DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 1
1. MEMORIA
1.1 OBJETO DEL PRESENTE PLIEGO DE BASES
El objeto del presente Proyecto es definir y presupuestar las obras necesarias para la
licitación y posterior ejecución de una instalación desaladora de agua de mar en la
región de Murcia, subordinándose dicho Pliego a la Ley de Contratos del Estado y a su
Reglamento.
La instalación se proyecta completa, de modo que el conjunto formado por el edificio
de proceso, de toma de agua de mar, depósito de almacenamiento y estación de bombeo
de agua producto, se ubicarán en el interior de una parcela puesta a disposición por el
Gobierno de Murcia.
Se incluye además en este Proyecto un conjunto de elementos externos a la parcela,
tales como conexión con la red eléctrica, conducción de vertidos al mar, conducciones
para el bombeo de agua producto y accesos. Se trata de una obra completa, pues su
explotación no se ve interferida por otras obras que posteriormente se realicen y podrá
ser entregada al uso general una vez ejecutadas las correspondientes obras.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 2
1.2 INTRODUCCIÓN
La región de Murcia tiene un clima excepcional y una tradición agrícola que ha
hecho que sus moradores a través de la historia hayan buscado su supervivencia primero
y su desarrollo económico después, con la puesta en juego de sus mejores tierras. Esta
búsqueda de bienestar social a través de la agricultura ha requerido el uso de los escasos
recursos hídricos de la región. Para ello y sobre todo en los últimos sesenta años, ha
sido necesario un gran esfuerzo para disponer de los recursos hídricos requeridos.
Primero fue necesaria la regulación del río Segura mediante la construcción de los
embalses de Fuensanta, Camarillas y Cenajo; después la puesta en explotación de las
aguas subterráneas y por último, el trasvase Tajo – Segura y la reutilización de las aguas
residuales. A pesar de todo ello, la región de Murcia continúa todavía luchando para
alcanzar el nivel medio de la renta española y de la europea.
En estos momentos está en riesgo la supervivencia de un tercio de la superficie
regada, como consecuencia del agotamiento, por sobreexplotación, de los acuíferos.
Mantener la riqueza agrícola creada en la región de Murcia, no aumentarla, requiere
disponer de 460 año
hm3
más.
Se puede afirmar que Murcia es la región española donde mejor se utiliza el agua.
Sin embargo, para mantener la riqueza creada es necesario aportar esos recursos
( )año
hm3
460 del exterior. Para ello se puso en marcha el Plan Hidrológico Nacional,
que ha despertado un gran debate en el país. A la solución del Trasvase del Ebro se le
opone la desalación como alternativa. Los numerosos estudios realizados ponen de
manifiesto que la desalación de agua de mar es una solución viable técnica y
económicamente para resolver problemas de abastecimiento urbano, turístico e
industrial y, en ocasiones muy especiales, para la agricultura. Asimismo, la utilización
de estas plantas evitará el impacto y degradación medioambiental que supone el
Trasvase del Ebro.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 3
Los trasvases de agua desde unas cuencas hidráulicas a otras, salvo casos
verdaderamente excepcionales de difícil justificación, son inaceptables desde puntos de
vista humanos, sociales, ecológicos, geológicos, medioambientales, científicos y
económicos, por los graves desequilibrios y perjuicios de todo tipo que conllevan y
producen en la cuenca cedente, y con indiscutible repercusión en territorios próximos.
Afectan tan gravemente al medioambiente que, incluso, sobrepasan la posibilidad de
decisión de una nación, pues llega a ser un problema ecológico y climático de nivel
mundial. Además, por principio, esos trasvases de agua intercuencas son soluciones
limitadas y agotables, y, por tanto, son deficientes y temporales, incluso inservibles.
Solamente se debe trasvasar, con excepcionalidad, siempre y cuando no se haya
resuelto la carencia de agua en la cuenca receptora mediante el agotamiento simultáneo
de todas las otras vías posibles que pueden ser utilizadas, y sin que quepa ningún tipo de
excusas o pretextos. Antes de recurrir a los trasvases intercuencas, en cada una de ellas
hay que agotar todos sus recursos posibles:
1. Potenciación y refuerzo de las reservas superficiales mediante
alumbramientos de aguas, encauzamientos o mejoras de los mismos, con presas
que formen embalses que no produzcan daños e impactos medioambientales
desaconsejados. Son un gran remedio para combatir la desertización y la sequía,
incentivando la conformación de la necesaria humedad ambiental, incluso la
provocación de nubes y lluvias. Pueden producir riqueza adicional, además de la
paisajística y medioambiental.
2. Recurrir a las repoblaciones hidro-forestales adecuadas.
3. Explotación ponderada y equilibrada de sus acuíferos, bajo el ineludible
control de efectos y resultados, de forma continuada.
4. Recuperación y reciclaje de todas las aguas residuales, tanto urbanas como
industriales.
5. Desalinización de aguas salobres.
6. En las zonas costeras, desalinización directa de agua de mar.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 4
La solución de los problemas que la escasez de agua plantea en las zonas áridas es,
en general, muy compleja, debido a la gran cantidad de parámetros que intervienen,
dándose el caso de que las soluciones adoptadas en una región no son válidas para otras.
Pero, con cualquiera de estos planteamientos, cada cuenca tiene la solución en sus
manos, sin tener que recurrir al sacrificio de las demás.
Las desaladoras no deben ser meras soluciones de emergencia, sino soluciones
estructurales a lo largo del litoral español para resolver no sólo los problemas de las
zonas próximas sino los correspondientes a otras del interior. Éstas podrían ser
auxiliadas desde tales ubicaciones perimetrales, cuando la solución sea propicia y viable
desde el punto de vista técnico y económico, incluso a través de una posible futura Red
Nacional, o también de forma separada e individual. En función del sistema utilizado,
de los medios empleados y de los objetivos diseñados, se podrán obtener distintas
calidades de agua, con precios y costes también diversos, que permitirán su diferente
uso y destino, de una forma total o parcial. Podrán ser aguas potables muy adecuadas
para uso humano o animal, para regadío u otros servicios (urbanos, rurales,
industriales…), según el caso.
La existencia de desalinizadoras, en número cada vez mayor, obligará a tomar
medidas para evitar impactos ambientales que, en este caso, se suelen traducir en un
elevado consumo energético, emisiones de gases, vertidos de efluentes con alto
contenido salino, y el impacto visual y acústico en el entorno. Para evitarlo, habrá que
reducir el consumo de energías no renovables, el agregado de productos químicos y la
corrosión de materiales, además de buscar alternativas a la excesiva cloración y
desarrollar sistemas de evacuación o tratamiento de salmueras.
Las desalinizadoras si están bien planteadas y realizadas, pueden funcionar
ininterrumpidamente, sin ningún tipo de limitaciones, con independencia del clima y de
otros condicionantes de muy variadas índoles, cualquiera que sea su tipo y el del agua a
tratar. Dependerán sólo del ser humano, lo que es otra gran ventaja.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 5
Figura 1 – Planta desaladora
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 6
1.3 EL PROBLEMA DEL AGUA EN ESPAÑA
1.3.1. Introducción.
España es el país más árido de la Unión Europea. Este hecho puede ser determinante
para un país como éste, que posee un clima seco y soleado, imprescindible para el sector
turístico, así como para el sector agrario.
En los últimos años se viene insistiendo que en las próximas décadas se va a producir
un sensible incremento de los problemas relacionados con la escasez y/o contaminación
del agua, hasta el punto de poder hablar de una crisis del agua. Para entender el
problema del agua en España es necesario partir de su variabilidad climática. Todo el
mundo conoce la existencia de una España seca, la mayor parte, y otra húmeda, situada
en el norte de la península. Esta situación viene determinada por dos rasgos
hidrológicos característicos de la Península Ibérica:
1. La irregularidad en el tiempo, que es necesario combatir mejorando la
regulación (construcción de presas, explotación de aguas subterráneas, recarga
artificial de acuíferos, uso conjunto de aguas superficiales y subterráneas).
2. La irregularidad en el espacio, que ha de ser resuelta mediante el transporte de
recursos hídricos dentro de la misma cuenca o el aporte de cuencas exteriores
excedentarias.
En la España insular, la escasez de recursos hídricos y la imposibilidad de acudir a la
solución de trasvases ha hecho necesario contemplar la disminución del consumo, la
reutilización de las aguas residuales y la utilización de las tecnologías de desalación.
Este planteamiento global quedaría incompleto si no se determinasen aquellas zonas
más sensibles a una futura escasez de agua que se vislumbra en un horizonte próximo y
que podría provocar el colapso de su economía. Para determinar las zonas sensibles, es
interesante conocer la distribución de los recursos hídricos naturales por habitante
(Tabla I).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 7
Tabla I – Distribución de los recursos hídricos naturales en España.
RECURSOS NATURALES CUENCA
POBLACIÓN (mill. habit.) TOTALES PER CÁPITA
Pirineo (Cataluña) 5.85 2780 475 Islas Canarias 1.33 965 726
Segura 1.31 1000 763 Júcar 3.99 4142 1038
Islas Baleares 0.63 745 1183 Sur 1.98 2418 1221
Guadalquivir 4.68 7771 1660 Tajo 6.03 12858 2132
Guadiana 1.64 6165 3759 Norte 6.56 42088 6416 Ebro 2.75 18198 6617
Duero 2.25 15168 6741 TOTAL ESPAÑA 39.00 114298 2931
Figura 2 – Distribución del consumo por sectores en España
En consecuencia, de acuerdo con esta clasificación de las cuencas españolas, se
confirma que el problema hídrico se centra en el litoral mediterráneo y en la España
insular. Las zonas críticas o de escasez de recursos han sido determinadas por el Libro
Blanco del Agua en España, publicado por el Ministerio de Medio Ambiente. En él se
especifica que el déficit hídrico se localiza fundamentalmente en el Segura, cabecera del
Guadiana, Vinalopó – Alacantí y Marina Baja en el Júcar, zona oriental de la cuenca del
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 8
Sur y otros sistemas de menor extensión en la margen derecha del Ebro. El Libro
Blanco establece dos conceptos en relación con la escasez hídrica:
1. Escasez de tipo estructural: el recurso potencial, incluyendo reutilización,
desalación y transferencias, es siempre inferior al nivel de consumo que se
pretende alcanzar.
2. Escasez de carácter coyuntural: los niveles de consumo se hallan próximos al
recurso potencial y se dan circunstancias hidrológicas adversas.
Como conclusión, se puede afirmar que España es un país seco y las numerosas
sequías han quedado reflejadas en las abundantes rogativas que se han realizado en
muchas regiones españolas. Durante los últimos 50 años se ha hecho un enorme
esfuerzo por aprovechar las aguas del país mediante la construcción de embalses y la
utilización de las aguas subterráneas. Como resultado de este proceso, la producción de
electricidad de origen hidráulico se ha multiplicado por 10, y la superficie de los
regadíos casi por 3. Además, se han ampliado sustancialmente las dotaciones urbanas e
industriales exigidas por el crecimiento de las ciudades, la mejora del nivel de vida, el
turismo y la industrialización del país. Sin embargo, resulta cada vez más evidente que
el aprovechamiento de las aguas españolas tiene un límite, que ya se manifiesta en
restricciones del consumo doméstico de muchas ciudades, contaminación de aguas
superficiales y agotamiento de aguas subterráneas, demandas insatisfechas en la
agricultura y peticiones de trasvases para paliar la escasez de muchas regiones.
1.3.2. Disponibilidad y uso del agua en España.
Los ríos españoles recogen al año unos 106000 hm3, de los que sólo se podrían
utilizar 9000 si no hubiera embalses. Se ve que la proporción de agua que se puede
emplear de forma natural, sin hacer pantanos de almacenamiento, es pequeña, no llega
al 10%. Sucede esto porque los ríos españoles tienen grandes diferencias de caudal
entre unas estaciones y otras; su régimen es torrencial, y esto hace muy difícil su
aprovechamiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 9
Para poder disponer de agua suficiente se han construido pantanos que almacenan el
agua en la época de lluvias, regulan el caudal del río para evitar inundaciones y se
pueden aprovechar para obtener energía hidroeléctrica. La capacidad de embalse es, en
la actualidad, superior a 50000 hm3 al año, lo que da una disponibilidad de agua de
unos 2800 m3 por persona al año. El problema fundamental es que se distribuye de
forma muy desigual, y algunas zonas secas tienen escasez de agua.
Más de las tres cuartas partes del agua consumida en España se emplean para el
regadío. Alrededor del 14% es consumida por las ciudades y pueblos y un 6% por la
industria. Se entiende bien que el regadío absorba una proporción tan importante del
agua, porque la agricultura más rentable se da precisamente en la España seca, y
depende en gran medida de la disponibilidad de agua. Esta misma realidad es la que
explica que España sea uno de los mayores consumidores de agua del mundo. En
cualquier política que busque el buen uso del agua en la Península es fundamental
analizar los sistemas de riego, para ir implantando los más eficientes, y decidir si se
debe poner más superficie de tierra en regadío o no.
La proporción de agua consumida por la población en España es muy similar a la
normal en los países desarrollados. Aunque la cantidad de agua que se consume en las
necesidades municipales y domésticas no es muy grande, su calidad tiene que ser muy
buena, lo que afecta de forma importante al precio. En el suministro de agua a ciudades
e industrias uno de los principales problemas es el de las pérdidas en las cañerías de
distribución que, en bastantes lugares, son de más del 50% del agua repartida. De
hecho, las restricciones de agua que se suelen dar en algunas ciudades en las épocas de
escasez, no son tanto por el agua consumida por los habitantes, sino para evitar las
pérdidas en las canalizaciones.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 10
1.3.3. Aguas superficiales y subterráneas.
El agua que cae a la tierra en forma de lluvia o nieve en parte se infiltra en el suelo,
formando las acumulaciones de agua subterránea, y en parte resbala por la superficie
reuniéndose en ríos, lagos o pantanos hasta que desemboca en el mar o se evapora.
Las cuencas hidrográficas incluyen toda la zona en la que el agua que cae llega a un
mismo río principal.
Los acuíferos o capas freáticas son los estratos de terrenos porosos que se
encuentran llenos de agua, de tal forma que permiten extraer cantidades grandes de
agua, de una forma que es rentable económicamente. Normalmente los acuíferos se van
recargando de forma natural con la precipitación que se infiltra en el suelo y en las
rocas. En el ciclo geológico normal
el agua suele entrar al acuífero en
las llamadas zonas de recarga,
atraviesa muy lentamente el manto
freático y acaba saliendo por las
zonas de descarga, formando
manantiales y fuentes que
devuelven el agua a la superficie
(Figura 3).
Figura 3 – Aguas superficiales y
subterráneas
El ritmo de renovación del agua subterránea es muy lento. Por esto, al extraer el
agua subterránea en pozos se origina una zona sin agua, en forma de cono, alrededor
del punto de extracción. Cualquier contaminante que se descargue por encima de este
lugar es llevado por el cono directamente a la zona del pozo y puede afectar de forma
muy importante a la calidad del agua extraída. Por otra parte cuando a un acuífero se le
quita, en un período largo de tiempo, más agua que la que se recarga, va disminuyendo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 11
el nivel freático y se está haciendo un uso no sostenible de este recurso. Con el paso del
tiempo el acuífero se irá vaciando, provocando diversos problemas (Figura 4).
Figura 4 – Salinización de acuíferos por sobreexplotación
1.3.4. Gestión del agua.
Para que toda la población disponga de agua de calidad suficiente, de forma que la
explotación de este recurso se haga de una forma sostenible, sin que se creen graves
problemas de escasez a medio plazo, es necesaria una eficaz gestión del uso y la
extracción del agua.
Por una parte hay que asegurar el suministro de agua con la construcción de
embalses, el transporte por sistemas de tuberías y canales y la extracción del agua
subterránea. Por otra parte hay que desarrollar todos los aspectos legales y
administrativos que el uso del agua conlleva, siendo muy importante mejorar la
eficiencia en el uso del agua disminuyendo su desperdicio y reduciendo su uso
innecesario.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 12
1.3.5. Presas y embalses.
La construcción de un pantano supone beneficios indudables. Asegura el suministro
de agua durante todo el año en las zonas con lluvias o deshielos estacionales; regula el
flujo del agua impidiendo inundaciones y muchos se aprovechan para generar energía
hidroeléctrica. Desde el punto de vista ecológico se forman ecosistemas nuevos que
pueden ser muy apropiados para la vida de aves acuáticas o peces u otros organismos
que necesitan de aguas remansadas para vivir. Junto a estas ventajas hay varios
inconvenientes que es importante tener en cuenta antes de decidir si una determinada
presa se debe construir o no. Hacer la presa es caro. La inundación de grandes áreas
obliga a desplazar de sitio pueblos enteros y desaparecen ricas tierras agrícolas y otros
ecosistemas valiosos.
Desde un punto de vista ecológico, las grandes presas alteran de forma muy
importante el río. Las características del agua embalsada son muy distintas de las que
corresponderían a las del curso fluvial. Su temperatura, gases disueltos, partículas en
suspensión, estratificación, y otros parámetros cambian drásticamente. Además las
presas son obstáculos, a veces insalvables, para salmones, truchas y otros seres vivos
que deben moverse por el río para completar sus ciclos de vida.
También hay que considerar que los embalses tienen un tiempo de utilidad
relativamente corto. Se van llenando con los sedimentos que arrastra el río y se calcula
que su vida puede estar entre unos 50 a 200 años, antes de que la cuenca se colmate y
pierda su capacidad de almacenar agua. Además, la presa retiene los sedimentos que en
condiciones normales el río arrastraría y las tierras situadas más abajo de la presa
pierden el aporte de nutrientes que esos sedimentos llevaban y se empobrecen. En las
zonas cálidas se evapora tanta cantidad de agua que la que queda embalsada se
enriquece en sales, con lo que baja su utilidad para el riego.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 13
1.3.6. Transferencia entre cuencas hidrológicas.
En la actualidad, muchos Planes Hidrológicos de todo el mundo se basan en la
construcción de grandes presas y embalses en zonas que tienen agua abundante para
hacer su transvase, a través de canales, túneles y grandes tuberías, a zonas secas. Estos
planes incluyen descomunales obras de ingeniería y la modificación de muchos
kilómetros cuadrados de territorio. En España son muy conocidos los trasvases de agua
entre la cuenca del Tajo y la del Segura, cuya agricultura depende, en gran medida, de
este agua transportada.
Algunas de estas desviaciones de agua han tenido consecuencias ecológicas,
humanas y sociales muy negativas. Por ejemplo la colosal desviación del agua de los
ríos que alimentaban el mar de Aral para regar tierras de cultivo, casi ha hecho
desaparecer este mar con importantes repercusiones en la salud y en la forma de vida de
varios millones de personas que vivían en sus cercanías.
1.3.7. Desalación y otras formas de suministrar agua a zonas secas.
La gran abundancia de agua salada hace que pudiera ser una magnífica fuente de
agua si se consiguiera quitarle la sal por métodos económica y energéticamente
rentable. En la actualidad se usan varias tecnologías para desalinizar el agua. Una de las
más corrientes es por destilación, calentando el agua hasta ebullición y condensando
después el vapor. En otro método, el denominado de ósmosis inversa, se fuerza al agua
a pasar por una membrana que deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no los
iones de sal.
1.3.8. Reducción del gasto innecesario.
Se estima que del 50% al 70% del agua que se extrae se desperdicia, por
evaporación, fugas y otros motivos. Uno de los motivos por los que se desperdicia tanta
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 14
agua es porque su precio se mantiene artificialmente bajo. Cuando la consumimos
pagamos sólo una parte, a veces muy pequeña, de lo que cuesta su extracción y
preparación para el consumo. De esta forma no se estimula el ahorro y el uso
restringido. El agua se considera un bien público, con un gran componente político, y
los gastos que ocasiona se cargan a la masa global de impuestos pagados entre todos los
ciudadanos.
El sistema de riego que se use tiene especial influencia en el ahorro de agua, ya que
casi el 80% de la consumida se emplea para riego. Sistemas muy usados como el
transporte del agua por gravedad a través de surcos hechos en la tierra para dejar que
encharque los campos, son especialmente derrochadores de agua. El riego por
aspersión, recubrir los canales de transporte del agua con cemento o plástico, o nivelar
bien los campos para que se encharquen homogéneamente, ahorran agua en proporción
apreciable. Las más modernas tecnologías de riego gota a gota que, en algunas
ocasiones, están incluso controladas por ordenador para mantener el adecuado nivel de
humedad, reducen el desperdicio de agua hasta límites de alrededor del 15%.
En algunas zonas se utiliza el agua residual urbana, después de tratada, para riego.
Tiene la ventaja de que además de ahorrar consumo, devuelve nutrientes orgánicos que
abonan los campos cultivados.
1.3.9. Recursos hídricos globales.
Las reservas de agua en el planeta son inmensas (Figura 5). Se estima que la
hidrosfera contiene cerca de 1386 millones de km3. Sin embargo, los océanos, que
representan una gran reserva de este agua, cubren las tres cuartas partes de la superficie
terrestre y el 97.5% del total, y tienen una salinidad media de más de un 3% en peso,
haciéndola inservible para cualquier tipo de uso. El resto es agua dulce, pero el 68.9 %
está en forma permanente como hielo y nieve que cubren las regiones polares y
montañosas. Del resto de agua dulce disponible, el 29.9% son aguas subterráneas y tan
sólo el 0.3% se encuentra en lagos, reservorios y sistemas de los ríos, estando en
condiciones de ser utilizables sin limitaciones técnicas ni económicas.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 15
Figura 5 – Recursos hídricos globales
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 16
1.4 PRESENTE Y FUTURO DE LA DESALACIÓN EN ESPAÑA
1.4.1. La situación actual.
Las plantas de desalación de agua de mar se instalan por primera vez hacia los años
60 y pretenden resolver el problema de abastecimiento a la ciudad de Ceuta y a las islas
de Lanzarote, Fuerteventura y Gran Canaria, que tienen en común la escasa
disponibilidad de recursos hídricos. Las primeras tecnologías que se implantaron fueron
las de destilación, en sus variantes de multietapa flash (MSF), cuya primera planta se
instaló en Lanzarote en 1964, y de compresión de vapor (CV), cuya primera planta se
instaló en 1972 en la misma isla (Tabla II).
Tabla II – Evolución histórica de la desalación en España.
AÑO PLANTA DESALADORA 1964 Primera planta MSF en Lanzarote
1970 Las Palmas I. 20000 día
m3
. Primera planta dual MSF
1972 Primera planta CV en Lanzarote ( )día
m3
350 .
1976 Desaladora de aguas salobres por OI. Fuerteventura
1980 Las Palmas II. 18000 día
m3
de MSF
1984 Lanzarote. 500 día
m3
. Primera planta OI de agua de mar
1986 Lanzarote II. 7500 día
m3
. Fibra hueca
1988 Maspalomas I. 20000 día
m3
. Primera planta EDR
1990 Las Palmas III. 36000
díam
3. Primera planta OI con membranas de
arrollamiento en espiral del mundo. Planta con mayor capacidad del mundo
1996 Decosol, 45000
díam
3. OI de agua de mar con membranas de fibra
hueca
1996 – 1998 Sureste. 15000
díam
3. Primera planta OI de una sola etapa y con 7
membranas por tubo de presión
1999 Bahía de Palma. 45000
díam
3. Primera gran planta con
recuperación de energía con turbinas Pelton
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 17
El desarrollo y entrada en el mercado de otras tecnologías más eficientes, como la
ósmosis inversa, hace que, en 1970, se instalen las primeras plantas de este tipo para la
desalación de aguas salobres; sin embargo, se necesitó más de una década para que se
instalara la primera planta de desalación de agua de mar, ubicada en Lanzarote, con una
capacidad de 500 día
m3
. Es en 1986 cuando una nueva planta (Lanzarote II),
utilizando membranas de fibra hueca, consigue una producción de 7500 día
m3
.
Tabla III – Consumo energético de plantas desaladoras en España.
AÑO TECNOLOGÍA 3m
kWh g
kWh1000
1970 MSF 22 83 1980 MSF 18 66 1985 CV 15 57 1988 CV 13 49 1990 OI 8.5 32 1994 OI 6.2 23.5 1996 OI 5.3 20 1998 OI 4.8 18.5 1999 OI 4.5 17 2000 OI 4.0 15 2001 OI 3.7 14
El espectacular desarrollo que tiene la desalación en España es fruto de la fuerte
demanda de agua que presenta el sureste de la península y también del desarrollo
tecnológico experimentado por la ósmosis inversa, que ha conseguido una mejora en la
eficiencia energética, que alcanza hasta el 60 % de ahorro sobre cualquier tecnología de
destilación.
Tabla IV – Variación de los costes totales de desalación en plantas desaladoras en España.
AÑO 3m
∈ 3$
m
US
1970 2.1 2.33 1980 1.81 2.01 1985 1.11 1.23 1990 0.96 1.07 1992 0.87 0.96 1994 0.75 0.83 1996 0.66 0.73 1998 0.58 0.64 2000 0.52 0.58 2001 0.48 0.53 2002 0.43 0.43
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 18
El menor consumo energético y un descenso relativo del coste del kWh en España ha
hecho posible una reducción de costes de explotación de las plantas de ósmosis inversa,
hasta el punto de constituir una alternativa para el abastecimiento de agua potable, el
turismo o la industria. La agricultura no ha podido, de forma generalizada, soportar los
costes de la desalación hasta este momento, pero ya se están encontrando numerosos
casos de utilización de pequeñas plantas que desalan aguas de acuíferos salobres e
incluso en agriculturas muy especializadas se ha llegado a la utilización de agua de mar,
como es el caso de la planta Virgen del Milagro de Mazarrón (Murcia).
A pesar de los altos costes de la desalación de agua de mar, están en proyecto
algunas grandes plantas para cultivos muy tempranos, de alta rentabilidad, que se
utilizan como complemento a otros recursos hídricos de mucho menor coste. La mezcla
de aguas subterráneas algo salinizadas con aguas desaladas de mar se ha convertido en
una posibilidad para resolver el fuerte déficit hídrico de amplias zonas agrícolas costeras
del sureste español.
Tabla V – Capacidad de desalación en España. Total instalada y en proyecto.
USOS INSTALADA (2000) PROYECTOS (2000 – 2003)
Abastecimiento 148.7 año
hm3
107.4 año
hm3
Agricultura 18.9 año
hm3
94.5 año
hm3
Industria 3.9 año
hm3
------ Agua de mar
Subtotal 171.5 año
hm3
201.9 año
hm3
Abastecimiento 75.4 año
hm3
25 año
hm3
Agricultura 78.9 año
hm3
20 año
hm3
Industria 66.0 año
hm3
34 año
hm3
Aguas salobres
Subtotal 220.3 año
hm3
79 año
hm3
TOTAL 391.8 año
hm3
280.9 año
hm3
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 19
El rápido desarrollo de la desalación requiere, en una futuro próximo, una especial
sensibilidad para hacer compatibles las plantas de desalación con el impacto que éstas
puedan producir sobre el medio ambiente.
1.4.2. Las posibilidades futuras.
El 97% del agua existente sobre la superficie de la Tierra se encuentra en los
océanos, o es salobre; así pues, parece lógico pensar en utilizar estas inmensas reservas
mediante el uso de las tecnologías de desalación. Por tanto, la eliminación de las sales
presentes en el agua de mar es un objetivo prioritario que exige la colaboración de
científicos, investigadores y técnicos, a fin de responder a uno de los retos más
dramáticos a los que se enfrenta la sociedad de nuestro tiempo.
En la actualidad, el interés por la desalación se debe a una serie de aspectos positivos
que podrían definirse de la siguiente manera:
1. Demandas de agua no satisfechas: esta situación es muy evidente en la costa
mediterránea y las Islas Canarias e Islas Baleares.
2. Tendencia a la baja del coste de la desalación: se produce tanto para aguas
salobres como para aguas marinas. El progreso de las técnicas de desalación se
ha debido a la investigación de los materiales, métodos y sistemas cuya
combinación ha dado lugar a instalaciones de bajo consumo de energía y alta
eficiencia.
3. Precio del agua en alza: la escasez de recursos hídricos y la alta rentabilidad de
algunos cultivos en diversas zonas del país, donde el clima es más caluroso, hace
que el coste del agua se dispare.
4. Financiación de la Administración.
Las incertidumbres o aspectos negativos que se plantean ante el futuro desarrollo de
la desalación pueden ordenarse y explicarse bajo tres preguntas:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 20
1. ¿Podrá la agricultura española pagar el coste del agua desalada? La
agricultura consume más del 80 % del agua que se gestiona. Esto crea un
elevado nivel de incertidumbre en los empresarios agrícolas, que nunca conocen
la cantidad de agua de la que van a disponer. En consecuencia, sustituir el agua
de riego por otra desalada a partir de agua de mar o de acuíferos de agua salobre,
sin límites cuantitativos ni cualitativos, es una estrategia que incorpora seguridad
a las explotaciones agrarias de regadío. Para abordar esta cuestión es interesante
analizar el efecto que el agua tiene sobre el coste final de las producciones
agrícolas, para lo cual deben estudiarse los distintos cultivos propios del
territorio de interés. Cabe, por tanto, conocer, en cada caso, cuál es el máximo
precio del agua que puede asumir una actividad agrícola determinada y, a la
vista de este precio, es posible decidir si la desalación puede solucionar el
abastecimiento normal o solamente una solución de emergencia. Por otro lado,
se puede afirmar que el porcentaje de participación del coste del agua en el coste
final de la actividad es tanto más bajo cuanto más tecnificado es el cultivo en
cuestión.
2. ¿La evolución futura de los precios energéticos favorecerá la implantación
de plantas de desalación? Cuando se habla de desalación de agua se está
hablando necesariamente de consumo de energía y, en gran medida, de consumo
de petróleo. La producción de agua desalada depende de un producto escaso en
nuestro territorio que puede ser racionado o encarecido por agentes y
circunstancias de imposible control por el Estado. En consecuencia, deben
buscarse alternativas energéticas que faciliten el proceso de desalación.
3. ¿El impacto medioambiental de las desaladoras impedirá su futuro
desarrollo? Las actividades de desalación generan un flujo de permeado que no
plantea impacto negativo en relación con los recursos naturales, y un rechazo,
salmuera, que debe ser evacuado de forma inocua o reutilizado en otros
procesos. El ruido de las plantas desaladoras genera también efecto sobre el
medio ambiente y debe ser corregido convenientemente. Finalmente, la
vinculación entre desalación de agua y generación de energía eléctrica hace
partícipe a esta última del impacto ambiental que genera la primera, cuyo
estudio y tratamiento debe hacerse de forma constructiva.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 21
1.5 DATOS DE PARTIDA
1.5.1. Introducción.
La creencia falsa de que el agua de mar tiene siempre las mismas características lleva
con frecuencia a errores serios en el diseño y operación de las plantas desaladoras. En
realidad, el agua de mar tiene características muy diferentes y específicas en las distintas
regiones del mundo y de cada mar.
La fuente de suministro de agua de mar es un factor de enorme importancia que se ha
de considerar en el diseño de las plantas de ósmosis inversa. Este paso es fundamental,
ya que la calidad del agua de mar tiene una tremenda repercusión sobre la intensidad,
costo y dificultad de operación del pretratamiento que requiere dicho agua, antes de
poder alimentar a las membranas de ósmosis inversa. El concepto básico es que, aunque
la ósmosis elimina las sales del agua, así como algas, moluscos, bacterias, virus y
pirógenos, no es conveniente alimentar a las membranas de ósmosis inversa con agua
contaminada con materia que las pueda ensuciar o dañar y, por tanto, reducir su
rendimiento. El éxito de la operación de cualquier planta desaladora por el sistema de
ósmosis inversa depende en su mayor parte de la calidad de su agua de alimentación.
1.5.2. Características generales del agua de mar.
Para desalar cualquier tipo de agua, es necesario conocer las principales
características físicas, químicas y biológicas de la misma, para que el proceso
seleccionado sea eficiente técnica y económicamente y para que el producto final reúna
las condiciones de calidad requeridas para el uso al que va destinado.
El agua de mar se puede considerar como un complejo sistema químico que recicla
constantemente sus constituyentes, entre los cuales se hallan casi todas las sustancias
simples que existen en estado natural. Entre ellos destacan:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 22
1. Las sales disueltas, que determinan su salinidad, estando casi todas en forma
ionizada, con predominio de los cationes sobre los aniones, cuya circunstancia le
da al agua de mar su carácter alcalino, reflejado por un pH de 8.2 como
promedio mundial.
2. Gases en disolución, que mayoritariamente provienen de la atmósfera, a través
del intercambio en la interfase aire – agua de mar, de los cuales, el más
abundante es el nitrógeno y el más activo es el oxígeno. En profundidad y en las
cuencas donde no hay circulación de corrientes, el oxígeno no se renueva,
produciéndose la anoxia y la formación de H2S por reducción bacteriana de los
iones sulfatos. El CO2 es el gas más soluble y en el agua de mar se encuentra
presente en diversas formas, de acuerdo con las diferencias de temperatura,
presión y pH del agua.
3. Una gran diversidad de sustancias orgánicas disueltas, que provienen de los
productos de asimilación o de descomposición liberados por los organismos
vivos o muertos y, más recientemente, por la contaminación del mar.
4. Materias en suspensión, en forma de partículas insolubles de diversos tamaños,
que pueden estar formadas por sustancias minerales, detritus orgánicos e
inorgánicos y el plancton en general.
El material que se encuentra en las aguas marinas tiene su origen en distintas fuentes,
entre las que destacan la atmósfera, los ríos, los glaciares y las aguas hidrotermales.
1.5.3. El agua, características y propiedades.
El agua de mar es una disolución acuosa en la que se encuentran disueltos una gran
variedad de sólidos (sales principalmente) y gases atmosféricos, sumándose a ellos
materiales sólidos suspendidos del tipo orgánico e inorgánico. Junto con los anteriores,
forman parte también de esta disolución acuosa algunos organismos microscópicos
vivos vegetales conocidos como fitoplancton y animales (zooplancton).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 23
Tabla VI – Composición del agua de mar.
CONSTITUYENTE mardeaguaenkgg % EN PESO
Cloruro 19.35 55.07 Sodio 10.76 30.62 Sulfato 2.71 7.72 Magnesio 1.29 3.68 Calcio 0.41 1.17 Potasio 0.39 1.10 Bicarbonato 0.14 0.40 Bromuro 0.067 0.19 Estroncio 0.008 0.02 Bario 0.004 0.01 Fluoruro 0.001 0.01 TOTAL 35.13 99.99
En virtud de la abundancia con que se hallan presentes en el agua de mar, las sales
disueltas descritas en la tabla anterior se reconocen como constituyentes principales,
mientras que otras, que lo están en cantidades mas pequeñas, se denominan
constituyentes secundarios. Los constituyentes principales figuran como iones
metálicos e iones básicos en los porcentajes expuestos en la tabla I, mientras que los
"constituyentes secundarios" no superan el 0,025% de los primeros, a pesar de lo cual
juegan un importante papel en relación con la actividad biológica del mar (Figura 6).
Figura 6 – Constituyentes principales del agua de mar
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 24
Aunque la salinidad y la composición química varía de un mar a otro, lo que
comporta cambios de densidad así como otros parámetros físicos y químicos, la
composición química media aproximada de 1 litro de agua de mar es la siguiente:
Tabla VII – Composición química media de 1 litro de agua de mar.
COMPONENTE CANTIDAD (gramos) Cloruro de sodio 24,0 Cloruro de magnesio 5,0 Sulfato neutro de sodio 4,0 Cloruro de calcio 1,1 Cloruro de potasio 0,7 Bicarbonato de sodio 0,2 Bromuro de sodio 0,096 Ácido bórico 0,026 Cloruro de estroncio 0,024 Fluoruro de sodio 0,003
La presencia de sales en el agua de mar puede ser explicada por dos procesos:
1. El primero tiene relación con las aguas liberadas en las erupciones volcánicas,
conteniendo muchos de los componentes actuales.
2. El segundo proceso se refiere al aporte de sales al océano producido mediante el
lavado de los continentes que efectúan las lluvias y los ríos, debido al gran
aporte de disolución que tiene el agua
Algunas de las características particulares que presenta el agua de mar son:
1. Alcalinidad: el agua de mar tiene un grado de acidez (pH) que fluctúa entre un
valor de 7.6 y 8.4, lo que le confiere cierto carácter alcalino.
2. Compresión (reducción de volumen por efectos de presión): el agua de mar
tiene una pequeña, pero finita, compresibilidad la cual varía tanto con la
salinidad como con la temperatura.
3. Conductividad eléctrica: la capacidad de conducción de la electricidad a través
del agua de mar se ve aumentada bajo la influencia de la presión ejercida por la
columna de agua (presión hidrostática).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 25
4. Transmisión del sonido: en el mar la velocidad de propagación del sonido
fluctúa entre 1400 y 1600 s
m , la que a su vez dependerá de la temperatura, la
salinidad y la presión, siendo la primera el parámetro de mayor incidencia
debido a la variaciones que presenta dentro de la columna de agua.
Tabla VIII – Velocidad de propagación del sonido en función de la temperatura, la
salinidad y la profundidad.
Por cada aumento de: La velocidad del sonido aumenta: Temperatura 1 ºC 2.5 m/s Salinidad 1 parte por mil 1.4 m/s Profundidad 100 metros 1.8 m/s
5. Índice de refracción: este índice aumenta con la salinidad, mientras que con un
aumento en la temperatura disminuye. Así, para una salinidad de 33 ‰, el índice
de refracción fluctúa entre 4049 (a 0°C) y los 3851 (a 25°C).
6. Punto de congelación: temperatura a la cual el agua de mar se congela y cuya
variación dependerá de la salinidad.
Las dos propiedades físicas más importantes del agua de mar son, sin duda, la
temperatura y la salinidad, que determinan la densidad del agua. En el océano, la
densidad suele aumentar con la profundidad, de modo que las capas de agua superiores
se apoyan siempre en otras de mayor densidad. No obstante, esta situación de equilibrio
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 26
puede verse rota por multitud de factores y, en un momento dado encontrarse aguas más
densas sobre otras de una densidad ligeramente inferior. Esto provoca una inestabilidad
gravitacional que empuja al agua más "pesada" a hundirse mientras la capa siguiente,
más "ligera", asciende para ocupar su lugar, estableciéndose una circulación vertical.
Pero no son estas las únicas propiedades interesantes del agua de mar. Aunque son
las que tienen mayores connotaciones físicas, resulta de vital importancia para la
oceanografía biológica estudiar y conocer cómo se propagan la luz y el sonido en el
océano.
La temperatura del agua de mar varía entre -2 ºC (aguas polares) y 42 ºC (máximos
valores registrados en aguas costeras someras). El rango de temperaturas en tierra es
mucho más amplio y abarca desde los -68 ºC (Siberia, 1892) hasta los 58 ºC (Libia,
1922). Esto da cuenta del gran poder termoestabilizante del mar. La única manera de
tener información de la temperatura en profundidad sigue siendo mediante medidas in
situ.
La temperatura de la superficie del océano depende de la cantidad de radiación solar
que reciba y de qué fracción de ésta refleje. En cualquier caso, la penetración de la luz
solar es escasa y se reduce a los primeros metros de profundidad (entre 15 m en algunas
aguas costeras y 200 m en aguas oceánicas abiertas muy claras). Por otro lado, el mar
pierde calor por conducción, ya que en promedio la superficie oceánica está más
caliente que el aire, y por efecto de la evaporación, siendo este último el medio de
pérdida de calor más efectivo, disipando del orden de 10 veces más que la conducción.
El principal aporte calorífico que tiene el agua del mar está representado por las
radiaciones energéticas que le llegan del Sol. Su calor específico tiene un valor elevado
en comparación con el calor específico de las demás sustancias existentes en la
superficie del planeta; esto confiere al mar una extraordinaria capacidad para almacenar
calor y por esta propiedad puede actuar como un gigantesco moderador del clima. Esta
gran capacidad de los océanos para conservar el calor permite que la temperatura sea
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 27
más estable en el mar que en los continentes, siendo en aquél menos marcados sus
cambios a través de las cuatro estaciones del año.
Otras fuentes de calor para el océano son:
1. La energía solar reflejada por el cielo.
2. El calor original del interior de la Tierra.
3. El calor que se desprende de la desintegración radiactiva.
4. La energía derivada de los procesos químicos y biológicos que se realizan en el
seno del océano.
► Cambios de temperatura con la profundidad.
Hoy en día, la temperatura del agua del mar se mide con termistores, que van
midiendo y registrando los datos a medida que descienden en la columna de agua. De
este modo proporcionan la información necesaria para la elaboración de perfiles.
Observando estos perfiles, se observa que, en general, la temperatura del agua
disminuye con la profundidad, pudiendo establecerse claramente (de forma análoga
ocurre con la salinidad) tres zonas, con características bien definidas:
1. Capa de mezcla: zona que abarca alrededor de los 100 primeros metros y
corresponde a la zona de la columna de agua que se ve afectada por el stress del
viento. Se caracteriza por tener unos valores de temperatura casi inalterables.
2. Termoclima: inmediatamente por debajo de la capa de mezcla se produce un
fuerte descenso de la temperatura hasta rondar los 5 ºC en torno a los 1000 m.
3. Capa profunda: zona en la cual la temperatura se estabiliza y, aunque sigue
disminuyendo, lo hace de forma muy suave y apenas perceptible.
En cualquier caso, los espesores de estas capas son relativos y pueden variar
sensiblemente de una localización a otra, e incluso, en un mismo lugar, varían
estacionalmente dando lugar a lo que se conoce como termoclima estacional. Se puede
distinguir también un termoclima diurno debido al calentamiento rápido de los
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 28
primeros 10 ó 15 metros. En cualquier caso, estas variaciones estacionales y diarias
suelen ser de pequeña magnitud frente al termoclima permanente.
El agua del mar es una disolución de sales, por lo que sus propiedades físicas son
muy diferentes de las del agua dulce y varían de acuerdo con la cantidad de sales que
contenga. Las propiedades físicas del agua del mar se pueden dividir en seis tipos:
1. Térmicas: dependen del calor que absorbe de las radiaciones energéticas que
recibe del Sol, así como de la cantidad de calor que posteriormente el mar
devuelve a la atmósfera. Por lo tanto, el balance térmico del océano se establece
por la diferencia entre el calor ganado y el perdido, y este balance es casi
estacionario en el océano en su conjunto, aunque puede variar en algunos mares
en especial, según las diferentes latitudes donde se encuentran en el planeta. Las
características térmicas del agua del mar influyen sobre otras de sus
propiedades, y se puede destacar que la temperatura interviene directamente en
el establecimiento de la distribución de las masas de agua en el océano, por
cambios de la densidad, disponiéndose las menos densas y calientes arriba y las
más densas y frías abajo.
2. Mecánicas: están determinadas por la salinidad, y son la densidad y la presión.
La salinidad está dada, principalmente, por los cloruros, sulfatos y carbonatos
que se encuentran disueltos en el agua del mar, y su distribución no es uniforme
ni constante, varía de un lugar a otro, tanto en dirección horizontal, como en
vertical, e incluso sufre oscilaciones en un mismo punto del océano, con el
transcurso del tiempo. El factor fundamental que determina las variaciones de
salinidad en un área marítima concreta es la pérdida o ganancia de agua. La
densidad del agua del mar consiste en su peso derivado de la cantidad de masa
de sales por unidad de volumen de agua, por lo que es directamente
proporcional a su salinidad, ya que a mayor cantidad de sales, existe una masa
superior por unidad de volumen de agua; en cambio, es inversamente
proporcional a la temperatura, siendo la densidad menor a mayor temperatura.
3. Eléctricas: consisten en que este medio es conductor de la electricidad, debido a
que las moléculas de las sales se disocian en iones positivos y negativos, que al
estar sometidos a un campo eléctrico se desplazan en sentido contrario
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 29
produciendo corrientes. Esta propiedad sirve para medir, con mayor precisión, la
salinidad del océano.
4. Acústicas: el estudio de las características acústicas del agua oceánica es de
gran importancia, ya que las ondas sonoras y ultrasonoras penetran desde la
superficie del mar hasta grandes profundidades, al contrario de la luz solar, que
sólo lo hace a 200 metros de profundidad, y de las ondas de radio, que también
son absorbidas rápidamente; por lo tanto, la comunicación y el conocimiento
submarino tienen que realizarse utilizando las propiedades acústicas del mar.
5. Ópticas: las características ópticas se producen debido a que el agua del mar
presenta cierta transparencia, es decir, la posibilidad de dejar pasar la luz,
transparencia que cambia conforme aumenta la profundidad, debido a que esta
luz sufre fenómenos de reflexión y refracción. La luz que penetra en el océano
es indispensable para que tengan lugar los fenómenos de fotosíntesis en el
interior de las aguas marinas, es decir, la captación de la energía solar para la
elaboración de la sustancia orgánica que será el alimento de los vegetales, los
animales y el hombre. Las radiaciones que forman la luz son absorbidas por el
agua del mar y le transmiten calor. Esta absorción es selectiva y depende de la
longitud de onda de la radiación. Dentro del espectro visible, la absorción es
máxima para el rojo y mínima para el azul-verde. La infrarroja transporta la
mayor parte de la energía calorífica, y se absorbe prácticamente en el primer
metro de agua. El calor del mar depende de esta selectividad de sus aguas para
absorber y dispersar la luz. Así el color azul intenso de algunas zonas oceánicas
se debe a la ausencia de partículas en suspensión, mientras que en las aguas
costeras predomina el color verde, por la abundancia de partículas nutritivas y
de pequeños organismos que forman el plancton.
6. Radiactivas: se pueden diferenciar dos tipos de radiactividad en los mares:
o La que se produce de manera natural en ellos.
o La que el hombre ha introducido a los océanos al usar la energía
atómica.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 30
► Salinidad del océano.
Se entiende por salinidad a la concentración de sales disueltas en el agua oceánica.
