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Tratamiento de efluentes con PFAS

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INTRODUCCIÓN

Las sustancias denominadas PFAS, están formadas por un amplio grupo de productos químicos sumamente estables. Estos productos se han fabricado y utilizado en una gran variedad de industrias de todo el mundo desde la década de 1940.

Las PFAS se hallan en una amplia gama de productos que los consumidores utilizan diariamente como baterías de cocina, cajas de pizza y repelentes de manchas. La mayoría de los consumidores ha estado expuesta a estos compuestos durante muchos años.

Ciertas PFAS pueden acumularse y permanecer en el cuerpo humano largo tiempo. Existe evidencia de que la exposición a las PFAS puede causar efectos perjudiciales a la salud.

Los agentes químicos de PFAS más estudiados son el PFOA y el PFOS; los estudios en animales de laboratorio indican que estos agentes químicos pueden causar efectos adversos en los sistemas reproductivos e inmunitarios, así como en el desarrollo, y en órganos como el hígado y los riñones.

Ambos agentes químicos han causado tumores en los animales. Las averiguaciones más evidentes en las personas expuestas son los mayores niveles de colesterol.

En muchas industrias de cromado de los Estados Unidos, inicialmente, los PFAS se introdujeron como una solución preventiva ambiental para el cromo en los humos; pero, posteriormente, se determinó que el PFAS era dañino, tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Estudios recientes han demostrado consecuencias alarmantes a la exposición al PFAS, incluido el impacto perjudicial para el crecimiento y el aprendizaje en los niños, y mayores riesgos de cáncer

Muchas compañías renunciaron voluntariamente al uso de PFAS en 2002, y esto fue seguido globalmente por muchas compañías en 2015; desde entonces, las fábricas de protección superficial ya no usan PFAS y PFOS, pero el problema radica en las aguas superficiales y subterráneas contaminadas que necesitarán ser bombeadas y tratadas.

Para estas empresas de aguas debe cumplir con los estrictos límites de descarga de aguas pluviales y subterráneas para PFAS. Estos se aplican en todos los ámbitos, a nivel nacional en los EE. UU, así como en diferentes estados que tienen límites que, en muchos casos, son aún más estrictos.

¿Qué son las PFAS?

Las sustancias perfluoroalquiladas (PFAS) son compuestos químicamente sintetizados que consisten en una cadena alquílica hidrofóbica fluorada de longitud variable, con un grupo final hidrofílico.

Debido a este carácter anfifílico, estas sustancias presentan una gran estabilidad química y térmica, así como una elevada actividad superficial.

Por todo ello, las PFAS tienen un amplio uso en aplicaciones industriales y de consumo que incluyen revestimientos antimanchas de tejidos y moquetas, pinturas y barnices, muebles, zapatos, revestimientos lipofóbicos destinados a productos de papel aptos para el contacto con los alimentos, espumas extintoras, tensioactivos para pozos de extracción minera o petrolífera, abrillantadores de suelos y fórmulas de insecticidas.

Un subgrupo importante son los agentes tensioactivos orgánicos perfluorados, al que pertenecen los sulfonatos de perfluorooctano (PFOS) y el ácido perfluorooctanoico (PFOA)

Estructura química:

Tratamiento de efluentes con PFAS

Existen muchas otras PFAS en uso dentro de nuestra economía, como los agentes químicos GenX y los PFBS.

GenX es la marca comercial de una tecnología utilizada para fabricar fluoropolímeros de alto rendimiento (por ej., algunos revestimientos antiadherentes) sin usar ácido perfluorooctanoico (PFOA).

El ácido dímero de óxido de hexafluoropropileno (HFPO) y su sal de amonio son los agentes químicos principales asociados con la tecnología GenX.

Los agentes químicos GenX se han encontrado en el agua superficial, el agua subterránea, el agua potable, el agua de lluvia y las emisiones al aire en algunas áreas.

¿Como afectan las PFAS al medio ambiente y a la salud humana?

Los PFAS se han fabricado y utilizado en una gran variedad de industrias en todo el mundo. Los Estados Unidos los viene utilizando desde la década de 1940. 

De estos agentes químicos, el PFOA y el PFOS han sido los más producidos y estudiados. Ambos son sumamente persistentes en el medio ambiente y en el cuerpo humano; es decir, que no se degradan y pueden acumularse con el paso del tiempo.

Existe evidencia de que la exposición a los PFAS puede causar efectos perjudiciales en la salud humana. Los PFAS pueden encontrarse en:

  • Alimentos envasados en materiales que contienen PFAS, procesados con equipo que utilizó PFAS, o cultivados en tierra o con agua contaminados con PFAS.
  • Productos domésticos comerciales, como telas repelentes de manchas y agua, productos antiadherentes (como Teflon), compuestos para pulir, ceras, pinturas, productos de limpieza y espumas para combatir incendios (una importante fuente de contaminación del agua subterránea en los aeropuertos y bases militares donde se realiza el entrenamiento para combatir incendios).
  • Lugares de trabajo, como plantas de producción o industrias que utilizan PFAS., como por ej.: cromados, fabricación de productos electrónicos o recuperación de petróleo.
  • Agua potable, comúnmente localizada y asociada con una planta específica (por ej.: fabricantes, relleno sanitario, plantas de tratamiento de aguas residuales, centros de entrenamiento para bomberos).
  • Organismos vivos, como peces, animales y seres humanos, donde las PFAS pueden acumularse y persistir con el paso del tiempo.

Debido a un uso tan extendido, se han detectado los PFOS y el PFOA, sus sales y precursores, en el medio ambiente, los peces, las aves y los mamíferos.

Los PFAS se han estado fabricando durante más de 50 años en una gran variedad de productos de consumo, así como en aplicaciones agrícolas, lo que ha llevado a su dispersión por el medio ambiente, entrando en la cadena alimentaria hasta que se incluyeron en el Anexo B del Convenio de Estocolmo en 2010, quedando restringido su uso de acuerdo con una lista definida de aplicaciones.

Aunque su producción se ha limitado a nivel mundial, su liberación al medioambiente se produce principalmente por la aportación de productos tratados con PFAS, o por el desecho inapropiado de productos que los contienen.

Los PFAS suponen un riesgo sanitario. La preocupación por sus efectos adversos en la salud pública surgió tras varios estudios de experimentación en animales que indicaban que estas sustancias tenían indicios toxicológicos: hepatotoxicidad, efectos negativos en el desarrollo y en el comportamiento, inmunotoxicidad, afectación en la reproducción y en el pulmón, efectos hormonales, así como potencial genotóxico y carcinogénico, aunque no está demostrado que estos resultados tengan implicaciones para la salud humana.

