WO2011144778A1 - Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante ósmosis directa - Google Patents

Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante ósmosis directa Download PDF

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WO2011144778A1
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Antonio ORDÓÑEZ FERNÁNDEZ
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Ohl Medio Ambiente, Inima, S.A.U.
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    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention encompasses in the field of water treatment, such as desalination or purification, and the use of said processes to produce energy, specifically hydroelectric energy from the direct osmosis process used in the treatment of saline water and wastewater Urban
  • the energy potential that direct osmosis can provide for the generation of electric power has been known theoretically for some time, but to technically materialize these ideas there are two key conditions, namely: the sources that provide concentrated saline water and water diluted saline, and the physical configuration of the semipermeable membranes used in said process.
  • the first objective of the present invention is to increase the energy efficiency of the water treatment process, through direct osmosis.
  • the present invention aims not only to take advantage of the direct osmosis process, but also additionally to achieve an increase in the production of drinking water by integrating the desalination processes and purification (reuse) through said osmosis, with the same pretreatment infrastructure, as well as a significant reduction in production costs (energy consumption, reagent consumption, replacement of filter cartridges and equipment maintenance cost) and system investment set.
  • production costs energy consumption, reagent consumption, replacement of filter cartridges and equipment maintenance cost
  • ⁇ is the osmotic pressure of the solution in question
  • c the concentration of the solution
  • k the constant dependent on the type of solute
  • R the constant of the law of perfect gases
  • T the temperature of the solution.
  • Kp is the permeability of the membrane (depends on the type of membrane), A the area of the membrane exposed to the flow, ⁇ the osmotic pressure given by Van't Hoff's Law, and ⁇ the external differential pressure applied to the membrane. It would be this flow of passage through the membrane the phenomenon that would allow obtaining energy in the process, and that depends as stated above both saline solutions that participate in the process such as the configuration of osmosis membranes.
  • the module must have two independent inlet nozzles, one for the concentrated solution and one for the diluted solution and also two independent outlet nozzles, one for the concentrated solution and one for the diluted solution,
  • the permeate collection channel is unique, and by hydraulic geometric configuration only a small part of the water flow (diluted - brackish water - or concentrated - brine -) that is pumped through this channel will be in contact with the osmosis membranes; the rest of the flow will pass from one side of the permeate channel to the other without performing the contact function between the two solutions, so that the system performance would be negligible and impracticable.
  • the permeate channel acts as a hydraulic "bypass";
  • the direct osmosis process in question is also carried out using as a source of origin a concentrated saline solution from a reverse osmosis frame of a conventional desalination plant, for example seawater, and a diluted saline solution from the tertiary treatment from a conventional sewage plant, not only a production of hydraulic energy is obtained, but also a potential spillage of lower salinity than seawater, the former being able to pour directly to the second in clearly favorable conditions from an economic and environmental point of view.
  • a concentrated saline solution from a reverse osmosis frame of a conventional desalination plant for example seawater
  • a diluted saline solution from the tertiary treatment from a conventional sewage plant not only a production of hydraulic energy is obtained, but also a potential spillage of lower salinity than seawater, the former being able to pour directly to the second in clearly favorable conditions from an economic and environmental point of view.
  • the spilled potential can go through a new reverse osmosis frame of a desalination plant, which recovers as a product the water from the current that previously passed through the reverse osmosis frame that is used to perform direct osmosis.
  • a new reverse osmosis frame of a desalination plant which recovers as a product the water from the current that previously passed through the reverse osmosis frame that is used to perform direct osmosis.
  • the present invention relates to a process of producing hydraulic energy by means of direct osmosis from two saline solutions of different concentration that are passed through one or more modules of semi-permeable membranes with double input and output ports that are originally designed to perform the reverse osmosis process, without the need for any technical modification on said membrane modules.
  • the attainment of the direct osmosis process is achieved because by one of the permeate ports (where permeate water from reverse osmosis normally comes out) brackish water is introduced, and by the other permeate port (where also reverse osmosis water comes out ) Concentrated brackish water is actually extracted; The brine flow is the same as in the reverse osmosis module.
  • an osmotic potential is produced in the membranes that causes a dissolution current with sufficient pressure to produce hydraulic energy.
  • Another object of the present invention is the installation designed for this purpose and its use, as well as a desalination plant and a tertiary wastewater treatment plant comprising the installation for producing hydraulic energy.
  • the present invention describes a process of producing hydraulic energy by direct osmosis from two saline solutions of different concentration, a first concentrate and a second dilute, characterized in that:
  • the concentrated saline solution is brine with a degree of salinity between 5 and 100 g / 1
  • the diluted saline solution is brackish water with a degree of salinity between 0 and 50 g / 1 and always below the degree of salinity of the brine;
  • - direct osmosis is carried out in at least one module of semipermeable membranes of reverse osmosis, comprising: a housing or envelope; two power sockets independent of the solutions inside the module, a first power supply of the brine and a second power supply of the brackish water; two independent outlets for two flows generated inside the module by direct osmosis, a first for a diluted brine flow and a second for a concentrated brackish water flow; and semipermeable membranes that separate the two solutions from their entry into the module until their exit;
  • the two output flows of the module have been called “diluted brine” and “concentrated brackish water”, thus trying to illustrate the effect of direct osmosis on both inlet solutions, whereby the brine decreases its concentration in salts with respect to the initial flow and brackish water increases it as a result of the osmotic passage flow that occurs in the membranes.
  • the terms "concentrated” and "diluted” are not intended to define a specific degree of salinity for the output solutions (which will actually vary in each case depending on the initial salinities and can be calculated using formula (1) and the mass balance established in the reverse osmosis module), but a relative state change that arises when comparing the initial saline concentration before entering the module and the final saline concentration after undergoing direct osmosis. Since the at least one module has a double input and output port, the two feed rates never come into contact outside or inside it, only through the semipermeable membranes.
  • the brine comes from a conventional water desalination plant (by evaporation, thermal, electrodialysis, etc.), and more preferably from a reverse osmosis desalination plant, even more preferably from seawater.
  • brackish water can come from rivers, lakes, lagoons, streams or effluents from sewage treatment plants and wastewater treatment plants, being previously conditioned for the direct osmosis process to be carried out.
  • brackish water is an effluent of a Tertiary wastewater treatment plant, for example of a sewage treatment plant.
  • the membrane module also has at least one of the following characteristics:
  • product flow rate greater than or equal to 30 m 3 / D. ;
  • the module of the semipermeable hollow fiber membranes with double input and output port used would be the one with the following characteristics:
  • the at least one membrane module has an equal permeability constant. or greater than 0.05 m 3 / h / bar, more preferably greater than 0.07 m 3 / n / bar.
  • the balance of inlet pressures of the solutions in the module is essential to achieve the direct osmosis process in the membranes designed to perform reverse osmosis. If Pi depends on the difference in osmotic pressures of the two solutions to favor the occurrence of a passage of brackish water through the membrane towards the brine side, P2 is equivalent to the load losses of the at least one module, determined by The manufacturer, together with the pressure that is needed to withdraw the flow of concentrated brackish water from inside said module and drive it to its final destination. Therefore, this pressure also depends on the physical location of the emissary (distance between the output of the module and the connection point of the emissary) and its length at sea.
  • the pressure Pi is between 10 bars and 50 bars, including both limits, and the pressure P2 is between 0.5 bars and 5 bars, including both limits. More preferably, the pressure Pi is 25 bar and the pressure P2 is 1 bar.
  • the hydraulic turbine of the device through which the diluted brine flow rate passes to produce mechanical energy drives an electric generator coupled to said turbine to produce electrical energy.
  • the energy obtained in the process can be used to drive the different devices involved in the process and which will be described later, such as hydraulic pumps that drive the solutions inside the module, or hydraulic pumps (for example, high pressure pump of the facilities from which these solutions are concentrated and diluted).
  • the flow of concentrated brackish water removed from the at least one module is mixed with the flow of diluted brine that has previously passed through the device comprising at least one hydraulic turbine to produce mechanical energy, and is poured to a discharge point or emitter (deep well, brine raft, sea ).
  • the mixture of both flows in the present invention shows a degree of salinity much lower than the discharge of a conventional desalination plant that does not incorporate this process of energy use, which is a relevant environmental advantage.
  • the diluted brine flow rate after having passed through the device with at least one hydraulic turbine, does not mix with the concentrated brackish water but instead it pumps to a conventional desalination plant, preferably of osmosis and more preferably of reverse osmosis, and is used as the raw feed water flow of said plant.
  • the starting brine which preferably comes from a desalination plant of reverse osmosis, would go through two other processes, one of direct osmosis to produce energy and another of reverse osmosis to produce supplementary drinking water, with which the chemical quality and bacteriological of this water will comply with the most demanding requirements of the sanitary legislation for the waters of human consumption.
  • a discharge is obtained which is a brine flow rate with a salinity less than the discharge of a conventional desalination plant, and part of the diluted brine is recovered as drinking water.
  • this second brine flow (or discharge), generated in the reverse osmosis desalination plant to which the first diluted brine flow has been pumped, is mixed and poured to a discharge point (sea, deep well, brine raft ...) with the flow of concentrated brackish water removed to the outside of the at least one membrane module.
