Membrane tecnologies for brine treatment and membrane reuse

Resumen

La escasez de recursos hídricos ha obligado a adoptar diferentes mecanismos para la obtención de agua dulce, como la desalación y la recuperación de aguas residuales. Dentro de los procesos de desalación las tecnologías de membranas son las más utilizadas, siendo la osmosis inversa (OI) el proceso más implementado industrialmente debido a su competitividad económica. Sin embargo, los problemas relacionados con la descarga de salmueras concentradas no han sido resueltos todavía. Durante los últimos años, la ciencia y tecnología de membranas trata de encontrar soluciones a estos problemas ambientales. Como resultado, la destilación en membrana (DM) se ha propuesto como un proceso no isotérmico para tratar disoluciones acuosas de alta concentración salina derivadas de otros procesos de desalación para la producción de agua y la reducción del volumen de descarga. El capítulo 2 está dedicado a explorar la tecnología DM en el campo de la desalación, incluyendo sus configuraciones, mecanismos de transporte, etc., así como sus posibilidades de ser acoplada con otras tecnologías para formar procesos integrados/híbridos y sostenibles energéticamente. El capítulo 3 está enfocado en la aplicación de la tecnología de DM para concentrar salmueras y minimizar su descarga. Se divide en dos secciones: i) tratamiento de salmueras sintéticas (65 g/L NaCl), y ii) tratamiento de salmueras procedentes de las plantas de desalación por OI. Para ello, se utilizaron membranas comerciales de politetrafluoretileno (PTFE) con diferentes tamaños de poro. En la primera parte, las salmueras sintéticas se concentraron por encima de la concentración de saturación del NaCl usando la configuración de DM con cámara de aire (DMCA) hasta que los poros de la membrana se bloquearon o mojaron. En general, se obtuvo un destilado de buena calidad con un factor de rechazo de sal superior al 99,9%. Una vez superado el límite de saturación del NaCl, se estudió el fenómeno de ensuciamiento de la membrana debido a la cristalización de las sales. Este fenómeno es el responsable del bloqueo o mojado de los poros, y disminuye la producción de agua, la eficiencia del proceso y obliga a desechar las membranas. En la segunda parte, se concentraron salmueras procedentes de OI mediante la configuración de DM por contacto directo (DMCD). Se realizaron diferentes pretratamientos químicos para minimizar la presencia de carbonatos y sulfatos de calcio, sales poco solubles y responsables del mojado de los poros de la membrana debido a su precipitación. Aquellos pretratamientos químicos que lograron eliminar los iones sulfato de la salmuera de OI resultaron los más eficientes, incrementando el flujo de permeado y la calidad del destilado. En el capítulo 4 se estudia la posibilidad de reutilizar las membranas desechadas de DM en el proceso de microfiltración, para el tratamiento de disoluciones acuosas de ácido húmico, haciendo sostenible la DM y ahorrando costes. Los resultados del flujo de permeado, factor de separación o índice de rendimiento dependieron de las características de la membrana y del estado de éstas una vez desechadas tras DM. A pesar de esto, las membranas de DM reutilizadas presentaron un rendimiento similar al de las membranas nuevas. Otra posibilidad es reutilizar las salmueras procedentes de OI como disoluciones osmóticas en el proceso de ósmosis directa (OD), una tecnología de membrana en auge debido a su bajo consumo energético. En el capítulo 5 se ha optimizado una planta piloto de OD, acoplada a tecnologías solar térmica y fotovoltaica. Se han determinado estadísticamente las condiciones óptimas de operación de la planta y confirmado experimentalmente. Al final del capítulo, se propone la regeneración de la disolución osmótica, con el fin de mantener su concentración elevada, utilizando una planta piloto de OI alimentada por energía solar. Finalmente, en los objetivos futuros, se propone utilizar DM en lugar de OI para formar un sistema híbrido OD/DM.