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Tratamiento de emulsiones (aguas residuales aceitosas)

tratamiento de emulsiones aceitosasAunque se dice que «aceite y agua no se mezclan», y en gran parte es cierto, sí que pueden existir como una solución, la cual se la conoce con el nombre de emulsión. El tratamiento de emulsiones, o aguas residuales aceitosas, es imprescindible debido al alto contenido contaminante de estos efluentes.

En una emulsión en la que el agua es el componente mayoritario, el aceite aparece como gotas dispersas de forma uniforme en toda la fase acuosa. La concentración y el tamaño de las gotas de aceite dependen básicamente de la agitación. Si la emulsión se deja reposar, los dos componentes tendrán tendencia a irse separando debido a la diferencia de densidad. Aunque generalmente no se conseguirá una separación perfecta y parte de las gotas de aceite permanecerán en suspensión en el agua. Existen compuestos, como los tensoactivos, que son emulsionantes (o emulgentes), es decir, mantienen mezcladas dos sustancias que son inmiscibles.

En múltiples aplicaciones industriales se generan emulsiones aceitosas, como es el caso de:

  • Aguas contaminadas con hidrocarburos.
  • Agua inyectada en pozos de perforación para desplazar el aceite.
  • Lubricante en procesos de mecanizado, utilizado para reducir el desgaste de las piezas metálicas.
  • Aguas de enjuague en procesos galvánicos y de tratamiento de superficies.

En todos estos casos, tanto si se desea verter estos efluentes a la red pública de alcantarillado como si se tiene la intención de reutilizar el agua, será necesario un sistema eficiente de tratamiento de emulsiones aceitosas. Existen diferentes procesos que permiten este objetivo, si bien no hay ninguna técnica que sea adecuada para todas las situaciones que se puedan dar, a excepción de la evaporación al vacío. Lo procesos más utilizados para la separación del agua del aceite son los siguientes:

Flotación por aire disuelto (DAF). En unas condiciones de ausencia de agitación, se aprovecha la diferencia de densidad para separar el aceite del agua por flotación. A medida que se van formando las gotas de aceite en el seno de la fase acuosa, van ascendiendo hasta la superficie. Para acelerar el proceso de flotación del aceite, se burbujea aire por la parte inferior del tanque. La separación es eficiente pero se requiere un gran espacio y equipos de dimensiones considerables cuando el caudal a tratar es elevado. No obstante, esta técnica no es viable cuando las emulsiones de aceite y agua son estables, casos en los que se debe intentar previamente romper la emulsión mediante la adición de algún producto químico.

Evaporación al vacío. El proceso de evaporación es el único que permite separar el aceite del agua sin la necesidad de pretratar el efluente y sin requerir más procesos posteriores, puesto que el agua producida es de elevada calidad y permite su reutilización directa. En cuanto a los residuos, a diferencia de los procesos de membranas, no genera ningún otro efluente residual. Se genera un residuo semisólido que por su composición se puede revalorizar en otros procesos, como en una codigestión anaerobia. Otra gran ventaja de la evaporación al vacío de los efluentes aceitosos es su elevada capacidad de adaptación a las características cambiantes del efluente a tratar, lo cual hace que se trate de una alternativa robusta y eficaz. Además, al operar en condiciones de vacío, el consumo energético es contenido obteniéndose una elevada eficiencia energética. Son equipos compactos y por lo general no se requiere de un gran espacio físico y su utilización es sencilla y puede ser automatizada. Sin duda, es la alternativa clave para el tratamiento de los efluentes aceitosos.

Tratamiento biológico. La eliminación de aceites y grasas mediante degradación biológica, aunque es posible, presenta una serie de dificultades que se deben salvar, tanto en condiciones aerobias como en anaerobias. En primer lugar, el aceite y las grasas no disponen de una composición que permita su biodegradación si no se dosifican productos químicos o se mezclan con otros residuos, de manera que los microorganismos hallen todos los nutrientes que necesitan para su crecimiento. En segundo lugar, el proceso biológico no soporta bien fluctuaciones en el caudal o en la carga de entrada. Además, en un proceso aerobio, la biodegradación de aceites y grasas conlleva un gran consumo de oxígeno, lo cual requiere un elevado consumo de energía y unos costes de operación elevados. Y finalmente, el funcionamiento de este proceso necesita de un operador cualificado.

