WO2017109260A1 - Procedimiento de control de sistema combinado de ósmosis directa y nanofiltración u ósmosis inversa - Google Patents

Procedimiento de control de sistema combinado de ósmosis directa y nanofiltración u ósmosis inversa Download PDF

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Beatriz CORZO GARCÍA
Jorge MALFEITO SÁNCHEZ
Mª del Mar MICO RECHE
Adolfo MOLINA FERNANDEZ
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Acciona Agua, S.A.
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Definitions

  • the present invention relates to a method of dosing an extracting solution (DS) to maintain the flow of nanofiltered water produced by a direct osmosis system (FO) and nanofiltration (NF) or reverse osmosis (RO) by the difference in the measurement of the flow rate of the DS or the feedwater flow rate at the entrance and exit of the FO system or by the difference in the measurement of the water flow rate of power to the input and output of the FO system.
  • DS extracting solution
  • FO direct osmosis system
  • NF nanofiltration
  • RO reverse osmosis
  • the permeate flow rate that is, the product water flow rate
  • the permeate flow rate is the variable to be set in a process of a combined system of direct osmosis and nanofiltration or reverse osmosis.
  • control system consists of adding more or less extracting solution to the other side of the membrane to increase or decrease the osmotic pressure difference.
  • control systems described for FO systems are based on the determination of the electrical conductivity (mS / cm) of the DS (see, for example, Alturki et al. Bioresource Technology 2012, 113, 201-206; Chen et al. nd. Eng. Chem. Res., 2014, 53, 16170-16175; and Zhang et al. Journal of Membrane Science 2012, 403-404, 8-14).
  • the DS dosage is activated to restore the conductivity.
  • the present invention relates to a water filtration process in a forced osmosis system comprising a dosing step of an extracting solution characterized by measuring the flow rate of the extracting solution or the flow rate of feed water to the entry and exit of the system, where:
  • the invention relates to the process defined above, wherein the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts.
  • the invention relates to the process defined above, wherein the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and acetate magnesium, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate, potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran.
  • the invention relates to the process defined above, wherein the concentrated extracting solution has a concentration of between 10 g / l and 500 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where the diluted extracting solution has a concentration of between 5 g / l and 400 g / l.
  • the invention relates to the method defined above, wherein the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (Thin Film Composite or TFC) or cellulose triacetate (CTA).
  • TFC Thin Film Composite
  • CTA cellulose triacetate
  • the invention relates to the process defined above, where the filtration membrane is configured as hollow fiber, flat plate or spiral.
  • the invention relates to the process defined above, where the membrane is TFC configured as a flat plate. In another embodiment, the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts; Y
  • the concentrated extracting solution has a concentration between 10 g / l and 500 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts; Y
  • the diluted extracting solution has a concentration between 5 g / l and 400 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts; the concentrated extracting solution has a concentration between 10 g / l and 500 g / l; Y
  • the diluted extracting solution has a concentration between 5 g / l and 400 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and magnesium acetate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate , potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran; Y
  • the concentrated extracting solution has a concentration between 10 g / l and 500 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and magnesium acetate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate , potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran; Y
  • the diluted extracting solution has a concentration between 5 g / l and 400 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and magnesium acetate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate , potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran;
  • the concentrated extracting solution has a concentration between 10 g / l and 500 g / l; Y
  • the diluted extracting solution has a concentration between 5 g / l and 400 g / l.
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts; Y
  • the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (TFC) or Cellulose Triacetate (CTA), and preferably where the membrane is TFC and is configured as a flat plate.
  • TFC thin layer composite
  • CTA Cellulose Triacetate
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts; Y
  • the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (TFC) or Cellulose Triacetate (CTA), preferably where the filtration membrane is configured as hollow fiber, flat or spiral plate, and more preferably where the Membrane is TFC and is configured as a flat plate.
  • TFC thin layer composite
  • CTA Cellulose Triacetate
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and magnesium acetate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate , potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran; Y
  • the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (TFC) or Cellulose Triacetate (CTA), preferably where the filtration membrane is configured as hollow fiber, flat or spiral plate, and more preferably where the Membrane is TFC and is configured as a flat plate.