Un valor medio para esta propiedad puede ser 3,5% en peso, pero generalmente no se
expresa de esta manera sino en partes por mil. No obstante, este símbolo se omite,
generalmente, debido a que la salinidad se define formalmente como un cociente de
conductividades y es, por lo tanto, adimensional.
Aunque se puede suponer que la salinidad ronda el valor de 35 (treinta y cinco
gramos por kilogramo de agua), lo cierto es que en distintas zonas del planeta este valor
varía sensiblemente. Así la salinidad en zonas más cerradas como el Mediterráneo o el
mar rojo es muy superior a este valor medio y en otras como el Mar Báltico, con gran
aporte fluvial, desciende bastante por debajo del mismo.
La sal más abundante es el cloruro sódico, que supone la mayor parte de la sal
disuelta en el mar, pero existe gran cantidad de otros iones que se presentan en
concentraciones menores pero muy significativas. En general se acepta que, aunque el
valor total de salinidad varíe de una zona a otra, las proporciones relativas entre estos
iones permanecen prácticamente constantes, aunque existen multitud de casos
particulares en que esto no se cumple:
1. Mares cerrados, estuarios y otras zonas con un considerable aporte fluvial que
puede alterar las proporciones iónicas.
2. Zonas profundas o de poca circulación en las que las condiciones puedan llegar
a ser anóxicas, y en las que la acción bacteriana extrae del agua los iones sulfato
para usarlo en lugar del oxígeno.
3. Zonas de aguas cálidas y someras caracterizadas por una intensa precipitación
química o biológica del carbonato de calcio, disminuyendo su presencia en
disolución.
4. Zonas de activo vulcanismo submarino (como las dorsales submarinas), en las
que suele darse una intensa liberación de gases
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 31
Variación de la salinidad
La salinidad en el océano, fuera de estos casos particulares que se han observado,
varía muy poco. En superficie, el valor de la salinidad depende directamente de la
relación entre la evaporación y la precipitación, y, por tanto, de las condiciones
climáticas. Por debajo de los 1000 metros de profundidad, en cambio, la influencia de
estas variaciones superficiales no es apreciable y la salinidad suele mantenerse entre
34.5 y 35 en cualquier latitud.
Distribución de la salinidad en superficie
En la superficie del océano, se alcanzan los valores máximos de salinidad en torno a
los 20º de latitud en ambos hemisferios, ya que en estas zonas la evaporación es mayor
que la precipitación. Esta zona corresponde con los cinturones desérticos en tierra. Los
valores mínimos se alcanzan en bajas latitudes, en las que hay un mayor aporte fluvial y
se funden los hielos polares.
Distribución de la salinidad en profundidad
Los valores de salinidad suelen ser bastante altos en los primeros metros en relación
con las zonas más profundas. Tras una zona que varía entre los 30 y 100 metros de
profundidad y que presenta un valor constante (capa de mezcla), se produce un fuerte
descenso hasta cerca de los 1000 m, en que se estabiliza en torno a 34.5 ó 35. Esta zona
de intenso gradiente es conocida como haloclima.
► Densidad y presión en las aguas oceánicas.
La temperatura y salinidad del agua son factores determinantes de sus propiedades
físicas y de su distribución, sobre todo en lo que a la escala vertical se refiere. Esto se
debe al efecto que estas propiedades tienen sobre la densidad, que aumenta al
incrementarse la salinidad y disminuye cuando el incremento se da en la temperatura.
Si se supone una masa de agua estática (en equilibrio hidrostático) y en la que no
existen fenómenos de difusión molecular, las porciones de agua más "pesadas" se
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 32
hunden y de este modo se obtiene una columna de agua estratificada en la que se pueden
distinguir capas con diferentes densidades decrecientes a medida que nos se asciende a
la superficie. Esto es lo que trata de mostrar la Figura 7, donde las aguas más densas
tienen un color más oscuro.
Figura 7 – Columna de agua estratificada
Esta estructura tan perfectamente estratificada podría romperse fácilmente si
se agitase el agua, de forma que las distintas porciones, cada una con su
densidad, tenderían a reubicarse de nuevo en el nivel correspondiente, oscilando
en torno a él con amplitud decreciente hasta alcanzar de nuevo el estado de
equilibrio, en un proceso de reajuste hidrostático. Este fenómeno es crucial en
los procesos de mezcla en el océano.
En las zonas polares, la densidad del agua aumenta por dos motivos: al congelarse el
agua, ésta deja atrás su contenido en sales, aumentando localmente la salinidad del agua.
Por otro lado, el descenso de la temperatura hace aumentar también la densidad. Estas
aguas polares más densas se hunden originando toda una serie de corrientes y
circulaciones. En las zonas más cálidas, una elevada tasa de evaporación produce un
considerable aumento de la salinidad, y por ello, de la densidad originando un efecto
similar.
En general, el océano está estratificado y la densidad aumenta linealmente con la
profundidad, aunque este aumento es de pequeña magnitud y, a efectos prácticos,
muchas veces se considera el océano como de densidad constante. En cualquier caso,
las variaciones de densidad están ligadas al aumento de la presión según la ecuación de
la hidrostática:
=→=
)(:
81.9:
)(:
2
mdprofundidaz
smgravedadlaadebidanaceleracióg
atmpresiónP
zgP ρ
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 33
► La propagación de la luz en el agua de mar.
La propagación de la luz depende del medio que atraviese. Así la luz no viaja a la
misma velocidad en el aire que en el agua.
Cuando la luz se propaga en un medio acuoso, su intensidad decrece
exponencialmente, en un fenómeno de atenuación que tiene dos causas fundamentales:
1. Absorción: la energía luminosa se convierte en otro tipo de energía,
generalmente calor o energía química. Esta absorción es producida por:
o Las algas, que utilizan la luz como fuente de energía.
o Materia orgánica e inorgánica particulada (MOP y MIP) en suspensión.
o Compuestos inorgánicos disueltos.
o El agua en sí.
2. Dispersión (scattering): este fenómeno consiste, simplemente, en el resultado
de la colisión del haz de luz con las partículas en suspensión, provocando
múltiples reflexiones. Cuanto más turbia sea el agua (más partículas en
suspensión) mayor será el efecto de dispersión (Figura 8), dificultando la
penetración de la luz.
Figura 8 - Scattering
Por efecto de este fenómeno de atenuación de la luz, la zona
suficientemente iluminada como para albergar vida vegetal se
reduce a unos pocos metros en la zona superficial del océano, lo
que se conoce como zona o capa fótica. Toda la columna de agua por debajo de esta
capa es llamada zona afótica. La capa fótica tiene un espesor variable que depende de
la turbidez del agua, y que oscila entre los 15 metros en ciertas zonas costeras y los 200
metros en aguas claras en océano abierto. No se debe confundir el término de capa
fótica con el de máxima penetración de la luz, la cual llega a mayor profundidad (hasta
casi los 1000 m) pero no con intensidad suficiente para sostener la fotosíntesis de los
vegetales.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 34
La luz en el océano se torna difusa por efecto de la dispersión. Esto implica que la
luz no siempre sigue el camino más corto hasta iluminar un objeto, sino que muchos
rayos llegan reflejados y desviados de su trayectoria original. Esto provoca algunos
problemas con la visión submarina, ya que el ojo necesita que la imagen de los objetos
viaje directamente hasta la retina para poder conformar una imagen coherente. La
difusión de la luz entre el objeto y el ojo hace que el primero pierda contraste, más
cuanto más lejos esté, por lo que la figura se ve borrosa y difuminada. La medida de la
atenuación de la luz da información cuantitativa de la turbidez del agua.
La luz no es sino una mezcla de radiaciones electromagnéticas de frecuencias
distintas. Cada color es una radiación con cierta frecuencia particular, y no todos
penetran en el agua de mar de la misma manera. Así, los colores rojos son los primeros
en desaparecer, mientras que los últimos son los verde - azules. Cuando se ve un objeto
de un color determinado, es porque su superficie refleja radiación luminosa corresponde
a ese color. La vida en el océano se ha adaptado a estas peculiaridades.
El esquema de la derecha (Figura 9) trata de mostrar la profundidad hasta la
que penetran los distintos colores del espectro visible. Se puede observar cómo
los rojos no pasan de los primeros metros y los azules alcanzan profundidades
mayores.
Figura 9 – Profundidad hasta la que penetran
los colores del espectro visible
► La medición de la luz bajo el nivel del mar.
El método más económico para medir la turbidez de las aguas superficiales es el
disco de Secchi, que consiste en una placa metálica circular de color blanco que se hace
descender dentro del agua de manera paralela a la superficie, de modo que se pueda ver
desde la borda de un barco. Su funcionamiento es muy sencillo y consiste en ir bajando
el disco hasta que deje de verse, y anotar esa profundidad, que es la llamada
profundidad de Secchi (ZS).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 35
► Las masas de agua, convergencia y divergencia.
La temperatura y la salinidad del agua del mar guardan entre sí una relación que
caracteriza a ciertos volúmenes de agua localizados a diferentes profundidades en un
punto geográfico determinado, y a los que se les denomina masas de agua, como las que
se encuentran en el Mediterráneo y en el Antártico.
El océano está formado por un conjunto de masas de agua de características
fisicoquímicas diferentes que influyen en una gran variedad de procesos oceánicos, en
especial, en la producción y modificación de las corrientes. En general, las masas de
agua se distinguen unas de otras por su temperatura y su salinidad y se pueden
representar por una curva que describe gráficamente la relación que guardan entre sí
estas dos características del agua del mar, en un volumen determinado.
La manera de representar esta relación entre la temperatura y la salinidad (diagrama
temperatura - salinidad) es trazando una curva (curva de temperatura – salinidad) en los
ejes de coordenadas, en la cual las temperaturas se colocan en las ordenadas y las
salinidades en las abscisas. En esta curva quedan representadas las características de
una masa de agua en particular. Es común que para 0.1 por mil de salinidad,
corresponda 1°C de temperatura.
Estas dos características se deben tomar en cuenta para determinar los caracteres
diferenciales de las masas de agua. No es suficiente sólo una de ellas, ya que las otras
propiedades del agua del mar, como la densidad, son el resultado de esta relación, y
para obtener el valor de la densidad se tiene que partir de medir la temperatura en
relación con la salinidad.
Cuando en estas masas de agua la relación entre la temperatura y la salinidad es
uniforme, se dice que se está en presencia de una masa de agua tipo. Esto se observa
excepcionalmente en el océano y sólo se localiza en algunas cuencas donde el agua es
homogénea desde la superficie hasta el fondo, o también en profundidades
relativamente grandes. En general, las masas de agua no son homogéneas y presentan
cierta mezcla; sin embargo, están definidas por un contorno que se denomina playa.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 36
Cada masa de agua quedará definida por su
playa y los puntos en donde se entrecruzan
dos playas, indican que existe mezcla entre
diversas masas de agua.
Figura 10 – Representación de los fenómenos de
convergencia y divergencia de las masas de agua
Las masas de agua se encuentran en constante movimiento y en ciertas partes del
océano se produce el hundimiento de grandes cantidades de agua de la masa superficial;
las que se localizan a menor latitud se hunden hasta formar masas de agua superior, y
las que se ubican a mayor latitud lo hacen para formar masas de agua intermedia; a esta
serie de fenómenos se le llama convergencia.
El agua que se dirige hacia zonas más profundas durante las convergencias
generalmente regresa a la superficie, y cuándo esto sucede se presentan las llamadas
divergencias, o surgencias, que pueden encontrarse a lo largo del perímetro del
Continente Antártico y en ciertos lugares frente a las costas occidentales de los
continentes (Figura 10).
► Las precipitaciones atmosféricas y el ciclo del agua.
El aire atmosférico nunca está completamente seco, sino que presenta cierta
proporción de agua en forma de vapor que proviene, principalmente, del agua de los
océanos. La humedad del aire es muy variable de un punto a otro de la Tierra. Los
vientos que remueven la masa atmosférica mezclan las capas secas con las húmedas,
llevando este vapor lejos de los lugares de origen y formando las masas de aire.
El agua sube a la atmósfera debido al fenómeno de la evaporación, que es más
intensa mientras más lo sea la temperatura y la agitación del aire. La evaporación
disminuye la temperatura de la superficie del agua ya que absorbe gran cantidad de la
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 37
energía del Sol, lo que regula el equilibrio térmico de los océanos. Asimismo, la
evaporación tiene un efecto importante sobre la salinidad de los mares, ya que tiende a
concentrar las sales que en ellos existen, es decir, incrementa la salinidad,
contrarrestando la acción de las precipitaciones pluviales que diluyen las sales del agua
próximas a la superficie del mar, disminuyendo la salinidad. Por tanto, se va a
establecer un equilibrio entre la temperatura, la evaporación y la precipitación que
permite que la salinidad aumente o disminuya según las condiciones existentes en la
atmósfera y el océano. También la evaporación es importante por ser la fuente de la
mayor cantidad del agua dulce de la Tierra, ya que el agua regresa a la superficie del
planeta y a los océanos al precipitarse el vapor en forma de lluvia.
La cantidad de evaporación del agua de la superficie de los mares está determinada
por los siguientes factores:
1. Temperatura.
2. Contenido de vapor de agua en la atmósfera.
3. Velocidad del viento.
4. Salinidad del agua.
5. Área de agua expuesta al Sol.
La evaporación es directamente proporcional a la temperatura y a la velocidad del
viento, ya que al aumentar estos factores también se incrementa ella, y es inversamente
proporcional al contenido de vapor de agua y a la salinidad de ella, debido a que cuando
éstos son altos la evaporación disminuye.
Si en su movimiento ascendente las masas de aire cargadas de vapor de agua se
encuentran con otras sólo de aire, el vapor se condensa y forma nubes, haciéndose
visible, como ocurre al borde del mar, en donde las masas de aire marítimo, saturadas
de humedad, chocan con las de origen continental, secas y frías. La evaporación de la
superficie del mar es la fuente de las nubes, y el aire marítimo el portador de ellas. Las
nubes que se encuentran sobre los continentes tienen origen marino, ya que el aire
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 38
continental presentaría el cielo despejado. Al originarse las nubes, se van uniendo hasta
formar un manto con un espesor de aproximadamente un kilómetro.
Las nubes están formadas por la concentración de gotas de agua o de cristales de
hielo que se encuentran suspendidos en la atmósfera como consecuencia de la
condensación del vapor de agua contenido en el aire, debido al enfriamiento de este
último. El vapor de agua atmosférico condensado cae en diferentes formas, ya sea nieve
o granizo, dependiendo de las condiciones locales.
Con todo lo anterior, se puede apreciar que los océanos ceden a la atmósfera
enormes cantidades de vapor de agua gracias al fenómeno de la evaporación que se
origina en su superficie, sobre todo en las regiones ecuatoriales y tropicales, en donde la
elevada temperatura lo favorece. Las masas de aire caliente de estas regiones, cargadas
de vapor de agua formando la humedad, se elevan en la atmósfera y se dirigen hacia los
continentes debido a los vientos procedentes del océano, y al hacer contacto con las
montañas se elevan hacia las zonas frías. Por la acción del choque con las masas en
forma de nubes que, arrastradas por el viento, provocan la lluvia.
El agua cae sobre el mar y sobre la tierra; cuando lo hace en el mar retorna enseguida
a su punto de partida; cuando cae en la tierra, ha de seguir caminos muy distintos hasta
reintegrarse a él, estableciendo el llamado ciclo hidrológico (Figuras 11 y 12). Una
parte del agua que se precipita sobre la tierra corre por la superficie de ésta, se
concentra en arroyuelos y luego en ríos
que erosionan y disuelven los
materiales que se encuentran a su paso
y que la llevan, por último, al mar.
Figuras 11 y 12 – Ciclo hidrológico
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 39
La masa de agua arrojada por estas corrientes principales es recogida por el océano,
en el cual se decanta el fango que ella arrastró, y queda en su fondo, y se limpia,
combinándose con las sales de sodio, potasio, calcio y magnesio. Luego, el Sol la
evapora nuevamente y se originan las nubes, enriquecidas en oxígeno por la acción de
los vientos, y vuelven a viajar de nuevo a la tierra. Aquí, el frío condensa el vapor de
agua, que cae como lluvia o rocío. Otra parte del agua que cae sobre la tierra se infiltra
y constituye el agua subterránea, formando la capa acuífera que, al filtrarse y formar
manantiales, es aprovechada por los vegetales, los animales y el hombre. Una tercera
parte se evapora y vuelve a la atmósfera.
1.5.4. Análisis del agua de mar.
Las características físicas a tener en cuenta son:
1. Turbidez.
2. Color.
3. Materia en suspensión.
4. Temperatura (máxima y mínima).
Las tres primeras sirven para definir el pretratamiento, pudiendo ser sustituidas por la
medida del índice de atascamiento. La temperatura mínima servirá para definir el
número máximo de módulos requeridos. No se debe olvidar que al aumentar la
temperatura del agua, disminuye su viscosidad, aumentando el caudal producido por las
membranas. Este parámetro tendrá influencia económica en la inversión inicial y en el
costo de reposición de membranas. La temperatura máxima servirá para calcular la vida
de las membranas, que es tanto menor cuanto mayor es la temperatura de operación.
El dato más importante para predecir la presión de operación de diseño de una planta
de ósmosis inversa es la temperatura ya que, cuando aumenta, el agua puede permear a
través de la membrana más fácilmente. La presión de operación disminuye un 4% por
cada grado centígrado que aumenta la temperatura. La membrana idónea para operar a
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 40
alta temperatura es la que tenga el mayor rechazo de sales, ya que a alta temperatura
disminuye la presión de operación y el paso de sales aumenta, empeorando con ello la
calidad del agua. Para desalar cualquier agua, es necesario conocer las características
físicas, químicas y biológicas de la misma, con el fin de que el proceso seleccionado sea
eficiente técnica y económicamente y para que el producto final reúna las condiciones
de calidad requeridas para el uso al que va destinado.
Entre los constituyentes del agua de mar destacan:
1. Sales disueltas: determinan su salinidad, estando casi todas en forma ionizada,
con predominio de los cationes sobre los aniones, cuya circunstancia le da al
agua de mar su carácter alcalino, reflejado por un pH de 8.2 como promedio
mundial.
2. Gases en disolución: mayoritariamente provienen de la atmósfera, a través del
intercambio en la interfase aire – agua de mar, de los cuales, el más abundante es
el nitrógeno y el más activo es el oxígeno. En profundidad y en las cuencas
donde no hay circulación de corrientes, el oxígeno no se renueva, produciéndose
la anoxia y la formación de H2S por reducción bacteriana de los iones sulfatos.
El CO2 es el gas más soluble y en el agua de mar se encuentra presente en
diversas formas, de acuerdo con las diferencias de temperatura, presión y pH del
agua.
3. Una gran diversidad de sustancias orgánicas disueltas, que provienen de los
productos de asimilación o de descomposición liberados por los organismos
vivos o muertos y, más recientemente, por la contaminación del mar.
4. Materias en suspensión, en forma de partículas insolubles de diversos tamaños,
que pueden estar formadas por sustancias minerales, detritus orgánicos e
inorgánicos y el plancton en general.
El material que se encuentra en las aguas marinas tiene su origen en distintas fuentes,
entre las que destacan la atmósfera, los ríos, los glaciares y las aguas hidrotermales.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 41
1.5.5. El agua y sus contaminantes.
El agua es una sustancia fundamental para la vida, pero también lo es en muchos de
los procesos industriales, entre los que destacan los siguientes:
1. Materia prima de un proceso.
2. Disolvente de otras materias.
3. Diluyente de otras materias.
4. Método de transporte para otras sustancias.
5. Transporte de calor.
6. Vapor, agua caliente.
7. Agua de refrigeración.
8. Como auxiliar (lavado, limpieza…).
El agua puede llegar a la industria o bien de una captación independiente (superficial
o subterránea) o bien directamente de la red de suministro municipal. Cada proceso
industrial necesita el agua con unas características determinadas y que no tienen por qué
ser las mismas.
En principio, se debe establecer una diferencia entre las aguas superficiales (de río) y
las aguas subterráneas (de pozo). Los datos se recogen en la siguiente tabla:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 42
Tabla IX – Tipos de agua.
CONTAMINANTE UNIDAD AGUA DE RÍO AGUA DE POZO Temperatura ºC 14 9.5
Turbidez UTN 18 0.2
Color CoPtL
mg − 30 10
Materias en suspensión L
mg 25 0.35
pH Adimensional 8 6.5 ºFranceses 20 35 TAC: título
alcalimétrico completo (medida de
la alcalinidad) L
meq 4 7
ºFranceses 22 80 TH: grado hidriométrico (medida de la
dureza) L
m 4.4 16
Ca ºFranceses 17 71 Mg ºFranceses 5 9
Cloruros −ClL
mg 25 70
Sulfatos −4SOL
mg 18 330
Hierro FeLmg 1.4 3.5
Manganeso MnLmg Trazas 1.2
Amoniaco −4NHL
mg 0.7 1.5
Nitritos −2NOL
mg 0.2 Trazas
Nitratos −3NOL
mg 3 1
CO2 libre Lmg 4 135
Oxígeno disuelto Lmg 9.5 Ausencia
Oxidabilidad al permanganato 2OL
mg 7.5 1.5
Para decidir qué tratamiento aplicar se necesitará saber la calidad del agua, con los
correspondientes análisis fisicoquímicos y bacteriológicos y la aplicación a la que va
destinada el agua, es decir, se evaluarán las impurezas presentes y las especificaciones
de calidad final exigidas y con ello se podrá diseñar el pretratamiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 43
Tabla X – Calidad de algunas aguas.
CONCEPTO Conductividad TSD Na SiO2 Carbón
orgánico total (COT)
ORIGEN cm
Sµ ppm ppm ppm ppm
Mar 51000 36000 11000 1 – 20 1 – 10 Residual urbana
600 – 2000 500 – 1500 50 – 200 5 – 20 100 – 300
Río 100 – 3000 50 – 2000 5 – 800 2 – 200 10 – 40 Pozo 150 – 1000 100 – 600 1 – 100 10 – 30 < 1
Pozo salobre 1200 – 10000 800 – 6000 150 – 1500 1 – 20 1 – 5 Municipal 600 – 2000 400 – 1200 15 – 150 1 – 6 2 – 6
Química pura 25ºC
0.0548 0 0 0 0
Las aguas superficiales están mucho más expuestas a la contaminación derivada de la
actividad humana y contiene, además de materia orgánica, todo tipo de productos de
origen industrial o agrícola.
Los contaminantes acuáticos se dividen en los siguientes grupos:
1. Gases disueltos: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, amoniaco.
2. Materias en suspensión: arena, arcilla, fangos diversos, restos de vegetales.
3. Materias emulsionadas: aceites, hidrocarburos, suspensiones coloidales.
4. Sales minerales en disolución: carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloruros,
nitratos, silicatos… combinados con metales alcalinos, alcalinotérreos…
5. Materia orgánica de origen natural.
6. Compuestos sintéticos y artificiales de difícil biodegradación.
7. Metales pesados y tóxicos inorgánicos.
8. Organismos vivos que constituyen la fauna y flora del medio.
9. Organismos patógenos de origen animal o humano.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 44
1.5.6. Parámetros de calidad de las aguas.
Los procesos disponibles para mejorar la calidad de las aguas son muchos y muy
diferentes, aunque pueden clasificarse en cuatro grandes grupos:
1. Físicos.
o Sabor y olor.
o Color.
o Turbidez.
o Conductividad y resistividad.
2. Químicos.
o pH.
o Dureza.
o Alcalinidad.
o Coloides.
o Acidez mineral.
o Sólidos disueltos.
o Sólidos en suspensión.
o Sólidos totales.
o Residuo seco.
o Cloruros.
o Sulfatos.
o Nitratos.
o Fosfatos.
o Fluoruros.
o Sílice.
o Bicarbonatos y carbonatos.
o Otros componentes aniónicos.
o Sodio.
o Potasio.
o Calcio.
o Magnesio.
o Hierro.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 45
o Manganeso.
o Metales tóxicos.
o Gases disueltos.
3. Biológicos.
o Demanda biológica de oxígeno (DBO).
o Demanda química de oxígeno (DQO).
o Carbón orgánico total (COT).
4. Radiológicos.
5. Bacteriológicos.
1.5.7. Pretratamiento de adecuación para la ósmosis.
Se entiende por pretratamiento de una instalación de ósmosis inversa los procesos a
los que se debe someter el agua con objeto de acondicionarla, tanto física como
químicamente, para obtener el máximo rendimiento de las membranas, en producción y
en duración.
El pretratamiento del agua está encaminado a evitar la precipitación de sales sobre la
membrana, el atascamiento por óxidos metálicos, materia en suspensión,
microorganismos y la degradación química de la misma.
Dado que durante el proceso de ósmosis inversa se produce una concentración de
sales, hay que evitar que éstas alcancen su producto de solubilidad, puesto que en ese
caso precipitarían. La primera medida a tomar será trabajar a recuperaciones bajas, es
decir, factores de concentración bajos. Las sales más frecuentes que presentan
problemas de precipitación son el carbonato de calcio, el sulfato de calcio y la sílice.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 46
1.5.8. El Mar Mediterráneo.
El Mar Mediterráneo es un mar interior de Europa, Asia y África, unido al océano
Atlántico en su extremo occidental por el estrecho de Gibraltar. Conocido por los
romanos como el Mare Nostrum, el Mediterráneo es casi un mar cerrado. Tiene una
gran importancia política como salida marítima para los países de la antigua Unión de
Repúblicas Socialistas Soviéticas a través del Bósforo, el mar de Mármara, los
Dardanelos y el mar Negro, y para el acceso de Europa y América al petróleo de Libia,
Argelia y de la región del golfo Pérsico a través del canal de Suez y los oleoductos
terrestres.
El Mediterráneo cubre una extensión de unos 2510000 km2, tiene una longitud de
este a oeste de 3860 km y una anchura máxima de 1600 km. En general poco profundo,
1370 metros de media, el Mediterráneo alcanza una profundidad máxima de 5121
metros frente a la costa sur de Grecia.
Tabla XI- Características generales del Mar Mediterráneo.
DIMENSIONES 4000 km de Este a Oeste 46000 km de litoral
SUPERFICIE Representa el 1% de la superficie de los océanos. 2051 millones de km2. 5.4 veces la superficie de España.
VOLUMEN 3.4 millones de km3.
PROFUNDIDAD Media: 1370 metros. Máxima: 5121 metros.
MAREAS 0.40 de media.
TEMPERATURA
La temperatura del agua de la superficie varía según la estación del año. Verano: entre 21ºC y 30ºC. Invierno: entre 10ºC y 15ºC. A partir de 200 metros, la temperatura se mantiene constante (±13ºC).
SALINIDAD Media: 38% contenido de sal.
PRINCIPALES RÍOS Nilo. Po. Ebro. Ródano.
CAMBIO DE AGUAS Renovación cada 90 años.
CLIMA - Lluvioso en otoño. - Inviernos suaves.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 47
Figura 13 – Morfología aérea de la cuenca mediterránea
El Mediterráneo está sometido a dos sistemas de tiempo atmosférico, el subtropical y
el de las latitudes medias. El clima Mediterráneo se caracteriza por tener un invierno
templado, húmedo y ventoso, y un verano cálido, seco y relativamente en calma. Los
periodos de transición, desde abril a mayo y desde septiembre a octubre, son demasiado
cortos para ser considerados como estaciones propiamente dichas.
Las características de las estaciones están directamente relacionadas con el
movimiento y desarrollo de los grandes sistemas de presiones: el anticiclón permanente
de las Azores, el gran anticiclón continental de Eurasia y las bajas presiones sobre el
desierto norteafricano y el Atlántico tropical.
Esquemáticamente, el mar Mediterráneo se compone de tres principales masas de
agua:
1. Las aguas superficiales del Atlántico, con espesor de 50 a 200 metros y
salinidad que oscila entre 36.2 ups cerca de Gibraltar y 38.6 ups en la cuenca
levantina.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 48
2. Las aguas intermedias de la cuenca levantina, que se encuentran a una
profundidad entre 200 y 800 metros, con temperatura de 13 a 15.5ºC y salinidad
de 38.4 a 39.1 ups.
3. Las aguas profundas del Mediterráneo, formadas en sus cuencas occidentales
y orientales.
Las aguas profundas del Mediterráneo se caracterizan por una temperatura de 12.7ºC
y una salinidad de 38.4 ups, mientras que las aguas profundas del Mediterráneo oriental
se caracterizan por una temperatura de 13.6ºC y una salinidad de 38.7 ups.
La temperatura y la salinidad en la superficie del mar Mediterráneo en invierno se
exponen en las Figuras 14 y 15. Sin embargo, las características físicas de las masas de
agua han cambiado desde finales de la década de los 50. Sobre las causas de estos
cambios se debate si son debidos a un cambio global, o a la disminución de las
aportaciones de agua dulce. Recientemente se han observado también cambios en las
aguas profundas del Mediterráneo oriental.
Figura 14 – Temperatura en la superficie del mar
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 49
Figura 15 – Salinidad en la superficie del mar
Las variaciones del nivel del mar en las costas del Mediterráneo se limitan
generalmente a decenas de centímetros, principalmente a causa de las variaciones de
presión atmosférica y las mareas. La amplitud de las mareas en el mar Mediterráneo es
pequeña y predominan los efectos semidiurnos. Además, las estrechas plataformas
continentales evitan la amplificación de las mareas en las costas, por lo que sólo en el
norte del mar Adriático se pueden observar desplazamientos mareales importantes.
1.5.9. Oceanografía química del Mar Mediterráneo.
Desde hace mucho tiempo se sabe que el mar Mediterráneo está empobrecido y sus
niveles de nutrientes son demasiado bajos para sustentar una gran biomasa. Hay un
aporte limitado de nutrientes a las aguas superficiales del Mediterráneo, tanto desde sus
capas inferiores como desde fuentes externas, tales como el océano Atlántico, las costas
ribereñas y la atmósfera, pero la principal razón de su pobreza en nutrientes está
relacionada con la hidrología y la circulación del Mediterráneo como cuenca de
concentración.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 50
Las aguas del Mediterráneo, aparte de su relativa pobreza en nutrientes, suelen
contener más nitrógeno que fósforo y se caracterizan por una relación nitrato/fosfato
que difiere de la de los océanos abiertos, sobre todo de la del Atlántico. La relación N:P
en el Mediterráneo se sitúa entre 20 y 26, es decir, mayor que el valor N:P = 16:1
observado por Redfield en el Atlántico. El mar Mediterráneo parece ser una excepción,
donde el fósforo es el factor más limitante.
El Mediterráneo aparece en la Figura 16, compuesta a partir de 30 fotografías de
satélite parciales, como un mar de aguas pobres, excepto en determinadas zonas, las
cuales corresponden a áreas de producción natural elevada (giro del mar de Alborán,
frentes catalano-balear y liguro-provenzal, litorales fertilizados por los aportes del Ebro,
el Ródano, el Po y el Nilo) bien a regiones en las que la producción se debe a la
eutrofización de origen humano (sobre todo mares Adriático y Negro). Los colores más
cálidos (rojos) corresponden a las mayores concentraciones de clorofila, el pigmento
fotosintético del fitoplacton y los macrófitos, y los más fríos (azules) a las aguas más
pobres en clorofila.
Figura 16 – Fotografías de satélite del Mar Mediterráneo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 51
1.5.10. Oceanografía biológica del Mar Mediterráneo.
Las características de la vida marina del Mediterráneo reflejan los principales
factores de un ambiente abiótico, por ejemplo, la deficiencia de nutrientes, la
temperatura de las aguas profundas (>13ºC), las mareas de poca amplitud, así como los
acontecimientos geológicos antiguos y recientes, siendo el conocimiento de las
limitaciones físicas fundamental para entender el ecosistema pelágico.
El esquema general de la evolución anual del plancton se basa en la fuerte floración
del fitoplancton en primavera y, en menor medida, en otoño, lo que se asocia con la
máxima variabilidad del gradiente de temperatura y salinidad. La floración pelágica es
mínima en verano e invierno, por ser los parámetros físicos mucho más estables.
Como en otros sistemas, la vida en una columna de agua está gobernada por las
relaciones tróficas: la producción primaria depende de la luz, el dióxido de carbono y
los nutrientes.
En comparación con otros mares u océanos, la productividad primaria en las partes
centrales del Mediterráneo occidental y oriental, como en otras zonas costeras lejos de
la influencia de los grandes ríos o de las aglomeraciones urbanas, es bastante baja.
Diversos factores pueden contribuir a ello: la distribución temporal y espacial de los
mecanismos de fertilización; la circulación superficial y la profunda forzadas por los
intercambios de agua que tienen lugar en los principales estrechos; y la entrada de
sustancias a través de los ríos, la escorrentía y la atmósfera, todos ellos de gran
importancia para entender los ciclos de muchos elementos importantes, incluyendo los
nutrientes.
En líneas generales, la vida marina del Mediterráneo puede ser caracterizada de
manera resumida por tener poca biomasa y gran diversidad.
Con respecto a la diversidad, el mar Mediterráneo, que representa sólo el 0,8% de la
superficie y menos del 0,25% del volumen de los océanos del mundo, incluye
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 52
aproximadamente el 7% de la fauna marina conocida y el 18% de la flora marina
mundial, con un 28% que es endémica en el mar Mediterráneo. La colección de
comunidades más típica y mejor conocida viene representada por el ecosistema de la
planta marina Posidonia oceánica, que se desarrolla formando grandes praderas a una
profundidad entre 25 y 40 m de la parte infralitoral de la cuenca occidental y la oriental
del mar Mediterráneo.
1.5.11. Composición química del agua de mar para su desalación.
Los elementos inorgánicos mayoritarios presentan, por lo general, un
comportamiento conservativo, con la excepción del ion Ca2+, que muestra variaciones
notables en su concentración en relación con la profundidad y el tipo de ambiente
considerado. Por el contrario, los elementos minoritarios no presentan un
comportamiento conservativo y muestran en su concentración una gran variabilidad
como respuesta a la influencia de un grupo de factores que actúan indistintamente sobre
el medio marino.
El pH del agua de mar está, como promedio, alrededor de 8. En este caso, muchos
iones metálicos, principalmente los de transición, se hidrolizan formando pequeñas
partículas coloidales que terminan por coagular y precipitar en la mayoría de los casos.
El mar tiene una gran variedad de sustancias orgánicas, cuya concentración media
está comprendida entre 0.3 y 3 mg de carbono orgánico por litro. El origen de dichas
sustancias puede ser el siguiente:
1. Continental: materia orgánica que procede de los aportes fluviales en forma de
materiales húmicos y materia vegetal lixiviada del suelo. El viento y los vertidos
urbanos e industriales también son fuentes significativas de materia orgánica.
2. Descomposición de los organismos: este proceso ocurre bajo dos mecanismos,
la autólisis, llevada a cabo por enzimas presentes en las células muertas del
propio organismo, y la acción bacteriana.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 53
3. Excreciones de las algas: como consecuencia de ciertos procesos fotosintéticos,
las algas liberan una amplia gama de compuestos orgánicos. Normalmente, los
productos excretados están constituidos por moléculas pequeñas, como el ácido
glicólico, aminoácidos e hidratos de carbono.
4. Excreciones de animales marinos: el zooplancton es una fuente no
despreciable de material orgánico disuelto. Los compuestos mayoritarios de las
excreciones son sustancias orgánicas nitrogenadas.
Dada su extensión, el mar se presenta como un gran almacén de gases procedentes de
la atmósfera. En la interfase creada entre el mar y la atmósfera tiene lugar un
intercambio de gases cuya intensidad depende de la constante de Henry y de la
diferencia de concentración del componente gaseoso entre la atmósfera y el líquido
marino. La solubilidad de un gas en el agua de mar, además de depender de la
temperatura y de la presión, también depende de la salinidad.
1.5.12. Operación de filtración.
Se puede definir la operación de filtración como el proceso de separación de las
partículas sólidas de un líquido. Dichas partículas sólidas, sobre todo las de pequeño
tamaño, son las responsables de la turbidez del agua y se caracterizan por ser sólidos en
suspensión
aguaLmateriamg .
Existen tres tipos de filtración en función del sentido de flujo del agua y del tipo de
retención de sólidos que se realiza:
1. Filtración en superficie: los sólidos de tamaño superior a un cierto tamaño de
paso, quedan retenidos sobre una superficie filtrante perpendicular al flujo de
agua (caso A de la Figura 17). Este fenómeno sucede, por ejemplo, en los filtros
de cartucho. El principal inconveniente de estos filtros es que no son capaces de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 54
retener grandes cantidades de sólidos, ya que éstos, al acumularse, impiden el
paso del agua.
2. Filtración en profundidad: los sólidos son retenidos por distintos mecanismos
(fuerzas de Van der Waals, interceptación mecánica…) en la masa de un medio
granular (caso B de la Figura 17). El ejemplo más representativo de este tipo son
los filtros de arena, cuya principal ventaja es su gran capacidad de retención de
sólidos en suspensión.
3. Filtración tangencial: es análoga a la filtración en superficie pero con la
diferencia de que el agua circula paralelamente a la superficie de filtración (caso
C de la Figura 17). Un ejemplo típico de filtración tangencial es la ósmosis
inversa. La principal ventaja de este sistema es que el agua que se va a filtrar
realiza el barrido de los sólidos evitando su acumulación, aunque, en general,
debe realizarse a presión para obligar al agua a pasar a través de la superficie
filtrante.
Figura 17 – Esquema simplificado de los tipos de filtración
→→→→ Estructura de los filtros.
La estructura de un filtro está relacionada con el funcionamiento del lecho o medio
filtrante, que posee una granulometría determinada. Este medio filtrante es el
responsable de llevar a cabo la retención de los sólidos en suspensión. El proceso se
lleva a cabo de la siguiente manera (Figura 18):
1. Zona de saturación o de almacenamiento: el medio filtrante se mezcla con la
materia en suspensión, los sólidos retenidos descienden a capas inferiores y el
paso de agua es reducido. La pérdida de carga es elevada en esta zona.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 55
2. Zona de transición o de transferencia: el medio filtrante contiene una cierta
cantidad de materia en suspensión y todavía es capaz de retener la mayor parte
de sólidos que le llegan. El paso de agua es menor que el nominal de diseño y la
pérdida de carga es mayor.
3. Zona de seguridad: el medio filtrante sólo recibe agua limpia. La altura de esta
zona sin usar es la garantía de que la calidad de agua filtrada es la requerida. El
paso de agua es el inicial y la pérdida de carga es la de diseño.
4. Zona de soporte: es el sistema encargado de recoger el agua filtrada y, durante
el lavado del filtro, distribuir uniformemente el aire y el agua de lavado. Esta
zona es del mismo material base que el medio filtrante, pero de mayor
granulometría.
Figura 18 – Representación gráfica simplificada del proceso de filtración
→→→→ Proceso de filtración.
El proceso de filtración puede resumirse en los siguientes pasos:
1. La zona de transferencia se desplaza en el sentido del flujo del agua.
2. La altura de la zona de saturación aumenta.
3. La altura de la zona no usada disminuye.
4. La pérdida de carga aumenta a medida que el filtro va saturándose.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 56
El ciclo de filtración se da por terminado cuando la zona de transferencia llega a la
salida del lecho, o la pérdida de carga en el filtro es la máxima permitida. El filtro debe
ser contralavado para eliminar, por arrastre de agua a contracorriente, los sólidos en
suspensión almacenados en el seno del medio.
A partir de este instante, si se continúa filtrando, puede suceder que se produzcan
fugas de la materia retenida y/o que las partículas del medio filtrante se rompan por
acción de la presión.
1.5.13. Medios filtrantes implicados en el proceso de desalación.
En el caso del proceso de desalación, la materia prima, su procesado y el modo de
aplicación de los medios filtrantes son las claves para obtener un rendimiento adecuado
en cada una de las distintas etapas en que se emplean. La antracita, la arena y el
carbonato cálcico son tres materias primas que permiten su utilización en el proceso de
desalación:
1. Pretratamiento o eliminación de los sólidos en suspensión.
2. Postratamiento o ajuste de pH y remineralización del agua osmotizada.
Las principales características y diferencias entre la antracita, la arena y el carbonato
cálcico que sirven para definir los distintos usos de cada producto se detallan en las
siguientes tablas:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 57
Tabla XII – Comparativa de las características de la antracita frente a la arena y al carbonato cálcico.
CARACTERÍSTICAS ANTRACITA FILTRANTE
ARENA FILTRANTE
CARBONATO CÁLCICO
MATERIA PRIMA Pureza en materia prima base
> 92% carbono > 97% SiO2 > 99.1% CaCO3
Pérdida por fricción en tres años
< 0.4% No relevante No relevante
Densidad aparente 720 – 740 3m
kg 1500 3m
kg 1500 3m
kg
Reactividad química (20% HCl a las 24h)
< 1% masa < 1% masa Elevada
Porosidad Baja Baja Elevada Forma Angulosa Esférica Irregular Microestructura No relevante No relevante Cristalina PROCESADO
Granulometrías estándar
0.8 – 1.6 mm 1.4 – 2.5 mm 2.5 – 4.0 mm
0.4 – 0.8 mm 0.7 – 1.2 mm 1.0 – 2.0 mm
1.0 – 2.0 mm 1.2 – 1.8 mm 1.8 – 2.5 mm 2.5 – 4.0 mm
% material mayor que el tamaño de partícula
< 5% < 5% No relevante
% material menor que el tamaño de partícula
< 5% < 5% No relevante
Talla hidráulica 1.15 mm 1.85 mm 3.09 mm
0.59 mm 0.90 mm 1.40 mm
No relevante
RANGO RECOMENDADO DE DISEÑO
Velocidad de filtración 5 – 30 ( )h
m 5 – 30 ( )h
m 5 – 30 ( )h
m
Altura del lecho filtrante 400 – 1200
mm 400 – 1000 mm > 1500 mm
Pérdida de carga del lecho máxima
1.5 mca 1.5 mca No relevante
Velocidad de agua de lavado
35 – 65 ( )h
m 35 – 65 ( )h
m 25 – 40 ( )h
m
Expansión del lecho > 25% > 25% > 25% De manera simplificada se puede decir:
1. La antracita filtrante es un medio cuyas características permiten la eliminación
de los sólidos en suspensión de un gran tamaño.
2. La arena filtrante es un medio cuyas características permiten la eliminación de
los sólidos en suspensión de pequeño tamaño.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 58
3. El carbonato cálcico es un medio cuyas características permiten su utilización en
el proceso de postratamiento o ajuste del pH y remineralización del agua
osmotizada.
1.5.14. Eliminación de los sólidos en suspensión.
La eliminación de sólidos en suspensión en el proceso de desalación mediante
ósmosis inversa tiene como objetivo principal la protección de las membranas frente a
la entrada en la zona de presión de los coagulantes y otros productos en forma sólida.
Los tres tipos de filtros más comunes que se pueden encontrar actualmente son:
1. Filtro convencional: monocapa de arena.
2. Filtro de alto rendimiento: bicapa antracita – arena.
3. Filtro tricapa.
► Filtro convencional: monocapa de arena.
La filtración sobre arena es el sistema convencional de eliminar los sólidos en
suspensión y garantizar una óptima calidad del agua. Para obtener un filtro de arena que
cumpla las expectativas de rendimiento que se requieren, deben seguirse los pasos
indicados en la Tabla XIII.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 59
Tabla XIII – Representación simplificada del proceso de diseño de un filtro monocapa.
PASOS PARÁMETROS INDICADORES
ESTÁNDAR RANGOS ESTÁNDAR
Determinación de la granulometría de la arena
Calidad de agua de entrada.
Calidad de agua de salida
SSdeLmg
µm de talla efectiva
0.4 – 0.8 mm 0.7 – 1.2 mm
Determinación de la granulometría de la grava
Granulometría de la arena
mm 100 mm de 1.5 – 2.5 mm
100 mm de 3.5 mm Determinación de la
velocidad aire/agua del contralavado
Granulometría de la arena
mm 35 – 65 h
m
Determinación de la altura de capa
Duración del ciclo Horas > 1000 mm arena
Determinación de la velocidad de filtración
Calidad de agua de entrada.
Calidad de agua de salida
SSdeLmg
µm de talla efectiva
5 – 30 h
m
Determinación de la sección de paso del filtro
Caudal a tratar h
m3
-----
► Filtro de alto rendimiento: bicapa antracita – arena.
La filtración en doble capa antracita – arena filtrante es el sistema más eficiente de
eliminar los sólidos en suspensión. El filtro bicapa antracita – arena aprovecha las
ventajas de combinas ambos medios (Figura 19):
1. Antracita: posee una densidad baja y una granulometría elevada y de forma
angulosa, lo que le proporciona una elevada capacidad de retención de sólidos
en suspensión en la parte superior del lecho.
2. Arena: posee una baja densidad y una granulometría pequeña y de forma
redondeada, que le proporciona la garantía de una fuga nula de sólidos.
3. Grava soporte: su densidad es elevada y posee una distribución granulométrica
adecuada (al menos, dos capas) y un espesor suficiente, lo que permite el reparto
uniforme del aire y el agua de lavado en toda la sección del filtro.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 60
Figura 19 – Representación gráfica simplificada del funcionamiento de un filtro bicapa
El máximo rendimiento de la doble capa de antracita y arena con la combinación
adecuada de granulometrías (teniendo en cuenta la granulometría de la grava soporte),
permitirá retener entre 4 y 11 filtrantemediovolumenm
SSdekg3 y por ciclo de
filtración.
El principal problema de este tipo de filtro es la mezcla de las distintas capas. Para
evitarlo, se deben conocer las características de los medios filtrantes y su correcta
combinación, así como las condiciones de explotación adecuadas, entre las que destacan
las siguientes:
1. Respetar la relación de la talla hidráulica de los medios como única garantía
para minimizar la mezcla de capas.
