ES2341547T3 - Metodo y sistema para aumentar la recuperacion y prevenir el ensuciamiento por precipitacion en procedimientos de membrana sometidos a presion. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar una o más sales o minerales poco solubles, comprendiendo dicho procedimiento alimentar una corriente de agua a presión que contiene especies solubles capaces de formar una o más de las siguientes sales o minerales poco solubles: carbonato de calcio; sulfato de calcio; sílice; fosfato de calcio; sulfato de bario; sulfato de estroncio y fluoruro de calcio en una zona de tratamiento que tiene una o más membranas dispuestas en la misma, hacer pasar dicha corriente por dicha membrana o membranas para recuperar un filtrado y extraer un concentrado de la misma mientras que periódicamente se invierte el sentido del flujo de dicha corriente en dicha zona de tratamiento, comprendiendo además el procedimiento estimar el tiempo de inducción τ, que es el tiempo requerido para que una corriente de agua supersaturada precipite una o más de dichas sales y/o minerales poco solubles de la misma, y ajustar la inversión de flujo periódica para que tenga lugar un cierto tiempo menor que el tiempo de inducción τ, estando dicha membrana o membranas expuestas a condiciones de supersaturación que se desarrollan en dicha corriente de agua durante un período de tiempo que es menor que dicho tiempo de inducción τ.

Description

Método y sistema para aumentar la recuperación y prevenir el ensuciamiento por precipitación en procedimientos de membrana sometidos a presión.

La presente invención se refiere en general a mejorar la recuperación, y a prevenir el ensuciamiento por precipitación, en procedimientos de filtración de líquidos. Más en particular, la invención se refiere a un procedimiento y un sistema para prevenir el ensuciamiento por precipitación en procesos de filtración impulsados por presión de ósmosis inversa y nanofiltración, y para aumentar la recuperación por precipitación de minerales supersaturados de la corriente de concentrado antes de su posterior desalación.

Los procedimientos de filtración con membrana proporcionan soluciones atractivas para diversas aplicaciones de tratamiento de agua tales como los usados para la eliminación de constituyentes inorgánicos y, en particular, en la desalación de agua salobre y agua del mar y para la eliminación de Compuestos Químicos Orgánicos Sintéticos (SOC). Puesto que los procedimientos tradicionales de tratamiento de agua no siempre son capaces de cumplir los requerimientos impuestos por las normativas sobre agua potable, los procedimientos de filtración con membrana son cada vez más preferidos en tales aplicaciones, en particular debido a su requerimiento de poco espacio y a la eliminación eficaz de contaminantes.

Los procedimientos de membrana impulsados por presión se definen como procedimientos en los cuales se alimenta una corriente de alimentación a un caudal volumétrico Q_{f} en un dispositivo de membrana (por ejemplo, un recipiente a presión) equipado con membranas que dividen el espacio en un lado de la alimentación y un lado del filtrado, y en el que una diferencia de presión a través de las membranas hace que el disolvente (normalmente agua) pase desde el espacio de la alimentación a un caudal volumétrico denominado Q_{p}. La solución que queda, que está ahora concentrada en los solutos rechazados, abandona el espacio de la alimentación del dispositivo de membrana como una corriente concentrada a un caudal volumétrico denominado Q_{r}. A la fracción de alimento que abandona el dispositivo de membrana como filtrado se hace referencia como recuperación de la membrana, Y:

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Puesto que la recuperación aumenta, la concentración de los solutos rechazados en la corriente de concentrado, C_{r}, viene dada por el balance de masas como:

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Los procedimientos de membrana impulsados por presión se distinguen entre si por los tipos de solutos que éstos rechazan o pasan al lado de filtrado. Para un procedimiento dado, esta selectividad se puede definir por el rechazo de soluto empírico para cada soluto i, R_{i}, definido por:

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donde C_{fi}, C_{pi} se refieren a las concentraciones en la alimentación y filtrado de componente i, respectivamente. Para especies con alto rechazo, R_{i} \cong 1 y por tanto la relación definida en la ecuación 2, entre su concentración en la corriente de concentrado, C_{r}, y la de recuperación, Y se reduce a:

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En la Tabla 1 se proporcionan definiciones típicas de los diversos tipos de procedimientos impulsados por presión:

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TABLA 1 Definición de diversos procedimientos de membrana impulsados por presión, adaptado de M. Mulder, Basic Membrane Technology, 2ª ed., Capítulo 1 (Marcel Dekker, 1996)

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En esta tabla d_{p} se refiere al diámetro del soluto rechazado. MWCO se refiere al corte o separación de peso molecular definida normalmente como el peso molecular de soluto que es rechazado en un valor igual o superior al 90% por la membrana. Se puede apreciar que los procedimientos de membrana impulsados por presión que darán lugar a una desalación parcial o completa son ósmosis inversa (RO) y nanofiltración (NF). Estos también eliminarán materiales orgánicos naturales, materiales orgánicos sintéticos y compuestos químicos inorgánicos y, por ello, son adecuados para la desalación parcial o completa de agua salobre o agua de mar.

La tasa a la cual el disolvente junto con los solutos no rechazados pasa a través de la membrana por unidad de área de membrana se define como el flujo en la membrana (representado como J_{v}) con unidades de volumen/(área unitaria-tiempo). Durante el procedimiento de filtración, las membranas se ensucian y como resultado son menos eficaces. El ensuciamiento de las membranas se ha convertido en uno de los principales impedimentos para su aceptación en aplicaciones de tratamiento de agua. La aparición de ensuciamiento en la membrana en procedimientos de ósmosis inversa y nanofiltración conduce a la reducción en la capacidad de producción y algunas veces a la pérdida del rechazo del soluto. Existen varios tipos de ensuciamiento que, de forma típica, se presentan en tales procedimientos:

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ensuciamiento coloidal;

-

ensuciamiento orgánico (adsorción de compuestos orgánicos solubles sobre la superficie de la membrana);

-

bioensuciamiento - formación de una biopelícula que, por sí misma o junto con otros tipos de ensuciamiento causa el deterioro del rendimiento de la membrana; y

-

ensuciamiento por precipitación (o incrustación) debido a la precipitación de sales poco solubles y minerales poco solubles.

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Los procedimientos habituales para prevenir el ensuciamiento por precipitación son limitar la recuperación del sistema, Y, manteniendo la proporción de filtrado por debajo de una cierta fracción máxima del caudal de alimentación, tal que las concentraciones de las sales poco solubles no superen en gran medida la saturación en el extremo concentrado. Estos límites de saturación se pueden aumentar moderadamente alimentando antiincrustantes al extremo de alimentación de la membrana, lo cual aumenta los costes del tratamiento químico previo. Además, un requerimiento impuesto por los fabricantes de membranas requiere que exista un caudal tangencial mínimo en cada elemento espiral comercial con el fin de minimizar la polarización de concentración causada por la acumulación de sal rechazada transportada a la superficie de la membrana por el flujo (por ejemplo, para elementos de NF o RO en espiral de 20,32 cm de diámetro, algunos fabricantes recomiendan un caudal mínimo de 45 l/min).

Sin embargo, en las nuevas membranas de LPRO de baja presión (Ósmosis Inversa de Baja Presión) y LPFN (Nanofiltración de Baja Presión), que operan a presiones de (3-10 bar) 3 a 10 x 10^{5} Pa, la pérdida de carga axial a lo largo del trayecto de alimentación de los elementos de membrana puede reducir significativamente la fuerza impulsora para la filtración del agua producto, lo que requiere que los caudales no deben ser demasiado altos a través de los elementos de membrana. Estos requerimientos conflictivos hacen que el diseño de nuevas plantas de tratamiento de agua sea bastante difícil, lo que da como resultado que se han propuesto nuevas estrategias (para los modos convencionales de abordar esto véase, por ejemplo, "Innovative System Designs to Optimize Performance of Ultra-low Pressure Reverse Osmosis Membranes", Nemeth, J., Desalination, 118, 63- 71, 1998).

Otras formas de controlar el ensuciamiento de membranas utilizan procedimientos hidrodinámicos y químicos, retrolavados periódicos, limpieza química, cambio de las condiciones de operación y reducción del flujo de operación. Otra solución para controlar el ensuciamiento de las membranas propone cambiar la sentido del flujo con el fin de reducir la polarización de la concentración y el ensuciamiento en general ("Ultrafiltration Membranes and Applications", Breslau, B. R. et al, Polymer Science and Technology, Plenum Press, Vol. 13; "Flux Enhancement Using Flow Reversal in Ultrafiltration", Hargrove, SC and Ilias, S., Sep. Sci. Technol., 34 (6 & 7), 1319). Sin embargo, ninguna de estas publicaciones enseña o propone una solución para prevenir el ensuciamiento por precipitación.

En el documento US 5.690.829 (a nombre de Lauer) se describe un procedimiento de inversión de flujo que se refiere en particular a la limpieza de las partículas de suciedad de la membrana. Otra posible solución para reducir el ensuciamiento de la membrana se describe en el documento US 5.888.401 (a nombre de Nguyen), que sugiere aumentar de forma periódica la presión de filtrado cerca de la membrana cerrando parcialmente una válvula en el lado del filtrado, lo que da como resultado en una reducción en el caudal de filtrado. Este último procedimiento reduce la tasa de recuperación total de filtrado, lo cual es una desventaja.

Como es evidente para los expertos en la técnica, una solución eficaz para prevenir el ensuciamiento por precipitación también tiene implicaciones para el bioensuciamiento puesto que las capas y superficies estancadas de las capas de incrustaciones pueden permitir que las biopelículas se unan y se desarrollen con menores fuerzas de cizallamiento para su eliminación.

En muchos procedimientos las sales poco solubles pueden limitar la recuperación de procesos de desalación ya que su concentración aumenta en la salmuera cuando se expulsa más agua producto fuera del caudal de alimentación. Se han usado diferentes técnicas para solucionar este problema (Sección 9.4 en Water Treatment Membrane Processes, Mallevialle, J., Odendaal, P., Wiesner, M. eds., McGraw-Hill, 1996). Se ha propuesto el ablandamiento químico para precipitar sales muy pocos solubles, cuya mayoría son sales de metales alcalinotérreos (Ca, Sr, Mg, Ba). El problema con esta técnica es que requiere cantidades estequiométricas de compuestos químicos para precipitar todos los iones metálicos de sales poco solubles, lo que es con frecuencia costoso. Por ejemplo, un agua salobre que contiene 100 mg/l de calcio, 30 mg/l de magnesio y 150 mg/l de carbonato en forma de bicarbonato requerirá 91 g/m^{3} de óxido de calcio hidratado y 135 g/m^{3} de carbonato sódico para eliminar totalmente el calcio. A 80 dólares/tonelada de óxido de calcio hidratado y 180 dólares/tonelada de carbonato sódico esto implicaría un coste químico de 1,8 centavos/m^{3}. Además los lodos formados en el ablandamiento con óxido de calcio son bastante voluminosos y difíciles de retirar. Esto se puede prevenir usando procedimientos de precipitación avanzados que combinen el ablandamiento por precipitación con la microfiltración, también conocido como Cristalización Asistida por Membrana (MAC) o filtración a través de una torta de filtro de con iniciadores de cristalización de carbonato de calcio que también se conoce como Ablandamiento por Precipitación Acelerado Compacto (CAPS).

De forma alternativa, el pH se puede reducir añadiendo ácido y eliminando el ácido carbónico formado por agotamiento con aire. Este tipo de tratamiento elimina los problemas de incrustaciones de carbonatos pero todavía permanecen los problemas asociados con incrustaciones de sulfato. En el ejemplo antes mencionado de agua salobre, sería necesario añadir 120 g de ácido sulfúrico/m^{3} de agua de alimentación para eliminar totalmente la alcalinidad por carbonato. Entre tanto, esto elevaría el riesgo de sobrepasar las solubilidades de sulfato de calcio.

Por consiguiente, la técnica más común hoy día es usar antiincrustantes que permitan la operación a diversos valores de supersaturación. Sin embargo, incluso con los antiincrustantes más avanzados usados hoy día, existen límites en las relaciones de supersaturación (por ejemplo \sim2,60-3,0 para sulfato de calcio, un Índice de Saturación de Langlier (LSI-log_{10} de la relación de supersaturación) de 2,8 para carbonato de calcio y una relación de supersaturación de 2,0 para la sílice. Esto significa con frecuencia que las recuperaciones quedan limitadas al 75-90%.

De forma alternativa, se puede usar un procedimiento de NF para eliminar los iones más difíciles, y en este caso se puede alimentar el filtrado del nanofiltro a una unidad de RO o desalación térmica para recuperar el agua desalada con recuperaciones bastante altas. Sin embargo, debido a que los iones contrarios de los metales alcalinotérreos también son rechazados en este procedimiento, también se alcanzan condiciones de supersaturación en el procedimiento de NF si las recuperaciones son suficientemente altas.