Según la EFSA (European Food Safety Autority), la dieta es la principal fuente de exposición humana a las PFAS, en particular el pescado y los productos de la pesca y los productos cárnicos (hígado principalmente); pero existen otras fuentes de exposición no alimentarias, como la contaminación del aire, que también contribuyen a la exposición total, como es el caso de los PFOA.

Existen otras vías de exposición menos importantes, como el agua de proceso para PFOS y PFOA o los utensilios de cocina antiadherentes y los materiales de envasado de los alimentos (las bolsas de palomitas para microondas, por ejemplo) para el caso del PFOA.

La EFSA concluyó en 2008 que es improbable que la población media en Europa pueda sufrir efectos negativos para la salud derivados de la exposición en la dieta a estos contaminantes y que solo algunos altos consumidores de pescado podrían exceder ligeramente el valor de referencia toxicológico para PFOS.

Tratamiento de efluentes con PFAS

Algunas de las PFAS fueron consideradas durante el año 2010 en el Convenio de Estocolmo, el instrumento más ambicioso a nivel internacional para regular y controlar los COP (Contaminantes Orgánicos Persistentes), cuyo objetivo es proteger la salud humana y el medio ambiente, firmado en el año 2001.

La Unión Europea y todos sus Estados Miembros firmaron el Convenio y, para garantizar la aplicación coherente y eficaz de las obligaciones contraídas con arreglo al mismo, se estableció a nivel europeo el Reglamento 850/2004, de 29 de abril de 2004, sobre contaminantes orgánicos persistentes.  

La EFSA, en su opinión científica sobre PFAS de 2008, recomendaba recopilar más datos de estas sustancias en alimentos para poder mejorar la precisión del cálculo de exposición a través de la dieta en el futuro.

En este sentido, la Comisión Europea publicó la Recomendación 2010/161/UE con el objeto de vigilar la presencia de algunas de estas sustancias en una amplia variedad de alimentos.

En el último informe de EFSA sobre PFAS, en 2012, se recopilaron más de 54.000 resultados analíticos de PFAS procedentes de 13 países europeos (entre ellos, España) recogidos durante el periodo 2006 a 2012.

De las 27 sustancias incluidas en la evaluación de exposición, la proporción de resultados cuantificados fue muy baja, es decir, que los niveles de estos contaminantes encontrados en los alimentos fueron muy reducidos.

EFSA, como se ha dicho anteriormente, confirmó el escaso riesgo para la salud por la exposición de la población debida la presencia de estas sustancias en la dieta.

Posteriormente y debido a la gran cantidad de sustancias perfluoroalquiladas, sus precursores y las sustancias derivadas de ellos, desde EFSA se publicó en 2014 un informe científico relativo a la toxicidad oral de estos compuestos en animales y humanos, en forma de revisión sistemática de la literatura científica actual, que sin duda ayudaría a los organismos evaluadores del riesgo de estos compuestos a nivel mundial como la Subdirección General de Promoción de la Seguridad Alimentaria.

La EFSA estableció una dosis diaria tolerable (TDI) de 150 ng/kg de peso corporal para los PFOS y una TDI de 1500 ng/kg de peso corporal para PFOA, que es la cantidad máxima que puede ingerir diariamente una persona durante toda su vida sin provocar efectos adversos en la salud.

La Comisión Europea recomienda utilizar los métodos de muestreo y análisis armonizados en la UE para dioxinas y PCBS como referencia para el control de las PFAS, establecidos en el Reglamento (UE) 589/2014 de la Comisión. Los criterios de rendimiento para el método de análisis de estas sustancias están recogidos específicamente en la Recomendación 2010/161/UE.

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Tratamiento de efluentes con PFAS

Los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales son efectivos para muchos productos químicos PFAS al separarlos en los fangos, lo que representa un desafío, pues estos agentes aparecen en una amplia variedad de productos químicos, con más de 3.000 compuestos individuales.

De estos, solo 24 se miden de forma rutinaria. No es inusual que uno o más de estos compuestos tengan concentraciones más altas en un efluente tratado contenga más PFAS que en el influente a tratar.

El proceso de tratamiento permite que algunos de los miles de PFAS potencialmente presentes se transformen o degraden en uno de los que se cuantifican entre los habituales.

Una estrategia para abordar este problema de tratamiento es minimizar la cantidad de PFAS que acceden al proceso de tratamiento de la PTAR. Se han llevado a cabo investigaciones en algunos estados para identificar y abordar las fuentes de PFAS.

Una vez identificado, el procedimiento se puede aplicar a través del programa de permisos de pretratamiento industrial (IPP) para requerir a las industrias que reduzcan o eliminen estos PFAS antes de descargarlos en el sistema de alcantarillado.

Estos requisitos adicionales de pretratamiento a las fuentes industriales podrían tener consecuencias económicas para la comunidad e implicaciones operativas para la PTAR, lo que significa que esta estrategia debe ser cuidadosamente considerada y respaldada con datos de muestreo. Otra estrategia potencial es emplear tecnología de tratamiento adicional para eliminar el PFAS antes del acceso.

Hasta la fecha, los proveedores de agua potable han utilizado el carbón activado granular (GAC) y la ósmosis inversa (RO) como las estrategias de tratamiento más efectivas, pero ambas tecnologías son costosas de implementar. Estas soluciones o alguna de sus variantes también se han probado en el tratamiento de aguas residuales.

Es evidente que estas técnicas aún dejarán a la empresa de servicios públicos con el problema de la eliminación de material contaminado, pues únicamente constituyen técnicas separativas. También existen técnicas destructivas, como la oxidación electroquímica y la incineración, que descomponen la estructura química del PFAS; sin embargo, la mayoría de estos métodos se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo, en una fase de prueba piloto a pequeña escala, y en el caso de incineración, tienen un costo prohibitivo.

Presencia en los lodos de las aguas residuales

Se han encontrado PFAS en lodos biológicos de aguas residuales y gran parte de estos lodos se procesan y aplican en terrenos con destino agrícola. La aplicación a la tierra es mutuamente beneficiosa: la PTAR tiene un método rentable para eliminar los fangos, mientras que el agricultor enriquece su suelo con nutrientes; sin embargo, la aplicación de lodos municipales a la tierra puede ser una fuente potencial de contaminación por PFAS en los acuíferos a través de la percolación de estos campos, de acuerdo con algunas investigaciones realizadas.

