ES2281140T3

ES2281140T3 - Procedimiento para la desalinizacion de agua de mar con un rendimiento y una calidad del producto incrementados.

Info

Publication number: ES2281140T3
Application number: ES98949550T
Authority: ES
Inventors: Ata M. Hassan
Original assignee: SALINE WATER CONVERSION CORP; Saline Water Conversion Corp Saudi Arabia
Current assignee: SALINE WATER CONVERSION CORP; Saline Water Conversion Corp Saudi Arabia
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2007-09-16
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: EP1019325B1; DE69836865D1; AU9584998A; US6508936B1; EP1019325A1; WO1999016714A1; CY1106496T1

Abstract

Un procedimiento de desalinización que comprende el paso de agua de mar con un alto contenido de especies iónicas que forman incrustaciones de dureza, microorganismos, materia particulada y sólidos disueltos totales a través de una unidad de nanofiltración de membrana para formar un primer producto de agua con un contenido reducido de dichas especies iónicas, microorganismos, materia particulada y sólidos disueltos totales, a continuación el paso de dicho primer producto de agua a través de una unidad de ósmosis inversa de agua de mar para formar un segundo producto de agua de calidad del agua potable y un producto desechado con una salinidad incrementada y una dureza reducida, y a continuación el paso de dicho producto de agua desechada a través de una unidad de destilación térmica para formar un tercer producto de agua de calidad de agua potable.

Description

Procedimiento para la desalinización de agua de mar con un rendimiento y una calidad del producto incrementados.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La presente invención se refiere a la desalinización de agua de mar. Más particularmente se refiere a un procedimiento para la desalinización de agua de mar para la producción de agua dulce.

Descripción de la técnica anterior

Muchos países han considerado la desalinización de agua salada, especialmente agua de mar, como fuente de agua dulce para sus regiones costeras áridas o para regiones en las que las fuentes de agua son salobres o tienen una dureza excesiva. Las áreas típicas en las que se ha considerado o está en uso la desalinización incluyen el sur de California en los Estados Unidos, Arabia Saudí y otros países de oriente medio, países mediterráneos, México y países de la costa del Pacífico de Sudamérica. De manera similar, islas con fuentes de agua dulce limitadas tales como Malta, las islas Canarias y las islas Caribe, también usan o han considerado la desalinización del agua de mar como fuente de agua dulce.

No obstante, en el pasado el procedimiento de desalinización tenía unos requerimientos energéticos elevados por unidad de producto de agua desalinizada y funcionaba a rendimientos relativamente bajos, normalmente del 35% o inferior en relación a la alimentación. Por tanto sólo han sido económicos para aquellas localizaciones en las que la escasez de agua dulce es acusada y los costes energéticos son bajos. Aunque también se han usado plantas de desalinización en otras áreas, esos usos generalmente han sido en tiempos de sequía o como fuentes de agua dulce auxiliares o suplementarias cuando otras fuentes están temporalmente limitadas o no disponibles, puesto que en la mayoría de tales localizaciones los procedimientos de desalinización actuales no se pueden completar de manera eficaz con otras fuentes de agua dulce, tales como canales o acueductos terrestres procedentes de ríos y embalses distantes.

No obstante, debido a que hay un vasto volumen de agua presente en los mares y océanos, y debido a que las fuentes directas de agua dulce (tales como ríos interiores, lagos y acuíferos subterráneos) se están agotando, están contaminados, o han alcanzado sus límites de capacidad, hay una vía de investigación exhaustiva por todo el mundo para un procedimiento económico para la desalinización de agua salada, y especialmente de agua de mar.

La desalinización del agua de mar debe tener en cuenta propiedades importantes del agua de mar: turbidez, dureza y salinidad (contenido iónico y sólidos disueltos totales [TDS]) y la presencia de partículas y microorganismos suspendidos. Estas propiedades fijan un límite del 30%-35% sobre el rendimiento de la cantidad de agua dulce que se puede esperar del procedimiento de desalinización de la técnica anterior tal y como se usa o se propone. Puesto que el agua de mar tiene el mayor potencial como fuente de agua potable (es decir, considerada generalmente por ser agua con un contenido de sal de \leq 500 ppm [ibid.]), esta solicitud se refiere a la desalinización del agua de mar.

La destilación instantánea multifásica (MSFD) es el principal procedimiento de desalinización usado mundialmente. Únicamente este procedimiento supone el 48% aproximadamente de la capacidad de desalinización mundial total comparado con el 36% producido por el procedimiento de ósmosis inversa (RO). El resto (16%) se produce mediante una variedad de procedimientos, principalmente electrodiálisis (ED), destilación de efecto múltiple (MED) y destilación por compresión de vapor (VCD). Arabia Saudí es el principal usuario de la MSFD y Estados Unidos es el mayor usuario del procedimiento de RO. Los procedimientos de MSFD, MED y VCD se usan exclusivamente en la desalinización del agua de mar, mientras que la ED se aplica en la desalinización de agua salobre y en la preparación de agua pura. El procedimiento de RO se aplica tanto a una alimentación de agua de mar como de agua salobre pero en el pasado su aplicación era principalmente para agua salobre, agua potable y en la preparación de agua pura. No obstante, más recientemente, la desalinización por RO de agua de mar (SWRO) se ha hecho más habitual, con la utilización de plantas relativamente grandes de 10-15 millones de galones/día (mgd) [39-57 millones de litros/día (mLd)].

Las plantas de SWRO están muy limitadas por factores tales como la turbidez (TDS) de la alimentación de agua. La presión osmótica de la alimentación aumenta con la TDS. A partir de los principios de la RO la presión aplicada se usa necesariamente para superar la presión osmótica y la presión restante es la presión neta de conducción del agua a través de la membrana. Cuanto menor se pueda hacer la presión osmótica, mayor es la presión neta de conducción del agua, y por tanto mayor es la cantidad de presión disponible para conducir el agua permeada a través de la membrana, que además produce una mayor cantidad de producto.

