convencional	HERO	Conv/ HERO	(%)
Sodio	98	99,73	2	0,27	7,4	87
Potasio	90	99,98	10	0,02	500,0	99
Cloruro	98	99,99	2	0,01	200,0	99
Sílice	99	99,87	1	0,13	7,7	87
Boro	70	98,51	30	1,49	20,1	95
TOC	95	99,66	5	0,34	14,7	93

TABLA 5 Análisis de agua

	Agua de Partida	Rechazo de RO	Producto de RO
Na + K	125	1.350	<1
Ca	7	0	0
Mg	13	0	0
HCO_{3}	85	50	<1
CO_{3}	0	50	<1
NO_{3}	1	10	<1
SO_{4}	30,8	308	<1
Cl	28,2	282	<1
SIO_{2}	50	500	<1
pH	7,1	10,8	10,2

Notas

1. En la tabla no se muestra el análisis de la alimentación de RO, ni el contenido de hidróxido del rechazo de RO y del producto de RO.

2. La química se basa en una recuperación de RO del 90 por ciento, mientras que la recuperación máxima factible es de aproximadamente un 96 por ciento.

3. Excepto en el caso del pH, todos los constituyentes se presentan como mg/l como CaCO_{3}

TABLA 6 Estimación del coste de una reconversión

Ahorros de Agua/Agua Residual	244,000	( \textdollar US/año)
Eliminación de Antiincrustantes	30.000	( \textdollar US/año)
Ahorros de Energía	17.000	( \textdollar US/año)
Costes Químicos Adicionales	(40.000)	( \textdollar US/año)
Costes Diversos Adicionales	(20.000)	( \textdollar US/año)
Ahorro Anual Neto	231.000	( \textdollar US/año)
Coste de Conversión (Capital)	200.000	( \textdollar US/año)
Período de Reembolso Simple	\hskip0,7cm 10,4 (meses)

TABLA 7 Comparación de costes

	Sistema Convencional	Sistema HERO
Coste de Capital del Equipo (US \textdollar MM)	12	7,8
Coste de Operación (US \textdollar /1.000 galones US)	5,75	<4,00
Nota: véase la sección 5,0 en relación con las bases.

En comparación con el rechazo de boro del 60 al 70 por ciento en la operación de RO compuesta de película fina convencional, el nuevo proceso proporciona un rechazo de boro de aproximadamente un 99 por ciento. En una configuración de paso doble, el nuevo proceso es capaz de producir un infiltrado un contenido de boro menor que los límites detectables.

Otra ventaja muy significativa en la operación de intercambio iónico con infiltrados de un sistema de RO de marca HERO es que la salida de sodio de la resina catiónica se reduce en varios órdenes de magnitud, debido al alto pH ambiental del influente. Como resultado, los mayores tiempos de proceso entre las regeneraciones para los sistemas de intercambio iónico existentes significa menores necesidades de agentes químicos y de mano de obra, menor volumen residual de regeneración, etc. Para los nuevos sistemas, o para los sistemas existentes que están experimentando expansión, el nuevo diseño y operación del proceso de RO de marca HERO también pueden tener un fuerte impacto positivo sobre el coste de capital del sistema de intercambio iónico.

(B) Altos porcentajes de recuperación

Como los iones causantes de la dureza tales como calcio, magnesio, bario, estroncio, aluminio, hierro, manganeso, etc., se han retirado antes de la RO, no se produce una precipitación indeseable de especies tales como carbonato cálcico, fluoruro cálcico, sulfato cálcico, sulfato de bario, hidróxido de magnesio, silicato de aluminio/magnesio, etc., en el proceso de RO de marca HERO y, por lo tanto, este tipo de precipitación ya no limita la recuperación que se puede conseguir por un sistema de RO. De forma importante, al pH de operación de RO de la marca HERO normal (preferiblemente de aproximadamente 11), aumenta de forma espectacular la solubilidad de la sílice. Se ha demostrado la operación a largo plazo sostenible con niveles de sílice en el intervalo de 450 a 500 ppm (en el rechazo de RO), y los modelos teóricos indican que en este nuevo método de operación de RO pueden conseguirse niveles de 1.000 ppm o superiores.

Basándose en 25 ppm de sílice en la alimentación de RO, se ha demostrado una recuperación en la operación de RO del 95 por ciento (aproximadamente 500 ppm en el rechazo) por medio de ensayos. Además, teóricamente es factible una recuperación del 97,5 por ciento (aproximadamente 1.000 ppm de sílice en el rechazo de RO), sea o no práctico desde el punto de vista operativo. Como la sílice normalmente representa el criterio limitante final, en términos de la recuperación máxima permisible en un sistema de RO, una mayor solubilidad de la sílice junto con una ausencia esencialmente total de especies tales como calcio, bario, etc. en la alimentación de RO, permitiría la operación de RO con porcentajes de recuperación muy altos (del 90 al 98 por ciento) con la inmensa mayoría de las aguas de alimentación.