2. Mantener la proporción de material con un tamaño de partícula superior o
inferior a los límites admitidos en un valor menor del 5% del total.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 61
3. Realizar un correcto contralavado del filtro, utilizando aire en una primera etapa
de lavado para expansionar correctamente ambos medios filtrantes y,
posteriormente, emplear agua para el arrastre de la suciedad retenida.
► Filtro tricapa.
La teoría del filtro tricapa explota al límite el concepto de filtración que propone la
filtración bicapa o dual:
1. Las capas superiores, de baja densidad y mayor granulometría, retienen los
sólidos en suspensión de gran tamaño.
2. Las capas inferiores, de elevada densidad y menor granulometría, garantizan la
calidad del agua filtrada.
3. El rendimiento por ciclo de filtración aumenta.
La práctica del filtro tricapa muestra la realidad:
1. Los materiales de una densidad lo suficientemente baja como para quedar
estratificados sobre la capa de antracita, son porosos.
2. Los materiales porosos se llenan de agua y de materia en suspensión.
3. Los materiales aumentan su densidad hasta niveles incompatibles con la capa
inferior.
4. Las capas de materiales porosos y antracita se mezclan.
5. El filtro deja de funcionar.
1.5.15. Conclusiones.
La filtración sobre medio granular en el proceso de desalación sólo es realmente
efectiva cuando todos los elementos que la integran han sido adecuadamente diseñados
y convenientemente gestionados.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 62
Únicamente el conocimiento extraído de la experiencia práctica y aplicado
individualmente a cada caso, permite obtener un rendimiento adecuado de las
instalaciones de filtración. Dicho conocimiento debe emplearse a lo largo de todo el
proceso de selección de la materia prima, su procesado y el diseño del sistema de
filtración.
1.5.16. Análisis de diseño.
El análisis del agua de mar que se toma como base es el siguiente:
Tabla XIV – Análisis del agua de mar.
CATIONES (ppm) ANIONES (ppm) Ca++ 427 CO3
2- 0.5 Mg++ 1565 HCO3
- 138.5 Na+ 11870 SO4
2- 2177 K+ 340 F- 0.1 NH4
+ 0 Cl- 22291 Mn2+ 0 NO3
- 0.3 B- 5
Fe++ 0 PO4
3- 0 TOTALES 14202 TOTALES 24612.40
1.5.17. Características adicionales.
Tabla XV – Características adicionales.
PARÁMETRO VALOR
Salinidad total L
mg4.38814
Conductividad (20ºC) cm
uS47100
pH 7.90
SiO2 Lmg14.0
TAC 14 F Color < 15 U Pt SAR 54.57 pH de equilibrio 6.94
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 63
1.5.18. Evolución de la temperatura del agua.
Se ha considerado que la temperatura del agua bruta en las proximidades de la región
de Murcia puede fluctuar entre 19 y 23 ºC, con los valores medios considerados
recogidos en la siguiente tabla:
Tabla XVI – Evolución de la temperatura del agua.
MES TEMPERATURA MES TEMPERATURA Enero 19 Julio 22 Febrero 19 Agosto 23 Marzo 20 Septiembre 21 Abril 21 Octubre 20 Mayo 21 Noviembre 19 Junio 22 Diciembre 19
El valor promedio de la temperatura del agua será, por tanto, de 20.6ºC.
1.5.19. Datos complementarios.
Además de los datos indicados en los apartados anteriores, se han considerado los
siguientes:
1. Número de líneas a instalar ............................2
2. Caudal útil por línea .......................................día
m3
8000
3. Conversión de trabajo.....................................53%
El valor de la conversión de trabajo es un valor orientativo, ya que puede fluctuar
entre el intervalo 45% - 55%. Sin embargo, se considera que una conversión de trabajo
del 53% es la adecuada, ya que es cercano al valor máximo de conversión pero no llega
a él, lo que provocará que el equipo no trabaje a potencia máxima y, como
consecuencia, no esté sometido a un esfuerzo demasiado alto, que provoque un rápido
desgaste.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 64
El Contratista Adjudicatario de las obras comprobará los datos de partida y revisará
los cálculos del proyecto a fin de realizar las correcciones oportunas si fuera necesario.
1.5.20. Colectores.
El material de todas las tuberías de conexión entre los diferentes edificios será de
PRFV con timbraje mínimo de 6 atmósferas, excepto las impulsiones de agua producto,
en donde se podrán utilizar tubulares de fundición dúctil.
► Bombeo de agua de mar de la nueva desaladora.
Desde el edificio de proceso se instalará un emisario submarino con una longitud de
1500 m, a fin de evitar las posidonias presentes en el mar Mediterráneo. Dicha
conducción transportará el agua bruta (agua de mar) para su tratamiento de desalación
en el edificio de proceso.
► Vertidos.
Las aguas de vertido comprenden las aguas de lavado de filtros, las aguas pluviales y
las de aseos de las oficinas.
La planta dispondrá de un sistema de tratamiento de las aguas de lavado de filtros,
para lo que es necesario instalar un colector en el interior de la parcela para el transporte
de las aguas de lavado desde la planta de proceso hasta la planta de tratamiento
instalando una conducción de 170 m de longitud y 400 mm de diámetro. Este
tratamiento de aguas de lavado recogerá igualmente las aguas residuales de los aseos de
la planta.
Tanto las aguas provenientes del sistema de lavado como las aguas pluviales
procedentes de la urbanización interior de la planta desaladora, verterán al colector
general que recoge todas las aguas antes del vertido al mar en una arqueta situada junto
al depósito de almacenamiento de agua producto, y desde aquí hasta el pozo de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 65
conexión del colector de vertido al mar existente, por medio de un sistema de
conducción cuya longitud estimada es de 110 m y 600 mm de diámetro. Se ha previsto
que pueda desaguar a este sistema de evacuación el desagüe de fondo del depósito de
almacenamiento de agua producto por medio de una conducción de 40 metros de
longitud y 300 mm de diámetro.
Las salmueras originadas en la planta desaladora serán recogidas y almacenadas para
su posterior tratamiento en una planta adecuada, con el fin de minimizar el caudal de
vertidos al mar y el impacto ambiental que éstos suponen.
► Agua de lavado de filtros.
Se ha previsto dotar a la nueva planta desaladora de un proceso físico – químico con
posterior decantación para el tratamiento del agua de lavado de filtros y proceder a su
posterior vertido junto con la salmuera producto de la ósmosis inversa
Se dispondrá de un filtro de arena (de seg
L200 de caudal de entrada por filtro) por
bastidor de ósmosis inversa (de día
m3
8000 de producción por bastidor) y un tercero de
reserva en la planta de tratamiento.
De igual forma, la planta desaladora dispone de dos filtros de arena (de seg
L125 de
caudal de entrada por filtro) para alimentación de los dos bastidores de ósmosis inversa
y un tercer filtro de reserva, no disponiéndose de tratamiento para el agua de lavado de
estos filtros, de modo que se pretende transportar esta agua de lavado hasta la planta de
tratamiento.
La instalación se diseñará de modo que no exista simultaneidad en el tratamiento de
las aguas de lavado de filtro cuyo caudal es similar al de filtración.
Puesto que el proceso físico – químico con posterior decantación se instalará en la
nueva planta, es preciso disponer, en primer lugar, de una conducción de transporte
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 66
desde la planta existente hasta el depósito de almacenamiento de agua de lavado y,
seguidamente, hasta el colector de vertido.
► Bombeo de agua producto de la planta desaladora.
El agua producida en la planta desaladora se bombeará hasta el embalse o depósito
más cercano. Las capacidades máximas de transporte de la conducción se deben
calcular teniendo en cuenta las características de las conducciones instaladas y
considerando una velocidad de circulación del agua de seg
m2 .
1.5.21. Línea de tratamiento.
► Pretratamiento.
1. Captación y bombeo de agua de mar.
2. Dosificación de hipoclorito.
3. Dosificación de ácido.
4. Dosificación de coagulante.
5. Filtración sobre arena.
6. Equipo de lavado de filtros de arena.
7. Dosificación de bisulfito.
8. Dosificación de dispersante.
9. Filtros de cartucho.
► Ósmosis inversa.
1. Bombeo a alta presión.
2. Ósmosis inversa.
3. Equipo de lavado de membranas.
4. Unidad de desplazamiento.
5. Depósito de compensación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 67
1.5.22. Equipos electromecánicos.
► Membranas.
Se propone un funcionamiento que permite reducir el consumo específico de energía
entre 33.02.0m
hkW ⋅− , aumentando la conversión de trabajo del sistema al 53% y
mejorar notablemente el flujo promedio por unidad de superficie de membrana.
Todo ello se consigue con un bastidor de dos etapas, con 164 cajas presión de 6
elementos de membranas cada una (80 en la primera etapa y 86 en la segunda, con un
total de 9846164 =⋅ membranas).
De este modo, al garantizar un flujo promedio tan bajo se consigue minimizar el
castigo de las membranas de las primeras posiciones, consiguiendo un buen equilibrio
hidráulico entre todas ellas, reduciéndose los lavados del bastidor y la reposición de
módulos.
Este diseño debe ser comprobado por los licitadores para ratificar su viabilidad y, en
caso de ser necesario, modificar las hipótesis de partida propuestas.
► Bombeo de alta presión.
El bombeo de alta presión, además de mejorar notablemente el consumo específico
de energía, permite trabajar a baja tensión (660V) incorporando variadores de
frecuencia. Se sustituye la tradicional turbobomba de alta presión de 950 kW a 6000 V
por turbobombas de 560 kW a 660 V, más otra bomba booster en cada línea para
alimentación de la segunda etapa de 450 kW a 660 V, dotada de variador de frecuencia.
► Reactivos.
Los reactivos se han previsto con un diseño racional en cuanto a volúmenes de
almacenamiento, acordes con un buen criterio de explotación, dotando a esta instalación
de absoluta independencia.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 68
► Filtros de arena.
La filtración sobre arena deberá contemplar la incorporación en el proyecto de
motobombas diseñadas para lavar con salmuera, con el objetivo de mejorar la eficacia
del lavado.
► Filtros precapa.
La filtración sobre precapa se contemplará como una instalación, absolutamente
independiente, con los equipos de preparación y compensación, junto con los propios
filtros.
► Lavado y desplazamiento.
Lo indicado en el punto anterior se debe tomar en consideración con los equipos para
desplazamiento y lavado de membranas en cuanto a su dimensionamiento hidráulico,
dado lo indicado en la ósmosis, por cambio a dos etapas en el bastidor y aumento del
número de tubos al subir la conversión.
► Electricidad.
El diseño del bombeo de alta presión y concepción del bastidor en doble etapa
implica cambios importantes al bajar la tensión de suministro. De este modo, el centro
de transformación se reduce y desaparecen las celdas de media tensión, aumentando el
capítulo de baja tensión. No obstante, el presupuesto global de la instalación eléctrica se
reduce considerablemente, al ser más económicos los equipos de aparellaje en baja
tensión.
1.5.23. Descripción de las plantas desaladoras de agua de mar.
Para explicar el proceso de la ósmosis inversa, se debe conocer previamente el
fenómeno de la ósmosis natural. Si se separan mediante una membrana semipermeable
(que permite el paso a su través del disolvente, el agua, y no del soluto), las sales de dos
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 69
soluciones acuosas, una concentrada y otra diluida, se observa que se establece un flujo
de agua, y no de soluto, desde la solución diluida (agua pura) hacia la solución salina
(concentrado). Este fenómeno de difusión de soluto a través de la membrana se produce
por una tendencia natural a igualar las concentraciones a ambos lados de la membrana
semipermeable.
El flujo de agua continuaría hasta igualar ambas concentraciones; sin embargo, el
paso de agua hacia el compartimento concentrado hace aumentar el nivel de la solución
respecto del compartimento diluido. Esta diferencia de altura produce una presión
hidrostática contraria al flujo osmótico, de forma que cuando la diferencia de altura
iguala la necesaria para que el disolvente siga pasando a través de la membrana, el flujo
se detiene. En este momento se alcanza el equilibrio osmótico y la diferencia de presión
entre compartimentos se denomina presión osmótica. Si a continuación se somete a la
solución concentrada a una presión hidrostática superior a su presión osmótica natural,
se observa que el agua circula en sentido contrario.
La concentración de la solución más rica en sales aumenta conforme va perdiendo
agua, mientras que al otro lado de la membrana se obtiene agua con un contenido en
sales muy bajo. A este fenómeno se le conoce con el nombre de ósmosis inversa.
En la práctica, el funcionamiento básico de la ósmosis inversa consiste en que una
bomba envía agua a presión, con alto contenido en sales, hasta una membrana
semipermeable, de manera que dicha presión supere la presión osmótica necesaria para
que el agua la atraviese. Este es un proceso continuo, y se obtiene, por un lado, agua con
un mínimo contenido en sales (permeado), y por otro una salmuera concentrada
(rechazo). La presencia de una válvula reguladora en la salida del rechazo permite
controlar la conversión del sistema, es decir, la cantidad de permeado producido
respecto del agua de alimentación.
Sin embargo, una planta desaladora de agua de mar es un sistema más complejo, en
el que intervienen diversas fases de proceso. Estas fases, o componentes de una planta
desaladora en el sentido más amplio son las siguientes:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 70
1. Captación del agua de mar: consiste en la toma del agua de mar que
posteriormente será desalada. Existen diversos métodos de captación, de los
cuales dependerá en gran parte el funcionamiento de la planta.
2. Pretratamientos: el agua de mar no puede ser enviada directamente a las
membranas de ósmosis inversa, pues lleva consigo otros componentes que
pueden afectar a la eficiencia del funcionamiento de las mismas, así como a su
vida útil. Por tanto, es necesario realizar una serie de tratamientos al agua de mar
captada para adecuarla a la calidad mínima requerida.
3. Bombeo de alta presión y recuperación de energía: una vez realizados los
pretratamientos, el agua ha de ser impulsada a la presión necesaria hacia las
membranas, para lo cual se utilizan potentes bombas de alta presión. Este
bombeo produce un elevado consumo energético, por lo que para su
minimización se utilizan sistemas de recuperación de energía que, a partir de la
presión residual que lleva el agua de rechazo de las membranas, consiguen
economizar la energía externa a aportar mediante las bombas de alta presión.
4. Tratamiento del agua por ósmosis inversa: es la fase de ósmosis inversa
propiamente dicha. Las membranas se colocan en el interior de tubos de presión,
que se distribuyen en tantos bastidores como sea necesario. Aquí es donde, a
partir del agua de alimentación, se obtiene un permeado (agua desalada) y un
agua de rechazo (salmuera). El buen funcionamiento, las condiciones de
operación y el mantenimiento de las membranas incidirá directamente en la
viabilidad de la planta.
5. Postratamientos: el agua desalada obtenida es prácticamente pura; presenta una
salinidad mínima y, en principio, ausencia de partículas en suspensión y
microorganismos. Sin embargo, según el consumo al que vaya destinada el agua
desalada, es necesario realizar una serie de tratamientos posteriores a la
desalación para adecuarla a la legislación vigente. Evidentemente, los
postratamientos más complejos se realizan cuando el agua desalada se destina al
abastecimiento de poblaciones.
6. Almacenamiento e impulsión del permeado: el agua producida en la planta
debe distribuirse a sus usuarios finales, para lo cual será necesario construir los
depósitos o embalses de almacenamiento necesarios para la regulación del
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 71
suministro, así como de los grupos de impulsión y conducciones del agua para
hacerla llegar a todos los puntos de entrega.
7. Evacuación de salmuera: el agua de rechazo de la planta debe ser eliminado de
forma segura para el medio ambiente, por lo que su vertido, o cualquier otra
técnica de eliminación, puede ser un factor determinante en el proyecto de la
planta.
8. Instalaciones accesorias: la planta desaladora necesita otras instalaciones
auxiliares para su buen funcionamiento. Entre ellas, cabe destacar el sistema de
limpieza de membranas, agua de servicio a la planta, aire comprimido de
instrumentación, sistema de tuberías y todas las obras civiles necesarias.
Los diferentes diseños pueden incluir un mayor o menor grado de automatización del
control de los procesos. Es importante indicar que a mayor automatización se requiere
un incremento de la inversión. Sin embargo, un mayor grado de automatización y
centralización del control conllevará un ahorro en concepto de personal y una mayor
sencillez de manejo de la planta desaladora.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 72
1.6 ÓSMOSIS INVERSA, FUNDAMENTOS Y CARACTERÍSTICAS
1.6.1. Antecedentes histórico – científicos.
Los primeros estudios sobre la ósmosis se basaron en los principios de la medicina,
la biología, la fisiología… Hay que remontarse a finales del siglo XIX para encontrar
las primeras explicaciones, siempre basadas en el concepto de absorción y, por lo tanto,
en el proceso de alimento de la célula. Los fisiólogos del siglo XIX señalaban que la
absorción por flujo osmótico, a través de la membrana exterior que protege a la célula,
permite a ésta la alimentación y, por lo mismo, el mantenimiento del proceso vital de la
célula o de un organismo unicelular.
La ósmosis aparece ligada a muchas teorías y fenómenos (teoría de las soluciones,
teoría de los equilibrios termodinámicos, barreras de flujo de difusión), pero no existe
una teoría que explique el flujo osmótico.
1.6.2. Los principios.
Entre 1800 y 1900 se desarrollan la biología y la medicina, con Bichat como
precursor. Durante este periodo se produce un fuerte desarrollo científico e industrial,
que provoca que todos los investigadores busquen soporte científico para los fenómenos
observados en la química y sus procesos, lo cual les permitirá modelizar los
comportamientos biológicos. Mediado el siglo XIX se sigue avanzando en la
compartimentación de la ciencia, aparecen disciplinas como la fisicoquímica y las
reacciones termoquímicas y, por encima de todo ello, se desarrolla la física de las
soluciones, vital para el estudio de la ósmosis. Se debe tener en cuenta que la mayoría
de teorías nacen del intento de comprender el comportamiento del átomo y como lo más
fácil de manejar por su reacción rápida a los cambios de temperatura son los gases, la
mayoría de los experimentos están realizados con ellos.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 73
Tanto Thomas Graham, padre de la química de los coloides, y Raoult con su Teoría
de las Soluciones fueron los que sentaron las bases de la fisicoquímica como una
disciplina científica. Simultáneamente, numerosos científicos estudiaban dentro del
campo de la fisiología los fenómenos de transporte celulares en plantas y animales. De
aquí se deduce que tanto el estudio de los gases como su comportamiento en las
soluciones se entremezclan, sentando las bases sobre el fenómeno osmótico.
La ósmosis se basa en la Teoría de Soluciones y a pesar de que Graham fue el padre
de los estudios y experimentó sobre el flujo de difusión de un gas a través de un tapón
poroso, comienza a aparecer el concepto de hacer pasar sustancias a través de una
membrana semi-permeable, sin consumo de energía exterior. Pero fue Fick quien,
planteándose los experimentos de Graham sobre bases cuantitativas y por analogías
entre los estudios sobre conductividad eléctrica y calorífica, estableció formalmente la
matemática de la difusión: la presencia de un flujo de difusión es debido a una
diferencia de concentraciones. El principal problema es que tanto Graham como Fick
explicaban el fenómeno de la difusión de forma descriptiva y cuantitativa, pero no eran
capaces de encontrar el por qué. Hasta la segunda mitad del siglo XIX, con las
investigaciones de Maxwell sobre movimientos moleculares, velocidades relativas y
agitación, no se dio soporte a dicho por qué.
En 1748 Nollet, profesor de física experimental en la Universidad de Navarra,
experimentó con una membrana realizada a partir de la pared de la vejiga de una animal,
colocando alcohol a un lado y agua al otro y comprobó que el agua fluía de un lado al
otro para mezclarse con el alcohol. Nollet afirmó que el proceso contrario nunca se
produciría; es decir, descubrió la existencia de membranas semi-permeables y definió el
proceso osmótico que permitía el paso de uno de los componentes de una solución pero
no el de otros. Llamó solvente a la sustancia capaz de atravesar la membrana y soluto a
la que no puede fluir a través de ella. Sin embargo, no fue capaz de explicar por qué
ocurría este fenómeno.
Fue el investigador Henri Dutrochet quien realizó el descubrimiento del fenómeno
osmótico a través de membranas semipermeables, y lo hizo dentro de su objetivo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 74
principal: demostrar que las leyes fundamentales de la química y la física y, por lo tanto,
las matemáticas eran capaces de explicar los procesos básicos de la vida.
Así, puede fijarse como fecha del descubrimiento del fenómeno osmótico, tal y como
se conoce, el año 1828, fecha en la que Dutrochet publicó que si se tenían dos
soluciones con el mismo soluto, que no puede atravesar la membrana, una a cada
lado de una membrana semipermeable, el flujo osmótico ocurría siempre de la
solución menos concentrada a la más concentrada y, por supuesto, fluía el solvente
el cual provocaba una presión sobre la membrana a la que llamó presión osmótica.
Entre Van´t Hoff. y Gibbs consolidaron la relación entre la ósmosis y la teoría de las
soluciones, y la comparación entre la cinética de la ósmosis y la de los gases atrajo el
interés de la comunidad científica. Pero eran ideas equivocadas y fueron abandonadas a
principios del siglo XX, al descubrirse que la presión osmótica no es el resultado del
choque de las moléculas contra el tabique formado por la membrana. En este momento
comienza a manejarse el concepto de energía química de una solución,
estableciéndose definitivamente la fisicoquímica como una ciencia. Paralelamente, las
teorías termodinámicas químicas fueron avanzando, dando mayor explicación al
fenómeno osmótico y entendiendo la presión osmótica como una diferencia de energías
químicas de las soluciones.
1.6.3. El fenómeno de la ósmosis.
Si se tiene un recipiente con dos zonas, en las que existen dos soluciones con los
mismos constituyentes pero con distintas concentraciones, y se ponen en contacto
dichas soluciones, ocurre un fenómeno llamado difusión, que tiende a igualar la
concentración de ambas soluciones. Como ejemplo se puede considerar un caso sencillo
formado por un solvente como el agua y un soluto como el azúcar, de manera que la
concentración del azúcar en la zona 2 sea mayor que en la zona 1 (C2 > C1). Cuando se
ponen en contacto las dos soluciones, el azúcar se difunde desde la solución concentrada
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 75
(C2) hacia la solución diluida (C1),
mientras que el agua lo hace en sentido
contrario (Figura 20).
Figura 20 – Difusión sin barreras
Si se separan las dos soluciones con
una membrana que sólo permita la
difusión a su través de uno de los
constituyentes como, por ejemplo, el
solvente (agua), impidiéndoselo al soluto
(azúcar). Este tipo de membrana recibe el
nombre de membrana semipermeable
(Figura 21).
Figura 21 – Difusión a través de una membrana
En esta situación, el agua se pararía
cuando la presión generada por el aumento de nivel contrarrestase la que tiende a hacer
que el agua se difunda y pase a través de la membrana (Figura 22). A este fenómeno se
le llama ósmosis.
Si la solución 1 fuese de agua pura, es decir, C1 = 0, a la diferencia de alturas que
existiría entre ambos compartimentos cuando se alcanzase el equilibrio, se le llamaría
presión osmótica (π2) de la solución 2 (la
presión osmótica del agua pura se considera
nula por convenio). Por el contrario, si C1
fuese distinta de 0, la diferencia de alturas
cuando se alcanzase el equilibrio sería igual
a la diferencia de las presiones osmóticas de
las dos soluciones (∆π = π2 – π1).
Figura 22 – El fenómeno de la ósmosis
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 76
1.6.4. La ósmosis inversa.
Si considera de nuevo el sistema del
ejemplo anterior, pero suponiendo que se
ejerce en el compartimento 2 una presión
superior a la diferencia de presiones osmóticas
(Figura 23), se puede comprobar que la
difusión del agua ocurre en sentido inverso y
que el azúcar sigue sin poder atravesar la
membrana. A este fenómeno se le conoce con
el nombre de ósmosis inversa.
Figura 23 – Esquema de principio de la ósmosis inversa
Desde el punto de vista industrial, el proceso comienza cuando una bomba envía la
solución a tratar hacia una membrana semipermeable manteniendo permanentemente
una elevada presión en uno de sus lados, con lo que una parte del solvente y una
cantidad muy pequeña de soluto atraviesan la membrana.
Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada por ella
evacuan en continuo de sus compartimentos. El rechazo presenta habitualmente una
elevada concentración de sustancias disueltas, siendo baja la del producto o permeado,
mientras que una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo controla el
porcentaje de solución que es convertida en producto.
1.6.5. Definiciones y nomenclatura.
En el proceso de la ósmosis inversa, los conceptos más importantes y sus
nomenclaturas son:
1. Aportación o solución de aporte: solución que llega a las membranas de
ósmosis inversa. La nomenclatura que se utiliza para esta solución es:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 77
o Caudal: Qa
o Concentración: Ca
o Presión hidráulica: Pa
o Presión osmótica: πa
Al compartimento que contiene esta solución se le llama compartimento de alta
presión y a la cara de la membrana en contacto con este compartimento se le
conoce con el nombre de lado de alta.
2. Permeado o producto: solución que se obtiene al otro lado de la membrana,
después de atravesarla. La nomenclatura utilizada es:
o Caudal : Qp
o Concentración: Cp
o Presión hidráulica: Pp
o Presión osmótica: πp
Al compartimento que contiene esta solución se le denomina compartimento de
baja presión y a la cara de la membrana en contacto con él se le conoce con el
nombre de lado de baja.
3. Rechazo: solución, más concentrada que la aportación, que no puede atravesar
la membrana. También se le suele llamar concentrado o salmuera de rechazo. La
nomenclatura utilizada es:
o Caudal : Qr
o Concentración: Cr
o Presión hidráulica: Pr
o Presión osmótica: πr
4. Coeficiente de permeabilidad: volumen de solvente (agua) que atraviesa la
membrana por unidad de superficie, unidad de tiempo y unidad de presión a
temperatura y salinidad determinadas y constantes. Suele medirse en
bardiam
m
⋅⋅2
3
o en bardia
m
⋅ y se representa por A.
5. Porcentaje de recuperación o factor de conversión: cociente, expresado en
tanto por ciento, entre el caudal de permeado y el caudal de aportación que llega
a las membranas. Se representa por Y.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 78
a
p
Q
QY
aportacióndeCaudal
permeadodeCaudalY ⋅=⇒⋅= 100100
6. Conversión: porcentaje de recuperación expresado en tanto por uno. Se
representa por y.
a
p
Q
Qy =
7. Porcentaje de rechazo de sales: cociente, expresado en tanto por ciento, entre
la concentración de la solución de aporte menos la del permeado y la
concentración de la solución de aporte. Se representa por R.
a
pa
C
CCR
−⋅= 100
8. Porcentaje de paso de sales: cociente, en tanto por ciento, entre la
concentración de sales en el permeado y en la solución de aporte. Se representa
por Ps.
a
p
sC
CP ⋅= 100
9. Factor de conversión: número de veces que se concentran las sales en el
rechazo de la ósmosis inversa. Su valor es igual al cociente entre las
concentraciones de sales en el rechazo y en la solución de aporte. Se representa
por Fc.
a
r
cC
CF =
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 79
1.6.6. Relación entre los distintos parámetros.
Considerando constante la densidad de las distintas soluciones se pueden establecer
las siguientes igualdades:
1. Conservación del solvente: rpa QQQ +=
2. Conservación del soluto: rrppaa CQCQCQ +=
1.6.7. Membranas de ósmosis inversa.
Las membranas son las películas finas del material poroso que se pueden
utilizar para varias separaciones químicas. Aunque muchas membranas se hacen de
las películas del polímero, también pueden estar hechas de cerámica, de fibra de
carbón y de sustratos metálicos con poros (Figura 24). Los pequeños poros en las
membranas pueden servir de barreras físicas, impidiendo el paso de moléculas
como sales, bacterias y virus que van en el agua y en el aire.
Figura 24 – Membrana
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 80
Las membranas pueden clasificarse en función de distintos parámetros, según se
recoge en la siguiente tabla:
Tabla XVII – Clasificación de las membranas.
PARÁMETROS TIPOS
ESTRUCTURA Simétricas Asimétricas
NATURALEZA Integrales Compuestas de capa fina
FORMA
Planas Tubulares Fibra hueca Espirales
COMPOSICIÓN QUÍMICA Orgánicas Inorgánicas
CARGA SUPERFICIAL Neutras Catiónicas Aniónicas
MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE Lisas Rugosas
PRESIÓN DE TRABAJO
Muy baja Baja Media Alta
De máquina Inversión de fase Policondensación entre fases Polimerización de plasma
TÉCNICA DE FABRICACIÓN
Dinámicas
► Clasificación según su estructura.
Atendiendo a la estructura que presenten en un corte transversal a la superficie en
contacto con la solución a tratar, las membranas pueden ser:
1. Simétricas: se llaman membranas simétricas u homogéneas a aquellas cuya
sección transversal ofrece una estructura porosa uniforme a lo largo de todo su
espesor, no existiendo zonas de mayor densidad en una o ambas caras de la
membrana. Este tipo de membranas presentan una elevada permeabilidad al
solvente y un bajo rechazo de sales, por lo que se utilizan en otras técnicas pero
no son aptas para la ósmosis inversa.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 81
2. Asimétricas: este tipo de membranas presenta en su parte exterior, en la cara en
contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada
bajo la cual aparece un lecho poroso. A la capa densa y delgada se le llama capa
activa y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del
soluto. El resto de la membrana sólo sirve de soporte a la capa activa, debiendo
al mismo tiempo ofrecer la mínima resistencia posible al paso del solvente.
Todas las membranas de ósmosis inversa tienen capa activa y son, por tanto,
asimétricas.
► Clasificación según su naturaleza.
Atendiendo a su naturaleza, las membranas asimétricas pueden ser:
1. Integrales: en estas membranas existe continuidad entre la capa activa y el
lecho poroso soporte, siendo ambos del mismo polímero. Los dos tienen la
misma composición química y entre ellos no hay una clara separación, sino un
aumento progresivo de la porosidad. Las membranas de esta naturaleza se
obtienen haciendo coagular el polímero que las forma a partir de una solución
del mismo, tras lo cual se introduce la película en una serie de baños de agua a
distintas temperaturas para darle la estructura porosa, formar la capa activa y
eliminar los distintos disolventes residuales que hayan quedado en la membrana,
procedentes de la fase de fabricación de la película. El espesor de la capa activa
es del orden de las 0.25 micras y el del lecho poroso situado bajo ella y que le
sirve de soporte es de unas 99.75 micras (Figura 25). El principal inconveniente
de este tipo de membranas es que toda mejora de las características de la capa
activa viene acompañada de un peor comportamiento del lecho poroso, y
viceversa, al ser ambos del mismo polímero y tener misiones contrapuestas.
Figura 25 – Sección transversal de una membrana integral
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 82
2. Compuestas de capa fina: en este tipo de membranas, la capa activa y el
sustrato microporoso que le sirve de soporte son de materiales diferentes. La
membrana consta de tres capas de distintos materiales que, en orden
descendente, son:
o Capa superior: capa activa.
o Capa intermedia: lecho poroso soporte de la capa activa.
o Capa inferior: tejido reforzado responsable de la resistencia mecánica de
la membrana.
A diferencia de las membranas integrales, las compuestas de capa fina se
fabrican en dos etapas. En la primera etapa se deposita la capa intermedia sobre
una tela de refuerzo que constituye la capa inferior. El espesor del lecho poroso
ronda las 40 micras. En la segunda etapa se deposita sobre la capa intermedia la
capa superior o capa activa, cuyo espesor es de 0.2 a 0.5 micras (Figura 26).
Variando el tipo de polímero utilizado y los parámetros de fabricación se
obtienen membranas con distintas características, tanto de rechazo de sales como
de flujos de permeado por unidad de superficie.
Las membranas compuestas de capa fina son la evolución tecnológica de las
integrales y presentan, frente a ellas, las siguientes ventajas:
o Cada capa (activa, lecho soporte o tejido reforzado) puede desarrollarse y
optimizarse separada e independientemente, adecuando cada una a su
trabajo específico.
o Se puede variar a voluntad el espesor de la capa activa adecuándolo a las
necesidades específicas de cada aplicación.
o Puede alterarse la porosidad de la capa activa y, por tanto, su porcentaje
de rechazo de sales, así como el flujo de permeado, en función de las
necesidades.
Figura 26 – Sección transversal de una membrana compuesta de capa fina
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 83
► Clasificación según su forma.
Atendiendo a la forma que presenta la membrana, una vez fabricada, se pueden
distinguir los siguientes tipos:
1. Planas: este tipo de membranas presenta una capa activa plana. Se fabrican en
forma de lámina de papel continuo, cortándose posteriormente para adoptar
distintas formas geométricas en función de la técnica empleada para su posterior
ensamblaje.
2. Tubulares: se construyen en forma de tubo hueco, de distintas longitudes y su
diámetro interior oscila entre 6 y 25 mm. La capa activa en este tipo de
membranas suele encontrarse en la superficie interior del tubo. El resto del
espesor presenta una estructura porosa y sirve de soporte a la capa activa. La
solución a tratar circula por el interior, el permeado fluye radialmente del
interior hacia el exterior y el rechazo se obtiene en el otro extremo del tubo
(Figura 27).
Figura 27 – Esquema de circulación de flujos en membranas tubulares
3. Fibra hueca o capilares: este tipo de membranas dispone de una película muy
densa en su parte exterior que constituye la capa activa. Bajo esta fina película y
hacia el centro del tubo se encuentra la estructura porosa que le sirve de soporte.
El diámetro interior de la fibra varía según el fabricante y el tipo de aplicación
entre 42 y 120 micras y los diámetros exteriores correspondientes entre 85 y 250
micras (Figuras 28 y 29).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 84
Figuras 28 y 29 – Membrana de fibra hueca y sección transversal de la misma
La solución a tratar circula por el exterior de la fibra y el permeado fluye
radialmente desde el exterior hacia el interior, recogiéndose en el extremo de la
fibra (Figura 30).
Figura 30 - Esquema de circulación de flujos en membranas de fibra hueca
4. Espirales: consisten en hojas de membrana que se sitúan sobre un soporte
poroso y un espaciador. Este conjunto se enrolla sobre un tubo de PVC que
servirá como colector de agua permeada (Figura 31). Actualmente, el 60% de las
membranas utilizadas son de este tipo. La razón para esta popularidad se basa en
dos ventajas apreciables:
o Buena relación área de membrana / volumen del módulo.
o Un diseño que permite ser usado en la mayoría de las aplicaciones
(admite una turbiedad más de tres veces mayor que los otros sistemas y
permite trabajar con régimen turbulento).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 85
Figura 31 – Membrana en espiral
► Clasificación según la composición química.
Atendiendo a la composición química de la capa activa, las membranas pueden
clasificarse en dos grandes grupos:
1. Orgánicas: reciben este nombre todas aquellas membranas cuya capa activa está
fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánico. Aunque existe un gran
número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos,
con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la
ósmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en
la fabricación de las membranas de ósmosis inversa son:
o Acetato de celulosa (CA): acetilando la celulosa procedente de la madera
o del algodón se obtiene un producto llamado acetato de celulosa.
Tratándolo con agentes saponificantes se hidroliza una pequeña parte de
los grupos acetato, mejorando así su solubilidad y dando lugar al acetato
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 86
de celulosa modificado. Los tratamientos complementarios a que se
someten las membranas de acetato de celulosa tras su formación, cuyo
objeto es modificar las características de permeabilidad y de rechazo de
sales de la capa activa así como las distintas concentraciones y mezclas
utilizadas, han originado una gran diversidad de membranas. Las
ventajas e inconvenientes de este tipo de membranas se recogen en la
siguiente tabla:
Tabla XVIII – Ventajas e inconvenientes de las membranas orgánicas.
Ventajas Inconvenientes
· Alta permeabilidad
· Elevado porcentaje de rechazo de sales
· Tolerancia al cloro libre
· Bajo costo
· Alta sensibilidad a la hidrólisis
· Posibilidad de degradación
· Alto riesgo de disolución de la membrana
· Aumento del paso de sales con el tiempo
· Elevadas presiones de trabajo
La esperanza de vida de una membrana de esta naturaleza en función de
la temperatura y del pH de trabajo evoluciona según se representa en el
gráfico.
Figura 32 – Esperanza de vida de una membrana en función de la temperatura y el pH
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 87
o Triacetato de celulosa (CTA): tiene un mejor comportamiento que el
acetato de celulosa frente a la hidrólisis, lo que se traduce en la
posibilidad de trabajar en una gama de pH algo más amplia. Este
polímero, además de los inconvenientes señalados para el acetato de
celulosa, presenta el añadido de tener un caudal de permeado por unidad
de superficie más bajo, lo que provoca que se utilice para la fabricación
de membranas de fibra hueca ya que la superficie por unidad de volumen
que se consigue con esta forma es elevada, contrarrestando así el bajo
flujo de permeado.
o Poliamidas aromáticas (AP): en este grupo se incluyen dos polímeros
básicos muy similares entre sí desde el punto de vista químico y, por
tanto, con características de resistencia química parecida. Dichos
polímeros son:
� Poliamida aromática lineal (LAP): este tipo de polímero se utiliza
para fabricar membranas integrales, tanto planas como de fibra
hueca. La poliamida lineal no puede trabajar con pH bajos cuando
la solución de aporte tiene una salinidad reducida.
� Poliamida aromática con entrecruzamiento (CAP): este polímero se
utiliza para fabricar membranas compuestas de capa fina. Presenta
una mayor compactación y un ligero mejor comportamiento frente
a los oxidantes que la poliamida lineal.
o Poliéter – urea: las membranas con esta formulación son siempre
compuestas de capa fina. Este tipo de membranas contiene un exceso de
grupos amina, lo que les confiere una naturaleza fuertemente catiónica.
La siguiente tabla compara las membranas de acetato de celulosa, las de
poliamida y las de poliéter – urea. Estos polímeros son los utilizados
habitualmente para fabricar membranas de ósmosis inversa.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 88
Tabla XIX – Características de los polímeros utilizados en la fabricación de membranas.
Poliamida Parámetro Celulósicas
Lineal Entrecruzada Poliéter-
urea Permeabilidad Alta Baja Alta Alta
Baja presión
75 96.0 98.0 97.5
Media presión
95 – 97.5 96.0 98.2 99.0 Rechazo cloruros (%)
Alta presión
99.0 99.4 99.4 99.2
Rechazo de nitratos (%) 85.0 88.0 – 94.0
98.0 94.0
Rechazo de sílice (%) 90.0 – 93.0 88.0 – 94.0
98.0 95.0
Baja 16 16 10 16 Media 30 30 20 25
Presiones de trabajo (bar)
Alta 60 - 70 70 - 84 60 - 70 56 - 70 Hidrólisis Sí No No No Biodegradabilidad Si No No No pH de trabajo 4.5 – 6.5 4 - 9 4 - 11 5 - 10 Resistencia al cloro libre
< 1 ppm 0 ppm 1000 ppm h 0 ppm
Resistencia a otros oxidantes fuertes
Moderada Mala Regular Muy mala
Carga de la superficie Neutra Aniónica Aniónica Catiónica Morfología de la superficie
Lisa Lisa Muy irregular Irregular
Riesgo de ensuciamiento
BAjo Medio Alto Bajo
Compactación Alta Alta Baja Baja Temperatura máx (ºC) 35 40 45 45
o Polibencimidazola: las membranas fabricadas con este polímero
presentan una excelente resistencia tanto a pH extremos como a
diferentes productos químicos, lo que permite aplicarlas en
galvanoplastia y otros procesos industriales. La pérdida de caudal y de
rechazo de sales que se produce durante su almacenamiento han
limitado, sin embargo, considerablemente su desarrollo.
o Polipiperacimidas: estas membranas son mucho más resistentes al cloro
y otros oxidantes que las de poliamida y poliurea. Aunque presentan un
elevado rechazo de iones divalentes, el rechazo de iones monovalentes es
mucho menor, por lo que sólo pueden utilizarse para casos especiales.
Con este polímero pueden fabricarse tanto membranas integrales como
membranas compuestas de capa fina.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 89
o Polifurano sulfonado: aunque estas membranas producen los máximos
rechazos conocidos tanto de sales como de solventes orgánicos de entre
todas las membranas de ósmosis inversa disponibles, son
extraordinariamente sensibles a la oxidación, hasta tal punto que el
propio oxígeno del aire que pueda disolver la solución de aporte las
destruye, lo que limita considerablemente su utilización. Estas
membranas son siempre compuestas de capa fina.
o Polisulfona sulfonada: este polímero puede ser el que aglutine las
ventajas de las membranas de poliamida con la resistencia al cloro libre.
Para conseguir que las membranas de este polímero presenten flujos de
permeado adecuados y rechazos de sales correctos, es necesario alcanzar
un determinado contenido de grupos sulfónicos.
2. Inorgánicas: las membranas orgánicas presentan dos limitaciones importantes
que reducen su campo de aplicación: su estabilidad química y la resistencia a la
temperatura. La búsqueda de soluciones a estos dos problemas ha desembocado
en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Los cuatro
grandes grupos en que se pueden clasificar las membranas inorgánicas son:
o Cerámicas: este tipo de membranas han sido las más investigadas y, de
entre los distintos productos cerámicos, el más utilizado para la
fabricación de membranas ha sido la alúmina en sus distintas variedades.
o Vidrios: utilizando como materias primas, en proporciones adecuadas,
cuarzo, ácido bórico y carbonato sódico, a los que se suele añadir óxido
potásico, cálcico y alúmina para aumentar su resistencia a los álcalis, y
controlando durante la fusión tanto el régimen de temperaturas como su
duración, se obtiene una mezcla de dos fases, una de vidrio de silicio casi
pura y otra de ácido bórico rica en borato sódico. Tratando dicho vidrio
con ácido se disuelve la fase rica en borato sódico, quedando un vidrio
con una estructura porosa. Variando los parámetros de fabricación puede
controlarse el tamaño de los poros obtenidos.
o Fosfacenos: las membranas fabricadas con este polímero pueden soportar
temperaturas de hasta 250 ºC en presencia de disolventes o ácidos y
bases fuertes.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 90
o Carbonos: las membranas de esta naturaleza presentan habitualmente una
estructura compuesta. El lecho soporte suele ser de carbono sinterizado y
la capa filtrante de óxidos metálicos a base de zirconio. Las membranas
de este tipo pueden soportar valores extremos del pH y temperaturas
hasta 300 ºC.
► Clasificación según la carga superficial.
En ocasiones, los polímeros orgánicos con que se fabrican las membranas de ósmosis
inversa tienen, en su estructura molecular, un exceso de grupos químicos, lo que
confiere a la superficie activa de éstas una cierta naturaleza eléctrica que suele medirse
determinando su potencial Z. Este parámetro da una idea de la carga eléctrica existente
por unidad de superficie.
Atendiendo a esta naturaleza, las membranas pueden ser:
1. Neutras: no presentan ninguna carga eléctrica (su potencial Z es nulo).
2. Catiónicas: la carga eléctrica sobre su superficie es positiva. Atendiendo al
mayor o menor valor de la carga eléctrica y, por tanto, del potencial Z, las
membranas pueden ser fuerte o débilmente catiónicas.
3. Aniónicas: la carga eléctrica sobre su superficie es negativa y pueden ser fuerte
o débilmente aniónicas.
► Clasificación según la morfología de su superficie.
Atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas
pueden ser:
1. Lisas: son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa.
2. Rugosas: son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es
rugosa.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 91
La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del
ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa,
además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar.
► Clasificación según la presión de trabajo.
El parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de
ósmosis inversa es la presión de trabajo. Como dicha presión debe ser varias veces
superior a la presión osmótica de la solución de aporte debido, por un lado, a los
fenómenos de polarización de la membrana y, por otro, al aumento de la concentración
que se produce a medida que se va generando permeado, su valor vendrá condicionado
por la salinidad de la solución a tratar.
En la actualidad, las membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado
pueden encuadrarse en una de las cuatro categorías siguientes:
1. Membranas de muy baja presión: son las que trabajan con presiones
comprendidas entre 5 y 10 bares y se utilizan para desalar aguas de baja
salinidad
Lmg
yentre 1500500 y fabricar agua ultrapura. Estas membranas
han sido concebidas para competir contra el proceso de desmineralización de
agua con resinas intercambiadoras de iones.
2. Membranas de baja presión: este tipo de membranas trabajan a una presión
comprendida entre 10 y 20 bares. Se utilizan para desalar aguas de salinidad
media
Lmg
yentre 40001500 , así como para reducir o eliminar de ella
ciertos compuestos como nitratos, sustancias orgánicas, pirógenos, etc.
3. Membranas de media presión: la presión de trabajo de estas membranas está
comprendida entre 20 y 40 bares. Aunque se han venido empleando para desalar
aguas de elevada salinidad
Lmg
yentre 100004000 , en la actualidad sus
aplicaciones se han generalizado utilizándose en múltiples procesos de
separación y concentración.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 92
4. Membranas de alta presión: estas membranas se han desarrollado para poder
obtener agua potable a partir del agua del mar. Su presión de trabajo, debido a la
elevada presión osmótica del agua de mar, está comprendida entre 50 y 80 bares.
► Clasificación según la técnica de fabricación.
Atendiendo a la técnica utilizada para su fabricación, las membranas de ósmosis
inversa pueden ser:
1. De máquina: son aquellas en las que las reacciones entre los distintos
compuestos que intervienen en su formación y la consiguiente fabricación de la
membrana tienen lugar en una máquina destinada a tal fin.