Es importante alcanzar altas recuperaciones en el procedimiento de NF puesto que la recuperación total en dos etapas en serie será el producto de las dos etapas. Por ejemplo, si la recuperación del procedimiento de desalación es del 95% y la recuperación del procedimiento de NF es del 90%, entonces la recuperación global será del 85,5%. No hay una mejora considerable en este resultado en comparación con las recuperaciones obtenidas en procedimientos normales de RO. Un modo de superar este problema es reciclar el concentrado de la etapa de desalación al nanofiltro. Sin embargo, al hacer esto la salinidad media del procedimiento de desalación aumenta con el consiguiente aumento de la salinidad del producto. Se han propuesto una serie de investigaciones usando ablandamiento por precipitación en el concentrado antes de llevar a cabo la posterior desalación del concentrado tratado (Recuperación Mejorada de Agua del Concentrado de Desalación con Membrana Primaria por Ablandamiento con Precipitación y Desalación con Membrana Secundaria (Enhanced Water Recovery from Primary Membrane Desalination Concentrate by Precipitative Softening and Secondary Membrane Desalination), Rahardianto, A., Cohen, Y., and Williams, M. D., artículo 394e, reunión de primavera de AIChE, 2004.) con el fin de aumentar la recuperación. Sin embargo, dicho tratamiento es complicado por la presencia de antiincrustantes en el concentrado.

En vista de los problemas antes citados existe una necesidad de procedimientos de filtración capaces de controlar de forma eficaz y eficiente y prevenir el ensuciamiento por precipitación en procedimientos de desalación con membrana impulsados por presión, y de mejorar la recuperación de tales procedimientos.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento de filtración con alto caudal para controlar y prevenir el ensuciamiento por precipitación en procedimientos con membrana impulsados por presión.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento y un sistema para controlar de forma eficiente la inversión de flujo en un procedimiento de filtración con membrana para prevenir el ensuciamiento por precipitación en procedimientos con membrana impulsados por presión.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un procedimiento y un sistema para prevenir el ensuciamiento por precipitación en un procedimiento de filtración con membrana en el que la composición de la solución cercana a la superficie de la membrana activa supera el límite de saturación efectivo de sales poco solubles.

Otro objeto de la invención es proporcionar un procedimiento y un sistema para conseguir altas recuperaciones en un procedimiento de filtración con membrana que opera con altas supersaturaciones locales.

Otros objetos y ventajas de la invención serán evidentes a medida que transcurra la descripción.

En un aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar una o más sales o minerales poco solubles, comprendiendo dicho procedimiento alimentar una corriente de agua a presión en una zona de tratamiento que tiene una o más membranas dispuestas en la misma, hacer pasar dicha corriente a lo largo de dicha membrana(s) para recuperar un filtrado y eliminar un concentrado de la misma mientras que se invierte de forma periódica el sentido del flujo de dicha corriente en dicha zona de tratamiento, siendo la periodicidad de la inversión del flujo tal que dicha una o más membranas están expuestas a condiciones de supersaturación que evolucionan en dicha corriente de agua durante un período de tiempo que es menor que el tiempo requerido para que dicha corriente de agua supersaturada precipite una o más de dichas sales y/o minerales poco solubles en la misma.

Se puede apreciar que cualquier procedimiento de purificación de agua con membrana impulsado por presión que corra el riesgo de precipitación de sales o minerales poco solubles sobre la membrana puede llevarse a la práctica de acuerdo con la presente invención. Los procedimientos de purificación de agua contemplados por la presente invención se seleccionan de forma más preferible del grupo consistente en desalación, ablandamiento de agua, decoloración, eliminación de precursores de subproductos de desinfección (DBP) y eliminación de materia orgánica natural (NOM), siendo efectuados tales procedimientos bien por ósmosis inversa (RO) o por nanofiltración (NF).

La expresión "sal o minerales muy pocos solubles" se refiere en general a una sal que tiene una solubilidad de producto/constante de disociación menor que 10^{-2} o una solubilidad menor que 300 mg/l para minerales no disociados. Sales y/o minerales poco solubles particularmente problemáticos cuyo ensuciamiento por precipitación de la corriente de agua tratada necesita ser sustancialmente prevenida de acuerdo con la presente invención, se seleccionan del grupo consistente en carbonato de calcio, sulfato de calcio, sílice, fosfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio, fluoruro de calcio.

De acuerdo con una realización preferida, el procedimiento de acuerdo con la presente invención utiliza una zona de tratamiento en forma de un recipiente a presión que comprende al menos primera, segunda y tercera aberturas, usándose dicha tercera abertura para recuperar el filtrado y estando en comunicación de fluido con el interior de dicho recipiente a través de las membranas, en la que el sentido del flujo de la corriente a través de dicho recipiente se invierte de forma periódica entre un flujo directo, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha primera abertura y el concentrado se extrae a través de dicha segunda abertura, y un flujo invertido, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha segunda abertura y dicho concentrado se extrae a través de dicha primera abertura.

El tiempo requerido para que una solución acuosa supersaturada inicie la precipitación de sales y/o minerales poco solubles de la misma (en ausencia de cristales iniciadores u otra superficie de crecimiento cristalino ya existente apropiada) se conoce como "tiempo de inducción" (\tau). Lo más preferible, el procedimiento de acuerdo con la presente invención comprende la estimación del tiempo de inducción asociado con la composición del agua a tratar y la naturaleza de la superficie de la membrana, para permitir llevar a cabo la inversión de flujo a la periodicidad deseada.

De acuerdo con una realización preferida, el tiempo de inducción se estima de forma experimental, por ejemplo, llevando a cabo un experimento preliminar, en el que la corriente de agua que corresponde a la composición concentrada final se hace pasar a lo largo de una pequeña unidad de membrana en condiciones de flujo que generan la polarización de concentración que cabría esperar en una unidad a escala completa, sin invertir el sentido del flujo. El período de tiempo medido hasta que las sales poco solubles de dicha corriente de agua precipitan sobre la superficie de la membrana reflejado en una pérdida en la permeabilidad de la membrana, o hasta que se detecta una pérdida en la concentración aparente de la sal muy poco soluble, se usa posteriormente para programar conforme al mismo la inversión de flujo. La aparición de la precipitación de las sales poco solubles sobre la superficie de la membrana se puede rastrear convenientemente midiendo los cambios en la permeabilidad al agua de la membrana, L_{p}, medida por el flujo dividido por la fuerza impulsora de presión neta (NDP) definida por:

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donde \DeltaP e \Delta\pi son la diferencia de presión a través de la membrana y la diferencia de presión osmótica entre las soluciones de alimentación y filtrado, respectivamente. Dicho procedimiento experimental se ilustra en el Ejemplo 2.

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De forma alternativa, el tiempo de inducción se estima usando la siguiente ecuación:

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en la que:

A y B son constantes relacionadas con la sal, la hidrodinámica y la superficie de la membrana, puesto que la nucleación que debe prevenirse es la nucleación en la superficie de la membrana. La constante A incluye el efecto de la energía de la superficie en la superficie de nucleación y el volumen molar de la sal. B incluye el factor de frecuencia para la velocidad de nucleación. Los valores de A y B ya se han determinado, por ejemplo, para el sulfato de calcio y membranas de RO de baja presión de poliamida (por ejemplo, D. Hasson et al, "Induction times induced in an RO system by antiscalants delaying CaSO_{4} precipitation", Desalination, v. 157 (2003), pág 193; Alimi, F. et al, Desalination V 157, páginas 9-16 (2003); He, S. et al, J. Colloid and Interface Science, V 162 páginas 297-303 (1994)). A y B también se pueden obtener fácilmente de forma experimental como se ilustra en el Ejemplo 4 más adelante en el presente documento.

S es la relación entre el producto de la actividad real máxima de una sal poco soluble dada en la solución cerca del lado de la alimentación de la membrana y el producto de la solubilidad termodinámica o, para un mineral sin disociar (por ejemplo, sílice), es la relación de la máxima concentración de mineral real con respecto a la concentración de saturación de dicho mineral para la composición dada. Aumentará con la recuperación de agua producto y la polarización de la concentración. Esta relación se puede calcular a partir de programas de simulación de procedimientos de desalación comerciales disponibles en el mercado (tales como ISM de Hydranautics, Inc o Rosa de Dow-Filmtec, Inc.), o de forma independiente como se describe en D. Hasson et al, "Inception of CaSO_{4} scaling on RO membranes at various water recovery levels", Desalination, 139,73-81 (2001). S también se puede calcular a partir de datos medidos relacionados con el nivel de concentración de sales/mineral en la corriente de agua, y datos relacionados con los flujos de filtrado y de concentrado. Estos datos se pueden obtener utilizando caudalímetros y dispositivos de detección situados apropiadamente en el sistema, con el fin de proporcionar señales correspondientes (por ejemplo, conductividad) para calcular S. De forma típica, los tiempos de inducción son superiores a 10 minutos.

Una vez obtenidos y/o determinados experimentalmente los valores de A, B y S, para la sal y el sistema pertinentes, se puede estimar fácilmente el tiempo de inducción, \tau. La inversión periódica se ajustará entonces para que tenga lugar a un tiempo algo menor que, por ejemplo, 0,1 a 0,9 el valor del tiempo de inducción. En el caso de que haya más de una sal muy poco soluble, la sal con el menor tiempo de inducción será la que se use para determinar el período para la inversión del flujo.

De forma alternativa, el tiempo de inducción se puede determinar durante la operación del sistema mediante sensores dispuestos apropiadamente para controlar la velocidad de filtración (caudalímetro o balanza) o la concentración de ion ensuciador (por ejemplo, usando un detector de calcio, o un detector de conductividad como una función de tiempo para ver cuando cambian estos indicadores como resultado de la precipitación en el sistema.

De acuerdo con otra realización preferida, el procedimiento de la presente invención además comprende dirigir el concentrado extraído a un cristalizador, precipitar en el mismo una o más sales y/o minerales poco solubles, separar los sólidos de la fase líquida y devolver dicho líquido a la zona de tratamiento.

En otro aspecto la presente invención se refiere a un sistema de membrana impulsado por presión para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar sales y/o minerales poco solubles, que comprende al menos un recipiente de presión que tiene una o más membranas dispuestas en el mismo, una bomba de presión para producir una corriente de agua a presión y una pluralidad de válvulas controlables para controlar el sentido de un caudal de alimentación y un caudal de concentrado en el mismo, comprendiendo dicho sistema una unidad de control unida a dichas válvulas, estando dicha unidad de control adaptada para proporcionar a dichas válvulas señales de control para invertir de forma periódica el sentido de dicho flujo de alimentación y de concentrado a través de dicho recipiente de presión en períodos de tiempo determinados que corresponden al tiempo de inducción relacionado con dichas sales y/o minerales y dicha una o más membranas.

De preferencia, la unidad de control estima el tiempo de inducción de acuerdo con la fórmula

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en la que A y B son constantes relacionadas con la sal/mineral y la membrana, y S es la relación entre el producto de la máxima actividad real de una sal o mineral muy poco soluble en la solución cerca del lado de la alimentación de la membrana y el producto de la solubilidad termodinámica, determinándose dicha relación utilizando medios de detección unidos a dicha unidad de control y adaptados para proporcionar señales que corresponden a dicho producto de la actividad real.

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En los dibujos:

- Figs. 1A y 1B ilustran de forma esquemática el esquema de inversión de flujo de la invención;

- Figs. 2A-2C muestran una realización particular de un sistema para la inversión periódica del sentido de flujo a través de un recipiente a presión;

- Fig. 2D es un diagrama de tiempos que muestra los registros de tiempo de precipitación cerca de las membranas;

- Fig. 3 muestra una instalación de laboratorio para simular el efecto de la inversión del flujo;

- Fig. 4 es un diagrama de flujo de una secuencia de control preferente para la inversión de flujo de acuerdo con la invención;

- Fig. 5 muestra un gráfico de flujo frente a tiempo que muestra el tiempo de inducción de ensuciamiento para sulfato de calcio sin inversión de flujo;

- Fig. 6 muestra un gráfico de flujo frente a tiempo que muestra la prevención del ensuciamiento cuando se simula la inversión de flujo;

- Fig. 7 es un diagrama de bloques que muestra un procedimiento para aumentar significativamente la recuperación en procedimientos de desalación;

- Fig. 8 es un diagrama de bloques que muestra una unidad de ensayo para el funcionamiento con una solución con supersaturación;

- Fig. 9 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando se opera con sulfato de calcio (9 mmol/l en el depósito de alimentación) en la unidad mostrada en la Fig. 8.

- Fig. 10 es un gráfico que muestra el caudal de filtrado del último recipiente a presión en función del tiempo en el mismo experimento ilustrado en la Fig. 9.