  • TFC thin layer composite
  • CTA Cellulose Triacetate
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from a high molecular weight polymer, fertilizers, inorganic salts and organic salts;
  • the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (TFC) or Cellulose Triacetate (CTA), preferably where the filtration membrane is configured as hollow fiber, flat or spiral plate, and more preferably where The membrane is TFC and is configured as a flat plate.
  • TFC thin layer composite
  • CTA Cellulose Triacetate
  • the invention relates to the process defined above, where:
  • the extracting solution is selected from sodium polyacrylate, magnesium sulfate, calcium disodium EDTA, magnesium disodium EDTA, calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium acetate and magnesium acetate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride, sodium pyrophosphate , potassium formate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran;
  • the concentrated extracting solution has a concentration between 10 g / l and 500 g / l;
  • the diluted extracting solution has a concentration between 5 g / l and 400 g / l; and the forced osmosis system comprises a filtration membrane selected from thin layer composite (TFC) or Cellulose Triacetate (CTA), preferably where the filtration membrane is configured as hollow fiber, flat or spiral plate, and more preferably where The membrane is TFC and is configured as a flat plate.
  • TFC thin layer composite
  • CTA Cellulose Triacetate
  • water filtration refers to nanofiltration and direct osmosis, where both are separation processes that use semipermeable membranes.
  • Semi-permeable membrane is called that structure that allows the passage of some compounds and not others, depending on the characteristics of the compound such as size, or load.
  • Nanofiltration and reverse osmosis are similar techniques that are distinguished by the type of membrane they use. The nanofiltration membranes have an equivalent pore size of 0.001-00001 microns, while the reverse osmosis would have a smaller equivalent pore size ( ⁇ 0.0001 ⁇ ).
  • “Flat plate membranes” refers to flat membrane sheets supported on support plates and are used in plate and frame modules. These modules will have two inputs (one for the "feed” and another for the “draw solution”) and two outputs, distributed at different points on the board depending on the type of flow desired.
  • “Hollow fiber membranes” refers to a group of small diameter hollow tubes (0.6 to 2 mm) that are constructed with a membrane, where water can flow either from inside to outside or from outside to inside.
  • “Spiral membranes” refer to two layers of membrane, located in a permeate collecting fabric. This membrane sheath wraps a permeate drain located in the central position.
  • the flat plate membranes are flat membrane sheets, folios type
  • the hollow fiber membranes are arranged in hollow tubes.
  • feed water or “feed water” or “feed water” refer to the water stream to be treated. It can be seawater, brackish water, wastewater, etc., that is, any water that wants to be desalinated or concentrated.
  • extracting solution or “draw solution” or “DS” refer to a fluid that has a high dissolved solute concentration and, therefore, an osmotic pressure greater than the current called feed water or supply water. Due to the difference in osmotic pressures between both currents, if they come into contact with a semipermeable membrane, the concentration with higher osmotic pressure tends to be diluted in order to equalize pressures, therefore, this current draws the fluid to itself.
  • the “concentrated extracting solution” is one that has not yet been contacted through the semipermeable membrane with the feed water, while the “diluted extracting solution” has already been in contact with the feed water and has extracted part of that water towards diluting itself. Examples of DS include among others:
  • high molecular weight polymers polymers are macromolecules formed by the union of smaller molecules called monomers. They are generally organic molecules of high molecular weight. Preferred molecules should have a molecular weight of cut of 2-25 KDa. Molecules with higher molecular weight should not be considered due to their high viscosity. Examples of polymers are: sodium polyacrylate, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, dextran;
  • fertilizer is a type of substance which contains nutrients, in healthy chemical forms and assimilable by the roots of plants, to maintain or increase the content of these elements in the soil for the plant to absorb.
  • fertilizer calcium nitrate, magnesium nitrate, calcium EDTA, magnesium EDTA, magnesium sulfate, sodium pyrophosphate;
  • organic salts it is applied to the salt formed by cations (positively charged ions) attached to anions (negatively charged ions) by means of an ionic bond, where the anion is mainly composed of carbon compounds, with CC and CH bonds Examples being potassium formate, calcium EDTA, magnesium EDTA, calcium acetate, magnesium acetate; Y
  • inorganic salts it is applied to the salt formed by cations (positively charged ions) attached to anions (negatively charged ions) by means of an ionic bond, where no part contains carbon compounds with C-C and C-H bonds.