2. Dinámicas: este tipo de membranas se fabrican in situ, es decir, en la instalación
donde van a utilizarse. Para ello se filtra a través de un soporte poroso una
solución que contiene determinadas sustancias coloidales o disueltas. Si el
tamaño de los poros del sustrato es adecuado, estas moléculas quedan retenidas
en la superficie formando una pequeña película o capa activa que puede
presentar una alta permeabilidad y un cierto rechazo de sales, en función de las
condiciones de formación. Este tipo de membranas presenta dos problemas
importantes; el primero es que se van destruyendo con el tiempo, por lo que
deben ser formadas de nuevo periódicamente, mientras que el segundo es la no
reproducibilidad de los distintos parámetros, ya que los valores que se obtienen
suelen ser con frecuencia aleatorios.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 93
1.6.8. Comportamiento de las membranas.
Según los materiales de los que estén fabricadas las membranas, el comportamiento
respecto a diferentes contenidos en el agua o diferentes parámetros indicadores de la
misma es muy diferente:
1. pH: la poliamida es estable dentro de una gama de pH de 3 a 11, pudiendo
resistir durante cortos periodos de tiempo (máximo: 30 minutos), un pH
comprendido entre 1 y 12. Por otra parte, el acetato de celulosa, al ser un éster
orgánico, está sometido a hidrólisis con pH ácido y alcalino, por lo cual la gama
de trabajo óptima se encuentra con pH entre 4 y 7.
2. Oxidantes: la poliamida es atacada por los oxidantes, por lo que el cloro libre
superior a 0.1 ppm destruye la membrana. Por su parte, el acetato de celulosa
resiste la acción de oxidantes, pudiendo soportar cantidades de cloro libre del
orden de 2 ppm.
3. Temperatura: el efecto que la temperatura del agua de alimentación produce en
las membranas es una característica a tener en cuenta ya que influye en el
rendimiento. Los rendimientos de todos los módulos están dados en unas
condiciones prefijadas de salinidad, recuperación, presión y temperatura. Por
cada grado de variación sobre la temperatura base (25ºC), se producirá una
disminución (en el caso de agua más fría) o un aumento (en el caso de agua más
caliente) de 2.5 a 3 % en el rendimiento de la instalación. Las temperaturas
máximas de trabajo oscilan entre los 30 ºC para el acetato y los 45 ºC para la
poliamida. El trabajar a temperaturas altas favorece el fenómeno de
compactación que sufre la membrana debido a la presión de trabajo,
produciendo con el tiempo una disminución de la producción.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 94
1.6.9. Eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos con ósmosis.
Tabla XX – Eliminación de compuestos inorgánicos.
CATIONES ANIONES Nombre Símbolo % Rechazo Nombre Símbolo % Rechazo
Sodio Na+ 94 – 96 Cloruro Cl- 94 – 95 Calcio Ca++ 96 – 98 Bicarbonato HCO3
- 95 – 96 Magnesio Mg++ 94 – 98 Sulfato SO4
- 99 Potasio K+ 94 – 96 Nitrato NO3
- 95 – 96 Hierro Fe++ 98 – 99 Fluoruro F- 94 – 96
Manganeso Mn++ 98 – 99 Silicato SiO2- 95 – 97
Aluminio Al+++ 99 Fosfato PO4- 99
Amonio NH4+ 88 – 95 Bromuro Br- 94 – 96
Cobre Cu++ 96 – 99 Borato B4O7- 35 – 70
Níquel Ni++ 97 – 99 Cromato CrO4- 90 – 98
Estroncio Sr++ 96 – 99 Cianuro CN- 90 – 95 Cadmio Cd++ 95 – 98 Sulfito SO3
- 98 – 99 Plata Ag+ 94 – 96 Tiosulfato S2O3
- 99 Arsénico As+++ 90 – 95 Ferrocianuro Fe(CN)6
- 99
Tabla XXI – Eliminación de compuestos orgánicos.
NOMBRE PESO MOLECULAR % RECHAZO Sacarosa 342 100 Lactosa 360 100
Proteínas > 10000 100 Glucosa 198 99.9 Fenol 94 93 – 99
Ácido Acético 60 95 – 70 Tinturas 400 a 900 100
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
------- 90 – 99
Demanda química de oxígeno (DQO)
------- 80 – 95
Urea 60 40 – 60 Bacterias y virus 5000 – 100000 100
Pirógenos 1000 – 5000 100
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 95
1.6.10. Características de las membranas para ósmosis inversa.
Las características que debe reunir una membrana semipermeable destinada a la
desalación por ósmosis inversa son:
1. Alta permeabilidad al agua pura.
2. Alto porcentaje de rechazo de sales.
3. Estabilidad dentro de una amplia gama de pH.
4. Alta resistencia mecánica a la presión.
5. Larga duración.
1.6.11. Parámetros que afectan a las membranas.
1. Temperatura: afecta tanto a la presión osmótica como a la permeabilidad del
agua a través de la membrana. Normalmente, se acepta que el flujo de permeado
se incrementa alrededor del 3% por cada ºC de incremento de temperatura. El
paso de sales aumenta con la temperatura a la misma tasa que el flujo, por lo que
al incrementarse la temperatura a flujo de permeado constante, la calidad de
dicho permeado disminuye (Figuras 33 y 34).
Figura 33 – Efecto de la temperatura sobre la presión de alimentación
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 96
Figura 34 – Efecto de la temperatura sobre la calidad del permeado
2. Presión: para condiciones constantes de alimentación, un aumento de presión
conlleva un aumento del flujo de permeado. Aunque el transporte de sales no
depende de la presión, al aumentar el flujo de permeado conservando el mismo
paso de sales, el resultado aparente es una dilución de dicho permeado.
3. pH: en membranas de acetato de celulosa, se requiere trabajar en un intervalo de
pH entre 5.5 y 6.5 para evitar hidrólisis del polímero. Con las membranas de
poliamida, el rechazo aumenta al subir el pH hasta 8.0 y luego se estabiliza hasta
10.5.
4. Concentración: a mayores concentraciones disminuye el flujo de permeado, ya
que aumenta la presión osmótica a vencer y, por tanto, disminuye la presión neta
aplicada. El resultado visible es que la calidad del permeado empeora, ya que al
haber menor flujo de agua y mantenerse el de sales, la concentración de estas
últimas en el permeado se hace mayor.
5. Recuperación: al aumentar la recuperación, se concentran las sales de la
alimentación en un menor volumen de agua, produciéndose el mismo caso que
en el apartado anterior (Figura 35).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 97
Figura 35 – Efecto de la recuperación en la presión de alimentación, consumo de energía y flujo de alimentación
6. Velocidad de flujo de alimentación frente a concentración: al disminuir la
velocidad del flujo, disminuye la turbulencia en el flujo y se aumenta la
tendencia a la polarización de la concentración.
7. Presión osmótica (concentración de iones).
8. Ensuciamiento.
9. Polarización de la concentración (factor Beta): el factor Beta es una medida
del incremento de la concentración de iones en la región límite del flujo con la
membrana. En esta capa límite, el flujo tiende a hacerse laminar, y los iones en
solución se polarizan contra las cargas de la membrana. Para evitar esta
polarización o incremento de la concentración en las membranas, se debe
aumentar la turbulencia
en el flujo de
alimentación/concentrado
mediante el aumento de la
velocidad del flujo
(Figura 36).
Figura 36 – Esquema gráfico del fenómeno de polarización por
concentración
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 98
1.6.12. Módulos.
Para utilizar industrialmente las membranas con el fin de que puedan soportar las
diferentes presiones de trabajo, deben colocarse de una determinada manera, adoptando
distintas formas o configuraciones.
La palabra “módulo”, en esta tecnología, deriva de “modular”, ya que la capacidad
de producción de una planta de estas características se consigue instalando en paralelo
varias unidades elementales de producción o módulos. Por tanto, módulo es una
agrupación de membranas, con una configuración determinada, que forma la unidad
elemental de producción.
Los objetivos que se persiguen al fabricar módulos de ósmosis inversa son varios:
1. Obtener el máximo rendimiento de las membranas.
2. Conseguir un sistema lo más compacto posible.
3. Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas.
4. Facilitar la sustitución de las membranas deterioradas.
5. Mejorar la limpieza de las membranas sucias.
Como los objetivos son a veces contrapuestos, cada fabricante adopta la solución
técnica que hace más competitivo su producto.
1.6.13. Configuraciones existentes.
Las configuraciones disponibles para los módulos o unidades de producción son:
1. Módulos de placas: formado por un conjunto de membranas planas, recortadas
generalmente en forma rectangular o de disco circular, que se apoyan sobre
mallas de drenaje o placas porosas que les sirven de soporte. Las membranas se
mantienen separadas entre sí por medio de espaciadores cuya anchura es del
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 99
orden de los 2 mm. El módulo se obtiene apilando paquetes
formados por espaciador – membrana – placa porosa –
membrana (Figura 37).
Figura 37 – Membranas, espaciadores y placas porosas de un módulo de placas
El conjunto así formado se comprime mediante un sistema de
espárragos, de manera que pueda soportar la presión de trabajo.
La estanquidad se logra mediante juntas elásticas colocadas en los extremos. La
figura 38 muestra, de forma esquemática, cómo se distribuyen los flujos en cada
paquete.
Así, como las membranas son responsables de separar el permeado de la
solución de aporte, las placas soporte, además de suministrar resistencia
mecánica a la membrana, deben recoger el permeado de forma uniforme y
evacuarlo al exterior.
Figura 38 - Módulo de placas. Distribución de flujos en cada paquete
2. Módulos tubulares: el nombre de esta configuración se debe a que los módulos
se fabrican a partir de membranas tubulares y tubos perforados o porosos que les
sirven de soporte, pudiendo así resistir el gradiente de presiones con que deben
trabajar. Como esta configuración suele utilizarse para el tratamiento de líquidos
cargados (aguas residuales, zumos), se colocan, a veces, en el interior de los
tubos, dispositivos especiales destinados a producir altas turbulencias que
aseguren elevadas velocidades de circulación sobre la superficie de las
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 100
membranas e impidan la deposición sobre ellas de las distintas sustancias en
suspensión existentes en el líquido a tratar.
3. Módulos espirales: esta configuración recibe este nombre debido a que está
formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo
central. Cada paquete consta de una lámina rectangular de membrana
semipermeable doblada por la mitad de forma que la capa activa quede en su
exterior. Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales
para recoger el permeado que atraviese la membrana y conducirlo hacia el tubo
central de recogida (Figura 39).
Figura 39 – Módulo espiral de una hoja
Encima de la capa activa de la membrana se coloca una malla provista de
canales de distribución para repartir homogéneamente la solución de aporte
sobre toda la superficie de la membrana. Para conseguir la estanquidad entre la
solución de aporte y el permeado se colocan, en los laterales de la lámina de
ósmosis inversa, cordones de cola entre el tejido colector de permeado y las
membranas, de forma que el sellante penetre totalmente en los tejidos. Los
laterales del tejido colector del permeado se encolan igualmente al tubo central,
que es de material plástico y va provisto de orificios. El paquete formado se
enrolla alrededor del tubo central, dando lugar a un cilindro al que se le colocan
en sus extremos dos dispositivos plásticos para evitar su deformación, y se
recubre el conjunto con una capa de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio
para darle la rigidez y resistencia mecánica necesarias.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 101
Este tipo de módulos se fabrican en los cuatro diámetros exteriores siguientes:
o ( )mm65''212
o )100(''4 mm
o ( )mm200''8
o ( )mm250''10
Si se utilizase un único paquete de membranas para fabricar los módulos de gran
diámetro, se requerirían hojas muy largas, lo que originaría problemas
hidráulicos en la recogida del permeado y, por tanto, en el reparto de la solución
a tratar. Por este motivo, los módulos suelen fabricarse enrollando varios
paquetes de membranas de longitud reducida. En este tipo de módulos, la
solución de aporte circula en dirección axial, paralela al tubo central, conducida
por la malla distribuidora existente entre las capas activas de dos membranas
consecutivas. El permeado que atraviesa la membrana es recogido por el tejido
colector, que lo lleva espiralmente al tubo central, del que sale al exterior por
uno de sus extremos. El rechazo o solución de aporte que no atraviesa la
membrana continúa su avance en dirección axial, abandonando la malla
distribuidora por el otro extremo. Los módulos espirales se interconexionan en
serie dentro de un tubo destinado a soportar la presión de trabajo (Figura 40). La
solución de aporte, a medida que va atravesando los distintos módulos instalados
en serie, se va concentrando, siendo
evacuada del tubo de presión por el extremo
opuesto a su entrada. El permeado puede ser
recogido en el mismo extremo que el
rechazo o en el opuesto.
Figura 40 – Forma de interconexionar los módulos espirales
dentro de un tubo de presión
4. Módulos de fibra hueca: este tipo de módulos recibe este nombre porque se
fabrican con varios centenares de miles de membranas de fibra hueca dobladas
en forma de U y colocadas paralelamente a un tubo central. Las membranas se
fijan en ambos extremos mediante resina epoxi para dar estabilidad al haz así
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 102
formado. El módulo se parece a un cambiador de calor de tubos, donde la
solución de aporte se introduce a presión en el tubo central, quien la reparte
radial y uniformemente a través de todo el haz de fibras.
Cuando la solución a tratar entra en contacto con la superficie exterior de la fibra
donde se encuentra la capa activa, una parte de la misma (el permeado) atraviesa
la fibra moviéndose por su interior hueco hasta el extremo abierto. Los finales
abiertos de las fibras huecas están embebidos en una masa de resina epoxi,
constituyendo uno de los extremos del haz. Esta masa, una vez mecanizada para
abrir las fibras, se conoce con el nombre de placa tubular. Cuando el permeado
abandona el haz de la placa tubular, pasa a través de un bloque poroso antes de
alcanzar el exterior del módulo. El bloque poroso tiene por misión lograr un
correcto reparto hidráulico en la recogida de permeado y, por tanto, también en
la distribución de la solución de aporte a través del haz de fibras. El rechazo se
mueve hacia la placa de epoxi situada en el otro extremo del haz de fibras,
saliendo al exterior tras atravesar el espacio anular existente entre ésta y la
carcasa exterior. Una junta tórica situada en la placa tubular impide que el
permeado se mezcle con el rechazo. El haz de fibras se instala en el interior de
un tubo fabricado con epoxi y fibra de vidrio cuya misión es soportar, desde el
punto de vista mecánico, las presiones de trabajo.
La sección de un módulo de este tipo muestra el siguiente aspecto (Figura 41):
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 103
Figura 41 – Sección de un módulo de fibra hueca
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 104
1.6.14. Comparación entre las distintas configuraciones.
De las cuatro configuraciones presentadas, las más utilizadas en la ósmosis inversa
son la espiral y la de fibra hueca. Cada configuración presenta ventajas e
inconvenientes y en cada aplicación se debe escoger el módulo que mejor se adapte a
las características y situaciones particulares que puedan presentarse. Así, por ejemplo,
los módulos tubulares se comportan muy bien con líquidos cargados pero, por el
contrario, como la superficie de la membrana disponible por módulo es baja, se precisan
muchos módulos y mucho espacio. Esto se traduce en una inversión costosa y un bajo
mantenimiento, al no ensuciarse. Los módulos de fibra hueca, sin embargo, son muy
compactos ya que la superficie de membrana por unidad de volumen que presentan es
elevada. Esa gran compacidad, que desde el punto de vista de la inversión es ventajosa,
hace que sean más sensibles que otras configuraciones al ensuciamiento, tanto por
sustancias coloidales como por sustancias en suspensión. Esta circunstancia motiva que
su uso sólo esté recomendado en aplicaciones con líquidos muy limpios ya que en caso
contrario, aunque la inversión fuese reducida, los costes de la operación de
mantenimiento serían elevados por las frecuentes limpiezas y deterioros de los módulos
a los que habría que hacer frente.
Todas las configuraciones, utilizando membranas con la misma química y la misma
estructura, permiten obtener valores similares en el permeado. Desgraciadamente,
además de la química de la membrana, es preciso seleccionar la configuración o tipo de
módulo a utilizar de forma que el costo total del producto que se obtenga con el
proceso, entendiendo como tal la inversión inicial más los costes de operación y
mantenimiento, sea mínimo.
Una característica de gran importancia a la hora de inclinarse por una u otra
configuración, cuando ambas presentan análogos resultados económicos, es su
sustitución e intercambiabilidad. Una vez construida una planta de ósmosis inversa
puede suceder que circunstancias no previstas inicialmente desaconsejen utilizar la
membrana con la química seleccionada o bien que, con el tiempo, una determinada
firma saque al mercado una membrana de mejores características (menor presión de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 105
trabajo, mayor rechazo de sales, mayor resistencia química). Si los módulos instalados
pudiesen ser sustituidos por los de nueva aparición sin tener que cambiar los tubos de
presión, las tuberías, los soportes, las válvulas… se diría que son intercambiables, lo
que supondría un ahorro considerable. Adicionalmente, a la hora de reemplazar los
módulos que se han ido deteriorando en una planta, puede obtenerse un mejor precio si,
debido a su equivalencia e intercambiabilidad, se ponen varias firmas en competencia
para hacerse con la sustitución. Desgraciadamente, en la actualidad, esta posibilidad
sólo existe en los módulos espirales.
La siguiente tabla muestra, de forma esquemática, las características más importantes
de los cuatro tipos de módulos que se utilizan en esta tecnología.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 106
Tabla XXII – Características más importantes de los módulos de ósmosis inversa.
Tipo de módulo Características De placas
(P & F) Tubular Espiral (SW)
Fibra hueca (HF)
Superficie de membrana por módulo (m2)
15 - 50 1.5 - 7 30 - 34 370 - 575
Volumen de cada módulo (m3)
0.30 – 0.40 0.03 – 0.1 0.03 0.04 – 0.08
Caudal por módulo ( )dia
m3
9 - 50 0.9 - 7 30 - 38 40 - 70
Grado de compactación (m2 de membrana por m3)
50 - 125 50 - 70 1000 - 1100 5000 - 14000
Productividad por unidad de
superficie ( )2
3
mdiam
⋅ 0.6 - 1 0.6 - 1 1 – 1.1 0.1 – 0.15
Productividad por unidad de
volumen ( )3
3
mdiam
⋅ 30 - 125 30 - 70 1000 - 1250 9000 - 1500
Conversión de trabajo por módulo (%)
10 10 10 - 50 30 - 50
Pérdida de carga por tubo de presión (bar)
2 - 4 2 - 3 1 - 2 1 - 2
Sustitución e intercambiabilidad por otra marca
Nula Nula Total Nula
Tolerancia frente a las sustancias coloidales
Mala Buena Mala Mala
Tolerancia frente a la materia en suspensión
Mala Buena Mala Mala
Mecánicas Regular Bueno No aplicable No aplicable Químicas Bueno Bueno Bueno Bueno
Comportamiento frente a las limpiezas Con agua
a presión Excelente Bueno Bueno Bueno
Pretratamiento necesario Coagulación +
filtración (5 µm)
Filtración Coagulación +
filtración (5 µm)
Coagulación + filtración (1 µm)
Alimentación Alimentación Desalación de aguas salobres
y de mar
Desalación de aguas salobres
y de mar
Líquidos poco cargados
Aguas residuales y
líquidos cargados
Obtención de aguas de alta
pureza
Obtención de aguas de alta
pureza
Aplicaciones
Concentración y recuperación de sustancias
Concentración y recuperación de sustancias
Aguas residuales y
líquidos poco cargados.
Concentración y recuperación de sustancias
Concentración y recuperación de sustancias
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 107
1.6.15. Transporte a través de membranas de ósmosis inversa.
Existen diversas teorías para explicar y describir el transporte de solvente (agua pura)
y de soluto (sales) a través de una membrana semipermeable, teniendo cada una su
campo de utilización. Para las membranas de ósmosis inversa, el modelo utilizado
habitualmente es el de la solución – difusión. Según este modelo, cada componente de
la solución a tratar se disuelve en la membrana según las leyes de distribución y
equilibrio conocidas, difundiéndose a continuación a su través debido a las diferencias
de concentración y de presión existentes a ambos lados de la membrana.
La difusión del agua y de las moléculas polares a través de la membrana sería el
resultado de un mecanismo de formación y de destrucción de puentes de hidrógeno
entre el agua o las moléculas polares por una parte y los grupos hidrófilos de la
membrana por otra, por la acción de un gradiente de energía libre, también llamado
potencial químico, producido por la diferencia de presión. La Figura 42 muestra de
forma esquemática el funcionamiento de este modelo, mientras que en la Figura 43 se
representa cómo se transferiría el agua en una membrana de acetato de celulosa.
Figura 42 – Esquema del modelo solución – difusión
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 108
Una variante de esta teoría y que se conoce con el nombre de sorbción preferencial
de flujo capilar, utiliza consideraciones termodinámicas entre la membrana y las
moléculas de la solución para
explicar cuantitativamente el
paso selectivo de estas
moléculas.
Ambos modelos se
esquematizan diciendo que el
soluto es mayoritariamente
rechazado por la membrana
mientras que el solvente puede
atravesarla.
Figura 43 – Transferencia del agua
mediante puentes hidrógeno en una
membrana de acetato de celulosa
1.6.16. Ecuaciones básicas del proceso.
Las fuerzas que intervienen en el paso del solvente y del soluto a través de la
membrana son:
1. Solvente: gradiente de presiones.
2. Soluto: gradiente de concentraciones.
Las dos ecuaciones básicas del proceso son:
1. Transporte de solvente: experimentalmente se comprueba que el flujo de
solvente (caudal por unidad de superficie) es proporcional al gradiente de la
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 109
presión efectiva a través de la membrana, es decir, a la diferencia entre la
variación de la presión externa aplicada y la variación de la presión osmótica.
( )( )
( )( )
( )
∆−∆
−=∆
−=∆
⋅⋅
⋅
→∆−∆=
barmembrana
ladetravésaefectivapresióndegradienteP
barmembranaladeladosambos
entreosmóticaspresionesdediferencia
barmembranaladeladosambos
entrehidráulicapresióndediferenciaPPP
barmd
msolventealdadpermeabilideecoeficientA
md
msolventedeflujoJ
PAJ
pa
pa
a
a
:
:
:
:
:
2
3
2
3
π
πππ
π
La Figura 44 muestra de forma esquemática la ley que rige el transporte de
solvente a través de una membrana de ósmosis inversa.
Figura 44 – Esquema del transporte de solvente
2. Transporte de soluto: el flujo del soluto a través de la membrana de ósmosis
inversa viene dado por la siguiente expresión:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 110
( )
∆
⋅
⋅
⋅
→⋅⋅+∆⋅=⋅⋅+−=⋅=
3
3
3
2
3
2
3
2
:
dim
:
:
sup
:
:
:
:
)(
m
kgmembranaladetravésa
ionesconcentracdegradienteC
ensionala
toacoplamiendeecoeficientM
m
kgpermeado
elensolutodeliónconcentracC
m
kgmembranaladeerficie
laensolutodeliónconcentracC
md
msolutoalmembranalade
dadpermeabilideecoeficientB
md
msolventedeflujoJ
md
kgsolutodeflujoJ
CJMCBCJMCCBCJJ
p
m
a
s
mamapmpas
Esta ecuación muestra que el flujo de soluto es la suma de dos contribuciones; la
primera ( )CB ∆⋅ es debida a su difusión molecular y es proporcional al
gradiente de concentraciones a través de la membrana, mientras que la segunda
es convectiva, debida al arrastre que produce el solvente. Dividiendo ambas
ecuaciones se obtiene la siguiente expresión:
( ) m
a
s CMPA
CB
J
JCp ⋅+
∆−∆⋅
∆⋅==
π
Si se representa gráficamente, el inverso del rechazo de soluto
( )r
1 en función del inverso del flujo del solvente
aJ1 se
obtiene una recta (Figura 45).
Figura 45 – Relación entre los inversos del flujo de solvente y del rechazo
de soluto
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 111
( )
( )
≅
→⋅−
+−
=
membranasdemayoríalapara
toacoplamiendeecoeficientM
unoportosolutodelrechazor
JM
B
Mr a 005.0
:
tan:1
11
11
1.6.17. Coeficiente de permeabilidad al solvente.
El coeficiente de permeabilidad de la membrana al solvente depende de la presión de
operación, de la temperatura, del estado de compactación de la membrana, de su factor
de polarización y del grado de ensuciamiento.
Su valor puede expresarse de la forma:
→⋅⋅⋅=
membranaladentoensuciamie
degradoelcuentaenTienentoensuciamiedefactorK
membranalaencuentrasequeenóncompactaci
degradoelcuentaenTieneóncompactacidefactorK
solventedelidadvis
ladeiaciónlacuentaenTieneentofuncionamide
atemperaturladedependequecorrecióndeecoeficientK
pruebadescondicionelasensolventeal
membranaladedadpermeabilideecoeficientA
KKKAA
e
c
t
ect
.:
.:
cos
var.
:
:0
0
1.6.18. Polarización de la membrana.
En una membrana de ósmosis inversa, el solvente (agua) fluye en dos direcciones;
una de ellas sobre la superficie de la membrana, constituyendo inicialmente la corriente
de aporte y posteriormente la de rechazo, la otra, a través de la membrana, dando lugar
al flujo de permeado.
A medida que el permeado atraviesa la membrana, las sales disueltas que contenía se
quedan en las proximidades de su superficie. El soluto, que no puede atravesar la
membrana, debe ser arrastrado por la corriente de rechazo; sin embargo, la velocidad
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 112
del solvente en las proximidades de la superficie de la membrana es prácticamente nula,
por lo que las sales sólo pueden pasar de esta región a la corriente rápida del rechazo
por difusión, dando lugar a una zona en la cual la concentración de sales es mayor que
la del resto de la solución (Figura 46). A esta zona se le llama capa límite.
Esta situación se conoce con el nombre de polarización de la membrana y al
aumento de la concentración que sufre la solución en contacto con la membrana, se le
llama concentración por polarización.
Las distintas sales que se difunden desde la superficie de la membrana hacia la
corriente principal lo hacen a diferentes velocidades. La velocidad de difusión depende
del tamaño del ion o de la partícula, de su carga y de su concentración. Los iones
monovalentes se difunden mucho más rápidamente que los iones multivalentes.
Figura 46 – Evolución de la concentración del soluto en función de la distancia a la superficie de la membrana
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 113
El factor de polarización se define mediante la siguiente igualdad:
( )
→=
principalcorrienteaportedesolución
lademediaiónconcentracC
membranaladeerficielaen
solutodemáximaiónconcentracC
C
C
ma
m
ma
m
:
sup
:
β
De acuerdo con las ecuaciones de transporte, la polarización de la membrana produce
los tres efectos siguientes:
1. Reduce, a presión constante, el flujo de solvente y, por tanto, el caudal de
permeado ya que, al aumentar la concentración en la superficie aumenta la
presión osmótica, disminuyendo la presión efectiva a través de la membrana.
2. Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y la concentración del
permeado al aumentar el gradiente de concentraciones.
3. Aumenta el riesgo de precipitación de las sales poco solubles, así como de los
coloides y materias en suspensión sobre la superficie de la membrana.
Conviene, por tanto, limitar la concentración en la capa límite de forma que β no
supere el valor de 1.15.
El factor de polarización depende de varios parámetros, entre los que se pueden
enumerar los siguientes:
1. Permeabilidad de la membrana.
2. Tipo de flujo (laminar o turbulento).
3. Disposición geométrica de las membranas.
4. Porcentaje de rechazo de sales de la membrana.
5. Naturaleza de las sales rechazadas.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 114
1.6.19. Ensuciamiento de las membranas.
En una planta de ósmosis inversa es fundamental, para que su funcionamiento sea
correcto, que la solución que llegue a las membranas haya sufrido previamente un
proceso adecuado de filtración, más o menos complejo, llamado pretratamiento, cuya
misión es eliminar de dicha solución todas las sustancias que puedan depositarse sobre
las membranas o que puedan quedar atrapadas en el interior de los módulos por los
sistemas y mallas distribuidores de la solución de aporte. Cuando esto ocurre, aumenta
la polarización de las membranas, ya que los depósitos sobre las mismas retrasan la
retrodifusión de las sales hacia la corriente principal, cuyos efectos son:
1. Disminución de la productividad.
2. Aumento del paso de sales.
Las sustancias atrapadas originan también aumentos localizados de la pérdida de
carga, dando lugar a un reparto irregular de los flujos a través de las membranas, lo que
motiva que porciones de éstas trabajen con conversiones elevadas mientras otras lo
hacen con conversiones más bajas, incluso cuando la conversión global del módulo o
del sistema se mantiene constante. Esta irregularidad en el reparto de los flujos acelera
notablemente la concentración por polarización y el ensuciamiento en las zonas de
membrana que trabajan con conversiones elevadas.
Cuando el rendimiento de la planta de ósmosis inversa desciende por debajo de unos
determinados límites, es necesario limpiar las membranas para restaurar, si es posible,
sus características primitivas de funcionamiento. La limpieza de las membranas no
puede ser un procedimiento alternativo a un inadecuado pretratamiento, pues al
aumentar la frecuencia de las limpiezas de las membranas se aumenta su deterioro y se
reduce su vida media. Es necesario analizar las causas del ensuciamiento prematuro de
las membranas y someter la solución de aporte a los tratamientos preventivos
adecuados.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 115
1.6.20. Causas.
Las fuentes potenciales de ensuciamiento de las membranas son:
1. Precipitaciones: los elementos que pueden precipitar sobre la superficie de las
membranas son:
o Sales minerales: este tipo de ensuciamiento puede producirse si las sales
presentes en la solución de aporte superan sus productos de solubilidad.
Las sales más corrientes que son susceptibles de precipitar son:
� Carbonato cálcico, CaCO3.
� Sulfato cálcico, CaSO4.
� Sulfato de bario, BaSO4.
� Sulfato de estroncio, SrSO4.
� Fluoruro cálcico, CaF2.
� Sílice, SiO2.
El riesgo de precipitación de una sal determinada puede calcularse
teniendo en cuenta su concentración en la solución de aporte, su
producto de solubilidad y el porcentaje de recuperación con que trabaja
la planta.
o Óxidos metálicos: los metales cuyos óxidos o hidróxidos pueden
aparecer en las soluciones de aporte siendo susceptibles de precipitar
son:
� Hierro: el hierro presente en la solución que llega a las membranas
puede tener dos orígenes diferentes:
� Puede existir en la solución de aporte.
� Puede incorporarse a ella por la corrosión de los metales con
los que está en contacto.
Cualquiera que sea la procedencia del hierro, éste debe permanecer
en forma soluble durante todo el proceso. En tal caso, su porcentaje
de rechazo, por parte de las membranas, será elevado, del mismo
orden que el de un ion bivalente. Sin embargo, si el ion ferroso
soluble, Fe2+, se oxidase pasando a ion férrico, Fe3+, se formaría
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 116
hidróxido férrico, Fe(OH)3, que precipitaría, ensuciando las
membranas.
� Manganeso: el manganeso presenta una química similar a la del
hierro y cuando ambos están presentes, suelen coprecipitar. La
oxidación del manganeso exige, por lo general, un potencial de
oxidación – reducción mayor que el hierro.
� Aluminio: si la solución de aporte a las membranas tuviese un alto
contenido en aluminio, éste podría precipitar en forma de hidróxido
cuando:
� Se reduzca el pH de la solución para evitar la precipitación
del carbonato cálcico.
� Se supere su producto de solubilidad en las proximidades de
la membrana.
Estas precipitaciones suelen ser de naturaleza coloidal y pueden
dañar gravemente a las membranas. Este tipo de problemas puede
aparecer cuando la solución que alimenta la unidad de ósmosis
inversa es agua procedente de la red de abastecimiento público,
habiendo sido coagulada previamente con sulfato de alúmina.
2. Depósitos: este tipo de ensuciamiento se produce cuando quedan atrapadas
sustancias en el interior de los módulos por los sistemas y mallas distribuidores.
Puede deberse a uno de los tres factores siguientes:
o Partículas de gran tamaño: si la solución de aporte tuviese partículas en
suspensión de gran tamaño, serían filtradas mecánicamente por los
sistemas de reparto situados en el interior de los módulos y quedarían
atrapadas entre las membranas.
o Coloides: los coloides son partículas muy pequeñas, del orden de 0.01 a
10 µm, provistas de una carga eléctrica, generalmente, sobre su
superficie. Cuando estas partículas se encuentran en un medio acuosos,
sus cargas superficiales, llamadas cargas primarias, atraen a los iones
positivos presentes en el medio que, junto con algunos negativos, se
adhieren fuertemente a las partículas, desplazándose con ellas, dando
lugar a la capa ligada. Otros iones se adhieren débilmente originando la
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 117
capa difusa. Las cargas eléctricas y el lecho de agua que rodea las
partículas coloidales tienden a alejarlas entre sí y, por tanto, a
estabilizarlas en la solución. Cuando la concentración de sales aumenta,
las partículas tienden a perder su carga eléctrica, debilitándose y
produciéndose el fenómeno de coagulación. A partir de ese momento,
pueden aglomerarse y formar partículas de mayor tamaño. Este proceso
recibe el nombre de floculación. El ensuciamiento por partículas
coloidales es debido a su coagulación (pérdida de la carga eléctrica) y
posterior floculación (aglomeración) en las proximidades de la superficie
de las membranas. Para cuantificar el atascamiento que pueden producir
las partículas coloidales de la solución de aporte, suele determinarse su
índice de atascamiento (Silt Density Index, SDI), utilizando para ello
un equipo adecuado. Aunque la medida del SDI no es precisa, es el
mejor método para evaluar la concentración de coloides. De forma
general, la relación existente entre el SDI de la solución de aporte, su
potencial Zeta y el riesgo de ensuciamiento por coloides de las
membranas, se muestran en la siguiente tabla:
Tabla XXIII – Relación entre el SDI, el potencial Zeta y el ensuciamiento.
Valores del SDI
Potencial Zeta (mV)
Riesgo de ensuciamiento de las membranas por
coloides <1 --- Ninguno o muy escaso
1 a 3 0 a -30 Escaso 3 a 5 0 a -30 Moderado >5 --- Importante
○ Desarrollos biológicos: el ensuciamiento biológico puede producirse
cuando la solución de aporte contiene suficientes elementos nutritivos como
para favorecer el rápido desarrollo de microorganismos en el interior de los
módulos. Dichos desarrollos pueden afectar al rendimiento de la instalación
de tres formas distintas:
� Destruyendo la capa activa: los desarrollos biológicos pueden
digerir enzimáticamente la capa activa en el caso de las membranas
de acetato de celulosa, perdiendo ésta sus características.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 118
� Ensuciando las membranas: los desarrollos biológicos suelen
formar una fina película sobre las membranas que produce los
mismos efectos que un atascamiento por partículas coloidales.
� Apareciendo bacterias en el permeado: las membranas, por sí
mismas, no permiten el paso de ninguna bacteria o virus desde la
solución de aporte al permeado, pero en todas las configuraciones
el permeado está separado del rechazo mediante juntas tóricas. La
existencia de algún pequeño fallo en una de estas juntas permitiría
el paso de algunas bacterias al permeado, contaminándolo. Esta
presencia podría crear graves problemas si el permeado se utilizase
en la industria farmacéutica o para la fabricación de
semiconductores. En tales casos es imprescindible instalar un
sistema de desinfección por radiación ultravioleta.
3. Otros: excepcionalmente pueden presentarse ensuciamientos extraños:
o Azufre coloidal: en el caso del agua, cuando en el pozo de captación
existe H2S y se inyecta cloro o penetra aire en el mismo, se puede formar
azufre coloidal como consecuencia de la oxidación del H2S por parte del
oxígeno o del cloro. El azufre coloidal se elimina muy difícilmente.
o Compuestos orgánicos: la solución de aporte puede, circunstancialmente,
contener trazas de compuestos orgánicos que pueden ensuciar o destruir
las membranas.
o Aceites y grasas: los hidrocarburos, aceites y grasas no deben estar
presentes en la solución que llega a las membranas ya que forman una
película sobre la superficie de éstas que reduce notablemente el
porcentaje de rechazo de sales.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 119
1.6.21. Técnicas de limpieza.
Cuando las membranas de una planta de ósmosis inversa se ensucian y, sobre todo, si
dicho ensuciamiento tiene lugar en un corto periodo de tiempo, las posibilidades de
recuperación dependen de la rapidez con que se actúe una vez detectado el problema. Si
las membranas se limpian nada más producirse su ensuciamiento, su recuperación puede
ser posible. Por el contrario, si una membrana sucia continúa trabajando, su deterioro
puede ser irreversible, ya que se produce un atascamiento elevado que origina, a su vez,
caminos preferenciales que impiden posteriormente que la solución de limpieza llegue a
la suciedad o a los precipitados que hay que eliminar.
Los parámetros característicos de una planta de ósmosis inversa son su pérdida de
carga, su producción y el porcentaje de rechazo de sales. Estos parámetros dependen de
un conjunto de variables, entre las que pueden citarse:
1. La presión de funcionamiento.
2. La temperatura.
3. La salinidad.
4. El porcentaje de recuperación.
Para determinar si se está produciendo un ensuciamiento o alguna precipitación en
las membranas de una instalación, es necesario observar la evolución con el tiempo de
sus parámetros característicos en condiciones estacionarias, de forma que los valores
sean comparables entre sí.
La primera indicación de la existencia de un ensuciamiento o una precipitación en las
membranas suele ser el incremento de la pérdida de carga a través de los módulos. Esta
circunstancia suele presentarse generalmente antes de que el porcentaje de rechazo de
sales o el caudal de permeado comiencen a disminuir. Otros indicadores de la necesidad
de una limpieza son el paso de sales ya que su valor, cuando las membranas están
limpias, permanece constante durante largos períodos de tiempo, la variación de los
caudales de rechazo y de permeado y la necesidad de aumentar la presión de trabajo.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 120
Cuando se sospeche que se está produciendo un ensuciamiento de las membranas
conviene realizar limpiezas periódicas preventivas hasta que se corrija la situación. De
todas formas, antes de iniciar cualquier limpieza es necesario asegurarse de que los
cambios producidos en la planta no se deben a problemas mecánicos.
Las membranas también deben limpiarse antes de una parada prolongada de la
instalación (más de una semana), antes de la adición de cualquier reactivo que restaure
su paso de sales o su producción o cuando la planta vaya a permanecer parada más de
24 horas tras haber contenido un fluido o un reactivo orgánico susceptible de producir
desarrollos biológicos.
A modo de resumen puede decirse, como norma general, que es necesario realizar
una limpieza de las membranas si ocurre cualquiera de las siguientes situaciones:
1. El paso de sales se incrementa respecto al valor precedente en más de un 15%.
2. La producción aumenta o disminuye en más de un 10%.
3. El caudal de rechazo varía en más de un 10%.
4. La pérdida de carga de los módulos se incrementa en más de un 20%.
5. La presión de alimentación se incrementa en más de un 10%.
6. Ante largos períodos de parada (más de una semana).
7. Antes de aplicar cualquier reactivo de regeneración de las membranas.
8. Antes de una parada de más de 24 horas, tras haber operado con un producto
orgánico que pueda favorecer los desarrollos biológicos.
Existen varios métodos de limpieza, entre los que destacan los siguientes:
1. Limpieza mecánica: la limpieza mecánica de las membranas requiere pasar un
cepillo o una esponja para desprender mecánicamente la suciedad depositada
sobre ellas. Este procedimiento requeriría tener acceso a la superficie activa de
las membranas, lo cual sólo es posible en los módulos de placas. En los módulos
tubulares podría hacerse circular por el interior de las membranas pequeñas
bolas de esponja. En los módulos espirales y en los de fibra hueca, debido a su
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 121
fabricación, el acceso es imposible. Hay que tener en cuenta que el espesor de la
capa activa es muy pequeño (0.2 micras) y que una limpieza de esta naturaleza
puede rayar y destruir dicha capa con las partículas abrasivas desprendidas, por
lo que no es aconsejable utilizarla.
2. Limpieza con permeado a presión (flushing): este tipo de limpieza consiste en
hacer llegar a las membranas, siguiendo el mismo camino que la solución a
tratar, permeado exento de sustancias en suspensión y disueltas, susceptibles de
depositarse sobre su superficie. Esta técnica se utiliza normalmente durante las
paradas del sistema con objeto de:
o Reducir el retorno de solvente debido al fenómeno de la ósmosis natural.
o Desplazar totalmente la solución a tratar del interior de las tuberías y de
los módulos del sistema, impidiendo así la corrosión de las partes
metálicas y la precipitación de aquellas sales que pudieran encontrarse en
sobresaturación si se utilizase un dispersante.
3. Limpieza química: consiste en recircular a través de los módulos una serie de
productos químicos capaces de disolver las precipitaciones o de eliminar los
depósitos existentes sobre las membranas.
o Sistema de limpieza: la limpieza de las membranas se realiza
recirculando a través de los módulos, en circuito cerrado, las soluciones
preparadas (Figura 47).
o Identificación del problema: el producto químico a utilizar durante la
limpieza dependerá de la naturaleza de las sustancias atascantes. Por
tanto, lo primero que hay que conocer es el origen y el tipo de
ensuciamiento producido para, por un lado, tratar de eliminarlo de las
membranas y, por otro, evitar que se vuelva a producir. Los efectos que
produce cada tipo de ensuciamiento se indican en la siguiente tabla:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 122
Tabla XXIV – Efectos que produce cada tipo de ensuciamiento.
Tipo de ensuciamiento
Paso de sales
Caudal de permeado
Pérdida de carga
Localización del problema
Métodos de confirmación Comprobación del LSI o S&DSI en el rechazo Cálculo de los límites de solubilidad de las distintas sales en el rechazo
Precipitación de sales minerales: • CaCO3 • CaSO4 • BaSO4 • SrSO4 • CaF2 • SiO2
Incremento importante
Reducción moderada o importante, dependiendo del grado de precipitación
Aumento moderado o importante, dependiendo del grado de precipitación
En las últimas membranas o última etapa
Análisis de los iones de la solución de limpieza
Precipitación de óxidos metálicos: • Fe(OH)3 • Fe2O3 • FeCO3 • FeS2 • MnO2 • Mn2O3
• MnCO3 • Al(OH)3
Incremento importante y rápido, en 24 h (≥ 2 veces)
Reducción importante y rápida (20 – 50%)
Aumento importante y rápido (≥ 2 veces)
En la primera etapa o primeras membranas
Análisis de los iones metálicos en la solución de limpieza
Presencia de partículas en la solución de aporte
Depósito de partículas abrasivas
Incremento según el alcance del problema
Incremento según el alcance del problema
Estable o ligera reducción
Sobre todo en la primera membrana Análisis
destructivo de las membranas Medida del SDI de la solución de aporte
Ensuciamiento coloidal
Incremento notable pero no rápido. Puede requerir semanas (≥ 2 veces)
Reducción importante pero no rápida (≥ 50%)
Aumento notable pero no rápido (≥ 2 veces)
Generalmente en las primeras membranas de la primera etapa
Análisis por difracción de rayos X Recuento de bacterias tanto en el permeado como en el rechazo
Desarrollos biológicos
Incremento gradual e importante, sobre todo tras las paradas si no se añade un biocida (≥ 2 veces)
Descenso gradual e importante, sobre todo tras las paradas si no se añade un biocida (≥ 2 veces)
Incremento gradual e importante, sobre todo tras las paradas si no se añade un biocida (≥ 2 veces)
En todas las membranas, pero con mayor incidencia en las situadas en los primeros lugares
Existencia de desarrollos en tuberías y recipientes
Compuestos orgánicos
Reducción moderada
Reducción importante
Aumento muy ligero
En todas las membranas
Análisis destructivo de las membranas
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 123
Figura 47 – Representación esquemática del sistema de limpieza
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 124
o Formulaciones a utilizar para cada tipo de ensuciamiento: la resistencia
química de las membranas de acetato de celulosa es menor que las de
poliéter y la de éstas menor que las de poliamida aromática. Las
siguientes tablas recogen las formulaciones de limpieza.
Tabla XXV – Formulaciones de limpieza (1).
Tipo de ensuciamiento
Formulación química
CaC
O3
CaF
2
CaS
O4
BaS
O4
SrSO
4
Óxi
dos
met
álic
os
Col
oide
s in
orgá
nico
s
Des
arro
llos
biol
ógic
os
Com
pues
tos
orgá
nico
s
Sílic
e
HCl pH = 3 X X Ácido cítrico al 2% Ajuste pH = 3 con NH4OH
X X X
Detergente no iónico 0.1% Fosfato trisódico 2% Na4 EDTA 2% pH 7 - 8
X X X X X X
Fosfato trisódico 1% Tripolifosfato sódico 1% Dodecil sulfato sódico 0.1% Na4 EDTA 1% pH = 9
X X X X X
EDTA Diamónico 5% Ácido eritórbico 1% pH 4 – 5
X X X
Ácido cítrico 2.4% Bifluoruro amónico 2.4% pH 1.5 – 2.5
X X X
NaHMP 1% X X X NaHSO3 2% Detergente no iónico 0.1%
X
Na2S2O4 1% X Cloro libre 1 – 5 ppm pH 6.5 – 7.5
X X
NaHSO3 0.1% X Formaldehído 0.1% X
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 125
Tabla XXVI – Formulaciones de limpieza (2).
Tipo de ensuciamiento
Formulación química
CaC
O3
CaF
2
CaS
O4
Óxi
dos
met
álic
os
Col
oide
s in
orgá
nico
s
Des
arro
llos
biol
ógic
os
Com
pues
tos
orgá
nico
s
Sílic
e
Ácido clorhídrico pH 2 X X H3PO4 0.5% X X X NH2SO3H 0.2% X X X Ácido cítrico 2% NH4OH hasta pH 4
X X X X
Ácido cítrico 2% Na2EDTA 2% NH4OH hasta pH 4
X X X
Ácido cítrico 2% NH4OH hasta pH 8
X
Na2EDTA 1.5% NaOH hasta pH 7 – 8
X
Na4EDTA 1.5% HCl hasta pH 7 – 8
X
Na2EDTA 1% NaOH hasta pH 11 – 12
X X X X
NaOH hasta pH 11 – 12 X X Ácido cítrico 2.4% Bifluoruro amónico 2.4% pH 1.5 – 2.5
X X X
Na2S2O4 1 – 2.4% X Fosfato trisódico 1% Triofosfato sódico 1% Na2EDTA 1%
X X
Dodecil sulfato sódico 0.5% NaOH hasta pH 11 – 12
X X X X
Na2EDTA 0.1% NaOH hasta pH 11 – 12
X X X
NaHMP 1% X X X Perborato sódico 0.3% Dodecil sulfato sódico 0.25% pH 10
X X X X
Triofosfato sódico 2% Dodecil sulfato sódico 0.2% pH 10
X X X
NaHSO3 0.1% X Formaldehído 0.1% X
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 126
o Precauciones y normas de seguridad: en las limpiezas de las membranas
se utilizan habitualmente productos muy corrosivos e incluso peligrosos,
por lo que es necesario que el encargado de la unidad de limpieza tenga
en cuenta las siguientes normas:
� Debe conocer y estar familiarizado con las normas de higiene y
seguridad relativas al almacenamiento, manejo y preparación de
cada reactivo utilizado.