Membranas VSEP. La utilización de membranas filtrantes potencialmente puede permitir la producción de agua de gran calidad a partir de cualquier emulsión de aceite en agua. No obstante, la filtración mediante membranas tiene un talón de Aquiles: el ensuciamiento de las membranas, el cual es debido a la formación de una capa formada por una biopelícula, materia orgánica, depósitos inorgánicos o de naturaleza coloidal, etc. Esta capa se acumula sobre las membranas por procesos naturales durante el proceso de filtración y produce una disminución en la capacidad de tratamiento. Para subsanar este problema se han desarrollado las membranas vibratorias VSEP. Se trata de una técnica alternativa en la que la producción de ondas de cizallamiento en la superficie de la membrana tangentes a la superficie de ésta realiza la acción de limpieza. La vibración de la membrana y la producción de las ondas de cizallamiento consiguen que los sólidos depositados sobre la superficie de la membrana se resuspendan en el líquido y sean arrastrados por éste, exponiendo de nuevo los poros de la membrana al líquido. Una gran diferencia en relación a las membranas convencionales consiste en que el diseño básico es vertical en vez de horizontal, lo cual hace que el espacio necesario por unidad sea menor que en otros sistemas de separación.

Esta técnica, aunque genera un caudal de agua de gran calidad, también genera un efluente concentrado que requiere su correspondiente gestión. Además, para alargar la vida útil de las membranas vibrantes, es conveniente realizar un pretratamiento del alimento. Como en cualquier proceso de membranas, el cuidado, limpieza y mantenimiento de las membranas son factores muy importantes a tener en cuenta.

En resumen, las emulsiones aceitosas deben ser tratadas con anterioridad a su vertido. Existen diferentes procesos que pueden separar el aceite del agua e incluso producir un efluente de agua de elevada calidad que permita su reutilización. De entre todas las alternativas posibles, la que presenta mayores ventajas es la evaporación al vacío, por su sencillez, flexibilidad, robustez y eficacia.

Ósmosis forzada para el tratamiento de aguas salinas

Ósmosis forzadaLa ósmosis forzada (en inglés Forward Osmosis, o FO) es una tecnología emergente de membranas que presenta una serie de características ventajosas en relación a la ósmosis inversa. Aunque actualmente se presenta como una tecnología complementaria, tiene proyección suficiente para llegar a ser la opción de referencia en numerosas aplicaciones.

A nivel industrial, la ósmosis forzada se basa en el fenómeno natural en el que un solvente fluye desde una región con una baja presión osmótica, a través de una membrana semipermeable, hasta otra región con una elevada presión osmótica. Este fenómeno ocurre continuamente en la naturaleza, en las plantas, en los árboles, en las bacterias, en las células animales, etc.

La ósmosis forzada es un proceso mediante el cual se produce agua de gran calidad a partir de un efluente acuoso con mayor o menor grado de contaminación, utilizando una membrana semipermeable y una solución con una elevada presión osmótica. En el proceso se consume muy poca energía, puesto que se lleva a cabo a presiones muy bajas y a temperatura ambiental, siendo ésta una de las ventajas más destacadas.

Para la explotación del fenómeno natural en aplicaciones concretas, se pueden utilizar dos fluidos con diferentes presiones osmóticas para que, por ejemplo, agua pura de una solución de agua marina, fluya a través de la membrana para diluir una solución con una presión osmótica aún mayor. Es importante destacar que este fenómeno natural se produce a temperatura ambiente y sin la necesidad de aplicar una presión importante. La única energía necesaria externa es la que se requiere para superar la resistencia a la fricción en ambos lados de la membrana (normalmente, 2-3 bar). La solución de elevada presión osmótica se la conoce como «agente osmótico» (draw solution en inglés) y debe de ser de manipulación sencilla y segura, de preparación sencilla y de separación fácil del producto final (generalmente agua de alta calidad).