  • examples are magnesium sulfate, calcium nitrate, magnesium nitrate, sodium chloride, calcium chloride, magnesium chloride.
  • a constant water flow rate (product water, permeate flow rate) can be supplied.
  • the product water flow is the variable that remains fixed.
  • new or diluted extracting solution is added to one side of the direct osmosis membrane to raise or lower the osmotic pressure difference in the system and thereby modify the product water flow.
  • new or diluted extracting solution is stopped dosing.
  • the process of the invention allows the osmosis and NF / RO process to be stable, that is, the permeate of the NF / RO is matched with the difference in flow rates between the input and the output of the FO to that both processes work synchronously.
  • These two processes work in series to prevent the NF / RO from stopping due to lack of water produced by the FO or, conversely, that the FO stops and does not produce more water. If not, there will come a time when either the NF / RO does not it will have food and it will stop, since it depends on the water produced by the FO, or vice versa, a time when the FO produces more water than the NF / RO.
  • the process of the invention allows the saving of product water from the system since, when the flow of product water through the FO increases, instead of adding product water to decrease the osmotic pressure difference and decrease the water flow which passes through the membrane, what is done in the process of the invention is to add diluted extracting solution, so that the concentration of the extracting solution decreases. This saves product water.
  • FIG. 1 Shows the scheme of the process of direct osmosis and nanofiltration.
  • FO Direct Osmosis Membranes of Porifera Company. It is configured by 2 racks of 6 elements each. Each element has 7 m 2 , therefore, the total area of the FO membranes is 84 m 2 .
  • NF NF membranes from Dow Chemical Company. 2 pressure containers are used with 4 NF elements of the measures 4x40 "in series or in parallel. Each membrane has 7.6 m 2 of surface, therefore, 60.8 m 2.
  • T1 it is the tank that contains the concentrated DS where there is an agitator to keep the mixture uniform
  • T2 is the tank where the diluted DS is stored 1: DS, flow rate of 2,000L / h and pressure of 0.7 bar 2: diluted DS, flow rate of 2,200 L / h and pressure of 0.2 bar 3: product water, flow rate of 200L / h and pressure of 0.2 bar 4: feedwater (effluent from a WWTP), flow rate of 3,000L / h and pressure of 0.9 bar 5: concentrated, flow of 2,800 L / h and pressure of 0.5 bar 6: diluted DS, flow of 2,200 L / h and pressure of 10 bar 7: concentrated DS (perhaps less concentrated than 1 if 3 contains large quantity DS) 8: Diluted DS, demand flow and 0.2 bar pressure 9: New DS, demand flow (range 0.6 to 4L / h depending on the type of DS) and 0.2 pressure Pub.
  • the water flow produced by direct osmosis is kept constant by adding the concentrated extracting solution with a metering pump in case the flow decreases, and adding diluted DS in case the flow increases.
  • the nanofiltered water flow will be equal to the flow produced by direct osmosis to maintain the stability of the system.
  • the study corresponding to the invention was carried out in an automatic pilot plant that allows the operation and washing sequence to be carried out and to adjust the operating conditions of the system formed by FO / NF technology.
  • the FO membranes used are from Porifera. NF membranes were supplied by Dow Chemical.
  • Input flows in the FO membrane of water to be treated at 3,000 L / h and 2,000L / h DS flow rates were studied.
  • the inlet water was treated wastewater from a membrane bioreactor with a variable quality according to seasonality, with a conductivity of about 4-6 mS / cm and a boron concentration of 0.9-1.3 ppm.
  • the permeate flow rate was adjusted to 200 L / h.
  • a DS formed by sodium polyacrylate was used.
  • the NF membranes used in this example were characterized by having high flow.
  • the NF membrane responded to the DS concentration difference by raising the pump pressure between 7-16 bar to give a constant permeate flow rate and equal to the water flow produced by the FO.
  • the water obtained showed a high quality, with 0.5 mS / cm of conductivity and 0.4 ppm of boron.