Se han usado diversos tipos de sistemas de filtración o coagulación-filtración para el tratamiento de agua y otras suspensiones y disoluciones líquidas en la retirada de materia particulada. Para la retirada de partículas finas con tamaños inferiores a 1 \mum, se ha empleado microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y filtración con membrana por hiperfiltración/ósmosis inversa (HFRO). La MF se usa con partículas que tienen tamaños en el intervalo de 0,08-2,0 \mum, el procedimiento con membrana de UF es más eficaz para partículas más finas con tamaños en el intervalo de 0,01-0,2 \mum y con un peso molecular (MW) en el intervalo de 10.000 g/mol y superior. Ambos procedimientos con membranas de MF y UF son procedimientos de filtración auténticos cuando la separación de las partículas se realiza según el tamaño. Además, cada una de las membranas de MF y UF tiene su propio tamaño de poro y límites de separación característicos. Estos procedimientos de filtración difieren significativamente del procedimiento de RO que es un procedimiento por diferencia de presiones para la separación de partículas iónicas con tamaños de 0,001 \mum o inferior y pesos moleculares de 200 g/mol o inferior.

El procedimiento con la membrana de NF está en el medio del intervalo de separación de la RO y la UF, y es adecuado para la separación de tamaños de partícula en el intervalo de 0,01-0,001 \mum y pesos moleculares de 200 g/mol y superiores. No obstante, a diferencia de la UF o la RO, la NF funciona por dos principios: la exclusión de partículas neutras según el tamaño y la exclusión de materia iónica por interacciones electrostáticas con una membrana cargada negativamente; Rautenbach y col., Desalination, 77: 73-84 (1990). La NF se ha usado en Florida para el tratamiento de aguas duras para producir agua de la calidad del agua potable. La NF también se ha usado para la eliminación del color, turbidez, y compuestos orgánicos disueltos del agua potable; Duran y col., Desalination, 102: 27-34 (1995) y Fu y col., Desalination, 102: 47-56 (1995). La NF se ha usado en otras aplicaciones para tratar disoluciones saladas y lixiviados de vertedero; Linde y col., Desalination, 103: 223-232 (1995); la retirada de sulfatos del agua de mar para su inyección en depósitos de pozos de petróleo costeros; Ikeda y col., Desalination, 68: 109 (1988); Aksia Serch Baker, Filtration and Separation (Junio, 1997).

Glen G. Wensley y col., "Ion Selective Membranes a Presoftening Process for Seawater Desalination"; Proceedings of the 7th International Symposium on Fresh Water from the Sea, Vol. 1, págs. 417-426, 1980, describe un procedimiento de desalinización que comprende el paso de agua de mar que contiene iones que forman incrustaciones de dureza a través de membranas selectivas de iones como tratamiento previo para formar un primer producto de agua con un contenido reducido en dichos iones (preablandamiento), y a continuación el paso de dicho primer producto de agua a destilación térmica (por ejemplo, MSFD) para formar un segundo producto de agua (destilado).

Dudley W., "Low-pressure reverse osmosis pretreatment for distiller feed water"; U.S. NTIS AD Report (1975), AD-A015081, describe un procedimiento de desalinización que comprende el paso de agua de mar que contiene iones que forman incrustaciones de dureza a través de una unidad de membrana de ósmosis inversa a baja presión para formar un primer producto de agua con un contenido reducido en iones sulfato, calcio y magnesio, y a continuación el paso de dicho primer producto de agua a través de una unidad evaporadora/destiladora para formar un segundo producto de agua dulce.

Daniel L. Comstock, "Desal -5 membrane for water softening", Desalination, vol. 76, páginas 61-72, 1989, describe el uso del ablandamiento con membrana para evitar la formación de incrustaciones en ósmosis inversa y destilación súbita.

El documento JP 9141260 A describe un procedimiento para la desalinización del agua de mar que comprende el paso de agua de mar que contiene iones que forman incrustaciones a través de una unidad de nanofiltración de membrana para formar un primer producto de agua con un contenido reducido en dichos iones (por ejemplo, iones sulfato) y a continuación el paso de dicho primer producto de agua a través de una unidad de ósmosis inversa de agua de mar para formar un segundo producto de agua dulce.

Por tanto sería de considerable interés mundial tener disponible un procedimiento que produzca económicamente un buen rendimiento de agua dulce a partir de agua de mar, y que solucione eficazmente los problemas mencionados anteriormente; es decir, la retirada de la dureza y la turbidez del agua de mar y la disminución de los sólidos disueltos totales.

Resumen de la invención

Ahora se ha inventado un procedimiento que, combinando procedimientos de tratamiento de agua sustancialmente diferentes de una manera no realizada hasta la fecha, desaliniza agua de mar, para producir un rendimiento muy elevado de agua dulce de gran calidad, incluyendo agua potable, con un consumo de energía por unidad de producto equivalente a o mejor que los procedimientos de desalinización mucho menos eficientes de la técnica anterior. En el presente procedimiento la nanofiltración como primera etapa de desalinización se combina sinérgicamente con una destilación instantánea multifásica, una destilación multiefecto, una destilación por compresión de vapor y un procedimiento de ósmosis inversa de agua de mar para proporcionar un sistema integrado mediante el cual el agua de mar se puede convertir eficaz y económicamente en agua dulce de alta calidad con rendimientos que son significativamente superiores en un 70%-80% a los rendimientos disponibles en los procedimientos de la técnica anterior, solos o en combinaciones conocidas o descritas hasta la fecha. Así, aunque las etapas individuales se conocen de manera separada y tales etapas se han descrito individualmente en combinación con otros procedimientos para diferentes propósitos, el presente procedimiento no se conoce o se ha considerado previamente por aquellos expertos en la materia, y nada en la técnica anterior ha sugerido la sorprendente y única magnitud de mejora en la desalinización del agua de mar obtenida a través de este procedimiento comparado con los procedimientos de la técnica anterior.

