Tecnología de ósmosis inversa (RO) se utiliza ampliamente en el tratamiento de agua debido a sus ventajas, como tasas de desalinización estables, tamaño reducido, automatización y escalabilidad. Sin embargo, la incrustación es un problema problemático para el personal de tratamiento de agua durante el funcionamiento de la membrana. La incrustación puede provocar una disminución del flujo de la membrana, un mayor consumo de energía, menores tasas de desalinización y una vida útil reducida de la membrana, lo que aumenta los costos operativos. Por lo tanto, se deben tomar medidas para evitar la incrustación de la membrana. Los métodos comunes de inhibición de incrustaciones incluyen dos enfoques principales: ajustar el pH del agua de alimentación de OI y agregar inhibidores de incrustaciones al agua de alimentación. Ambos métodos también se pueden utilizar juntos. Este artículo analiza el mecanismo de inhibición de la incrustación y proporciona métodos para seleccionar el método de inhibición y calcular la dosis requerida.
1. Mecanismo inhibidor de incrustaciones
La incrustación de la membrana se refiere a la precipitación de sustancias poco solubles, como doadoO3, CaSO4, BaSO4 y Ca3(PO4)2, en la superficie de la membrana. Cuando estas sustancias se concentran en el sistema de ósmosis inversa, pueden alcanzar la sobresaturación. Por ejemplo, a un pH = 7,5 y una temperatura del agua de 25 °C, cuando la dureza del calcio (medida como CaCO3) es de 200 mg/L y la alcalinidad total (medida como CaCO3) es de 150 mg/L, el CaCO3 se aproximará a la sobresaturación. De manera similar, a un pH = 7,5 y una temperatura del agua de 25 °C, cuando la concentración de iones de bario es de solo 0,01 mg/L y los iones de sulfato son de 4,5 mg/L, el BaSO4 se sobresaturará y precipitará.
El mecanismo de inhibición de incrustaciones de los inhibidores de incrustaciones de ósmosis inversa implica principalmente complejación, dispersión, distorsión de la red y efectos de umbral.
Complejización y solubilización: los inhibidores de incrustaciones pueden formar complejos solubles con cationes incrustantes en agua, como iones de calcio, magnesio y bario, previniendo la formación de CaCO3, CaSO4, BaSO4 y Ca3(PO4)2.
Coagulación y dispersión: los aniones liberados por los inhibidores de incrustaciones se unen a los cristales de CaCO3. Dado que los contaminantes en las aguas residuales industriales generalmente tienen una carga negativa, las cargas similares se repelen entre sí, creando una repulsión electrostática que evita que los cristales de CaCO3 se agreguen y se conviertan en partículas más grandes. Los cristales se dispersan uniformemente en la solución, inhibiendo así la formación de incrustaciones de CaCO3.
Distorsión de la red: durante la agregación y el crecimiento de microcristales de CaCO3, se incorporan inhibidores de incrustaciones en la red cristalina o en la interfaz cristalina, lo que provoca una distorsión de la red. Esto inhibe o distorsiona directamente el crecimiento de los cristales. Por ejemplo, el CaCO3 está formado por iones de calcio cargados positivamente y iones de bicarbonato cargados negativamente, que crecen en una dirección específica. Durante su desarrollo, se incorporan inhibidores de incrustaciones a la red, lo que aumenta la tensión interna dentro del cristal. Cuando la tensión alcanza un cierto umbral, el cristal se romperá, impidiendo la formación de cristales.
Efecto umbral: Los inhibidores de incrustaciones interrumpen los procesos de agregación y ordenación de los microcristales de CaCO3, CaSO4, BaSO4, Ca3(PO4)2, evitando así la precipitación.
