Diseño de sistemas de ósmosis inversa exitosos – Sección Química del agua

Química del agua en sistemas de ósmosis inversa

Una vez definidos los criterios generales de diseño, el siguiente paso es entender la química del agua de alimentación. La analítica del agua determina la selección de membranas, el pretratamiento, la dosificación de químicos y la recuperación máxima que puede alcanzar el sistema.

A continuación revisamos los parámetros más importantes, agrupados según su efecto en la operación: los que definen las condiciones generales del proceso, los que generan incrustación, los que causan ensuciamiento y los que influyen en el rechazo de iones específicos. La siguiente tabla resume los valores de referencia más utilizados para el agua de alimentación:

Parámetros generales del agua de alimentación

Estos parámetros definen las condiciones de operación del sistema: la presión de bombeo, la calidad del permeado y la solubilidad de las sales.

Potencial de hidrógeno (pH)

El pH indica la acidez o basicidad del agua: 7 es neutro, los valores inferiores son ácidos y los superiores, alcalinos o básicos. Corresponde al logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno.

En el agua, el pH determina el equilibrio entre dióxido de carbono, bicarbonatos, carbonatos e iones hidroxilo.

En los sistemas de ósmosis inversa, el pH del concentrado tiende a ser mayor que el del agua de alimentación debido a la concentración de carbonatos y bicarbonatos. Los programas de diseño de los fabricantes de membranas permiten estimar el pH en cada etapa y simular el efecto de dosificar ácido, práctica habitual para reducir el índice de saturación de Langelier y la tendencia incrustante del agua.

El pH de la alimentación y del concentrado también influye en la solubilidad y el potencial de ensuciamiento de la sílice, el aluminio y la materia orgánica, y modifica el rechazo de iones como el fluoruro, el boro y la sílice.

Temperatura

La temperatura es un parámetro de diseño crítico: afecta la presión requerida en la bomba de alimentación, el equilibrio hidráulico entre etapas, la calidad del permeado y la solubilidad de las sales, en especial las de solubilidad limitada. Como aproximación, una disminución de 5,5 °C en la temperatura de alimentación aumenta en cerca de un 15% la presión de bombeo requerida.

La temperatura también influye en la distribución del permeado: al aumentar, los primeros elementos producen más permeado y queda menos caudal disponible para los elementos finales. Este desbalance hidráulico se reduce a temperaturas más bajas.

A mayor temperatura, además, aumenta el paso de sales, porque los iones tienen mayor movilidad a través de la membrana.

En cuanto a la solubilidad, el carbonato de calcio es menos soluble a mayor temperatura, mientras que los sulfatos de calcio, bario y estroncio, y la sílice, son menos solubles a baja temperatura.

Sólidos disueltos totales (TDS)

Los sólidos disueltos totales corresponden al residuo inorgánico que queda en el agua después de filtrar los coloides y sólidos suspendidos. Se expresan en mg/L o ppm.

En el diseño de sistemas de ósmosis inversa, los TDS se calculan como la suma de cationes, aniones y sílice, cada uno expresado en ppm del ion. También pueden estimarse a partir de la conductividad, con un factor de conversión de entre 0,5 y 0,8 según el tipo de agua.

Conductividad

La conductividad mide la capacidad del agua para conducir electricidad gracias a los iones disueltos, por lo que es un método indirecto y práctico para estimar su contenido de sales.

Cuando la conductividad del permeado es muy baja, la medición debe hacerse en línea, directamente en la salida del permeado: el dióxido de carbono, al ser un gas, puede variar al exponerse a la atmósfera y alterar la lectura.

Presión osmótica

La presión osmótica es la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de solvente a través de una membrana semipermeable. Es una de las propiedades coligativas de las soluciones, es decir, de las que dependen de la concentración de partículas disueltas, al igual que el descenso del punto de congelación y el aumento del punto de ebullición.

Cuando dos soluciones de distinta concentración están separadas por una membrana semipermeable, el solvente pasa naturalmente desde la solución más diluida hacia la más concentrada, buscando el equilibrio: eso es la ósmosis. En la ósmosis inversa, la bomba de alimentación debe entregar una presión superior a la presión osmótica para invertir ese flujo. Mientras mayor sea la concentración de sales, mayor será la presión osmótica y, por lo tanto, la presión de bombeo necesaria.

Como regla práctica, cada 1.000 mg/L de TDS equivalen aproximadamente a 10 psi de presión osmótica.