Con aguas de alimentación con un contenido relativamente alto de bario, la recuperación del sistema de RO puede limitarse por el potencial de precipitación de sulfato de bario al final del rechazo. El sistema HERO también elimina este problema, ya que el bario se retira cuantitativamente antes de la RO. El mismo resultado también es aplicable para sistemas de RO limitados (en la recuperación) por sulfato de estroncio, sulfato cálcico, fluoruro cálcico y otras sales de calcio, magnesio, hierro y aluminio poco solubles.

Por supuesto, el límite final en la recuperación de RO, representado por la presión osmótica del rechazo de RO, controlará la recuperación máxima factible que se puede conseguir con un agua de alimentación específica, pero este límite normalmente no se alcanza en recuperaciones menores de un 99 por ciento con la mayoría de las aguas de alimentación.

(C) Se eliminan esencialmente las incrustaciones biológicas

Al alto pH de operación se lisan (se destruyen físicamente) completamente la mayoría de las especies microbianas que se producen comúnmente. De hecho, incluso los virus, las esporas y las endotoxinas se destruyen o se vuelven incapaces de reproducirse/proliferar a niveles de pH muy altos. Es de esperar que la saponificación de lípidos (grasas) participe en el proceso, ya que los ácidos grasos y sus glicéridos correspondientes formarán ``jabones'' solubles a los altos valores de pH de operación.

En una localización en la que se realizaron ensayos a largo plazo, se destacó la ausencia de bioincrustaciones durante el ensayo de la tecnología HERO. Este sistema de RO piloto presentó un comportamiento de operación muy estable en términos del flujo de infiltrado normalizado y reducción de la presión del sistema a lo largo de todo el período de ensayo. Se obtuvo una confirmación adicional de la ausencia de bioincrustaciones durante la autopsia de los elementos de RO a intervalos regulares. Se realizó un programa por etapas para ensayar y obtener muestras de elementos basados en FILMTEC FT30 durante un período de 15 meses. Los datos mostraron un mayor rechazo de sales y los valores de garantía de calidad inicial en condiciones de ensayo convencionales. Además, la superficie de la membrana estaba limpia y carecía de indicios de bioincrustaciones.

Esta característica del nuevo proceso puede tener efectos beneficiosos significativos para sitios con problemas de bioincrustaciones conocidos o para el tratamiento de aguas residuales biocontaminadas/bioactivas. También puede ser muy eficaz para sistemas con una operación de RO a temperatura superior a la ambiente.

(D) Se reduce substancialmente la incrustación de partículas

Desde hace casi 30 años se sabe (y se ha puesto en práctica) que el reblandecimiento del agua de alimentación de RO desestabiliza los sólidos coloidales presentes en el agua de alimentación y reduce significativamente los problemas de incrustación asociados. El requisito obligado de reblandecimiento como pretratamiento para elementos de RO de fibras finas huecas a finales de los años 60 y a principios de los años 70 confirma esta estrategia. Además, a altos valores de pH, generalmente se reduce el potencial zeta entre una superficie y las partículas floculantes, reduciéndose de esta manera la probabilidad de adhesión. Esta propiedad se acentúa por el hecho de que la mayoría de las partículas que se producen de forma natural (incluyendo las bacterias), presentan cargas superficiales negativas. Aunque aún no se ha realizado la determinación del potencial zeta lado por lado, es de esperar que el nuevo proceso reduzca significativamente, o elimine, los problemas de incrustaciones de partículas. La reducción del potencial zeta reduce adicionalmente la posibilidad de adhesión de las partículas a la superficie de la membrana con una carga ligeramente negativa. La formación in situ de tensioactivos a partir de lípidos bacterianos, si están presentes, ayudará adicionalmente a reducir la adhesión de las partículas a la superficie de la membrana.

Esta característica única del nuevo proceso puede tener un valor significativo en el diseño de un sistema de RO, particularmente en la capacidad de reducir el coste de capital y la complejidad de operación del tratamiento de UPW. Además de la capacidad de aceptar un cierto nivel de suciedad particulada, el nuevo proceso también puede minimizar la necesidad de filtración en múltiples medios, la adición de coagulantes/floculantes, la filtración con tierra de diatomeas, etc., como pretratamiento para el sistema de RO.

(E) Reducción significativa en el uso de agentes químicos

También puede ser innecesaria la descloración, bien por la adición de agentes químicos o por carbono activado, ya que el nivel de ácido hipocloroso libre (no disociado) (HOCl) es extremadamente bajo al alto pH de la operación.

(F) Eliminación del uso de inhibidores de incrustaciones

El uso de antiincrustantes o inhibidores de incrustaciones, aunque no es perjudicial o incompatible con el nuevo proceso, puede eliminarse completamente, como se demuestra por el ensayo de 18 meses en una instalación de fabricación de semiconductores.