  • the object of the present invention is also an installation of hydraulic energy production by direct osmosis to carry out the process described above, as well as an installation of hydraulic energy production by direct osmosis from two salt solutions of different concentration, a first concentrated which is brine with a degree of salinity between 5 and 100 g / 1, and a second dilute that is brackish water with a degree of salinity between 0 and 50 g / 1 and always below the degree of salinity of the brine, characterized in that it comprises:
  • At least one module of semi-permeable reverse osmosis membranes comprising a housing or envelope; two power sockets independent of the solutions inside the module, a first one for feeding the brine and a second one for feeding the brackish water; two independent outlets for two flows generated inside the module by direct osmosis, a first for a diluted brine flow and a second for a concentrated brackish water flow; and semipermeable membranes that separate the two solutions from their entry into the module until their exit; • a first hydraulic pump that feeds a brine flow rate at a pressure Pi inside the at least one module through the first feed of the brine, Pi being less than the osmotic pressure difference between the osmotic pressure of the brine and the osmotic pressure of brackish water;
  • a device connected to the outlet of the diluted brine flow of the module comprising at least one hydraulic turbine that produces energy by passing said flow.
  • the semipermeable membranes in addition to the double port of entry and exit of the solutions are hollow fiber.
  • the membrane module also has at least one of the following characteristics:
  • product flow rate greater than or equal to 30 m 3 / D. ;
  • the module of the semipermeable hollow fiber membranes with double input and output port used would be the one with the following characteristics:
  • the Brine pump pressure Pi is between 10 bars and 50 bars, including both limits, and the pressure P2 is between 0.5 bars and 5 bars, including both limits; and more preferably the pressure Pi is 25 bars, and the pressure P2 for the brackish water pumping is 1 bar.
  • the installation comprises at least 750 modules of semi-permeable reverse osmosis membranes; This number of modules is variable and depends on the size of the installation.
  • the first hydraulic pump is preferably connected to a water desalination plant, from which the brine that is pumped into the module comes from. More preferably, the desalination plant is reverse osmosis, and even more preferably seawater.
  • the second hydraulic pump can be connected and extract brackish water from rivers, lakes, lagoons, streams or effluents from sewage treatment plants and water treatment plants. residual
  • the second pump is connected to a tertiary wastewater treatment plant, for example to a sewage treatment plant.
  • the device comprising at least one hydraulic turbine further comprises an electric generator coupled to said turbine, to transform hydraulic / mechanical energy into electrical energy.
  • Said energy produced, of whatever type, can be used to drive the different devices of the installation, such as the two hydraulic pumps that drive the solutions inside the module, and even any hydraulic pump (for example, high pressure pump) included in the water desalination plant from which the brine comes, thus reducing the energy consumption of the system.
  • the present installation may further comprise a common discharge collector for the two flows generated by direct osmosis, said collector being connected both to the outlet of the concentrated brackish water stream and to an outlet of the device comprising at least a hydraulic turbine
  • the installation further comprises a third hydraulic pump that drives the diluted brine flow rate after passing through the device comprising at least one turbine, up to an inlet of a reverse desalination water desalination plant, where it is used as the raw feed water flow of said plant.
  • the installation may also comprise a common discharge collector for a second brine flow, generated in the reverse osmosis water desalination plant, and the concentration of concentrated brackish water, said collector being connected both to the outlet of concentrated brackish water of at least one direct osmosis module and to an outlet of the desalination plant by reverse osmosis to the one that has been previously pumped the first dilute brine flow.
  • the invention also relates to a water desalination plant, on the one hand, and a tertiary wastewater treatment plant on the other, both characterized in that each of them comprises any one of the hydraulic energy production facilities described above.
  • the present invention is part of the application of technologies that promote sustainable development, both economically and environmentally.
  • the present invention offers a joint integral solution to the problem of water in two sectors such as desalination and purification.
  • Figure 1 shows a concrete embodiment of the hydroelectric power production facility by reverse osmosis (I) according to the present invention, illustrating the essential elements without being considered limiting thereof.
  • FIG. 1 a schematic sectional view of a reverse osmosis module is shown, which by simplification comprises a single semi-permeable hollow fiber membrane, with a double port of entry and exit of the solutions.
  • the figure represents by means of the symbol QH20 (and the corresponding arrow) the passage of water flow from the brackish water side of the membrane to the brine side by means of the osmosis phenomenon direct.
  • the Figure includes a balance of flows, mass and energy corresponding to the preferred embodiments, accompanied by other relevant process parameters.
  • said view is composed of the following elements:
  • Figure 2 illustrates a preferred embodiment of the invention, in which the hydraulic energy production facility (I) is connected to an osmosis desalination plant (II), as a source of the concentrated solution or brine.
  • the description given of said desalination plant (II) and the elements that compose it and that are shown in Figure 2 are merely illustrative of a preferred case, without being limiting thereof.
  • Figure 2 complements the balance of flows, mass and energy of Figure 1, which corresponds to the examples of preferred embodiment, and is also accompanied by other relevant process parameters.
  • both flows of diluted brine and concentrated brackish water are mixed and poured to the same discharge point.
  • FIG 3 illustrates another preferred embodiment of the invention, in which the hydraulic power production plant (I) is connected to a power plant. desalination of osmosis (II), and in which the diluted brine flow is not poured to the discharge point with the concentrated brackish water flow as in Figure 2 above, but is pumped to a reverse osmosis desalination plant ( III) as shown in Figure 4, as the raw water feed rate of said desalination plant, to produce drinking water.
  • osmosis II
  • III reverse osmosis desalination plant
  • Figure 3 shows the same elements (1) to (19) of Figure 2, except for the common manifold (20) and adding a connection of the device (10) with hydraulic turbine (11) to a hydraulic pump ( 21) that pumps the diluted brine flow to a desalination plant (III) by reverse osmosis.
  • Figure 4 illustrates in detail the reverse osmosis desalination plant (III) in which the diluted brine flow from the device (10) with at least one hydraulic turbine (11) of Figure 3 is used as feed flow of raw water from said plant
  • Figure 4 complements the balance of flows, energy and mass of Figures 1 and 3, which corresponds to the preferred embodiments, and is also accompanied by other relevant process parameters.
  • Figures 5.a, 5.b and 5.c respectively illustrate: a current scenario corresponding to a coastal city of 325,000 inhabitants (5.a); a preferred application of the hydraulic energy production facility object of protection and the process described for this purpose according to Example 1 in the coastal city (5.b); and application of the installation and procedure according to Example 2 (5.c), where a new reverse osmosis desalination plant is incorporated to produce potable quality water.
  • Figures 5.a, 5.b and 5.c show a balance of water flow and salinity. Given the scale of the schemes shown, some elements corresponding to Figures 1 and 3 have been omitted, thus trying to facilitate their interpretation.
  • Purification plant (31) Flow of purified water to tertiary treatment plant
  • Example 1 Hydraulic energy production process by direct osmosis from an installation designed for this purpose, connected to a seawater desalination plant by reverse osmosis as a source of the concentrated solution or brine, and where the two residual flows they are poured together to a discharge point.
  • an installation (I) has been designed as shown in Figure 2, comprising 750 modules (1) of reverse osmosis with double input port (4, 5) and output ( 6, 7) and with semipermeable membranes (2) of hollow fiber inside a housing (3), according to the HOLLOSEP® HJ9155PI model manufactured by TOYOBO that has the specifications indicated above in the Description of the Invention section, including: a constant of permeability greater than 0.07 m 3 / h / bar, specifically 0.070062644 m 3 / h / bar; a percentage of salt rejection of 99.6%; an estimated head loss of 0.5 bar for the brackish water flow and 1 bar for the brine flow within the module.
  • a constant of permeability greater than 0.07 m 3 / h / bar, specifically 0.070062644 m 3 / h / bar
  • a percentage of salt rejection of 99.6% an estimated head loss of 0.5 bar for the brackish water flow and 1 bar for the brine flow within the module.
  • the desalination plant of reverse osmosis (II) is characterized by the indications given in Figure 2, where it can be seen that starting from a flow of 888.9 m3 / h of pretreated water with a salinity of 38.5 g / 1 that It comes from a pretreatment plant (13) of seawater, in one of the outlets (18) a brine flow is obtained as indicated here, and in the other permeate outlet (19) a flow of 400 m 3 / n with salinity close to 0 g / 1. The conversion of such a conventional plant is 45%.
  • the brine flow is pumped with a hydraulic pump (8) at a Pi pressure of 25 bar to one of the two feed sockets (4) of the reverse osmosis module (1); meanwhile, the brackish water flow is pumped with a hydraulic pump (9) at a pressure P2 of 1 bar to the other power inlet (5) of the reverse osmosis module (1).
  • a flow of water occurs from the brackish water side of the semipermeable membrane (2) to the brine side, without coming into contact with each other from the inlet to the outlet of the module.
  • the diluted brine flow now with a pressure close to 0 bar, exits the device (10) through the outlet (12) and mixes with the brackish water flow concentrate removed from the module (1) by the corresponding outlet (7), going to a spillway collector (20) that will give the sea.
  • the final residual flow is 1288, 89 m 3 / h with a salinity of 27.48 g / 1, which means a higher flow rate (due to the brackish water of the treatment plant) but with a significantly lower salinity
  • Example 2 Process as described in Example 1, where the diluted brine flow is used as the raw water inlet flow for a reverse osmosis desalination plant, instead of being poured into the sea next to the concentrated brackish water flow.
  • the flow of 1153.8 m 3 / h of diluted brine from Example 1 is not mixed with the flow of concentrated brackish water, but is pumped at 2 bar to a desalination plant of reverse osmosis (III) by means of a hydraulic pump (22), where it is going to be used as raw water flow from desalted inlet.
  • this raw water flow does not need pretreatment prior to desalination as in a conventional plant, and does not need to expand the existing collection infrastructure in the plant.