2. Selección de métodos de inhibición de escala
El principal indicador utilizado para evaluar el riesgo de incrustación en los sistemas de ósmosis inversa (RO) es el índice de saturación de Langelier (LSI). Cuando LSI < 0, el agua no tiene tendencia a incrustarse (aunque puede ser ligeramente corrosiva). Cuando LSI ≥ 0, el agua es propensa a incrustarse. El método de ajuste de pH previene la incrustación al reducir el pH del agua de alimentación, cambiando así el LSI de mayor que 0 a menos de 0. Agregar inhibidores de incrustación puede prevenir la incrustación incluso cuando LSI ≥ 0, ya que los microcristales insolubles en el agua no pueden crecer, agregarse, o precipitar. Los principales mecanismos para esta inhibición son los cuatro descritos anteriormente. Actualmente, los productos inhibidores de escala nacional pueden garantizar que las sustancias insolubles no precipiten incluso cuando LSI = 3. Los inhibidores de las mejores marcas internacionales pueden garantizar que no haya precipitación en LSI = 5. Sin embargo, es importante tener cuidado al comprar inhibidores, ya que algunos proveedores nacionales importan inhibidores concentrados de marcas internacionales y diluirlos con grandes cantidades de agua, lo que genera discrepancias significativas en el rendimiento real de la inhibición de incrustaciones, a pesar de que el producto está etiquetado como LSI = 5.
1. Método de ajuste del pH
Para garantizar la producción de agua permeada calificada, el pH del agua de alimentación de ósmosis inversa generalmente se controla entre 6 y 9, y algunas empresas implementan un control más refinado dentro de un rango más estrecho, como de 7,0 a 8,5. Los niveles de pH extremadamente bajos o altos en el agua de alimentación pueden impedir que el permeado de RO cumpla con los estándares de calidad del agua requeridos. Por lo tanto, el método de ajuste de pH para la inhibición de incrustaciones supone que el pH del permeado de OI estará dentro del rango deseado. Es importante tener en cuenta que el método de ajuste del pH se dirige principalmente a la incrustación de CaCO3 y es ineficaz contra otros tipos de sustancias incrustantes.
2. Método de adición de inhibidores de incrustaciones
Como se mencionó anteriormente, agregar inhibidores de incrustaciones puede permitir que las membranas de RO toleren valores de LSI más altos. Sin embargo, los inhibidores de incrustaciones de OI tienden a ser costosos: los productos nacionales oscilan entre 0,008 y 0,012 RMB/g y los productos concentrados de marcas internacionales cuestan entre 0,055 y 0,075 RMB/g, lo que genera altos costos operativos.
Además, existen numerosos tipos de inhibidores de incrustaciones en el mercado y algunos fabricantes promueven constantemente conceptos nuevos y no probados, lo que genera confusión al seleccionar un inhibidor de incrustaciones. Generalmente, los inhibidores de incrustaciones comerciales maduros se pueden clasificar en tres categorías: inhibidores de incrustaciones a base de fósforo, inhibidores de incrustaciones a base de polímeros e inhibidores de incrustaciones respetuosos con el medio ambiente.
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Inhibidores de incrustaciones a base de fósforo: Estos incluyen inhibidores de fosfato inorgánicos (como tripolifosfato de sodio o hexametafosfato de sodio) e inhibidores de fosfonato orgánicos (como ácido hidroxietilidendifosfónico, ácido aminotrimetilenfosfónico y derivados del ácido fosfónico). Los inhibidores de fosfato inorgánicos contienen aniones de cadena larga y son propensos a la hidrólisis, especialmente a temperaturas más altas. Cuando se hidrolizan, forman sales de ácido fosfórico, que pueden reaccionar con iones de calcio para formar Ca3(PO4)2, una incrustación con un producto de menor solubilidad que el CaCO3. Por lo tanto, los inhibidores de fosfato inorgánicos no son adecuados para agua con altas temperaturas o altas concentraciones de iones calcio.