(G) Altas velocidades de flujo

Dado el espesor reducido de la capa de polarización de concentración, así como la eliminación de bioincrustaciones y la reducción de adhesión de partículas a la superficie de la membrana, no es sorprendente que un sistema de RO que utiliza el nuevo proceso pueda funcionar a un mayor flujo en comparación con la operación convencional. En comparación con un flujo de diseño normal de 611 l/m^{2}/día (15 gfd (galones por pie cuadrado al día)), el sistema de RO de marca HERO está diseñado para un flujo superior a 611 l/m^{2}/día (15 gfd), y preferiblemente está diseñado para aproximadamente 814 l/m^{2}/día (20 gfd) y, más preferiblemente, hasta aproximadamente 1018 l/m^{2}/día (25 gfd) y, cuando sea factible, por encima de 1018 l/m^{2}/día (25 gfd).

(H) Mayor pureza del producto

Además de reducir el coste de capital para el sistema de RO, la calidad del infiltrado de RO mejora significativamente debido al mayor flujo del diseño. Por ejemplo, a 25 gfd, el infiltrado de RO contendrá un 40 por ciento menos de sólidos disueltos en comparación con la base del diseño de 611 l/m^{2}/día (15 gfd). La operación a mayor pH, en combinación con el alto flujo de producto, hace que el flujo de sal (que es dependiente de la concentración en lugar de dependiente de la presión) se reduzca significativamente. Puede esperarse que el sistema de RO sea aproximadamente un 20 por ciento más barato debido sólo a este factor (o más de un 20 por ciento más barato), siendo iguales todos los demás parámetros.

(I) Rechazo utilizable como agua de alimentación de un depurador

El rechazo del sistema de RO de marca HERO, con un alto pH, baja alcalinidad asociada a carbonato y prácticamente sin dureza, puede usarse como agua de alimentación para depuradores de gases ácidos. Debido a los problemas relacionados con la precipitación potencial de la sílice si el pH se reduce significativamente en el depurador, el rechazo de RO debe usarse en una base de todo de una vez, y de esta forma no se limita por la velocidad de evaporación.

Química del proceso

Como se ha descrito anteriormente, el alto pH de rechazo es uno de los factores que caracterizan a la operación del sistema de RO de marca HERO. El rechazo extremadamente alto de aniones débilmente ionizados tales como TOC, sílice, boro, etc., puede correlacionarse con tales características. El siguiente ejemplo, basado en la sílice, puede usarse para explorar esta relación.

En las aguas naturales a un intervalo de pH casi neutro (6-8), la sílice principalmente está presente como ácido ortosilícico (H_{4}SiO_{4}). El ácido ortosilícico, comúnmente denominado ácido silícico, es una de las especies ácidas más débiles presentes en el agua. La primera constante de disociación del ácido silícico (es decir, la disociación del primer protón del total de los cuatro hidrógenos) es de aproximadamente 2 x 10^{-10}, que corresponde a un valor de pKa de aproximadamente 9,7 a temperatura ambiente y a una intensidad iónica de fondo muy baja de la solución.

Una forma conveniente para visualizar la intensidad relativa del ácido silícico con un pKa_{1} de 9,7 es indicar que a pH 9,7, se ioniza en un cincuenta por ciento (50%), es decir, el 50 por ciento está presente como ácido ortosilícico no disociado, mientras que el otro 50 por ciento está disociado y está presente como ion silicato monovalente, la base conjugada del ácido ortosilícico. A pH 10,7, cuando el logaritmo de la base conjugada con respecto al ácido no disociado es la unidad, existe aproximadamente un 91 por ciento como ion silicato, y el otro 9 por ciento como ácido no disociado. A pH 11,7, la distribución es del 99 y 1 por ciento respectivamente. Por el contrario, a un pH de 8,7 (cuando el log de la relación es 0,1), aproximadamente el 91 por ciento de la especie está presente en forma del ácido no disociado y el 9 por ciento en forma del silicato ionizado. A un pH de 7,7, aproximadamente el 99 por ciento está presente como ácido silícico no disociado y un 1 por ciento como el ion silicato monovalente ionizado.

Como la mayoría de las aguas de alimentación naturales están a un pH de 8 o inferior, esencialmente toda la sílice existe como ácido silícico no disociado en estas condiciones. Otros ácidos muy débiles, tales como el ácido bórico (H_{3}BO_{3}, con un pKa de aproximadamente 9,2) y el ácido hidrociánico (HCN, con un pKa de aproximadamente 9,3) presentan propiedades muy similares pero, por supuesto, son ácidos algo más fuertes en comparación con la sílice.