  • Said conventional reverse osmosis desalination plant comprises, for example (preferably), a high pressure pump (22), which conducts part of the flow
  • This brine flow resulting from the installation of reverse osmosis (III) is mixed at the outlet along with the flow of brackish water produced in the modules (1) of the Hydraulic energy production facility (I), resulting in a flow of 624.0 m 3 / h with a salinity of 56.77 g / 1 that leads to a spillway collector (28) that goes to the sea .
  • the salinity of the final flow is in this case lower than that of the discharge flow of a conventional reverse osmosis desalination plant, such as that used to supply brine to the energy production facility (II, shown in Figure 2; 70.00 g / 1).
  • Example 1 Application of the hydraulic energy production facility object of protection and the process described for this purpose according to Example 1 in a coastal city of 325,000 inhabitants: current scenario (3.a), and application of installation and procedure according to the Examples 1 (3.b) and 2 (3.c).
  • a treatment plant which is supplied with a wastewater flow of 58500 m 3 / d with a degree of salinity of 1.5 g / 1, and pouring 52650 m 3 / d after purification with a salinity degree of 1.5 g / 1 to the sea, and an effluent of 5850 m 3 / d with the same degree of salinity to a tertiary treatment plant;
  • a tertiary treatment plant which produces 5850 m 3 / d with a salinity degree of 1.5 g / 1 that is recovered for irrigation and beacons;
  • Example 1 Application case according to Example 1: In a real application of the present invention, a hydraulic energy production facility (I) is added to the desalination plant of the described coastal city (II) by direct osmosis such as the shown in Figure 1. In this way, starting from the current scenario and according to the embodiment described in Example 1:
  • Example 2 In a second more preferred application of the present invention to the coastal city of 325000 described in section 3.a), a production facility is added to the desalination plant (II) of hydraulic energy by direct osmosis (I) as shown in Figure 1 and according to Example 2, that is, where the diluted brine flow is not poured into the sea but is used as raw water flow in a new desalination unit by reverse osmosis (III).
  • II desalination plant of hydraulic energy by direct osmosis
  • III reverse osmosis
  • a flow of drinking water of 24416 m 3 / d is generated with a salinity of less than 0.4 g / 1 of the original desalination plant, and a flow of reclaimed water of 40584 m 3 / d with a salinity also less than 0.4 g / 1 of the second desalination plant by reverse osmosis, which for its excellent quality is used for reservoir recharge, aquifer recharge, agricultural irrigation or direct consumption.
  • the invention makes it possible to expand the production capacity of drinking water of existing desalination plants up to 64 ⁇ 6, with considerable savings in investment and operation and maintenance costs, especially with regard to energy consumption .
  • the specific energy consumption of the entire set of water treatment facilities would be reduced from 3.80 kWh / m 3 in the current scenario, to 3.20 kWh / m 3 in the first case of application (3.b) and 3.25 kWh / m 3 in the second (3.c).

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Abstract

La presente invención se refiere a un proceso de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración que se hacen pasar por uno o más módulos de membranas semipermeables de doble puerto de entrada y salida que originalmente están diseñadas para realizar el proceso de ósmosis inversa, sin necesidad de realizar ninguna modificación técnica sobre dichos módulos de membranas. De esta forma, se produce un potencial osmótico en las membranas que origina una corriente de disolución con una presión suficiente para producir energía hidráulica. Constituye otro objeto de la presente invención la instalación diseñada para producir energía hidráulica de acuerdo con el procedimiento citado y el uso de la misma, así como una planta desaladora y una planta de tratamiento terciario de aguas residuales que comprenden la instalación para producir energía hidráulica.

Description

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA Y PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE MEDIANTE OSMOSIS DIRECTA SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se engloba en el campo del tratamiento de agua, como la desalación o la depuración, y el aprovechamiento de dichos procesos para producir energía, concretamente energía hidroeléctrica a partir del proceso de osmosis directa empleado en el tratamiento de aguas salinas y aguas residuales urbanas.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Desde que comenzó el desarrollo de los sistemas de desalación de agua de mar y salobre, el consumo energético invertido en la producción de agua desalada (que hoy en día representa entre el 45% y el 55% del coste total de producción) constituye uno de los parámetros que más incidencia ha tenido en la aplicación de estas tecnologías. Actualmente, se espera que la reducción de consumo energético en desalación provenga de nuevos logros en el diseño y fabricación de membranas semipermeables con mayores constantes de permeabilidad (caudal de permeado por unidad de presión y área) , ya que en el resto de sistemas de las instalaciones de desalación se están alcanzando unos niveles de eficiencia cercanos a los límites técnicos.
Como alternativa, se conoce teóricamente desde hace tiempo el potencial energético que puede aportar la osmosis directa para la generación de energía eléctrica, pero para materializar técnicamente estas ideas hay dos condicionantes clave, a saber: las fuentes que proporcionan el agua salina concentrada y el agua salina diluida, y la configuración física de las membranas semipermeables utilizadas en dicho proceso. El primer objetivo de la presente invención consiste en incrementar la eficiencia energética del proceso de tratamiento de agua, a través de la osmosis directa.
Por otra parte, la producción de agua potable por medio de la desalación se ha considerado hasta ahora como un procedimiento independiente del tratamiento posterior de depuración de esta agua potable una vez ha sido utilizada, sin aprovechar la sinergia de estos dos procesos fundamentales del ciclo del agua. En este sentido, a pesar de que se conoce ya la utilización de aguas regeneradas mediante diferentes tratamientos (decantación, filtración mediante arena...) para consumo humano directo e indirecto, siendo algunos de los ejemplos más relevantes y referenciados en la literatura técnica, la utilización directa de agua para consumo humano en Goreangab (Namibia) ; la recarga del lago Tegel (Berlín) mediante aguas del tratamiento terciario de una depuradora, y abastecimiento a la ciudad mediante pozos perimetrales en el contorno del lago; recarga de acuíferos de abastecimiento de agua potable en Los Ángeles ("Whittier Narrows Groundwater" ) , El Paso (Texas; "Fred Hervey Water Reclamation Plant") , California ("Water Factory 21, Orange County District") y Sulaibiya (Kuwait; también para regadío y usos industriales) ; y recarga del embalse "Occoquan Reservoir" de abastecimiento de agua potable en Fairfax County (Virginia) , sin embargo no se ha reportado hasta el momento la utilización para consumo humano de aguas regeneradas a través del proceso de osmosis directa.
En definitiva, en su realización preferida la presente invención pretende no sólo aprovechar energéticamente el proceso de osmosis directa, sino también adicionalmente conseguir un incremento de la producción de agua potable mediante la integración de los procesos de desalación y depuración (reutilización) a través de dicha osmosis, con la misma infraestructura de pretratamiento, asi como una reducción importante de los costes de producción (consumo energético, consumo de reactivos, reposición de cartuchos filtrantes y coste de mantenimiento de equipos) e inversión del sistema conjunto. Además, gracias al proceso aquí descrito se consigue reducir la cantidad de vertidos de agua contaminante que resultan de la desalación, así como su afección potencial al ecosistema marino, con los beneficios medioambientales que esto conlleva.
Para conocer el potencial energético de un proceso de osmosis directa debe analizarse primero la energía potencial osmótica de una disolución salina concreta, definida por la Ley de Van't Hoff (1886) relativa al transporte a través de membranas semipermeables:
(1) %=k*c*R*T , donde
π es la presión osmótica de la disolución en cuestión, c la concentración de la disolución, k la constante dependiente del tipo de soluto, R la constante de la ley de los gases perfectos, y T la temperatura de la disolución.
Teniendo en cuenta esta ecuación (1), se puede conocer la ley de paso de caudal a través de una membrana semipermeable cuando se confrontan dos disoluciones de diferente concentración salina:
(2)
Figure imgf000005_0001
(π-ΔΡ) , donde
Kp es la permeabilidad de la membrana (depende del tipo de membrana), A el área de la membrana expuesta al flujo, π la presión osmótica dada por la Ley de Van't Hoff, y ΔΡ la presión diferencial externa aplicada a la membrana. Sería este caudal de paso a través de la membrana el fenómeno que permitiría la obtención de energía en el proceso, y que depende como se ha afirmado anteriormente tanto de las disoluciones salinas que participan en el proceso como de la configuración de las membranas de osmosis.
El mayor inconveniente para alcanzar la transformación energética a partir del proceso de osmosis natural o directa es que actualmente no hay membranas desarrolladas para llevar a cabo este proceso, y los módulos de membranas para osmosis inversa ampliamente utilizados, que son de arrollamiento en espiral, no pueden emplearse para osmosis directa por su configuración física y geométrica, ya que no cumplen con los dos requisitos esenciales para la realización del proceso:
• el módulo debe disponer de dos bocas de entrada independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida y también dos bocas de salida independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida,
• no debe haber contacto directo entre la disolución concentrada y la diluida, y estas disoluciones deben estar separadas en todo momento desde la entrada hasta la salida del módulo por medio de las membranas de osmosis, excepto como es lógico en los dispositivos de distribución de flujo de la boca de entrada y los de recogida de flujo de la boca de salida del módulo.
Concretamente, existen varios factores que imposibilitan su utilización para los fines de osmosis directa :
- el canal de recogida de permeado es único, y por configuración geométrica hidráulica sólo una pequeña parte del flujo de agua (diluida -agua salobre- o concentrada -salmuera-) que se bombee por este canal estará en contacto con las membranas de osmosis; el resto del caudal pasará de un lado del canal de permeado al otro sin realizar la función de contacto entre las dos disoluciones, con lo que el rendimiento del sistema seria Ínfimo e impracticable. El canal de permeado hace de "by-pass" hidráulico;
- no es posible evacuar el agua salobre concentrada de las membranas (por la propia configuración geométrica e hidráulica de las membranas) , con lo que el proceso no es sostenible. Es decir, se irían acumulando sales en un lado de la membrana en muy poco tiempo (no hay salida posible para la evacuación de la disolución salobre concentrada) hasta su precipitación y bloqueo completo de la misma.