- Fig. 11 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando se opera con sulfato de calcio (-8,5 mmol/l en el depósito de alimentación) en la unidad mostrada en la Fig. 8.

- Fig. 12 es un gráfico que muestra el caudal de filtrado del último recipiente a presión en función del tiempo en el mismo experimento ilustrado en la Fig. 11 y la presión aplicada en función del tiempo en el mismo experimento.

- Fig. 13 es un gráfico que muestra el caudal de filtrado del último recipiente a presión en función del tiempo obtenido de un experimento de flujo invertido que opera con sulfato de calcio (-8,5 mmol/l en el depósito de alimentación) a una recuperación de 0,82 e inversión del flujo cada media hora.

- Fig. 14 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando el sistema ilustrado en la Fig. 8 se hizo funcionar sin inversión de flujo usando una solución de bicarbonato de calcio y NaCl como se describe en el ejemplo 3; y

- Fig. 15 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando el sistema ilustrado en la Fig. 8 se hizo funcionar en diversas condiciones.

A lo largo de toda la descripción, se usan con frecuencia los siguientes términos:

Condiciones de supersaturación, o solución de supersaturación: una solución en la que el producto de la actividad iónica supera al producto de la solubilidad termodinámica para una sal dada, o que la concentración disuelta de un mineral dado supera a su concentración de equilibrio para la composición de la solución dada.

Condiciones infrasaturadas, o solución infrasaturada: una solución en la que el producto de la actividad iónica es menor que el producto de la solubilidad termodinámica para una sal dada, o que la concentración disuelta de un mineral dado es menor que su concentración de equilibrio para la composición de la solución dada.

Golpe de ariete: onda de presión muy rápida en un conducto debida a un cambio repentino en el flujo; el golpe, choque o sacudida potencialmente perjudicial que se produce en una tubería cuando se produce un cambio repentino de la velocidad del agua (normalmente como resultado del inicio demasiado rápido de la puesta en marcha de una bomba o el funcionamiento de una válvula) crea un gran cambio en la presión de agua.

La presente invención proporciona un procedimiento de purificación de agua con membrana impulsado por presión (filtración) en el que se previene sustancialmente el ensuciamiento por precipitación de sales y/o minerales poco solubles de la solución a tratar sobre la superficie de la membrana, a pesar del desarrollo temporalmente de condiciones de supersaturación en dicha solución cerca de dicha superficie de la membrana. Por ello, el procedimiento de purificación de la invención permitirá relajar las restricciones de diseño relacionadas con los caudales mínimos del fabricante y las relaciones máximas de la polarización de concentración requeridas para elementos de membrana, permitiendo mayores recuperaciones, y reduciendo volúmenes de salmuera. Como se explicará a continuación en el presente documento, la presente invención también proporciona medios para conseguir recuperaciones sustancialmente altas incluso con dichas supersaturaciones locales temporalmente altas.

Como se describe en el presente documento antes, el tiempo de inducción, \tau, está relacionado con la supersaturación por la siguiente ecuación:

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A recuperaciones altas y alta polarización de concentración, el valor de S en la superficie de la membrana aumenta y por consiguiente se reduce el tiempo de inducción \tau (por ejemplo, D. Hasson et al, Desalination, 139, 73-81, 2001). Por consiguiente, cualquier incremento en el valor de supersaturación S da como resultado una reducción en el valor del tiempo de inducción \tau, a saber, el período de tiempo en el que la precipitación que se produce es pequeña. Además, cuando el valor de la supersaturación S se acerca a la unidad (S \rightarrow 1), el tiempo de inducción \tau se acerca a infinito (\tau \rightarrow \infty), en otras palabras, no se producirá precipitación. Sin pretender quedar vinculados por teorías, se cree que la breve exposición de una superficie de membrana, expuesta a una solución supersaturada, a una solución infrasaturada reinicia el "reloj del tiempo de precipitación" (es decir, el tiempo acumulado antes de comenzar la precipitación se pone a cero). Esto significa que cuando la membrana es expuesta de nuevo a la solución supersaturada el tiempo acumulado por el cual la precipitación se supone que se inicia se pone de nuevo a cero. Por tanto, si se ponen medios para cambiar la solución cerca de la membrana a una cuya composición está en, o cerca de, la saturación, dentro de los intervalos de tiempo menores que el tiempo de inducción \tau correspondiente a la solución supersaturada, no se producirá precipitación en la membrana debido a que nunca se alcanzará el tiempo de inducción.

La prevención sustancial de ensuciamiento por precipitación de una o más sales y/o minerales poco solubles, como se proporciona por la presente invención, se puede determinar usando uno o más de los tres ensayos siguientes.

Primero, la permeabilidad efectiva de la membrana, Lp, como se define por la ecuación (5) más adelante, no cae por debajo de un valor indicado en las instrucciones de diseño del fabricante respecto al mismo. Por ejemplo, Lp se reduce no más de 0,1 a 5% durante un mes de operación. Si la reducción del valor de Lp supera el porcentaje indicado antes, entonces es necesario verificar la formación de incrustaciones minerales sobre la superficie de la membrana (que se determina por examen de la membrana).

Segundo, la ecuación del balance de masas siguiente Q_{f} x C_{f} - (Q_{r} x C_{r} + Q_{p} x C_{p}), donde Q_{f}, Q_{r}, Q_{p}, C_{f}, C_{r} y C_{p} son como se han definido antes en el presente documento, se pueden calcular periódicamente para cada sal/mineral presente en el agua tratada. Se puede apreciar que en el caso de que se haya prevenido sustancialmente el ensuciamiento por precipitación, entonces la deficiencia del balance de masas no superaría la desviación experimental de la medida, o no aumentaría en el tiempo.

Tercero, la corriente de concentrado se puede muestrear adecuadamente con el fin de observar visualmente turbiedad en la misma.

Se ha encontrado que la presente invención permite llevar a cabo procedimientos de purificación de agua con membrana impulsados por presión en condiciones mejoradas comparadas con las recomendadas en las especificaciones del fabricante para la citada membrana.

Por ejemplo, se puede hacer operar las membranas a caudales de alimentación y/o concentrado a presión menores que los valores más bajos recomendados en las especificaciones del fabricante. Preferentemente, la presente invención permite una reducción del 10% o superior en dichos caudales para un elemento de membrana dado (por ejemplo 45 l/min para un elemento espiral de 20,32 cm) y una recuperación que es 10% o más superior que la recuperación máxima recomendada para el elemento definida como Q_{p,ele}/Q_{f,ele} donde Q es un caudal y elemento se refiere al elemento individual y los subíndices "p" y "f" se refieren a filtrado y alimentación, respectivamente.

Otro aspecto mejorado proporcionado por la invención se refiere a la relación de polarización de concentración. El procedimiento de acuerdo con la presente invención se puede llevar a cabo en relaciones de polarización de concentración (con frecuencia representada como \beta) superiores a 1,2.

Se ha encontrado que la presente invención permite una reducción mayor que 15% y, más preferentemente, mayor que 25%, en la concentración de antiincrustantes que se puede aplicar, si se desea, en procedimientos de purificación con membrana impulsados por presión, que los recomendados en los programas del fabricante (por ejemplo Genesys Ltd.).

Haciendo referencia ahora a las figuras, el esquema de inversión de flujo de la invención se ilustra en las Figs. 1A y 1B. En la Fig. 1A, un flujo de alimentación 1, para el cual la concentración de sal muy poco soluble C_{l} es menor que la concentración de saturación C_{s} (C_{l} < C_{s}) se presuriza con una bomba de presión (no mostrada). El flujo de alimentación 1 a alta presión se alimenta al recipiente de presión (PV) 2 a través de su primera abertura (L). PV 2 comprende una serie de elementos de membrana M de separación entre una tercera abertura (salida de filtrado Q_{3}) y la mayor parte de PV 2, tal que el flujo de filtrado 3 que deja el PV 2 a través de dicha tercera abertura es aportado en su totalidad a través de los elementos de membrana M. Los elementos de membrana M separan una considerable cantidad de filtrado en el flujo de filtrado 3 que da lugar a un flujo de concentrado 4 que está concentrado son las sales poco solubles
retenidas. La concentración C_{4} de las sales poco solubles en el flujo de concentrado 4 se puede formular como sigue:

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donde C_{i} (i=1, 3 ó 4) designa la concentración (por ejemplo, en g/l), Q_{i} (i=1, 3 ó 4) designa el caudal volumétrico (por ejemplo, en l/h) y el índice i designa el flujo de proceso al que se refiere la concentración y el caudal. La recuperación Y se define de forma típica como sigue: Y=Q_{3}/Q_{1}, a saber, la porción de flujo de alimentación 1 separada como flujo de filtrado 3. Por consiguiente, puesto que la ecuación (II), Q_{4} = Q_{1} - Q_{3}, se puede escribir como sigue:

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Si la recuperación Y es suficientemente alta, entonces la concentración C_{4} de sal muy poco soluble del flujo de concentrado 4 puede ser mayor que la concentración de saturación (C_{s}), tal que se aporte a la segunda abertura (R) de PV 2 realmente una solución de concentrado supersaturado. Debido a la polarización de concentración, la concentración de sal muy poco soluble (C_{w}) en la pared de la membrana M es siempre mayor que la concentración (C) de la solución en la mayor parte de PV 2. Por tanto, si el caudal de concentrado 4 a través de la segunda abertura (R) de PV 2 es suficientemente lento, entonces la polarización de concentración en la pared C_{w} de la membrana puede ser significativamente mayor tal que la concentración C_{wR} a través de la segunda abertura de PV 2 sea mayor que la concentración de saturación C_{x} (C_{wR} > C_{s}), incluso si la concentración C de la solución en la mayor parte de PV 2 es menor que la concentración de saturación (es decir, C_{wR} > C_{s} > C_{4}). En condiciones de supersaturación en la superficie de la membrana M, habría un tiempo de inducción correspondiente \tau_{wR} asociado con la concentración C_{wR} del flujo de concentrado 4.

Si se invierte el sentido del flujo, dentro de un período de tiempo menor que \tau_{wR}, como se muestra en la Fig. 1B, entonces la segunda abertura (R) de PV 2 queda expuesta al flujo de alimentación 1 de alta presión, cuya concentración es C_{1} < C_{S}. Por consiguiente, el tiempo de precipitación acumulado para el comienzo de la precipitación en el lado derecho R del recipiente de presión 2 (Reloj R en la Fig. 2D) se reinicia, y se vuelve a iniciar de nuevo solo cuando se restablece el sentido de flujo al que se muestra en la Fig. 1A. De igual modo, en las condiciones mostradas en la Fig. 1B, si la recuperación es suficientemente alta y el caudal de flujo de concentrado 4 es suficientemente alto, entonces la concentración C_{wL} en el lado izquierdo L de PV 2, superará la concentración de saturación C_{S} (C_{wL} > C_{S}). Por consiguiente, el tiempo de inducción asociado con la concentración C_{wL} en el lado izquierdo de PV 2 en tales condiciones es \tau_{wL}. Si se invierte el flujo dentro de un período de tiempo menor que \tau_{wL} y se revierte la situación a la ilustrada en la Fig. 1A, el tiempo acumulado para el comienzo de la precipitación en el lado izquierdo (L) de PV 2 (Reloj L en la Fig. 2D) se pone a cero, y por consiguiente, el tiempo de precipitación acumulado en el extremo derecho (R) de PV 2 se reinicia desde cero.

En general, se pueden alcanzar condiciones de supersaturación no solo en la primera y segunda abertura de PV 2 sino que también en su mayor parte. Sin embargo, en las situaciones más extremas se obtienen las supersaturaciones más altas en dicha abertura de PV 2. En cualquier caso, el procedimiento de la presente invención se puede llevar a cabo de forma efectiva con tal que cada parte de los elementos de membrana M esté expuesta periódicamente a una solución infrasaturada con respecto a las sales poco solubles.

Las Figs. 2A-2C muestran una realización preferente de un sistema de filtración para invertir periódicamente el sentido de flujo a través de un recipiente a presión. El sistema mostrado en las Figs. 2A-2C se proporciona en la presente memoria con el objeto de demostrar y no se interpretará como limitante del alcance de la presente invención en modo alguno. Naturalmente, el esquema de inversión de flujo de la presente invención o la técnica general de reducir periódicamente la concentración de sales poco solubles por debajo de su límite de saturación, no está limitada a esta realización particular.