Aunque actualmente no hay normas que regulen los niveles de PFAS en los fangos biológicos. La mayoría de los países están adoptando controles en los lodos procedentes de depuradoras, comenzando con la recopilación de datos sobre PFAS en biosólidos (Michigan y Maine, por ejemplo).

Como se señaló anteriormente, el Plan de Acción de USEPA y el proyecto de ley de la Cámara de Representantes incluyen planes para clasificar el PFAS como sustancias peligrosas.

Esta acción podría afectar en gran medida la capacidad de eliminar de manera rentable los biosólidos que contienen PFAS mediante la aplicación en tierra.

Tanto la Asociación Nacional de Agencias de Agua Limpia (NACWA), como la Water Environment Federation (WEF) y la Water Research Foundation (WRF), están investigando activamente el tratamiento de PFAS en aguas residuales y caracterizando el riesgo potencial para la salud humana de estos fangos utilizados como abonos para la agricultura.

Protección de los suministros de agua potable

Las aguas naturales superficiales a menudo se utilizan como fuentes de abastecimiento público de agua. El efluente de la EDAR que contiene altos niveles de PFAS que se descargan aguas arriba de una toma de agua potable puede representar una amenaza para los consumidores aguas abajo.

La eliminación efectiva de PFAS en el agua potable requiere las mismas costosas tecnologías utilizadas para eliminarlos de las aguas residuales, utilizando la misma estrategia de limitar las descargas a la PTAR mediante el control en la entrada. también se puede implementar una medida adicional de protección para los suministros públicos de agua potable limitando los PFAS en las descargas aguas arriba.

En la misma línea se puede emplear un mecanismo similar, a través de un programa de protección en la boca del pozo, para proporcionar una mejor protección de los suministros públicos de agua subterránea.

Opciones de tratamiento existentes para aguas contaminadas con PFAS

El tratamiento del agua contaminada con PFAS antes de la descarga a las fuentes receptoras reducirá su acumulación en los sistemas de agua. Los métodos de eliminación de PFAS industrializados actualmente para las aguas contaminadas se basan en tecnologías de adsorción física, como el carbón activado granular (GAC) y las resinas de intercambio iónico (IX); y en filtraciones con membranas semipermeables de alta presión, tales como nanofiltración (NF) u ósmosis inversa (RO).

Aunque se está trabajando en técnicas avanzadas de oxidación, estas aún no son comerciales y podrían tener un precio muy alto de energía. La selección de un método de tratamiento apropiado requiere consideraciones cuidadosas basadas en la química específica del agua, la eliminación de contaminantes y la calidad requerida del agua tratada.

En el tratamiento de aguas residuales industriales, la composición de las aguas residuales es más compleja que la del agua potable e incluye a otros contaminantes además de PFAS. Las características de estos contaminantes afectarán a la selección del método a utilizar, el tamaño del sistema de tratamiento y los costos de explotación. Por ejemplo, el lixiviado de los vertederos tiene contaminantes orgánicos, inorgánicos y volátiles, además de PFAS, que requieren eliminación.

Cada una de estas tecnologías de tratamiento tiene sus ventajas e inconvenientes, entre los que mencionamos:

Carbón activado granular (GAC)

Ventajas

  • Reduce el nivel de PFAS a ng / L en el agua potable.
  • Es efectivo para la eliminación de PFAS de cadena larga.

Inconvenientes

  • Fugas de PFAS de cadena corta, en particular y reemplazo frecuente de las cargas de GAC de los filtros.
  • No es rentable para aguas que contienen otros compuestos orgánicos ya que el GAC no es selectivo y se saturará parcialmente con ellos.
  • No elimina los compuestos inorgánicos.
  • El GAC es un consumible muy costoso por el propio coste del material, la mano de obra para su carga y descarga y el coste energético para su regeneración térmica.

Resinas de intercambio iónico

Ventajas

  • Efectivas para la eliminación de PFAS aniónicos y de cadena larga a nivel ng / L.
  • Mayor capacidad de adsorción y cinética de reacción significativamente más rápida en comparación con GAC.

Inconvenientes

  • No son efectivas para aguas residuales que contienen altos niveles de TDS y / o materia orgánica natural.
  • Menos afinidad por el PFAS de cadena corta.
  • Se requiere incineración o regeneración de resina de intercambio iónico.

Nanofiltración y ósmosis inversa

Ventajas

  • Efectivas tanto para PFAS de cadena corta como de cadena larga.
  • Capaz de y tratar todo tipo de agua contaminada con PFAS.
  • Alto caudal de carga.
  • Se puede asociar con un pozo de eliminación (común en América del Norte) para eliminar permanentemente las salmueras de PFAS.

Inconvenientes

  • Posible ensuciamiento de la membrana al tratar compuestos inorgánicos.
  • Gestión de salmuera concentrada, que se puede conseguir mediante un alto rendimiento de recuperación para minimizar el volumen de la salmuera separada, controlando que no se genere precipitación e incrustación.

Un proceso de eliminación de PFAS puede integrar múltiples tecnologías, por ejemplo, un proceso de ósmosis inversa aguas arriba con un alto caudal de carga seguido de un paso de pulido aguas abajo de GAC o resina IX para cumplir con los estrictos requisitos de calidad del agua.

Otras tecnologías para el tratamiento de aguas residuales con PFAS

Las tecnologías de separación física (GAC, resina IX, NF o RO) no destruyen el PFAS, sino que solo las separan del agua contaminada en los materiales adsorbentes o en una salmuera concentrada. La eliminación de absorbentes contaminados con PFAS o salmuera concentrada con PFAS puede plantear una contaminación secundaria.

Las tecnologías para la degradación permanente de PFAS se basan en la incineración de alta energía u oxidaciones avanzadas, incluida la oxidación electroquímica, el tratamiento térmico con microondas, la degradación fotolítica, la pirólisis y la sonoquímica. Estas vías de degradación extremas de PFAS son muy costosas, especialmente cuando el volumen y el caudal de las aguas residuales de PFAS son grandes.

Lo ideal es usar otras tecnologías relativamente rentables para reducir primero el volumen de aguas residuales con PFAS, y luego concentrar los PFAS hasta su concentración más alta permitida junto con la eliminación de contaminantes. Las aguas residuales altamente concentradas de PFAS pueden ser transportadas a un pozo para su almacenamiento bajo tierra, o someterse a su destrucción final por degradación especializada en PFAS.

Los nuevos avances en tecnologías de desalinización (ósmosis inversa de presión ultra elevada, descarga mínima de líquido (MLD) y descarga cero de líquido (ZLD) con un sistema evapo – cristalizador de los que dispone Condorchem Envitech.