Para solventar estas deficiencias técnicas y alcanzar los objetivos energéticos, económicos y medioambientales propuestos, se ha desarrollado un procedimiento (y una instalación acondicionada para su consecución) basado en el fenómeno de la osmosis directa a través de membranas semipermeables, preferentemente de fibra hueca, que tienen la peculiaridad de estar diseñadas y ser comúnmente utilizadas para realizar la osmosis inversa, y que se integran en un módulo con doble puerto de entrada y de salida de las disoluciones. Si además se lleva a cabo el proceso de osmosis directa en cuestión utilizando como fuentes de origen una disolución salina concentrada procedente de un bastidor de osmosis inversa de una desaladora convencional, por ejemplo de agua de mar, y una disolución salina diluida procedente del tratamiento terciario de una depuradora convencional, se obtiene no sólo una producción de energía hidráulica, sino además un potencial vertido de menor salinidad que el agua de mar, pudiendo el primero verterse directamente al segundo en condiciones claramente favorables desde el punto de vista económico y medioambiental. Más preferentemente todavía, el potencial vertido puede volver a pasar por un nuevo bastidor de osmosis inversa de una planta desaladora, que recupere como producto el agua de la corriente que previamente pasó a través del bastidor de osmosis inversa que se utiliza para realizar la osmosis directa. En este último caso, las ventajas económicas y ambientales adquieren una extraordinaria relevancia.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración que se hacen pasar por uno o más módulos de membranas semipermeables de doble puerto de entrada y salida que originalmente están diseñadas para realizar el proceso de osmosis inversa, sin necesidad de realizar ninguna modificación técnica sobre dichos módulos de membranas. La consecución del proceso de osmosis directa se consigue porque por uno de los puertos de permeado (por donde normalmente sale agua permeada de osmosis inversa) se introduce el agua salobre, y por el otro puerto de permeado (por donde también sale agua de osmosis inversa) se extrae en realidad agua salobre concentrada; el flujo de salmuera es igual que en el módulo de osmosis inversa. Así, se produce un potencial osmótico en las membranas que origina una corriente de disolución con una presión suficiente para producir energía hidráulica.
Si las fuentes de ambas disoluciones son por una parte los vertidos de salmuera procedentes de desaladoras convencionales, por ejemplo de agua de mar y por una parte, las aguas salobres procedentes de plantas de tratamiento terciario de depuradoras, también convencionales, entonces el beneficio económico y ecológico del proceso se incrementa significativamente. Además del proceso de producción de energía, es otro objeto de la presente invención la instalación diseñada para tal fin y su uso, así como una planta desaladora y una planta de tratamiento terciario de aguas residuales que comprenden la instalación para producir energía hidráulica.
Concretamente, la presente invención describe un proceso de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada y una segunda diluida, caracterizado porque:
- la disolución salina concentrada es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/1, y la disolución salina diluida es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/1 y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera;
- la osmosis directa se lleva a cabo en al menos un módulo de membranas semipermeables de osmosis inversa, que comprende: una carcasa o envolvente; dos tomas de alimentación independientes de las disoluciones al interior del módulo, una primera toma de alimentación de la salmuera y una segunda toma de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la osmosis directa, una primera para un caudal de salmuera diluida y una segunda para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo hasta la salida del mismo;
comprendiendo el proceso las siguientes etapas:
a) bombear un caudal de la salmuera hasta la primera toma de alimentación del módulo con una presión Pi inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre ;
b) bombear al mismo tiempo un caudal del agua salobre hasta la segunda toma de alimentación del módulo a una presión de bombeo P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada;
c) alimentar el caudal de salmuera al interior del módulo con la presión Pi y el caudal de agua salobre con la presión P2, generando mediante el fenómeno de osmosis directa una corriente de agua de paso desde el caudal de agua salobre al caudal de salmuera a través de las membranas semipermeables que separan ambos caudales, y dando lugar a un caudal de salida de salmuera diluida y a un caudal de salida de agua salobre concentrada independientes ,
d) retirar el caudal de salmuera diluida al exterior del módulo por la primera toma de salida y hacer pasar dicho caudal por un dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica para producir energía mecánica, y
e) retirar el caudal de agua salobre concentrada por la segunda toma de salida del módulo.
Como puede observarse, para diferenciar nominalmente las dos disoluciones que intervienen en el proceso, se ha denominado "salmuera" a la que presenta siempre un mayor grado de concentración salina y "salobre" a la más diluida de las dos, aunque frente a la definición común dada al término "salobre" esta última puede alcanzar un grado de salinidad de hasta 50 g/1. Es decir, en algunos casos la disolución más diluida puede ser incluso agua de mar. Cuanto mayor es la diferencia entre las concentraciones salinas de las dos disoluciones implicadas, mayor será el paso de caudal de agua creado por la osmosis directa de la más diluida a la más concentrada, y por tanto, mayor será también la energía hidráulica generada en el proceso.
Igualmente, los dos caudales de salida del módulo se han denominado "salmuera diluida" y "agua salobre concentrada", tratando así de ilustrar el efecto de la osmosis directa sobre ambas disoluciones de entrada, por medio del cual la salmuera disminuye su concentración en sales con respecto al caudal inicial y el agua salobre la aumenta como resultado del caudal de paso osmótico que se produce en las membranas. Es decir, los términos "concentrada" y "diluida" no pretenden definir un grado concreto de salinidad para las disoluciones de salida (que en realidad va a variar en cada caso dependiendo de las salinidades iniciales y se puede calcular mediante la fórmula (1) y el balance másico establecido en el módulo de osmosis inversa) , sino un cambio de estado relativo que surge al comparar la concentración salina inicial antes de la entrada al módulo y la concentración salina final tras someterse a osmosis directa. Como el al menos un módulo es de doble puerto de entrada y salida, los dos caudales de alimentación nunca entran en contacto fuera ni dentro del mismo, solamente a través de las membranas semipermeables.
Preferentemente, la salmuera procede de una planta de desalación de agua convencional (por evaporación, térmica, electrodiálisis , etc.), y más preferentemente de una planta de desalación de osmosis inversa, todavía más preferentemente de agua de mar. Por su parte, el agua salobre puede provenir de ríos, lagos, lagunas, arroyos o efluentes de depuradoras y plantas de tratamiento de aguas residuales, siendo previamente acondicionada para el proceso de osmosis directa que se va a llevar a cabo. Preferentemente, el agua salobre es un efluente de una planta de tratamiento terciario de aguas residuales, por ejemplo de una depuradora.
En cuanto a las membranas semipermeables, éstas son preferentemente membranas de fibra hueca. En un caso preferido, el módulo de membranas posee además al menos una de las siguientes características:
caudal de producto (permeado) : mayor o igual que 30 m3/D. ;
• rechazo de sal: mayor o igual que 99%;
• presión máxima en condiciones de trabajo: mayor o igual que 3 MPa;
• rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5°C-40°C;
• Caudal de salmuera en condiciones de trabajo: mayor o igual de 20 m3/D.
En un caso de aplicación más preferido todavía, el módulo de las membranas semipermeables de fibra hueca con doble puerto de entrada y salida empleado sería el que posee las siguientes características:
• caudal de producto (permeado) : 34 m3/D;
• caudal mínimo de producto (permeado) : 32 m3/D;
• rechazo de sal: 99,6%;
• rechazo mínimo de sal: 99,4%;
• presión máxima en condiciones de trabajo: 8,23 MPa;
• rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5°C-40°C;
caudal de salmuera en condiciones de trabajo: 25-120 m3/D. ;
como por ejemplo el módulo de membranas fabricado por TOYOBO, HOLLOSEP® modelo HJ9155PI.
En otra realización preferida, el al menos un módulo de membranas presenta una constante de permeabilidad igual o superior a 0,05 m3/h/bar, más preferentemente superior a 0, 07 m3/n/bar .
El balance de presiones de entrada de las disoluciones en el módulo es fundamental para conseguir el proceso de osmosis directa en las membranas diseñadas para realizar la osmosis inversa. Si Pi depende de la diferencia de presiones osmóticas de las dos disoluciones para favorecer que se produzca un paso de agua salobre a través de la membrana hacia el lado de la salmuera, P2 equivale a las pérdidas de carga del al menos un módulo, determinadas por el fabricante, junto a la presión que se necesita para retirar el caudal de agua salobre concentrada del interior de dicho módulo y conducirlo hasta su destino final. Por tanto, esta presión depende también de la ubicación física del emisario (distancia entre la salida del módulo y el punto de conexión del emisario) y de la longitud de éste en el mar.
En una realización preferida, la presión Pi está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P2 está comprendida entre 0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites. Más preferentemente, la presión Pi es de 25 bares y la presión P2 es de 1 bar.
En otra realización preferente, la turbina hidráulica del dispositivo por el que pasa el caudal de salmuera diluida para producir energía mecánica acciona un generador eléctrico acoplado a dicha turbina para producir energía eléctrica. La energía obtenida en el proceso, ya sea hidráulica, mecánica o eléctrica, puede emplearse para accionar los diferentes dispositivos que intervienen en el proceso y que se describirán más adelante, como por ejemplo las bombas hidráulicas que impulsan las disoluciones al interior del módulo, o las bombas hidráulicas (por ejemplo, bomba de alta presión de las instalaciones de las que proceden dichas disoluciones concentrada y diluida) .