El sistema de inversión de flujo mostrado en las Figs. 2A-2C consiste en una Bomba de Alta Presión (HPP, Fig. 2A), un colector que consiste en dos válvulas de tres vías (válvula de alimentación) V_{2a} y (válvula de transferencia) V_{2b}, una válvula de dos vías (válvula de derivación) V_{2c}, y una válvula para contrapresión V_{4} para desarrollar/mantener la presión en el bucle de flujo, un conjunto M de elementos de membrana de RO y/o NF M en serie dispuestos en PV 2, y el conducto y tuberías apropiados para conectar entre un primer orificio (a) de dicha válvula de tres vías, conectar un segundo orificio (b) de la válvula V_{2a} a dicha bomba, conectar un segundo orificio (b) de la válvula V_{2b} a una segunda abertura (R) de PV 2, conectar un tercer orificio (c) de la válvula V_{2a} a una primera abertura (L) de PV 2, conectar un tercer orificio (c) de la válvula V_{2b} a una entrada de dicha válvula para contrapresión V_{4}, y conectar los orificios de dicha válvula de derivación V_{2c} a la primera abertura (L) de PV 2 y a dicha entrada de la válvula para contrapresión V_{4}.

En general, PV 2 puede representar uno o más recipientes a presión reales conectados en paralelo, que preferentemente tienen el mismo número de elementos de membrana. De igual modo, PV 2 puede representar más de un recipiente a presión en serie. La válvula y bomba son preferentemente controlables y su operación está controlada preferentemente por una señal de control emitida por el controlador 5 (por ejemplo, PLC - Controlador Lógico Programable, un ordenador o un controlador por tiempo, por ejemplo, un controlador Siemens Logo 12/24 RC). El controlador 5 estima el tiempo de inducción usando la siguiente ecuación:

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una vez recibidos los valores de las constantes A y B, y tras recibir datos relacionados con el nivel de concentración de sales/minerales en la corriente de agua en la proximidad de la primera y segunda aberturas del recipiente a presión, y los datos relacionados con los flujos de filtrado y concentrado. Estos datos se pueden obtener usando caudalímetros (no mostrados) y al menos dos dispositivos de detección unidos al controlador 5, proporcionando dichos dispositivos de detección y caudalímetros a dicho controlador 5 las señales correspondientes para calcular S y, de este modo estimar dicho tiempo de inducción.

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La operación del controlador 5 es preferentemente como sigue. En la primera y segunda aberturas del recipiente a presión 2 pueden disponerse los sensores F_{L} y F_{R}, que están unidos al controlador 5, para detectar las concentraciones en los extremos izquierdo y derecho del recipiente a presión 2, respectivamente. Las válvulas y la bomba están preferentemente conectadas al controlador 5, que está programado para operar dichas válvulas y bomba suministrándoles señales de control. En una realización, el controlador 5 cambia los estados de la válvula para efectuar la inversión de flujo a los tiempos fijados previamente programados en el mismo en base a experimentos previos o cálculos realizados para estimar el tiempo de inducción. En otra realización, el controlador 5 puede estar adaptado para calcular los tiempos de inducción, \tau_{wL} y \tau_{wR}, de acuerdo con las concentraciones detectadas por los detectores, F_{L} y F_{R}, y de acuerdo con los flujos de concentrado y filtrado obtenidos por los caudalímetros o balanza (no mostrados) y, por consiguiente, el control de la operación del sistema de acuerdo con el esquema de inversión de flujo de la invención basado en una cierta fracción de los tiempos de inducción \tau_{wL} y \tau_{wR}. En este caso, el controlador 5 tendrá capacidades de procesado y puede llevarse a la práctica usando una CPU para procesar los datos detectados y calcular los tiempos de inducción, y también puede requerir convertidor(es) analógico a digital para convertir las señales de los detectores si éstas no se proporcionan en una forma digital.

En el sentido hacia adelante convencional (flujo hacia adelante) mostrado en la Fig. 2B, el flujo de alimentación Q_{1} se suministra a través de la primera abertura (L) de PV 2 a través de la válvula V_{2a}, y el flujo de concentrado Q_{4} sale a través de la segunda abertura (R) de PV 2 a través de la válvula V_{2b}. En estas condiciones, la válvula de derivación V_{2c} está cerrada y la válvula V_{2a} y la válvula V_{2b} están en estado en el que puede pasar el flujo entre sus orificios b y c.

Cuando sufre la transición al flujo invertido mostrado en la Fig. 2C (es decir, el flujo de alimentación Q_{1} entra en PV 2 a través de su segunda abertura (R) y el flujo de concentrado Q_{4} sale de PV 2 a través de su primera abertura (L)), se llevan a cabo las siguientes etapas (mostradas en la Fig. 4) después de esperar un período de tiempo t_{R} como se muestra en la etapa 43 de la Fig. 4. En la etapa 44, se abre la válvula de derivación V_{2c} con el fin de dejar que el flujo de concentrado Q_{4} fluya a través de la primera abertura (L) de PV 2 hacia la salida de concentrado a través de la válvula para contrapresión V_{4}. En la etapa 45, cambia el estado de la válvula V_{2b} a un estado en el que el flujo pasa entre sus orificios a y b, dirigiendo de este modo el flujo de alimentación que llega de la válvula V_{2a}, a la válvula V_{2b} a la segunda abertura de PV 2. La etapa 45 va seguida por etapa 46, en la que cambia el estado de la válvula V_{2a} a un estado en el que el flujo de alimentación pasa entre sus orificios a y b, dirigiendo de este modo el flujo de alimentación a través de la válvula V_{2a} a la válvula V_{2b}. Esta secuencia de operaciones es necesaria con el fin de prevenir un "golpe de ariete", un efecto que puede dañar el elemento de membrana M.

Como se muestra en la Fig. 4, después de esperar un período de tiempo t_{L} (etapa 47) el sistema retorna al sentido hacia adelante convencional llevando a cabo esta secuencia de operaciones en el orden inverso (etapas 40-42 en la Fig. 4). La transición desde el flujo invertido al flujo hacia adelante se determina en la etapa 47, en la que el estado de las válvulas del sistema permanece sin cambio durante un período de tiempo t_{L} que es menor que el tiempo de inducción x_{wL} asociado con la concentración en el lado izquierdo (L) de PV 2.

La transición del sistema desde el estado de flujo invertido al estado de flujo hacia adelante se inicia en la etapa 40 en la que el estado de la válvula V_{2a} cambia a un estado en el que el flujo de alimentación pasa entre sus orificios b y c, con el fin de desviar el flujo de alimentación hacia la primera abertura (L) de PV 2. A continuación, en la etapa 41, también cambia el estado de la válvula V_{2b} a un estado en el que el flujo pasa entre sus orificios b y c, con el fin de desviar el flujo de concentrado Q_{4} desde la segunda abertura (R) de PV 2 hacia la salida de concentrado a través de la válvula para contrapresión V_{4}. Después de cambiar el estado de las válvulas V_{2a} y V_{2b}, en la etapa 42 se cierra la válvula de derivación V_{2c}. En al etapa 43 el estado del sistema permanece sin cambios durante un período de tiempo t_{R} que es menor que el tiempo de inducción \tau_{wR} asociado con la concentración en el lado derecho (R) de PV 2. Después de que acaba dicho período de tiempo t_{R}, se lleva a cabo una transición al estado de flujo invertido en las etapas 44-46.

El período de tiempo t se elige preferentemente dentro del intervalo de tiempo 0,1 \tau \leftrightarrow \tau del tiempo de inducción respectivo. Aunque se podrían elegir períodos de tiempo t mayores que el tiempo de inducción \tau, esto haría al sistema entonces dependiente de la disolución de sólidos ya precipitados en lugar de poner a cero el reloj de inducción.

Sería un procedimiento de mucho mayor riesgo. La elección de un período de tiempo t mínimo entre las inversiones de flujo vendrá dictado por el tiempo de reacción requerido del sistema (bombas y válvulas) y será conocido por los expertos en la técnica de la construcción de plantas de desalación.

La Fig. 3 muestra una instalación de laboratorio para simular el efecto de la inversión de flujo en un primer elemento de membrana provisto con una solución de alimentación y luego con la solución de concentrado. Esta instalación consiste en una Célula de Prueba (TC) de membrana de lámina plana que contiene una muestra (M) de membrana de lámina plana, una Bomba de Alta (HPP) para presurizar el fluido de prueba, un Caudalímetro (FI) para medir el caudal tangencial en la célula de prueba a través de una válvula (BPV), un Indicador de Presión (PI) y un Transmisor de Presión (PT), una Balanza (WS) conectada a un ordenador (PC) para medir la velocidad de filtración y dos depósitos de alimentación (T1 y T2). Los Depósitos T1 y T2 contienen soluciones que están infrasaturada y supersaturada con sulfato de calcio, respectivamente. Se usan dos válvulas de tres vías (V_{3a} y V_{3b} en las tuberías de alimentación y retorno, respectivamente) para cambiar la operación entre los depósitos T1 y T2. Se colocó un filtro (FR) nuevo de 5 micrómetros en línea en cada experimento con el fin de separar las partículas suspendidas de modo que solo los núcleos de sulfato de calcio formados sobre la membrana pudieran causar ensuciamiento por precipitación y reducir el flujo. Esta instalación comprende además controladores de tiempo (CTI) para abrir las válvulas V_{3a} y V_{3b}, un tamiz de malla (MS) para filtrar las soluciones obtenidas de los depósitos, una bomba de baja presión (BFP) conectada a la entrada del filtro FR. En la salida del filtro FR están conectados otro PI, un intercambiador de calor (HE) y un detector de baja presión (LPS). La corriente proporcionada por la HPP está conectada a un recipiente absorbedor de golpes (Accum) y a un detector de alta presión (HPS) y un detector de alta temperatura (HTS). También puede usarse un detector de turbiedad (TIT), así como detectores de conductividad y de pH (no mostrados).

El efecto de cambiar el sentido del flujo para prevenir el ensuciamiento por precipitación se simula cambiando del depósito T2 al depósito T1 a intervalos que son menores que el tiempo de inducción para la solución supersaturada en el depósito T2. Los experimentos descritos a continuación se llevaron a cabo con una solución de CaSO_{4} 0,03 M que da una relación de supersaturación de \sim2,0 para soluciones de sulfato de calcio puro decahidratado (yeso) en el depósito T2. Estas se formaron mezclando volúmenes iguales de H_{2}SO_{4} 0,06 M y Ca(OH)_{2} 0,06 M. El depósito T1 contenía una solución de CaSO_{4} 0,01 M que está infrasaturada con respecto al sulfato de calcio decahidratado. En el experimento en blanco la solución se alimentó desde el depósito T2 y se midió el filtrado acumulado en la balanza (WS) y se registró en el ordenador (PC). A partir del cambio de peso \DeltaW con el tiempo \Deltat se calculó el flujo J_{V} de acuerdo con la fórmula siguiente:

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en la que A es el área de la membrana (34,2 cm^{2} y \rho es la densidad de la corriente de filtrado). De este modo se calculó el flujo específico como sigue:

(V)L_{p} = Flujo Esp. (L/m^{2} x h x bar) = J / (\DeltaP - \Delta\pi)

donde \DeltaP es la presión aplicada, \Delta\pi es la diferencia entre la presión osmótica del flujo de alimentación y del flujo de filtrado. En este caso, la presión osmótica del flujo de filtrado es despreciable comparada con el flujo de alimentación y \DeltaP era esencialmente igual a la presión aplicada del flujo de alimentación. En cada experimento se representó el flujo específico como función del tiempo. Si el flujo específico comenzaba a caer esto era un signo de que había empezado el ensuciamiento por precipitación.

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La Fig. 5 muestra una representación del flujo frente al tiempo de los resultados de un experimento llevado a cabo usando una membrana de RO BW30 funcionando a un flujo de 35 l/m^{2} x h en una solución de sulfato de calcio a una relación de supersaturación de 2,0, sin cambiar los depósitos con un caudal de alimentación de 100 l/hora (velocidad lineal de 0,73 m/s). Como se aprecia, después de \sim100 minutos, se produce una caída inicial en el flujo específico debido al sellado de las zonas muertas en los márgenes de la célula de flujo. Después de una meseta adicional de \sim170 minutos, comienza una disminución estacionaria en el flujo específico de la membrana. En este experimento, se usó un mezclador para mantener la solución mezclada en el depósito T2. En dos experimentos más, se llevó a cabo el mismo experimento sin mezclar los contenidos en el depósito T2, y en ambos experimentos el tiempo de inducción se encontró que era de 60 a 65 minutos, es decir, disminución estacionaria en el flujo específico que comenzó después de 60 a 65 minutos.

En un experimento de seguimiento con la misma presión y mismo caudal lineal, con la misma solución y la misma membrana, se cambio la solución de alimentación de prueba después de 60 minutos del depósito T2 al depósito T1 que contenía solución de sulfato de calcio 0,01 M (\sim67% de concentración de saturación) durante diez minutos. A continuación se cambio de nuevo el depósito de alimentación al depósito T2 con la solución de sulfato de calcio supersaturada durante otra hora. Los resultados de conductividad mostraron que la concentración en el depósito T2 no cambió sustancialmente durante el experimento. Este procedimiento se repitió durante un período prolongado de tiempo. Los resultados se muestran en el gráfico de la Fig. 6. Las alteraciones periódicas en el flujo específico calculado representan los puntos a los cuales se cambió la solución supersaturada durante 10 minutos y se reemplazó por la solución infrasaturada. Como se puede apreciar el flujo es casi estable durante 360 minutos (6 horas). Esto muestra la eficacia del procedimiento de flujo invertido para prevenir el ensuciamiento por precipitación cuando el tiempo entre transiciones de flujo se mantiene por debajo del tiempo de inducción. Esto proporciona además evidencia para la hipótesis de que el tiempo acumulado para comenzar la precipitación se reinicia en un sistema cuando se alivian temporalmente las condiciones de supersaturación.