Alcalinidad y equilibrio del dióxido de carbono

La alcalinidad y el dióxido de carbono están directamente relacionados a través del pH. Entender este equilibrio permite ajustar el pH de la alimentación para controlar la incrustación y la calidad del permeado.

Alcalinidad

La alcalinidad está compuesta por bicarbonatos, carbonatos e iones hidróxido. Actúa como amortiguador: reacciona con los ácidos que se agregan al agua y reduce su efecto sobre el pH, mientras los carbonatos se transforman en bicarbonatos y estos, a su vez, en dióxido de carbono. Según el pH, es posible determinar la proporción de cada especie en el agua.

El dióxido de carbono reacciona con el agua formando ácido carbónico y no se considera parte de la alcalinidad. De forma general:

• Con pH inferior a 4,2–4,5, toda la alcalinidad se transforma en dióxido de carbono.
• Entre pH 4,5 y 8,2–8,4, el dióxido de carbono y el bicarbonato coexisten en equilibrio.
• A pH 8,2–8,4, toda la alcalinidad está como bicarbonato.
• A pH 9,6, toda la alcalinidad está como carbonato; sobre ese valor aparece la alcalinidad en forma de hidroxilo (alcalinidad OH).

Por eso, al ajustar el pH del agua de alimentación se puede modificar su tendencia incrustante o reducir el paso de CO₂ al permeado, algo muy recomendable en sistemas de ósmosis inversa.

La alcalinidad se determina por titulación con dos indicadores: naranja de metilo, que vira a pH 4,5, y fenolftaleína, que vira a pH 8,3. La primera medición se denomina alcalinidad total o alcalinidad M, y la segunda, alcalinidad P. A partir de la relación entre ambas se calcula la alcalinidad OH, y con los tres valores (M, P y OH) se obtienen las concentraciones de bicarbonatos, carbonatos e hidroxilos.

Bicarbonato (HCO₃⁻)

El bicarbonato es un componente de la alcalinidad. Su concentración está en equilibrio con el dióxido de carbono entre pH 4,4 y 8,2, y con el carbonato entre pH 8,2 y 9,6.

Cuando forma bicarbonato de calcio, puede precipitar como carbonato de calcio y causar incrustación en los elementos finales del sistema. La tendencia incrustante se evalúa con el índice de saturación de Langelier (LSI) en aguas salobres o con el índice de Stiff-Davis (SDSI) en agua de mar. Como la solubilidad del carbonato de calcio disminuye al aumentar la temperatura, este efecto debe considerarse al realizar limpiezas de membranas con soluciones calientes.

Carbonato (CO₃²⁻)

El carbonato de calcio tiene baja solubilidad y puede generar incrustación en los últimos elementos de la ósmosis inversa. Su solubilidad se calcula a partir del LSI en aguas salobres o del SDSI en agua de mar, y disminuye al aumentar la temperatura y el pH.

Dióxido de carbono (CO₂)

El dióxido de carbono es un gas que, al disolverse, reacciona con el agua para formar ácido carbónico (H₂CO₃), un ácido débil.

Su concentración se determina de manera indirecta a partir del bicarbonato y el pH, según la relación descrita en el apartado de alcalinidad. Con estos datos, los programas de diseño de ósmosis inversa calculan automáticamente la concentración de CO₂.

Al ser un gas, el dióxido de carbono no es rechazado por la membrana: su concentración es la misma en la alimentación, el permeado y el concentrado. Por eso, al bajar el pH de la alimentación y convertir bicarbonatos en ácido carbónico, también baja el pH del permeado.

Índices de incrustación: LSI y Stiff-Davis

Los índices de saturación permiten anticipar si el agua tenderá a formar incrustaciones de carbonato de calcio o a ser corrosiva. Se usa uno u otro según la salinidad del agua.

Índice de saturación de Langelier (LSI)

El LSI determina la tendencia incrustante o corrosiva de aguas salobres a partir de los sólidos disueltos totales y la saturación del carbonato de calcio. Es la principal herramienta para evaluar el riesgo de incrustación con carbonato de calcio en un sistema de ósmosis inversa.

El LSI se puede reducir bajando el pH mediante la dosificación de ácido, generalmente sulfúrico o clorhídrico, en el agua de alimentación.

Sin antiincrustante, se recomienda que el LSI del concentrado sea de −0,2. Con antiincrustante es posible operar con valores positivos: algunos fabricantes indican hasta +2,5, aunque un diseño más conservador sugiere un máximo de +1,8.