En caso de que se desee terminar el proceso en este punto, entonces el caudal de agua salobre concentrada retirado del al menos un módulo se mezcla con el caudal de salmuera diluida que ha pasado previamente por el dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica para producir energía mecánica, y se vierte a un punto de descarga o emisor (pozo profundo, balsa de salmuera, mar...) . La mezcla de ambos caudales en la presente invención muestra un grado de salinidad muy inferior al del vertido de una planta de desalación convencional que no incorpora este proceso de aprovechamiento energético, lo que supone una ventaja medioambiental relevante.
Si por el contrario se quiere continuar con el proceso en aras de su optimización, en una realización preferida el caudal de salmuera diluida, tras haber pasado por el dispositivo con al menos una turbina hidráulica, no se mezcla con el agua salobre concentrada sino que se bombea hasta una planta de desalación convencional, preferentemente de osmosis y más preferentemente de osmosis inversa, y se emplea como caudal de agua bruta de alimentación de dicha planta. De esta forma, la salmuera de partida, que preferentemente proviene de una planta desaladora de osmosis inversa, pasaría por otros dos procesos, uno de osmosis directa para producir energía y otro de osmosis inversa para producir agua potable suplementaria, con lo que la calidad química y bacteriológica de esta agua cumplirá con los requisitos más exigentes de la legislación sanitaria para las aguas de consumo humano. También como resultado del proceso de desalación al que se somete la salmuera diluida, se obtiene un vertido que es un caudal de salmuera con una salinidad inferior al vertido de una planta de desalación convencional, y se recupera parte de la salmuera diluida como agua potable.
Preferentemente, este segundo caudal de salmuera (o vertido) , generado en la planta de desalación por osmosis inversa a la que se ha bombeado el primer caudal de salmuera diluida, se mezcla y se vierte a un punto de descarga (mar, pozo profundo, balsa de salmuera...) con el caudal de agua salobre concentrada retirado al exterior del al menos un módulo de membranas.
También es objeto de la presente invención una instalación de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa para llevar a cabo el proceso descrito anteriormente, así como una instalación de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada que es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/1, y una segunda diluida que es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/1 y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera, caracterizada porque comprende:
al menos un módulo de membranas semipermeables de osmosis inversa que comprende una carcasa o envolvente; dos tomas de alimentación independientes de las disoluciones al interior del módulo, una primera de alimentación de la salmuera y una segunda de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la osmosis directa, una primera para un caudal de salmuera diluida y una segunda para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo hasta su salida del mismo; • una primera bomba hidráulica que alimenta un caudal de la salmuera a una presión Pi al interior del al menos un módulo a través de la primera toma de alimentación del mismo, siendo Pi inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;
• una segunda bomba hidráulica que alimenta un caudal del agua salobre a una presión P2 al interior del al menos un módulo a través de la segunda toma de alimentación del mismo, siendo la presión P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada; y
•un dispositivo conectado a la toma de salida del caudal de salmuera diluida del módulo, que comprende al menos una turbina hidráulica que produce energía mediante el paso de dicho caudal.
Las indicaciones dadas anteriormente para el proceso de producción de energía se aplican asimismo para la presente instalación. Por ejemplo, preferentemente, las membranas semipermeables además de doble puerto de entrada y salida de las disoluciones son de fibra hueca. En un caso preferido, el módulo de membranas posee además al menos una de las siguientes características:
caudal de producto (permeado) : mayor o igual que 30 m3/D. ;
• rechazo de sal: mayor o igual que 99%;
• presión máxima en condiciones de trabajo: mayor o igual que 3 MPa;
• rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5°C-40°C;
• Caudal de salmuera en condiciones de trabajo: mayor o igual de 20 m3/D. En un caso de aplicación más preferido todavía, el módulo de las membranas semipermeables de fibra hueca con doble puerto de entrada y salida empleado sería el que posee las siguientes características:
• caudal de producto (permeado) : 34 m3/D;
• caudal mínimo de producto (permeado) : 32 m3/D;
• rechazo de sal: 99,6%;
• rechazo mínimo de sal: 99,4%;
• presión máxima en condiciones de trabajo: 8,23 MPa;
• rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5°C-40°C;
caudal de salmuera en condiciones de trabajo: 25-120 m3/D. ;
como por ejemplo el módulo de membranas fabricado por TOYOBO, HOLLOSEP® modelo HJ9155PI.
También de manera preferente, la presión Pi de bombeo de la salmuera está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P2 está comprendida entre 0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites; y más preferentemente la presión Pi es de 25 bares, y la presión P2 de bombeo del agua salobre es de 1 bar. En una realización particular, la instalación comprende al menos 750 módulos de membranas semipermeables de osmosis inversa; dicho número de módulos es variable y depende del dimensionamiento de la instalación.
La primera bomba hidráulica está preferentemente conectada a una planta de desalación de agua, de la que procede la salmuera que se bombea al interior del módulo. Más preferentemente, la planta de desalación es de osmosis inversa, y todavía más preferentemente de agua de mar. La segunda bomba hidráulica puede estar conectada y extraer el agua salobre de ríos, lagos, lagunas, arroyos o efluentes de depuradoras y plantas de tratamiento de aguas residuales. Preferentemente, la segunda bomba se conecta a una planta de tratamiento terciario de aguas residuales, por ejemplo a una depuradora.
El dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica comprende además un generador eléctrico acoplado a dicha turbina, para transformar la energía hidráulica/mecánica en energía eléctrica. Dicha energía producida, sea del tipo que sea, puede emplearse en accionar los diferentes dispositivos de la instalación, como las dos bombas hidráulicas que impulsan las disoluciones al interior del módulo, e incluso cualquier bomba hidráulica (por ejemplo, bomba de alta presión) comprendida en la planta de desalación de agua de la que procede la salmuera, reduciendo así el consumo energético del sistema.
La presente instalación puede comprender además un colector de vertidos común para los dos caudales generados mediante osmosis directa, estando dicho colector conectado tanto a la toma de la salida de la corriente de agua salobre concentrada como a una toma de salida del dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica.
En otra realización preferida, en la que se pretende optimizar el uso de la instalación reduciendo la salinidad del vertido generado y produciendo agua potable, la instalación comprende además una tercera bomba hidráulica que impulsa el caudal de salmuera diluida tras su paso por el dispositivo que comprende al menos una turbina, hasta una toma de entrada de una planta de desalación de agua por osmosis inversa, donde se utiliza como caudal de agua bruta de alimentación de dicha planta.
La instalación puede comprender además un colector de vertidos común para un segundo caudal de salmuera, generado en la planta de desalación de agua por osmosis inversa, y el caudal de agua salobre concentrada, estando dicho colector conectado tanto a la toma de salida del agua salobre concentrada del al menos un módulo de osmosis directa como a una toma de salida de la planta de desalación por osmosis inversa a la que se ha bombeado previamente el primer caudal de salmuera diluida.
Es otro objeto de la presente invención el uso de una cualquiera de las instalaciones descritas anteriormente para producir energía hidráulica.
La invención se refiere asimismo a una planta de desalación de agua, por un lado, y a una planta de tratamiento terciario de aguas residuales por otro, ambas caracterizadas porque cada una de ellas comprende una cualquiera de las instalaciones de producción de energía hidráulica descritas anteriormente.
Entre las ventajas más relevantes del presente proceso de producción de energía y de la producción suplementaria de agua potable de las instalaciones descritas para tal fin, cabe citar:
Reducción significativa (en torno al 15%) del consumo de energía total del conjunto de las instalaciones implicadas en el proceso, como son la planta desaladora que suministra salmuera, la planta de tratamiento terciario de aguas residuales que suministra agua salobre y la nueva planta de osmosis inversa de la que se obtiene el agua potable suplementaria, así como reducción de la huella de CO2 en proporciones similares. En definitiva, la presente invención se enmarca dentro de la aplicación de tecnologías que potencian el desarrollo sostenible, tanto desde el punto de vista económico como en lo ambiental.
- Reducción significativa del coste de producción del agua potable, y por tanto de su precio de venta final al usuario hasta un 11%. -El coste de inversión total de las instalaciones convencionales puede llegar a reducirse en torno al 8% respecto a la inversión de una desaladora de producción equivalente) , ya que el incremento de producción de agua se realiza sin ninguna infraestructura adicional de captación/pre-tratamiento y empleando una infraestructura de emisario mucho más reducida que las convencionales, con un menor número de difusores.
- Reducción del caudal de vertido en un 47 ~6 y con una salinidad de descarga inferior en un 25%, respecto a la desaladora convencional de igual producción, favoreciendo una menor afectación al medio ambiente marino gracias a la mejor dilución final del vertido en el mar y disminuyendo el impacto negativo en el llamado campo cercano.
- Reducción drástica del caudal de captación, de hasta el 62%, disminuyendo el impacto ambiental.
En definitiva, la presente invención ofrece una solución integral conjunta al problema del agua en dos sectores como la desalación y la depuración.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra una realización concreta de la instalación de producción de energía hidroeléctrica mediante osmosis inversa (I) según la presente invención, ilustrando los elementos esenciales sin considerarse limitante de la misma.