En comparación con un sistema de ósmosis inversa convencional, la ósmosis forzada presenta una larga lista de ventajas. La principal reside en el hecho de que la ósmosis forzada se lleva a cabo a presiones reducidas, con el consecuente ahorro energético que ello representa. Asimismo, las membranas de ósmosis forzada son más resistentes al ensuciamiento y toleran mejor el cloro, por lo que las limpiezas son menos necesarias y más efectivas, alargando así la vida útil de las membranas. No obstante, la ósmosis forzada no produce agua de alta calidad apta para su uso en una única etapa, puesto que después de la etapa de ósmosis forzada el agua está mezclada con el agente osmótico y se precisa de una segunda etapa para separar el agente osmótico del agua producida. En la segunda etapa, se regenera el agente osmótico a la vez que se produce el agua de alta calidad (figura 1).

Los dos procesos, el de ósmosis forzada y el de regeneración del agente osmótico, están unidos por la recirculación de la solución del agente osmótico, la cual tiene una presión osmótica superior a la del alimento. El agente osmótico concentrado permite que se produzca el flujo de agua pura desde la solución alimento. Como consecuencia, el agente osmótico se diluye con el flujo de agua pura que atraviesa la membrana. El agente osmótico diluido, posteriormente, se concentra al separarlo del agua pura en el sistema de regeneración. La combinación de la operación de los dos sistemas es un parámetro clave en el diseño del sistema para que la operación del conjunto sea sencilla, robusta y fiable.

esquema ósmosis forzada

Las ventajas más importantes de la ósmosis forzada en relación a la ósmosis inversa convencional son las siguientes:

  • Consumo energético menor, especialmente en el caso de soluciones con presiones osmóticas elevadas.
  • Baja propensión al ensuciamiento de la membrana.
  • Limpieza más fácil y efectiva de la membrana.
  • Mayor vida útil de la membrana.
  • Costes de operación más bajos.

La ósmosis forzada puede ser utilizada en una amplia variedad de aplicaciones posibles, ya que permite el tratamiento de aguas marines y salmueras, de aguas con sales minerales y metales, de efluentes con alta carga orgánica y de efluentes con sílice entre otros tipos de efluentes, siendo las más destacadas las que se relacionan a continuación:

  • Producción de agua en zonas con problemas de escasez.
  • Tratamiento de efluentes cuando la normativa obligue a la reutilización.
  • Implantación de un sistema de vertido cero.
  • Tratamiento de efluentes complejos y difíciles de tratar con tecnologías convencionales.
  • Alternativa viable cuando se requiera reducir el consumo de energía.

Así pues, la ósmosis forzada es una tecnología emergente, totalmente viable y fiable, que se presenta como una clara competidora de la ósmosis inversa convencional y de otras tecnologías de separación. A modo de resumen, la ósmosis forzada:

  • Es un proceso alternativo a la ósmosis inversa, en el que se reduce la energía y se disminuye la proporción de rechazo producido.
  • Es una tecnología que se presenta como una alternativa emergente a los procesos de evaporación térmica convencionales.
  • Permite una amplia variedad de aplicaciones diferentes.
  • Es una tecnología emergente que se seguirá desarrollando y aún se obtendrán mejores rendimientos.
  • Reduce costes de inversión y de operación en las aplicaciones de vertido cero en comparación con otras tecnologías.
  • Las próximas mejoras servirán para reducir las necesidades del pretratamiento e incrementar aún más su eficiencia.