Índice de saturación de Stiff y Davis (SDSI)

El SDSI cumple la misma función que el LSI, pero para agua de mar. La diferencia está en que considera la fuerza iónica asociada al alto contenido de sólidos disueltos, que modifica la solubilidad de las sales respecto de lo que ocurre en aguas salobres.

Iones con riesgo de incrustación en las últimas membranas

Las sales de baja solubilidad se concentran a medida que el agua avanza por el sistema, por lo que el riesgo de incrustación es mayor en los elementos finales, donde el concentrado alcanza su máxima concentración.

Calcio (Ca²⁺)

El calcio, junto con el magnesio, es uno de los principales componentes de la dureza en aguas salobres. Forma dos sales de solubilidad limitada:

• Sulfato de calcio: con antiincrustante, su saturación se limita a un 230%.
• Carbonato de calcio: su solubilidad se controla mediante el LSI, con valores de hasta +1,8 a +2,5 en el concentrado cuando se usa antiincrustante.

La incrustación de carbonato de calcio es fácil de identificar: reacciona con ácidos liberando dióxido de carbono, lo que se observa como efervescencia.

Sulfato (SO₄²⁻)

El sulfato es un anión divalente. Por la baja solubilidad del sulfato de calcio, el sulfato de bario y el sulfato de estroncio, puede generar incrustación en los elementos finales del sistema, riesgo que aumenta a bajas temperaturas. Para agua potable, el límite superior recomendado es de 250 ppm, por razones de sabor.

Bario (Ba²⁺)

El sulfato de bario (BaSO₄) tiene una solubilidad muy baja y puede causar incrustación en las últimas membranas del sistema. Su solubilidad disminuye cuando aumenta la concentración de sulfatos y a bajas temperaturas.

El agua de pozo puede contener entre 0,05 y 0,2 ppm de bario, por lo que el método de análisis debe tener un límite de detección de al menos 0,01 ppm (10 ppb). Con un antiincrustante adecuado, es posible operar de forma controlada con niveles de saturación de entre 100% y 6.000%.

Estroncio (Sr²⁺)

El estroncio es un catión divalente que forma sulfato de estroncio, una sal de baja solubilidad con alto potencial de incrustación en los elementos finales. Su solubilidad disminuye con mayores concentraciones de sulfato y a bajas temperaturas. Puede encontrarse en algunas aguas de pozo, asociado a minerales de plomo, en concentraciones inferiores a 15 ppm.

Sílice (SiO₂)

La química de la sílice es compleja y, en parte, impredecible. Así como el TOC informa la materia orgánica total sin detallar sus compuestos, el análisis de sílice informa el silicio total (expresado como sílice) sin distinguir sus formas. La sílice total se compone de sílice reactiva y sílice coloidal:

• Sílice reactiva: sílice disuelta, ligeramente ionizada y no polimerizada. Es la forma que se usa en los programas de proyección de ósmosis inversa. Aunque tiene características aniónicas, no se cuenta como anión al balancear el análisis de agua, pero sí se incluye en los TDS.
• Sílice coloidal: sílice polimerizada que se comporta más como un sólido que como un ion disuelto. La ósmosis inversa puede removerla, pero genera ensuciamiento coloidal.

Con un dispersante específico, la saturación de sílice reactiva se limita típicamente a un 200–300%; si se supera ese nivel, la sílice puede polimerizar. Su solubilidad aumenta con la temperatura, con pH inferior a 7 y con pH superior a 7,8.

El rechazo de sílice también depende del pH: mejora a pH más básico, porque la sílice reactiva se encuentra en mayor proporción como sal que como ácido.

Metales, coloides y sólidos que ensucian las membranas

Estos componentes no precipitan por sobresaturación como las sales incrustantes, sino que se depositan como partículas o coloides, principalmente en los primeros elementos del sistema. Su control depende sobre todo del pretratamiento.

Hierro (Fe)

El hierro puede estar presente en forma ferrosa soluble (Fe²⁺) o en forma férrica (Fe³⁺).

En estado ferroso se comporta de forma similar a la dureza de calcio o magnesio: puede eliminarse con ablandadores o controlarse con dispersantes. Si todo el hierro está en forma ferrosa, se pueden tolerar hasta 0,5 ppm en la alimentación con pH inferior a 7, aunque igualmente se recomienda usar un dispersante de hierro.

En estado férrico, los fabricantes recomiendan valores inferiores a 0,05 ppm. El problema es que el hierro ferroso se oxida a férrico al entrar en contacto con el aire. Mientras se mantenga soluble, puede tratarse con dispersantes o removerse mediante filtración, ablandadores o ablandamiento con cal; pero el hierro insoluble (hidróxidos férricos), de naturaleza coloidal, ensuciará la parte frontal del sistema.