Por tanto, la invención se refiere a un procedimiento de desalinización según se reivindica en la reivindicación 1, que comprende el paso de agua de mar con un alto contenido en especies iónicas que forman incrustaciones de dureza, microorganismos, materia particulada y sólidos disueltos totales a través de una unidad de nanofiltración de membrana para formar un primer producto de agua con un contenido reducido en dichas especies iónicas, microorganismos, materia particulada y TDS, y a continuación el paso de dicho primer producto de agua a través de una unidad de ósmosis inversa de agua de mar para formar un segundo producto de agua de calidad del agua potable y un producto desechado con una salinidad incrementada y una dureza reducida, y a continuación el paso de dicho producto de agua desechada a través de una unidad de destilación térmica para formar un tercer producto de agua de calidad del agua potable.

El procedimiento proporciona de forma sencilla y rentable reducciones significativas en las propiedades del agua de mar, y produce agua dulce buena, incluyendo agua potable. Normalmente, un procedimiento de esta invención producirá, con respecto a las propiedades de la alimentación del agua de mar, unas reducciones en el contenido de cationes calcio y magnesio del orden del 75%-95%, unas reducciones en la salinidad total del orden del 25%-38%, una disminución del pH de 0,4-0,5 aproximadamente, y unas reducciones en el contenido en sólidos disueltos totales (TDS) del 35%-50% aproximadamente.

Breve descripción de los dibujos

Las Figuras son gráficas u organigramas relacionados con los datos presentados a continuación. En las descripciones de esos datos se encontrarán descripciones más detalladas de las Figuras.

La Figura 1 es una gráfica que muestra el efecto del TDS en la alimentación del agua de mar sobre la presión osmótica de la alimentación-salmuera a una concentración constante de salmuera en SWRO.

La Figura 2 es un organigrama esquemático de una planta de desalinización de NF-SWRO.

La Figura 3 es una gráfica que muestra la relación de tiempos entre la velocidad de caudal del agua de NF para la alimentación, el desecho y la recuperación del producto durante el funcionamiento del procedimiento.

La Figura 4 es una gráfica que muestra la relación de tiempos de la conductividad del agua de la alimentación, el desecho y el producto durante el funcionamiento en continuo del procedimiento de NF.

La Figura 5 es una gráfica similar a la Figura 3 pero para la SWRO que incluye un cambio en la presión aplicada.

La Figura 6 es una gráfica similar a la Figura 4 pero para la SWRO que incluye un cambio en la presión aplicada.

La Figura 7 es una gráfica que muestra el efecto del incremento de la presión aplicada en una membrana sobre el caudal del agua producto y la recuperación del producto a partir de la unidad de SWRO en un procedimiento de
NF-SWRO.

La Figura 8 es una comparación gráfica de un procedimiento de NF-SWRO con un procedimiento de SWRO localizados en el Mar Rojo.

La Figura 9 es un organigrama esquemático de una planta que utiliza el procedimiento de esta invención, con una unidad de NF como primera etapa de desalinización que introduce la SWRO y la MSFD como segundas etapas de desalinización, que además muestra el desecho de la SWRO como alimentación para la etapa de la MSFD.

Descripción detallada y formas de realización preferidas

La presente invención se entenderá mejor considerando primero los diversos componentes y propiedades del agua de mar. Normalmente el agua de mar tendrá un contenido catiónico del orden del 1,2%-1,7%, de los cuales normalmente unas 700-2000 ppm serán cationes "duros" es decir, cationes de calcio y magnesio; un contenido aniónico del orden del 2,2%-2,8%; un pH del orden de 7,9-8,2; aunque pueden estar presentes intervalos más amplios de una o más de estas propiedades, para constituir un contenido en sólidos disueltos totales del orden del 1,0%-5,0%, habitualmente en 3,0%-5,0%. No obstante, se reconocerá que estos componentes y propiedades varían a lo largo de los mares y océanos del mundo. Por ejemplo, los mares cerrados más pequeños en climas cálidos normalmente tendrán mayores salinidades (contenido iónico) que regiones oceánicas abiertas. Asimismo, la turbidez (reflejada por los sólidos en suspensión totales) de un área pequeña de un mar u océano, tal como el área del cual la planta de desalinización extrae su alimentación del agua de mar, dependerá de la concentración local de organismos y partículas, e incluso dentro del mismo área tales concentraciones pueden y a menudo cambian con el tiempo, clima y/o cambios topográficos. Los valores típicos se muestran en la Tabla 1 a continuación, e ilustran la variación del agua de mar entre el agua oceánica abierta típica y el agua de un mar "de golfo" cerrado (a veces denominado en lo sucesivo "agua oceánica" y "agua de golfo" respectivamente). Aunque el "agua oceánica" a menudo se toma como base para las propiedades normales del agua de mar, para los propósitos de la descripción del presente documento, también se reconocerá que los componentes y propiedades de los mares y océanos del mundo son sustancialmente similares en todas partes, y que aquellas variaciones locales que se produzcan son bien entendidas y adaptadas por personas expertas en la materia. En consecuencia, la invención descrita en el presente documento será útil virtualmente en cualquier localización geográfica, y la siguiente descripción del funcionamiento con respecto al agua de golfo se debe considerar sólo ejemplar y no limitante.