Así, dentro de la instalación (I) se muestra una vista esquemática seccionada de un módulo de osmosis inversa que por simplificación comprende una sola membrana semipermeable de fibra hueca, con doble puerto de entra y salida de las disoluciones. La figura representa mediante el símbolo QH20 (y la flecha correspondiente) el paso de caudal de agua desde el lado de agua salobre de la membrana al lado de la salmuera mediante el fenómeno de osmosis directa. La Figura incluye un balance de caudales, masa y energía correspondiente a los ejemplos de realización preferidos, acompañado de otros parámetros relevantes del proceso .
Concretamente, dicha vista se compone de los siguientes elementos :
(1) Módulo de membranas de osmosis inversa para producción de energía hidroeléctrica
(2) Membrana semipermeable
(3) Carcasa
(4) Toma de alimentación de salmuera al módulo
(5) Toma de alimentación de agua salobre al módulo
(6) Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo
(7) Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo
(8) Bomba hidráulica de alimentación de salmuera
(9) Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre
(10) Dispositivo de producción de energía
(11) Turbina hidráulica
(12) Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía
La Figura 2 ilustra una realización preferida de la invención, en la que la instalación (I) de producción de energía hidráulica está conectada a una planta de desalación de osmosis (II), como fuente de la disolución concentrada o salmuera. La descripción que se aporta de dicha planta de desalación (II) y los elementos que la componen y que se muestran en la Figura 2 son meramente ilustrativos de un caso preferido, sin ser limitantes de la misma. La Figura 2 complementa el balance de caudales, masa y energía de la Figura 1, que corresponde a los ejemplos de realización preferidos, y se acompaña también de otros parámetros relevantes del proceso.
En esta realización preferida, ambos caudales, de salmuera diluida y de agua salobre concentrada, se mezclan y vierten a un mismo punto de descarga.
El diagrama muestra los siguientes elementos:
(1) Módulo de membranas de osmosis inversa para producción de energía hidroeléctrica
(2) Membrana semipermeable
(4) Toma de alimentación de salmuera al módulo
(5) Toma de alimentación de agua salobre al módulo
(6) Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo
(7) Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo
(8) Bomba hidráulica de alimentación de salmuera
(9) Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre
(10) Dispositivo de producción de energía
(11) Turbina hidráulica
(12) Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía
(13) Planta de pretratamiento de la planta de desalación de agua por osmosis inversa
(14) Bomba de alta presión
(15) Bastidor de osmosis inversa
(16) Sistema de intercambio de presión
(17) Bomba hidráulica (booster)
(18) Salida de salmuera
(19) Salida de permeado
(20) Colector de vertidos
La Figura 3 ilustra otra realización preferida de la invención, en la que la instalación (I) de producción de energía hidráulica está conectada a una planta de desalación de osmosis (II), y en la que el caudal de salmuera diluida no se vierte al punto de descarga con el caudal de agua salobre concentrada como en la Figura 2 anterior, sino que se bombea hasta una planta de desalación de osmosis inversa (III) como la mostrada en la Figura 4, como caudal de alimentación de agua bruta de dicha planta de desalación, para producir agua potable.
Por esta razón, la Figura 3 muestra los mismos elementos (1) a (19) de la Figura 2, exceptuando el colector común (20) y añadiendo una conexión del dispositivo (10) con turbina hidráulica (11) a una bomba hidráulica (21) que bombea el caudal de salmuera diluida hasta una planta (III) de desalación por osmosis inversa. La Figura 4 ilustra en detalle la planta (III) de desalación de osmosis inversa en la que se utiliza el caudal de salmuera diluida que procede del dispositivo (10) con al menos una turbina hidráulica (11) de la Figura 3 como caudal de alimentación de agua bruta de dicha planta
(III) . En el caso concreto que se representa, el caudal de salmuera diluida se bombea mediante una bomba hidráulica
(21) hasta la entrada de la planta desaladora (III), y una vez tratada en el interior de la misma se mezcla y vierte en un mismo colector con el caudal de agua salobre que sale de la instalación (I) de producción de energía hidráulica. La Figura 4 complementa el balance de caudales, energía y masa de las Figuras 1 y 3, que corresponde a los ejemplos de realización preferidos, y se acompaña también de otros parámetros relevantes del proceso.
El diagrama de la figura 4 presenta los siguientes elementos :
(10) Dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica
(11) Turbina hidráulica (12) Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía
(21) Bomba hidráulica del caudal de salmuera diluida
(22) Bomba de alta presión
(23) Bastidor de osmosis inversa
(24) Sistema de intercambio de presión
(25) Bomba hidráulica (booster)
(26) Salida de permeado
(27) Salida de salmuera
(28) Colector de vertidos
Las Figuras 5.a, 5.b y 5.c ilustran respectivamente: un escenario actual que corresponde a una ciudad costera de 325000 habitantes (5.a); una aplicación preferida de la instalación de producción de energía hidráulica objeto de protección y del proceso descrito para tal fin según el Ejemplo 1 en la ciudad costera (5.b); y aplicación de la instalación y procedimiento de acuerdo con el Ejemplo 2 (5.c), donde se incorpora una nueva planta de desalación de osmosis inversa para producir agua de calidad potable. Como en figuras anteriores, las Figuras 5.a, 5.b y 5.c muestran un balance de caudales y salinidad del agua. Dada la escala de los esquemas mostrados, algunos elementos correspondientes a las Figuras 1 y 3 han sido omitidos, tratando así de facilitar su interpretación.
Figura 5. a
(II) Planta de desalación de agua de mar por osmosis inversa
(18) Salida de salmuera
(19) Salida de permeado (agua potable)
(30) Ciudad costera de 325000 habitantes
(30.1) Caudal de agua residual de la ciudad
(31) Planta de depuración (31.1) Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario
(31.2) Caudal de agua depurada a emisario
(32) Planta de tratamiento terciario de aguas residuales (32.2) Caudal de agua de riego y baldeos
(33) Caudal de captación de agua de mar para desalación
Figura 5. b
(I) Instalación de producción de energía eléctrica según Figura 1
(4) Toma de alimentación de salmuera al módulo
(5) Toma de alimentación de agua salobre al módulo
(6) Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo
(7) Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo
(9) Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre
(10) Dispositivo de producción de energía
(12) Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía
(II) Planta de desalación de agua de mar por osmosis inversa
(18) Salida de salmuera
(19) Salida de permeado (agua potable)
(20) Colector de vertidos
(30) Ciudad costera de 325000 habitantes
(30.1) Caudal de agua residual de la ciudad
(31) Planta de depuración
(31.1) Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario
(31.2) Caudal de agua depurada a colector de vertidos (20)
(32) Planta de tratamiento terciario de aguas residuales
(32.1) Caudal de agua salobre
(32.2) Caudal de agua de riego y baldeos (33) Caudal de captación de agua de mar para desalación
Figura 5. c
(I) Instalación de producción de energía eléctrica según Figura 1
(4) Toma de alimentación de salmuera al módulo
(5) Toma de alimentación de agua salobre al módulo
(6) Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo
(7) Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo
(9) Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre
(10) Dispositivo de producción de energía
(II) Planta de desalación de agua de mar por osmosis inversa
(18) Salida de salmuera
(19) Salida de permeado (agua potable)
(21) Bomba hidráulica del caudal de salmuera diluida
(III) Planta de desalación por osmosis inversa del caudal de salmuera diluida procedente de la instalación de producción de energía hidráulica (I)
(26) Salida de permeado
(27) Salida de salmuera
(28) Colector de vertidos
(30) Ciudad costera de 325000 habitantes
(30.1) Caudal de agua residual de la ciudad
(31) Planta de depuración
(31.1) Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario
(31.2) Caudal de agua depurada a colector de vertidos (20)
(32) Planta de tratamiento terciario de aguas residuales
(32.1) Caudal de agua salobre
(32.2) Caudal de agua de riego y baldeos
(33) Caudal de captación de agua de mar para desalación EJEMPLOS DE REALIZACIÓN
A continuación se detalla, a modo de ejemplo y con carácter no limitante de la invención sino solamente ilustrativa, una serie de realizaciones preferidas de la instalación de producción de energía hidráulica y del proceso en cuestión en instalaciones piloto a escala que correspondería con las Figuras 1 a 4. Además, se incluye un ejemplo de realización aplicado a un entorno urbano costero.
Ejemplo 1. Proceso de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de una instalación diseñada para tal fin, conectada a una planta de desalación de agua de mar por osmosis inversa como fuente de la disolución concentrada o salmuera, y donde los dos caudales residuales se vierten conjuntamente a un punto de descarga. Para producir energía hidráulica mediante el proceso de osmosis directa, se ha diseñado una instalación (I) como la mostrada en la Figura 2, que comprende 750 módulos (1) de osmosis inversa con doble puerto de entrada (4, 5) y salida (6, 7) y con membranas semipermeables (2) de fibra hueca dentro de una carcasa (3) , según el modelo HOLLOSEP® HJ9155PI fabricado por TOYOBO que posee las especificaciones indicadas anteriormente en el apartado Descripción de la Invención, entre ellas: una constante de permeabilidad superior a 0,07 m3/h/bar, concretamente de 0,070062644 m3/h/bar; un porcentaje de rechazo de sales del 99,6%; una pérdida de carga estimada en 0,5 bar para el caudal de agua salobre y de 1 bar para el caudal de salmuera dentro del módulo. Por simplificación, se representa únicamente un módulo de membranas de los 750 de la realización.