Las características de rechazo de especies individuales a través de la membrana de RO se ven influenciadas por el tamaño, la forma y la densidad de carga del soluto. Generalmente se reconoce que un soluto ionizado se rechazará mucho mejor en comparación con un soluto que existe en un estado no disociado, siempre que su tamaño y forma sean comparables. El rechazo de fluoruro, por ejemplo, es esencialmente cero a un pH menor que 3, del 30 por ciento a un pH de 3,5, del 50 por ciento a pH 4, del 75 por ciento a pH 5 y del 98 por ciento (o mayor) a pH 7. El ácido fluorhídrico (un ácido débil con un pKa de 3,2) es el homólogo de la especie de fluoruro ionizada y es el componente primario a valores de bajo pH.

Sin embargo, a pH 7, el rechazo de la sílice/ácido silícico es sorprendentemente mayor, de un 98 por ciento, siendo el constituyente primario el ácido silícico no disociado y no la especie de silicato ionizada. Esta discrepancia se explica al menos parcialmente por el hecho de que el tamaño real del ácido (orto) silícico es mucho mayor de lo esperado, ya que la molécula incorpora hasta seis moléculas de agua de hidratación. De esta manera, el alto rechazo se debe al factor de tamaño/forma, ya que a pH 7 hay muy poca ionización (menos de un 0,2 por ciento) de ácido silícico.

Basándose en los factores implicados, podría parecer que la sílice, cuando se ioniza substancialmente, tiene un rechazo comparable al del ion sulfato (SO_{4}). La expectativa se basa en el hecho de que el ion sulfato también incorpora seis moléculas de agua de hidratación y, por supuesto, está completamente ionizado a valores de pH casi neutros. Debe constar que rutinariamente se observa un rechazo de sulfato del 99,5 al 99,9 en la operación de RO normal y que el rechazo de la sílice en el sistema HERO que funciona en el intervalo de pH de 10,5 a 11,0 realmente ha sido mayor que el 99,9 por ciento. En otras palabras, el rechazo de sulfato a pH 7 y el rechazo de la sílice a un pH superior a 10 son bastante comparables. En vista de las intensidades relativas de los ácidos correspondientes y el tamaño relativo de las moléculas, este efecto puede racionalizarse además de utilizarse.

Otro aspecto del nuevo proceso que merece una discusión adicional es el requisito de la eliminación esencialmente completa de la alcalinidad antes del ajuste (aumento) del pH de la alimentación de la RO. Desde un punto de vista totalmente práctico, se necesita una alcalinidad próxima a cero, ya que cualquier alcalinidad residual proporcionará un efecto tamponante fuerte y aumentará substancialmente la cantidad de álcali necesaria para elevar el pH al intervalo de operación normal. Aparte del coste directo del mayor requisito de álcali, el contenido de sodio del infiltrado de RO también será mucho mayor, dando como resultado una carga y un coste de intercambio iónico después de la RO innecesariamente elevados.

Desde un punto de vista conceptual, sin embargo, el requisito de la eliminación de la alcalinidad es mucho más urgente que sencillo. El siguiente ejemplo, basado en la solubilidad de carbonato cálcico, se usará para cuantificar la relación.

El producto de solubilidad (Ksp) de carbonato cálcico es de aproximadamente 8,7 x 10^{-9} molar al cuadrado a temperatura ambiente y a una intensidad iónica muy baja. Asumiendo que el objetivo es el 90 por ciento de recuperación a través de la RO, el producto de ion de CaCO_{3} máximo permisible de la alimentación de RO es de aproximadamente 8,7 x 10^{-11} molar al cuadrado. Además, asumiendo 0,1 mg/l de calcio en el agua de alimentación reblandecida, el contenido de carbonato máximo permisible de la alimentación de RO es de aproximadamente 2,1 mg/l, expresado como iones.

En las condiciones de rechazo a pH 11,0, aproximadamente el 85 por ciento de las especies de carbonato están presentes como carbonato, existiendo el resto como bicarbonato. Asumiendo 5 mg/l de equivalentes de dióxido de carbono residual total antes del aumento del pH, en la alimentación de RO estarán presentes aproximadamente 5,8 mg/l de carbonato (en forma de ion). En comparación con los 2,1 mg/l máximos permisibles de carbonato, el nivel de 5,8 mg/l que se puede conseguir es tres veces mayor.

Para asegurar la operación sin incrustaciones a una recuperación del 90 por ciento, debe conseguirse uno o más de los siguientes objetivos: - el contenido de calcio residual debe ser menor que 0,1 mg/l, o las condiciones de operación de RO deben cambiarse. Aunque se sabe que los inhibidores de incrustaciones de carbonato cálcico generalmente permiten un alto Ksp, no estoy seguro de que ninguna de tales formulaciones permita de una forma eficaz y barata una operación continua a alto pH de RO. Es importante indicar que durante el ensayo a largo plazo del sistema HERO, no se usaron inhibidores de las incrustaciones en ningún momento.