� Debe conocer el procedimiento a seguir para que el vertido de las
soluciones de limpieza, una vez utilizadas, no contamine el medio
ambiente.
� Es aconsejable que durante el proceso de limpieza toda persona que
manipule los distintos equipos vaya provista de guantes de goma,
buzo de plástico y gafas protectoras de seguridad. En una zona
próxima a la cuba de preparación debe existir una ducha con
lavaojos.
� Durante la preparación de las distintas formulaciones limpiadoras
es necesario asegurarse de que todos los reactivos estén disueltos y
correctamente mezclados antes de introducirlos en los módulos.
� Antes y después de cada limpieza con una determinada
formulación es imprescindible desplazar con permeado o con agua
de alta calidad los fluidos existentes en el interior de las tuberías y
módulos. Si no se realizase esta operación podrían reaccionar entre
sí dos formulaciones consecutivas de limpieza originando
precipitados o daños en las membranas.
� Tras una limpieza química, a pesar de haber desplazado los
reactivos utilizados, es posible que quede alguna traza de los
productos integrantes de la solución de limpieza que puede pasar al
permeado al entrar de nuevo la planta en funcionamiento. Por este
motivo es aconsejable no aprovechar el primer volumen de
permeado producido.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 127
� Es conveniente cambiar los cartuchos filtrantes tras finalizar la
limpieza de forma que la siguiente se realice siempre con cartuchos
nuevos.
1.6.22. Bombas de alta presión.
Las bombas de alta presión son el elemento más importante de la planta de ósmosis
inversa ya que impulsan la solución a tratar hacia las membranas a la presión requerida
por éstas.
Es aquí donde se consume la mayor parte de la energía del proceso, por lo que la
decisión del tipo de bomba a instalar tiene una gran importancia. A la hora de
seleccionar las bombas hay que tener en cuenta distintos parámetros como su
rendimiento, la inversión necesaria, el mantenimiento requerido, la disponibilidad, los
niveles de ruido o las vibraciones.
En el proceso de ósmosis inversa se utilizan generalmente dos tipos de bombas:
1. Alternativas o de desplazamiento positivo: en la admisión, el líquido es
confinado en un cierto espacio de de la bomba, donde se le comunica la energía,
siendo desplazado a continuación hasta la zona de expulsión. Las bombas de
desplazamiento positivo aplican presión directamente al líquido por un pistón
reciprocante o por miembros rotatorios, los cuales forman cámaras
alternadamente llenas o vacías del líquido. Este tipo de bombas proporciona una
cantidad constante de líquido en cada embolada o revolución de la parte móvil,
sin que el líquido pueda circular libremente a través del cuerpo de la bomba.
2. Centrífugas: generan altas velocidades de rotación, convirtiendo la energía
cinética resultante del líquido en energía de presión. El líquido puede circular
libremente a través de ellas, pues recibe la energía por acción de la fuerza
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 128
centrífuga que le comunica un disco giratorio a gran velocidad, sin necesidad de
ser confinado en espacios interiores.
► Bombas de desplazamiento positivo.
En las bombas de desplazamiento positivo el movimiento de rotación del motor
eléctrico de accionamiento se convierte en un movimiento de vaivén mediante un
mecanismo biela – manivela – corredera (Figura 48). La corredera va unida a un émbolo
o a un pistón, que es el artífice de la impulsión del fluido gracias a unas válvulas
situadas en la aspiración e impulsión que sólo permiten que el fluido a bombear circule
en un determinado sentido.
Figura 48 – Esquema de una bomba de desplazamiento positivo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 129
El fluido accede a la bomba a través del colector de aspiración y pasa a la cámara de
impulsión a través de la válvula de aspiración que se encuentra abierta por la succión
que produce el émbolo cuando retrocede. Durante este tiempo, la válvula de descarga
permanece cerrada debido a la presión que ejercen sobre ella tanto el resorte con que
suele ir provista como el fluido existente en el colector de impulsión. A medida que el
émbolo penetra en la cámara de impulsión, aumenta la presión del fluido existente en
ésta cerrando la válvula de aspiración. Cuando la presión en la cámara se iguala con la
existente en el colector de impulsión, la válvula de descarga se abre y el líquido es
bombeado hacia el exterior repitiéndose la secuencia en cada embolada.
Las bombas alternativas se fabrican con distinto número de cilindros, recibiendo
diferentes nombres.
Tabla XXVII – Número de cilindros de las bombas alternativas.
Número de cilindros Denominación 1 Simplex 2 Dúplex 3 Tríplex 5 Quíntuplex 7 Séptuplex 9 Nónuplex
Las fluctuaciones de caudal no son buenas para el funcionamiento de las membranas
porque dan lugar a variaciones de la velocidad de arrastre sobre la superficie de la
membranas y, por tanto, a fenómenos de polarización.
Las bombas de desplazamiento positivo se utilizan en plantas de pequeño tamaño
que requieran trabajar con elevadas presiones, como es el caso de la desalación del agua
de mar, ya que es difícil encontrar otro tipo de bombas que reúnan las condiciones
exigidas, bombear un reducido caudal a una presión elevada. También se utilizan en
plantas medianas ( )h
mhasta3
130 cuando se precisan altos rendimientos energéticos en
la impulsión de la solución a tratar y, por tanto, bajos consumos específicos de energía.
Como contrapartida al buen rendimiento hidráulico, este tipo de bombas exige un
costoso mantenimiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 130
► Bombas centrífugas.
Una bomba centrífuga en su concepción más simple consisten e un impulsor con
álabes, llamado rodete, que gira en el interior de una carcasa accionado desde el
exterior mediante un eje (Figuras 49, 50 y 51).
Figura 49 - Bomba
centrífuga
Figura 50 – Interior de una bomba centrífuga
Figura 51 – Esquema de una bomba centrífuga Una bomba centrífuga se considera como la segunda clase más importante de
bombas, en donde la energía mecánica del líquido se aumenta por acción centrífuga.
Están formadas por un disco rotatorio, denominado rodete, provisto de unas nervaduras
o álabes, que gira a gran velocidad dentro de una carcasa metálica. El líquido entra a la
bomba por el eje hueco del rodete, aspirado como consecuencia de la disminución
inicial de presión que producen sus álabes al girar. A continuación, este líquido es
proyectado radialmente a lo largo de los álabes por la acción de la fuerza centrífuga,
aumentando considerablemente su energía cinética (Figura 52).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 131
Figura 52 - Esquema de funcionamiento
A la salida del rodete, esta energía cinética adquirida se
transforma en energía de presión, de acuerdo con la ecuación de
Bernouilli, debido a un ensanchamiento progresivo de la sección
de paso, es cual se puede conseguir dándole a la carcasa una forma
de espiral, denominada voluta, o mediante una pieza fija dotada de
álabes, denominada difusor.
La presión de descarga de una bomba centrífuga, para una misma presión de
admisión, dependerá de la eficacia con que se leve a cabo la conversión de energía
cinética en energía de presión.
Las bombas centrífugas son de gran versatilidad, bajo coste, fácil
diseño, operación y mantenimiento, por lo que resultan las más
indicadas en la mayoría de los casos. Pueden proporcionar caudales
variables y, según sea el tipo de líquido que se vaya a bombear, se
elige un tipo u otro de rodete (Figura 53).
Figura 53 - Rodete
Los rodetes pueden ser:
1. Cerrados.
2. Semiabiertos.
3. Abiertos.
4. De flujo mezclado.
En cuanto a la aspiración de la bomba centrífuga, ésta puede ser sencilla o doble,
según que se produzca por una de las caras del rodete o por las dos.
Como ventajas de las bombas centrífugas destacan las siguientes:
1. Construcción sencilla, con gran diversidad de materiales de construcción.
2. Bajo coste inicial y de mantenimiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 132
3. Ausencia de válvulas en el cuerpo de la bomba.
4. Posibilidad de acoplamiento directo a un motor eléctrico.
5. Posibilidad de fabricarse formando con el motor de impulsión una unidad
sellada.
6. Funcionamiento muy estable.
7. Puede manejar líquidos que contengan elevadas proporciones de sólidos en
suspensión.
Análogamente, se pueden destacar las siguientes desventajas:
1. Una bomba centrífuga de una sola etapa no puede proporcionar una presión
elevada. Se construyen bombas de múltiples etapas capaces de desarrollar
grandes presiones, pero resultan mucho más costosas y no se pueden construir
con materiales resistentes a la corrosión, debido a su gran complejidad.
Generalmente, es preferible emplear velocidades muy altas para reducir el
número de etapas necesarias.
2. Solamente pueden operar con elevado rendimiento en un intervalo limitado de
condiciones (caudal-presión).
3. Necesitan de la instalación de válvulas de retención en la línea de aspiración, de
lo contrario el líquido podría retornar al depósito de succión en caso de parar la
bomba.
4. Los líquidos muy viscosos no pueden manejarse con buen rendimiento.
En las siguientes figuras se representan, respectivamente, la presión estática de la
bomba (en 2D y 3D), el canal obturado y las líneas de traza.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 133
Las bombas centrífugas operan casi siempre a velocidad constante, por lo que el
caudal suministrado, denominado habitualmente capacidad de la bomba, depende
solamente, para una misma bomba, de las presiones de aspiración y descarga.
Para la adecuada utilización de una bomba centrífuga resulta necesario conocer la
variación de determinadas magnitudes, como la presión de descarga, la potencia
consumida y el rendimiento obtenido
para cada valor del caudal. Estas
variaciones se suelen expresar de
forma gráfica para cada tipo de
bomba, constituyendo las
denominadas curvas características
de la bomba centrífuga considerada
(Figura 54).
Figura 54 – Curvas características de la bomba centrífuga
En las plantas de ósmosis inversa pueden utilizarse los cuatro tipos de bombas
centrífugas siguientes:
1. Bombas de segmentos (Figura 55).
Figura 55 – Bomba centrífuga de segmentos
2. Bombas de cámara partida: tienen una construcción mucho más robusta que
las de segmentos y su costo es consecuentemente mayor. Su diseño permite, sin
embargo, un mantenimiento más sencillo (Figura 56).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 134
Figura 56 – Aspecto de una bomba de cámara partida seccionada
3. Bombas con tubo Pitot: estas bombas, en contraposición con las de segmentos
y las de cámara partida, son de una etapa y no utilizan ni aros de desgaste ni
casquillos de tolerancia.
4. Bombas de alta velocidad: este tipo de bombas posee uno o dos rodetes como
máximo, por lo que la alta presión necesaria en la descarga se consigue
haciéndolos girar a elevadas revoluciones. Este tipo de bombas presenta dos
inconvenientes para su utilización en plantas de ósmosis inversa:
o Bajo rendimiento hidráulico en comparación con las bombas de
segmentos y las de cámara partida.
o Alta velocidad con que trabajan, lo que complica el mantenimiento.
► Comparación entre los distintos tipos de bombas.
Las bombas centrífugas, especialmente las de segmentos y las de cámara partida, se
utilizan mucho más frecuentemente que las de desplazamiento positivo ya que
presentan, frente a ellas, una serie de ventajas, entre las que se pueden citar:
1. Ausencia de pulsaciones de presión y de caudal.
2. Mayor operatividad.
3. Inferior mantenimiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 135
Las bombas de segmentos se utilizan tanto en las plantas pequeñas como en las de
gran tamaño, si bien, con caudales inferiores a 25 h
m3
y presiones superiores a 50 bar,
su rendimiento decrece tanto que se aconseja utilizar bombas de desplazamiento
positivo. Por encima de los 300 h
m3
y presiones superiores a 50 bar se puede obtener
un rendimiento algo mejor con las bombas de cámara partida. Para caudales superiores a
los 500 h
m3
y presiones por encima de los 50 bar suele ser más interesante utilizar
bombas de cámara partida. Las bombas con tubo de Pitot sólo se utilizan en plantas
pequeñas, cuando el coste de la energía eléctrica no es importante. Las bombas de alta
velocidad sólo se utilizan en situaciones especiales y, combinadas con turbinas de
recuperación de energía.
Cada bomba tiene ventajas e inconvenientes al utilizarla en una planta de ósmosis
inversa:
Tabla XXVIII – Ventajas e inconvenientes de las bombas.
TIPO DE BOMBA VENTAJAS INCONVENIENTES Alto rendimiento hidráulico (superior al 90%)
Suministran un caudal y una presión pulsados
Bajo consumo específico de energía
Requieren un cambio frecuente de empaquetaduras y émbolos Pueden llegar a las membranas partículas procedentes de las empaquetaduras Elevado costo de mantenimiento
Desplazamiento positivo Se adaptan a la compactación y al ensuciamiento de las membranas, aumentando o reduciendo la presión de impulsión sin la intervención de ningún sistema de control Vibraciones y alto nivel sonoro
El rendimiento hidráulico rara vez supera el 80% Es preciso desmontar las tuberías y toda la bomba para inspeccionar o cambiar un rodete
Segmentos Económicas
Riesgo de corrosión en las superficies de contacto entre segmentos
Buen rendimiento hidráulico (alrededor del 80%) Bombas muy robustas Fácilmente desmontables, sin desconectar las tuberías
Costo de inversión elevado
Se accede con facilidad a todas las piezas internas
Cámara partida
Fáciles de mantener Repuestos caros
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 136
1.6.23. Sistemas de recuperación de energía.
En la actualidad, todo proceso de fabricación se contempla dentro de un entorno
económico en el que la reducción de los costos de producción es un factor muy
importante. Adicionalmente, la crisis energética mundial y la preocupación por el
deterioro del medio ambiente han requerido de todos los procesos una mejora de sus
rendimientos que redunde en una disminución sustancial del consumo energético.
La ósmosis inversa, al ser un proceso en el que una parte importante de los costos de
funcionamiento corresponden a la energía eléctrica consumida en el bombeo a alta
presión, no ha escapado a las consideraciones anteriores, habiendo incorporado en los
últimos años una serie de mejoras tendentes a minimizar los consumos energéticos.
En la concepción más simple de una planta de ósmosis inversa la solución a tratar es
aspirada por una bomba de alimentación que la impulsa hacia el pretratamiento donde
se elimina todo aquello que pueda ensuciar y deteriorar las membranas. A continuación
es impulsada por una bomba de alta presión que la envía, a la presión necesaria, hacia
las membranas de ósmosis inversa (Figura 57). En el interior de los módulos, una parte
del solvente (entre un 40 y un 90% según el porcentaje de recuperación) atraviesa las
membranas dando lugar al permeado que abandono los módulos a una presión
comprendida entre 1 y 3 bar. El resto (entre un 60 y un 10% del caudal inicial), junto
con las sales y sustancias rechazadas por las membranas, abandona los módulos a una
presión ligeramente inferior a la que tenía a la entrada a los mismos, dando lugar a la
corriente de rechazo.
Figura 57 – Esquema simplificado de una planta de ósmosis inversa
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 137
Para poder mantener la presión de trabajo en el interior de los módulos es necesario
colocar una válvula de control que cree la pérdida de carga necesaria en el rechazo de la
ósmosis inversa, laminándolo y disipando su energía en forma de calor.
Una concepción más avanzada de la planta incorporaría un sistema que permitiese
recuperar la energía que, en forma de presión, posee el rechazo a la salida de los
módulos. Para que esta innovación pueda introducirse es necesario que el ahorro
económico que comporte compense la mayor inversión a realizar.
Los sistemas utilizados en la actualidad para recuperar la energía del rechazo son:
1. Turbinas Pelton: En una máquina de este tipo, también llamada turbina de
impulsión, la presión que posee el rechazo de la ósmosis inversa se transforma
en energía cinética en forma de un chorro líquido a alta velocidad. Para ello el
rechazo se hace pasar a través de un inyector consistente en una tobera provista
de una aguja que regula la sección de
salida y, por tanto, la velocidad del
chorro (Figura 58).
Figura 58 – Esquema de la transformación de la presión
del rechazo en un chorro líquido de alta velocidad
2. Turbinas de contrapresión: las turbinas de contrapresión son bombas centrífugas
que se han modificado tanto mecánicamente, para que trabajen girando en
sentido inverso, como hidráulicamente para funcionar con un flujo circulando en
sentido contrario.
3. Conversores hidráulicos centrífugos: transforman la presión del rechazo de la
ósmosis inversa en presión de la solución de aporte.
4. Conversores hidráulicos dinámicos: utilizan cilindros o tuberías para transformar
la presión del rechazo en presión de la solución de aporte.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 138
→→→→ Comparación entre los distintos sistemas.
En la siguiente tabla se recogen, de forma comparativa, las características de los
sistemas de recuperación de energía más utilizados:
Tabla XXIX – Características de los sistemas de recuperación de energía.
Características Turbina Pelton
Turbina de contrapresión
Turbobomba integral
Conversor centrífugo
Espacio necesario
Reducido Importante Medio Muy reducido
Funcionamiento en seco
Posible Imposible Imposible Imposible
Flexibilidad de funcionamiento
Amplia Reducida Reducida Muy reducida
Rechazo que recibe
Todo Parte Parte Todo
By – pass de la turbina
No necesario Necesario Necesario Necesario
Contrapresión No tolera Tolera / precisa Tolera / precisa Tolera / precisa % caudal nominal para recuperar energía
20 40 40 60
Rendimiento mecánico
75 – 90% 70 – 83% 65 – 78% 40 – 70%
Plantas en que se utiliza
Medias – grandes
Medias – grandes
Medias Pequeñas –
medias
1.6.24. Unidad de ósmosis inversa.
Aunque dentro de una misma configuración de membranas existen módulos con
diferentes tamaños y, por tanto, con distintas producciones, el caudal de permeado
necesario raramente coincide con el que puede suministrar un módulo concreto sino que
suele ser bastante superior. Es decir, para alcanzar el caudal deseado es necesario
agrupar varios módulos.
Adicionalmente, para asegurar una cierta velocidad del flujo a través de la superficie
de las membranas, reduciendo así el fenómeno de polarización y los riesgos de
precipitación y atascamiento, es absolutamente imprescindible mantener un caudal
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 139
mínimo de rechazo en cada módulo. Asimismo, para no aumentar excesivamente su
pérdida de carga, lo que produciría deformaciones en su interior, es también necesario
limitar el caudal máximo de rechazo.
Ambos límites en el caudal de rechazo dependen del tipo de módulo, de sus
dimensiones, de las características de la membrana utilizada… Estos valores a respetar
limitan las conversiones máxima y mínima de cada módulo y, consecuentemente, tanto
los porcentajes de recuperación de solvente como la concentración máxima del rechazo.
Si la conversión global con que se desea que trabaje el sistema supera la máxima
admisible por cada módulo, es también necesario agruparlo de forma que se respeten
sus condiciones límites de caudal de rechazo. Así pues, tanto el caudal como la
conversión de funcionamiento de la unidad de producción obligan a agrupar los
módulos de una determinada forma.
► Agrupación de módulos.
Los módulos de un sistema de ósmosis inversa pueden agruparse de dos formas:
1. En paralelo: en este tipo de montaje, las alimentaciones y las salidas tanto de
permeado como de rechazo de cada módulo se conectan con cada una de las
correspondientes tuberías generales (Figura 59). Esta agrupación se utiliza tanto
con módulos de placas como tubulares y de fibra hueca, pero no se usan con los
espirales. Esta disposición se usa para producir un caudal n veces superior al
suministrado por un módulo, siendo n el número de módulos instalados en
paralelo. Como la máxima conversión de trabajo de cada módulo de este tipo es
del orden del 40 al 50%, ésta será la conversión máxima que puede conseguirse
con esta agrupación, lo que equivale a decir que la solución de aporte puede
concentrarse entre 1.66 y 2 veces. Cuando los módulos trabajan en paralelo, la
pérdida de carga entre el colector de aporte y el de rechazo es la misma para
todos ellos, lo que quiere decir que el caudal de aporte que llega a cada uno
dependerá de su grado de atascamiento y del caudal de permeado que produzca.
Es muy importante que, cuando varios módulos trabajen en paralelo, el grado de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 140
envejecimiento de sus membranas sea similar ya que, en caso contrario, se
producirán desequilibrios en los flujos individuales que harán que las
membranas menos deterioradas trabajen con conversiones elevadas y se
atasquen rápidamente.
Figura 59 – Agrupación de los módulos en paralelo
2. En serie: cuando los módulos se unen en serie, el caudal de rechazo de cada
módulo para a ser el aporte del siguiente, y así sucesivamente (Figura 60). El
permeado de los distintos módulos se recoge en un colector común a todos ellos
donde se van mezclando los distintos flujos. Cuando se instalan módulos
espirales en el interior de un tubo de presión se utiliza este tipo de agrupación.
Los módulos espirales pueden trabajar con conversiones máximas del 7 al 10%,
por lo que la conversión de cada tubo con 6 ó 7 módulos suele también oscilar
entre el 40 y el 50%. La agrupación de los módulos en serie hace que, para una
conversión total determinada, cada módulo trabaje con una conversión menor
que si trabajase en paralelo, lo que se traduce en que el caudal de rechazo y, por
tanto, la velocidad superficial sobre la membrana sean mayores. Esta agrupación
se utiliza, consecuentemente, para reducir los fenómenos de polarización cuando
los flujos de permeado de las membranas son altos o cuando se trabaja con
elevadas conversiones.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 141
Figura 60 – Montaje de los módulos en serie
► Agrupación de etapas.
Se llama etapa al conjunto de tubos contenedores que trabajan en paralelo, a la
misma presión y alimentados desde la misma línea.
La recuperación máxima de cada etapa no debe superar el 50%, por lo que si se
quiere que la conversión global de la unidad esté por encima de dicho valor, hay que
agrupar las etapas. Existen dos formas de hacerlo:
1. Rechazo en serie: en esta agrupación, el rechazo de la primera etapa alimentaría
a la segunda y el rechazo de ésta a la tercera (Figura 61). En la siguiente tabla se
recoge el número de etapas con rechazo en serie que es preciso instalar, en el
caso de la desalación de aguas salobres, en función del porcentaje de
recuperación, para respetar las condiciones de flujo de rechazo impuestas por los
módulos. No suelen agruparse más de tres etapas en serie porque la producción
de cada etapa adicional, por encima de la tercera, sería muy reducida y no
resultaría económica.
Tabla XXX – Número de etapas en función del porcentaje de recuperación.
Porcentaje de recuperación Número de etapas 50 1 75 2
87.5 3
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 142
Figura 61 – Agrupación de etapas con rechazo en serie
2. Recirculación del rechazo: utilizando una única etapa se puede superar el
porcentaje máximo de recuperación del 50% establecido para la misma. Se
recurre para ello a recircular todo o parte del rechazo mezclándolo con la
solución de aporte (Figura 62). Con este procedimiento pueden alcanzarse
conversiones de hasta el 75% y, por tanto, concentraciones en el rechazo cuatro
veces superiores a las de la solución de aporte. Esta alternativa presenta un
consumo específico de energía y una salinidad del permeado mayores que la de
instalar dos etapas con rechazo en serie, por lo que sólo se utiliza cuando lo que
se quiere es concentrar la solución de aporte. Si dicha solución de aporte
presentase altos contenidos de materia en suspensión sería conveniente agrupar
las etapas con el rechazo en serie, pero manteniendo la recirculación en cada
etapa (Figura 63). La bomba de recirculación de la primera etapa impulsa la
solución de aporte mezclada con parte del rechazo de esa etapa; la de
recirculación de la segunda etapa impulsa el rechazo de la primera mezclada con
parte del rechazo de la segunda, y así sucesivamente. Las bombas de
recirculación tienen un caudal varias veces superior al de la bomba de alta y su
presión diferencial debe ser superior a la pérdida de carga de la etapa
correspondiente. Con este montaje se consiguen velocidades sobre la superficie
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 143
de las membranas muy elevadas, reduciéndose de forma considerable los
fenómenos de polarización y los riesgos de ensuciamiento, todo ello a costa de
un mayor consumo de energía eléctrica en los bombeos. Por este motivo, no
tiene sentido utilizar este montaje con soluciones limpias o poco cargadas, con
bajo riesgo de que se depositen las sustancias en suspensión sobre las
membranas.
Figura 62 – Esquema de un montaje con recirculación del rechazo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 144
Figura 63 – Esquema de una agrupación de etapas con rechazo en serie y recirculación
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 145
No tiene sentido hablar de agrupar dos etapas en paralelo porque equivaldría a una
etapa primitiva con mayor número de tubos.
► Agrupación de sistemas.
Se llama sistema al conjunto de etapas agrupadas de la forma que fuere pero con una
única bomba de alta presión. Al igual que las etapas, los sistemas pueden agruparse de
dos formas:
1. En paralelo: cuando los sistemas se agrupan en paralelo, todas las bombas de
alta presión trabajan también en paralelo e impulsan la misma solución de aporte
(Figura 64). Esta agrupación se utiliza para subdividir el caudal total de
permeado en varias unidades o líneas de producción, las cuales son de un solo
paso, ya que tanto el permeado como el rechazo finales se obtienen con un único
bombeo a alta presión.
Figura 64 – Esquema de dos sistemas trabajando en paralelo
2. En serie: cuando los sistemas se agrupan en serie, las bombas de alta presión
trabajan también en serie, no impulsando todas ellas las mismas soluciones de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 146
aporte. Una agrupación de esta naturaleza se dice que está formada por pasos y
cada paso es un sistema. Existen tantos pasos como bombas de alta presión
trabajando en serie. Según la procedencia de la solución de aporte al segundo
sistema, la agrupación puede ser:
o Permeado en serie: en este montaje, todo o parte del permeado producido
por el primer sistema es bombeado de nuevo por una segunda bomba de
alta presión, que lo impulsa hacia un segundo sistema (Figura 65). Este
tipo de montaje se utiliza cuando se quiere reducir la concentración de
sales del permeado final.
Figura 65 – Esquema de una unidad de producción con dos pasos, permeado en serie
Generalmente, el rechazo del segundo paso suele recircularse hacia el
primero. La reducción de la salinidad del permeado también puede
lograrse manteniendo el mismo porcentaje de recuperación pero con un
consumo específico de energía mayor, recirculando una parte del
permeado (Figura 66).
Figura 66 – Unidad de producción con un paso y recirculación del permeado
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 147
o Rechazo en serie: en este montaje, el rechazo de uno o varios sistemas
que trabajan en paralelo es aspirado por otra bomba que lo impulsa hacia
un nuevo sistema (Figura 67). El rechazo procedente de dos sistemas A y
B es aspirado por una bomba que le suministra la presión diferencial
necesaria para ser enviado hacia un nuevo sistema C. Este tipo de
montaje se utiliza para recuperar algún producto existente en el rechazo
de los primeros sistemas o bien para aumentar los porcentajes de
recuperación del permeado. Presenta ventajas frente a la agrupación de
etapas con rechazo en serie ya que, en tal caso, las etapas finales trabajan
con la solución más concentrada en sales y con una presión más baja que
la suministrada por la bomba. En el presente montaje, por el contrario, la
bomba que trabaja en serie permite optimizar y adecuar la presión de
descarga a las necesidades del concentrado a tratar. Las membranas del
primer paso suelen ser de baja presión y las del segundo de alta debido a
la mayor presión osmótica de la solución que les llega.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 148
Figura 67 – Unidad de producción con dos pasos y rechazo en serie
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 149
► Técnicas de funcionamiento.
Según el modo de trabajar con la unidad de ósmosis inversa, se pueden considerar
dos tipos de funcionamiento:
1. Funcionamiento por lotes: en este tipo de operación, toda la solución a tratar se
encuentra disponible previamente en una cuba. Nada más comenzar el proceso el
permeado se evacúa continuamente, pero el rechazo de la ósmosis se retorna al
depósito recirculándolo de nuevo (Figura 68). El proceso termina cuando se
alcanza la concentración deseada en la solución de la cuba. Esta técnica permite
obtener altas concentraciones en el rechazo con superficies de membranas
relativamente bajas. Se utiliza para concentrar soluciones y lo que se aprovecha
es el rechazo, siendo necesario esperar un cierto tiempo para que esté disponible.
Figura 68 – Esquema del funcionamiento por lotes
2. Funcionamiento en continuo: en este tipo de operación, la solución de aporte
bombeada hacia la ósmosis inversa es repuesta inmediatamente por otra nueva
(Figura 69), no siendo imprescindible el depósito para su almacenamiento
previo. En este proceso también puede recircularse parte del rechazo
dependiendo del porcentaje de recuperación deseado y del número de etapas
instaladas con el rechazo en serie. Tanto el permeado como todo o parte del
rechazo se evacúan en continuo, disponiéndose de ambos inmediatamente.
Esta técnica se utiliza en general cuando lo que se aprovecha es el permeado.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 150
Figura 69 – Esquema del funcionamiento en continuo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 151
1.6.25. Aplicaciones.
La ósmosis inversa es un proceso que permite por un lado separar de la solución de
aporte un solvente o permeado, debido a que puede atravesar la membrana, y por otro
obtener un concentrado o rechazo con todas aquellas sustancias que no pueden
atravesarla. Es, consecuentemente, tanto una técnica de separación como de
concentración selectiva pudiendo utilizarse en todos aquellos procesos que requieran
cualquiera de las dos posibilidades.
► Agua potable.
Dentro de la producción de agua potable, los campos en que se utiliza la ósmosis
inversa son:
1. Desalación.
2. Reducción de la dureza.
3. Reducción del contenido en nitratos.
4. Eliminación del color y de los precursores de los THM.
•••• Desalación.
La desalación del agua es la aplicación más importante en lo que a volumen de
permeado e importe económico se refiere. Atendiendo a su salinidad, las aguas pueden
clasificarse como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla XXXI – Clasificación de las aguas en función de su salinidad.
Denominación Salinidad (g/L) Dulces < 1
Baja 1 – 2 Media 2 – 5 Salobres Alta 5 – 10
Salinas 10 – 30 Marinas 30 – 50
Salmueras 50 - 200
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 152
Considerando la forma en que se realiza su captación, el agua puede ser:
1. Superficial.
2. De pozo.
La salinidad del agua utilizada condiciona el consumo de energía necesario para su
desalación y la forma de captación determina los tipos y concentraciones de impurezas
que hay que eliminar en el pretratamiento, antes de proceder a la desalación, con objeto
de evitar el deterioro de las membranas utilizadas.
Las aguas salobres y salinas son, en general, de origen subterráneo aunque algunas
aguas superficiales pueden presentar también elevados contenidos en sales disueltas.
La desalación se realiza tanto en aguas salobres como salinas y marinas. Consiste en
eliminar del agua la mayor parte de las sales, para lo cual, tras un determinado
pretratamiento, se bombea el agua bruta a la presión adecuada hacia las membranas de
ósmosis inversa. El permeado de las membranas es agua exenta de la mayor parte de
las sales, mientras que el rechazo es una salmuera formada por el resto del agua
bombeada que se lleva todas las sales presentes inicialmente en el agua bruta.
Una planta desaladora de ósmosis inversa consta de las cuatro partes siguientes:
1. Captación del agua, que incluye la toma, el bombeo y la tubería de impulsión
hasta la planta propiamente dicha.
2. Pretratamiento, que incluye un tratamiento fisico – químico del agua bruta.
3. Ósmosis inversa, o área principal del proceso.
4. Tratamiento complementario del agua desalada para conseguir las condiciones
de potabilidad requeridas.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 153
Dependiendo del caudal de agua desalada y de las características físicas y biológicas
del agua bruta, la instalación puede ser más o menos compleja, debiendo diseñarse
siempre de forma que se minimicen los costos de inversión, así como los de operación y
mantenimiento. La forma de captar el agua a desalar, ya sea salobre, salina o marina,
determina el pretratamiento a que debe someterse.
Cuando la toma es superficial, la actividad biológica será elevada, pudiendo
agravarse si la captación se realizase en las proximidades de vertidos urbanos. Una
captación a través de un pozo profundo permite partir de un agua bruta con reducidos
valores de su SDI y baja actividad biológica, lo que redundará en una mayor vida de las
membranas y un aumento del factor de utilización de la instalación. Consecuentemente,
siempre que sea posible hay que pensar en captar el agua bruta mediante un pozo
profundo. Las Figuras 70 y 71 muestran, respectivamente, el proceso más complejo que
podría sufrir un agua salobre con una captación superficial y fuerte contaminación
orgánica, y el tratamiento a aplicar a un agua de mar captada a través de un pozo
profundo para su desalación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 154
Figura 70 – Esquema del tratamiento a aplicar a un agua salobre con una captación superficial
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 155
Figura 71 – Esquema del tratamiento a aplicar a un agua marina con una captación a través de un pozo profundo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 156
Las membranas utilizadas para este proceso presentan un alto rechazo de las sales
divalentes, siendo bajo el de las monovalentes (Figura 72). El poder de corte para las
moléculas orgánicas no iónicas es del orden de 200 a 300, constituyendo las
membranas de ósmosis inversa con menor rechazo de sales. Se las conoce también con
el nombre de membranas de nanofiltración. El bajo rechazo de los iones
monovalentes minimiza el gradiente de presión osmótica a través de las membranas, lo
que permite trabajar con presiones reducidas, del orden de los 7 bar, incluso con
elevadas salinidades en el agua bruta.
Figura 72 – Evolución de los porcentajes de rechazo de sales con la salinidad en las membranas utilizadas para reducir la dureza de las aguas
•••• Reducción del contenido en nitratos.
El suministro de agua potable en un gran número de pueblos de la Península Ibérica
de tamaño pequeño y medio se realiza a partir de acuíferos de los que se extrae
mediante pozos de captación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 157
El agua de esta procedencia presenta generalmente un contenido en materia en
suspensión, así como un color y una turbidez muy bajos. Sin embargo, si los acuíferos
se encuentran situados en zonas agrícolas con cultivos intensivos, las aguas subterráneas
suelen incorporar altas concentraciones de nitratos, superiores a los 50 L
mg admitidos
por la reglamentación técnico – sanitaria. Estos altos valores se deben generalmente, al
arrastre hacia el acuífero de parte de los abonos utilizados sobre la superficie.
La utilización de membranas de ósmosis inversa con un alto porcentaje de rechazo
del ion nitrato permite obtener agua con un bajo contenido en dichos iones y, por tanto,
apta para el consumo humano.
•••• Eliminación del color y de los precursores de los THM.
El color que presentan algunas aguas naturales se debe a la presencia de una serie de
ácidos orgánicos pertenecientes a las familias de los ácidos húmicos y fúlvicos cuyo
peso molecular puede oscilar entre 800 y 50000. Proceden de la descomposición de la
materia orgánica natural disuelta por dichas aguas en su recorrido a través de la
naturaleza.
El color, además de no admitirse en al agua potable por motivaciones estéticas, es un
precursor de los trihalometanos (THM). Los precursores de los THM liberan
cloroformo y otros compuestos halogenados cuando se clora el agua para asegurar su
desinfección. Se ha demostrado que dichos compuestos halogenados son cancerígenos,
lo que quiere decir que, inyectados en concentraciones elevadas, en ensayos de
laboratorio, desrrollan un cáncer en determinados animales. Las recomendaciones de la
Organización Mundial de la Salud, así como la normativa de la Unión Europea relativa
a la calidad de las aguas potables, reducen de forma considerable el contenido máximo
admisible de estos derivados clorados.
Gran parte de los procedimientos convencionales de tratamiento del agua no reducen
el contenido en precursores de los THM hasta los valores deseados. Las membranas de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 158
ósmosis inversa presentan, sin embargo, un rechazo del orden del 99% para dichos
ácidos húmicos y fúlvicos así como para otros compuestos orgánicos.
Las membranas a utilizar para estas aplicaciones son las llamadas de nanofiltración,
que permiten el paso de la mayor parte de iones monovalentes y presentan un alto
rechazo para los iones divalentes y polivalentes.
► Aguas residuales urbanas y asimiladas.
•••• Reutilización para recarga de acuíferos.
Cuando se desea reutilizar las aguas residuales urbanas (ARU), una vez depuradas,
en aplicaciones que exijan una alta calidad de las mismas, se acude a la ósmosis inversa
como paso final de la compleja línea de tratamiento.
En este caso, el agua residual, tras sufrir un tratamiento biológico con nitrificación o
nitrificación - desnitrificación, es sometida a un tratamiento fisico – químico con una
filtración de alta calidad para evitar el atascamiento de las membranas, pasando
finalmente a través de una ósmosis inversa para eliminar parte de las sales disueltas, así
como la mayor parte de los compuestos orgánicos, metales pesados, bacterias, virus,
pirógenos… (Figura 73).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 159
Figura 73 – Tratamiento complementario del ARU para su reinyección en un acuífero
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 160
•••• Estaciones espaciales.
Las investigaciones realizadas en la Agencia Espacial Europea para establecer un
procedimiento que, trabajando en condiciones de microgravedad, permitiese reutilizar el
98% de las aguas residuales de las estaciones espaciales, produciendo agua apta para la
bebida y la higiene personal, han puesto de manifiesto la idoneidad de la ósmosis
inversa para tal fin.
Las aguas residuales de una estación espacial tienen el siguiente origen:
1. Condensados procedentes del sistema de aire acondicionado.
2. Sistemas de recuperación del CO2.
3. Duchas y sistemas de higiene personal.
4. Lavado de ropas y vajillas.
5. Urinarios.
El proceso de tratamiento integral de todas esta agua se muestra en la Figura 74. Las
aguas procedentes de las duchas e higiene personal, así como las del lavado de ropa y
vajillas, son previamente acidificadas hasta un pH 3 – 4 para reducir los desarrollos
biológicos, tras lo cual pasan a través de un filtro de alta eficacia que retiene las
partículas en suspensión. Finalmente, son impulsadas hacia un primer paso de una
ósmosis inversa. Una parte del permeado de este primer paso es recirculado de nuevo al
sistema para conseguir elevados porcentajes de recuperación y el rechazo es enviado
hacia un sistema de destilación centrífuga bajo vacío.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 161
Figura 74 – Diagrama de tratamiento de las aguas residuales de las estaciones orbitales
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 162
► Agua para procesos industriales.
•••• Producción de agua desendurecida.
Los procesos de fabricación que requieren calentar agua a baja presión y temperatura
deben utilizar aguas con poca dureza, es decir, con un bajo contenido en calcio y
magnesio para evitar la precipitación de sus carbonatos, sulfatos o hidróxidos durante el
proceso de calentamiento. Los precipitados recubren las superficies de transferencia de
calor dando lugar a corrosiones y a pérdidas notables del rendimiento de transferencia
debido a que son malos conductores del calor.
Iguales características deben reunir las aguas destinadas al lavado de recipientes o
productos ya que las aguas duras requieren un mayor consumo de los productos de
limpieza utilizados.
El procedimiento tradicional para reducir la dureza del agua ha sido el intercambio
iónico, utilizando para ello una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida
regenerada con cloruro sódico. Sin embargo, la aparición de las membranas de
nanofiltración ha relegado el uso del intercambio iónico para esta aplicación a
situaciones especiales, así como para afino del permeado producido por las membranas.
•••• Producción de agua desmineralizada.
Gran número de procesos industriales precisan utilizar agua desmineralizada, es
decir, exenta de todas las sales minerales que habitualmente posee en solución. El
procedimiento utilizado tradicionalmente para desmineralizar el agua ha sido el
intercambio iónico. Sin embargo, tras la aparición de membranas de baja presión,
cuando el contenido en sales del agua de partida supera los 500 L
mg es más
interesante, desde el punto de vista económico, eliminar del agua la mayor parte de las
sales con una ósmosis inversa finalizando su desmineralización total mediante el
intercambio iónico.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 163
La ósmosis inversa también se utiliza, instalada en cabeza del tratamiento, para
alargar lo ciclos de producción de los intercambiadores de iones cuando éstos se
reduzcan, debido al aumento de la salinidad del agua de partida. Esta solución permite,
además de aprovechar las cadenas de desmineralización y multiplicar por 10 ó 20 el
tiempo transcurrido entre dos regeneraciones consecutivas, reducir el consumo de agua
y el costo de producción del metro cúbico de agua desmineralizada, así como rebajar
las cantidades de ácido y sosa cáustica vertidas al medio ambiente.
•••• Producción de agua ultrapura.
El agua destinada a la industria presenta, además de sales disueltas, una gran
variedad de sustancias orgánicas, la mayor parte de las cuales son ácidos húmicos y
fúlvicos. También pueden existir microorganismos como bacterias, hongos y algas que
contribuyen a aumentar el contenido total de sustancias orgánicas.
Algunas industrias requieren para sus procesos que el agua esté exenta no sólo de
materias en suspensión y sales disueltas, sino también de todas esas sustancias
orgánicas. Un agua de estas características recibe el nombre de agua ultrapura.
Entre las industrias que precisan esta calidad, se pueden citar:
1. Centrales de producción de energía eléctrica.
2. Fábricas de semiconductores y componentes electrónicos.
3. Industrias farmacéuticas.
En todas estas industrias, la detección y eliminación de las sustancias orgánicas
señaladas tiene una gran importancia. Las técnicas disponibles en la actualidad para
evaluar dicho contenido en el agua de proceso son múltiples, si bien la más utilizada
suele ser la del Carbono Orgánico Total (TOC). En la siguiente tabla se recogen los
contenidos máximos admisibles en las aguas de proceso de las industrias señaladas:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 164
Tabla XXXII – Contenidos máximos admisibles en las aguas de proceso de industrias.
Industria TOC máximo (ppb) Central de producción de energía eléctrica 100 – 300 Fábricas de semiconductores < 50 Industrias farmacéuticas < 10
Existen diversas técnicas para reducir el TOC del agua de alta pureza, pudiendo citar
entre otras:
1. Adsorción sobre carbón activo.
2. Retención sobre resinas aniónicas (scavengers).
3. Radiación ultravioleta.
4. Ultrafiltración.
5. Ósmosis inversa.
Los procesos de tratamiento del agua incorporan en general una o varias de estas
técnicas. El grado de eliminación de las sustancias orgánicas depende del orden en que
se coloquen dichas técnicas, así como de la naturaleza de las sustancias.
A título de ejemplo, la Figura 75 recoge el proceso de tratamiento existente en una
fábrica de componentes electrónicos donde se muestra el contenido en TOC (expresado
en ppb) del agua en cada etapa del proceso. Puede verse que la mayor parte de la
reducción del TOC se produce en la ósmosis inversa.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 165
Figura 75 – Tratamiento del agua de proceso en una fábrica de componentes electrónicos
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 166
1.7 DESCRIPCIÓN DE LAS DISTINTAS INSTALACIONES.
1.7.1. Pretratamiento.
Para que una planta de ósmosis inversa funcione sin problemas, es preciso que se
cumplan las tres condiciones siguientes:
1. Que posea un pretratamiento adecuado.
2. Que el sistema de ósmosis inversa esté bien diseñado.
3. Que la explotación y el mantenimiento se realicen correctamente.
Los tres factores anteriores son de gran importancia, pero de ellos, un pretratamiento
adecuado del agua bruta es fundamental y básico para conseguir una operación
satisfactoria de la instalación, en cuanto a su operación y mantenimiento. Un
pretratamiento correctamente diseñado y operado eliminará prácticamente todos los
problemas. El pretratamiento se requiere en la ósmosis inversa por tres razones de
prevención:
1. Incrustación: el objetivo primordial del pretratamiento es evitar depósitos de
sales incrustantes, fenómeno que ocurre en todos los procesos de desalación de
agua. La tendencia incrustante del agua que va pasando sobre las membranas se
agrava notablemente por la alta concentración de sales en la capa límite, si los
flujos se hacen laminares. De esta forma, si existe un descuido en el
pretratamiento se comienza a formar una capa de incrustación sobre las
membranas, que provoca una disminución en el rendimiento de la planta o un
aumento en la presión de operación debido a que las capas de incrustación son
muy impermeables y ofrecen gran resistencia al paso de producto. Si el
problema que está ocasionando la incrustación no se detecta y se resuelve, el
depósito de sales incrustantes en las últimas membranas, que están expuestas a
la salmuera más concentrada, puede crecer lo suficiente como para comenzar a
obstruir los canales de salmuera de los elementos. Una vez que esto ocurre, la
presión diferencial sube notablemente y se corre el peligro de dañar los
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 167
elementos. La incrustación se localiza en los últimos elementos del sistema y
progresa lentamente de atrás hacia delante hasta los primeros. Se detecta
abriendo la tapa de los tubos de presión en la salida del sistema, e
inspeccionando y pesando los elementos.
2. Ensuciamiento: el ensuciamiento con arena, materia orgánica o material
coloidal puede repercutir en una obstrucción física de los canales hidráulicos de
los elementos. Si se determina oportunamente que las membranas han sufrido
ensuciamiento, el 99% de las veces es posible parar, efectuar una limpieza con
detergente y restaurar la planta de ósmosis a su condición original. Sin embargo,
si el bloqueo de los canales hidráulicos de los elementos no se corrige a tiempo,
se producen presiones diferenciales excesivas y deformación mecánica del rollo
espiral de membranas. El ensuciamiento comienza por el extremo de la
alimentación y progresa hacia la parte posterior del sistema, pudiendo detectarse
inspeccionando y determinando el peso de las primeras membranas del sistema.