TABLA 1

1

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El agua de mar se caracteriza por tener un TDS elevado, un alto grado de dureza debido a la presencia de iones Ca^{++}, Mg^{++}, SO_{4}^{=} y HCO_{3}^{-} a una concentración relativamente elevada, grados variables de turbidez, la presencia de materia particulada, macro y microorganismos y un pH de 8,2 aproximadamente. Muchos de los problemas y sus efectos sobre las limitaciones en la desalinización del agua de mar están relacionados con esas cualidades del agua de mar.

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Uno de los problemas principales que es inherente a todos los procedimientos de desalinización de la técnica anterior es la resolución del alto grado de dureza del agua de mar. Puesto que todos los procedimientos de desalinización funcionan para extraer agua dulce a partir de agua salada, las sales y los iones duros se dejan atrás en la salmuera con el efecto de que se incrementan tanto las concentraciones del TDS como la dureza de la salmuera. Puesto que los iones duros son poco solubles en el agua de mar es habitual que precipiten en forma de incrustaciones dentro del equipo de desalinización, por ejemplo, en los tubos, membranas, etc. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento del procedimiento de desalinización, se forman dos tipos de incrustaciones: una incrustación blanda alcalina compuesta principalmente por CaCO_{3} y Mg(OH)_{2} y una incrustación dura no alcalina compuesta principalmente por CaSO_{4}, CaSO_{4} \cdot 1/2H_{2}O y CaSO_{4} \cdot 2H_{2}O. La formación de esta última forma es exagerada a temperaturas superiores, puesto que la solubilidad del CaSO_{4} disminuye a medida que se incrementa la temperatura de la disolución. En el pasado, los operadores de la MSFD u otras plantas de desalinización térmica habitualmente añadían ácidos y/o otros aditivos anti-incrustaciones al agua de alimentación, para permitir el funcionamiento del procedimiento a temperaturas de la salmuera de 90º-120ºC sin la formación de incrustaciones. No obstante, a pesar de esto, la recuperación del agua dulce producto como fracción del producto para la alimentación de relleno era baja, del 30% al 35%. Para temperaturas de funcionamiento superiores, era necesario el intercambio iónico para retirar el SO_{4}^{=} o el Ca^{++} y obtener una recuperación de agua superior. De manera similar, en operaciones de SWRO también se han añadido habitualmente agentes anti-incrustaciones para prevenir la formación de incrustaciones en la membrana o en la planta, pero de nuevo la recuperación de agua tiende a estar limitada al 35% aproximadamente o menos. Además, los agentes anti-incrustaciones normalmente se devuelven al entorno marino, bien como parte de la descarga de salmuera o durante las operaciones de eliminación de las incrustaciones. Tales materiales normalmente son contaminantes del entorno marino, y como tales mejor se deberían evitar.

Otro problema en la desalinización del agua de mar es el de las impurezas del agua de mar introducidas en las plantas de desalinización. La presencia de materia particulada (macropartículas), microorganismos (por ejemplo, bacterias) y macroorganismos (mejillones, percebes, algas) requiere su retirada de la alimentación tanto en plantas de desalinización por SWRO como térmicas. La retirada de la turbidez y los compuestos particulados finos (TSS) de la alimentación destinada a las plantas de SWRO ha sido esencial, pero no ha sido necesaria para los procedimientos térmicos. También ha sido necesaria la retirada del cloro de la alimentación para membranas de SWRO sensibles al cloro.

Un tercer problema en la desalinización del agua de mar, particularmente para procedimientos de SWRO, es el alto TDS de la alimentación del agua de mar. La presión osmótica de la alimentación se incrementa a medida que se incrementa el TDS de la alimentación. Esto reduce la presión neta de conducción del agua disponible para la conducción del agua a través de las membranas de RO, cuando la resistencia de la membrana limita los incrementos en la presión aplicada, o requiere una presión aplicada superior para mantener una presión neta de conducción del agua equivalente. El efecto de la variación del TDS en la alimentación sobre la presión osmótica y la presión neta de conducción del agua en un procedimiento de SWRO a una temperatura de 25ºC y a una presión aplicada de 6000 kPa y un TDS en la salmuera final de 66,615 ppm se muestra en la Figura 1. La presión útil disponible para conducir el agua a través de la membrana marcada por el área sombreada disminuye a medida que se incrementa el TDS de la alimentación. Puesto que el caudal permeado a través de la membrana es directamente proporcional a la presión neta de conducción del agua, la reducción del TDS de la alimentación mediante el presente procedimiento no sólo reduce la pérdida de energía sino que también incrementa la permeación de agua dulce a través de la membrana. Como se ilustrará a continuación, este caso de energía ganada disminuyendo el TDS de la alimentación es un efecto principal obtenido mediante el presente procedimiento.

Estos problemas en la desalinización del agua de mar y las medidas usadas para mitigarlos se resumen en la Tabla 2 junto con los requerimientos de calidad de la alimentación para la planta de SWRO y la alimentación de relleno para las plantas de MSF así como a otros procedimientos de destilación térmicos en los que la alimentación se obtiene de una toma a mar abierto (superficial).

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 2

2

El presente procedimiento reduce significativamente la dureza, disminuye el TDS en las etapas de membrana, y retira la turbidez de la alimentación, disminuyendo el consumo energético y químico, incrementando la recuperación de agua y disminuyendo el coste de producción de agua fresca a partir de agua de mar. Esto se consigue mediante una combinación única de NF con SWRO, MSFD, MED o VCD como se expone en el procedimiento según la reivindicación 1, que se puede mejorar más mediante la combinación adicional con medios de filtración sin coagulación o con el uso de una toma subsuperficial tal como pozos de playa para la recogida de agua de mar.