El hidróxido de magnesio, con una Ksp de aproximadamente 1,2 x 10^{-11} molar cúbico, en algunas formas es incluso más exigente en términos de residuos permisibles, ya que el magnesio tiende a salir antes del intercambiador catiónico de ácido débil y, por lo tanto, se necesita tener más cuidado para prevenir las incrustaciones de hidróxido de magnesio.

Ejemplo típico

A continuación se proporciona un ejemplo de una aplicación típica para el sistema HERO. Para el ejemplo se seleccionó el agua de alimentación del área Kumamoto en el sur de Japón, de alto contenido de sílice. Los costes mostrados son presupuestarios (con una exactitud de + o - el 30 por ciento). La proyección del coste se basa en las siguientes suposiciones:

(1): capacidad nominal del sistema 5.700 m^{3}/día (1.500.00 USGPD)

(2): velocidad de recuperación normal del 75 por ciento frente a la velocidad de recuperación del sistema HERO del 90 por ciento;

(3): los criterios de calidad (química) del UPW (agua ultrapura) son:

(a): sílice <1 PPB,

(b): TOC <1 PPB, y

(c): Oxígeno <5 PPB;

(4): Costes consumibles:

(a)

Ácido sulfúrico (93 por ciento) a 110 US

\textdollar

/tonelada métrica;

(b)

hidróxido sódico (100%) a 500 US

\textdollar

/tonelada métrica;

(c)

antiincrustantes a 3,30 US

\textdollar

/kg (1,50 US

\textdollar

/libra);

(d)

electricidad a 0,075 US

\textdollar

/kwh;

(e)

costes de adquisición de agua y de descarga de agua residual (combinados) a 0,79 US

\textdollar

/m^{3} (3 US

\textdollar

/1.000 galones).

Conversión del sistema de RO existente

La tabla 6 mostrada a continuación asume que un sistema existente de 5.700 m^{3}/día (1,5 millones de USGPD) que funciona a una recuperación del 75 por ciento con el agua de alimentación mostrada en la tabla 5, se convierte en un sistema de proceso de RO de marca HERO con un 90 por ciento de recuperación sin realizar cambios fuera del sistema de RO.

En algunos casos, también es posible usar un diseño de proceso de RO de marca HERO para aumentar los porcentajes de recuperación totales de RO, por medio del procesamiento del rechazo de un sistema de RO convencional mediante (a) la reducción simultánea de la dureza y la alcalinidad en un sistema WAC, (b) la descarbonatación y (c) la elevación del pH, antes de suministrar la corriente a un segundo sistema de RO.

La conversión de los sistemas existentes también puede proporcionar oportunidades únicas para aumentar la capacidad de un sistema de RO. Esto es posible porque el flujo de aproximadamente 611 l/m^{2}/día (15 gfd) en un sistema de RO convencional puede aumentarse hasta aproximadamente 814 l/m^{2}/día (20 gfd) o quizás hasta 1014 l/m^{2}/día (25 gfd) o más, cuando la operación se cambia a una configuración de diseño y operación de proceso de RO de marca HERO.

Nuevo diseño y operación del sistema de RO

La proyección de la tabla 7 mostrada a continuación se realiza basándose en que se construirán dos nuevas marcas de sistemas UPW, en un caso utilizando la estrategia convencional (véase la fig. 13) y en el otro caso utilizando el sistema de RO de marca HERO (véase la fig. 14) que incluye un diseño de bucle de pulido simplificado. Los dos sistemas usarán una RO de doble paso, ultrafiltros de fibras finas huecas e intercambiadores iónicos de lechos no dobles. Aproximadamente un 40 por ciento del uso del UPW será a alta temperatura, y el coste estimado incluye los calentadores DIW. El sistema de tubos de distribución fuera del sistema de ultrafiltración no se incluye en estas estimaciones de los costes, ni la instalación del sistema o los depósitos de almacenamiento revestidos de PVDF, ya que el tamaño de estos componentes es muy específico para cada sitio.

Sumario

Se ha demostrado que la nueva tecnología de RO de marca HERO presenta un rechazo muy alto de todos los contaminantes, especialmente aniones de ácidos débiles. Además, puede conseguirse un porcentaje de recuperación de RO del noventa por ciento (90%) o superior con la inmensa mayoría de las aguas de alimentación. Se eliminan substancialmente las incrustaciones biológicas y al mismo tiempo se reducen substancialmente las incrustaciones particuladas. Con la nueva tecnología HERO puede conseguirse un flujo considerablemente mayor que el que normalmente se obtiene en la práctica usando el diseño de sistema de RO convencional. Aunque los efectos beneficiosos de este nuevo proceso podrían justificar un mayor coste del sistema de UPW, ocurre justo lo contrario. El coste total, así como la complejidad del sistema de UPW se reducen notablemente.