  • Input flows in the FO membrane of water to be treated at 3,000 L / h and flow rates of 2,000L / h DS were studied.
  • the inlet water was treated wastewater from a membrane bioreactor with a variable quality according to seasonality, with a conductivity of about 4-6 mS / cm and boron of 0.9-1, 3 ppm.
  • the permeate flow rate was adjusted to 200 L / h.
  • a DS formed by magnesium sulfate was used.
  • NF membranes were characterized by having high flow. No fouling was observed in the membrane or significant variations in the quality of the inlet water or the temperature, therefore, the concentration of the DS at the entrance of the FO membrane was maintained around 35 g / L.
  • Flow rates in the FO membrane of water to be treated at 3,000 L / h and flow rates of 2,000 L / h DS were studied.
  • the inlet water was treated wastewater from a membrane bioreactor with a variable quality according to seasonality, with a conductivity of about 4-6 mS / cm and boron of 0.9-1, 3 ppm.
  • a permeate flow rate of 200 L / h was adjusted.
  • a DS formed by magnesium sulfate was used.
  • the NF membranes used were characterized in this case by showing a high rejection. No fouling was observed in the membrane or significant variations in the quality of the inlet water or temperature, whereby the concentration of the DS at the entrance of the FO membrane was maintained around 35 g / L.
  • the NF membrane responded to the DS concentration difference by raising the pump pressure around 1, 5 bar to give a constant permeate flow rate and equal to the water flow produced by the FO.
  • the water obtained showed high quality, with a conductivity of 0.5 mS / cm and 0.4 ppm of boron.

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Abstract

Procedimiento para tratar agua por nanofiltraciónu ósmosis inversa con un sistema de ósmosis directa como pretratamiento que comprende un sistema de control por el cual la diferencia de caudal entre la entrada y la salida de la membrana en cualquiera de los dos lados de la membrana es regulada mediante un sistema de adición de una disolución de una presión osmótica inferior o superior al agua a tratar.

Description

PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE SISTEMA COMBINADO DE OSMOSIS DIRECTA Y NANOFILTRACIÓN U OSMOSIS INVERSA DESCRIPCIÓN La presente invención se refiere a un procedimiento de dosificación de una disolución extractora (DS) para mantener el caudal de agua nanofiltrada producida por un sistema de osmosis directa (FO) y nanofiltración (NF) u osmosis inversa (RO) mediante la diferencia en la medida del caudal de la DS o del caudal de agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema de FO o mediante la diferencia en la medida del caudal del agua de alimentación a la entrada y la salida del sistema FO.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En una planta de producción de agua es de vital importancia suministrar un caudal de agua constante al usuario final. Así, el caudal de permeado, es decir, el caudal de agua producto, es la variable a fijar en un proceso de un sistema combinado de osmosis directa y nanofiltración u osmosis inversa.
Para ello, el sistema de control consiste en añadir más o menos disolución extractora al otro lado de la membrana para aumentar o disminuir la diferencia de presión osmótica. Hasta la fecha los sistemas de control descritos para sistemas de FO están basados en la fijación de la conductividad eléctrica (mS/cm) de la DS (ver, por ejemplo, Alturki et al. Bioresource Technology 2012, 113, 201-206; Chen et al. nd. Eng. Chem. Res., 2014, 53, 16170-16175; y Zhang et al. Journal of Membrane Science 2012, 403-404, 8-14). Así, cuando por dilución con el permeado la conductividad baja por debajo de un valor concreto, se activa la dosificación de DS para restablecer la conductividad. Sin embargo, no existe una relación directa entre la conductividad eléctrica de la DS (mS/cm) y el caudal de permeado obtenido (m3/s) puesto que el caudal de permeado obtenido depende de la conductividad del agua a purificar, pero también de otros factores como son la capa de suciedad de la membrana, el caudal de paso por la membrana (Akther et al. Chemical Engineering Journal 2015, 281, 502-522) y de la composición de la DS que puede ir cambiando con el tiempo. Por tanto, el control basado en la conductividad no permite conseguir un caudal de agua producto constante. Por tanto, sería deseable disponer de un procedimiento de osmosis directa que permita el control del caudal obtenido de agua nanofiltrada/osmotizada y, además, que las etapas de nanofiltración/ósmosis inversa y de osmosis directa de dicho procedimiento sean estables mediante su regulación en serie.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de filtración de agua en un sistema de osmosis forzada que comprende una etapa de dosificación de una disolución extractora caracterizada por medir el caudal de la disolución extractora o el caudal de agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema, donde:
i) cuando la diferencia entre el caudal de la disolución extractora o del agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema es menor de entre un 1 % y un 10% del caudal se produce la dosificación de disolución extractora concentrada; o ii) cuando la diferencia entre el caudal de la disolución extractora o del agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema es mayor de entre un 1 % y un 10% del caudal se produce la dosificación de disolución extractora diluida,
caracterizado por que el caudal al que se refieren las etapas (i) y (ii) es de entre 2 y 15 L/ h por metro cuadrado de superficie de membrana.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano. En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l. En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (Thin Film Composite o TFC) o de triacetato de celulosa (CTA).