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Inhibidores de incrustaciones de fosfonato orgánico: Estos inhibidores contienen fosfonatos orgánicos, típicamente caracterizados por el enlace C-O-P. Cuando se exponen a altas temperaturas y ambientes alcalinos, los fosfonatos orgánicos pueden hidrolizarse en ésteres y alcoholes fosfóricos, lo que reduce significativamente su eficiencia de inhibición de incrustaciones. Por consiguiente, los fosfonatos orgánicos no son adecuados para su uso en agua con altas temperaturas o valores de pH elevados.
Los inhibidores de incrustaciones a base de polímeros se dividen principalmente en inhibidores de polímeros aniónicos y catiónicos. El primero se usa principalmente para prevenir la incrustación de iones metálicos, mientras que el segundo se usa principalmente para inhibir la incrustación de sílice. Los ingredientes principales de los inhibidores a base de polímeros son el ácido acrílico y el ácido maleico y, durante la formulación, se introducen varios grupos funcionales en las moléculas. Como resultado, los inhibidores de incrustaciones de polímeros vienen en varias formulaciones. Al utilizar estos inhibidores, es importante considerar no sólo las condiciones de calidad del agua sino también los tipos de incrustaciones presentes. Por ejemplo, los inhibidores de polímeros con grupos carboxilo se dirigen principalmente a las incrustaciones de calcio, los inhibidores de polímeros a base de ácido sulfónico se utilizan principalmente para las incrustaciones de óxidos metálicos y los inhibidores de polímeros a base de aminas son eficaces para las incrustaciones de sílice. Por lo tanto, los inhibidores de incrustaciones de polímeros no son agentes de amplio espectro; están diseñados para abordar las deficiencias de los inhibidores de amplio espectro. Además, dado que el componente principal de los inhibidores a base de polímeros es un polímero, son susceptibles a la oxidación por el cloro y otros biocidas oxidativos, lo que puede volverlos ineficaces. Por lo tanto, antes de añadir estos inhibidores, es necesario neutralizar primero el cloro residual en el agua añadiendo un agente reductor.
Los inhibidores de incrustaciones ambientales suelen contener ingredientes activos como ácido poliaspártico, ácido poliepoxisuccínico y sus derivados. Estos inhibidores se utilizan principalmente para abordar las incrustaciones a base de calcio como CaCO3, CaSO4 y CaF2. La ventaja de estos inhibidores es que pueden tolerar concentraciones de iones calcio relativamente altas. Por ejemplo, incluso cuando la concentración de iones de calcio alcanza los 500 mg/L, aún pueden lograr más del 80% de inhibición de la incrustación de calcio. Sin embargo, estos inhibidores requieren dosis más altas, causan cambios significativos en el pH del agua y son menos efectivos a temperaturas inferiores a 40°C. Dado que la temperatura máxima permitida del agua de alimentación para las membranas de ósmosis inversa es de 35 a 40 °C, estos inhibidores generalmente no son adecuados para su uso en sistemas de ósmosis inversa, pero se usan más comúnmente en sistemas de agua de refrigeración.
3. Cálculo de dosis
Como se mencionó anteriormente, si el agua es propensa a incrustarse depende del valor del índice de saturación de Langelier (LSI). Por lo tanto, ya sea usando dosificación de ácido para ajustar el pH o agregando inhibidores de incrustaciones para evitar la incrustación de la membrana de ósmosis inversa, la esencia es controlar el LSI del agua. El cálculo del LSI es el siguiente:
En la fórmula:
- pH es el valor de pH medido del concentrado de ósmosis inversa.
- pH_s es el valor de pH de saturación correspondiente al sistema de carbonatos en el agua a la temperatura real del agua, conocido como pH de saturación.
El pH del concentrado de ósmosis inversa se puede obtener fácilmente mediante instrumentos en línea o medición manual. Por lo tanto, la clave para calcular el LSI es determinar pH_s . Según el Métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales , pH_s se puede calcular usando la siguiente fórmula.