El proceso Extreme Reverse Osmosis pueden ayudar a reducir económicamente el volumen de aguas residuales con PFAS y concentrarlas en un nivel que antes era inalcanzable.

La evaporación a vacío: Una solución para el tratamiento de las PFAS

Una empresa de revestimiento industrial con sede en Michigan (EE. UU.) tuvo un problema con los PFAS en su proceso de aguas residuales y las aguas subterráneas no tratadas Esta fábrica utilizó la tecnología DCP de cromado diamante desde los años 50.

Dentro de su proceso, los tensioactivos con PFAS formaban una capa flotante en las cubas de cromado y se empleaban para suprimir las emisiones gaseosas de cromo hexavalente, compuestos orgánicos volátiles y otros contaminantes, que luego eran arrastrados a los baños de enjuague y a los sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial y de ahí se filtraban a los acuíferos subterráneos.

El caudal del efluente a tratar fue de 6000 galones por día, y el objetivo del tratamiento consistía en lograr una descarga a vertido cero, a la vez que se obtenía un condensado de calidad suficiente como para ser reutilizada en el proceso industrial. Condorchem Envitech, recomendó un proceso basado en la evaporación a vacío, utilizando un equipo evaporador Envidest MVBR FF de película descendente y circulación forzada, mediante compresión mecánica de vapor.

Esta tecnología optimiza el intercambio de calor con el que se consigue un importante ahorro en el consumo de energía. El proceso también permite la descarga automática y el sistema de vacío del evaporador con limpieza automática dentro del propio evaporador.

Tratamiento de efluentes con PFAS

Los sistemas de evaporación pueden integrarse como parte de una solución completa para eliminar estos contaminantes y concentrados, al tiempo que se recupera agua limpia para reutilizar y garantiza que las empresas cumplen con estas estrictas regulaciones ambientales.

Condorchem Envitech es una empresa de ingeniería ambiental con más de 25 años de experiencia en la industria del agua, en particular, especializada en tecnologías de concentración para tratar las corrientes de aguas residuales más difíciles.

Uno de los principales beneficios de los equipos de Condorchem es el hecho de que, como cada aplicación es diferente, CE tiene completa flexibilidad con su estudio y diseño. La idea es proporcionar una solución completa para cada problema de efluentes.

Para los diseños de Condorchem se tienen en cuenta cuestiones como el espacio interno para la aplicación, días de funcionamiento, el caudal y la variedad de vertidos a tratar.

Condorchem Envitech tiene más de 400 proyectos en todo el mundo, más de 200 logran la descarga cero de líquidos. El objetivo es siempre dar la mejor solución técnica al precio más ajustado, con la mejor calidad en sus equipos.

Resumen

Las PFAS se han usado desde los años 50. La producción de PFOS se inició en 1948, y hasta el año 2000 este compuesto se ha estado utilizando en grandes cantidades, tanto para generar líquidos inertes de baja tensión superficial, como para superficies sólidas con propiedades específicas.

Estas sustancias son muy resistentes a la degradación y por ello útiles en procesos en los que se utilizan altas temperaturas o que están en contacto con bases o ácidos fuertes. Pero es debido a esta resistencia por lo que se han acumulado a lo largo del tiempo y son causa de una alta peligrosidad tanto a nivel medioambiental como para los seres humanos.

Se llevaron a cabo estudios con animales que demostraron que es un contaminante global, persistente y acumulativo, cuyos niveles puedes ser preocupantes en un futuro próximo. Esto generó una gran alerta en la comunidad y puso en alerta a las diferentes agencias reguladoras.

A las tradicionales soluciones económicamente viables de la separación de las PFAS con membranas de osmosis inversa (RO), adsorción en carbón activo granular (GAC) y separación con resinas de intercambio iónico (IX), se han unido otras como la evaporación a vacío, que permiten concentrar más los residuos de estos contaminantes, a unos costes de implementación y explotación competitivos.

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Referencias bibliográficas e información en Internet

https://espanol.epa.gov/espanol/informacion-basica-sobre-pfas

http://www.newmoa.org/events/docs/241_213/CrimiPFASWebinarDec2106.pdf

https://www.tekcrispy.com/2018/10/10/solucion-tratar-aguas-pfas/

https://es.wikipedia.org/wiki/Sustancias_perfluoroalquiladas

Tratamiento de efluentes con boro en sistemas de desalación de agua

Secciones

Introducción

El boro es un metaloide que se combina fácilmente en distintas formas debido a tener tres electrones libres en el último orbital, que le dan un carácter muy reactivo. Los compuestos de boro (del árabe buraq y este del persa burah) se conocen desde hace miles de años. En el antiguo Egipto, la momificación dependía del natrón, un mineral que contenía boratos y otras sales comunes.

En China se usaban ya cristales de bórax hacia el 300 a. C., y en la antigua Roma se utilizaban compuestos de boro en la fabricación de cristal. A partir del siglo VIII los boratos fueron usados en procesos de refinería de oro y plata.

En 1808 Humphry Davy, Gay-Lussac y L. J. Thenard obtuvieron boro con una pureza aproximada del 50% , aunque ninguno de ellos reconoció la sustancia como un nuevo elemento, cosa que haría Jöns Jacob Berzelius en 1824.

El boro puro fue producido por primera vez por el químico estadounidense W. Weintraub en 1909.

La importancia de los productos del boro se ve reflejada en la gran variedad de aplicaciones que poseen. Los principales usos de los boratos y compuestos de boro son: en la industria de esmaltes y cerámicas (sanitarios, vajillas, cerámicos, azulejos), industria del vidrio, cristales y fibras de vidrio, vidrios Pyrex para utensilios, lámparas y focos, detergentes y blanqueadores, retardadores del fuego, abrasivos, cosméticos, en la preservación de la madera, en capacitares, aleaciones, catálisis, caucho (ignífugo), cemento (disminuye la velocidad de fraguado), combustible (borano para aviones y cohetes), curtiembres (evita putrefacción), farmacia (antiséptico suave), pinturas (fungicida), aplicaciones nucleares, en óptica, etc. Además de estos usos industriales, el boro es uno de los 7 micronutrientes esenciales para las plantas, por lo que la dosificación del boro como fertilizante adquiere suma importancia.

El borofeno es uno de los materiales de moda. Hace unos 5-6 años, el grafeno parecía acaparar el interés mundial a nivel de materiales punteros para el desarrollo tecnológico pero actualmente el borofeno se postula como un gran candidato a quitarle el puesto, sobre todo en materia de nanotecnología.