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde la membrana es TFC configurada como placa plana. En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas; y
la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas; y
la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas; la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l; y
la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l. En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano; y
la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano; y
la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano;
la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l; y
la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde: la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas; y
el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de Triacetato de Celulosa (CTA), y preferiblemente donde la membrana es TFC y está configurada como placa plana.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas; y
el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de Triacetato de Celulosa (CTA), preferiblemente donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral, y más preferiblemente donde la membrana es TFC y está configurada como placa plana.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano; y
el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de Triacetato de Celulosa (CTA), preferiblemente donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral, y más preferiblemente donde la membrana es TFC y está configurada como placa plana. En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas;
donde la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l; la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l; y el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de Triacetato de Celulosa (CTA), preferiblemente donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral, y más preferiblemente donde la membrana es TFC y está configurada como placa plana.
En otra realización, la invención se refiere al procedimiento definido anteriormente, donde:
la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano;
donde la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l;
la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l; y el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de Triacetato de Celulosa (CTA), preferiblemente donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral, y más preferiblemente donde la membrana es TFC y está configurada como placa plana.
A lo largo de la presente invención el término "filtración de agua" se refiere a nanofiltración y osmosis directa, donde ambos son procesos de separación que utilizan membranas semipermeables. Se denomina membrana semipermeable a aquella estructura que permite el paso de unos compuestos y de otros no, en función de características del compuesto como tamaño, o carga. La nanofiltración y la osmosis inversa son técnicas similares que se distinguen por el tipo de membrana que utilizan. Las membranas de nanofiltración tienen un tamaño de poro equivalente de 0,001 - 0,0001 mieras, mientras que la osmosis inversa tendría un tamaño de poro equivalente menor (< 0,0001 μηι).
"Membranas de placa plana" se refiere a láminas planas de membrana soportadas en placas de apoyo y se utilizan en módulos de placa y bastidor. Estos módulos tendrán dos entradas (una para la "feed" (agua de alimentación) y otra para la "draw solution" (disolución extractora)) y dos salidas, distribuidas en distintos puntos de la placa en función del tipo de flujo deseado. "Membranas de fibra hueca" se refiere a un grupo de tubos huecos de pequeño diámetro (0,6 a 2 mm) que están construidos con membrana, donde el agua puede fluir o bien de dentro a fuera o bien de fuera a dentro.
"Membranas de espiral" se refieren a dos capas de membrana, situadas en un tejido colector de permeados. Esta funda de membrana envuelve a un desagüe de permeados situado en la posición central.
Así pues, las diferencias entre estas tres configuraciones radican en cómo está dispuesta la membrana:
- las membranas de placa planas son láminas de membrana plana, tipo folios;
- las membranas en espiral están enrolladas en espiral; y
- las membranas de fibra hueca están dispuestas en tubos huecos.
Los términos "agua de alimentación" o "agua de aporte" o "feed water" se refieren a la corriente de agua a tratar. Puede ser agua de mar, agua salobre, agua residual, etc., es decir, cualquier agua que se quiera desalinizar o concentrar.