Se parte de un caudal de 488,9 m3/h de salmuera con un grado de salinidad de 70 g/1 y una presión osmótica de la disolución de 57,08 bar procedente de una planta de desalación de osmosis inversa (II), y un caudal de 800 m3/h de agua salobre con un grado de salinidad de 1,5 g/1 y una presión osmótica de la disolución de 1,22 bar procedente de una planta de tratamiento terciario de aguas residuales urbanas, que corresponde a una depuradora. La planta de desalación de osmosis inversa (II) se caracteriza por las indicaciones dadas en la Figura 2, donde puede observarse que partiendo de un caudal de 888,9 m3/h de agua pretratada con una salinidad de 38,5 g/1 que proviene de una planta de pretratamiento (13) de agua de mar, se obtiene en una de las salidas (18) un caudal de salmuera como el aquí indicado, y en la otra salida (19) de permeado un caudal de 400 m3/n con salinidad próxima a 0 g/1. La conversión de una planta convencional de este tipo es del 45%. El caudal de salmuera se bombea con una bomba hidráulica (8) a una presión Pi de 25 bares hasta una de las dos tomas de alimentación (4) del módulo (1) de osmosis inversa; por su parte, el caudal de agua salobre se bombea con una bomba hidráulica (9) a una presión P2 de 1 bar hasta la otra toma de alimentación (5) del módulo de osmosis inversa (1) . Dentro del mismo, se produce el paso de un caudal de agua desde el lado de agua salobre de la membrana semipermeable (2) al lado de salmuera, sin entrar en contacto entre sí desde la entrada hasta la salida del módulo. Como consecuencia de la diferencia de presión osmótica entre disoluciones y de las presiones con las que éstas han sido bombeadas, en las membranas se genera un flujo de paso osmótico desde el caudal de agua salobre hacia el caudal de salmuera por el proceso de osmosis directa, equivalente a 664, 9 m3/h. Tras este proceso de osmosis directa en el interior del módulo (1), sale al exterior del mismo por una de las tomas de salida (7) un caudal de 135,1 m3/h de agua salobre concentrada con una presión de 0,5 bar y una salinidad de 8,87 g/1, y por la otra toma (6) del módulo
(1) sale un caudal de 1153,8 m3/h de salmuera diluida a una presión de 24 bar con un grado de salinidad de 29, 66 g/1. Dicho caudal de salmuera diluida se conduce hasta un dispositivo (10) que comprende una turbina hidráulica (11) donde gracias a la presión del caudal se produce energía; la potencia hidráulica recuperada en la instalación es de 443 kW, con un factor de aprovechamiento energético
(Energía obtenida/Energía invertida) de 2,1, siendo el consumo específico de toda la instalación (planta de desalación (II) e instalación de producción de energía (I)) de 1,76 kWh/m3. Esta energía recuperada puede emplearse para alimentar cualquiera de las bombas hidráulicas (8, 9) con las que se bombean los caudales a la entrada del módulo
(1), o incluso la bomba de alta presión (14) comprendida en las instalaciones de la planta desaladora (II) de la que procede el caudal de salmuera.
Como se muestra en la Figura 2, tras obtener energía hidráulica el caudal de salmuera diluida, ahora con una presión cercana a 0 bar, sale del dispositivo (10) por la toma de salida (12) y se mezcla con el caudal de agua salobre concentrada retirado del módulo (1) por la toma de salida (7) correspondiente, dirigiéndose hasta un colector de vertidos (20) que va a dar al mar. El caudal residual final es de 1288, 89 m3/h con una salinidad de 27,48 g/1, lo que supone un caudal mayor (debido al agua salobre de la depuradora) pero con una salinidad significativamente menor
(27, 48 g/1 frente a 70 g/1) que el extraído de la planta desaladora (II) de osmosis inversa, reduciendo así el impacto medioambiental del residuo y facilitando la asimilación del mismo por el medio marino sin afectar a las praderas de posidonias; esto permitiría realizar los vertidos en cualquier punto próximo a la costa, con el consiguiente ahorro en obras de construcción y tendido de emisarios marinos.
Ejemplo 2. Proceso como el descrito en el Ejemplo 1, donde el caudal de salmuera diluida se emplea como caudal de entrada de agua bruta para una planta de desalación por osmosis inversa, en lugar de verterse al mar junto al caudal de agua salobre concentrada.
Tras haber pasado a través del dispositivo (10), el caudal de 1153,8 m3/h de salmuera diluida del Ejemplo 1 no se mezcla con el caudal de agua salobre concentrada, sino que se bombea a 2 bar hasta una planta de desalación de osmosis inversa (III) mediante una bomba hidráulica (22), donde se va a emplear como caudal de agua bruta de entrada a desalar. Como ventaja, este caudal de agua bruta no necesita pretratamiento previo a la desalación como sucede en una planta convencional, y no necesita ampliar la infraestructura de captación existente en la planta.
Dicha planta de desalación de osmosis inversa convencional comprende por ejemplo (preferentemente), una bomba de alta presión (22), que conduce parte del caudal
(680, 5 m3/h) de salmuera diluida a un bastidor (23) de osmosis inversa. El resto de caudal de salmuera diluida
(473,3 m3/h) se dirige hasta un sistema de intercambio de presión (24), y posteriormente se bombea de nuevo con una bomba "Booster" (25) para mezclarse con la otra parte del caudal antes de entrar en el bastidor de osmosis inversa
(23) . De esta forma, por la salida de permeado (26) se vierte un caudal de 664, 9 m3/h de agua potable, y por la salida de rechazo (27) se vierte un caudal de 488,9 m3/h de salmuera con un grado de salinidad de 70,01 g/1.
Este caudal de salmuera resultante de la instalación de osmosis inversa (III) se mezcla a la salida junto al caudal de agua salobre producido en los módulos (1) de la instalación de producción de energía hidráulica (I), dando lugar a un caudal de 624,0 m3/h con una salinidad de 56,77 g/1 que se conduce hasta un colector de vertidos (28) que va a parar al mar. La salinidad del caudal final es en este caso inferior a la del caudal de vertido de una planta de desalación de osmosis inversa convencional, como por ejemplo la utilizada para suministrar salmuera a la instalación de producción de energía (II, que se muestra en la Figura 2; 70, 00 g/1) . También el consumo específico de todas las instalaciones consideradas conjuntamente en esta realización de las Figuras 3 y 4 es de 2,23 kWh/m3, inferior al de una planta de desalación de osmosis inversa convencional [en torno a 2,44 kWh/m3 para el caso ilustrado
(II) ] . La conversión de la segunda planta de desalación
(III) , a la que se suministra el caudal de salmuera diluida es de 57, 26%, mayor que la de la planta de osmosis inversa convencional de la que procede la salmuera (II), dado que la planta de osmosis (III) a la que se suministra la salmuera diluida parte de una salinidad de entrada al módulo de osmosis inversa de 29,66 g/1, menor que en la primera planta (II) que es de 38,5 g/1.
Ejemplo 3.
Aplicación de la instalación de producción de energía hidráulica objeto de protección y del proceso descrito para tal fin según el Ejemplo 1 en una ciudad costera de 325.000 habitantes: escenario actual (3.a), y aplicación de instalación y procedimiento de acuerdo con los Ejemplos 1 (3.b) y 2 (3.c) .
3.a) Escenario actual: Se parte como referencia de una ciudad costera típica de 325000 habitantes, que comprende entre sus instalaciones:
- una estación depuradora, a la que se suministra un caudal de agua residual de 58500 m3/d con un grado de salinidad de 1,5 g/1, y que vierte tras la depuración 52650 m3/d con un grado de salinidad de 1,5 g/1 al mar, y un efluente de 5850 m3/d con el mismo grado de salinidad a una planta de tratamiento terciario;
una planta de tratamiento terciario, que produce 5850 m3/d con un grado de salinidad de 1,5 g/1 que es recuperada para riego y baldeos; y
- una planta desaladora de agua de mar por osmosis inversa, que capta como caudal de agua bruta 144444 m3/d con salinidad 38,5 g/1, produciendo un residuo de salmuera de 79444 m3/d con salinidad 70, 00 g/1, y un caudal de permeado de 65000 m3/d con salinidad inferior a 0,4 g/1, que se utiliza como agua potable.
3.b) Caso de aplicación según Ejemplo 1: En una aplicación real de la presente invención, se añade a la planta de desalación de la ciudad costera descrita (II) una instalación de producción de energía hidráulica (I) mediante osmosis directa como la mostrada en la Figura 1. De esta forma, partiendo del escenario actual y según la realización descrita en el Ejemplo 1:
- se amplia la capacidad de tratamiento inicial de la planta de tratamiento terciario, desviando una mayor cantidad de efluentes de la estación depuradora a dicha planta: 54682 m3/d ( salinidad=l , 5 g/1),;
de la planta de tratamiento terciario se desvía mediante canalización un caudal de 48832 m3/d ( salinidad=l , 5 g/1) a la instalación de producción de energía hidráulica, como fuente de agua salobre para el proceso de osmosis directa según el Ejemplo 1; y
- de la propia planta de desalación (II) se emplea el caudal residual de salmuera que antes se vertía al mar (79444 m3/d, salinidad=70 , 00 g/1) como fuente de salmuera para el proceso de osmosis directa según el Ejemplo 1. Finalmente, se mezcla el caudal residual de la planta depuradora (3818 m3/d, salinidad=l , 5 g/1) con el caudal de salmuera diluida obtenida en el proceso de producción de energía hidráulica objeto de interés (128277 m3/d, salinidad=27, 48 g/1), dando lugar a un vertido de 132094 m3/d con una salinidad de 26,73 g/1.