3. Ataque bacteriano o químico a las membranas: estos ataques dañan
irreversiblemente a la capa de rechazo de sales de la membrana y permiten el
paso relativamente libre de sales y de agua. Se detectan porque ocurren en las
primeras membranas del sistema, empeora gradual y uniformemente en todos los
tubos de un mismo paso y se va propagando hacia las membranas ubicadas en la
descarga del sistema. El otro factor que delata un ataque a las membranas es la
disminución gradual en la presión de operación normalizada del sistema en
condiciones constantes de productividad al mismo tiempo que va subiendo la
conductividad del producto. Una manera clave de confirmar que se trata de un
problema de ataque a las membranas consiste en hacer un análisis de la dureza
del producto. La membrana rechaza más del 99% de la dureza aunque esté
bastante dañada. Es importante conocer que los daños químicos o bacterianos a
las membranas son normalmente irreversibles y hay que detectarlos,
diagnosticarlos y atacarlos antes de que se deterioren fuera de su rango útil.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 168
► Diseño de los pretratamientos.
Para diseñar una planta de ósmosis inversa y predecir su rendimiento es importante
obtener un análisis exacto y completo del agua de alimentación. Dicho análisis, junto
con los criterios básicos de diseño, es el primer paso esencial en el diseño no sólo de un
sistema de ósmosis inversa, sino también para el pretratamiento asociado. El análisis
deberá incluir:
1. Composición iónica requerida para el diseño y dimensionamiento de la ósmosis
inversa.
2. Otros constituyentes que podrían afectar al rendimiento de las membranas.
3. Materias en suspensión y coloidales.
4. Actividad biológica y compuestos orgánicos.
Para el diseño apropiado de un pretratamiento de agua correspondiente a una planta
de ósmosis inversa, hay que considerar cinco fuentes potenciales de depósitos sobre las
membranas:
1. Precipitados de sales minerales: las incrustaciones en los módulos son
causadas normalmente por la precipitación de sales minerales débilmente
solubles (CaCO3, CaSO4, BaSO4, SrSO4, CaF2 y SiO2). La potencialidad de
precipitados de cualquier agua de alimentación se determina a partir de los
análisis del agua, de la conversión del sistema de ósmosis inversa y de los
límites de solubilidad de las diferentes sales, y es el resultado de la acción de
concentración del proceso de ósmosis inversa, por lo que también dependerá del
factor de conversión de trabajo. Los precipitados de las sales minerales pueden
ser controlados operando la planta de ósmosis inversa a una conversión
determinada que permita no exceder los límites de solubilidades de las sales
débilmente solubles. Sin embargo, este enfoque no resulta económico en plantas
de cierta capacidad y, en muchos casos, se prefiere la eliminación de algunos de
los iones que forman los compuestos de precipitados. A continuación se
describen los diferentes pretratamientos que se emplean normalmente:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 169
o Control del CaCO3 (agua de mar):
� Acidificación: los límites de solubilidad para el CaCO3 no están
bien definidos para el agua de mar. El agua de mar superficial
típicamente contiene una alcalinidad total de aproximadamente
Lmg120 (como CaCO3) con un pH de aproximadamente 8.2. El
criterio utilizado para determinar la necesidad de control de
precipitado de CaCO3 está basado en el Índice de Estabilidad de
Staff y Davis (S&DSI) del flujo de salmuera, que determina la
posibilidad de precipitación cristalina del CaCO3 sobre las
membranas para aguas salinas y marinas. Esto se estima a partir del
análisis del agua de alimentación, la conversión del sistema de
ósmosis inversa y el rechazo de diversos iones por las membranas.
Para la acidificación del agua de alimentación se emplea
normalmente H2SO4, usándose como alternativa el HCl por razones
de disponibilidad casi exclusivamente, ya que su coste es mayor.
� Adición de dispersante: existen diversos dispersantes o inhibidores
de precipitación comerciales que pueden utilizarse. La mayoría de
ellos producen un estado metaestable y retrasan la precipitación. La
adición de un dispersante como alternativa a la acidificación, es una
práctica habitual en las plantas de pequeña capacidad, pues
normalmente se trabaja a baja conversión y se valora positivamente
el empleo de reactivos de fácil manipulación. En contrapartida,
cuando se trata de plantas de cierta capacidad, el uso de
dispersantes suele estar contraindicado por el proceso y por los
costos de explotación. Cuando se emplea un dispersante para
impedir el precipitado del CaCO3 se han de considerar diversos
factores:
� Compatibilidad química con los diversos materiales utilizados
en la fabricación de los módulos, en especial con las
membranas.
� Eficacia con S&DSI positivo.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 170
� Toxicidad con respecto a manipulación y presencia en el agua
potable y en la salmuera.
� Coste.
� Aspectos medioambientales relacionados con el vertido de
estos compuestos con el rechazo.
o Sulfatos (BaSO4, CaSO4, SrSO4): si el BaSO4, CaSO4 o SrSO4 se hallan
presentes en el agua de alimentación, se deben realizar cálculos para
determinar si la solubilidad de estas sales será superada en el flujo de
concentrado. Si a una conversión dada la solubilidad de una o más de
estas sales es superada, se hará necesario un pretratamiento para impedir
el precipitado de dichas sales sobre las membranas. A continuación se
detallan los tipos de pretratamientos que se suelen utilizar para evitar
estos precipitados:
� Control de la conversión: si el límite de solubilidad de cualquier sal
sulfatada es superada en el flujo de concentrado, puede disminuirse
la conversión para impedir el precipitado, siendo éste el método
más práctico para impedir el precipitado de sulfato. Todos los
cálculos para determinar el potencial precipitado de sulfato se
tienen que realizar utilizando el análisis del agua de alimentación
acidificada. De esta forma, si la adición de H2SO4 incrementa el
contenido en sulfatos del agua y de ello resulta un problema de
precipitado de sulfato, se considerará el uso de HCl.
� Adición de dispersante: se puede utilizar un dispersante para evitar
el precipitado de los sulfatos, siendo el más utilizado el
hexametafosfato sódico. Como existe un estado metaestable con
respecto al precipitado, durante la parada de la planta debe lavarse
el sistema de ósmosis inversa para que la solución supersaturada se
elimine de las membranas.
2. Precipitados de óxidos metálicos: las aguas brutas dependiendo de su origen,
pueden contener sales solubles de ión Fe2+ y/o de ión manganeso. Por oxidación,
estos iones forman hidróxidos insolubles que pueden precipitar en el interior de
los módulos y afectar perjudicialmente al rendimiento del sistema de ósmosis
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 171
inversa. Otra fuente de óxidos metálicos insolubles es la correspondiente a los
productos de corrosión de las tuberías y demás equipos del propio sistema de
ósmosis inversa. A continuación se estudian de manera más detallada los
problemas citados y los posibles pretratamientos adecuados para su corrección:
o Hierro: si el hierro se mantiene soluble en su forma Fe2+, no presenta
problema alguno para el proceso de ósmosis inversa, ya que será
rechazado eficazmente como cualquier ión bivalente, y por tanto no se
produciría su precipitación. No obstante, si el ión es oxidado (por acción
del cloro, aire…) a ión Fe3+, se formará el hidróxido de hierro (III) que
precipitaría en el interior de los módulos. Cuanto más bajo sea el pH del
agua, más se retarda la oxidación del ión ferroso.
� Desendurecimiento por intercambio iónico: por medio de un
desendurecedor (resina catiónica en ciclo sodio) se eliminará el
Fe2+ junto con la dureza. A su vez, se tendrá que tener mucho
cuidado para evitar cualquier contacto del aire con el agua bruta
antes de su entrada al desendurecedor, pues el Fe(OH)3, como
producto de la oxidación, podría ensuciar el lecho de resina. Esta
técnica se emplea en aguas salobres y sólo cuando los niveles de
Fe2+ son bajos
Lmg1 .
� Oxidación – filtración: el ión Fe2+ puede ser oxidado por la acción
del aire, cloro o permanganato potásico para formar hidróxido de
hierro (III), que puede ser eliminado por filtración sobre lecho de
arena. Si se utiliza Cl2 o KMnO4 para la oxidación del ión, el
exceso (concentración libre residual) de oxidante se debe reducir
obligatoriamente hasta los límites máximos permisibles por el
fabricante de las membranas, ya que en caso contrario dañaría
irreversiblemente a las mismas.
� Ablandamiento por cal: si la instalación incluye un ablandamiento
por cal para el control del precipitado de CaCO3, eliminará el hierro
como ventaja adicional, ya que operando el proceso a un pH alto, el
Fe2+ se oxidará rápidamente pasando de Fe(OH)3 y precipitará
posteriormente. Los productos de corrosión procedentes de tuberías
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 172
de acero al carbono o galvanizadas son normalmente óxidos de
hierro. Para evitar el precipitado de los productos de corrosión
sobre las membranas hay que recurrir a materiales apropiados que
anulen cualquier posibilidad de corrosión, y en este sentido se
seleccionarán los materiales plásticos y aceros inoxidables
altamente aleados, especialmente para agua de mar.
o Manganeso: el manganeso aparece en el agua junto con el hierro y
precipita con él, siguiendo los procesos descritos.
o Alumminio: el aluminio puede estar presente en el agua bruta por dos
motivos:
� Por vía natural, como el hierro y el manganeso.
� Como consecuencia de un proceso de coagulación/floculación
mediante sulfato de alúmina en los suministros de agua municipal.
3. Partículas: las partículas de gran tamaño causan atascamiento en los módulos,
pues no pueden atravesar el espacio entre la alimentación y el concentrado en el
interior de los mismos. Todas las plantas de ósmosis inversa deben incluir filtros
de cartuchos, instalados antes del bombeo de alta presión y como última etapa
del pretratamiento. Estos filtros protegen el bombeo de alta presión, así como los
módulos contra cualquier partícula abrasiva. El grado de filtración de los
cartuchos depende de la calidad del agua y del tipo de membranas.
4. Materias coloidales: las materias coloidales orgánicas o inorgánicas se
mantienen en suspensión en el agua, debido a su carga neta negativa. Como
consecuencia del proceso de la ósmosis inversa, los coloides se encuentran sobre
la superficie de las membranas y se desestabilizan precipitando sobre las
mismas. Dicha precipitación forma una capa gelatinosa que empeora el
rendimiento del módulo, aumentando el paso de sales y reduciendo la
productividad. El alcance de la precipitación depende de la configuración o tipo
de membrana. De esta forma, el grado de pretratamiento requerido para prevenir
el ensuciamiento coloidal es mayor en el caso de membranas de fibra hueca que
para las membranas espirales. Sin embargo, cabe señalar que en el diseño de
plantas de gran capacidad donde se requiere una baja frecuencia de limpiezas el
pretratamiento será similar en el caso de membranas de fibra hueca o de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 173
membranas espirales. La concentración de coloides se expresa por el índice de
densidad de sedimentos o de ensuciamiento, expresado con las siglas SDI (Silt
Density Index). Los límites máximos admisibles del SDI, que en cierto modo
fijan el tipo de pretratamiento requerido para las materias coloidales, son los
siguientes:
o SDI < 3 para membranas de fibra hueca.
o SDI < 5 para membranas espirales.
A continuación se definen los pretratamientos más empleados para la
eliminación de materias coloidales y sólidos en suspensión en general:
o Filtración sobre Tierras de Diatomeas: este proceso se emplea para
disminuir el SDI pasando el agua a través de un fino lecho filtrante que
ha sido aplicado como una precava sobre un soporte poroso. El lecho
filtrante está compuesto por Tierras de Diatomeas y permite conseguir
valores del SDI inferiores a 2.
o Filtración sobre lecho filtrante: la filtración sobre un lecho de arena o de
arena y antracita permite reducir el SDI del agua bruta a la mitad. Esta
reducción se debe a la filtración mecánica y a los mecanismos
electrocinéticos entre los propios coloides y el lecho filtrante. Estos tipos
de filtros de materia coloidal se instalan antes de los filtros de cartucho
citados anteriormente. Siempre es conveniente efectuar ensayos de
filtrabilidad en planta piloto para determinar el lecho y la velocidad de
filtración más idónea para la reducción del SDI del agua.
o Coagulación – floculación – filtración: normalmente, la reducción del
SDI por filtración va acompañada de una coagulación – floculación
previa de los coloides, para una mayor eliminación de los mismos. En
este sentido se emplean dos procesos básicos:
� Coagulación – floculación en línea: esta técnica consiste en la
adición de un coagulante en el agua bruta, asegurándose de la
mezcla eficaz para la formación de microflóculos que serán
retenidos a su paso por el lecho filtrante. Para la coagulación se
emplean sales de aluminio y hierro y polielectrolitos catiónicos, ya
que si emplean polielectrolitos aniónicos y se produce una fuga o
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 174
exceso de los mismos durante el proceso de coagulación –
floculación, se origina un ensuciamiento muy rápido de las
membranas de ósmosis inversa, por tener éstas una carga iónica en
la superficie de rechazo de sales (generalmente, carga catiónica).
� Coagulación – floculación – sedimentación – filtración: cuando se
trata de aguas brutas con un SDI superior a 30 se precisa llevar a
cabo la coagulación – floculación en un decantador – clarificador
de recirculación de fangos. En estos casos se emplea una sal de
hierro y un polielectrolito catiónico como ayudante del agua
inorgánico. Los flóculos formados sedimentan en el decantador y el
agua clarificada pasa a continuación, generalmente por gravedad,
por la filtración.
o Microfiltración: es una alternativa viable a los pretratamientos clásicos
de doble filtración del agua de mar para desalación. Un hecho muy
influyente es que las membranas de microfiltración son muy resistentes a
agentes oxidantes muy comunes en la desalación de agua de mar, como
son: cloro, ozono, permanganato potásico…
5. Sustancias biológicas: los depósitos biológicos ocurren cuando el agua de
alimentación contiene suficientes nutrientes para establecer un rápido
crecimiento de organismos en el interior de los módulos. Este crecimiento puede
conducir a la deposición y consiguiente empeoramiento de su rendimiento. Las
membranas de poliamida (PA) y de película delgada de material compuesto no
son susceptibles a este tipo de organismos.
6. Aceites y grasas: los aceites y las grasas forman una capa hidrofóbica sobre las
membranas. Dicha capa repele el agua y disminuye notablemente la
productividad de la planta de ósmosis inversa. El ensuciamiento con aceite y
grasa normalmente es reversible con un lavado con detergente, aunque si el
ensuciamiento es muy grave, se necesita efectuar un enjuague con disolvente.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 175
→→→→ Pretratamientos en las plantas desaladoras de agua de mar.
El pretratamiento del agua de mar sirve para garantizar las condiciones óptimas del
agua de alimentación al bastidor de ósmosis inversa, desde el punto de vista de las
propiedades físicas y químicas. Considerando las diferentes características del agua de
alimentación en función de su origen, el pretratamiento que se precisa podría constar de
las siguientes etapas:
1. Dosificación de ácido sulfúrico: la inyección de ácido sulfúrico al agua de
alimentación se realiza con el objeto de aumentar el caudal de agua producida
por las membranas y compensar las pérdidas de caudal que se producen en
invierno al disminuir la temperatura del agua. Asimismo, mediante la adición del
ácido sulfúrico se logra controlar el pH de alimentación a las membranas y
rebajar los niveles de carbonatos y bicarbonatos. El quipo dosificador suele
constar de una bomba dosificadora por cada dos líneas de producción, una
adicional de reserva y dos depósitos de almacenamiento. El ácido sulfúrico
utilizado presenta una cierta variabilidad en cuanto a sus características, en
función del fabricante que suministre el producto. Los dos datos básicos que
deben conocerse para realizar los cálculos necesarios y obtener la dosificación
correcta en cada caso son el porcentaje de concentración y el peso específico del
producto comercial.
2. Adición de coagulante: el coagulante más utilizado es el cloruro de hierro (III),
aunque también pueden utilizarse distintos polímeros. Mediante la adición de un
coagulante en el agua bruta se pretende que se formen microflóculos que serán
retenidos a su paso por los filtros de multicapa. La adición del cloruro de hierro
(III) tiene lugar en dos puntos del colector general de agua de alimentación, lo
suficientemente alejados de los filtros como para favorecer el efecto del
coagulante. Como consejo de diseño, se suele usar la cifra aproximada de
dosificación de cloruro férrico de L
mg2 en el caso de aguas procedentes de
toma directa, y de L
mg5 en el caso de toma mediante pozos costeros.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 176
3. Adición de hipoclorito sódico: para la eliminación de materia orgánica en el
agua de mar se puede dosificar cloro, cuya acción será más eficaz a pH bajo. La
adición del producto se ha de realizar en línea y lo más alejado posible de los
filtros de arena para dar el máximo tiempo de contacto. Se dispone para ello de
una bomba dosificadora regulable desde el 10% al 100% de su capacidad por
cada dos líneas de producción, más una de reserva. La dosis de hipoclorito
sódico que se adiciona suele ser como máximo de L
mg5 (toma de pozos) o de
Lmg7 (toma directa). El hipoclorito se suministra a los depósitos en
disolución, pero debido a que el cloro es muy volátil se instala en la parte
superior del depósito una tubería de PVC provista de una válvula de retención
que impide el retorno del cloro gaseoso al tanque. Esta tubería debe conducir el
cloro gaseoso hasta un separador hidráulico que disuelve nuevamente el cloro
para, posteriormente, mediante la apertura de la válvula de compuerta, conducir
el cloro en disolución hasta el desagüe.
4. Adición de inhibidor de incrustaciones: con objeto de evitar la precipitación
de determinadas sales en las membranas se puede dosificar un inhibidor de
incrustaciones antes o después de la filtración de seguridad. Las bombas
dosificadoras suelen ser regulables desde el 10 al 100% de su capacidad
máxima, instalándose una bomba dosificadora por cada dos bastidores más una
de reserva. Como inhibidor de incrustaciones puede utilizarse hexametafosfato
sódico con una dosificación máxima de L
mg5 . Con objeto de facilitar la
disolución del producto, los depósitos van provistos de una toma de agua de
servicio.
5. Adición de bisulfito sódico: para eliminar la eventual presencia de agentes
oxidantes en el agua de mar y mantener un ambiente reductor en el sistema, se
puede instalar un equipo de dosificación de bisulfito sódico (agente reductor).
La adición debe realizarse en dos puntos del colector general del agua de
alimentación, antes y después de los filtros, y va seguido de un mezclador que
facilite su rápida acción reductora.
6. Filtración sobre arena: la filtración de arena tiene por objetivo la eliminación
de las partículas en suspensión presentes en el agua de alimentación. La
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 177
granulometría y características del lecho filtrante dependen de las características
del agua y deben ser las adecuadas para cada caso. Con objeto de lograr una
mayor flexibilidad en la operación del sistema, tras estas etapas de filtración el
agua se almacena en un depósito, llamado depósito de transferencia, desde el
que se bombea posteriormente el agua filtrada hasta los filtros de cartucho, para
desde ahí alimentar a la aspiración de las bombas de alta presión.
7. Filtración sobre cartuchos: una vez que el agua de alimentación ha recibido las
dosificaciones de reactivos adecuados y ha sido filtrada, es conducida al proceso
de filtración con cartuchos. Esta parte del proceso suele constar de dos carcasas
de filtros de cartucho por línea de producción, dentro de los cuales se instalan
los cartuchos filtrantes, de selectividad cinco micras nominales, bobinados con
hilo de polipropileno. Los filtros de cartucho protegen a las bombas de alta
presión contra cualquier partícula abrasiva que pueda ocasionar daños a los
impelentes, y a las membranas contra el taponamiento u obstrucción de los
canales hidráulicos. Estos filtros pueden ser tanto de materiales plásticos como
metálicos, recubiertos interiormente contra la corrosión, y van provistos de una
válvula para el venteo y otra para su purga (Figura 76).
Figura 76 – Filtros de cartucho
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 178
► Captación del agua de mar.
El tipo de captación del agua de mar a realizar tiene una gran importancia en el
diseño de las plantas de ósmosis inversa, ya que la calidad del agua de mar repercute
directamente sobre la intensidad, coste y dificultad de operación del pretratamiento que
se debe realizar al agua de alimentación de la planta antes de llegar a las membranas de
ósmosis inversa. Existen dos tipos básicos de captación de agua de mar:
1. Captación mediante pozos: en este caso, la captación de agua de mar se realiza
mediante pozos próximos al mar que permiten la extracción de agua de mar con
los caudales necesarios para cubrir las necesidades de cada caso, teniendo en
cuenta igualmente la calidad exigida para el uso y el rendimiento de la planta.
Para realizar una previsión del número de pozos necesarios para obtener el
caudal de diseño de una planta desaladora es preciso conocer la productividad
que tendrán los pozos. Para ello, se debe comenzar por hacer un estudio
hidrogeológico de las posibles zonas donde construir los pozos para la toma de
agua de mar. Una vez finalizado dicho estudio, se deben realizar unos pozos de
investigación y los bombeos de ensayo necesarios, que servirán para decidir si la
zona estudiada es realmente la mejor para ubicar posteriormente los pozos de
explotación. Los sondeos de explotación deben entubarse con tuberías que
soporten la salinidad del agua de mar. Actualmente se utilizan materiales como
el PVC y el PRFV (poliéster reforzado con fibra de vidrio), que presentan una
alta resistencia a la corrosión. En el interior de dichos sondeos se instalan las
bombas de impulsión de agua de alimentación, por lo que se trata de bombas
sumergibles de características y materiales adecuados para el agua a tratar. La
descarga de cada una de estas bombas debe estar provista de una válvula de no
retorno, una válvula de aislamiento motorizada, un presostato, un indicador y un
transmisor de presión.
2. Captación mediante toma directa del mar o toma abierta: La captación de
agua de mar mediante toma abierta se suele utilizar cuando el volumen de agua a
suministrar es muy elevado y éste no puede obtenerse mediante pozos. Para este
tipo de captación se debe considerar la instalación de varias tuberías submarinas
conectadas, por el extremo del mar, a un dado de hormigón y por el otro extremo
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 179
a unos decantadores que desembocan en la balsa de toma. Los emisarios
submarinos de captación deben estar construidos en un material flexible y
resistente a la corrosión, por lo que se suele utilizar polietilieno (PE) o PRFV.
Su instalación debe evitar la influencia del oleaje, por lo que se debe instalar a
una cierta profundidad. Asimismo, se debe buscar una profundidad con aguas lo
más limpias posible y dotar al colector de filtros de rejilla que eviten su
obstrucción, así como un sistema de limpieza adecuado. Desde la balsa de
recepción y atendiendo a la capacidad de producción de la planta, se bombea el
agua de mar mediante bombas centrífugas verticales directamente a los filtros de
arena. En general, se instalan tantas bombas de agua de mar como bastidores de
ósmosis inversa, más dos de reserva que se pondrían en marcha en caso de
avería de alguna de las otras. El material de las bombas que suele utilizarse es
acero AISI – 904 L y cada una de ellas irá dotada de un sistema de cebado por
vacío propio e independiente. La descarga de cada una de estas bombas va
provista de una serie de dispositivos de control y seguridad tales como: una
válvula de no retorno, una válvula de aislamiento motorizada, un presostato, un
indicador y un transmisor de presión. Cada una de estas descargas de las bombas
va a un colector de impulsión de agua de mar a la filtración. El material de la
tubería de aspiración e impulsión de estas bombas es conveniente que sea de
PRFV. La tubería de conducción del agua desde la toma de agua de mar hasta la
planta desaladora de ósmosis inversa es recomendable construirla en PRFV y
colocarla enterrada en zanjas con lecho de arena. Las características del agua de
alimentación de la planta son de vital importancia para el diseño y posterior
funcionamiento de la misma. Con objeto de controlar estas características y
evitar posibles problemas posteriores de funcionamiento debidos a variaciones
en la calidad del agua de alimentación, en cada una de las tuberías de entrada a
la planta es conveniente la instalación de una serie de dispositivos de
instrumentación, que deben estar conectados directamente con la sala de control
para su registro. Los dispositivos que midan los parámetros más críticos deben,
además, disponer de un indicador de alarma en la sala de control. La
instrumentación necesaria es la siguiente:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 180
o Medidor de pH del agua de mar, con indicador de alarma por alto y bajo
pH.
o Conductivímetro, con indicador de alarma.
o Medidor de temperatura.
o Caudalímetro.
o Medidor de pH – ORP del agua filtrada, con alarma por alto y bajo pH.
o Medidor de cloro del agua de alimentación a los grupos de alta presión,
con alarma por presencia de cloro.
o Indicador de presión antes de los filtros multicapa, para regulación de las
bombas de los pozos.
o Indicador de presión antes de filtros cartucho.
o Indicador de presión antes de las bombas de alta presión.
Todos estos dispositivos permiten el perfecto control de las características del
agua de alimentación desde la toma de agua de mar hasta las membranas de
ósmosis inversa. La tubería de conducción de agua del mar desde la impulsión a
los filtros multicapa se suele proveer de una bifurcación próxima a la toma de
agua de mar consistente en otra tubería de PRFV, cuya misión es la de permitir
el retorno del agua al mar en caso de que sea necesario.
1.7.2. Postratamientos.
Los tratamientos de afino tienen por objeto completar los procesos sufridos por el
agua, dejándola lista para el uso al que esté destinada. En función de este uso, será
necesario realizar más o menos postratamientos, con objeto de adecuar el agua a la
legislación vigente y a las necesidades del usuario final. Los postratamientos más
comunes son:
1. Eliminación del CO2 libre: las membranas de ósmosis inversa permiten el
paso, casi en su totalidad, de los gases presentes en el agua. Si el pH de la misma
ha sido corregido antes de su envío hacia la unidad de ósmosis inversa, todo el
CO2 libre producido atravesará la membrana apareciendo en el perneado. Esta
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 181
circunstancia confiere al perneado una cierta acidez. Para eliminar el CO2 libre y
subir al mismo tiempo el pH del agua tratada, se hace pasar ésta a través de un
desgasificador atmosférico. Este aparato consiste en una torre rellena de anillos
Raschig, Pall o similares, por encima de los cuales se pulveriza el agua a
desgasificar. Por la parte inferior de la masa de relleno se inyecta aire a
contracorriente con el agua. Al disminuir la presión parcial del CO2, de acuerdo
con la ley de Henry, se reduce su solubilidad y el CO2 en exceso que se
desprende es arrastrado con el aire.
2. Corrección del pH: si la concentración del CO2 en el permeado es inferior a
Lmg60 , no es rentable utilizar un desgasificador atmosférico para subir el pH.
En tal caso, el pH del agua se corrige añadiendo NaOH en forma líquida al
permeado, procedente de los correspondientes depósitos de almacenamiento,
mediante bombas inyectoras, antes de la entrada del agua al depósito del
producto.
3. Esterilización: aunque, teóricamente, las membranas de ósmosis inversa
presentan un rechazo de pirógenos, virus y bacterias del 100%, en la práctica el
perneado puede contener alguno de estos elementos. Por tanto, es necesario
esterilizar el agua mediante cloración, ozonización o radiación ultravioleta.
4. Desmineralización total: cuando el agua se utiliza para alimentar una caldera o
en procesos que requieran agua desmineralizada, se complementa el tratamiento
con una desmineralización total mediante resinas cambiadoras de iones.
1.7.3. Almacenamiento e impulsión del agua producida.
El agua producida por los bastidores de ósmosis inversa es conducida a un tanque de
almacenamiento de agua producto para, desde allí, ser impulsada a los correspondientes
depósitos reguladores. Este depósito está provisto de un dispositivo para la purga del
aire e inspección de un indicador de nivel. Igualmente, en el fondo del mismo existe una
válvula de mariposa para su vaciado. Junto a este depósito construido en hormigón
armado se suele edificar una nueva instalación destinada a ubicar las bombas de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 182
impulsión de producto y el dispositivo para evitar el golpe arite de la tubería de
impulsión.
El colector general de suministro del agua producto de la planta se suele instalar de
fundición centrifugada y del timbraje adecuado a las presiones que ha de soportar. En
éste se instalan como dispositivos de instrumentación:
1. Un caudalímetro con de un transmisor indicador conectado a un contador en el
panel central.
2. Un indicador local de presión en la descarga de cada una de las bombas.
3. Un interruptor de presión en la descarga de cada una de las bombas.
4. Un medidor de conductividad con transmisor indicador de alarma y registrador
de la misma en el panel central.
1.7.4. Evacuación de los vertidos de las plantas desaladoras.
La eliminación de los vertidos de las plantas desaladoras puede suponer un factor
limitante para la viabilidad medioambiental de las mismas.
Dentro de los diferentes vertidos de las plantas desaladoras, el agua de rechazo de las
plantas (salmuera) es el mayoritario, ya que supone alrededor del 98.5% del caudal total
vertido por una planta desaladora. Este vertido se realiza de forma continua y puede
tener una salinidad de entre 65000 y 78000 L
mg , el doble de la salinidad del mar. Esta
diferencia de salinidades es suficiente como para dificultar su mezcla, debido a la gran
diferencia de densidad entre ambos fluidos.
El 1.5% restante de los vertidos de las plantas desaladoras de agua de mar está
compuesto por el agua de retrolavado de los filtros de arena, los productos de limpieza
de membranas y, en su caso, los reactivos químicos de acondicionamiento del agua
bruta y agua producto.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 183
Para evacuar los caudales de aguas de rechazo de las plantas desaladoras se utilizan
los siguientes métodos de vertido:
1. Vertido a cursos de agua.
2. Estanques de evaporación (climas secos y grandes superficies).
3. Inyección en pozos profundos.
4. Regadíos (mezclado con aguas residuales de baja salinidad).
5. Vertido a la red de saneamiento.
6. Vertido al mar.
El vertido de salmuera de las desaladoras de agua de mar se realiza normalmente por
gravedad a través de emisarios o descarga directa a la costa, dependiendo de la orografía
del litoral.
1.7.5. Otras instalaciones.
► Agua de servicio a la planta.
El agua de servicio de la planta para la dilución de los productos químicos y otros
servicios, procede del tanque de almacenamiento de agua producto y es impulsada por
los hidrocompresores que se instalan a tal efecto. Todas las tuberías del agua de servicio
se instalan de PVC y de diferentes diámetros, según las necesidades.
► Sistema de limpieza de membranas.
La limpieza de las membranas se realiza siempre que se produzca una pérdida de
producción de las mismas, un incremento de su presión de alimentación o de la presión
diferencial, o siempre que lo considere oportuno la dirección técnica de la planta. El
sistema de limpieza consiste en un depósito de capacidad suficiente fabricado
normalmente en fibra de vidrio con resistencia eléctrica para calentar el agua (lo que
mejora sensiblemente la eficiencia de la limpieza) y agitador para facilitar la mezcla de
reactivos químicos. La solución de limpieza se bombea a las membranas mediante la
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 184
bomba de limpieza que la impulsará, previo filtrado mediante filtros de cartuchos de
selectividad de 5 micras, hasta el bastidor de membranas a través de una instalación fija
de tuberías en PRFV. La solución de limpieza debe acceder a las tuberías de alta
presión, y con ello a las membranas, mediante la apertura de una válvula tipo LUG de
alta presión que se conecta al sistema de limpieza. Tras su paso por las membranas, la
solución de lavado retorna al depósito de limpieza mediante la apertura de otra válvula
de alta presión tipo LUG que comunica el lado de rechazo del bastidor de alta presión
con la conducción en PRFV de retorno al depósito. Es conveniente que la instalación se
diseñe para la limpieza por tubos de presión, lo que permite mantener los restantes tubos
del bastidor en operación.
El depósito se debe diseñar de una capacidad tal que permita desplazar todo el agua
del sistema por el que ha de circular la solución de limpieza, incluyendo el volumen de
agua en las tuberías y en los módulos de ósmosis inversa.
Se instalan dos bombas de limpieza debido a que una de ellas ha de actuar como
bomba de desplazamiento, que se usa en caso de paradas de corta duración haciendo un
desplazamiento con el propio agua de alimentación de la planta. En caso de que se
quisiera mantener en recirculación las membranas con biocida se debe proceder de
manera análoga a una limpieza. En caso de desplazamiento con agua producto basta con
llenar el depósito de limpieza con agua producto y proceder a su bombeo con cualquiera
de las bombas de limpieza.
► Aire comprimido de instrumentación.
Estas instalaciones se dividen en las siguientes partes:
1. Compresor de aire: su principal objetivo es suministrar aire comprimido al
punto de uso a la presión correcta y con la calidad adecuada. El aire que se
requiere para instrumentación ha de ser aire limpio y seco, pero la atmósfera
contiene siempre cierta cantidad de vapor de agua dependiente de la
temperatura. Cuando entra aire libre en el compresor su capacidad para retener
agua disminuye al ser comprimido, pero aumenta a causa de la subida de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 185
temperatura resultante de la energía empleada para reducir su volumen. En
condiciones típicas, el aire entra en la tubería de descarga con el mismo
contenido inicial de agua que entra en el compresor. Esta humedad se reduce al
mínimo, con el objeto de no dañar los instrumentos de aire, utilizando un
refrigerador final en la línea de descarga. En la instalación de los compresores de
aire se han de tener en cuenta los siguientes factores:
o Se deben situar en una zona con baja humedad para reducir el arrastre de
agua.
o Se deben localizar lejos de atmósferas contaminadas.
o Debe tenerse buen acceso en torno a la planta para facilitar su
mantenimiento.
o Los compresores deben estar tan cerca como sea posible del área
principal de trabajo, de modo que las caídas de presión sean mínimas.
2. Refrigerador final: se instala con el objeto de reducir la humedad contenida en
el aire, enfriándolo antes de pasar al depósito de aire. El refrigerador final se
sitúa próximo al compresor y antes del depósito de aire. Se utiliza agua como
refrigerante y se instalan válvulas de seguridad y un punto de drenaje. Se suelen
utilizar refrigeradores horizontales de haz tubular. Las ventajas que presenta la
instalación de este equipo son:
o El condensado favorece la corrosión y envejecimiento de las tuberías, lo
que, a su vez, produce pérdidas elevadas por rozamiento en las
conducciones.
o Se evitan expansiones térmicas en la tubería si la temperatura del agua es
demasiado alta.
o El lubricante empleado en las herramientas de aire comprimido se
emulsionaría, reduciendo la eficacia de los equipos.
3. Depósito de aire: es un recipiente que no sólo se usa con fines de
almacenamiento en las instalaciones de aire comprimido, sino también para
permitir igualar la presión en el sistema. Además de amortiguar pulsaciones y
mantener una presión uniforme, los depósitos de aire también reducen la
humedad en el aire comprimido al actuar como condensadores. Al ser un
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 186
recipiente a presión, el depósito de aire debe cumplir las reglamentaciones
correspondiente a este tipo de recipientes.
4. Secadores de aire: estos elementos están diseñados para reducir el punto de
rocío del aire por debajo del conseguido por los equipos anteriores, es decir,
reducir la temperatura del aire comprimido a un valor por debajo del que la
tubería de aire comprimido vaya a estar sometida en cualquier momento. Estos
secadores se instalan detrás del depósito y su uso es esencial para sistemas de
aire para instrumentación.
5. Tuberías de aspiración para compresores de aire: en su diseño se debe tener
en cuenta lo siguiente:
o Se debe montar un filtro de alto rendimiento para separar las partículas
extrañas. Este filtro debe tener elementos secos sustituibles y ser
accesible para su inspección y limpieza. Asimismo, el filtro de aspiración
se instala lo más cerca posible del compresor.
o Debe mantenerse la aspiración lejos de toda fuente de contaminación.
o La tubería ha de ser galvanizada.
o Para evitar condensaciones excesivas y pérdidas de presión el recorrido
de la tubería ha de ser corto.
6. Tubería de descarga del compresor al depósito de aire: en el diseño de la
tubería de descarga desde el compresor hasta el depósito de aire se ha de tener
en cuenta lo siguiente:
o Se debe montar una válvula de retención a la salida de cada uno de los
compresores.
o La tubería de descarga debe tener el diámetro de la salida del compresor
y será galvanizada por inmersión en caliente.
o Las conexiones finales de la tubería no deben ejercer esfuerzo alguno
sobre las bridas del compresor, refrigerador final y depósito del aire.
o La tubería ha de ser lo más corta posible, por lo que el depósito de aire
debe situarse cerca del compresor.
7. Lubricadores: aunque el objetivo de la instalación de aire comprimido es el de
suministrar aire limpio y seco, el arrastre de cierta cantidad de niebla de aceite
por el aire reduce la posibilidad de corrosión de las tuberías. Además de esto, la
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 187
lubricación es vital para ciertos equipos neumáticos, ya que reduce el rozamiento
y, por tanto, el desgaste, y además previene la corrosión de las partes móviles.
Básicamente, un lubricador consiste en un depósito de aceite diseñado de forma
que, cuando circula aire comprimido, una determinada cantidad de lubricante en
forma de nieve se incorpora a la corriente de aire y es arrastrado hacia el equipo
neumático para lubricar las partes móviles.
► Tuberías.
Como criterios en el diseño de las tuberías se suelen considerar la facilidad de
instalación y mantenimiento de las mismas, así como su mínimo trazado atendiendo al
flujo del proceso.
Tanto la tubería de impulsión de agua de mar en baja presión como la tubería de
salmuera en baja presión, se suelen construir de poliéster reforzado con fibra de vidrio
(PRFV), con resina vinilester de alta resistencia tanto al agua de mar como a los
productos químicos necesarios. Sendas tuberías discurren por el interior de zanjas de
canalización de tuberías que comunican los pozos de impulsión y el punto de vertido
con la planta desaladora. Las tuberías de agua de mar y salmuera en alta presión se
instalan de acero inoxidable con un contenido en molibdeno superior al 4.5%. Las
tuberías de productos químicos, excepto las del ácido sulfúrico que deben ser de acero
al carbono, son de PVC o polietileno, atendiendo a la longitud de las mismas. La tubería
de impulsión del agua de producto se construye normalmente de fundición centrifugada
y de timbraje adecuado a las presiones que ha de soportar.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 188
1.8 FUNDAMENTOS DE LA DESALACIÓN DEL AGUA
1.8.1. Introducción.
La desalación es un proceso por el cual el agua de mar puede convertirse en un
recurso hídrico perfectamente aprovechable, tanto para el abastecimiento humano, como
para el riego y usos industriales. El filósofo Aristóteles, observando la naturaleza captó
los principios físicos para separar el agua y las sales en los que se basan las tecnologías
modernas de la desalación. En la superficie del mar se produce una evaporación por la
que el vapor de agua se desprende, dejando la sal en el mar y pasando el vapor a la
atmósfera, que después dará origen a la lluvia, caerá a la tierra y volverá al mar,
completando el ciclo del agua en la naturaleza. En este principio se basa uno de los
procesos de desalación consistente en evaporar el agua del mar y después condensar el
vapor, obteniendo agua dulce en estado líquido.
Otro fenómeno que también se observa en la naturaleza es la captación del agua de la
tierra, que hacen las plantas. El agua penetra en la planta a través de la raíz, pasando a la
savia. Cuando se dejan las legumbres en agua, se ablandan y se hinchan porque el agua
pasa a través de la piel. Ante estos dos fenómenos, se observa que existen membranas
que separan las sales del agua, lo que se conoce con el término científico de ósmosis.
Estos fenómenos naturales de evaporación y ósmosis son la base de los procesos
técnicos de desalación que el hombre ha llegado a utilizar, desarrollando y controlando
estos procesos naturales. Este control a voluntad de estos fenómenos siempre se hace
aportando la energía imprescindible para lograr la separación de las sales y el agua.
En resumen, se puede decir que la desalación es el proceso de separación de sales de
una disolución acuosa, pero que puede ampliarse al proceso de separación del agua de
las sales, ya que existen tecnologías que realizan este proceso y el fin último a perseguir
es la separación de ambos componentes para el uso humano del agua dulce producto
(Figuras 77 y 78).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 189
Figura 77 – Diagrama de flujo de un sistema básico de ósmosis inversa de un paso, con recirculación de concentrado
Figura 78 – Esquema de un proceso de desalación
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 190
1.8.2. Diferencias entre agua dulce, agua de mar y salmuera.
Desde el punto de vista físico y químico, las diferencias entre el agua dulce, el agua
de mar y la salmuera sólo están en la distinta concentración de sales de cada una,
variando entre 0.5 gramos por litro en agua dulce, 34 en el agua de mar y 69 en la
salmuera. A simple vista no se puede diferenciar una de otra. Son tres líquidos
perfectamente transparentes, sin color ni olor, que sólo se distinguen por el sabor debido
a la diferente concentración de sales en cada una.
En el proceso de desalación, por cada litro de agua que se saca del mar, se obtiene
casi la mitad de agua dulce (0,45 litros) y algo más de la mitad de salmuera (0.55 litros).
Este balance es el que se refleja en el siguiente gráfico:
Figura 79 – Balance de desalación
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 191
1.9 PROCESOS DE DESALACIÓN
1.9.1. Introducción.
En la desalación se puede separar el agua de las sales o viceversa. Por lo tanto, la
primera clasificación de los métodos de desalación se basará en la forma de separación
de sales y agua. Las siguientes clasificaciones se harán según el tipo de energía utilizada
para el proceso, y finalmente por el proceso físico de la desalación. La siguiente tabla
muestra dicha clasificación de los métodos existentes:
Tabla XXXIII – Métodos de desalación existentes en el mercado.
SEPARACIÓN ENERGÍA PROCESO MÉTODO Destilación súbita
(flash) Destilación multiefecto
Termocompresión de vapor
Evaporación
Destilación solar Congelación
Cristalización Formación de hidratos
Térmica
Filtración y evaporación
Destilación con membranas
Evaporación Compresión
mecánica de vapor
Agua de sales
Mecánica Filtración Ósmosis inversa
Eléctrica Filtración selectiva Electrodiálisis Sales de agua
Química Intercambio Intercambio iónico
En todos métodos son especialmente importantes los sistemas de recuperación de
energía, para evitar un consumo desmesurado que haría impensable utilizar técnicas de
desalación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 192
1.9.2. Destilación súbita por efecto flash (MSF).
El proceso de destilación súbita por efecto flash es el primer proceso desalador por
destilación digno de mencionar. La desalación obtenida por destilación consiste en
evaporar agua para conseguir vapor que no contiene sales (éstas son volátiles a partir de
300º C): el vapor se condensa posteriormente en el interior o exterior de los tubos de la
instalación. Los sistemas desaladores suelen funcionar por debajo de la presión
atmosférica, por lo que necesitan un sistema de vacío (bombas o eyectores), además de
extracción del aire y gases no condensables.
La utilización de una cámara flash permite una evaporación súbita (y por lo tanto de
carácter irreversible) previa a su posterior condensación. Generalmente, la cámara flash
se sitúa en la parte baja de un condensador de dicho vapor generado en la cámara
inferior. Por lo tanto, la recuperación de calor necesario para la evaporación se obtiene
gracias a la unión sucesiva de etapas en cascada a diferente presión, y es necesario el
aporte mínimo de la condensación de un vapor de baja o media calidad proveniente de
una planta de generación eléctrica. La figura 80 muestra el esquema típico de una planta
de evaporación súbita por efecto flash (Multi Stage Flash Distillation, MSF).
Figura 80 – Esquema de una planta de evaporación súbita por efecto flash
Es el proceso evaporativo más ampliamente utilizado en el mundo, de implantación
masiva sobre todo en Oriente Medio. Esto se debe a varias razones:
1. Es especialmente válido cuando la calidad del agua bruta no es buena (alta
salinidad, temperatura y contaminación del agua aportada).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 193
2. Su acoplamiento con plantas de potencia para formar sistemas de cogeneración
es muy fácil y permite una gran variabilidad de rangos de operación en ambas
plantas.
3. Su robustez en la operación diaria frente a otros procesos de destilación es
notoria.
4. La capacidad de las plantas MSF es mucho mayor que otras plantas destiladoras,
en virtud a la cantidad de etapas conectadas en cascada sin problemas de
operación.
Sin embargo, las plantas MSF tienen un grave inconveniente. Su consumo
específico, definido como la cantidad de energía consumida para producir 1 m3 de agua
desalada, es de los más altos de los procesos estudiados. A este consumo contribuyen el
consumo térmico proveniente de la planta productora de electricidad, más alto que otros
procesos de destilación debido al efecto flash; y el consumo eléctrico debido al gran
número de bombas necesarias para la circulación de los flujos de planta. Además de su
alto coste de operación, su coste de instalación no es más bajo que otros procesos de
desalación.
La evaporación por efecto flash se produce cuando un líquido es calentado hasta una
temperatura y mediante una cámara flash se provoca una caída de presión suficiente
para que sea menor a la de saturación a esa temperatura, evaporando parte del agua
salada. En una planta convencional, el agua salada es calentada gradualmente por el
interior de los tubos de los condensadores de la MSF, hasta llegar a un calentador final
que usa como fuente de calor la condensación de un vapor proveniente de la planta de
potencia. Posteriormente, el agua salada entra de nuevo en los intercambiadores –
condensadores, donde en su parte baja se tiene la cámara flash que provoca la
evaporación parcial del agua salada. Ese vapor condensa calentando el agua que circula
por el interior de los tubos y es recogido en un canal; la pureza de este agua es casi total
(< 10 ppm) aún partiendo de aguas de más de 50000 ppm. El agua salada no evaporada
pasa a la siguiente etapa más concentrada (por eso el proceso se llama multietapa, ya
que si no se realizase en cascada consumiría demasiada energía para desalar), y al final
parte de dicha salmuera es tirada de nuevo al mar.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 194
Normalmente hay recirculación en el proceso MSF para reducir el aporte de agua
bruta a desalar y el consumo de aditivos químicos, pero existen plantas de un único paso
(es decir, sin recirculación del agua bruta precalentada), que en general tienen menor
eficiencia que las plantas de recirculación. La figura 81 muestra una planta típica sin
recirculación de salmuera, mientras que la Figura 82 muestra una planta típica con
recirculación
Figura 81 – Descripción general de una planta MSF sin recirculación de salmuera
Figura 82 – Esquema de una planta MSF con recirculación
La circulación del vapor evaporado súbitamente dentro de una etapa puede verse en
la sección transversal de una etapa cualquiera (tanto de la sección de recuperación como
la de rechazo) mostrada en la Figura 83, con el haz de tubos de condensado que
contiene en su parte superior una extracción de gases no condensables, y los
difuminadores de vapores a ambos lados del haz, que no permiten el paso de las
burbujas que pudieran formarse en el proceso flash. Como puede desprenderse de esta
figura, normalmente los intercambiadores-condensadores de las plantas MSF suelen ser
de tipo horizontal, con los tubos de cada sección conectados en zig-zag a modo de un
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 195
intercambiador de un número de pasos igual al número de etapas de la sección de
recuperación y/o rechazo.