El boro en la corteza terrestre

La concentración estimada del boro en la corteza terrestre es de 10 ppm, y su masa de 2,4 × 1017 kg.

Actualmente se sabe que el boro es mucho más abundante en rocas sedimentarias (300 ppm) que en rocas ígneas (3ppm), esta diferencia es consecuencia de cuatro características: el boro es sublimable, la no preferencia del boro por las fases fundidas (elemento incompatible), su alta movilidad en la fase acuosa y su fuerte afinidad por minerales arcillosos (elemento litófilo).

El boro llega a la corteza terrestre a través de diferentes vías, y éstas son la precipitación atmosférica, que contiene pequeñas cantidades de boro en disolución; y el vulcanismo y la actividad geológica análoga, que liberan roca fundida con concentraciones variables de boro.

También hay flujos del océano a la corteza oceánica en forma de sedimentación y diagénesis. Las vías de salida del boro curtical son la erosión y los procesos de subducción de placas.

El boro tiende a concentrarse en las fases residuales de la parte fundida, los elementos que componen la masa de magma solidifican en función de su punto de fusión y de su compatibilidad con la fase sólida, de esta forma, en los sucesivos estadios de la solidificación, la concentración de los elementos incompatibles (entre ellos el boro) va aumentando en el magma, hasta que finalmente tenemos un líquido formado por elementos incompatibles que acaban solidificándose.

Estos depósitos de elementos incompatibles son los que conocemos por el nombre de pegmatitas. Obedeciendo a este hecho las concentraciones del boro son relativamente bajas en basaltos (6-0,1 ppm) y más altas en rocas más cristalizadas como el granito (85 ppm) aunque también se encuentran altas concentraciones de boro en granitos derivados de rocas sedimentarias ricas en boro. Las pegmatitas pueden contener concentraciones de boro de 1360 ppm.

Durante el deterioro de rocas submarinas, las rocas ígneas se degradan y forman minerales arcillosos que adsorben boro del agua marina, de esta forma se enriquece en boro la masa de roca.

Los basaltos de las islas magmáticas tienden a estar enriquecidos en boro; este enriquecimiento se atribuye a la deshidratación de los bloques rocosos subducidos, ricos en boro adsorbido por minerales arcillosos.

Las fracciones ricas en boro toman parte en el proceso de fusión y las rocas volcánicas resultantes (andesitas y dioritas) están consecuentemente enriquecidas en boro. Minerales arcillosos (tales como ilitas, esmectitas y montmorillonitas) incorporan boro del agua tanto por adsorción como en forma de elemento de sustitución en la estructura.

Las rocas sedimentarias de los océanos tienden a contener más boro que las rocas sedimentarias fluviales ya que el agua marina contiene mayor concentración de boro que las aguas continentales.

El boro es adsorbido sólo a temperaturas inferiores a 40 °C, a más altas temperaturas (>150 °C) puede ser liberado del mineral, por ello, durante el metamorfismo de rocas sedimentarias mucho del boro adsorbido es liberado en el agua, y si se incrementa aún más el metamorfismo el boro como elemento sustituyente es también liberado, por lo tanto los sedimentos metamórficos tienden a contener concentraciones de boro ampliamente menores que las equivalentes rocas sedimentarias.

Los minerales principales en los que encontramos boro son en su mayoría rocas evaporíticas, como el bórax, altamente soluble en agua; la colemanita; la kernita (una forma parcialmente deshidratada del bórax) y la ulexita.

También existen importantes minerales del boro en forma de yacimientos de rocas ígneas, la datolita, el chorlo y la elbanita, estos minerales se clasifican en el grupo de los boratos (sales inorgánicas compuestas por boro y otros iones), exceptuando los dos últimos minerales mencionados, los cuales pertenecen al grupo de las turmalinas, que aparecen especialmente en filones del tipo pegmatítico.

El boro en la hidrosfera

El boro se encuentra en el agua marina en concentraciones estimadas en 4,6 ppm y en una masa de 5,4 × 1015 kg.

Lo hace como componente de dos moléculas hidratadas; el B(OH)3 trigonal y el B(OH)4- tetraédrico.

La proporción de las dos formas depende del pH del agua de mar y el equilibrio entre las concentraciones de las dos formas se encuentra en pH de 8,7-8,8, en medios más básicos predomina la forma tetraédrica y en medios más ácidos la trigonal.

Debido al gran tiempo de residencia del boro en el agua de mar (25 millones de años), las concentraciones de B(OH)3 y B(OH)4- no varían significativamente en los distintos océanos.

El boro llega a la hidrosfera desde los continentes mediante el ciclo del agua y por procesos de erosión de rocas, y desde la corteza oceánica por circulación hidrotermal, además también procede de la precipitación atmosférica.

El boro en la atmósfera

La atmósfera contiene unos 2,7 × 108 kg de boro. Este se encuentra en la troposfera en estado gaseoso en un 97%; el 3% restante se encuentra en estado sólido en forma de partículas.

Los tiempos de residencia que se consideran para el boro troposférico en su forma gaseosa son de 19 a 36 días, para el boro particulado son de 2 a 6 días. Debido a estos tiempos de residencia tan bajos las concentraciones de boro son variables en distintos puntos de la atmósfera.

El boro llega a la atmósfera a través de la evaporación del agua marina, entonces puede volver a los océanos o a los continentes por precipitación.

El boro en las plantas

Para las plantas el boro es un nutriente esencial. Parece tener un papel fundamental en el mantenimiento de la estructura de la pared celular (mediante formación de grupos cis-diol) y de las membranas.

Es un elemento poco móvil en el floema, por ello los síntomas de deficiencia suelen aparecer en las hojas jóvenes y los de toxicidad en las hojas maduras.

Un exceso de boro es perjudicial para algunas plantas poco tolerantes a este elemento, pudiendo actuar en sus nervaduras debilitándolas. En los manzanos y perales la deficiencia de boro se manifiesta en los frutos como una malformación interna.

Características del boro

Las principales características físicas y químicas del boro son las siguientes:

Nombre, símbolo, númeroBoro, B, 5
Serie químicaMetaloides
Grupo, período, bloque13, 2, p
Masa atómica10,811(7) u
Configuración electrónica[He]2s22p1
Dureza Mohs9,5
Electrones por nivel2, 3
Radio medio85 pm
Electronegatividad2,04 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc)87 pm (radio de Bohr)
Radio covalente82 pm
Estado(s) de oxidación  3 (levemente ácido)
Estado ordinarioSólido (no magnético)
Densidad2460 kg/m3
Punto de fusión2349 K (2076 ℃)
Punto de ebullición4200 K (3927 ℃)

El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular. La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas:

  • Unión de dos icosaedros por dos vértices, mediante enlaces covalentes normales B – B
  • Unión de tres icosaedros por tres vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones.