La nanofiltración, SWRO, MSFD, MED y VCD se han descrito todos ampliamente en la bibliografía y existen instalaciones comerciales de cada uno. Por tanto no se necesita dar aquí descripciones detalladas de cada etapa, del equipo y los materiales usados en ellas y los diversos parámetros de funcionamiento. Como ejemplos típicos de descripciones exhaustivas en la bibliografía, se hace referencia a Kirk-Othmer, ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY, 21: 327-328 (4th Edn.: 1991) para la nanofiltración; ibid, págs. 303-327, para la SWRO; y McKetta y col., ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN, 16: 198-224 (1982) para la MSFD, MED y VCD. Véase también Linde y col., supra, y las referencias allí citadas para la NF y Corbitt, STANDARD HANDBOOK OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING, 5-146 a 5-151 para la RO y 5-161 a 5-163 para la MSFD (1990).

Con los conceptos básicos de la NF, SWRO, MSFD, MED y VCD bien descritos y entendidos, los detalles de las etapas de la presente invención se pueden entender mejor en referencia al trabajo experimental, que se realizó en una planta a escala piloto. En la Figura 2 se da un organigrama esquemático de un procedimiento de NF-SWRO. En la Figura 9 se representa un funcionamiento comercial proyectado típico que utiliza tanto la SWRO como la MSFD. Este procedimiento consta de un sistema de suministro de agua de mar, un medio de filtración doble seguido de un filtro de arena fino, un filtro de cartucho de 5 micrómetros, un tanque de alimentación, la unidad de NF y la unidad de SWRO. El tamaño de partícula de la arena en el filtro de arena puede variar, y normalmente es del orden de 0,3-1,0 mm.

La unidad de NF consta de una bomba de alta presión para proporcionar una presión de hasta 2000 kPa y módulos de NF cada uno que contiene dos elementos de membrana. Las membranas de NF pueden estar en configuración enrollada en espiral, fibrilar fina hueca, tubular o en placa, aunque casi todas las membranas de NF comerciales son tipos de compuesto de película delgada y están fabricadas de polímeros no celulósicos con una configuración enrollada en espiral. Normalmente el polímero es de tipo hidrófobo que incorpora grupos cargados negativamente, como se describe por ejemplo en Raman y col., Chem. Eng. Progress, 7 (1): 58 (1988). La disposición de los módulos es como se muestra en la Figura 2 en la que la alimentación se introduce a la temperatura ambiente del agua de mar al primero de los dos módulos dispuestos en paralelo y el desecho de cada uno se introduce en el siguiente módulo al cual está conectado en serie. El desecho de los dos últimos módulos constituye la alimentación para el quinto módulo final.

La unidad de SWRO consta de una bomba de alta presión capaz de proporcionar una presión de hasta 7000 kPa (aunque se pueden usar presiones de membrana superiores de hasta 8000 kPa), seguido de seis módulos de SWRO, cada uno de los cuales contiene un elemento de membrana enrollada en espiral, todos dispuestos en serie como se muestra en la Figura.

Después de la filtración inicial sin coagulación el agua de mar filtrada a temperatura ambiente se pasa a la membrana de NF a una presión de 1800 kPa aproximadamente. A esto le sigue el paso del producto de la NF procedente de la unidad de NF, también a temperatura ambiente, a la unidad de SWRO donde se separa a una presión de 5600 a 6000 kPa en el producto permeado y desechado. Este procedimiento no requiere añadir compuestos químicos como agentes coagulantes o agentes anti-incrustaciones. El cloro, cuando está presente en la alimentación, se puede retirar antes de la unidad de NF mediante el uso convencional de bisulfito sódico.

En diversas operaciones alternativas, ambas unidades de NF-SWRO se hicieron funcionar de manera continua manteniendo constantes las condiciones de funcionamiento para la unidad de NF, o la unidad de SWRO se hizo funcionar en condiciones de funcionamiento constantes excepto por la variación de la presión entre 5600-7000 kPa, de manera que se pudo determinar el efecto de la presión sobre la recuperación del agua producto.

El trabajo experimental se realizó usando agua de mar del Golfo Pérsico, y, como se describirá a continuación, se comparó con el funcionamiento de una planta de desalinización de agua de mar por SWRO comercial de la técnica anterior en Arabia Saudí (en lo sucesivo denominada "Planta A"), que también usa una alimentación de agua de mar del Golfo Pérsico. La Tabla 3 a continuación lista la concentración de los diversos iones del agua de mar en el agua de mar del Golfo Pérsico antes y después de la etapa de NF junto con la cantidad del desecho salino. El ensayo de NF se realizó primero por razones experimentales usando un módulo de NF con dos elementos. El procedimiento continuo ilustrado en las Figuras 3 y 4 y sucesivos se realizó usando una unidad de cinco módulos con dos elementos de membrana por módulo.

TABLA 3

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Se puede observar en esta Tabla que, con respecto a dichas propiedades del agua de mar, el contenido en iones calcio, magnesio, sulfato y bicarbonato se reduce del orden del 63%-94%, el pH disminuye en 0,4-0,5 unidades aproximadamente y el contenido en sólidos disueltos totales se reduce un 35%-50% aproximadamente.