Figura 83 – Sección transversal de una etapa de una MSF
1.9.3. Destilación por múltiple efecto (MED).
Al contrario que en el proceso MSF por efecto flash, en la destilación por múltiple
efecto (Multi Effect Distillation, MED) la evaporación se produce de forma natural en
una cara de los tubos de un intercambiador aprovechando el calor latente desprendido
por la condensación del vapor en la otra cara del mismo. Una planta MED tiene varias
etapas conectadas en serie a diferentes presiones de operación (Figura 84), teniendo
dichos efectos sucesivos un punto de ebullición cada vez más bajo por el efecto de dicha
presión. Esto permite que el agua de alimentación experimente múltiples ebulliciones,
en los sucesivos efectos, sin necesidad de recurrir a calor adicional a partir del primer
efecto. El agua salada se transfiere luego al efecto siguiente para sufrir una evaporación
y el ciclo se repite, utilizando el vapor generado en cada efecto. Normalmente también
existen cámaras flash para evaporar una porción del agua salada que pasa al siguiente
efecto, gracias a su menor presión de operación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 196
Figura 84 – Destilación múltiple efecto (MED) con evaporadores horizontales (HFF)
La primera etapa se nutre de vapor externo de un sistema recuperativo, como una
turbina de contrapresión, o de la extracción de una turbina de condensación. Un
condensador final recoge el agua dulce en la última etapa precalentando el agua de
aportación al sistema. Por lo tanto, las plantas MED también conforman sistemas de
cogeneración, al igual que las MSF, consumiendo una porción de energía destinada, a
priori, a la producción eléctrica.
La destilación por múltiple efecto no es un proceso solamente utilizado para la
desalación. La industria azucarera utiliza constantemente destiladores de múltiple
efecto, aunque en este caso el propósito no es obtener destilado, sino concentrar mezclas
de otra naturaleza a la estudiada aquí.
La capacidad de este tipo de plantas suele ser más reducida que las MSF
( )día
mloserarsuelenunca3
15000sup , aunque ello se debe más a razones de índole
política que operativa: las MSF más grandes se instalan en Oriente Medio y las mayores
MED están instaladas en las islas del Caribe para abastecer de agua estas zonas de gran
presión turística. También es verdad que el número máximo de efectos conectados en
serie raramente es mayor de 15, a excepción de las MED con múltiples efectos
integrados en cada uno de ellos, llegando en este caso a un número total de más de 50.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 197
Sin embargo, tienen un mejor rendimiento global con respecto a una MSF: el GOR
de este tipo de plantas puede llegar a 15 sin ningún problema, reduciendo por lo tanto el
consumo específico de este proceso respecto de una planta MSF con idénticas
capacidades. Ello se debe principalmente a la irreversibilidad asociada al proceso de
separación flash que aparece en los procesos MSF. Además el consumo eléctrico es
menor que la MSF ya que necesita menos bombas de circulación, al no existir
recirculación de salmuera.
1.9.4. Compresión térmica de vapor (TVC).
La compresión térmica de vapor (TVC, Thermal Vapor Compression) obtiene el
agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto (MED),
pero utiliza una fuente de energía térmica diferente; son los llamados compresores
térmicos (o termocompresores), que consumen vapor de media presión proveniente de
la planta de producción eléctrica (si se tiene una planta dual, si no sería de un vapor de
proceso obtenido expresamente para ello) y que succiona parte del vapor generado en la
última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión
intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que
consume energía en el proceso.
La Figura 85 muestra la configuración típica de una planta TVC con
intercambiadores de tubos horizontales (lógicamente los tipos de intercambiadores son
idénticos a los del proceso MED).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 198
Figura 85 – Esquema típico del termocompresor acoplado a una planta TVC con HFF
El rendimiento de este tipo de plantas es similar a las de las plantas MED, sin
embargo su capacidad desaladora puede ser mucho mayor al permitirse una mayor
adaptabilidad de toma de vapor de las plantas productoras del mismo.
La mayoría de las plantas MED-TVC contienen evaporadores horizontales
(Horizontal Falling Film, HFF), en los cuales la salmuera se deja caer en forma de fina
película a través de unas duchas situadas en la parte superior de cada efecto. Pero
también existen en el mercado dos tipos de evaporadores de tubos verticales (VTE). Los
primeros son los llamados normalmente VFF (Vertical Falling Film), en los cuales una
delgada película de agua salada va cayendo por el interior de los tubos hasta evaporarse
parte de la misma, condensándose el vapor generado de la etapa anterior en el exterior
de los tubos (Figura 86). En general, su eficiencia es mayor que los de tubos
horizontales pero su coste también lo es, ya que necesitan menor superficie de
intercambio para producir la misma cantidad de destilado. Finalmente, también existen
los evaporadores VRF (Vertical Rising Film), en los cuales la ebullición se produce de
forma gradual dentro de los tubos y la condensación se produce por su parte exterior.
Este tipo de intercambiadores ha dejado de utilizarse debido a los problemas que acarrea
en el control del régimen de flujo interior en el proceso de evaporación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 199
Figura 86 – Proceso MED – TVC con evaporador de tubos verticales VFF.
1.9.5. Destilación solar.
La energía solar es el método ideal para producir agua en zonas áridas y muy aisladas
del resto de poblaciones. A pesar de tener un coste energético nulo y escasa inversión
necesaria, su baja rentabilidad reside en su escasa producción por metro cuadrado de
colector al destilarse tan sólo unos litros al día en el caso de condiciones climatológicas
favorables. Por lo tanto no se han desarrollado a gran escala en lugares con un consumo
elevado de agua dulce.
Hay varias formas de producir agua dulce usando la energía solar, aunque en este
caso sólo se tratará la destilación por colectores (Figura 87). El principio básico es el del
efecto invernadero: el sol calienta una cámara de aire a través de un cristal transparente,
en cuyo fondo se tiene agua salada en reposo. Dependiendo de la radiación solar y de
otros factores, como la velocidad del viento (que enfría el vidrio exterior), una fracción
de este agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio. Como dicho
vidrio está colocado inclinado, las gotas caen en un canal que va recogiendo dicho
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 200
condensado, evitando que vuelvan a caer en el proceso de condensación a la lámina
inferior de salmuera. Aunque pueden utilizarse técnicas de concentración de los rayos
solares apoyándose en lentes o espejos (parabólicos o lisos), no suelen compensar las
mayores pérdidas de calor que ello acarrea y su mayor coste económico.
Figura 87 – Esquema de un colector solar para desalación
1.9.6. Congelación.
Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura
formados para fundirlos y obtener un agua dulce, independientemente de la
concentración del agua inicial. Aunque pueda parecer un proceso muy sencillo tiene
problemas de adaptación para su implantación a escala industrial, ya que el aislamiento
térmico para mantener el frío y los mecanismos para la separación de los cristales de
hielo deben mejorarse para que este proceso sea competitivo, así como adaptar la
tecnología a intercambiadores de frío. No se ofrecen datos del consumo específico de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 201
este proceso porque sólo existen experimentos de pequeña escala no extrapolables a la
realidad.
El proceso de congelación es un fenómeno natural que se contempla con mucha
facilidad en nuestro Planeta; alrededor del 70% del agua dulce está contenida en los
polos terrestres. La utilización de hielo de los polos para el consumo humano es muy
poco conveniente para la conservación del equilibrio térmico del Planeta.
1.9.7. Formación de hidratos.
Es otro método basado en el principio de la cristalización, que consiste en obtener,
mediante la adición de hidrocarburos a la solución salina, unos hidratos complejos en
forma cristalina, con una relación molécula de hidrocarburo/molécula de agua del orden
de 1/18.
Al igual que el anterior proceso, su rendimiento energético es mayor que los de
destilación, pero conlleva una gran dificultad tecnológica a resolver en cuanto a la
separación y el lavado de los cristales que impiden su aplicación industrial.
1.9.8. Destilación por membranas.
Es un proceso combinado de evaporación y filtración. El agua salada bruta se
calienta para mejorar la producción de vapor, que se expone a una membrana que
permite el paso de vapor pero no del agua (membrana hidrófoba). Después de atravesar
la membrana, el vapor se condensa, sobre una superficie más fría, para producir agua
desalada. En estado líquido, este agua no puede retroceder atravesando la membrana,
por lo que es recogida y conducida hacia la salida.
Este proceso sólo ha sido desarrollado a nivel de laboratorio por varios grupos de
investigación científica (uno de ellos español, de la Universidad de Málaga).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 202
1.9.9. Compresión mecánica de vapor (CV).
En la compresión mecánica de vapor (CV) se evapora un líquido, en este caso el
agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para
que condense en el otro lado y pueda mantenerse el ciclo de destilación de agua
salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua
salada respecto a la pura (Boiling Point Elevation, BPE).
Figura 88 – Diagrama de la compresión de vapor (CV) con evaporador de tubos verticales (VTE)
En la Figura 88 se puede ver el esquema de un compresor de vapor acoplado a un
intercambiador de tubos verticales (VTE) de una única etapa, simplificando todos los
elementos auxiliares se puede observar que el vapor interior de los tubos es comprimido
a presión atmosférica en torno a 0.2 bares (un sobrecalentamiento de unos 5º C), en un
compresor volumétrico especial. El vapor, ligeramente sobrecalentado, se condensa en
el exterior de los tubos del intercambiador, siendo recogido por una bomba en su parte
inferior. Como puede observarse, si el proceso fuera ideal sólo se debería vencer la BPE
para mantener el proceso, aunque no es posible realmente (hay pérdidas de calor y
presión, fricciones en las bombas de circulación…). En todo caso, el consumo
específico de estas instalaciones es el más bajo de los procesos de destilación:
normalmente el consumo eléctrico equivalente está sobre los 10 3m
kWh (la mitad que
una planta MSF).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 203
Aunque su consumo específico es, con mucho, el menor de las instalaciones de
destilación, tiene un gran inconveniente: la inexistencia de compresores volumétricos de
vapor de baja presión de tamaño suficiente para una producción considerable. Así, no se
conocen unidades CV mayores de 5.000 día
m3
, y estos compresores sólo permiten un
máximo de 3 etapas a diferentes presiones conectadas en cascada (si fueran necesarias
más etapas haría falta instalar nuevos compresores). Normalmente existen
intercambiadores de precalentamiento del agua de aporte con el destilado y la salmuera
vertida al mar (como el número de etapas es reducido, hay que recuperar la energía de
salida de la salmuera), ayudados por una resistencia eléctrica en los arranques, así como
todos los dispositivos de tratamiento de agua anteriores y posteriores al proceso de
destilación.
Finalmente, cabe destacar que la compresión mecánica de vapor es un proceso muy
utilizado en la industria, generalmente en procesos de concentración de la industria
alimentaria (zumos, quesos, etc).
1.9.10. Ósmosis inversa.
La ósmosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales. De forma
esquemática, se puede decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraciones
se unen a través de una membrana semipermeable (es decir, permite el paso de agua
pero no de sales), existe una circulación natural de la solución menos concentrada para
igualar las concentraciones finales, con lo que la diferencia de altura obtenida,
suponiendo los recipientes de cada soluto al mismo nivel inicial, se traduce en una
diferencia de presión, llamada presión osmótica (Figura 89).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 204
Figura 89 – Proceso natural de ósmosis
Sin embargo, aplicando una presión externa que sea mayor a la presión osmótica de
una disolución respecto de otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular agua de
la disolución más concentrada y purificando la zona con menor concentración,
obteniendo finalmente un agua de pureza admisible, aunque no comparable a la de
procesos de destilación (Figura 90). Por eso es altamente recomendable para la
filtración de aguas salobres, en las que la sal a rechazar es mucho menor que en aguas
marinas. La cantidad de permeado depende de la diferencia de presiones aplicada a la
membrana, sus propiedades y la concentración del agua bruta, y la calidad del agua
permeada suele estar en torno a los 300 – 500 ppm de TDS, cifra un orden de magnitud
mayor al agua obtenida en un proceso de evaporación.
Figura 90 – Proceso de ósmosis inversa
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 205
Una membrana para realizar osmosis inversa debe resistir presiones mucho mayores
a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones. Por ejemplo, un agua bruta
de 35000 ppm de TDS a 25ºC tiene una presión osmótica de alrededor de 25 bar, pero
son necesarios 70 bar para obtener permeado. Además, debe ser permeable al agua para
permitir el flujo y rechazar un porcentaje elevado de sales. Sin embargo, no se puede
considerar la ósmosis inversa como un proceso de filtración normal, ya que la dirección
de flujo del agua bruta es paralela y no perpendicular como un caso cualquiera de
filtración.
Esto implica que tan sólo una parte del agua bruta de alimentación pase realmente a
través de la membrana (un proceso de filtración lo haría en su totalidad), y que no se
acumulen sales en la membrana al arrastrarse por el agua bruta que no pasa por la
membrana.
El proceso de ósmosis inversa es tan simple que, a priori, sólo son necesarias las
membranas que filtren el contenido salino y el equipo presurizador. Pero una planta de
ósmosis inversa es mucho más compleja que una agrupación de módulos y una o varias
bombas; por ejemplo, las membranas se ensucian muy fácilmente con la operación
continuada y necesita un pretatamiento intensivo, mucho mayor que en los procesos de
destilación, que comprende entre otros (Figura 91):
1. Clorado para reducir la carga orgánica y bacteriológica del agua bruta.
2. Filtración con arena para reducir la turbidez.
3. Acidificación para reducir el pH y limitar la formación de depósitos calcáreos.
4. Inhibición con polifosfatos de la formación de sulfatos de calcio y bario.
5. Declorado para eliminar el cloro residual.
6. Cartuchos de filtrado de partículas requeridos por los fabricantes de membranas.
7. Microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF) en el caso de aplicaciones
industriales muy específicas o en reutilización de aguas residuales.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 206
Figura 91 – Desalación por ósmosis inversa (OI) con turbina Pelton incorporada
El postratamiento en una planta de este tipo sólo suele ser un tratamiento
complementario para conseguir las condiciones de potabilidad requeridas.
El proceso de ósmosis inversa es predominante en nuestro país. Las razones de su
imposición con respecto a otras tecnologías son las siguientes:
1. El consumo eléctrico específico de una instalación de ósmosis inversa es el
menor de los estudiados hasta ahora ( )386m
kWh− , pero se puede aprovechar la
energía contenida en la salmuera rechazada a alta presión para rebajar esa cifra
hasta por debajo de 33m
kWh . Ello supone un coste económico menor de
315.0m
∈ , considerando un coste de la electricidad de kWh
∈05.0 .
2. Al ser un proceso de filtración, el coste energético depende de la concentración
del agua bruta, cosa que no ocurre en las tecnologías de evaporación.
3. Permite una adaptabilidad mayor que otras plantas a una ampliación de su
capacidad, si la demanda es creciente en la zona.
4. Los costes de inversión de una instalación de OI están por debajo de otras
tecnologías de destilación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 207
Sin embargo, las limitaciones tecnológicas asociadas a las membranas con algunos
tipos de aguas marinas impiden su implantación total en el resto del mundo.
1.9.11. Electrodiálisis.
Este proceso permite la desmineralización de aguas salobres, haciendo que los iones
de diferente signo se muevan hacia zonas diferentes aplicando campos eléctricos con
diferencias de potencial aplicados sobre electrodos, y utilizando membranas selectivas
que permitan sólo el paso de los iones en una solución electrolítica como, por ejemplo,
el agua salada.
El proceso puede verse más claramente en la Figura 92, donde los iones van a los
compartimentos atraídos por los electrodos del signo contrario, dejando en cubas
paralelas el agua pura y en el resto, el agua salada más concentrada. Es un proceso que
sólo puede separar sustancias que están ionizadas y, por lo tanto, su utilidad y
rentabilidad está sólo especialmente indicada en el tratamiento de aguas salobres o
reutilización de aguas residuales, con un consumo específico y de mantenimiento
comparable en muchos casos a la ósmosis inversa.
En algunas ocasiones, la polaridad de los ánodos y cátodos se invierte
alternativamente para evitar el ensuciamiento de las membranas selectivas al paso de
dichos iones. En este caso se habla de electrodiálisis reversible (EDR).
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 208
Figura 92 – Proceso de electrodiálisis
1.9.12. Intercambio iónico.
Las resinas de intercambio iónico son sustancias insolubles, que cuentan con la
propiedad de que intercambian iones con la sal disuelta si se ponen en contacto. Hay
dos tipos de resinas:
1. Aniónicas: sustituyen aniones del agua por iones OH (permutación básica).
2. Catiónicas: sustituyen cationes por iones H+ (permutación ácida).
La desmineralización por intercambio iónico proporciona agua de gran calidad si la
concentración de sal es menor de L
g1 . Por lo tanto se utiliza para acondicionar agua
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 209
para calderas a partir de vapores recogidos o acuíferos, o en procesos industriales con
tratamiento de afino. Las resinas normalmente necesitan regeneración con agentes
químicos para sustituir los iones originales y los fijados en la resina, y terminan por
agotarse. Su cambio implica un coste difícilmente asumible para aguas de mar y aguas
salobres.
Este proceso tiene una implantación industrial muy profunda en las plantas de
tratamiento de aguas para el ciclo de vapor de centrales térmicas.
1.9.13. Resumen.
Después de una detallada exposición de los diferentes procesos de desalación
actualmente existentes, tan sólo existen unos pocos procesos tecnológicamente viables
actualmente a escala industrial:
1. Evaporación súbita por efecto flash (MSF).
2. Destilación múltiple efecto (MED).
3. Termocompresión de vapor (TVC).
4. Compresión de vapor mecánica (CV).
5. Ósmosis inversa (OI).
6. Electrodiálisis (ED).
A modo de recopilación, es conveniente realizar un análisis comparativo de las
ventajas e inconvenientes de cada uno de estos métodos tecnológicamente avanzados
para la producción de agua desalada. La tabla muestra la valoración de todos los
métodos comentados anteriormente frente a ciertas características exigibles a un método
desalador.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 210
Tabla XXXIV – Valoración de diferentes características deseables para los métodos de desalación.
CARACTERÍSTICA MSF MED - TVC CV OI ED Tipo energía Térmica Térmica Eléctrica Eléctrica Eléctrica Consumo energético
primario
kgkJ
Alto (>200)
Alto / medio (150 – 200)
Medio (100 – 150)
Bajo (<80) Bajo (<30)
Coste instalaciones Alto Alto / medio Alto Medio Medio Capacidad producción
( )día
m3
Alta
(>50000) Media
(<20000) Baja
(<5000) Alta
(>50000) Media
(<30000)
Posibilidad ampliación
Difícil Difícil Difícil Fácil Fácil
Fiabilidad de operación
Alta Media Baja Alta Alta
Desalación agua de mar
Sí Sí Sí Sí No
Calidad agua desalada (ppm)
Alta (<50)
Alta (<50) Alta (<50) Media
(300 – 500) Media (<300)
Superficie terreno requerida de instalación
Elevada Media Poca Poca Poca
A la vista de esta tabla, queda claro que la ósmosis inversa es en conjunto la
tecnología más favorable en España, en base a su mejor precio de obtención del agua, su
ampliabilidad, y su fiabilidad. Tan sólo la calidad del agua es peor que el resto de
tecnologías, si no se contempla la posibilidad de añadir un segundo paso para reducir
esa concentración salina residual tras un único paso por las membranas.
1.9.14. Comparativa de los sistemas de desalación.
Tabla XXXV – Comparativa de los sistemas de desalación.
COMPARATIVA DE SISTEMAS DE DESALACIÓN SISTEMAS ENERGÍA AGUA A TRATAR
MSF Calor Mar MED Calor Mar Evaporación CV Calor Mar Ósmosis inversa (OI)
Presión Mar y salobre Membranas
Electrodiálisis (EDR)
Carga eléctrica Salobre
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 211
1.9.15. Máxima conversión de los procesos de desalación.
Tabla XXXVI – Porcentaje de conversión de los distintos procesos.
PROCESO AGUA
BRUTA TIPO DE TOMA
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
(ºC)
PORCENTAJE DE
CONVERSIÓN MSF Agua de mar NA 90 15 MSF Agua de mar NA 112 20 MED Agua de mar NA 70 30 MED Agua de mar NA 112 40 CV Agua de mar NA Ambiente 40 CV Agua de mar NA 90 45 OI Agua de mar Superficial NA 35 – 45 OI Agua de mar Pozo playero NA 45 – 55
OI Agua
salobre Pozo/superficial NA 65 – 85
ED Agua
salobre Pozo/superficial NA 65 – 85
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 212
1.10 CALIDAD DE LAS AGUAS
1.10.1. Condiciones del agua bruta aportada.
Se ha constatado en el apartado anterior que la calidad del agua producto requerida,
así como la del agua bruta aportada al proceso de desalación es fundamental a la hora de
elegir uno u otro proceso. Por ejemplo, se puede señalar que los procesos de destilación
consumen la misma cantidad de energía, independientemente de la salinidad del agua
aportada, por lo que sólo son apropiadas para la desalación de aguas marinas.
Basándose en la cantidad de sólidos totales disueltos en el agua, la siguiente tabla
muestra la denominación de ese agua en función de su salinidad.
Tabla XXXVII– Rangos de salinidad de los diferentes tipos de agua.
DENOMINACIÓN DEL AGUA SALINIDAD (ppm de TDS) Ultrapura 0.03
Pura (calderas) 0.3 Desionizada 3
Dulce (potable) <1000 Salobre 1000 – 10000 Salina 10000 – 30000 Marina 30000 – 50000
Salmuera >50000
En cuanto a la salinidad de los mares y océanos del Planeta, tampoco es constante:
Tabla XXXVIII – Salinidad media de los mares y océanos principales del planeta.
MAR / OCÉANO SALINIDAD (ppm de TDS) Mar Báltico 28000
Mar del Norte 34000 Océano Pacífico 33600
Océano Atlántico Sur 35000 Mar Mediterráneo 36000
Mar Rojo 44000 Golfo Pérsico 43000 – 50000 Mar Muerto 50000 – 80000
MEDIA MUNDIAL 34800
El contenido salino de las aguas salobres depende principalmente de la localización
del acuífero de donde se extraiga ese agua. En este caso, la contribución de la sal común
(NaCl) puede ser menor que otro tipo de constituyentes, provenientes generalmente de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 213
técnicas de fertilización. A la vista de estos datos, está claro que la salinidad es más
facilmente medible a través de su conductividad eléctrica CE ( )m
dS , o facilidad de una
sustancia para conducir la corriente eléctrica. El agua pura no conduce la electricidad
pero se va haciendo conductora con la adición de diversos constituyentes de naturaleza
electrolítica. Otros constituyentes químicos integrados en el agua y la temperatura de
aporte influyen mucho a la hora de elegir el proceso desalador que pueda eliminarlos.
1.10.2. Calidad requerida al agua.
La calidad del agua requerida depende de su uso. En la agricultura, algunos cultivos
toleran hasta las 2000 ppm, aunque ello depende de la tierra, clima, composición del
agua salobre, método de riego y fertilizantes aplicados. En cuanto al consumo humano,
su límite es de 1000 ppm, aunque en climas excesivamente cálidos un aporte extra de
sales (si es principalmente cloruro sódico) puede ser beneficioso para el cuerpo humano.
La siguiente tabla recoge una comparativa de los parámetros más significativos del agua
según las distintas normativas vigentes y la Organización Mundial de la Salud (OMS).
Tabla XXXIX – Comparativa de parámetros más significativos del agua.
PARÁMETRO 80/778/CEE 98/83/CEE OMS (guía) Cloruros (máximo como
ión) 200 25 250
Sulfatos (máximo como ión)
250 250 400
Nitratos (máximo como ión)
50
Alcalinidad (máximo
como
−3HCOdeL
mg 30 30
Sodio (máximo como ión) 175 200 200 Magnesio (máximo como
ión) 50
Dureza total (mínimo
como
++
CadeLmg 60 200
TSD (ppm) 1500 1500 1000 pH 6.5 a 8.5 6.5 a 9.5 6.5 a 8.5
Otros Agua no agresiva
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 214
1.10.3. Calidad obtenida con la desalación.
La tabla muestra la calidad media del agua obtenida por los procesos de ósmosis
inversa de un único y doble paso, y los procesos de evaporación.
Tabla XL – Calidad media del agua obtenida por diferentes procesos de desalación.
OI (1 paso) OI (2 pasos) EVAPORACIÓN
Ca++
Lmg
2 0.1 0.5
Mg++
Lmg
6 0.3 1.5
Na+
Lmg
128 15 12
K+
Lmg
4 0.8 0.5
HCO3-
Lmg
8 0.4 0.1
SO4-
Lmg
11 0.6 3.0
Cl-
Lmg
208 23 22
TDS
Lmg
367 40 40
SiO2
Lmg
0.1 0.0 0.0
CO2
Lmg
23 12
pH 5.8 5.2 7.2
Por lo tanto, viendo la calidad obtenida con los procesos y los requerimientos legales,
en el postratamiento de las aguas desaladas se tienen que considerar dos aspectos. El
primero contemplará el equilibrio químico del agua, con el fin de eliminar su alta
agresividad y así proteger las redes de distribución. Para ello es necesario reducir el alto
contenido de CO2 con la adición de cal –Ca(OH)2 – para conseguir un agua ligeramente
incrustante. El segundo aspecto se refiere al contenido de dureza del agua de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 215
abastecimiento, con el mínimo de L
mg60 . La práctica más habitual es su mezcla con
aguas superficiales con alto contenido de Ca y Mg, y en el caso de que esto no sea
posible, se dosifican sales cálcicas como CaCl2 o CaSO4, aunque supongan un
incremento de Cl- o SO42- en el agua de abastecimiento. El coste del postratamiento es
prácticamente despreciable frente a los de la desalación propiamente dicha.
1.10.4. Conclusiones finales.
La calidad del agua obtenida por cualquier método de desalación es apta para el
consumo humano tan sólo con un pequeño postratamiento en algunos casos. El
pretratamiento es necesario para el adecuado funcionamiento de la instalación
desaladora.
En el caso de aguas para uso agrícola o industrial, es necesario estudiar de forma
individualizada cada caso. En la mayoría de ellos, los requerimientos mínimos siempre
van ser menores que el del agua potable, con lo que cualquier método desalador cumple
holgadamente dichos requerimientos.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 216
1.11 HISTORIA Y SITUACIÓN ACTUAL DE LA DESALACIÓN
1.11.1. Perspectiva mundial.
Para el hombre siempre ha sido un reto el separar la sal del agua del mar para
aprovechar sin límite sus inmensas reservas. Ya se tiene constancia de que Aristóteles
hablaba de aquello que hacía inservible el agua de mar para poder regar los campos y
calmar la sed.
Desde la época griega clásica, donde se definieron los principios para la separación
del agua y las sales, el hombre siempre ha buscado maneras de lograr esa separación.
Hasta bien entrado el siglo XIX no se puede hablar propiamente de una instalación
desaladora de naturaleza estable. Precisamente fue una planta de destilación solar en
una explotación minera: las Salinas de Chile (Handbury, Hodgkiess y Morris, 1993). Su
rendimiento era ínfimo (20 m3 producidos en una extensión de 4000 m2), pero era la
primera forma de obtener agua dulce para el abastecimiento de la población minera en
aquel lugar tan remoto y árido. Posteriormente, en el año 1884 se fabrica por primera
vez un evaporador para un barco aprovechando la energía residual del vapor de salida
de su caldera. Toda la primera tecnología iba encaminada al efecto pernicioso del agua
salada en los tubos de los intercambiadores: incrustaciones, corrosión, etc.
La primera mitad del siglo XX fue totalmente dominada por las tecnologías de
evaporación, y se incidió principalmente en el diseño de nuevos tipos de
intercambiadores más eficientes y compactos que producían cada vez mas agua dulce
con el menor consumo.
La facilidad de combinación con instalaciones productoras de energía y su robustez y
capacidad ha contribuido a su manutención en el panorama mundial. Sin embargo, la
dependencia energética primaria de este tipo de plantas y su alto consumo motivó la
búsqueda de otras alternativas en el mundo de la desalación, como las membranas. Las
primeras investigaciones de membranas para desalación datan de la década de los 30,
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 217
cuando Ferry las recopila en 1936 y las clasifica por sus materiales utilizados (naturales,
de malla porosa, cobre, celofán...). Pero las primeras experiencias de membranas con
rechazo de sales aceptable para la desalación son de Reid y Breton en la Universidad de
Florida en 1953, que obtuvieron un rechazo del 98% con membranas planas de acetato
de celulosa. Posteriormente Loeb y Sourirajan, en 1960, mejoraron el flujo de este tipo
de membranas. Ya en los 70, el material de las membranas se sustituye por poliamida
aromática, que aumentaba el rechazo hasta el 99%; la primera membrana de este tipo
para agua de mar data de 1972, siendo dos años antes la fecha de aparición de las
primeras membranas para aguas salobres. A partir de esta fecha, la búsqueda de nuevos
materiales (la mayoría de ellos de naturaleza orgánica como la poliamida aromática) ha
contribuido a evitar de forma considerable los problemas derivados de la operación de
las mismas (no tolerancia a ciertos componentes), así como disminuir la presión mínima
necesaria para la obtención del permeado.
Centrándose en la evolución histórica de capacidad instalada en el mundo, se puede
decir que en el año 1970 dicha capacidad era de tan sólo día
hm3
7.1 , correspondientes
a plantas evaporadoras, muy baratas de instalación pero de alto consumo, utilizadas
normalmente en los barcos para reducir espacio y de acuerdo con la tecnología
disponible en aquel momento. Sin embargo, la crisis del petróleo de 1973 fue el
revulsivo para que los países exportadores de petróleo, que además son los países con
mayor escasez de agua, instalaran gran cantidad de plantas de evaporación acopladas
con plantas de producción eléctrica, lo que ha permitido el asentamiento definitivo de la
población en estas zonas tan áridas del planeta. En los años 80, una nueva crisis del
petróleo y la aparición de las membranas de ósmosis inversa para agua de mar, hizo que
el incremento de este tipo de plantas no fuera tan espectacular, además de que la
desalación por otros métodos se extendiera de forma notoria, especialmente en el
tratamiento de aguas salobres. En la década de los 90, los procesos de evaporación
siguieron pesando en Oriente Medio, pero en el resto del mundo la ósmosis inversa es el
proceso predominante, penetrando en el mercado árabe con la aparición de las
membranas preparadas para filtrar ese tipo de aguas y la posibilidad de acoplar
instalaciones híbridas en el caso de baja demanda eléctrica en sus instalaciones duales.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 218
La gráfica siguiente muestra la evolución histórica de la capacidad mundial instalada
en desalación.
Figura 93 – Evolución de la capacidad total de desalación en el mundo
1.11.2. Historia de la desalación en España.
La evolución tecnológica de la desalación tiene su perfecto reflejo en nuestro Estado.
Las primeras instalaciones desaladoras, algunas de ellas ya desmanteladas o
convenientemente readaptadas a nuevas tecnologías, localizadas en Ceuta, Gran Canaria
(2), Lanzarote y Fuerteventura, se instalaron hace más de 30 años. Lógicamente la
tecnología dominante de la época era la de evaporación, con unidades MSF acopladas a
plantas duales.
La tabla siguiente muestra las características de las plantas desaladoras en esta
primera época. La mayoría de ellas ya no operan en la actualidad, o han sido
actualizadas con tecnologías más favorables desde el punto de vista energético.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 219
Tabla XLI – Primeras instalaciones desaladoras en España.
NOMBRE AÑO CAPACIDAD
( )día
m3
PROCESO
Termolanza (Lanzarote)
1965 2000 MSF
Ceuta I 1969 4000 MSF Fuerteventura I 1970 2000 MSF Las Palmas I 1970 20000 MSF
Tras esta primera etapa, la primera crisis del petróleo supuso un freno al desarrollo
de las instalaciones desaladoras, que obligó a buscar medidas de ahorro en las
instalaciones existentes. Así surgieron los nuevos diseños de los intercambiadores de los
procesos evaporativos, con mayor superficie de intercambio que permiten mayor
destilado con el mismo consumo. La tabla posterior resume las instalaciones nuevas
correspondientes a esta nueva época de la historia de la desalación española.
Tabla XLII – Plantas desaladoras instaladas en España tras la 1ª crisis del petróleo.
NOMBRE AÑO CAPACIDAD
( )día
m3
PROCESO
Lanzarote I 1976 5000 MSF Riotinto (Lanzarote)
1977 2500 MSF
Fuerteventura II 1978 2000 CV C.T. Carboneras (Almería)
1980 2200 MSF
Las Palmas II 1980 18000 MSF
En la década de los 80, con la aparición de las membranas capaces de producir agua
dulce a través del proceso de ósmosis inversa, empieza el desarrollo y la imposición
clara de esta tecnología en España. En esta época, las membranas de ósmosis inversa
sólo se habían utilizado para la filtración de aguas salobres, donde la electrodiálisis ya
era una tecnología perfectamente viable. También debe reseñarse que muchos
complejos turísticos privados instalaron pequeñas unidades de CV para solucionar sus
problemas de abastecimiento, radicados fundamentalmente en lugares apartados de los
núcleos habitados. La siguiente tabla muestra las instalaciones más representativas de
esta época.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 220
Tabla XLIII– Plantas desaladoras instaladas en España en la década de los 80.
NOMBRE AÑO CAPACIDAD
( )día
m3
PROCESO
Lanzarote II 1987 7500 OI Las Palmas III 1989 36000 OI Fuerteventura III 1990 5000 OI Maspalomas I (Las Palmas)
1987 10000 EDR
Denia (Alicante) 1990 16000 OI
A partir de la década de los 90, las instalaciones de ósmosis inversa se han adueñado
del panorama desalador en España. Hay que destacar que la oferta eléctrica española ha
podido soportar el consumo de este tipo de instalaciones, aunque también es cierto que
esta época coincide con la aparición de sistemas de recuperación de energía que reducen
considerablemente el consumo eléctrico derivado en estas instalaciones, donde España
es un país puntero en cuanto a la investigación encaminada hacia esa reducción de
consumo (sólo hay que ver la cuota de participación española en los congresos
internacionales de desalación). La liberalización de los precios de la energía eléctrica en
nuestro país, sólo accesible ahora a grandes consumidores también ha contribuido a
imponer la ósmosis inversa casi como la única tecnología aplicable, a excepción de la
ED para desalación de aguas salobres ó reutilización de aguas residuales urbanas
(ARU). La tabla muestra algunas plantas instaladas en la década de los 90.
Tabla XLIV– Plantas desaladoras instaladas en España en la década de los 90.
NOMBRE AÑO CAPACIDAD
( )día
m3
PROCESO
Lanzarote III 1991 20000 OI Sureste I 1993 10000 OI Ibiza II 1996 10000 OI Marbella 1997 55000 OI Ceuta 1997 16000 OI Seat Martorell 1992 10500 OI Repsol Tarragona 1993 14400 OI Son Tugores 1995 35000 OI Bajo Almanzora 1996 30000 OI Mazarrón 1996 9000 OI C.R. Jacarilla 1997 9000 OI
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 221
En conclusión, la desalación en España es una actividad relativamente novedosa con
respecto al resto mundial, ya que las necesidades hídricas creadas han sido consecuencia
del aumento demográfico y el consumo turístico localizado en el litoral mediterráneo.
La tecnología desaladora que se ha impuesto es la de ósmosis inversa, gracias a una
oferta eléctrica cubierta y el menor precio en la obtención del agua desalada.
1.11.3. Situación actual de la desalación.
La capacidad total instalada en todo el mundo es de unos 26 día
hm3
, de los cuales
14 día
hm3
corresponden a agua de mar y 12 día
hm3
a aguas salobres. El peso de
Oriente Medio es muy importante todavía en la industria de la desalación, constituyendo
el 61% del total de aguas desaladas. Arabia Saudita es el primer país en cuanto a
capacidad desaladora (24.4%), seguido de cerca por los Emiratos Árabes unidos. España
es actualmente el noveno país tras siete países árabes, USA, y la antigua URSS. La
gráfica siguiente muestra la distribución porcentual por países de la capacidad total
instalada actualmente.
Figura 94 – Distribución porcentual por países de la capacidad desaladora instalada
Si se habla del número de unidades instaladas, el primer lugar lo ocupan los Estados
Unidos, ya que tienen plantas de pequeño tamaño en comparación con las plantas de
Oriente Medio, y Arabia Saudita ocupa el segundo lugar. España está en el quinto lugar
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 222
de esta lista, lo cual significa que el tamaño medio de las instalaciones españolas es
pequeño en comparación a la media mundial.
En cuanto a tecnologías, las de destilación suponen el 52%, las de ósmosis inversa
son el 38%, y el resto (12%) es principalmente debido a la electrodiálisis.
Figura 95 – Distribución porcentual (por capacidad contratada) de los métodos de desalación
1.11.4. La desalación en España.
Aunque la dotación por habitante y año supera con creces el límite considerado como
el mínimo que impida el desarrollo de la sociedad asentada en el territorio (2775
.3
habm y año), el grave desequilibrio entre los recursos hídricos (motivado por la
irregular pluviometría de nuestra geografía) y los consumos soportados en ciertas zonas
con agricultura intensiva de regadío e infraestructura turística, que además consume en
la época de menores precipitaciones, justifica la instalación de plantas desaladoras. La
desalación en España queda afortunadamente reducida al Levante Español, Murcia,
Andalucía, los dos archipiélagos y las ciudades del Norte de África. En dichas zonas, se
puede evaluar la demanda total urbana asociada al turismo como una población
equivalente de 7 millones de personas, que supone el 20% del total.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 223
La producción total de agua desalada a finales del año 1998 se cifra en 222 día
hm3
,
de los cuales alrededor del 42% corresponden a aguas marinas, y el 58% a salobres.
Esto supone alrededor de un 4.9% del consumo total para abastecimiento urbano
(alrededor de 2 millones de personas), y un 0.7% de todos los usos del agua.
Figura 96 – Distribución porcentual de la desalación en cuanto al tipo de agua de aporte
La desalación de agua salobre para la agricultura intensiva de regadío se ha
extendido considerablemente a pesar del sobrecosto producido por el proceso de
desalación con respecto a la obtención por otros métodos o de forma natural. Puede
decirse que prácticamente es nuestro país el único que realmente consume aguas
desaladas para su utilización agrícola (un 29.55% del total), aunque haya países que sí
utilizan aguas desaladas para el riego de jardines, ante la imposibilidad de otras fuentes.
La rentabilidad obtenida por cierto tipo de cultivos no ha sido el freno para seguir con
ellos, teniendo en cuenta además que el coste de aguas salobres desaladas es bastante
inferior al del agua de mar, como se refleja en el apartado correspondiente al estudio
económico de la desalación. La extensión actual aproximada regada con este tipo de
aguas ronda las 9000 ha.
Figura 97 – Distribución porcentual por sectores del agua marina desalada
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 224
Figura 98 – Distribución porcentual por sectores de aguas salobres desaladas
Es necesario incidir en la situación existente en dos zonas con características
ligeramente diferentes al resto de zonas afectadas por la escasez de recursos. La primera
de ellas es el Archipiélago Canario y la segunda la Comunidad Autónoma de la Región
de Murcia.
Las islas Canarias han recurrido a la desalación para obtener la mayor parte del agua
que demanda principalmente la industria turística. A partir de los setenta, la
sobreexplotación de los escasos recursos acuíferos de las islas estaba llegando a límites
preocupantes, lo que ha supuesto que islas prácticamente desérticas como Lanzarote
(140 mm. de precipitación anual) y Fuerteventura se abastezcan sólo con agua desalada,
y en el caso de Gran Canaria llegue al 80% del total. El resultado de todo ello es que en
las Canarias 1 millón de personas se abastecen de las 280 plantas desaladoras existentes,
con una capacidad de 350000 día
m3
, 100 de ellas asociadas directamente al
abastecimiento de hoteles y apartamentos. El 92% de las plantas son de inversión
privada, aunque las de naturaleza pública producen el 60% del agua desalada. En cuanto
a las tecnologías utilizadas, el 87% de las plantas son de OI, el 9% de ED y el 4% de
evaporación. Normalmente la ED se utiliza para aguas salobres cloradas y/o
bicarbonatadas, cosa muy común en las galerías de escorrentía de las laderas del Teide
en Tenerife.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 225
Figura 99 – Distribución porcentual (por número de plantas) de los métodos de desalación radicados en
Canarias
Figura 100 – Porcentaje de consumo eléctrico debido a la desalación y porcentaje de consumo de agua turístico respecto del total en las islas del archipiélago canario
Otro punto interesante a considerar de las Islas Canarias es el consumo energético
derivado de la desalación en unas islas sin conexión de red eléctrica entre ellas ni con el
continente (deben ser autosuficientes). En islas como Lanzarote, con un 50% de
consumo hídrico debido al turismo, dicho gasto eléctrico supone el 25% del total, y en
el caso de Fuerteventura llega hasta el 30%. La gráfica anterior (Figura 100) muestra el
tanto por ciento de consumo eléctrico (una parte importante de ella es energía
renovable) en las islas del archipiélago, así como el porcentaje de consumo debido a las
instalaciones hoteleras y apartamentos de sus playas.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 226
El segundo caso digno de mencionar es la Comunidad Autónoma Murciana,
comunidad estructuralmente deficitaria (en 460 hm3 anuales según el PHN) debido al
consumo agrícola derivado de sus explotaciones de regadío intensivo. La
sobreexplotación de los acuíferos para el regadío los ha convertido en aguas salobres de
difícil uso agrícola, con lo que ha sido necesario instalar gran cantidad de pequeñas
desaladoras de agua salobre de mínimo mantenimiento y gestión de los propios
agricultores. La oferta de agua desalada de agua de mar se concentra en grandes
instalaciones en poblaciones costeras.
En resumen, la instalación de plantas desaladoras en España se plantea como
solución en áreas localizadas (hasta ahora la capacidad instalada en la mayoría de ellas
no es muy grande), cosa que no ocurre en otras zonas de alto déficit estructural como
Oriente Medio, donde se instalan grandes plantas en zonas aisladas de los asentamientos
urbanos y se construyen grandes tuberías para su transporte. España es el país europeo
más puntero en tecnologías de desalación por ósmosis inversa (de ello su masiva
implantación en nuestro país), pero no en tecnologías evaporativas, donde grandes
compañías alemanas e italianas, junto con las de Extremo Oriente copan el mercado en
Oriente Medio.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 227
1.12 CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES
1.12.1. Evaluación del impacto ambiental de instalaciones desaladoras.
La legislación existente en cuanto a la necesidad de realizar una Evaluación de
Impacto Ambiental (EIA) para un proyecto relacionado con la desalación se puede
resumir en los siguientes pasos:
1. La legislación básica viene a incrementar los supuestos sometidos a Evaluación
de Impacto Ambiental.
2. Normativa correspondiente a cada comunidad autónoma. Si dicha comunidad
tiene incluidas en su lista de EIA las plantas desaladoras (como, por ejemplo, la
Comunidad Autónoma Murciana), correspondería realizar la EIA al órgano
ambiental del Estado, es decir, el Ministerio de Medio Ambiente (MIMAM). Se
establecerá un procedimiento abreviado para su realización.
1.12.2. Problemática medioambiental de los vertidos de salmuera.
En todo proceso desalador se tiene una porción del agua previamente introducida que
es rechazada y devuelta normalmente al reservorio original de donde se aportó el agua
bruta a desalar.
El problema de estos vertidos debe tratarse cuidadosamente dependiendo del tipo de
proceso utilizado, y de las características del reservorio donde se tira la salmuera de
rechazo. En este apartado se va a analizar dos situaciones especialmente interesantes: la
situación en el Golfo Pérsico y la española (en el Mar Mediterráneo).
Si se habla de aguas desaladas del Golfo Pérsico, con una media de 45000 ppm de
TDS, la salmuera rechazada devuelta al mar (BD) en plantas MSF suele tener una
concentración de 60 – 65000 ppm y un caudal menor de la mitad que el aportado,
teniendo en cuenta que tan sólo la décima parte del agua bruta introducida se desala y
que existe recirculación del agua bruta. El resto de caudal que equilibra el balance de
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 228
masa de la instalación es el agua bruta precalentada en la sección de rechazo, que no es
concentrada respecto a la inicial. En resumen, la conjunción de la contaminación
térmica y contaminación química de los vertidos de salmuera y de petróleo de la zona
en este mar cerrado de tan sólo 35 metros de profundidad media, 239000 km2 de
extensión y un tiempo de residencia medio de 2 – 5 años, hace pensar que el Golfo
Pérsico va a tener serios problemas medioambientales en un futuro próximo. Esto se
agrava por sus especiales condiciones: una temperatura media de 18-35º C, un altísimo
índice de evaporación (excede en un factor de 10 el aporte de los ríos) y, por lo tanto,
una salinidad de 36000 a 50000 ppm, dependiendo de la cercanía a la desembocadura de
los grandes ríos que vierten en él (Tigris y Eúfrates).
Pero este no es, afortunadamente, el caso de España, con un inventario de plantas
mucho más reducido al de Oriente Medio, donde la mayoría son plantas de ósmosis
inversa que vierten sus rechazos a mares más abiertos como el Mediterráneo o el océano
Atlántico, a una temperatura prácticamente idéntica a la aportada. De todas las formas,
es necesario abordar de forma separada la desalación de aguas marinas y de aguas
salobres, porque son dos problemáticas completamente diferentes, ya que afectan a
medios naturales distintos.