El ensuciamiento por hierro aumenta rápidamente la presión de alimentación y la conductividad del permeado. En algunos casos también favorece el ensuciamiento biológico, al permitir el crecimiento de bacterias reductoras de hierro que forman una biopelícula viscosa.

Manganeso (Mn)

El manganeso es un contaminante de aguas de pozo y superficiales. Al igual que el hierro, permanece disuelto en ausencia de oxidantes y, una vez oxidado, precipita como dióxido de manganeso. Concentraciones superiores a 0,05 ppm pueden ensuciar las membranas; este riesgo se controla con el mismo tipo de dispersantes utilizados para el hierro.

Aluminio (Al)

La presencia de aluminio rara vez proviene de la fuente natural de agua. Por su baja solubilidad, es más común encontrarlo como coloide, producto de flóculos que no se alcanzan a separar por completo en la etapa de clarificación. Estos coloides generan ensuciamiento en las membranas, por lo que el límite en el agua de alimentación va de 0,1 a 1 ppm. El aluminio alcanza su menor solubilidad entre pH 5,5 y 7,5.

Turbidez

La turbidez mide la pérdida de transparencia del agua debida a partículas en suspensión que, por su naturaleza coloidal, no sedimentan con facilidad. Se determina midiendo la cantidad relativa de luz que atraviesa el líquido y se expresa en unidades nefelométricas de turbidez (NTU). Para mantener la garantía de las membranas, el agua de alimentación debe tener menos de 0,5 NTU.

Hay que considerar el efecto de concentración: en un sistema con 75% de recuperación, los sólidos que generan turbidez se multiplican por cuatro, por lo que 0,5 NTU en la alimentación se convierten en 2 NTU en los elementos finales. Por eso, una turbidez de 1 o 2 NTU, aceptable en agua potable, es un problema serio en ósmosis inversa y debe controlarse en el pretratamiento.

SDI (Silt Density Index)

El SDI, o índice de densidad de sedimentos, es una prueba empírica desarrollada específicamente para sistemas de membranas. Mide la velocidad con que las partículas suspendidas y coloidales del agua de alimentación obstruyen un filtro de 0,45 micras.

La prueba registra el tiempo necesario para filtrar un volumen determinado de agua a una presión constante de 30 psi al inicio y luego tras 5, 10 y 15 minutos de filtración continua. Si la medición solo puede completarse a los 5 o 10 minutos porque el filtro se obstruye antes, es señal de un alto potencial de ensuciamiento.

Los fabricantes de membranas establecen un SDI máximo como condición de garantía: por lo general, SDI₁₅ inferior a 5, e idealmente inferior a 3.

Materia orgánica: TOC, DBO y DQO

La materia orgánica es una de las principales causas de ensuciamiento de membranas y se evalúa con tres pruebas complementarias. Como regla general, los valores máximos para evitar el ensuciamiento orgánico en aguas naturales son 3 ppm de TOC, 5 ppm de DBO y 8 ppm de DQO.

Carbono orgánico total (TOC)

El carbono orgánico total es una prueba no específica que mide la cantidad de carbono presente en la materia orgánica y se expresa en ppm como carbono. Como solo mide el carbono, el peso real de la materia orgánica puede ser hasta tres veces mayor en aguas superficiales naturales.

La materia orgánica natural (coloides, sólidos suspendidos, taninos, lignina y ácidos húmicos y fúlvicos provenientes de la descomposición vegetal) tiene carga negativa y puede ensuciar las membranas de ósmosis inversa, especialmente las de poliamida compuesta con carga negativa. Las membranas de carga neutra, como las de poliamida compuesta neutra o las de acetato de celulosa, son más resistentes al ensuciamiento orgánico.

Una membrana de ósmosis inversa rechaza más del 99% de los compuestos orgánicos con peso molecular superior a 200.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

La DBO es una prueba no específica que mide el oxígeno que necesitan las bacterias para oxidar la materia orgánica biodegradable durante 5 días a 20 °C. Se expresa en ppm de oxígeno. Valores altos aumentan el ensuciamiento de las membranas, obligan a limpiezas más frecuentes y reducen su vida útil.

Demanda química de oxígeno (DQO)

La DQO mide la materia orgánica biodegradable y no biodegradable, expresada como el oxígeno equivalente necesario para oxidarla. Al igual que la DBO, valores altos aumentan el ensuciamiento, la frecuencia de limpieza y el desgaste de las membranas.