La concentración de los iones duros de Ca^{++}, Mg^{++}, SO_{4}^{=} y HCO_{3}^{-} en un permeado por NF cuando se usa un módulo de NF es de 63 ppm, 105 ppm, 55 ppm y 37 ppm, respectivamente, comparada con sus concentraciones en el agua de mar de: 481 ppm, 1608 ppm, 3200 ppm y 128 ppm. Los desechos de esos iones de Ca^{++}, Mg^{++}, SO_{4}^{=} y HCO_{3}^{-} de la alimentación fueron del 87%, 92%, 98% y 71%, respectivamente. Cuando la alimentación del agua de mar se pasaron a través de cinco módulos de NF las concentraciones iónicas medias de Ca^{++}, Mg^{++}, SO_{4}^{=} y HCO_{3}^{-} fueron 93 ppm, 193 ppm, 206 ppm y 46 ppm, respectivamente, mientras que el desecho de sales medio fue del 80,7%, 87,7%, 93,3% y 63,3%. La dureza total se redujo un 86,5%. Además, el ión cloruro también se redujo desde 22.780 ppm en la alimentación del agua de mar a una media de 16.692 ppm aproximadamente en el permeado de NF o una reducción del 26,7% aproximadamente. Se produce una reducción similar para los iones Na^{+} y K^{+}. El efecto neto de esta reducción mediante la etapa de NF en los iones Cl^{-}, Na^{+} y K^{+} junto con la reducción de los iones duros provoca una reducción en el TDS de 44.046 ppm en el agua de mar a una media de 27.782 ppm para la alimentación pretratada por NF, para una reducción del 37,3%. El pH de la alimentación también se redujo de 8,2 a una media de 7,85 en el permeado de NF.

Debido a la reducción importante en la dureza y la posterior reducción o eliminación de la formación de incrustaciones, normalmente ya no es necesario añadir compuestos químicos anti-incrustaciones a la alimentación para la etapa de RO o pasar tales compuestos químicos al equipo de RO cuando, en los sistemas de la técnica anterior, se produciría la formación de incrustaciones. Naturalmente esto es una ventaja significativa desde un punto de vista medioambiental, puesto que tales compuestos químicos, y las incrustaciones que disuelven, ya no se descargan al entorno marino o se depositan en fangos de origen terrestre o depósitos de agua.

El caudal de NF de la alimentación, el permeado y el desecho junto con la recuperación del producto están representados frente al tiempo de funcionamiento en la Figura 3, mientras que la Figura 4 muestra la conductividad del producto, de la alimentación y del desechado de la NF representados frente al tiempo de funcionamiento. La conductividad del producto permanece constante a 42.000 \muS/cm aproximadamente mientras que la recuperación del agua producto, dependiendo de la alimentación estuvo por encima del 45%. El caudal del agua producto fluctuó a 15 L/m aproximadamente con algún ligero descenso con el tiempo de funcionamiento. La presión diferencial a lo largo de la membrana de NF fue de manera constante inferior a 172 kPa (25 psi) y tendió a subir después del lavado a contracorriente del filtro pero volvió a descender a 172 kPa (25 psi) con el tiempo. El enjuague simple con el permeado de SWRO redujo el \DeltaP a 138 kPa (20 psi) aproximadamente. No obstante, no se realizaron intentos para aumentar la relación de recuperación del filtrado por NF aunque se anticipó que se podía obtener una recuperación del 60% o superior disminuyendo el pH de la alimentación a 7,0 aproximadamente.

El paso del permeado de NF a un TDS \approx 27.300 ppm en la etapa de SWRO por debajo de una presión de 6000 kpa dio como resultado un \DeltaP uniforme, constante a 200 kPa durante todo el funcionamiento. En la Figura 5 se representan el permeado, la alimentación, el caudal de desecho y la recuperación del producto de la SWRO frente al tiempo de funcionamiento, mientras que la Figura 6 es una gráfica de la conductividad del permeado, el desecho y la alimentación frente al tiempo de funcionamiento. El caudal del permeado y, por tanto, la recuperación del producto se incrementó con la presión desde el 45,5% aproximadamente a una presión aplicada de 6000 kPa hasta un sorprendente 58,43% a 7000 kPa para un incremento del 1,29% en la recuperación para cada incremento de 0,01 kPa en la presión aplicada (Figura 7). Como se muestra en la misma Figura el caudal del producto también se incrementa directamente con la presión aplicada. Esta elevada recuperación del producto se puede comparar con menos del 30% para una alimentación de agua de mar pretratada normalmente en los procedimientos de SWRO de la técnica anterior usando la misma planta de SWRO sin el tratamiento previo de NF.

La Tabla 4 muestra que el desecho de la etapa de SWRO contiene una baja concentración de iones duros de 172, 362, 420 y 78 ppm para el Ca^{++}, Mg^{++}, SO_{4}^{=} y HCO_{3}^{-}, respectivamente. El TDS de 51.580 ppm de la salmuera desechada de la Tabla 4 también es bajo cuando se compara, por ejemplo, con el desecho de la Planta A de 66.615 ppm aproximadamente a la presión aplicada de 6000 a 6500 kPa aproximadamente.

TABLA 4

4

Se llevó a cabo una simulación en la que se examinaron los parámetros de funcionamiento de la Planta A para el efecto de la integración de una etapa de NF con el sistema de SWRO existente. La Figura 5 muestra el resultado, que proyecta que se puede conseguir una recuperación superior al 46% aproximadamente a 6000 kPa a partir de la SWRO en la Planta A "modificada" cuando la SWRO se combina con la unidad de NF. Se puede proyectar una mejora adicional superior al 35% si la Planta A se modifica para funcionar con un pretratamiento de NF en un sistema de NF-SWRO combinado. Esto se ilustra en la Figura 8 que es un organigrama esquemático de la parte de desalinización de la Planta A en su forma de SWRO actual y modificada para un procedimiento de
NF-SWRO combinado. La parte 1 representa la alimentación, el producto y los caudales de desecho de la Planta A real junto con la relación de recuperación del agua producto, el caudal de salmuera/módulos y la energía necesaria para la parte de desalinización sola. La energía se calculó a partir de la ecuación:

Energía (KWH/m^{3}) = [Q_{f} \cdot H_{f} \rho / 366Q_{p \rho}e]

en la que Q_{f} y Q_{p} son la cantidad de alimentación y de producto en m^{3}/hora, respectivamente; H es la presión de cabeza en metros; \rho es la densidad relativa del agua de mar (1,03); y e es la eficacia de la bomba (\approx 0,85).