► Aguas salobres.
Las plantas desaladoras de agua salobre se nutren, generalmente, de acuíferos cuya
calidad se ha ido degradando paulatinamente con su extracción para el riego. En
general, la degradación de los acuíferos se debe al uso de fertilizantes nitrogenados y
otros agentes agrícolas, infiltración de aguas residuales, disolución de terrenos
salinizados, intercomunicación de diferentes acuíferos estratificados e incluso la
intrusión marina en los acuíferos cercanos al mar. Desalar agua salobre permite a este
tipo de aguas su uso agrícola e incluso humano, en general aguas de 4.000 ppm
devuelven el rechazo en torno a los 16.500 ppm considerando una conversión media (Y)
del 75% en este tipo de plantas. A continuación se describen las diferentes soluciones
aportadas actualmente para la evacuación de este tipo de salmueras (Latorre, 2000),
haciendo una valoración cualitativa de cada una de ellas:
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 229
1. Vertido directo a ramblas o cauces cercanos: es una solución común pero poco
recomendable porque puede salinizar dichos cauces y los suelos adyacentes,
afectando incluso a la población asentada aguas abajo de dicho cauce.
2. Vertido al mar en el caso de cercanía al mismo: debe estudiarse en cada caso, ya
que la salinidad es menor que la marina y puede afectar a la diversidad biológica
en ese tramo costero.
3. Inyección en acuíferos más profundos incluso que el de aporte: es una solución
altamente peligrosa, ya que puede afectar a acuíferos cercanos y los convierte en
inservibles para su uso futuro.
4. Instalación de balsas de evaporación o incluso salinas (como las de Torrevieja o
Santa Pola) para obtener sal. La extensión necesaria para este tipo de solución
suele disuadir a los propietarios de las explotaciones, pero es de las más
adecuadas aunque desaparece todo caudal posible de retorno a la cuenca
hidrográfica.
5. Creación de colectores de vertido o “salmueroductos” que recojan los rechazos
de una o varias plantas desaladoras próximas y los conduzcan hasta el mar:
parece la solución más aceptable, aunque con coste algo superior a otras
opciones, y además debe estudiarse el punto exacto de vertido en el mar, al igual
que en el segundo punto, para no alterar las condiciones biológicas de la fauna y
flora marinas.
6. Tratamiento de las salmueras, con el fin de reutilizarlas en otro proceso.
Debe tenerse en cuenta también que excepto la segunda y quinta opciones, los
vertidos de salmuera retornan finalmente a la cuenca hidrográfica de donde se extrajo el
agua salobre, con lo que deberían rechazarse a priori.
► Aguas marinas.
Respecto al vertido de rechazos de agua marina, una planta de conversión media del
45% y un agua marina de aporte de 38000 ppm debe verter al mar una salmuera con
alrededor de 70000 ppm. Se sabe que la fauna marina no queda afectada
significativamente por la existencia de emisarios de esta agua (gracias, por supuesto, a
su movilidad), incluso hay experiencias de una mayor cuota de captura pesquera
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 230
alrededor de desagües de plantas desaladoras. Sin embargo hay que tratar con especial
atención la flora marina existente en el litoral mediterráneo, en concreto las praderas de
“Posidonia Oceánica”, una fanerógama marina que recubre los fondos con un calado de
5 a 30 metros (dependiendo de la transparencia del agua y la granulometría de los
fondos) de extraordinaria productividad y diversidad, pero a su vez de extraordinaria
rareza. Tanto es así que aparece en la lista de hábitats naturales de interés comunitario
que es preciso proteger (Directiva del Consejo 92/43/CEE del 21 de Mayo de 1992).
Aunque no se sabe a ciencia cierta el efecto de los vertidos de salmuera en las praderas
de Posidonia Oceánica, lo que sí es cierto es que es necesario realizar una serie de
medidas de protección para no dañar dichas praderas, con una capacidad de producción
de oxígeno incluso mayor que la selva amazónica.
De entre las posibilidades de actuación en cuanto a la evacuación de la salmuera al
mar, no hay soluciones concluyentes, sobre todo en cuanto a la cuantificación del efecto
de cada una de ellas sobre la flora marina, se muestran aquí las soluciones comúnmente
adoptadas:
1. Vertido directo al mar a través de ramblas y cauces: esta posibilidad puede ser la
más adecuada en zonas de corrientes y vientos considerables, ya que en zonas
cercanas a la costa los oleajes y la mayor temperatura de las aguas favorecen la
mayor dilución de las descargas de salmuera.
2. Construcción de emisarios submarinos que sobrepasen la pradera de Posidonia:
no está muy claro si el efecto de la obra necesaria para construir el emisario va a
ser más perjudicial para la pradera que su vertido en la costa. Además, se han
realizado estudios sobre la dilución de los emisarios submarinos construidos
específicamente para una mejor mezcla con el agua marina, pero la experiencia
de laboratorio ha demostrado grandes diferencias con respecto a la dilución real
en los fondos marinos, debido fundamentalmente al efecto de las corrientes
marinas, oleaje, condiciones del fondo, etc., difícilmente reproducibles en
condiciones de laboratorio.
3. Utilización de emisarios ya existentes de aguas residuales: se sabe que las aguas
residuales urbanas (ARU) tienen un efecto más pernicioso para la flora marina
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 231
que los rechazos de plantas desaladoras. Por lo tanto un mal menor puede ser
verter dichos rechazos a colectores residuales o lugares anejos a ellos, en zonas
ya previamente degradadas por el efecto de las ARU.
1.12.3. Otros vertidos.
Aunque no tienen la misma importancia que los vertidos de salmuera, gracias a la
ínfima relación de volúmenes evacuados (la suma total de ellos no supone más del 1%
del total), existen otro tipo de vertidos en una planta desaladora por ósmosis inversa,
que se resumen en los siguientes puntos:
1. Agua de lavado de los filtros de arena: constituyen un agua muy cargada de
arenas y materia orgánica, en general se vierte normalmente una vez al día.
2. Productos de limpieza de las membranas: su frecuencia depende sobre todo del
tipo de membrana, pero se realiza, al menos, una vez al año, con detergentes de
naturaleza biodegradable.
3. Aditivos provenientes del pre/post-tratamiento de agua bruta/producto:
normalmente no deben aparecer en los vertidos ya que se utilizan para incluirse
en el agua para consumo (sólo en caso de fugas), pero en todo caso es posible
encontrar en menor medida floculantes, antiincrustantes, anticorrosivos y
biocidas en las aguas de rechazo. Su carácter poco degradable hace que deban
ser controlados periódicamente.
1.12.4. Otros impactos y consideraciones finales.
Las plantas desaladoras consumen gran cantidad de energía. Tanto si consumen
energía eléctrica como si extraen energía térmica en el caso de una planta dual, las
emisiones de CO2, NOx y otros componentes derivados de la combustión de estas
centrales térmicas debe asociarse a la planta desaladora. Sólo en el caso de que la
energía eléctrica utilizada en procesos desaladores (OI, ED, CV, bombeo de las MSF y
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 232
MED) sea de origen renovable, no debe asignarse este impacto ambiental al proceso
desalador.
Finalmente, también hay que destacar la contaminación acústica de una planta
desaladora, que no suele mencionarse debido a su relativa lejanía de poblaciones y
zonas habitadas. Pero debe tenerse en cuenta sobre todo en pequeñas islas o zonas con
muy escaso terreno edificable, situación desgraciadamente muy común en el Levante
Español y los archipiélagos.
Resumiendo, el impacto ambiental derivado de la instalación de una planta
desaladora tiene varias afecciones destacables: vertido de salmueras, emisiones,
ruidos…
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 233
1.13 COSTES DE LA DESALACIÓN
1.13.1. Consideraciones generales.
En este apartado se compara la desalación con un trasvase hidrológico intercuencas.
Primero debe quedar muy claro que son dos alternativas de naturaleza diferente y por lo
tanto nunca pueden ser económicamente comparables en sentido estricto. Un trasvase es
una obra de naturaleza permanente y debe considerarse, como tal, aunque la
amortización de las obras siga unos criterios especificados para este tipo de obras.
Pero ello incide en el tipo de interés aplicable al proyecto de inversión; así, se aplica
una amortización a la obra hidráulica necesaria de 50 años y un interés medio del 4%,
una tasa de interés que difícilmente conseguiría en la actualidad un inversor privado
para instalar una planta desaladora de tamaño medio – pequeño. La amortización de una
planta desaladora se cifra por término medio en 15 años, con lo que el análisis
económico debería replantearse de nuevo tras ese período, ya que la tecnología en
procesos de desalación habrá evolucionado positivamente en el sentido de un
abaratamiento de los costes de producción del agua desalada.
Otro factor que hay que tener en cuenta es la disponibilidad de ambos recursos. El
PHN realiza su análisis económico de rentabilidad suponiendo que todos los años es
posible derivar del Ebro 1000 hm3. En el caso de que ello no sea posible en alguna
campaña, los costes calculados por el MIMAM serían ostensiblemente superiores a los
previstos y la rentabilidad anunciada no sería ni mucho menos la estimada. Una planta
desaladora que se proyecte para su puesta en marcha sólo ante problemas coyunturales
(sequía, contaminación de otros recursos, etc.) también tiene unos costes mucho
mayores a los de una planta de operación continua, que la lleva irremisiblemente al
cierre de sus instalaciones si no existe una financiación estatal que la mantenga. La
experiencia en España de este tipo de plantas, que han dejado de ser rentables frente a la
competencia de recursos externos o naturales mucho más baratos, puede servir de
ejemplo a esta aseveración.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 234
Finalmente, se podría reseñar que las plantas desaladoras, aunque sean financiadas
por el Gobierno, están gestionadas por empresas privadas que incorporan el beneficio
industrial de la explotación de las mismas, por lo que cuentan con un coste adicional
con respecto a un hipotético trasvase.
Por lo tanto, queda claro que el análisis económico puro no debe ser el único
condicionante para adoptar una decisión de las alternativas a considerar, sino que debe
complementarse con otros condicionantes ecológicos y sociales.
El análisis va a diferenciar la desalación de aguas marinas y de aguas salobres, ya
que la instalación necesaria y los costes de operación son bastante inferiores en el
segundo caso, amén de la existencia de soluciones tecnológicas diferentes a cada tipo de
agua.
1.13.2. Costes de la desalación de agua de mar.
Hay dos tecnologías claramente diferenciadas para la producción de agua desalada a
partir de agua del mar: destilación y ósmosis inversa. Es necesario tratarlas
independientemente ya que la asignación de costes para el primer caso exige un
tratamiento específico, debido a que los procesos de destilación van integrados en una
planta dual con otro producto bien diferenciado: la electricidad.
► Destilación en plantas duales.
Aunque no sea usual en España, existen una gran cantidad de plantas duales
instaladas en Oriente Medio para suplir sus necesidades de agua y electricidad (Figura
101). La mayoría de ellas son una o varias unidades MSF acopladas con una o varias
turbinas de vapor, turbinas de gas con caldera de recuperación para generar el vapor, o
los ciclos combinados de turbina de gas y de vapor acopladas con otra caldera de
recuperación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 235
Figura 101 – Disposiciones posibles de plantas duales de producción de agua y electricidad
► Coste del combustible.
La asignación de costes de la producción de agua y de energía es bastante
problemática, sobre todo cuando de forma interesada se intentan cargar los costes
solamente a uno de los productos. Hay diferentes métodos de contabilidad de costes
utilizados para asignar qué parte de ciertos costes comunes debe asignarse a cada uno de
ellos. Así por ejemplo, una metodología ampliamente utilizada para asignar el coste del
combustible a cada producto es el llamado “Método de los kilowatios perdidos”, en el
cual se calcula el coste de combustible imputable al agua, al cociente de la diferencia de
producción eléctrica adicional respecto a la total que se podría conseguir en el caso de
que las unidades MSF no estuvieran operativas.
Figura 102 – Esquema de producción individual y conjunta de electricidad / agua en una planta dual
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 236
El tipo de combustible incide directamente en el coste del agua asociado, en una
época en la que los combustibles primarios están alcanzando precios realmente
prohibitivos. La siguiente tabla muestra el coste del combustible para tecnologías MSF
y MED en función del combustible, a precios actuales del mercado internacional. El
GOR típico para ambas plantas, que es una medida de la productividad de la planta
desaladora con respecto al vapor consumido, es de 8 – 12 y 12 – 16, respectivamente.
Tabla XLV– Coste del combustible ( )3m
∈ para desalación de agua de mar en función de su
naturaleza.
COMBUSTIBLE PRECIO ( )GJ
S MSF MED
Gas natural 4.5 0.93 – 1.39 0.70 – 0.93 Petróleo 3.8 0.79 – 1.18 0.59 – 0.79 Carbón 1.2 0.25 – 0.37 0.19 – 0.25
Con los precios internacionales actuales sólo los países productores de combustibles
fósiles pueden producir agua desalada de esta forma, a no ser que se consuma carbón,
recurso que suele localizarse en zonas húmedas sin problemas de abastecimiento de
agua.
0.93 – 1.39 3m
∈
0.79 – 1.18 3m
∈
0.25 – 0.37 3m
∈
0.70 – 0.93 3m
∈
0.59 – 0.79 3m
∈
0.19 – 0.25 3m
∈
Figura 103 – Costes totales del agua desalada con tecnologías evaporativas consumiendo carbón en la
planta dual
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 237
► Consumo eléctrico
Las tecnologías MED y MSF consumen adicionalmente energía eléctrica para la
circulación de los flujos de alimentación, salmuera, destilado y retorno del condensado.
Las plantas MSF necesitan una bomba adicional del recirculado de salmuera, que
incrementa su consumo ostensiblemente con respecto a la tecnología MED. La siguiente
tabla muestra el consumo específico y el coste económico asociado a este consumo.
Tabla XLVI – Coste del consumo eléctrico de las plantas MSF, MED y CV.
TECNOLOGÍA DE EVAPORACIÓN
CONSUMO
ESPECÍFICO ( )3m
kWh COSTE ( )3
m∈
MSF 3.5 – 4.0 0.13 – 0.14 MED – TVC 1.5 – 2.0 0.05 – 0.07
CV 9 – 11 0.43 – 0.53
Se ha incluido aquí la tecnología CV, que consume energía eléctrica solamente para
su compresor volumétrico y las bombas de alimentación y de recogida del rechazo y del
destilado. Hay que reseñar que el coste del kWh necesario para las tecnologías MSF y
MED es menor que el de las tecnologías CV, ya que la electricidad se obtiene de la
misma planta dual y no es necesario comprarla a la compañía eléctrica correspondiente,
a precio siempre mayor que el de la generación pura.
► Inversión necesaria y amortización
La inversión necesaria para este tipo de plantas ha ido descendiendo poco a poco,
con la inclusión de nuevos materiales resistentes a la corrosión no tan caros como los
aceros inoxidables o las aleaciones de titanio. Los precios por día
m3
de capacidad
instalada dependen lógicamente del tamaño de planta, pero pueden resumirse en la
siguiente tabla.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 238
Tabla XLVII– Precio por día
m3
de capacidad instalada de las tecnologías evaporativas y coste de
amortización de dicha inversión.
TECNOLOGÍA DE EVAPORACIÓN
INVERSIÓN ( )díam // 3∈
COSTE DE AMORTIZACIÓN
( )3m
∈
MSF 180000 – 280000 0.29 – 0.44 MED – TVC 130000 – 180000 0.21 – 0.29
CV 170000 – 250000 0.27 – 0.40
Figura 104 – Distribución porcentual del coste de inversión de los diferentes equipos de una planta
desaladora térmica (MSF)
De la inversión global, el coste del evaporador supone alrededor del 65% del total,
las bombas de circulación el 5%, el condensador de vapor proveniente de la planta de
potencia el 3%, el sistema de vacío el 2%, y los sistemas auxiliares y de control el 25%
restante, incluyendo la estación reductora de presión ERP de vapor vivo para
proporcionar vapor en condiciones óptimas a la MSF en caso de parada de la turbina de
vapor. El coste del terreno suele ser despreciable en el cómputo final al tratarse de
instalaciones situadas en terreno desértico.
► Otros costes
Los costes de mantenimiento y mano de obra, y productos químicos utilizados como
aditivo para evitar la formación de costras (scaling) se muestran en la siguiente tabla.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 239
Tabla XLVIII– Coste por m3 de la mano de obra, mantenimiento y productos químicos.
Tabla XLIII– Coste por m3 de la mano de obra, mantenimiento y productos químicos.
TECNOLOGÍA DE EVAPORACIÓN
COSTE DE PRODUCTOS
QUÍMICOS ( )3m
∈
COSTE MANO DE OBRA Y
MANTENIMIENTO
( )3m
∈
MSF 0.02 – 0.04 0.05 – 0.07 MED – TVC 0.02 – 0.03 0.04 – 0.07
CV 0.02 – 0.04 0.05 – 0.08
En consecuencia, la tecnología MED es la más barata, aunque la capacidad de este
tipo de unidades no llegue a la de las unidades MSF. La tecnología CV queda
claramente en desventaja con otras tecnologías de menor consumo eléctrico e inversión,
como la ósmosis inversa.
Finalmente, reseñar que las plantas duales permiten la flexibilidad de instalación de
unidades de osmosis inversa (constituyendo sistemas híbridos de producción de agua
desalada) que en períodos de baja demanda eléctrica produzcan una cantidad adicional
de agua desalada (Figura 105).
Figura 105 – Esquema híbrido cogeneración ciclo combinado MED con módulos de OI
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 240
1.13.3. Desalación de agua de mar con ósmosis inversa.
Para el tratamiento de los costes de la desalación de agua de mar con ósmosis
inversa, hay que tener en cuenta la infinidad de variables que afectan de forma
considerable al coste final del agua desalada:
1. Tamaño de la instalación.
2. Condiciones físicas y geográficas de la captación de agua marina.
3. Calidad del producto requerido.
4. Sistema de recuperación de energía utilizado.
► Metodología para el cálculo de los costes.
Las plantas de desalación de agua de mar pueden clasificarse en pequeñas plantas,
que intentan resolver específica y cuantitativamente problemas poco importantes y
grandes plantas ( )día
mcapacidad3
10000≥ construidas para resolver importantes
problemas de abastecimiento a poblaciones o de regadío, que requieren disponer de
toma de agua de mar y/o fuerte pretratamiento antes de que sea tratada por la planta, así
como de embalses de regulación, sistemas de elevación y transporte de tubería para que
el agua pueda ser utilizada en el lugar deseado.
La siguiente distribución es la más frecuente en las grandes plantas y muestra la
forma en la que se deben descomponer los costes de la desalación de agua de mar,
teniendo en cuenta que la planta se encuentra a nivel del mar y que las aguas desaladas
se usarán in situ. En el caso de utilización del agua desalada en zonas alejadas de la
costa, deben tenerse en cuenta las inversiones necesarias en grupos de elevación y
conducciones hasta los puntos de uso, lo que implica también unos mayores costes
energéticos debido a la elevación y de amortización de estas infraestructuras.
1. Toma de agua de mar.
2. Pretratamientos.
3. Planta desalinizadora.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 241
4. Depósito de regulación.
5. Emisario de la salmuera.
La metodología general para un estudio de este tipo es considerar cada uno de los
elementos como unidades de obra principales que, a su vez, se descompondrían en
varias subunidades de obra. Cada unidad o subunidad exige el estudio de la inversión
total inicial y los costes anuales, constantes o variables, durante su vida útil. Todos los
desembolsos realizados en la inversión se capitalizan a un determinado interés durante
un periodo igual al de su vida útil y a continuación se calcula la anualidad capaz de
financiar este capital. Por último, se divide esta anualidad por el volumen anual de agua
producida y, de este modo, se obtiene la incidencia de esta unidad de obra sobre el
precio del metro cúbico de agua. A continuación, se estudiarán las fórmulas necesarias
para calcular, de acuerdo con la metodología expuesta, el coste unitario del agua.
En primer lugar, se calcula la inversión inicial de la unidad de obra (I), que se
obtendrá como suma de los precios (A, B, C…) de cada una de las subunidades en que
se descomponga, cuyos respectivos periodos de vida útil son a, b, c… Para el cálculo de
la cuota de amortización, se utiliza la fórmula de la amortización financiera:
( )( )
→−+
+⋅=
parcialesobradeunidadeslastodaspara
igualonesequeunoportoenanualerési
inversiónladevidadeañosdenn
inversiónI
i
iiIa
n
n
sup)tan(int:
º:
:
11
1
Esto implica aceptar las hipótesis siguientes:
1. La duración de la inversión será la misma que la duración del préstamo.
2. El valor residual es cero.
A la suma de las anualidades de amortización de las inversiones A, B, C…, se le
llama costes financieros anuales (CF):
...+++= cba cbaCF
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 242
Por otra parte, la planta exigirá unos costes de explotación anuales (CE), que se
calculan como suma de los costes parciales: coste de la energía (E), coste de
mantenimiento (M), coste de personal (P), coste de reposición de membranas (MB),
coste de reposición de cartuchos (CT) y coste de reactivos químicos (RQ). Conocidos
CF y CE, se calcula el coste del metro cúbico de agua mediante la siguiente expresión:
{ producidoanualvolumentQtQ
CECFCT :⋅→
⋅
+=
Un concepto a tener muy en cuenta a la hora de realizar el estudio de costes de
desalación es el referente a la toma de agua de mar para su desalación. A este respecto,
se debe indicar que la captación se puede realizar con pozos costeros o con toma directa
del mar (emisario submarino). La diferencia de coste se debe a la diferente calidad del
agua captada y, en consecuencia, a los distintos tratamientos requeridos para su proceso.
Otro elemento importante de las instalaciones desaladoras es el elemento de retorno
al mar de las salmueras rechazadas por la planta, aunque también existe la posibilidad
de tratar dichas salmueras en plantas apropiadas, con el fin de evitar la contaminación.
Por último, debe señalarse que, en el caso de que el destino de las aguas sea el
regadío, se producirá un coste adicional debido a la regulación exterior necesaria para
modular la producción continua de la planta al régimen intraanual estacional de las
demandas de riego.
► Costes de capital (inversión).
La inversión necesaria para instalar una planta de ósmosis inversa incluye el valor
final de la ejecución del correspondiente proyecto, así como el de todas las
infraestructuras necesarias. Para situaciones donde tenga que elevarse el agua desalada
debe considerarse un incremento de la inversión a realizar en bombas de impulsión y en
conducciones hasta la cota deseada.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 243
Tabla XLIX – Costes totales.
INVERSIÓN
Costes financieros o de capital (CF)
1. Toma de agua de mar. 2. Pretratamiento. 3. Planta de ósmosis inversa. 4. Depósito de regulación. 5. Emisario de la salmuera. COSTES
TOTALES
Costes de operación o de explotación (CE)
a. Personal. b. Mantenimiento. c. Reposición de membranas. d. Reposición de cartuchos. e. Reactivos químicos. f. Energía.
► Costes de explotación o de operación.
• Costes de personal.
El personal necesario para la operación y mantenimiento de la planta depende en
gran medida del tamaño de dicha planta y de su grado de automatización.
Las pequeñas instalaciones de tipo turístico suelen funcionar sin apenas
mantenimiento o con el mismo personal dedicado a otras actividades dentro del
complejo turístico. Además existe otro factor adicional que incrementa la variabilidad
de este coste: el carácter estacional de este tipo de plantas afecta directamente al coste
de personal asociado. Conforme la planta va adquiriendo capacidad, empieza a ser
necesario mantener personal fijo en la instalación, con ayuda especializada en caso de
situaciones de avería. Cuando la planta tiene una capacidad considerable
( )día
m3
30000> es necesaria una plantilla mínima de 20 personas para su gestión y
mantenimiento que permita una producción continuada y sin mermas.
La plantilla de personal puede dividirse en tres categorías:
1. Personal de dirección.
2. Personal de operación.
3. Personal de mantenimiento.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 244
En plantas de desalación de agua de mar por ósmosis inversa no son convenientes las
paradas en la planta, por lo que será necesario mantener tres turnos del personal de
operación y mantenimiento.
Tabla L - Estructura de costes de personal en grandes desaladoras.
COSTE (sin S.S.) PUESTO Nº personas
Unitario € Total € Personal de dirección Jefe de planta 1 33056 33056 Jefe de mantenimiento 1 27046 27046 Personal de operación Operadores. Oficial 1ª 5 16528 82639 Ayudante de operador. Oficial 2ª 5 15025 75127 Personal de mantenimiento Mecánico. Oficial 1ª 1 16528 16528 Electricista. Oficial 1ª 1 16528 16528 Fontanero. Oficial 1ª 1 16528 16528 Instrumentista. Oficial 1ª 1 16528 16528 Ayudantes. Oficial 3ª 2 13525 27046 Peones. 3 12020 36061 Otros Analista de laboratorio 1 16528 16528 Auxiliar administrativo 1 16528 16528 TOTAL 23 ------- 380140 TOTAL con cuotas S.S. (35%) ----- ------- 513144
• Costes de mantenimiento.
En este capítulo se incluyen las reparaciones para conservación de las instalaciones,
consumibles y materiales de mantenimiento (repuestos, lubricantes,…). No se
consideran los costes del personal dedicado a estas reparaciones porque ya se han tenido
en cuenta en el apartado anterior.
El coste de mantenimiento de la planta es variable a lo largo de su vida, por lo que en
este tipo de estudios se suele utilizar el coste medio anual de mantenimiento.
Actualmente, los costes de mantenimiento de los equipos mecánicos y eléctricos son
relativamente bajos debido a la alta calidad de los materiales y diseños usados en este
tipo de instalaciones.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 245
Tabla LI – Repercusión sobre el coste del m3 debido al mantenimiento.
MANTENIMIENTO PRODUCCIÓN Inversión (I)
Toma de pozo Toma directa m3/día m3/año € 1% I cent €/m3 2% I cent €/m3 10000 3500000 6000000 60000 1.71 120000 3.43 20000 7000000 12000000 120000 1.71 240000 3.43 40000 14000000 24000000 240000 1.71 480000 3.43 60000 21000000 36000000 360000 1.71 720000 3.43 80000 28000000 48000000 480000 1.71 960000 3.43 100000 35000000 60000000 600000 1.71 1200000 3.43 120000 42000000 72000000 720000 1.71 1440000 3.43 140000 49000000 84000000 840000 1.71 1680000 3.43
• Costes de reposición de membranas.
Actualmente, los proyectos de plantas desaladoras se realizan teniendo en cuenta una
tasa del 5 al 10% de reposición anual de membranas, siempre que los procesos de
protección hayan sido bien diseñados y que las aguas de alimentación procedan de un
pozo sin problemas de contaminación bacteriana. Cuando se trabaja en una toma directa
de agua de mar se considera una tasa del 20%, dependiendo de su contenido en materia
orgánica. En el caso de utilizar agua de mar muy contaminada, estas cifras aumentan
debido a las frecuentes limpiezas de las membranas que hay que realizar, lo que también
reduce notablemente su vida media. Por tanto, el coste de reposición de membranas
depende, sobre todo, de las características químicas y bacteriológicas del agua bruta y
muy poco del tamaño de la planta.
• Costes de reposición de cartuchos de filtro.
Como dato general, la reposición de cartuchos en plantas con toma directa de agua de
mar se realiza aproximadamente cada tres meses y en las plantas con toma de pozo cada
seis meses, aunque esta operación es muy variable en función de la calidad del agua de
entrada a la planta. Su repercusión económica por metro cúbico de agua desalada es,
según la experiencia obtenida de diversas planta, de 0.30 a 0.60 3m
cent ∈ , bajo la
hipótesis de un precio medio del cartucho de alrededor de 9 €.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 246
• Coste de reposición de membranas y arenas.
Este es un coste no imputable a tecnologías de evaporación. Suele ser muy variable,
dependiendo de las frecuencias de lavado y del control de operación de la planta,
incluso hay plantas que con numerosos lavados no suelen reemplazarlas.
Normalmente los fabricantes dan una garantía de un porcentaje de reposición típico
para una duración determinada. Si el porcentaje es mayor que el de garantía, la
reposición corre a cuenta del fabricante, y a cuenta del operador en caso contrario. El
coste de reposición de membranas, puede evaluarse de 0.01 a 0.04 3m
∈ .
También debe mencionarse la reposición de la arena de los filtros perdida con los
lavados periódicos, aunque ésta tiene una periodicidad de 7 a 10 años.
• Costes de reactivos químicos.
Los reactivos químicos se utilizan para el acondicionamiento del agua de
alimentación, para el acondicionamiento del permeado y para la limpieza de las
membranas.
Los reactivos químicos utilizados en los diversos procesos realizados en una EDAM
dependen fundamentalmente de la calidad del agua bruta a tratar, y también de la
calidad del producto requerida.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 247
Tabla LII – Reactivos y función de los mismos.
Fase del proceso Producto químico Funciones
Hipoclorito sódico Desinfectante. Eliminación de materia orgánica y/o actividad biológica.
Coagulante Eliminación de coloides sobre lechos filtrantes. Reducción del SDI.
Ácido sulfúrico Contros de precipitados de CaCO3
Control del pH. Mejor acción bactericida del cloro.
Polielectrolito Ayuda para la floculación. Produce flóculos de mayor tamaño.
Dispersante Secuestrante de las sales poco solubles.
1. Acondicionamiento del agua de alimentación
Bisulfito sódico
Eliminación del cloro residual. En algunos casos se emplea para regulación del pH y control de los desarrollos biológicos.
Hidróxido cálcico Control del pH y calcificación del agua.
Anhídrido carbónico Carbonatación del agua. 2. Acondicionamiento del permeado
Hipoclorito sódico Desinfectante. 3. Limpieza de las membranas
Diversos reactivos Limpieza química de las membranas.
El consumo de reactivos es, en principio, directamente proporcional a la producción
de agua, por lo que el coste por metro cúbico producido es independiente del tamaño de
la planta, sin perjuicio del efecto de economía de escala conseguido al aumentar la
cantidad de reactivos consumidos. Por otra parte, el número de productos empleados y
sus dosificaciones son variables según las características del agua a tratar y el modo de
funcionamiento de la planta.
Tabla LIII – Repercusión sobre el coste del m3 debido al consumo de reactivos.
PRODUCCIÓN COSTE ANUAL (€) COSTE POR m3 (cent€)
m3/día m3/año Toma pozo Toma directa Toma pozo Toma
directa 10000 3500000 84142 168286 2.40 4.81 20000 7000000 162273 324547 2.32 4.63 40000 14000000 312526 625053 2.23 4.47 60000 21000000 450759 901518 2.15 4.29 80000 28000000 576972 1153943 2.06 4.12
100000 35000000 691164 1382328 1.98 3.95 120000 42000000 793336 1586672 1.89 3.78 140000 49000000 883488 1766976 1.80 3.61
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 248
• Coste de la energía.
Para realizar el análisis de los costes energéticos de la desalación es necesario
establecer dos conceptos diferentes:
1. Consumos energéticos por unidad de volumen de agua producida en las
diferentes fases del proceso: los cuatro componentes básicos del consumo
energético de las plantas desaladoras de agua de mar son los siguientes:
o Consumo energético en el bombeo de agua de mar: este consumo
energético es el necesario para bombear el agua de mar hasta el depósito
de entrada a la planta. Los valores medios actuales que se manejan
oscilan entre 0.2 y 0.7 3m
kWh .
o Consumo energético en el bombeo de alta presión y recuperación de
energía: el consumo del bombeo de alta presión es el correspondiente a
las bombas que alimentan los bastidores de ósmosis inversa.
o Consumo energético en el bombeo intermedio: este concepto se
corresponde con la energía necesaria para bombear el permeado a la
balsa de salida de la planta. Los valores medios actuales de consumo
energético por este concepto oscilan entre 0.3 y 0.5 3m
kWh .
o Consumo energético en el bombeo de transporte: este apartado
corresponde a la energía necesaria para elevar el permeado producido por
la planta, desde el depósito de salida hasta los puntos de consumo o
balsas de regulación de que disponga el sistema de distribución en cada
caso.
2. Coste de la energía eléctrica por kWh consumido, en función de las
características de la desaladora y los precios del mercado eléctrico: en cuanto al
coste de la energía eléctrica, se puede establecer que un objetivo básico para
cualquier empresa consiste en la minimización de sus gastos de explotación.
Este hecho adquiere una especial relevancia en desalación de agua de mar,
donde los costes energético suponen, como media, valores del 50% del coste de
operación de las plantas y del 35% sobre el coste total del agua desalada.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 249
Actualmente existen dos categorías de mercados o consumidores de energía
eléctrica en España, consumidores de tarifas básicas y consumidores en mercado
liberalizado. El precio pagado por el consumidor a tarifa es un precio regulado y
establecido anualmente por el gobierno central. La factura pagada por el
consumidor en mercado libre incluye dos tipos de precios:
o Precios regulados: precios máximos que establece el gobierno y que
corresponden a los peajes por el uso de las redes, así como el alquiler del
equipo de medida.
o Precios liberalizados: precios que el consumidor pacta libremente con su
comercializador y que corresponden a la adquisición de electricidad.
En general, existen cuatro factores a tener en cuenta para la optimización del
coste de la energía eléctrica:
o Adecuación del modo y valor de la potencia contratada.
o Corrección de energía reactiva.
o Elección de la tarifa adecuada.
o Discriminación horaria.
1.13.4. Costes de desalación de aguas salobres.
La desalación de aguas salobres soporta unos costes muy inferiores a los necesarios
para desalar agua de mar. Sin embargo, sólo es económicamente rentable utilizando
tecnologías de membrana, ya que si se utilizan tecnologías evaporativas el gasto
energético y de inversión es idéntico al de la desalación de agua de mar.
En este apartado sólo se van a analizar los costes de explotación de la desalación de
aguas salobres, aunque la problemática medioambiental asociada con los vertidos de
rechazo de aguas salobres debe tenerse seriamente en cuenta. La construcción de
salmueroductos de evacuación de dichos rechazos podría aumentar peligrosamente el
coste del agua salobre desalada, hasta el punto de perder la rentabilidad de la
explotación de la desaladora.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 250
► Desalación por ósmosis inversa.
Aunque en esencia la instalación de una estación desaladora de aguas salobres
(EDAS) es idéntica a la de una estación de agua de mar (EDAM), los costes que soporta
son mucho menores, ya que tanto el pretratamiento, como el número de módulos,
equipo de bombeo, presión de operación y postratamiento son menos intensivos,
incidiendo positivamente en el coste final del agua.
► Coste energético de las EDAS.
El consumo específico derivado depende de la salinidad del agua bruta, el porcentaje
de recuperación deseado, el tamaño de planta y la calidad requerida. También la
captación tiene su peso importante ya que si el acuífero está muy profundo el coste de
su extracción puede ser muy cercano al de bombeo para el fenómeno de ósmosis. En
general, se puede decir que en el rango de 2.00 a 10000 ppm. de TDS, el consumo
específico asociado para instalaciones de media – gran capacidad y porcentaje medio de
recuperación (en torno al 75%) varía de 1 a 2 3m
kWh . Esto significa que el coste
eléctrico para desalación de aguas salobres supone tan sólo de 0.04 a 0.12 3m
∈ ,
manteniendo los precios de la electricidad expuestos anteriormente.
► Coste de inversión.
Al igual que las EDAM, las EDAS sufren una fuerte reducción del precio por día
m3
de capacidad, aunque en el caso de plantas de gran tamaño no es tan espectacular. Como
término medio, se puede decir que para instalaciones pequeñas y medianas el coste de
inversión es la tercera parte de los de una EDAM, y para grandes instalaciones algo
menos de la mitad requerida para desalar agua de mar.
► Coste de mantenimiento y personal.
El coste debido a esta partida es prácticamente el mismo a una instalación EDAM,
pero el tamaño medio de este tipo de plantas suele ser menor que las anteriormente
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 251
mencionadas y por lo tanto este coste es en general más reducido que en la desalación
de aguas salobres, incorporando un coste medio de 0.03 a 0.08 3m
∈ .
► Coste de aditivos químicos
Normalmente no son necesarios tantos agentes como en el caso de las EDAM,
máxime cuando la mayoría de estas instalaciones van a ser utilizadas para riego. Un
coste de 0.01 a 0.03 3m
∈ es el que debe asignarse a esta partida para las EDAS.
► Coste de reposición de membranas
El porcentaje de reposición de membranas puede ser incluso superior a los de las
EDAM, pero su menor coste de adquisición supone un coste menor al obligado en el
caso de desalación de agua de mar. Dicho coste es un cargo adicional de 0.01 a 0.02
3m
∈ .
► Coste total asociado a la desalación de aguas salobres
Todos los costes asociados a la desalación de aguas salobres son menores que los de
agua marina. El rango obtenido varía desde las 0.17 3m
∈ en el mejor de los casos hasta
0.36 3m
∈ en caso de pequeñas instalaciones con extracción problemática. La
amortización tomada es la misma adoptada para el caso de las EDAM.
1.13.5. Porcentajes de los costes de desalación por ósmosis inversa.
El siguiente gráfico de sectores representa los porcentajes de los costes de
desalación.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 252
Figura 106 – Costes de desalación
1.13.6. Resumen.
En la desalación de aguas marinas, las plantas de ósmosis inversa de tamaño
considerable son, con diferencia, la opción más barata en la situación actual del
mercado energético. Los costes de inversión ya están por debajo de las técnicas
evaporativas, por lo que se supone que será predominante en nuestro país en los
próximos años. La evolución tecnológica de los diversos tipos de membranas va a
contribuir seguro a un abaratamiento de costes del agua desalada por ósmosis inversa,
impensable unos años atrás.
En la desalación de aguas salobres, la elección de la ED o la OI como tecnología de
desalación va a depender fundamentalmente de la calidad del agua aportada, que
permita una mejor operación sin afectar a sus membranas.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 253
1.14 REUTILIZACIÓN DE AGUAS
1.14.1. Introducción.
La recuperación de la calidad el agua mediante la depuración de las aguas residuales
en las estaciones correspondientes (EDAR) y su posterior reutilización es una forma de
aumentar los recursos disponibles además de minimizar el impacto de su vertido al
medio ambiente en las zonas con escasez de agua.
Se debe distinguir muy claramente entre una reutilización directa y la reutilización
indirecta a través de cursos naturales. En los sistemas de explotación interiores las aguas
residuales se vierten más o menos tratadas a ríos o embalses, y pueden ser diluidas
aguas abajo para ser parcialmente reutilizadas en zonas aguas abajo para nuevos usos
urbanos, industriales o agrícolas. Sin embargo en zonas costeras las aguas residuales
suelen ser evacuadas al mar a través de emisarios, cauces o acuíferos sin posibilidad de
aprovechamiento posterior. Por lo tanto, es en esas zonas costeras o en zonas interiores
con problemas de abastecimiento donde se puede plantear la reutilización directa y
planificada del agua residual hasta su aprovechamiento sin dilución previa.
Un factor a tener en cuenta en la reutilización de aguas es la aceptación pública del
reciclado, una barrera hasta ahora insalvable en ciertos lugares. La calidad del agua
depurada debe ser el mayor empuje para la progresiva aceptación de este nuevo recurso.
En la actualidad, utilizando una cuidadosa metodología de investigación previa y
adecuados tratamientos avanzados, se puede reutilizar agua residual urbana para
cualquier uso, incluido el de agua potable para uso humano. Por lo tanto, son necesarios
dos pasos principales para cualquier proyecto de reutilización de ARU:
1. Definir los niveles de calidad adecuados para el uso previsto.
2. Establecer los procesos de tratamiento necesarios (suelen llamarse terciarios
avanzados) para la calidad del efluente recomendada.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 254
1.14.2. Calidad requerida para los diferentes usos.
Para que la reutilización sea posible como fuente alternativa de abastecimiento y
ofrezca seguridad desde el punto de vista sanitario y ambiental, es imprescindible que el
agua residual se depure hasta que reúna la calidad apropiada a su nuevo uso. Así, para
cualquier aplicación relacionada con el contacto o la alimentación humana/animal, el
agua no debe contener organismos patógenos y sustancias tóxicas; para la recarga de
acuíferos el agua debe tener características de agua mineral, para el uso en calderas no
debe contener sales, para el regadío puede contener materia orgánica y nutrientes pero
no metales ni oligoelementos hasta concentraciones tóxicas...
Sin embargo son diversos y hasta heterogéneos los criterios de calidad establecidos
en los distintos países. En España se ha elaborado un borrador como propuesta de
decreto, en el que se establecen 14 posibles usos para el agua reutilizada:
1. Usos domiciliarios:
o Riego de jardines privados.
o Descarga de aparatos sanitarios.
o Sistemas de calefacción y refrigeración de aire domésticos.
o Lavado de vehículos.
2. Usos y servicios urbanos:
o Riego de zonas verdes de acceso público (campos deportivos, campos de
golf, parques públicos…).
o Baldeo de calles.
o Sistemas contra incendios.
o Fuentes y láminas ornamentales.
3. Cultivos de invernadero.
4. Riego de cultivos para consumo en crudo. Frutales regados por aspersión.
5. Riego de pastos para consumo de animales productores de leche o carne.
6. Riego de cultivos destinados a industrias conserveras y productos que no se
consuman crudos. Riego de frutales excepto por aspersión.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 255
7. Riego de cultivos industriales, viveros, forrajes ensilados, cereales y semillas
oleaginosas.
8. Riego de bosques, industria maderera, zonas verdes y de otro tipo no accesibles
al público.
9. Refrigeración industrial, excepto industria alimentaria.
10. Estanques, masas de agua y caudales circulantes, de uso recreativo en los que
está permitido el contacto del público con el agua.
11. Estanques, masas de agua y caudales circulantes ornamentales, en los que está
impedido el contacto del público con el agua.
12. Acuicultura (biomasa vegetal o animal).
13. Recarga de acuíferos por percolación localizada a través del terreno.
14. Recarga de acuíferos por inyección directa.
Recalcar que no se permite el consumo humano, que en los casos 10 y 11 no debe
haber olores, que no se pueden cultivar moluscos filtradores y que cualquier nuevo uso
debe ser regulado previamente.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 256
1.15 ENERGÍAS RENOVABLES
Hay diversos factores que hacen de la desalación de agua del mar una aplicación
atractiva para las energías renovables. Por un lado, muchas zonas con escasez de agua
desalada poseen un buen potencial de alguna de dichas energías, especialmente la eólica
y la solar. Un factor positivo es la simultaneidad estacional entre la época de mayor
demanda de agua potable y la disponibilidad de dichas energías. En numerosas
localidades costeras y centros turísticos, la demanda de agua potable crece en verano,
motivado por el gran aumento que experimenta la población debido al turismo. Y es
precisamente en verano cuando la disponibilidad de la radiación solar es máxima. Todos
estos factores han motivado que varias instituciones y organismos oficiales hayan
desarrollado, o estén desarrollando, proyectos destinados a mejorar y hacer más
competitivos los sistemas de desalación de agua de mar que funcionan con energías
renovables.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 257
1.16 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA DESALACIÓN
1.16.1. Ventajas.
1. Supone el 3% de ocupación de terreno y el 3% de desplazamiento de tierras
frente al trasvase del Ebro previsto en la Ley de Plan Hidrológico Nacional
(PHN), ya derogado.
2. El sistema de desalinización consumiría un 30% menos de energía que la
requerida para trasladar el agua del Ebro a Cataluña, Comunidad Valenciana,
Murcia y Almería.
3. Podrían utilizarse energías renovables para el funcionamiento de las desaladoras,
dado que en numerosas zonas del sur y el este del país, el sol y/o el viento
abundan.
4. Flexibilidad de producción.
5. Menor coste de inversión.
6. Coste operativo de explotación minimizado.
1.16.2. Inconvenientes.
1. En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se producen residuos
salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican a la flora marina al aumentar la
salinidad de las aguas.
2. Las complejas instalaciones de ósmosis inversa requieren un gran consumo de
electricidad.
3. Las desaladoras se instalarían en lugares no ocupados por las urbanizaciones
turísticas.
4. Como fábricas que son, tienen una vida limitada.
5. El agua desalada, al parecer, podría perjudicar a la agricultura. Los cítricos, por
ejemplo, son muy sensibles a los minerales que contiene el agua desalada.
6. Habría que realizar nuevas y costosas obras de infraestructura para trasladar el
agua desalada a las zonas donde es necesaria.
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 258
1.16.3. Consejos de los expertos.
Los investigadores del Centre d´Estudis Avancats de Blanes – CSIC (Consejo
Superior de Investigaciones Científicas) informan de una serie de medidas que habría
que tener en cuenta:
1. La localización de las desaladoras debería ser en zonas donde el impacto sobre
las comunidades bentónicas sea mínimo (verter preferentemente los residuos en
fondos sin vegetación). Es importante evitar bahías cerradas y sistemas de gran
valor ecológico, como las praderas de angiospermas marinas.
2. Los vertidos de salmueras se deben que situar en zonas de hidrodinamismo
medio o elevado, que facilite la dispersión de la sal vertida al mar.
3. Deben evitarse cambios que puedan afectar los procesos de sedimentación.
4. Se debe intentar que el agua de origen sea de buena calidad para minimizar el
tratamiento químico posterior.
5. Necesidad de investigar los distintos aspectos de impacto de salmueras en el
litoral. Se deben realizar estudios del impacto de cada elemento del vertido por
separado y también de sus posibles interacciones.
6. Habría que establecer cuáles son los límites de tolerancia de las distintas
comunidades bentónicas mediterráneas que pueden verse afectadas por los
vertidos.
Figura 107 – Esquema de una planta desaladora por ósmosis inversa
DISEÑO DE UNA PLANTA DESALADORA DE AGUA DE MAR POR ÓSMOSIS INVERSA
Cecilia Rodríguez Fernández MEMORIA – 259
Figura 108 – Interior de una planta desaladora