El método y el aparato para el procesamiento de aguas a través de un equipo de separación de membrana y, en particular, a través del diseño de proceso de ósmosis inversa (``RO'') de marca HERO, como se ha descrito en este documento, proporciona un resultado revolucionario y paradójico, particularmente, el aumento simultáneo de los niveles de sílice en el rechazo de RO, pero con bajos de niveles de sílice en el infiltrado de RO purificado. Este método de operación de sistemas de separación de membrana y, en particular, para sistemas de operación de ósmosis inversa, representa una opción significativa para reducir el uso de agua mientras que se reducen simultáneamente los costes de capital y de operación del sistema de tratamiento de agua. La recuperación del agua, es decir, la relación entre la cantidad de corriente de producto infiltrado producida y la cantidad de corriente de agua de alimentación proporcionada, claramente es superior a aproximadamente un 50%, y fácilmente puede aumentarse hasta aproximadamente un 85% o más, y a menudo, hasta un 95% y, algunas veces, alcanzará niveles de aproximadamente un 99%. Además, dadas las eficacias, se consumirá un uso notablemente menor de reactivos químicos, para la regeneración de intercambio iónico o para la limpieza de la RO, por litro (galón) de agua pura producida.

Claims

1. Un proceso para el tratamiento de una corriente (10) de agua de alimentación con un equipo (30) de separación de membrana, comprendiendo dicho equipo de separación de membrana al menos una unidad (30_{(1)}) que tiene un separador de membrana, conteniendo dicha corriente (10) de agua de alimentación solutos en su interior, comprendiendo dichos solutos

(i): dureza,

(ii): alcalinidad, y

(iii): al menos una especie molecular que apenas se ioniza cuando está en una solución acuosa a un pH neutro o casi neutro;

estando caracterizado dicho proceso por

(a) la eliminación eficaz de la tendencia de dicho agua de alimentación (10) a formar incrustaciones cuando dicho agua de alimentación (10) se concentra a un pH seleccionado hasta un factor de concentración preseleccionado en una primera unidad (30_{(1)}) de separador de membrana de dicho equipo (30) de separación de membrana, por medio de la realización, antes de la concentración, en cualquier orden, de dos o más de los siguientes procesos:

(i): eliminación de la dureza de dicha corriente (10) de agua de alimentación;

(ii): eliminación de substancialmente toda la alcalinidad asociada con la dureza de dicha corriente (10) de agua de alimentación;

(iii): eliminación del gas disuelto de dicha corriente (10) de agua de alimentación, tanto si estaba presente inicialmente como si se ha creado durante dicha etapa de eliminación de dureza o alcalinidad;

(b) la elevación del pH del producto de la etapa (a) a un pH seleccionado de al menos aproximadamente 8,5, para inducir la mayor ionización de al menos una especie molecular que está poco ionizada cuando está en solución acuosa a pH neutro o casi neutro;

(c) el paso del producto de la etapa (b) anterior a través de dicho equipo (30) de separación de membrana, resistiendo dicho equipo de separación de membrana substancialmente el paso de especies disueltas a su través, para concentrar dicho agua de alimentación (10) en dicho factor de concentración preseleccionado para producir

(i) una corriente (32) de rechazo con un alto contenido de solutos, y

(ii) una corriente (34) de producto con un bajo contenido de solutos.

2. El proceso indicado en la reivindicación 1, caracterizado además por la eliminación, antes de la concentración en dicho equipo (30) de separación de membrana, de substancialmente toda la alcalinidad no asociada con hidróxido de dicha corriente (10) de agua de alimentación.

3. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde se utiliza una operación de una sola unidad para conseguir las etapas de (a) eliminar la dureza, y (b) retirar substancialmente toda la alcalinidad asociada con la dureza.

4. El proceso indicado en la reivindicación 3, donde dicha operación de una sola unidad comprende un sistema (12) de intercambio catiónico de ácido débil.

5. El proceso indicado en la reivindicación 4, donde dicho sistema (12) de intercambio catiónico de ácido débil se hace funcionar en una forma seleccionada entre el grupo compuesto por (a) la forma de hidrógeno y (b) la forma de sodio.

6. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde la etapa de eliminación de la dureza se realiza pasando dicho agua de alimentación a través de un sistema de intercambio catiónico de ácido fuerte en forma de sodio.

7. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde en la etapa (b), el pH se eleva a un nivel seleccionado entre el grupo compuesto por un valor comprendido entre 8,5 y 10,5.

8. El proceso indicado en la reivindicación 4, donde el pH se controla a al menos aproximadamente 10,5, medido en la corriente (32) de rechazo.

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9. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde en dicha etapa (b) el pH se controla a un valor de aproximadamente 11, medido en la corriente (32) de rechazo.

10. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde dicha al menos una especie poco ionizada cuando está en una solución acuosa a pH neutro o casi neutro comprende sílice.

11. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad mayor que aproximadamente 120 ppm.

12. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad mayor que aproximadamente 160 ppm.

13. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad de hasta aproximadamente 450 ppm.

14. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad mayor que aproximadamente 450 ppm.

15. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad de hasta aproximadamente 500 ppm.

16. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad de hasta aproximadamente 1000 ppm.

17. El proceso indicado en la reivindicación 10, donde dicha corriente (32) de rechazo que contiene un alto nivel de solutos comprende sílice en una cantidad de hasta aproximadamente 2000 ppm.

18. El proceso indicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha al menos una especie poco ionizada cuando está en una solución acuosa a pH neutro o casi neutro comprende boro.

19. El proceso indicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha al menos una especie poco ionizada cuando está en una solución acuosa a pH neutro o casi neutro comprende una especie de carbono orgánico ionizable.

20. El proceso indicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha especie poco ionizada cuando está en una solución acuosa a pH neutro o casi neutro comprende cianuro.

21. El proceso indicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha especie poco ionizada cuando está en una solución acuosa a pH neutro o casi neutro comprende un ácido débil con un pKa_{1} de aproximadamente 7,5 o superior.

22. El proceso indicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha corriente de agua de alimentación comprende además bacterias vivas, y donde el proceso se caracteriza adicionalmente por la etapa de destruir dichas bacterias para producir fragmentos de bacterias y endotoxinas, para producir una corriente (34) de producto que carece substancialmente de bacterias vivas.

23. El proceso indicado en la reivindicación 22, donde dicho proceso comprende además la etapa de destruir substancialmente dichos fragmentos de bacterias y endotoxinas, de forma que dicho proceso se caracteriza adicionalmente por proporcionar una corriente de producto esencialmente exenta de fragmentos de bacterias y endotoxinas.

24. El proceso indicado en la reivindicación 22 o en la reivindicación 23, donde dicha corriente de producto comprende un contenido de bacterias esencialmente cero.

25. El proceso indicado en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, donde dicha corriente de agua de alimentación (10) comprende además virus activos, y donde la etapa de elevar dicho pH desactiva los virus activos, de forma que el proceso se caracteriza adicionalmente por proporcionar una corriente (34) de producto que está esencialmente exenta de virus activos.

26. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la relación entre la cantidad de dicha corriente (34) de producto infiltrada producida y la cantidad de dicha corriente de agua de alimentación (10) proporcionada es de aproximadamente un 85% o mayor.

27. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la relación entre la cantidad de dicha corriente (34) de producto infiltrada producida y la cantidad de dicha corriente de agua de alimentación (10) proporcionada es de aproximadamente un 95% o mayor.

28. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la relación entre la cantidad de dicha corriente (34) de producto infiltrada producida y la cantidad de dicha corriente de agua de alimentación (10) proporcionada es de aproximadamente un 99% o mayor.

29. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicho equipo (30) de separación de membrana comprende un equipo de nanofiltración.

30. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicho equipo (30) de separación de membrana comprende un equipo de ósmosis inversa.

31. El proceso de acuerdo con la reivindicación 30, donde dicho equipo de ósmosis inversa comprende N unidades de ósmosis inversa que funcionan en series de unidades de 1 a N, con respecto a dicha corriente de producto, y donde N es un número entero positivo mayor que 1.

32. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además la etapa de pasar dicha corriente (32) de producto desde dicho equipo (30) de ósmosis inversa a través de una o más unidades (44) de intercambio iónico de lecho mixto.

33. El proceso de acuerdo con la reivindicación 32, que comprende además la etapa de hacer funcionar dichas una o más unidades (44) de intercambio iónico de lecho mixto a una relación de salida preseleccionada con respecto a uno o más de (a) sílice, (b) boro o (c) TOC, y después, desechar la resina del medio de dichas una o más unidades (44) de intercambio iónico de lecho mixto y substituirla por el medio de una segunda de dichas una o más unidades (44) de intercambio iónico de lecho mixto.

34. El proceso indicado en la reivindicación 32, que comprende además la etapa de tratar dicha corriente de producto (34_{(1+N)}) en una unidad (150) de electrodesionización continua para producir una corriente de agua purificada (E).

35. El proceso indicado en la reivindicación 34, que comprende además la etapa de tratar adicionalmente dicha corriente de agua purificada (E) en una unidad (49) de esterilización ultravioleta.

36. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la etapa de elevar el pH se realiza usando un intercambiador aniónico (31) para aumentar el número de iones hidróxido presentes en dicha corriente de agua de alimentación.

37. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha agua de alimentación (10) se selecciona entre el grupo compuesto por (a) el agua purgada (114) de una torre de refrigeración (110), el agua purgada (116) de un depurador, (c) agua de transporte de cenizas en una planta de energía eléctrica de vapor con combustión de carbón y (d) un suministro de agua potable.

38. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicha corriente (34) de producto se produce a una velocidad de producción (flujo) seleccionada entre el grupo compuesto por (a) entre 611 y 814 litros por metro cuadrado al día (15 y 20 galones por pie cuadrado al día), (b) entre 814 y 977 litros por metro cuadrado por día (20 y 24 galones por pie cuadrado por día), (c) entre 977 y 1222 litros por metro cuadrado por día (24 y 30 galones por pie cuadrado por día) y (d) entre 1222 y 2036 litros por metro cuadrado por día (30 y 50 galones por pie cuadrado por día).

39. El proceso indicado en la reivindicación 4, donde dicha corriente de agua de alimentación (10) contiene más dureza que alcalinidad, que comprende adicionalmente, antes de suministrar dicho agua de alimentación a dicho sistema (12) de intercambio catiónico de ácido débil, la etapa de ajustar la relación entre dureza y alcalinidad añadiendo una base a dicho agua de alimentación, para elevar la alcalinidad de dicho agua de alimentación.

40. El proceso indicado en la reivindicación 4, donde dicha corriente de agua de alimentación (10) contiene más alcalinidad que dureza, que comprende además la etapa de añadir ácido a dicho agua de alimentación para destruir el exceso de alcalinidad en dicho agua de alimentación.

41. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde dicho agua de alimentación (10) comprende además sílice, y donde dicho equipo (30) de separación de membrana se hace funcionar a una presión diferencial, y donde dicho proceso se caracteriza adicionalmente por

(a) una velocidad de producción de infiltrado (34) normalizada estable;

(b) una velocidad de rechazo de sílice estable; y

(c) una presión diferencial estable.

42. El proceso indicado en una cualquiera de las reivindicaciones, 1, 2, 4 ó 7, donde dicho producto de agua ultrapura (UP) cumple o excede la norma de calidad de resistividad de 18,2 megohm.

43. El proceso indicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 4 ó 7, donde dicho proceso se caracteriza adicionalmente por la ausencia de la adición de un inhibidor de incrustaciones para minimizar o prevenir las incrustaciones en dicho equipo (30) de separación de membrana.

44. Aparato para realizar el proceso de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, comprendiendo dicho aparato, en orden por flujo de agua de alimentación:

(a) un equipo de pretratamiento para eliminar eficazmente la tendencia de dicho agua de alimentación a formar incrustaciones cuando dicho agua de alimentación se concentra en un factor de concentración deseado a un pH seleccionado, que comprende, en cualquier orden, dos o más de los siguientes:

(i): al menos un reblandecedor para eliminar substancialmente toda la dureza de dicha corriente de agua de alimentación

(ii): al menos un desalcalinizador para eliminar substancialmente toda la alcalinidad asociada con la dureza de dicha corriente de agua de alimentación;

(iii): un desgasificador (20) para eliminar al menos algunos gases disueltos, tanto si están presentes inicialmente como si se han creado durante dicha etapa de eliminación de dureza o de alcalinidad;

(b) un aparato (24) de adición de agentes químicos para elevar el pH del producto de la etapa (a) a un pH seleccionado de al menos aproximadamente 8,5 añadiendo una base seleccionada al mismo, para inducir el aumento de la ionización de al menos una especie molecular que se ioniza poco cuando está en una solución acuosa a un pH neutro o casi neutro;

(c) una o más unidades (30) de separación de membrana, siendo dichas una o más unidades de separación de membrana para tratar el agua de alimentación (10) para producir una corriente (32) de rechazo y una corriente (34) de producto, resistiendo substancialmente dichas una o más unidades de separación de membrana al paso de especies ionizadas a su través, para concentrar dicho agua de alimentación (10) en dicho factor de concentración deseado.

45. El aparato indicado en la reivindicación 44, donde dichas una o más unidades de separación de membrana funcionan en serie con respecto a dicha corriente de producto de dichas una o más unidades de separación de membrana, y donde dichas una o más unidades de separación de membrana comprenden N unidades de separación de membrana en una serie de unidades de 1 a N, y donde N es un número entero positivo mayor que 1.

46. El aparato indicado en la reivindicación 45, que comprende además, corriente abajo de una unidad de separación de membrana Nº, para procesar adicionalmente la corriente de producto procedente de la misma, al menos una unidad (44) de intercambio iónico de lecho mixto.

47. El aparato indicado en la reivindicación 44, que comprende además una unidad (150) de electrodesionización continua para procesar dicha corriente de producto (34_{(1+N)}) y producir una corriente de agua purificada (E).

48. El aparato indicado en la reivindicación 47, que comprende además una unidad (49) de esterilización ultravioleta.

49. El aparato indicado en la reivindicación 48, que comprende además un filtro submicrométrico (48) para producir un producto de agua ultrapura(UP).