Iones cuyo rechazo depende del pH: boro y fluoruro

En algunos iones, el rechazo de la membrana cambia según el pH, porque el compuesto puede estar en forma iónica, que se rechaza mejor, o en forma ácida sin carga, que atraviesa la membrana con más facilidad.

Boro (B)

El agua de mar puede contener hasta 5 ppm de boro, por lo que su remoción es un punto crítico en la desalinización para agua potable. La OMS establece un valor guía de 2,4 mg/L, pero muchas normativas y aplicaciones, como el riego agrícola, exigen concentraciones menores, de entre 0,5 y 1 ppm.

El boro puede estar como ion borato (H₂BO₃⁻), un anión monovalente, o como ácido bórico (H₃BO₃), según el pH del agua. El borato se rechaza mejor gracias a su carga; el ácido bórico, por su menor tamaño y falta de carga, atraviesa la membrana con más facilidad. Por eso, elevar el pH mejora la remoción de boro.

Fluoruro (F⁻)

El fluoruro se encuentra de forma natural en bajas concentraciones en algunas aguas de pozo, pero su presencia suele deberse a la fluoración del agua municipal para prevenir caries, que normalmente se mantiene cerca de 1 ppm. Su rechazo depende del pH: puede llegar al 99% a pH alto y caer por debajo del 50% a pH bajo, cuando el fluoruro está en forma ácida.

Iones de alta solubilidad: sodio, potasio, magnesio, cloruro, nitratos y amonio

Estos iones forman sales muy solubles que no generan incrustación en los sistemas de ósmosis inversa. Aun así, son relevantes para el balance del análisis de agua, la presión osmótica y la calidad del permeado.

Sodio (Na⁺)

Catión monovalente cuyas sales son altamente solubles. Es el catión predominante en el agua de mar y el que se usa para balancear los análisis de agua de alimentación en las simulaciones de ósmosis inversa.

Potasio (K⁺)

Catión monovalente presente en concentraciones menores que el sodio. Sus sales son altamente solubles y no representan un problema para la ósmosis inversa.

Magnesio (Mg²⁺)

Catión divalente que puede representar cerca de un tercio de la dureza en aguas salobres y ser hasta cuatro o cinco veces más abundante que el calcio en agua de mar. Por la alta solubilidad de sus sales, no suele generar incrustación.

Cloruro (Cl⁻)

Sus sales son altamente solubles. Es el anión predominante en el agua de mar y el que se usa para balancear automáticamente el análisis del agua de alimentación. La EPA de Estados Unidos y la OMS recomiendan un máximo de 250 ppm en agua potable, por razones de sabor.

Nitratos (NO₃⁻)

Ion monovalente que forma sales altamente solubles. En los análisis de agua suele informarse como ppm como nitrógeno, pero las proyecciones de ósmosis inversa requieren ppm como nitrato: para convertirlo, se multiplica el valor por 4,43.

Al igual que el amonio y el amoníaco, los nitratos son compuestos nitrogenados. El nitrógeno llega al agua por la descomposición de desechos animales o vegetales, sistemas sépticos o escorrentía de campos agrícolas fertilizados. Su concentración en agua potable está limitada por su efecto negativo en el transporte de oxígeno en la sangre.

Amonio (NH₄⁺)

Las sales de amonio son muy solubles y no causan incrustación. Según el pH, la temperatura y la fuerza iónica, el nitrógeno amoniacal puede estar como ion amonio (NH₄⁺) o como amoníaco (NH₃). A pH alto predomina el amoníaco, un gas que, igual que el dióxido de carbono, no es rechazado por la membrana.

El amonio es poco común en aguas de pozo, porque la actividad microbiana lo transforma en nitritos y luego en nitratos. En cambio, las aguas superficiales pueden contenerlo cuando están contaminadas por sistemas sépticos o por escorrentía de fertilizantes.

Membranas Hydranautics para sistemas industriales de ósmosis inversa

Mathiesen es aliado de Hydranautics, uno de los fabricantes de membranas de ósmosis inversa más reconocidos a nivel mundial, y ofrece sus líneas CPA (aguas salobres), SWC (agua de mar), LFC (aguas con alto potencial de ensuciamiento), ESPA (ahorro energético) y PRO (proyectos ZLD). Un ejemplo de este trabajo conjunto es la selección de membranas CPA 7 LD como mejor alternativa para extender la vida útil de las membranas de una importante minera en Perú.

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