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Ejemplo 1

Este es un ejemplo de cálculo que compara el rendimiento de una unidad de RO que desala agua salobre con posibilidad de ensuciamiento por sulfato de calcio usando un diseño de flujo ahusado convencional y el ejemplo que usa flujo invertido para reducir la energía y costes de compuestos químicos. Este ejemplo usa el software de diseño de membrana comercial, Integrated Membrane Systems, de Hydranautics, Inc, pero se podría usar cualquier software comercial convencional para generar los mismos resultados. La columna 2 de la Tabla 2 representa la composición del agua salobre a tratar y es similar en su composición iónica mayoritaria al agua de pozos de los que se han obtenidos muestras en Mashabe Sadeh en la región de Negev de Israel. La composición del agua se detalla a continuación en la Tabla 2.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 2 Composiciones en RO de agua salobre de la región de Negev

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Puesto que el LSI (hueco entre el pH real y el pH al que el agua en cuestión podría estar saturada con respecto a carbonato de calcio - esto también es igual al log_{10} de la relación S de supersaturación como se ha descrito antes) es mayor que 0, el agua debe acidificarse con el fin de evitar depósitos de carbonato de calcio. Para efectuar esto, se debe añadir ácido de modo que el pH de la alimentación sea 6. Como resultado de añadir 140 mg/l de ácido sulfúrico la composición de agua de alimentación tratada será la que se muestra en la columna 3 de la Tabla 2. Un diseño convencional que genera 20 m^{3}/h de producto a una recuperación de 80% con 21 elementos usando membranas de RO de agua salobre de baja presión de tipo ESPA 1 (flujo promedio de 26 l/m^{2}h) requiere dos etapas en una disposición 2-1 con tres recipientes a presión con 7 elementos cada uno. Con el fin de equilibrar los flujos de filtrado, se inserta una bomba auxiliar de refuerzo de 4 bar (4 x 10^{5} Pa) entre la primera y la segunda etapa. Después de una recuperación del 80%, la composición de concentrado se da en la columna 4 de la Tabla 2. Como se muestra, el LSI es todavía positivo (0,51) y la concentración de sulfato de calcio es ligeramente superior a la saturación (relación de supersaturación 1,02). Puesto que la polarización de concentración es 1,07, la supersaturación en la pared real (Cw/Csat) es 109%. Como resultado, sería necesario algo de antiincrustante tal como poliacrilatos, polifosfatos u organofosfonatos para evitar el ensuciamiento. Los resultados del diseño convencional se dan en la columna 2 de la Tabla 3 siguiente.

TABLA 3 Resultados de diferentes diseños para producir 20 m^{3}/h con una recuperación del 80% usando ESPA1 8040

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Un diseño alternativo sería colocar los tres recipientes a presión en paralelo sin una bomba auxiliar de refuerzo. Este diseño daría una menor pérdida de carga dando lugar a menor energía pero el último elemento operaría a una menor límite que el mínimo del fabricante (1,7 m^{3}/h en lugar de 2,7 m^{3}/h). Invirtiendo el flujo en una única etapa, se podría prevenir el ensuciamiento por precipitación. Los resultados para este diseño experimental se dan en la columna 3 de la Tabla 3. Se puede observar que el diseño de flujo inverso tiene los siguientes ahorros: no se requiere más antiincrustante aparte del ácido, más del 10% de reducción energética, eliminación de una bomba auxiliar de refuerzo de 1,5 kW (eficiencia de la bomba del 93%, eficiencia del motor 93%).

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Ejemplo 2 Medida de los tiempos de inducción de sulfato de calcio en una unidad de RO piloto

En la Fig. 8 se muestra un diagrama de bloques de la unidad de pruebas que se usó en este ejemplo. Como se muestra en la Fig. 8, se conectaron en serie tres PV, PV1, PV2 y PV3, conteniendo cada uno 2 elementos 84 en espiral de membrana de baja presión ESPA1 de Hydranautics Inc. con un diámetro de 6,35 cm de diámetro y 101,6 cm de longitud para un total de 6 elementos en serie (6 x 2,6 15,6 m^{2} de área total de membrana). El depósito de alimentación (no mostrado) se llenó con 100 l de una solución de sulfato sódico a la que se añadió una solución equimolar de cloruro de calcio. Se usaron dos niveles de solución de alimentación (89): (i) sulfato de calcio 7,5 mM (con NaCl 15 mM); y (ii) sulfato de calcio 10 mM (con NaCl 20 mM). Esas dos soluciones de alimentación (89) estaban infrasaturadas con respecto al sulfato de calcio dihidratado. El índice de saturación para la solución 7,5 mM fue 0,32 y para el sulfato de calcio 10 mM fue 0,46. Con el fin de generar supersaturación, se ajustaron las presiones para que se recuperara de 65 a 82% de flujo de alimentación 89 como filtrado 88. Se mantuvo el caudal del flujo de alimentación 89 a 1000-1100 l/h. Como resultado, los flujos requeridos variaron de 35-45 l/m^{2}h en el último PV, PV3, y fueron una media de -50 l/m^{2}h para el tren de elementos de membrana completo. Esto conduce a alcanzar relaciones de supersaturación que llegan hasta 2,07 en el concentrado a granel en la salida del PV y de hasta 5,4 en la pared de la membrana.

Se apreciará que la solución de alimentación en el depósito de alimentación siempre es menor que la concentración de saturación puesto que el flujo de filtrado 88 y el flujo de concentrado 87 se devuelven al depósito y se mezclan allí (reciclado total de corrientes). Además, se dispuso un rebosadero especial en el depósito de alimentación para prevenir que el concentrado "cortocircuitara" (es decir, la situación en la que el concentrado de la línea de retorno fluye directamente a la salida de la alimentación del depósito de alimentación que conecta con la bomba de alimentación sin mezclarse con el resto del volumen de solución del depósito de alimentación). De este modo, las membranas 84 quedan expuestas a condiciones de supersaturación sin que se supersature el flujo de alimentación 89. Este diseño previene la supersaturación de la mayor parte del depósito de alimentación que podría introducir errores en los resultados del experimento. Así, la composición del depósito de alimentación permanece constante durante el experimento a no ser que haya precipitación sobre las membranas 84 u otras partes de la línea de concentrado.

La inversión de flujo en este experimento se ve afectada de una forma similar a la descrita con referencia a las Figs. 2A-2C. A saber, cambiando el sentido del flujo a través de las válvulas 80 (válvula de alimentación) y 82 (válvula de transferencia) de pasar a través de los orificios "b"-"c" a pasar a través de los orificios "a"-"b" PV1 pasa de ser el primer PV en la serie de PV a ser el último PV en la serie de PV. Por consiguiente, de este modo PV3 pasa de ser el último PV en la serie de PV a ser el primer PV en la serie de PV. El sentido de flujo se cambió cada 0,5 horas y se controlaron en un registrador de datos la conductividad del flujo de filtrado 88 y el flujo de concentrado 84 y el caudal del filtrado de PV3, ya fuera PV3 el primero o el último en la serie de PV. Además, se tomaron muestras manuales de flujo de concentrado 87, flujo de filtrado 88 y flujo de alimentación 89, durante el curso del experimento. Estas muestras se analizaron entonces para determinar la conductividad y calcio soluble. De igual forma, se controló y registro en el registrador de datos la presión aplicada a través de la membrana.

Los resultados de los experimentos de tiempo de inducción, que se llevaron a cabo con la unidad piloto mostrada en la Fig. 8 se muestran en los gráficos de las Fig. 9-12. La Fig. 9 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando se opera con sulfato de calcio (9 mmol/l en el depósito de alimentación) en la unidad mostrada en la Fig. 8. La recuperación total se mantuvo a 0,65-0,72. Los cuadrados y triángulos en la Fig. 9 designan la concentración de iones calcio en las corrientes de alimentación y concentrado, respectivamente, y los rombos designan la permeabilidad al agua o flujo específico (Lp) a 25ºC.

El gráfico de la Fig. 10 representa el caudal de filtrado del último recipiente a presión como una función del tiempo en el mismo experimento que el ilustrado en la Fig. 9, y el gráfico mostrado en la Fig. 11 representa los resultados obtenidos de la unidad de operación mostrada en la Fig. 8 con sulfato de calcio (-8,5 mmol/l en el depósito de alimentación). En este experimento, la recuperación total se mantuvo a 0,82. Los triángulos en este gráfico designan la concentración de iones calcio en las corrientes de concentrado, y los cuadrados designan la permeabilidad al agua a 25ºC. Como se puede apreciar en las Fig. 9-10 para una recuperación de 65-72%, se puede distinguir el inicio de la precipitación por la caída en los tres parámetros: permeabilidad efectiva de la membrana (Lp) de los elementos de la membrana en PV3, contenido de calcio en el concentrado y contenido de calcio en el depósito de alimentación, (la ligera discrepancia en los valores de Lp entre las Fig. 9 y 10 deriva del procedimiento de cálculo de la presión osmótica). En la Fig. 9, el cálculo es más exacto ya que se basa en el análisis químico, mientras que en la Fig. 10 las presiones osmóticas se calcularon en base a la conductividad).

De acuerdo con la Fig. 9, se cambiaron los indicadores más sensibles en el contenido de calcio en el flujo de concentrado 87 y el Lp. El contenido de calcio del flujo de concentrado 87 tenía el mayor cambio (de 25 a 18 mM) y el Lp cayó casi el mismo factor (de 4 a 3,1 l/m^{2} x h x bar). El tiempo de inducción se puede apreciar más claramente en la Fig. 10 que muestra la representación continua de Lp calculada a partir de medidas en línea del flujo, presión y conductividad durante el experimento con una recuperación de 65-72%. El valor de Lp en estado estacionario comienza a caer primero después de un período de tiempo de 17 horas desde iniciarse el experimento, y comienza una disminución ininterrumpida a partir de 22 horas desde iniciarse el experimento y hacia adelante. Por tanto, se puede considerar que el tiempo de inducción se produce en algún momento dentro de ese lapso.

Al examinar la Tabla 4 y la Fig. 10, es evidente que la concentración de alimentación en estado estacionario de sulfato de calcio para una recuperación de 65-72% antes de iniciarse la precipitación fue solo 9 mM. Este es el caso aunque la composición inicial de alimentación contuviera sulfato de calcio 10 mM.

La discrepancia está causada por el bajo volumen total relativo de alimentación (100 l) y el volumen retenido relativamente alto en los recipientes a presión (PV1-PV3) (10-20 l). Si el volumen retenido en PV1-PV3 y las líneas de retorno de concentrado es 15 l y la concentración media de calcio en PV1-PV3 y la tubería de concentrado es de 20 mM (media ponderada de los valores de alimentación y concentrado que permiten la polarización de la concentración y el volumen de tuberías y accesorios de concentrado corriente abajo de PV1-PV3), entonces el balance de masas genera 8,3 mM como la concentración de calcio en el depósito de alimentación en estado estacionario. Evidentemente, cuando la recuperación de volumen aumenta provocando el aumento de la concentración de calcio en el concentrado, mayor es el calcio en volumen retenido de PV provocando la caída de la concentración de calcio en la alimentación. Eso se apreció de hecho cuando se aumentó la recuperación a más del 80% como se muestra en el bloque inferior de la Tabla 4. En ella, la concentración de calcio en estado estacionario fue inicialmente 7,2 mM en lugar de los 10 mM originales.

La Fig. 11 muestra un gráfico de los resultados obtenidos de un experimento llevado a cabo con una recuperación del 82%. Como se puede apreciar, mientras que la permeabilidad efectiva de la membrana de PV3 (Lp) parece caer casi inmediatamente, la concentración de calcio solo comienza a caer después de una hora. (El valor de concentración inicial de calcio de 39 mM se midió antes de conseguir la distribución en estado estacionario de las sales entre la alimentación y concentrado como se describe antes). En la Fig. 12 de nuevo se puede apreciar que el caudal de filtrado del último PV comienza a caer casi inmediatamente mostrando el inicio de ensuciamiento. La estabilización momentánea del caudal de filtrado aproximadamente 4 horas después se produjo cuando se aplicó aumento de presión de 20 a 20,8 Pa (20 a 20,8 x 10^{5} Pa). La permeabilidad efectiva de la membrana cayó realmente incluso entonces.