Los términos "disolución extractora" o "draw solution" o "DS" se refieren a un fluido que tiene una concentración de soluto disuelto elevada y, por lo tanto, una presión osmótica mayor que la corriente llamada feed water o agua de aporte. Debido a la diferencia de presiones osmóticas entre ambas corrientes, si se ponen en contacto con una membrana semipermeable, la concentración con mayor presión osmótica tiende a diluirse con el objeto de igualar presiones, por consiguiente, esta corriente extrae el fluido hacia sí misma. La "disolución extractora concentrada" es aquella que aún no se ha puesto en contacto a través de la membrana semipermeable con el agua de alimentación, mientras que la "disolución extractora diluida" ya se ha puesto en contacto con el agua de alimentación y ha extraído parte de esa agua hacia sí misma diluyéndose. Ejemplos de DS incluyen entre otras:
- "polímeros de alto peso molecular": los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Generalmente son moléculas orgánicas de alto peso molecular. Las moléculas preferidas deben tener un peso molecular de corte de 2-25 KDa. Moléculas con mayor peso molecular no deben considerarse debido a su alta viscosidad. Ejemplos de polímeros son: poliacrilato de sodio, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol, dextrano;
- "Fertilizantes": es un tipo de sustancia la cual contiene nutrientes, en formas químicas saludables y asimilables por las raíces de las plantas, para mantener o incrementar el contenido de estos elementos en el suelo para que la planta los absorba. Ejemplos de fertilizante: nitrato cálcico, nitrato magnésico, EDTA cálcico, EDTA magnésico, sulfato magnésico, pirofosfato sódico;
- "sales orgánicas": se aplica a la sal formada por cationes (iones con carga positiva) unidos a aniones (iones con carga negativa) mediante un enlace iónico, donde el anión se compone principalmente de compuestos de carbono, con enlaces C-C y C-H, siendo ejemplos el formiato potásico, EDTA cálcico, EDTA magnésico, acetato cálcico, acetato magnésico; y
- "sales inorgánicas": se aplica a la sal formada por cationes (iones con carga positiva) unidos a aniones (iones con carga negativa) mediante un enlace iónico, donde ninguna parte contiene compuestos de carbono con enlaces C-C y C-H. Siendo ejemplos: sulfato magnésico, nitrato cálcico, nitrato magnésico, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico.
Como se ha mencionado anteriormente, gracias al procedimiento de la invención se puede suministrar un caudal constante de agua (agua producto, caudal de permeado). En el sistema el caudal de agua producto es la variable que se mantiene fija. Para ello, se añade disolución extractora nueva o diluida a un lado de la membrana de osmosis directa para subir o bajar así la diferencia de presión osmótica en el sistema y con ello modificar el caudal de agua producto. Una vez que el caudal de agua producto medido por la diferencia entre los caudalímetros de entrada y salida de la FO esté dentro del rango deseado, se deja de dosificar disolución extractora nueva o diluida. Por otro lado, el proceso de la invención permite que el proceso de osmosis y NF/RO sean estables, es decir, el permeado de la NF/RO se hace coincidir con la diferencia de caudales entre la entrada y la salida de la FO para que ambos procesos trabajen de forma sincronizada. Estos dos procesos trabajan en serie para evitar que la NF/RO se detenga por falta del agua producida por la FO o, al revés, que la FO se detenga y no produzca más agua. Si no es así, llegará un momento en que o bien la NF/RO no tendrá alimento y se parará, ya que depende del agua que produce la FO, o al revés, un momento en que la FO produzca más agua que la NF/RO.