3.c) Caso de aplicación según Ejemplo 2: En una segunda aplicación más preferida de la presente invención a la ciudad costera de 325000 descrita en el apartado 3.a), se añade a la planta de desalación (II) una instalación de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa (I) como la mostrada en la Figura 1 y de acuerdo con el Ejemplo 2, es decir, donde el caudal de salmuera diluida no se vierte al mar sino que se emplea como caudal de agua bruta en una nueva unidad de desalación por osmosis inversa (III). En esta realización:
se desvía el mismo caudal de agua depurada a la planta de tratamiento terciario (54682 m3/d, salinidad=l , 5 g/1) y el mismo caudal de dicha planta de tratamiento terciario a la instalación de producción de energía hidráulica (I) como fuente de agua salobre (48832 m3/d, salinidad=l , 5 g/1) que en la realización anterior (3.b).
- el caudal de agua salobre y el caudal de salmuera de la propia planta de desalación por osmosis inversa se emplean en el proceso de producción de energía según el Ejemplo 1, tras lo cual el caudal de salmuera diluida obtenido en la osmosis directa se utiliza como caudal de agua bruta en la nueva unidad de desalación por osmosis inversa (III) según el Ejemplo 2.
Del proceso descrito se genera:
• el mismo caudal de agua tratada para riego y baldeos que en la realización anterior: 5850 m3/d, salinidad=l , 5 g/1; • un caudal de salmuera resultante del último proceso de osmosis inversa de 38091 m3/d, salinidad=56, 77 g/1 que, unido al vertido de agua depurada descrito en la realización anterior 3.b) dan lugar a un vertido al mar de 41908 m3/d con una salinidad de 51,73 g/1;
• finalmente, se genera un caudal de agua potable de 24416 m3/d con una salinidad inferior a 0,4 g/1 de la planta de desalación original, y una caudal de agua regenerada de 40584 m3/d con una salinidad también inferior a 0,4 g/1 de la segunda planta de desalación por osmosis inversa, que por su excelente calidad se emplea para recarga de embalses, recarga de acuiferos, riego agrícola o consumo directo.
• Además, como consecuencia de este proceso se capta un menor caudal de agua de mar para desalación, que pasa a ser de 144444 m3/d a sólo 54258 m3/d. Por tanto, se precisa una instalación mucho menor en dimensiones de la requerida inicialmente .
En este último caso es donde las ventajas de la invención cobran la máxima relevancia económica y medioambiental, ventajas que se han descrito en esta memoria. También con la misma relevancia, la invención permite ampliar la capacidad de producción de agua potable de las plantas desaladoras existentes hasta un 64 ~6 , con un considerable ahorro en la inversión y los costes de operación y mantenimiento, especialmente en lo referente al consumo energético.
Cabe destacar además que, si comparamos los costes de inversión de la aplicación de la invención a la ciudad costera en los tres casos, se constata que en el caso de aplicación (3.b) los costes de inversión totales de las instalaciones de tratamiento de agua (depuradora, tratamiento terciario y desaladora con producción de energía por osmosis directa) son superiores a los correspondientes al escenario actual; sin embargo en el caso de aplicación (3.c) los costes de inversión totales de las instalaciones de tratamiento de agua (depuradora, tratamiento terciario, desaladora con producción de energía por osmosis directa y nueva instalación desaladora para producción de agua suplementaria) son netamente inferiores al escenario actual. En estos dos casos preferidos de aplicación, el consumo energético específico de todo el conjunto de las instalaciones de tratamiento de agua se reduciría de 3,80 kWh/m3 en el escenario actual, a 3,20 kWh/m3 en el primer caso de aplicación (3.b) y 3,25 kWh/m3 en el segundo (3.c) .

Claims

REIVINDICACIONES
1. Proceso de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada y una segunda diluida, caracterizado porque
la disolución salina concentrada es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/1, y la disolución salina diluida es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/1 y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera;
la osmosis directa se lleva a cabo en al menos un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de osmosis inversa, que comprende una carcasa (3) ; dos tomas de alimentación independientes (4, 5) de las disoluciones al interior del módulo, una primera toma (4) de alimentación de la salmuera y una segunda toma (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la osmosis directa, una primera (6) para un caudal de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta la salida del mismo;
comprendiendo el proceso las siguientes etapas:
a) bombear un caudal de la salmuera hasta la primera toma de alimentación (4) del módulo (1) con una presión Pi inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;
b) bombear al mismo tiempo un caudal del agua salobre hasta la segunda toma de alimentación (5) del módulo (1) a una presión de bombeo P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada;
c) alimentar el caudal de salmuera al interior del módulo (1) con la presión Pi y el caudal de agua salobre con la presión P2, generando mediante el fenómeno de osmosis directa una corriente de agua de paso desde el caudal de agua salobre al caudal de salmuera a través de las membranas semipermeables (2) que separan ambos caudales, y dando lugar a un caudal de salida de salmuera diluida y a un caudal de salida de agua salobre concentrada independientes ,
d) retirar el caudal de salmuera diluida al exterior del módulo (1) por la primera toma de salida (6) y hacer pasar dicho caudal por un dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) para producir energía mecánica, y
e) retirar el caudal de agua salobre concentrada por la segunda toma de salida (7) del módulo (1) .
2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque la salmuera procede de una planta de desalación.
3. Proceso según la reivindicación 2, caracterizado porque la salmuera procede de una planta de desalación de osmosis inversa .
4. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agua salobre es un efluente de una planta de tratamiento terciario de aguas residuales .
5. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un módulo (1) de membranas (2) presenta una constante de permeabilidad igual o superior a 0,05 m3/h/bar, y un porcentaje de rechazo de sales superior al 99%.
6. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión Pi está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos limites, y la presión P2 está comprendida entre 0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos limites.
7. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión Pi es de 25 bares y la presión P2 es de 1 bar.
8. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la turbina hidráulica (11) acciona un generador eléctrico (29) acoplado a la misma para producir energía eléctrica.
9. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el caudal de agua salobre concentrada retirado del al menos un módulo (1) se mezcla con el caudal de salmuera diluida que ha pasado previamente por el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11), y se vierte a un punto de descarga (20) .
10. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el caudal de salmuera diluida se bombea, tras pasar por el dispositivo (10) con al menos una turbina hidráulica (11), y se emplea como caudal de alimentación de agua bruta de una planta de desalación de agua por osmosis inversa para producir agua suplementaria de calidad potable.
11. Proceso según la reivindicación 10, caracterizado porque el caudal de agua salobre concentrada retirado al exterior del al menos un módulo (1) de membranas (2) se mezcla y se vierte a un punto de descarga (28) con un segundo caudal de salmuera, generado en la planta de desalación por osmosis inversa a la que se ha bombeado el primer caudal de salmuera diluida.
12. Instalación de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa para llevar a cabo el proceso descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores .
13. Instalación de producción de energía hidráulica mediante osmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada que es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/1, y una segunda diluida que es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/1 y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera, caracterizada porque comprende:
• al menos un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de osmosis inversa que comprende una carcasa (3); dos tomas de alimentación (4, 5) independientes de las disoluciones al interior del módulo (1), una primera de alimentación (4) de la salmuera y una segunda (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la osmosis directa, una primera (6) para un caudal de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta su salida del mismo;
una primera bomba hidráulica (8) que alimenta un caudal de la salmuera a una presión Pi al interior del al menos un módulo (1) a través de la primera toma de alimentación (4) del mismo, siendo Pi inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre; una segunda bomba hidráulica (9) que alimenta un caudal del agua salobre a una presión P2 al interior del al menos un módulo (1) a través de la segunda toma de alimentación (5) del mismo, siendo la presión P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo (1) de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada; Y
•un dispositivo (10) conectado a la toma de salida (6) del caudal de salmuera diluida del módulo (1), que comprende al menos una turbina hidráulica (11) que produce energía mediante el paso de dicho caudal.
14. Instalación según la reivindicación 13, caracterizada porque comprende al menos 750 módulos (1) de membranas semipermeables (2) .
15. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizada porque la presión Pi de bombeo de la salmuera está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P2 está comprendida entre 0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites .
16. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque la presión Pi es de 25 bares, y la presión P2 de bombeo del agua salobre es de 1 bar.
17. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizada porque el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) comprende además un generador eléctrico (29) acoplado a dicha turbina (11) .
18. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizada porque la primera bomba hidráulica (8) está conectada también a una planta de desalación de agua, de la que procede la salmuera.
19. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, caracterizada porque la segunda bomba hidráulica (9) está conectada también a una planta de tratamiento terciario de aguas residuales, de la que procede el agua salobre.
20. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende además un colector de vertidos común (20) para los dos caudales generados mediante osmosis directa, estando dicho colector (20) conectado tanto a la salida (7) de la corriente de agua salobre concentrada como a una toma de salida (12) del dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) .
21. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende además una tercera bomba hidráulica (21) que impulsa el caudal de salmuera diluida tras su paso por el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina (11), hasta una toma de entrada de una planta de desalación de agua por osmosis inversa, para producir agua suplementaria de calidad potable.
22. Instalación según la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además un colector de vertidos común (28) para el caudal de agua salobre concentrada y un segundo caudal de salmuera, generado éste en la planta de desalación de agua por osmosis inversa, estando dicho colector (28) conectado tanto a la toma de salida (7) del agua salobre concentrada del al menos un módulo (1) de osmosis directa como a una toma de salida de la planta de desalación por osmosis inversa a la que se ha bombeado previamente el primer caudal de salmuera diluida.
23. Uso de la instalación descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22 para producir energía hidráulica.
24. Planta de desalación de agua caracterizada porque comprende la instalación de producción de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22.
25. Planta de tratamiento terciario de aguas residuales caracterizada porque comprende la instalación de producción de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22.
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