En la fórmula:
- A es el coeficiente de sólidos disueltos totales (SDT).
- B es el coeficiente de temperatura del agua.
- C es el coeficiente de dureza del calcio.
- D es el coeficiente de alcalinidad total.
Los métodos de cálculo para A , B , C , y D son los siguientes.
- TDS es el contenido total de sólidos disueltos en el concentrado de ósmosis inversa, en mg/L.
- t es la temperatura del concentrado de ósmosis inversa, en °C.
- cca es la dureza del calcio del concentrado de ósmosis inversa, expresada como CaCO3, en mg/L.
- C_alcalinidad total es la alcalinidad total del concentrado de ósmosis inversa, expresada como CaCO3, en mg/L.
Usando el ejemplo mencionado anteriormente, donde pH = 7,5 , SDT = 2000 mg/L , temperatura t = 25°C , dureza del calcio cca = 200 mg/L , y alcalinidad total C_alcalinidad total = 150 mg/L , el proceso de cálculo del LSI es el siguiente:
Esto concuerda con la afirmación anterior, donde en estas condiciones, el CaCO3 está casi saturado. Además, podemos observar que el cálculo de la dosis se puede expresar mediante las siguientes tres fórmulas.
El método de aplicación específico es el siguiente:
Primero, medimos el TDS, temperatura t , dureza del calcio Cca y alcalinidad total C_alcalinidad total del concentrado de ósmosis inversa. Luego, usando la fórmula, calculamos pH_s .
- Si pH_s ≥ pH , no se necesitan más ajustes ni inhibidores de incrustaciones para prevenir la incrustación de calcio.
- Si pH_s < pH , nos aseguramos de que después de ajustar el pH, el pH del agua de alimentación de ósmosis inversa no caiga por debajo de 6,5 (ya que un pH más bajo puede resultar en agua ácida del producto de ósmosis inversa). En este caso, podemos ajustar el pH añadiendo ácido hasta pH_s ≥ pH . Esto sólo es aplicable cuando pH_s ≥ 6,5 . Si pH_s < 6,5 , necesitamos ajustar el pH con ácido hasta que alcance 6,5 o incluso menos, lo que hará que el agua del producto de ósmosis inversa se vuelva ácida.
- Si pH_s < 6,5 , se deben agregar inhibidores de incrustaciones.
Es importante señalar que, como se mencionó anteriormente, la dosificación de ácido para ajustar el pH se dirige principalmente CaCO3 escalamiento y es ineficaz para otros tipos de escalamiento. Para otras sustancias incrustantes, se requiere un inhibidor de incrustaciones para su control.
Para que la dosificación de ácido ajuste el pH, la dosis se puede controlar a través del pH medido real. En cuanto a la dosis del inhibidor de incrustaciones, una extensa investigación realizada por académicos nacionales e internacionales ha demostrado que:
- Cuando la dosis del inhibidor de incrustaciones es inferior 2,5 g/m³ , la eficiencia de inhibición es relativamente baja.
- Cuando la dosis excede 3,0 g/m³ , la eficacia de inhibición ya no mejora significativamente.
Por lo tanto, la dosis óptima de inhibidor de incrustaciones es entre 2,5-3,0 g/m³ , como se muestra en el siguiente cuadro.
En resumen, al prevenir la incrustación en la membrana de ósmosis inversa, primero debemos calcular el LSI del concentrado de ósmosis inversa utilizando las fórmulas proporcionadas en este artículo para evaluar si es probable que se produzca incrustación. En segundo lugar, debemos analizar las principales sustancias incrustantes en el permeado, que pueden determinarse probando indicadores como Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃⁻, Ba²⁺, SiO₂, etc. Este análisis nos permite tomar decisiones específicas sobre si ajustar el pH con ácido o agregar inhibidores de incrustaciones. Si se requiere un inhibidor de incrustaciones, debemos determinar el tipo y la dosis adecuados del inhibidor a utilizar.