Además, el proceso de la invención permite el ahorro de agua producto del sistema puesto que, cuando el caudal de agua producto a través de la FO aumenta, en lugar de añadir agua producto para disminuir la diferencia de presión osmótica y disminuir el flujo de agua que pasa por la membrana, lo que se hace en el proceso de la invención es añadir disolución extractora diluida consiguiendo que la concentración de la disolución extractora disminuya. Así se ahorra agua producto.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS FIG. 1 Muestra el esquema del proceso de osmosis directa y nanofiltración. FO: Osmosis directa Membranas de Porifera Company. Se configura mediante 2 racks de 6 elementos cada uno. Cada elemento tiene 7 m2, por consiguiente, el área total de las membranas de FO es 84 m2. NF: Membranas de NF de Dow Chemical Company. Se utilizan 2 contenedores de presión con 4 elementos de NF de las medidas 4x40" en serie o en paralelo. Cada membrana tiene 7,6 m2 de superficie, por lo tanto, 60,8 m2. T1 : es el tanque que contiene la DS concentrada donde existe un agitador para mantener la mezcla uniforme. T2: es el tanque donde se almacena la DS diluida. 1 : DS, caudal de 2.000L/h y presión de 0,7 bar. 2: DS diluida, caudal de 2.200L/h y presión de 0,2 bar. 3: agua producto, caudal de 200L/h y presión de 0,2 bar. 4: agua de alimentación (efluente de una EDAR), caudal de 3.000L/h y presión de 0,9 bar. 5: concentrado, caudal de 2.800 L/h y presión de 0,5 bar. 6: DS diluida, caudal de 2.200 L/h y presión de 10 bar. 7: DS concentrada (quizás menos concentrada que 1 si 3 contiene gran cantidad de DS). 8: DS diluida, caudal a demanda y presión de 0,2 bar. 9: DS nueva, caudal a demanda (rango de 0,6 a 4L/h dependiendo del tipo de DS) y presión de 0,2 bar. EJEMPLOS
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores que ponen de manifiesto la efectividad del producto de la invención.
Durante el proceso global se mantiene constante el caudal de agua producida por la osmosis directa añadiendo la disolución extractora concentrada con una bomba dosificadora en caso de que el caudal disminuya, y añadiendo DS diluida en caso de que el caudal aumente. El caudal de agua nanofiltrada será igual al caudal producido por la osmosis directa para mantener la estabilidad del sistema.
El estudio correspondiente a la invención se llevó a cabo en una planta piloto automática que permite realizar la secuencia de operación y de lavado y ajusfar las condiciones de operación del sistema formado por la tecnología de FO/NF. Las membranas de FO utilizadas son de la empresa Porifera. Las membranas de NF fueron suministradas por la empresa Dow Chemical.
Ejemplo 1 :
Se estudiaron caudales de entrada en la membrana de FO de agua a tratar de 3.000 L/h y caudales de 2.000L/h de DS. El agua de entrada fue agua residual tratada proveniente de un bioreactor de membrana con una calidad variable según la estacionalidad, con una conductividad de alrededor de 4-6 mS/cm y una concentración de boro de 0,9-1 ,3 ppm. Se ajustó el caudal de permeado a 200 L/h. Se utilizó una DS formada por poliacrilato de sodio. Las membranas de NF utilizadas en este ejemplo se caracterizaron por tener alto flujo. Al observarse una bajada en el flujo de la membrana de FO (lo cual fue observado en base a una disminución en la diferencia de caudales entre la entrada y la salida de la membrana), probablemente debida a un ensuciamiento en la membrana de FO, se dosificó DS en 9 para aumentar la concentración de DS a la entrada de la membrana de FO (1) para aumentar la diferencia de presión osmótica entre un lado y otro de la membrana y lograr restaurar así el flujo deseado. Durante la operación, la concentración de DS fue aumentando desde 100 g/L hasta 200 g/L. Se dosificaron de media un total de 6.900 kg/año de DS comercial y no fue necesario dosificar DS diluida debido a que el caudal de producción se situó en todo momento por debajo del caudal deseado. La membrana de NF respondió a la diferencia de concentración de la DS subiendo la presión de la bomba entre 7-16 bar para dar un caudal de permeado constante e igual al caudal de agua producida por la FO. El agua obtenida mostró una calidad alta, con 0,5 mS/cm de conductividad y 0,4 ppm de boro. Ejemplo 2:
Se estudiaron caudales de entrada en la membrana de FO de agua a tratar de 3.000 L/h y caudales de 2.000L/h de DS. El agua de entrada fue agua residual tratada proveniente de un biorreactor de membrana con una calidad variable según la estacionalidad, con una conductividad de alrededor de 4-6 mS/cm y boro de 0,9-1 ,3 ppm. Se ajustó el caudal de permeado a 200 L/h. Se utilizó una DS formada por sulfato magnésico. Las membranas de NF se caracterizaron por tener alto flujo. No se observó ensuciamiento en la membrana ni variaciones significativas en la calidad del agua de entrada ni en la temperatura, por lo tanto, la concentración de la DS a la entrada de la membrana de FO se mantuvo alrededor de 35 g/L. Se dosificaron de media un total de 6.300 kg/año de DS comercial y no fue necesario dosificar DS diluida debido a que siempre el caudal de producción se situó por debajo del caudal deseado. La membrana de NF respondió a la diferencia de concentración de la DS subiendo la presión de la bomba alrededor de 10 bar para dar un caudal de permeado constante e igual al caudal de agua producida por la FO. El agua obtenida mostró una calidad adecuada, con una conductividad de 2 mS/cm y 0,4 ppm de boro.