Condorchem Envitech pone al alcance de sus clientes el diseño e implantación de sistemas óptimos de ósmosis forzada. Concretamente, dispone de tres opciones de tratamiento mediante esta tecnología, en las que el agente osmótico es una solución termolítica, capaces de satisfacer las necesidades de muy diversos clientes,. Las opciones tecnológicas son las siguientes:

OPCIÓN 1

  • Solución focalizada en la membrana.
  • Elevada recuperación de agua, incluso en el caso de efluentes que ensucian considerablemente la membrana.
  • Tratamiento para efluentes con sílice, contaminación orgánica y minerales.

OPCIÓN 2

  • Tecnología considerada el buque insignia de la ósmosis forzada.
  • Máxima recuperación de agua de alta calidad.
  • Tratamiento de salmueras de hasta 250.000 ppm de sólidos disueltos totales.

OPCIÓN 3

  • Recuperación completa del agua. Solución de vertido cero.
  • Combina tecnología MBC con cristalizadores.
  • Mejora de la eficiencia en relación a los procesos de evaporación multiefecto.

Destilación por membranas para tratar aguas residuales

Destilacion por membranasEl tratamiento de efluentes salinos y salmueras no es posible utilizando procesos convencionales. La única tecnología que ofrece una solución completa es la evaporación al vacío, puesto que la ósmosis inversa o la electrodiálisis generan un efluente de rechazo el cual debe ser gestionado. Y la destilación convencional conlleva unos costes que hacen que no sea viable económicamente.

No obstante, existe una tecnología que, aunque la primera patente data de 1963, su utilización empieza a emerger en la actualidad aprovechando todos los desarrollos de la ingeniería de membranas. Se trata de la destilación por membranas.

La destilación por membranas consiste en un proceso térmico en el que únicamente las moléculas de vapor pueden pasar a través de la membrana, la cual es hidrofóbica. El alimento que se ha de tratar está en contacto directo con una de las superficies de la membrana pero no penetra a través de los poros de la membrana al ser ésta hidrofóbica. La fuerza impulsora para la separación es la presión de vapor a través de la membrana, y no la presión total como ocurre con la ósmosis inversa. Al aumentar la temperatura del alimento aumenta la presión de vapor y, por tanto, también aumenta el gradiente de la presión de vapor que es la fuerza impulsora.

Desde el punto de vista comercial es una tecnología que no ha sido ampliamente implantada por las siguientes razones:

  • La eficiencia térmica del proceso es reducida por las pérdidas de calor por conductividad de las membranas que se produce.
  • Se producen efectos de polarización de concentración y temperatura que disminuyen el flujo de permeado a través de la membrana.
  • Se produce el efecto wetting que consiste en la penetración de impurezas presentes en el alimento en los poros de la membrana, disminuyendo así el flujo de permeado.

A pesar de estos inconvenientes que a medida que progresa la investigación se van superando, la tecnología presenta una serie de ventajas que hacen que sea competitiva cada vez en más aplicaciones. Las ventajas más importantes de la destilación por membrana son:

  • Al igual que en la evaporación, el proceso no está limitado por el equilibrio, por lo que se pueden conseguir los factores de recuperación del agua y de concentración del rechazo que sean necesarios. A diferencia de la ósmosis inversa, no existe un equilibrio el cual establece un límite en la separación.
  • Generalmente la tecnología no requiere un pretratamiento del alimento para alargar la vida de la membrana.
  • La eficiencia del sistema y la buena calidad del agua producida prácticamente son independientes de la concentración de sal del alimento.
  • Rechazo del 100% de solutos no volátiles.
  • Posibilidad de tratar efluentes corrosivos y ácidos, que en destilación convencional es complicado por los materiales que se requieren.
  • Flexibilidad de operación al tratarse de módulos independientes.

La selección de la membrana es clave para el buen funcionamiento del proceso. Las características de la membrana tienen influencia directa en el proceso, las más relevantes son: la porosidad, el tamaño del poro, el grosor de la membrana, la conductividad térmica y la composición, la cual está relacionada con la resistencia al ataque químico.