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TABLA 4 Resumen de resultados del experimento de tiempo de inducción en la unidad piloto, CaSO_{4} 10 mM, NaCl 20 mM en la alimentación

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La Tabla 4 resume los resultados de los experimentos de tiempo de inducción. Unos resultados de alta recuperación en un factor de alta concentración y mayor supersaturación. Como era de esperar, el tiempo de inducción cayó drásticamente cuando aumentó la recuperación. La aparición de precipitación se puede apreciar por la caída de calcio tanto en la alimentación como en el concentrado desde el inicio al final del experimento.

En la tabla 4 VCF da el factor de concentración de volumen. Este será igual a la relación de concentraciones de calcio en el concentrado y la alimentación, si todo el ion calcio se rechaza (realmente se encuentra que es mayor que 99,5%) y nada precipita. CF_{exp} da la relación real de concentraciones de calcio medidas en el concentrado y la alimentación. Cuando se produce precipitación a una tasa significativa, CF_{exp} es menor que VCF (ver los valores con asterisco). Esto es así puesto que no todo el calcio que llega al último PV sale realmente del mismo ya que parte precipita.

En base al experimento inicial a una recuperación del 82% con solución de alimentación original de CaSO_{4} 10 mM, NaCl 20 mM, se llevó a cabo un experimento de flujo invertido. Se apreciará que la alimentación fue de aproximadamente 100 l/hora de modo que el concentrado fue solo de 180 l/hora. Esto es significativamente menor que el caudal mínimo recomendado por el fabricante (300-350 l/hora) para elementos en espiral de 6,35 cm. Además, el flujo fue muy alto (40-50 l/m^{2}h) incluso en el último recipiente a presión. Como resultado la polarización de concentración en el elemento de membrana en la salida del PV fue muy alta (Cw/Cb \sim1,45). Como resultado el índice de supersaturación en la pared de la membrana fue 2,57 x 1,45^{2} = 5,4. Puesto que el tiempo de inducción en el experimento inicial varió de 0,5 a 1 hora, el flujo se invirtió cada media hora.

En la Fig. 13 se muestra un gráfico del flujo desde el último recipiente a presión PV3. Los cambios en el sentido de flujo de alimentación se aprecian claramente en Fig 13. Cuando el tercer recipiente a presión era el último en la serie de PV éste daba los menores niveles de flujo en la membrana, y cuando era el primero en la seria de PV, durante el flujo invertido, éste daba los mayores niveles de flujo de filtrado. Este resultado se obtiene a partir del hecho de que cuando el tercer PV era el último, éste estaba expuesto a la menor presión de impulsión neta puesto que la presión osmótica de la solución era mayor y la presión aplicada era menor después de la caída de presión axial. Cuando PV3 era el primero de la serie de PV, éste estaba expuesto a la mayor presión de impulsión neta.

Como se puede apreciar, el flujo de filtrado 88 es estable cuando PV3 es primero y cuando es el último en la serie de PV. Esto indica el uso de flujo invertido para estabilizar el paso de flujo incluso cuando las condiciones son extremadamente supersaturadas y la unidad opera fuera de los límites recomendados por el fabricante. Comparando la Tabla 5 (resumen para flujo invertido) con la Tabla 4 se encuentran evidencias adicionales de la estabilidad obtenida con el flujo invertido. A diferencia del caso inicial, el nivel de calcio de la alimentación y concentrado son estables durante el experimento dentro del 10% del valor en estado estacionario inicial. Además, el factor de concentración real (CF_{exp}) no disminuye durante el curso del experimento con relación al factor de concentración de volumen. Esto muestra que casi no precipita sulfato de calcio.

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TABLA 5 Resumen del experimento de flujo invertido en dos diferentes recuperaciones, CaSO_{4} 10 mM y 20 mM en la alimentación original

16

Ejemplo 3

Se preparó la siguiente solución sintética para simular una alimentación potencialmente incrustante:

CaCl_{2}:

2,5 mmol/l

NaHCO_{3}:

5 mmol/l

NaCl:

5 mmol/l

en un volumen de 150 l. Se ajustó el pH a pH 7,2 con HCl necesitándose 16,7 mg/l.

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Esta solución tenía un LSI calculado de 0,04 (equivalente a una relación de supersaturación de 10^{0,04} = 1,1). La concentración de ion calcio para esta solución será 100 mg/l.

Esta solución se alimenta a una unidad de flujo invertido mostrada en la Fig. 8 a un caudal de 1000 l/min y se extrajeron 700 l/min de filtrado a través de las membranas de RO 84. Esta unidad contenía tres recipientes a presión en serie, PV1, PV2 y PV3, cada uno de los cuales comprendía dos elementos de RO de baja presión arrollados en espiral ESPA 2540 (6,35 cm de diámetro, 101,6 cm de longitud), siendo el área de membrana de cada elemento de membrana aproximadamente 2,6 m^{2}. Esto da un flujo medio de 45 l/m^{2}-h. El flujo de filtrado 88 y el flujo de concentrado 87 se devuelven al depósito de alimentación (no mostrado de modo que la composición del flujo de alimentación 89 permanece constante. Puesto que el flujo de alimentación 89 está cerca de la saturación, se puede suponer que no se producirá precipitación aparente en el depósito de alimentación durante el transcurso del experimento. Por tanto, los cambios en el nivel de calcio serán atribuibles a la deposición en las membranas 84 o en el sistema de tuberías que transporta el concentrado 87 de vuelta al depósito de alimentación.

Usando el programa de proyección del comportamiento de la membrana IMS de Hydranautics, Inc., se puede encontrar que la composición en el concentrado 87 será 331 mg/l de Ca^{2+}, 732 mg/l de Na+, 865 mg/l de HCO_{3}, y 1215 mg/l de Cl^{-}. El LSI calculado será 1,51 (relación de saturación de 10^{1,51} = 32).

Cuando el carbonato de calcio comienza a precipitar se prevé una caída en el nivel de calcio disuelto en el flujo de alimentación 89 o en el flujo de concentrado 87. Por tanto, haciendo un seguimiento del calcio en la solución de alimentación se puede determinar cuando comienza a precipitar.

La Fig. 14 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando el sistema ilustrado en la Fig. 8 se hizo funcionar sin inversión de flujo. Como se puede apreciar, se produce una caída significativa después de 4 horas, cayendo el nivel de calcio alimentado hasta 30 mg/l después 21 horas.

Otro examen de la Fig. 14 revela que la concentración de ion calcio en la alimentación en estado estacionario antes de iniciarse la precipitación fue solo 91 mg/l. Esto es así aunque la composición de alimentación inicial contuviera 100 mg/l de ion calcio. La discrepancia viene causada por el volumen total relativamente bajo (150 l) y el volumen retenido relativamente alto en los recipientes a presión (10 a 20 l). Si el volumen retenido en los recipientes a presión y las líneas de retorno de concentrado es 12 l y la concentración media de calcio en los recipientes a presión y las tuberías de concentrado es 197 mg/l de ion Ca^{+2} (media ponderada de los valores de alimentación y concentrado que permite la polarización de concentración y el volumen de las tuberías y accesorios de concentrado corriente abajo de los recipientes a presión), entonces el balance de masa genera 91 mg/l como concentración de ion calcio en el depósito de alimentación en estado estacionario. Se vuelve a calcular la composición de alimentación en base a este valor de ion calcio en estado estacionario, se encuentra que el LSI para la composición de alimentación en estado estacionario es -0,04 (relación de saturación de 0,91).

Evidentemente, a medida que aumenta el volumen causando el aumento de la concentración de calcio en el concentrado, mayor es el calcio en el volumen retenido en el depósito de alimentación causando una caída adicional en la concentración de ion calcio en la alimentación. Para una recuperación de 78,7% se puede esperar encontrar solo 87 mg/l de ion calcio incluso sin precipitación. El nivel de calcio cae bastante por debajo de este después de 6 horas.

Al finalizar el experimento se lavó la red de tuberías corriente abajo de las membranas por separado de las membranas. En experimentos sin inversión de flujo se encontró que \sim90% del depósito de carbonato de calcio estaba en las membranas y el resto en las tuberías corriente abajo. El depósito en la válvula para contrapresión corriente abajo de las membranas dio como resultado una resistencia hidráulica mayor y una caída en el caudal total que conduce a una mayor recuperación (de 68,9-78,7%) durante el transcurso del experimento. En experimentos posteriores este problema se solucionó dejando la válvula 83 abierta durante 2 minutos provocando que la solución de alimentación de menor concentración limpie por desplazamiento la sección corriente abajo. Esto es solo 1/30 del tiempo del ciclo de modo que no causa una pérdida considerable en la recuperación. Así, de acuerdo con una realización preferente, se deja abierta la válvula de derivación durante un período de tiempo adecuado para prevenir la precipitación de sales y minerales poco solubles en tuberías y válvulas corriente abajo del recipiente a presión.

La Fig. 15 es un gráfico que muestra los resultados obtenidos cuando se lleva a cabo la inversión cada hora con un tiempo de limpieza de 2 minutos para las tuberías corriente abajo. Como se muestra, el nivel de calcio es casi estable con una caída menor que 10% en su nivel durante 80 horas.

Con el fin de mostrar que la estabilidad del nivel de calcio se debió fundamentalmente al flujo invertido y no a una limpieza por desplazamiento de líquido prolongada de las tuberías corriente abajo, se detuvo el flujo invertido pero se continuó con la apertura de la válvula 83 durante 2 minutos cada hora para continuar limpiando por desplazamiento de líquido corriente abajo con una composición muy parecida a la del agua de alimentación. Los resultados se muestran en la segunda parte de la Fig. 15. Como se puede apreciar, tan pronto como se interrumpió el flujo invertido el nivel de calcio comenzó a caer rápidamente (pérdida de 22% de su valor inicial en 30 horas y 30% de su valor inicial en menos de 50 horas).

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Ejemplo 4 Diversos procedimientos para determinar las constantes A y B requeridas para la estimación de los tiempos de inducción

Procedimiento A

1.

Tomar una solución con la composición de alimentación de la alimentación a tratar en la planta real.

2.

Usar un procedimiento con membrana (por ejemplo RO) para concentrar la misma a varias recuperaciones, Y, dando factores de concentración de volumen, VCF = 1/(1-Y), de modo que la concentración aparente de la sal muy poco soluble alcanzará una relación de supersaturación definida:

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para sales M_{v+}X_{v-} o S_{b} = \frac{C_{b}}{C_{sat}} para especies neutras

donde M y X indican el catión y anión, respectivamente y \upsilon indica su valencia; el subíndice b se refiere a la composición de la solución a granel y C_{sat} se refiere a la concentración de saturación para minerales que no se disocian en iones para la composición definida de la solución de alimentación concentrada y a_{i} se refiere a la actividad de la especie iónica i y está relacionada con la concentración de dicha especie C_{i} por el coeficiente de actividad i\gamma_{i} por: a_{i} = \gamma_{i} * C_{i} donde para evaluar los coeficientes de actividad se usa la ecuación estándar conocida por los expertos en la técnica. De forma alternativa, la relación de supersaturación se puede calcular usando programas informáticos convencionales tales como Minteqa2 proporcionado por la EPA de EEUU.

3.

A continuación, recircular la alimentación concentrada de forma continua por el tipo de membrana a usar en la planta, donde dicha membrana puede estar en su carcasa comercial (por ejemplo, elemento en espiral) o como una muestra de lámina plana. Esto se realizará a una presión, temperatura y caudal constantes. El filtrado se devolverá al depósito de alimentación. Para dicho grupo de condiciones, la membrana hará pasar un flujo de filtrado, Jv, del cual se puede calcular la composición en la pared con respecto a la especie i, de mineral muy poco soluble, en base a la ecuación de polarización de concentración bien conocida:

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donde k_{i,d} es el coeficiente de transferencia de materia para la especie i, definido por la hidrodinámica de la carcasa o célula de flujo en la que se aloja la membrana y el coeficiente de difusión de la especie i, y se puede calcular fácilmente o medir por el experto en la técnica. La relación de supersaturación en la pared de la membrana, S_{W}, se calcula entonces a partir de:

19

4.

Medir el tiempo hasta que se obtiene evidencia de que ha comenzado la precipitación, tal como:

a)

caída en la concentración de especies minerales poco solubles en estado estacionario en el depósito de alimentación,

b)

aparición de turbiedad en la corriente de concentrado que vuelve al depósito.

c)

caída en el flujo Jv de la membrana. Este será el tiempo de inducción para las condiciones dadas. Por lo que se han determinado un par de puntos (S_{w}, \tau).

5.