Dentro de estas posibles uniones, en el boro cristalino los icosaedros pueden asociarse de varias maneras para originar los alótropos correspondientes:

  • Boro tetragonal (T – 50): formado por 50 átomos de boro por celdilla unidad, que son cuatro unidades icosaédricas unidas entre sí por algunos enlaces B – B y de dos boros elementales que actúan como unión tetraédrica entre icosaedros. Posee una densidad de 2,31 g/cm3.
  • Boro romboédrico alfa (R – 12): está formado por láminas de icosaedros unidas paralelamente. Las uniones intralaminares se efectúan por medio de enlaces de tres centros, mientras que las uniones interlaminares se producen mediante enlaces de dos centros. La densidad de este tipo de boro es de 2,46 g/cm3, y presenta un color rojo claro.
  • Boro romboédrico beta (R – 105): formado por doce icosaedros B12 ordenados en forma icosaédrica en torno a una unidad central de B12, es decir, B12(B12)12. Presenta una densidad de 2,35 g/cm3.

Isótopos del boro

En la naturaleza se encuentran dos isótopos de boro, 11B (80,1%) y 10B (19,9%).

Los resultados de sus masas se diferencian en una amplia gama de valores que se definen como la diferencia entre las fracciones 11B y 10B y tradicionalmente expresada en partes por mil, en aguas naturales que van desde -16 hasta 59.

Existen 13 isótopos conocidos de boro, el isótopo de más corta duración es 7B que se descompone a través de emisión de protones y la desintegración alfa.

Tiene una vida media de 3.5×10−22s. El fraccionamiento isotópico del boro es controlado por las reacciones de cambio de los compuestos especiales B(OH)3 y B(OH)4.

Los isótopos de boro también se fraccionan durante la cristalización de minerales, durante los cambios de fase de H2O en sistemas hidrotermales, y durante la alteración hidrotermal de rocas.

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Principales productores mundiales

El boro origina diversos compuestos, desde óxidos simples a estructuras muy complejas de tipo polimérico.

Entre ellos se encuentran los óxidos denominados boratos. Los yacimientos de boratos de importancia comercial se localizan solamente en un reducido número de regiones geográficas en el mundo: Anatolia (Turquía), California y Nevada (suroeste de Estados Unidos), la Puna Sudamericana (sur de Perú, suroeste de Bolivia, norte de Chile y noroeste de Argentina), Inder (Rusia) y Asia Central (China y Rusia).

La Puna Sudamericana posee las terceras reservas mundiales de boratos, después de Turquía y la costa oeste de Estados Unidos.

Los yacimientos de la Puna Sudamericana producen preferentemente ulexita, tincal, colemanita e hidroboracita. Estos constituyen el mineral útil, de valor comercial, que se encuentra mezclado con otros materiales sin valor que constituyen la ganga, de los cuales debe ser separado.

La ulexita es un borato de sodio y calcio, poco soluble en agua fría, acompañado por ganga constituida por arenas, arcillas, yeso, calcita, todo impregnado en una salmuera compuesta principalmente por cloruros y sulfatos de sodio. Los boratos conocidos como “duros” (tincal, colemanita e hidroboracita) poseen ganga constituida por rocas (calcita, dragonita, arcilla, tobas, tufitas) e impurezas de hierro.

El tincal es un borato de sodio, soluble en agua, propiedad que se utiliza para separarlo de la ganga insoluble, y obtener posteriormente bórax mediante cristalización por enfriamiento. La colemanita es un borato de calcio con cinco moléculas de agua en su estructura y la hidroboracita es un borato de calcio y magnesio con seis moléculas de agua. Ambas tienen como impurezas principales hierro y arsénico.

Impacto del boro en el medio ambiente

Ni el boro ni los boratos son tóxicos para los seres humanos y animales. La DL50 para los animales es de unos 6 g por kg de peso corporal. Las sustancias con LD50 por encima de 2g se considera no tóxico.

La dosis mínima letal para los seres humanos no ha sido establecida, pero un consumo de 4 g/día se reportó sin incidentes, y las dosis clínicas de 20 g de ácido bórico para la terapia por captura de neutrones no causó problemas.

Algunos peces han sobrevivido durante 30 minutos en una solución saturada de ácido bórico y pueden sobrevivir más tiempo en soluciones de bórax. Los boratos son más tóxicos para los insectos que en los mamíferos.

El borano y algunos compuestos gaseosos similares son muy venenosos. No es un elemento que es intrínsecamente venenoso, pero su toxicidad depende de la estructura.

Los boranos (compuestos de boro de hidrógeno) son tóxicos, así como fácilmente inflamables y requieren cuidados especiales durante su manipulación. El borohidruro de sodio presenta un peligro de incendio debido a su carácter reductor, y la liberación de hidrógeno en contacto con el ácido. Los haluros de boro son corrosivos. ​

El boro en la salud humana

Científicamente no se ha demostrado que el boro sea una sustancia considerada esencial en la dieta humana o que sea un requerimiento dietario en vertebrados e invertebrados, o al menos de la misma importancia que ocupa en los vegetales.

El cuerpo humano contiene al menos 0.7 mg por kilo de peso de Boro obtenido del consumo de agua y vegetales. Un humano consume en su ingesta diaria unos 0.8 a 2.5 mg de boro por kilo de peso sin que se manifieste algún síntoma por esto.

Dietas forzadas de 5 g al día pueden causar náuseas, diarrea y vómitos; algunos autores sugieren que 20 g al día de boro puede ser mortal en organismos sensibles, pero no se ha comprobado.

Otras bibliografías parecen asociar la aparición de artritis por la ingesta de este elemento y  otras publicaciones estiman que este elemento debe ser considerado a nivel de elemento esencial para el metabolismo de calcio, cobre, magnesio y la fijación de nitrógeno.

El boro puede ser tóxico para los vegetales, incluso con niveles bajos de concentración. Una concentración de boro inferior a 1 mg/l es esencial para el desarrollo de las plantas. La mayoría de las plantas muestran problemas de toxicidad cuando la concentración de boro excede los 2 mg/l.

La Organización Mundial de la Salud recomienda una concentración de boro en agua potable inferior a 0.5 mg/l. Los estándares de la UE requieren un nivel de boro inferior a 1 mg/l.