Las partes 2 y 3 muestran respectivamente los resultados del funcionamiento simulado de la Planta A "modificada" en un sistema de NF-SWRO combinado que utiliza la presente operación de desalinización por SWRO como es en la actualidad y la misma con la fase de desecho. La Planta A recibe una alimentación de agua de mar del Golfo Pérsico con un TDS de 43.300 ppm procedente de una unidad de filtración con coagulación convencional a una tasa de 6760 m^{3}/hora y produce 2370 m^{3}/hora de agua dulce a una presión aplicada de 6000 kPa para una recuperación de producto del 35%. La cantidad total del desecho es de 4390 m^{3}/hora con un TDS de 66.615 ppm aproximadamente. El caudal del producto y del desecho por módulo/hora es de 1,6 m^{3}/hora y 2,97 m^{3}/hora, respectivamente. El requerimiento de energía para la parte de desalinización por SWRO sola es de 6,61 KWH/m^{3} de producto.

Cada uno de los módulos de membrana fibrilar fina hueca usados en la Planta A contiene los elementos de membrana para la SWRO dispuestos en serie con la separación de fases de la salmuera donde la alimentación se pasa primero al primer grupo de elementos y la alimentación restante después de la extracción de una fracción de ella en forma de producto se pasa al segundo grupo de elementos que, a su vez, extrae una segunda fracción del producto (Parte \ding{192} de la Figura 8). Se ha observado un rendimiento global del producto en la Planta A en sus operaciones actuales del 35% aproximadamente. Usando los mismos datos operacionales es posible establecer el rendimiento potencial de la Planta A cuando se modifica para llevar a cabo el procedimiento de combinación, que como se ha indicado se muestra en las partes \ding{193} y \ding{194} de la Figura 8. De nuevo, el caudal del producto y la recuperación se calcularon basándose en el efecto del cambio en la presión osmótica sobre la reducción de la presión aplicada a la presión neta de conducción del agua en función de la concentración iónica molar a diferentes concentraciones de TDS en la alimentación y en el desecho. Como en el caso \ding{192} previo, se asume que la desalinización por SWRO ocurre en dos etapas. En el caso \ding{193} de la Figura 8, se asume que el primer grupo de elementos trata la alimentación de NF para dar un desecho con el mismo TDS que en la alimentación real para la SWRO en la Planta A, que constituye la alimentación para los elementos de la segunda fase. El grupo de elementos de la segunda fase permite la extracción del producto de esta alimentación para dar una recuperación del 37% aproximadamente comparada con una recuperación del producto del 27% de la alimentación para la segunda etapa. La recuperación global es del 54% aproximadamente. El funcionamiento que produzca una mayor concentración de salmuera producirá una mayor recuperación del 60% aproximadamente. El caudal mínimo de salmuera a través del módulo se puede mantener incrementando el caudal de la alimentación del agua de mar y aumentando la presión aplicada en unos pocos kilopascales o mediante el uso de una segunda fase de la SWRO en el procedimiento de separación de fases de la salmuera con una relación de módulos de 2:1 para la primera a la segunda fase, y en el caso \ding{194} de la Figura 8. En esta última disposición, la recuperación del producto de NF-SWRO combinadas es del 59%, mientras que el desecho de salmuera por módulo es de 3,5 m^{3}/hora, satisfaciendo el requerimiento de la tasa de caudal mínima de salmuera de 2,0 m^{3}/hora por módulo. El requerimiento energético es de 5,0 KWH/m^{3}.

La Tabla 5 a continuación proporciona un resumen del caudal permeado, la recuperación y los requerimientos energéticos para los tres casos mostrados en la Figura 8. También compara para cada una de las tres disposiciones de la SWRO con y sin NF, el número de módulos, el número de módulos por 1000 m^{3}/hora de producto, la relación producto/agua, la relación de los módulos y la relación del requerimiento energético junto con el caudal de salmuera final por módulo. En todos los casos el funcionamiento con el sistema de NF-SWRO combinadas es superior a los procedimientos de la técnica anterior. Esto se demuestra en la Tabla 5 a continuación mediante las diversas relaciones del comportamiento del sistema y sus requerimientos. Para los tres casos \ding{192}, \ding{193} y \ding{194} respectivamente los requerimientos de módulo son 1:0,65:0,70; unas relaciones de producción de agua de 1:1,54:1,69 a producto por elemento de 1,6:2,47:2,8 m^{3}/hora y unas relaciones de requerimientos energéticos de 1,0:0,81:0,76.

TABLA 5

5

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Los resultados anteriores obtenidos en el procedimiento de NF-SWRO ilustran el efecto sinérgico de combinar una etapa de NF con una etapa de SWRO para la retirada de la dureza, la disminución del TDS y el pH en el permeado de NF que se usa como alimentación para la etapa de SWRO que da lugar a una recuperación global del agua producto significativamente mejorada. El procedimiento combinado se puede llevar a cabo en una sola fase de cada etapa, eliminando así los requerimientos de la SWRO multifásica con un ahorro en la inversión del capital y en los costes de funcionamiento y mantenimiento por encima del 10%, así como un incremento de la producción de la planta de al menos el 15% sobre las unidades de SWRO multifásicas.

Cuando la etapa de NF se combina con una etapa de MSFD se obtienen los mismos resultados. El funcionamiento de las plantas de MSFD a 135ºC-150ºC sin la formación de incrustaciones ha sido posible cuando el sulfato en la alimentación se reduce de 2900 ppm a 1200 ppm usando intercambio iónico. No obstante, combinando la NF y la MSFD, se pueden reducir los iones sulfato en agua de mar del Golfo de 3200 ppm a menos de 210 ppm, como se muestra en la Tabla 4 a continuación, y se pueden esperar reducciones adicionales en los niveles de sulfato inferior a 210 ppm cuando se usa como alimentación agua de mar de otros mares y océanos. Así, el permeado de NF se puede usar como alimentación de relleno para la etapa de la MSFD en un procedimiento de NF-MSFD combinadas. Las proyecciones de funcionamiento a TBT de 120ºC-150ºC muestran una ganancia en la producción de
destilado.