Repetir las etapas 3 y 4 para diferentes valores de presión aplicada y reciclar el caudal para generar diferentes valores de concentración en la pared y relaciones de supersaturación en la pared con el fin de generar k nuevas parejas de puntos (S_{w}, \tau)_{1}, ....., (S_{w}, \tau)_{k}. Si fuera necesario se limpiarían las membranas de cualquier depósito del ensayo de precipitación previo (si se usan elementos de membrana comerciales). Si se usan muestras de membranas en forma de lámina plana, éstas se pueden limpiar o reemplazar.

6.

Repetir las etapas 2-5 para un valor diferente de recuperación, Y_{j}, para dar diferente factor de concentración de volumen (VCF)_{j}, y generar más puntos (S_{w}, \tau).

7.

Representar entonces los puntos de ln(\tau) frente a 1/[ln/(S_{w})]^{2}. La pendiente de esta recta dará A y la ordenada en origen dará B.

8.

El procedimiento de 2-6 proporcionará al menos tres puntos con el fin de llevar a cabo el análisis en 7.

9.

Para calcular para otras temperaturas, se pueden usar energías de activación para nucleación tabuladas cuando estén disponibles o se toman varias medidas en condiciones similares y los resultados se analizan usando la ecuación de Arrheniums para obtener la energía de activación para nucleación.

Los Procedimientos B y C se refieren a medios alternativos para obtener soluciones supersaturadas a las que se describen en la etapa 2 anterior.

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Procedimiento B

En lugar de concentrar un lote de solución de alimentación como se describe en la etapa 2 anterior, se puede usar un tren de elementos de desalación con membrana (RO o NF) para concentrar un volumen de solución de alimentación en modo de reciclado de forma que la corriente de concentrado abandona el último elemento de membrana a la concentración de concentrado aparente deseada. La corriente de concentrado y la corriente de filtrado se devuelven al depósito de alimentación (como se describe en el Ejemplo 2 anterior). Las etapas 3-5 se llevan a cabo entonces como se ha descrito antes. Sin embargo, en este caso, cada vez que se cambian la presión y tasa de reciclado en la etapa 3, cambia también automáticamente la tasa de recuperación como se ha descrito antes. Los datos se analizan como se describe en las etapas 7-9.

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Procedimiento C

Si se lleva a cabo el ensayo en el sitio donde está disponible el agua de alimentación, se puede usar un tren de elementos de membrana para concentrar la corriente de alimentación a una recuperación dada y luego controlar el tiempo de inducción de acuerdo a los criterios b) o c) de la etapa 4 anterior. En caso contrario, el procedimiento será como en el Procedimiento B.

La Fig. 7 es un diagrama de bloques que muestra un procedimiento para aumentar de forma significativa la recuperación en un procedimiento de desalación sin el uso excesivo de compuestos químicos. Este procedimiento se puede usar con alimentaciones de agua salobre, agua residual tratada, agua industrial o agua de mar y, en particular, siempre que haya problemas en los que se imponen limitaciones en la recuperación debido a sales poco solubles. El procedimiento mostrado en la Fig. 7 conlleva tres etapas principales:

a)

Preconcentración: esta etapa supone concentrar iones de sales poco solubles por un procedimiento de membrana 70 (por ejemplo NF o RO), que rechaza los iones multivalentes de sales poco solubles que son fundamentalmente metales alcalinotérreos (Ca, Sr, Mg, Ba) y sulfato. Esta etapa se lleva a cabo preferentemente usando el esquema de inversión de flujo de la invención como se ejemplifica y describe antes con referencia a las Figs. 1-6 y 8-15. Si el procedimiento de membrana 70 es una membrana de NF y la salinidad del flujo de filtrado 72 todavía es alta, el filtrado 72 se puede enviar a otro procedimiento de desalación 78, tal como un procedimiento de membrana (por ejemplo, RO o electrodiálisis) o un procedimiento térmico (por ejemplo, evaporación ultrarrápida, desalación con múltiples efectos, compresión con vapor, destilación, destilación con membrana) para generar un agua producto 76 de la calidad requerida. Este procedimiento de desalación 78 adicional también puede ser una combinación de cualquiera de los procedimientos anteriormente citados en el presente documento para aumentar la recuperación (por ejemplo RO seguida por un procedimiento de evaporación térmica o electrodiálisis). Sin embargo, si el procedimiento de membrana 70 es un procedimiento de RO, se puede usar el filtrado 72 normalmente como agua producto desalada.

b)

Precipitación: en esta etapa, el concentrado supersaturado 73 de la etapa de concentración previa a) se envía al recipiente 79 que contiene una suspensión de sólidos, tal como granos de arena o carbonato de calcio, que actúa a modo de superficies de iniciación cristalina en las que se produce la precipitación. La concentración en exceso de las sales supersaturadas en el concentrado 73 se libera por precipitación sobre las superficies de iniciación cristalina en el recipiente 79. La solución obtenida en el recipiente 79 es próxima a la saturación y preferentemente se separa de la suspensión por filtración en un Filtro Microporoso (MF). De forma alternativa, el concentrado supersaturado 73 se puede alimentar a la cabeza (o cola) de un lecho fijo o en movimiento de sólidos de iniciación cristalina (no mostrado) tal como es bien conocido en la técnica de ablandamiento por precipitación (ablandamiento por óxido de calcio o carbonato sódico) y la solución ablandada se elimina de la cola (o la cabeza) del lecho después de equilibrar hasta la concentración de equilibrio de las sales poco solubles. Como alternativa adicional, el concentrado supersaturado 73 se puede alimentar a un ablandador electrolítico que genera la base necesaria para precipitar adicionalmente una parte mayor o todo el ion calcio que queda mediante la reacción en el cátodo durante la electrolisis (por ejemplo, Rinat, J., Korin, E., Soifer, L. and A. Bettelheim, J. of Electro-analytical Chemistry, en prensa (2004).

c)

Desalación adicional (opcional): en esta etapa, el producto separado, flujo 74, obtenido de la suspensión en la etapa b) - que ahora está cerca del equilibrio con respecto a las sales poco solubles - se alimenta de nuevo a la alimentación 71 o a una etapa intermedia en el procedimiento de membrana 70 en la etapa a). De forma alternativa, el flujo 74 se puede alimentar también a una etapa de desalación adicional (por ejemplo desalación con membrana o térmica) (no mostrada) con una pequeña cantidad de antiincrustante, que requerirá un menor volumen a procesar.

Como se ha descrito antes en la presente memoria, el procedimiento de concentración 70 se lleva a cabo preferentemente usando RO que sustancialmente retiene todos los iones, o NR que retiene los iones multivalentes y deja pasar parcialmente iones monovalentes. En el caso de un procedimiento de FN, los rechazos de cationes multivalentes normalmente serán mejores que 80-90% y el rechazo de sulfato será mejor que 95%. Para RO el rechazo de cationes multivalentes normalmente será superior a 99%.

El flujo de concentrado 73 que abandona el procedimiento de membrana 70 normalmente tiene una relación de supersaturación superior a 2,0 en todas las sales poco solubles. Si la alimentación no se acidifica, la alimentación tendrá frecuentemente un LSI > 2 para la supersaturación de carbonato de calcio. La unidad 79 cristalizadora con iniciadores de cristalización puede estar en forma de un recipiente que contiene los iniciadores de cristalización mantenidos en suspensión por agitación, o en un lecho fluidizado, o lecho fijo, u otra forma familiar para los expertos en la técnica de ablandamiento de óxido de calcio por precipitación - incluyendo pero sin quedar limitado a realizaciones tales como clarificador con contacto de sólidos con flujo ascendente (recipiente con suspensión) o un Espiractor (contactor de lecho fijo o lecho fluidizado) y cristalizador asistido por membrana. El cristalizador 79 es preferentemente un tipo de cristalizador en el que los sólidos formados son compactos y no voluminosos como en el caso de los clarificadores. Por tanto, los lechos rellenos y fluidizados y los cristalizadores asistidos por membrana serán preferidos debido a su capacidad para conseguir un depósito compacto para la separación.

Los iniciadores de cristalización en el cristalizador 79 pueden ser iniciadores de cristalización de sales poco solubles (por ejemplo, carbonato de calcio o sulfato de calcio) o arena fina (por ejemplo, de 0,1-2 mm de diámetro, prefiriéndose la arena con frecuencia rellena en lechos fluidizados). Si se usan los iniciadores de cristalización en una suspensión agitada, se ha encontrado efectivo una carga de 1-10% peso/volumen) en el caso de precipitación de carbonato de calcio. La separación de sólidos puede ser efectiva por gravedad (en caso de aclaradores, o lechos fluidizados) o una barrera de membrana. Cuando se usan membranas para separar el agua casi saturada de la suspensión en el cristalizador, se puede usar cualquier membrana con tamaños de poro menores que \sim10 mm, si se deja formar una torta de filtro de sólidos cristalinos sobre la membrana. Si no se forma sobre la membrana la torta de filtro, entonces se prefiere usar membranas con tamaños de poro iguales o inferiores a 0,2 mm.

Las membranas se pueden montar en el depósito de reacción del cristalizador 79 y el producto de separación 74 se separa preferentemente por succión. De forma alternativa, se puede montar la membrana en una corriente de reciclado secundaria, forzando al flujo 74 a través de la membrana bajo presión positiva.

El tamaño del cristalizador 79 depende de la velocidad de la deposición de la sal muy poco soluble sobre los iniciadores de cristalización. La velocidad de deposición para sales divalentes poco solubles con frecuencia viene dada por una ecuación de la forma:

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donde dm/dt es la velocidad de precipitación de sal por unidad de volumen del reactor, S es el área de los iniciadores de cristalización por volumen unitario del reactor, k es la constante de velocidad para la precipitación. C es la concentración de sal muy poco soluble y C_{sat} es la concentración de saturación de la sal muy poco soluble. El exponente n, normalmente será 2 para una reacción que es una reacción limitada y 1 para una reacción que está limitada por el transporte de masa. En cualquier caso, queda claro que al aumentar el flujo de concentrado 73 supersaturado, su concentración C de sal muy poco soluble será mayor y la velocidad de precipitación será mayor permitiendo un cristalizador más compacto. Añadiendo alumbre al cristalizador 79 puede ser posible precipitar conjuntamente también sílice. Los sólidos o suspensión 75 de semisólidos se separan del cristalizador 79 de acuerdo con procedimientos conocidos por los expertos en la técnica de ablandamiento por precipitación/óxido de calcio de acuerdo a la elección del equipo cristalizador usado y los sólidos o semisólidos 75 y luego éstos se envían para desechar.

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El flujo 74, que está en, o ligeramente por encima de, la saturación con respecto a las sales poco solubles, se devuelve al procedimiento de membrana 70 combinándolo con el flujo de alimentación 71, o con un flujo intermedio del procedimiento de membrana 70. Debido a que está cerca de la saturación y es de un volumen mucho menor que el flujo 71 y suponiendo que el flujo 71 no está saturado, las corrientes 71 y 74 combinadas normalmente no superarán la saturación. En el caso de que el flujo 71 esté cerca de la saturación o está saturado, se puede añadir una pequeña cantidad de antiincrustante a las corrientes combinadas de 71 y 74 con el fin de obtener un tiempo de inducción que es suficientemente grande para permitir que la inversión de flujo sea efectiva. En dicho caso, debido a que la cantidad de antiincrustante es baja (justo la suficiente para generar un tiempo de inducción igual o superior a 0,25 horas), normalmente no perjudica gravemente la operación del cristalizador 79 cuando hay una gran concentración de iniciadores de cristalización y supersaturación.

\newpage

Si se usa en el procedimiento de membrana 70 una membrana de RO o NF compacta (rechazo de NaCl > 90%) entonces el flujo de filtrado 72 se puede usar con frecuencia directamente. Si se usa una membrana de NF abierta en el procedimiento de membrana 70, entonces el flujo de filtrado 72 se alimenta a otro procedimiento de desalación 78 para eliminar más sal. El procedimiento de desalación 78 puede ser cualquier procedimiento de desalación conocido por los expertos en la técnica de desalación y tratamiento de agua, incluyendo procedimientos de membrana (por ejemplo, NF, electrodiálisis, RO) o procedimientos de desalación térmica (por ejemplo, destilación con varios múltiples efectos, destilación por evaporación ultrarrápida multietapa, destilación por compresión con vapor, destilación con membrana). El procedimiento 78 de desalación también puede usar el esquema de inversión de flujo de la presente invención.

En este caso, el flujo de producto 76 se toma para uso del procedimiento de desalación 78 y el concentrado 77 de salmuera altamente salino se envía para desechado. Se apreciará que pueden obtenerse recuperaciones muy altas en el procedimiento de desalación 78 debido a la eliminación de iones incrustantes en el procedimiento de membrana de NF llevado a cabo por el procedimiento de membrana 70. Las recuperaciones esperadas del procedimiento de desalación 78 superan 50-60% cuando el flujo 71 es una alimentación de agua de mar (>32.000 mg/l) y superan 90-95% cuando el flujo 71 es una alimentación de agua salobre (2000-8000 mg/l).