Tratamiento de efluentes con boro

El boro, debido a su naturaleza, no es fácil de eliminar de las matrices acuosas. Las técnicas clásicas de coagulación, sedimentación y aún por osmosis inversa no son satisfactorias.

Algunas experiencias han señalado que la aplicación de sistemas de resinas de intercambio iónico en conjunto con zeolitas y carbón activado son mucho más prometedoras como formas de reducir dicho elemento.

Tabla de tratamientos habituales de efluentes con boro

MétodoConcentración inicial boroEficaciaProcesoAplicación industrialCostes relativos
Precipitación alcalinaAltaBajaDiscontinuoBajaMuy bajos
Adsorción Me(OH)xAltaMuy altaDiscontinuoAltaBajos
Adsorción sobre arcillaAltaMuy altaDiscontinuoMediaBajos
Intercambio iónicoBajaMuy altaContinuo (regeneración)AltaAltos
ExtracciónBajaAltaContinuoBajaAltos
Ósmosis inversaBajaAltaContinuo (limpieza)AltaAltos
ElectrodiálisisBajaAltaContinuoBajaAltos
EvaporaciónAltaAltaContinuoMediaAltos

Las soluciones más utilizadas son: Ósmosis inversa, Intercambio iónico y el tratamiento de los efluentes con Evaporación.

La desalación por ósmosis inversa

La cantidad de boro en el agua de mar varía de 4 a 5.5 mg/L, proporcional a la salinidad. Proviene principalmente de la descarga de las plantas de tratamiento de agua residuales, en donde se comienza a utilizar jabones y detergentes, así como de los fertilizantes agrícolas.

El boro está presente en el agua como ácido bórico H3BO3 y borato H3BO2-. La especie de boro predominante depende del pH del agua.

El valor pKa de H3BO3/H3BO2- es 9.2, por lo tanto, el equilibrio Está normalmente desplazado a la izquierda, ya que el valor de pH estándar del agua de mar es 8.

  H3BO3 => H3BO2+ H

boro-1

Las membranas de ósmosis inversa son muy eficientes en la eliminación de especies cargadas como el ion borato, en lugar de moléculas neutras como el ácido bórico.

Las tasas típicas de eliminación de boro a pH 8 son entre 73 y 90% para membranas estándar de ósmosis inversa de agua de mar de alto rechazo, dependiendo de la temperatura del agua. Algunas membranas especiales de alta eliminación de boro pueden alcanzar valores de hasta 95%.

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Normalmente el agua de mar de alta salinidad tiene alto contenido en boro y se encuentran en áreas con clima muy cálido, como el Golfo Persa, el Mar Rojo, el Mar Mediterráneo oriental y el Mar Caribe.

A 30 °C, la eliminación de boro se reduce al 78%, dejando 1.15 mg/l en la corriente de permeado del Paso-1. Por lo tanto, es necesario un proceso específico de eliminación de boro para alcanzar los 0.5 mg/l exigidos por la OMS.

Eliminación del boro del agua desalinizada

Existen dos procesos principales para producir agua potable con menos de 0.5 mg/L de boro, dependiendo de la salinidad del agua, la concentración de boro y la temperatura.

Proceso A: SWRO de 2 pasos:

En el paso-2 de ósmosis inversa se añade sosa caustica para subir el pH a 9.5. Parte del permeado del paso-1 puede ser bypaseado para mantener cierta cantidad de minerales en el agua. El segundo paso puede estar compuesto por membranas de agua de mar de baja energía si la temperatura y salinidad son elevadas o membranas de alto rechazo de agua salobre en caso de condiciones menos severas.

Proceso B: SWRO+ IX:

Se añade una resina de intercambio iónico con o sin bypass, dependiendo de la concentración de boro residual necesaria. La resina, que debe ser selectiva para el cloro, se regenera in-situ con sosa caustica y ácido clorhídrico. Para que la producción sea de forma continua, es necesario un sistema de doble columna.

boro-3

El sistema de tratamiento de eliminación de boro por ion selectivo permite eliminar de cualquier agua, el exceso de este elemento, que, en determinados cultivos (fundamentalmente frutales de hueso o de pepita), su alta concentración puede llegar a ser tóxica o dañina para la plantación.

Esta toxicidad puede tener mayor incidencia, cuando se utilizan aguas residuales para el riego, o subterráneas contaminadas por estas últimas.

El influente atraviesa la resina de intercambio iónico, especialmente diseñada para la eliminación del boro en soluciones acuosas, con lo que a la salida se obtiene un agua con una reducción de boro del 90%.

La capacidad de intercambio está limitada y cuando la resina ha llegado a su agotamiento se efectúa su regeneración.

La regeneración de las resinas está totalmente automatizada y se efectúa mediante el paso de una determinada concentración de ácido a través del lecho de resinas, eliminando de estas el boro retenido, posibilitando el almacenaje de la solución acuosa de la regeneración, de forma que se pueda gestionar como residuo posteriormente.

Los efluentes ricos en boro procedentes de las resinas o membranas de osmosis inversa se pueden concentrar hasta valores que permitan su recuperación, mediante técnicas de evaporación a vacío. Condorchem – Envitech tiene capacidad para ofrecer soluciones integrales para esta aplicación.

Resumen

El boro es un elemento químico muy reactivo que aparece en la naturaleza combinado en diversas formas. Tiene múltiples aplicaciones industriales y un futuro importante en base a la aparición del borofeno, como sucesor del grafeno, cuyas propiedades lo hacen firme candidato para aplicaciones nanotecnológicas.

Pese a ser necesario para la vida de las plantas, y ser bien tolerado por los seres humanos y los animales, existen límites que no deben superarse para que no resulte nocivo.

Una de las soluciones técnicas que se viene utilizando desde hace muchos años para combatir la sequía, es la desalación por ósmosis inversa, pero el concentrado es rico en este elemento y además el agua desalada se suele quedar por encima de las 0,5 ppm establecidas como límite máximo por la OMS, lo que requiere de tratameintos complementarios que separan más boro.

Así las opciones consisten en hacer pasar el permeado por un segundo paso de ósmosis inversa, o bien por un lecho de resinas específicas. En el caso de las resinas se elimina la práctica totalidad del boro presente.

En ambos casos queda un concentrado que podrá ser recuperado previa concentración en un sistema de evaporación a vacío, en que Condorchem, – Envitec tiene probada experiencia.