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Además, con un contenido en sulfato en el desecho de la SWRO procedente del procedimiento de NF-SWRO inferior a 400 ppm, un contenido en Ca^{++} inferior a 175 ppm y un TDS de 51.600 ppm aproximadamente, los procedimientos se pueden combinar adicionalmente para usar el desecho de la SWRO como relleno para una etapa de MSFD en una forma de realización de NF-SWRO-MSFD del procedimiento según la presente invención.

En la Tabla 6 a continuación se presenta un resumen de intervalos amplios y preferidos de las condiciones de funcionamiento para las diversas unidades solas y en combinación. También ilustrado a continuación en la Tabla 7 está un resumen del efecto de la variación de la temperatura máxima de la salmuera sobre las relaciones de rendimiento y el consumo de energía en una etapa de MSFD.

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TABLA 6

6

	Notas:
	a)	Potencia eléctrica
	b)	Requerimientos de vapor dependiendo de la tasa de recuperación de agua
	c)	kg de vapor por kg de producto de agua
	d)	Los valores son sólo para la unidad de SWRO
	e)	Potencia necesaria para la circulación de la salmuera y la alimentación, más cualquier otra operación
		de bombeo
	f)	Los valores son sólo para la unidad de MSFD

TABLA 7

7

Se puede observar en la Tabla 7 que el ahorro energético por ºC es de 2,05 kJ, y el incremento en el producto es de 0,029 kg. Nótese que para ambas MED y VCD las temperaturas de funcionamiento preferidas y el intervalo de temperaturas son inferiores a aquellas para la MSFD. Además, se ha encontrado que el funcionamiento a 120ºC usando MSFD con 2 ó 4 fases de desecho térmico y recuperación térmica permite una producción significativamente superior y por tanto una producción del producto superior.

La mejora económica proporcionada por este procedimiento se puede observar mediante la consideración de un estudio realizado comparando el capital, el funcionamiento y los costes del producto actuales de las tres plantas de desalinización por SWRO existentes en el Mar Rojo con los costes equivalentes reales si las plantas se convirtiesen a un procedimiento de NF-SWRO. En relación a esto, se señala que un procedimiento de NF-SWRO no es según la presente invención. Esta comparación tuvo en cuenta el coste real de consumo energético y químico, los costes de las piezas de recambio, la sustitución de las membranas, los filtros de cartucho micrométricos, otros consumibles y las operaciones y el mantenimiento, incluyendo la mano de obra, así como una disponibilidad de la planta del 90%. Con fines comparativos, las operaciones actuales se normalizaron para una producción de producto de agua dulce de 18,7 millones de m^{3}/día aproximadamente (4900 millones de galones/día). De manera similar, las plantas modificadas se normalizaron para un rendimiento del producto de 32,0 millones de m^{3}/día aproximadamente (8400 millones de galones/día). El coste normalizado del producto para las tres plantas actuales fue de 1,26, 1,51 y 1,53 dólares por m^{3} de producto, respectivamente (0,48, 0,57 y 0,58 centavos, respectivamente). Para las plantas modificadas, se pudieron conseguir reducciones drásticas hasta 0,89, 1,06 y 1,07 dólares por m^{3} de producto (0,34, 0,40 y 0,41 centavos por galón), respectivamente. Esto representa una disminución del 40%-42% en coste de producto por unidad junto con un incremento del 70% en el rendimiento del producto. Claramente esto proporciona una mejora sustancial del potencial para el funcionamiento de plantas de desalinización económicas por todo el mundo.

Claims

1. Un procedimiento de desalinización que comprende el paso de agua de mar con un alto contenido de especies iónicas que forman incrustaciones de dureza, microorganismos, materia particulada y sólidos disueltos totales a través de una unidad de nanofiltración de membrana para formar un primer producto de agua con un contenido reducido de dichas especies iónicas, microorganismos, materia particulada y sólidos disueltos totales, a continuación el paso de dicho primer producto de agua a través de una unidad de ósmosis inversa de agua de mar para formar un segundo producto de agua de calidad del agua potable y un producto desechado con una salinidad incrementada y una dureza reducida, y a continuación el paso de dicho producto de agua desechada a través de una unidad de destilación térmica para formar un tercer producto de agua de calidad de agua potable.

2. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicha unidad de destilación térmica comprende una unidad de destilación instantánea multifásica, una unidad de destilación multiefecto o una unidad de destilación por compresión de vapor.

3. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicho agua de mar tiene un contenido en sólidos disueltos totales del orden del 1,0%-5,0%.

4. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicho agua de mar tiene un contenido catiónico del orden del 1,2%-1,7%, un contenido aniónico del orden del 2,2%-2,8%, un pH del orden de 7,9-8,2, comparable con el contenido en sólidos disueltos totales del orden del 3,0%-5,0%.

5. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 4, que además comprende que dicho contenido catiónico incluye 700-2200 ppm de cationes de calcio y magnesio.

6. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicha unidad de nanofiltración se hace funcionar a una temperatura del orden de 15-40ºC y a una presión del orden de 1500-2500 kPa.

7. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicha unidad de ósmosis inversa del agua de mar se hace funcionar a una temperatura del orden de 15-40ºC.

8. Un procedimiento de desalinización según la reivindicación 1, en el que dicha unidad de destilación multifásica, de destilación multiefecto o de destilación por compresión de vapor se hace funcionar a una temperatura del orden de hasta 120-130ºC.