Las ventajas de este procedimiento son que la etapa de precipitación (b) puede tener lugar sin la adición de compuestos químicos tales como óxido de calcio, sosa cáustica o carbonato de calcio para generar supersaturación con respecto al calcio. Además, los sólidos formados en las superficies iniciadoras en el recipiente 79 se separan más fácilmente que en el caso de los lodos formados en el ablandamiento de óxido de calcio. Además, la etapa de concentración de la etapa (a) ya genera la supersaturación requerida para la etapa de precipitación (b). Una ventaja adicional a este procedimiento es que se necesita poco o nada antiincrustante puesto que se previene la incrustación en la etapa de concentración previa usando el esquema de flujo invertido de la invención. Por tanto, hay poco o nada de antiincrustante que interfiera con la velocidad de precipitación en la etapa de precipitación (b).

Las membranas pueden estar realizadas en cualquiera de los materiales de membrana aceptados - incluyendo pero sin quedar limitados a los mismos, membranas de materiales compuestos de película delgada realizadas en poliamidas o membranas asimétricas realizadas en poliamida o acetato de celulosa y sus derivados. Los elementos de membrana pueden estar arrollados en espiral, placa y bastidor, tubulares o de geometría de fibra hueca con tal de que haya una disposición que permita invertir el flujo cambiando las corrientes conectadas a la alimentación y accesorios de rechazo en el elemento. En una realización preferente de la invención se usa un elemento de membrana arrollado en espiral. La unidad de preconcentración 70 opera preferentemente usando el esquema de inversión de flujo de la invención para prevenir la precipitación en la etapa de preconcentración (a).

Como se describió y ejemplificó antes en la presente memoria, la presente invención proporciona un procedimiento de filtración con membrana de flujo invertido que puede operar en condiciones en las que la composición de la solución cerca de la superficie de la membrana activa supera temporalmente el límite efectivo de saturación de sales poco solubles, mientras que al mismo tiempo no permite que dicha supersaturación local conduzca a ensuciamiento por precipitación de la membrana. El procedimiento de filtración de la invención también ayuda a relajar las limitaciones de diseño, permite mayores recuperaciones y reduce los volúmenes de salmuera. También proporciona medios para conseguir recuperaciones sustancialmente altas a pesar de las supersaturaciones locales temporalmente altas. La presente invención incluye también un sistema para prevenir el flujo en un tren de elementos de membranas de RO o NF en serie, y puede aplicarse a todas las geometrías de elementos de membrana, incluyendo, pero sin quedar limitados a los mismos, arrollamiento en espiral, fibra hueca (Diámetro Interno (DI) menor que 3 mm (ID < 3 mm), tubular (DI > 3 mm), geometrías de placa y bastidor conocidas por los expertos en la tecnología de membranas. También se puede aplicar a elementos de membrana realizadas en todos los tipos de materiales que pueden retener especies de sales poco solubles, incluyendo, pero sin quedar limitados a los mismos, poliméricos (por ejemplo, materiales compuestos de película delgada de poliamida, poliureas, membranas asimétricas de materiales celulósicos, polisulfonas sulfonadas, membranas poliméricas con estabilidad a los ácidos, bases, oxidantes y/o disolventes) y materiales cerámicos (por ejemplo, óxido de circonio, óxido de aluminio, sílice, carbón). También incluye una metodología general para cambiar el sentido de flujo con una frecuencia que asegura que el flujo en un sentido no se producirá durante un tiempo que supere el tiempo de inducción correspondiente a la composición de la solución de alta presión en el lado de concentrado del tren de flujo.

Los ejemplos y descripción anteriores se han proporcionado, naturalmente, con el único propósito de ilustrar y no pretenden limitar la invención en modo alguno. Como se apreciará por los expertos, la invención se puede llevar a cabo en una amplia diversidad de formas, empleando más de una técnica de entre las descritas antes y sin excederse del alcance de la invención.

Claims (18)

1. Un procedimiento para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar una o más sales o minerales poco solubles, comprendiendo dicho procedimiento alimentar una corriente de agua a presión que contiene especies solubles capaces de formar una o más de las siguientes sales o minerales poco solubles: carbonato de calcio; sulfato de calcio; sílice; fosfato de calcio; sulfato de bario; sulfato de estroncio y fluoruro de calcio en una zona de tratamiento que tiene una o más membranas dispuestas en la misma, hacer pasar dicha corriente por dicha membrana o membranas para recuperar un filtrado y extraer un concentrado de la misma mientras que periódicamente se invierte el sentido del flujo de dicha corriente en dicha zona de tratamiento, comprendiendo además el procedimiento estimar el tiempo de inducción \tau, que es el tiempo requerido para que una corriente de agua supersaturada precipite una o más de dichas sales y/o minerales poco solubles de la misma, y ajustar la inversión de flujo periódica para que tenga lugar un cierto tiempo menor que el tiempo de inducción \tau, estando dicha membrana o membranas expuestas a condiciones de supersaturación que se desarrollan en dicha corriente de agua durante un período de tiempo que es menor que dicho tiempo de inducción \tau.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el tiempo de inducción \tau está determinado con antelación de forma experimental, o se estima por separado para cada una de las sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuación:

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A y B son constantes relacionadas con una sal o mineral muy poco soluble dado y la membrana usada; y S es la relación entre el producto de la actividad real máxima de una sal poco soluble dada en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana y el producto de la solubilidad termodinámica o, para un mineral sin disociar, la relación de la concentración de mineral real máxima respecto a la concentración de saturación de dicho mineral para la composición dada.

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3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la zona de tratamiento es un recipiente a presión que comprende al menos primera, segunda y tercera aberturas, usándose dicha tercera abertura para recuperar el filtrado y está en comunicación de fluido con el interior de dicho recipiente a través de las membranas, en el que el sentido del flujo de la corriente se invierte periódicamente entre un flujo hacia adelante, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha primera abertura y el concentrado se extrae a través de dicha segunda abertura, y un flujo invertido, en el que dicha corriente se alimenta a través de dicha segunda abertura y dicho concentrado se extraer a través de dicha primera abertura.

4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende:

a.

disponer una bomba de presión para producir la corriente de alimentación; una primera y segunda válvulas de control direccional, en las que un primer orificio de dicha primera y segunda válvulas están conectado entre sí, un segundo orificio de dicha primera válvula está conectado a dicha bomba, un segundo orificio de dicha segunda válvula está conectado a dicha abertura de dicho recipiente a presión, un tercer orificio de dicha primera válvula está conectado a dicha abertura de dicho recipiente a presión, y un tercer orificio de dicha segunda válvula está conectado a una salida de concentrado;

b.

disponer una válvula de derivación de dos vías para conectar dicha primera abertura de dicho recipiente a presión a dicha salida de concentrado, estando inicialmente dicha válvula de derivación cerrada;

c.

dirigir dicha corriente de alimentación a través de dichos segundo y tercer orificios de dicha primera válvula, dirigir el flujo de dicha segunda abertura, cerrar dicha válvula de derivación, dirigir caudal de dicha segunda abertura de dicho recipiente a presión a través de dichos segundo y tercer orificios de dicha primera válvula, dirigir el flujo de dicha segunda abertura de dicho recipiente a presión a través de dichos segundo y tercer orificios de dicha segunda válvula, cerrar dicha válvula de derivación si ya no está cerrada y esperar un período de tiempo menor que el tiempo de inducción asociado con la concentración de sales o minerales en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana cercano a dicha segunda abertura de dicho recipiente;

d.

abrir dicha válvula de derivación, dirigir dicha corriente de alimentación a dicha segunda válvula a través de dichos primer y segundo orificios de dicha primera válvula, dirigir el flujo a través de dichos primer y segundo orificios de dicha segunda válvula a dicha segunda abertura de dicho recipiente a presión, y esperar un período de tiempo menor que el tiempo de inducción asociado con la concentración de sales en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana más cercana a dicha primera abertura de dicho recipiente;

e.

repetir continuamente las etapas c) y d).

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5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la válvula de derivación se deja abierta durante un período de tiempo adecuado para prevenir la precipitación de sales poco solubles en tuberías y válvulas corriente abajo del recipiente a presión.

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además dirigir el concentrado supersaturado extraído a un cristalizador, precipitar en el mismo una o más sales y/o minerales poco solubles, separar los sólidos de la fase líquida y devolver dicho líquido a la zona de tratamiento.

7. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 6, en el que el agua contiene sulfato de calcio o carbonato de calcio.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el agua es agua salobre o agua de mar o agua residual.

9. Un sistema de membrana impulsado por presión para purificar agua que contiene especies solubles que pueden formar sales y/o minerales poco solubles, que comprende:

al menos un recipiente a presión 2 que tiene una o más membranas M dispuestas en el mismo;

una bomba de presión HPP para producir una corriente de agua a presión; una pluralidad de válvulas controlables para controlar la dirección de un flujo de alimentación y un flujo de concentrado en el mismo;

una unidad de control unida a dichas válvulas, en el que dicha unidad de control 5 está adaptada para proporcionar a dichas válvulas señales de control para invertir periódicamente el sentido de dichos flujos de alimentación y de concentrado a través de dicho recipiente a presión en determinados períodos de tiempo que corresponden al tiempo de inducción relacionado con dichas sales y/o minerales y dicha una o más membranas; y

un cristalizador 79 adaptado para recibir dicho flujo de concentrado de dicho recipiente a presión, para precipitar una o más sales y/o minerales en dicho cristalizador.

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10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el cristalizador está en forma de un recipiente que contiene iniciadores de cristalización, un lecho fluidizado o un lecho fijo.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el cristalizador comprende una barrera de membrana montada en el mismo para permitir la separación del precipitado.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además medios de detección capaces de proporcionar a la unidad de control señales correspondientes al producto de la actividad real máxima de una sal poco soluble dada en la solución cerca del lado de alta presión de la membrana o, para un mineral sin disociar, la concentración de mineral máxima, y en el que la unidad de control está adaptada para estimar el tiempo de inducción de acuerdo a la fórmula

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en la que A y B son constantes relacionadas con la sal/mineral y la membrana y S es la relación entre dicho producto de la actividad real máxima y el producto de la solubilidad termodinámica o, para un mineral sin disociar, la relación de dicha concentración de mineral real máxima a dicha concentración de saturación de dicho mineral para una composición dada.

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13. Un sistema para purificar agua que contiene especies solubles capaces de formar sales y/o minerales poco solubles de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende:

a.

al menos un recipiente a presión que tiene una o más membranas dispuestas en el mismo, comprendiendo dicho al menos un recipiente al menos una primera, segunda y tercera aberturas, en el que dicha tercera abertura se usa para recuperar el filtrado y está en comunicación de fluido con el interior de dicho recipiente a través de dichas membranas;

b.

una bomba de presión para producir una corriente de agua a presión;

c.

al menos una primera y una segunda válvulas de control direccional controlables, donde un primer orificio de dicha primera y segunda válvulas están conectados entre si, un segundo orificio de dicha primera válvula está conectado a dicha bomba, un segundo orificio de dicha segunda válvula está conectado a dicha segunda abertura de dicho recipiente a presión, un tercer orificio de dicha primera válvula está conectado a dicha primera abertura de dicho recipiente a presión, y un tercer orificio de dicha segunda válvula está conectado a una salida de concentrado;

d.

al menos una válvula de derivación de dos vías controlable para conectar dicha primera abertura de dicho recipiente a presión a dicha salida de concentrado;

e.

un cristalizador adaptado para recibir dicho flujo de concentrado de dicho recipiente a presión, para precipitar una o más sales y/o minerales poco solubles en dicho cristalizador; y

f.

una unidad de control unida a dichas válvulas, donde dicha unidad de control está adaptada para proporcionar a dichas válvulas señales de control para invertir periódicamente un sentido de flujo a través de dicho recipiente a presión en determinados períodos de tiempo.

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14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende al menos dos dispositivos de detección unidos a la unidad de control y un dispositivo de medida del flujo de filtrado y de concentrado, siendo dichos dispositivos de detección capaces de detectar el nivel de concentración de al menos una sal en la corriente de agua en las proximidades de la primera y segunda aberturas del recipiente a presión, y en el que dichos dispositivos de detección y medida proporcionan a dicha unidad de control señales correspondientes para calcular S, o dicha unidad de control recibe el valor de S como dato de entrada, y estima así dicho tiempo de inducción, y en el que dicha unidad de control está adaptada para recibir entradas de datos de A y B y estimar así el tiempo de inducción por medio de la siguiente ecuación:

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15. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es un elemento arrollado en espiral.

16. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es un elemento de fibra hueca que tiene un diámetro interno menor que 3 mm.

17. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es de una geometría de placa y bastidor.

18. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que al menos una de las membranas es de geometría tubular que tiene un diámetro interno mayor que 3 mm.