Ejemplo 3:
Se estudiaron caudales de entrada en la membrana de FO de agua a tratar de 3.000 L/h y caudales de 2.000 L/h de DS. El agua de entrada fue agua residual tratada proveniente de un biorreactor de membrana con una calidad variable según la estacionalidad, con una conductividad de alrededor de 4-6 mS/cm y boro de 0,9-1 ,3 ppm. Se ajustó un caudal de permeado de 200 L/h. Se usó una DS formada por sulfato magnésico. Las membranas de NF utilizadas se caracterizaron en este caso por mostrar un alto rechazo. No se observó ensuciamiento en la membrana ni variaciones significativas en la calidad del agua de entrada ni en la temperatura, con lo cual la concentración de la DS a la entrada de la membrana de FO se mantuvo alrededor de 35 g/L. Se dosificaron aproximadamente un total de 3.200 kg/año de DS comercial y no fue necesario dosificar DS diluida debido a que el caudal de producción se situó en todo momento por debajo del caudal deseado. La membrana de NF respondió a la diferencia de concentración de la DS subiendo la presión de la bomba alrededor de 1 1 ,5 bar para dar un caudal de permeado constante e igual al caudal de agua producida por la FO. El agua obtenida mostró una alta calidad, con una conductividad de 0,5 mS/cm y 0,4 ppm de boro.

Claims

REIVINDICACIONES
Procedimiento de filtración de agua en un sistema de osmosis forzada que comprende una etapa de dosificación de una disolución extractora caracterizada por medir el caudal de la disolución extractora o el caudal de agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema, donde:
i) cuando la diferencia entre el caudal de la disolución extractora o del agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema es menor de entre un 1 % y un 10% del caudal se produce la dosificación de disolución extractora concentrada; o
ii) cuando la diferencia entre el caudal de la disolución extractora o del agua de alimentación a la entrada y a la salida del sistema es mayor de entre un 1 % y un 10% del caudal se produce la dosificación de disolución extractora diluida,
caracterizado por que el caudal al que se refieren las etapas (i) y (ii) es de entre 2 y 15 L/ h por metro cuadrado de superficie de membrana.
El procedimiento según la reivindicación 1 , donde la disolución extractora se selecciona de un polímero de alto peso molecular, fertilizantes, sales inorgánicas y sales orgánicas.
El procedimiento según la reivindicación 2, donde la disolución extractora se selecciona de poliacrilato de sodio, sulfato magnésico, EDTA disódico de calcio, EDTA disódica de magnesio, nitrato de calcio, nitrato de magnesio, acetato de calcio y acetato de magnesio, cloruro sódico, cloruro cálcico, cloruro magnésico, pirofosfato sódico, formiato potásico, poliacrilamida, polietilenglicol, polivinil alcohol y dextrano.
El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la disolución extractora concentrada tiene una concentración de entre 10 g/l y 500 g/l.
El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la disolución extractora diluida tiene una concentración de entre 5 g/l y 400 g/l.
6. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el sistema de osmosis forzada comprende una membrana de filtración seleccionada de composite de capa fina (TFC) o de triacetato de celulosa (CTA). 7. El procedimiento según la reivindicación 6, donde la membrana de filtración está configurada como fibra hueca, placa plana o espiral.
8. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, donde la membrana es TFC configurada como placa plana.
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