Las características de la destilación por membranas hacen que sea una tecnología con una aplicación satisfactoria en áreas tan diferentes como:

  • Producción de agua pura.
  • Desalación de salmuera.
  • Eliminación de tintes y tratamiento de aguas residuales de la industria textil.
  • Concentración de ácidos y sustancias corrosivas, así como separación de mezclas azeotrópicas en la industria química.
  • Concentración de zumos y procesado de leche en la industria alimentaria.

La destilación por membranas es una tecnología que cada vez es más competitiva en una amplia variedad de sectores industriales puesto que permite tratar efluentes complejos. Se trata de una técnica que, conjuntamente con la evaporación al vacío, son de las pocas tecnologías que permiten tratar efluentes salinos y salmueras sin producir si es necesario una corriente de rechazo, puesto que la separación no está limitada por el equilibrio. No obstante, la destilación por membranas aún no es una tecnología con una elevada eficiencia energética por las pérdidas de calor por conductividad de la membrana, por lo que su aplicación queda restringida a aquellas aplicaciones en las que la destilación convencional o la evaporación al vacío no son alternativas viables, como es el caso de cuando se desea concentrar ácidos o sustancias corrosivas.

Proyecto MELiSSA, la orina para conquistar Marte

marsLas agencias espaciales norteamericana (NASA), europea (ESA), rusa (FKA), japonesa (JAXA), china (CNSA) e india (ISRO) han puesto en órbita con éxito un gran número de satélites. Pero en cuanto a misiones tripuladas al espacio se refiere, sólo tienen experiencia las agencias norteamericana y rusa, y además, con un ámbito circunscrito únicamente a la exploración de la Luna y a la estación espacial internacional (ISS). La dificultad principal a la hora de realizar misiones espaciales tripuladas con destino a planetas o satélites más o menos lejanos estriba en la distancia que se debe salvar, la cual determina la cantidad de alimentos y oxígeno necesaria para la supervivencia de la tripulación durante la misión. Para abordar una misión tripulada de larga duración, por ejemplo, a Marte, la cual tendría una duración mínima de alrededor de unos 1.000 días, los suministros de la tripulación (alimentos, agua y oxígeno) pesarían unos 30.000 kg. Esta carga es demasiado pesada y excede enormemente la carga máxima de lanzamiento de los transbordadores espaciales actuales.

La viabilidad de una misión tripulada de larga duración, a Marte o a cualquier otro lugar, pasa por la formación de un ecosistema artificial cerrado que recicle la orina, las heces y el CO2 de la respiración de la tripulación, y que proporcione agua, alimentos y oxígeno.

La Agencia Europea del Espacio (ESA) lidera el proyecto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), el cual se ha concebido como una herramienta para estudiar y entender el comportamiento de los ecosistemas artificiales y para desarrollar la tecnología necesaria para futuros sistemas de soporte de vida que permitan la realización de misiones espaciales tripuladas de larga duración.

El proyecto MELiSSA se basa en la recreación de un ecosistema artificial capaz de generar oxígeno, agua y alimentos a partir del reciclaje de los residuos producidos por la tripulación de una nave espacial (residuos orgánicos, orina, heces y CO2). El concepto está basado en el funcionamiento independiente de cinco compartimentos interconectados, colonizados por bacterias termofílicas anaerobias, bacterias fotoheterotróficas, bacterias nitrificantes, bacterias fotoautótrofas y plantas superiores. Cada uno de los compartimentos tiene una función específica asignada para conseguir el objetivo global, que no es otro que el de transformar los residuos en suministros:

  • Compartimento I: en él se recogen todos los residuos producidos en el sistema (heces, orina, papel, la biomasa no comestible y la parte no comestible de las plantas). Su función es la transformación anaerobia termofílica de los residuos en amonio, ácidos grasos volátiles y minerales. La operación se lleva a cabo en condiciones termofílicas para aumentar la eficacia del proceso de degradación y para garantizar la destrucción de microorganismos potencialmente patógenos.
  • Compartimento II: los ácidos grasos volátiles producidos en el compartimento I son transformados en una fuente de carbono inorgánica en condiciones anaeróbicas mediante el crecimiento de bacterias fotoheterotróficas que utilizan la luz como fuente de energía. La biomasa generada se devuelve al compartimento I para que sea degradada.
  • Compartimento III: su función es la transformación del amonio producido en el compartimento I en nitrato, que es la fuente de nitrógeno preferida por las plantas superiores y bacterias del compartimento IV. La oxidación del amonio la realizan las bacterias Nitrosomonas europaea, y la oxidación de los nitritos las Nitrobacter winogradskyi. Ambas utilizan el CO2 como fuente de carbono. Su crecimiento es muy lento, por lo que se genera muy poca biomasa.
  • Compartimento IV: es el responsable de transformar el dióxido de carbono en oxígeno, de generar biomasa comestible que sirva para la alimentación de la tripulación y de la recuperación del agua. Todo esto se lleva a cabo mediante los dos subcompartimentos (IVa y IVb) en el que está dividido el compartimento IV.
    El subcompartimento IVa está colonizado por bacterias fotoautótrofas, Arthrospira platensis, las cuales utilizan la luz como fuente de energía, el CO2 como fuente de carbono y producen oxígeno y agua. La propia biomasa generada es comestible, por lo que sería el alimento de la tripulación. El subcompartimento IVb está formado por una selección de plantas superiores, las cuales desempeñan el mismo papel que las bacterias fotoautótrofas. No obstante, las plantas superiores permiten transformar el CO2 en oxígeno a una mayor velocidad específica que las bacterias fotoautótrofas además de que ayudan a conseguir una dieta más equilibrada para la tripulación.
  • Compartimento V: estaría formado por la tripulación, la encargada de transformar los alimentos, el agua y el oxígeno en heces, orina y CO2, cerrando así el ciclo.

En la figura se observan los cinco compartimentos distribuidos de tal forma que permiten el funcionamiento en bucle de los flujos de materia, destacando que se trata de un ecosistema artificial cerrado por lo que a la materia se refiere.

proyecto melissa

El proyecto MELiSSA está siendo desarrollado por un conglomerado internacional de universidades, centros de investigación y compañías privadas, coordinado por la ESA. Concretamente, en el proyecto participan las siguientes organizaciones: el instituto de investigación tecnológica VITO y el Centro de Estudios de Energía Nuclear SCK/CEN (ambos en Mol, Bélgica), la Universidad de Ghent (en Ghent, Bélgica), la Universitat Autònoma de Barcelona (en Barcelona, España), la Universidad Blaise Pascal (en Clermont-Ferrand, Francia), la Universidad de Guelph (en Guelph, Canadá) y SHERPA Engineering (en París, Francia).

El proyecto requiere conocimientos a un nivel multidisciplinar, por lo que en el proyecto participan expertos en genómica, proteómica, modelización, microbiología, nutrición, ingeniería de procesos, biotecnología, ingeniería de sistemas, automatización, etc., tanto desde el punto de vista académico como industrial.

La planta piloto, formada por los cinco compartimentos a escala piloto, está siendo implementada y desarrollada en la Universitat Autònoma de Barcelona. Todos los avances del proyecto en las diferentes disciplinas se integran y comprueban en la planta piloto.

La tecnología desarrollada en el proyecto MELiSSA también abre un nuevo campo de posibles soluciones en asuntos como la gestión del agua, la reutilización de los residuos y la regeneración de la atmósfera para aplicaciones sin relación alguna con las misiones al espacio. Tal vez en un futuro no muy lejano, cuando según las previsiones todas las reservas de petróleo de la Tierra se hayan acabado y el cambio climático convierta el planeta en un lugar cada vez más inhóspito, la tecnología desarrollada por MELiSSA ayude a nuestra supervivencia. Entonces no habrá que ir tan lejos para que su aplicación nos sea útil.