Referencias bibliográficas y en Internet

https://agricultura-espanol.borax.com/resources/agronomy-notes/boron-in-plant-nutrition/boron-in-flowering-fruit-nut-seed-formation

http://oa.upm.es/155/1/05200006.pdf

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/13838/1/Tesis_Chillon.pdfçç

Vertido cero mediante evaporación al vacío más ósmosis inversa de última generación

Secciones

INTRODUCCIÓN

Durante la segunda parte del siglo pasado, la ósmosis inversa se impuso como técnica para desalación del agua, tanto para potabilizarla como para usos industriales:

En un principio, las membranas de ósmosis inversa eran muy sensibles al ensuciamiento, y se hidrolizaban ( membranas de acetato de celulosa), posteriormente , con las membranas de poliamida se hizo un avance importante al trabajar a presiones más bajas y obtenerse mejores calidades de agua, pero, aun así, las conversiones obtenibles difícilmente superaban el 75 % en un solo paso, y trabajando en dos pasos era arriesgado superar el 85 %, debido a los problemas de polarización y precipitación de sales.

Desde entonces, se ha investigado en factores como la polaridad, los materiales, tipos y disposición de los separadores y las colas utilizadas como adhesivos, de tal forma, que se han conseguido membranas resistentes al ensuciamiento (fouling), operables a elevadas temperaturas, y a valores extremos de pH y moderada concentración de oxidantes.

Recientemente, se han desarrollado varios tipos de membranas que además de resistir más a los cambios de pH, y presentar una mayor resistencia al ensuciamiento, pueden trabajar a presiones muy altas, lo que permite operar con concentraciones salinas muy elevadas.

Existen factores como la fuerza iónica de las disoluciones y la necesidad de tiempo de permanencia para la generación de gérmenes de precipitación y cristalización de las sales, que ha permitido llegar hasta rendimientos de permeado superiores al 95 %, dependiendo de la salinidad y del tipo de agua a tratar.

OBJETIVO: EL VERTIDO CERO

Los rechazos de las plantas de ósmosis inversa siempre han representado un problema por su elevada salinidad, y se hace difícil poderlos verter. Únicamente los puntos cercanos al mar disponen de este posible destino para su vertido, y dentro de un marco regulador exigente.

Así, la mejor opción desde el punto de vista medioambiental es el vertido cero, no obstante y aunque se podía reducir el volumen de efluente hasta un 15 % del agua bruta ( conversión 85%), el caudal resultante seguía siendo elevado como para pensar en un proceso evaporativo, por su importante coste de instalación y de energía; además, en muchos casos se requiere ir a varias etapas de evaporación para llevar a unas concentraciones que hagan que el concentrado se puede considerar como un residuo exportable a vertedero ( Concentración > 30%)

La búsqueda de las mejores tecnologías disponibles ha permitido el desarrollo de las membranas de ósmosis inversa (p.ej. membranas Fortilife), y hace sensiblemente y más viable el aproximamiento al ideal vertido cero, ya resulta un caudal de concentrado del orden del 5 % del de aporte.

Con un factor de concentración sensiblemente más elevado (Fc >20). En estas condiciones, se hacen más factibles, tanto técnica como económicamente, los sistemas de reducción de volumen y aumento de concentración de los efluentes residuales hasta el punto de hacerlos sólidos, lo que se consigue con técnicas de evaporación a vacío con bajo consumo energético, en las que Condorchem Envitech tiene probada experiencia.

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CARACTERÍSTICAS DE LAS MEMBRANAS FORTILIFE

Se está haciendo un esfuerzo en la diversificación del tipo de membranas de ósmosis inversa a utilizar, dependiendo de la aplicación a que se destinan. A continuación, se exponen las características básicas de las membranas del tipo Fortilife:

Membranas CR 100

Es un tipo de membranas pensada para aguas con restos orgánicos y contenido en solidos en suspensión relativamente altos, como por ejemplo tratamientos terciarios de depuradoras de aguas residuales, o para aguas superficiales (ríos, pantanos, lagos) con un elevado SDI por su contenido coloidal y cargas orgánicas en suspensión.

Estas membranas se ensucian menos que las convencionales (aprox. 50%), por lo que su frecuencia de lavado también es menor, y se recuperan mejor con las limpiezas, según se observa en las tablas siguientes:

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verti-osmo-2

Las membranas CR 100, no están pensadas para trabajar con salinidades altas (TDS < 15 g/l), pues no soportan más de 41 bar de presión, y tienen un buen rechazo de sales, por lo que son idóneas para utilizar en el primer paso de la línea de tratamiento.

Membranas XC 70 / XC 80

Estas membranas, además de ser resistentes al ensuciamiento, y tener un elevado rechazo de sales, pueden soportar presiones de hasta 83 bar, por lo tanto, pueden trabajar con altas salinidades (< 80 g/l) y son adecuadas para estar dispuestas en un segundo o tercer paso del conjunto de membranas.

Membranas XC-N

Son membranas de tipo selectivo que permiten operar hasta 41 bar de presión, con un rechazo de sales del 99%. Presentan bajo ensuciamiento y bajo coste de energía.

Vendría a poderse considerar como una membrana de nanofiltración de alta presión y con las ventajas del tipo Fortilife.

Membranas UHP

Por último, las membranas de Ultra Alta presión (UHP), se utilizan para trabajar en el estadio final de concentración. Pudiendo llegar a presiones de hasta 120 bar y concentraciones muy elevadas (aprox. 120 g/l)

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En la siguiente tabla, se ponen en común las características básicas de cada tipo de membrana para poderlas comparar.

Cuadro membranas Fortilife

ProductoCaracterísticasEspecificacionesVentajas
CR 100Alta resistencia al biofouling.

Alto rechazo de sales.

Baja salinidad (< 15 g/l).

Caudal permeado= 44 m3/d.

Rechazo sales = 99.7%

Presión. Máx, aporte = 41 bar

Se reducen las limpiezas.

Ensuciamiento por biofouling < 50%.

XC 70Resistencia al fouling.

Alta salinidad (15 – 70 g/l)

Caudal permeado= 30,6 m3/d.

Rechazo sales= 99,7%

Presión máx. aporte = 83 bar

Se reducen limpiezas.

Mayor tiempo en funcionamiento.

Vida más larga elementos.

XC 80Resistencia al fouling.

Bajo consumo energía.

Alta salinidad (15 – 80 g/l)

Caudal permeado= 34,2 m3/d.

Rechazo de sales= 99,4%

Presión máx. aporte= 83 bar

Reduce coste energía.

Se incrementa conversión.

Se reduce frecuencia de limpiezas.

XC-NSeparación selectiva de iones.

Recirculación del concentrado purificado.

Caudal permeado= 34,1 m3/d.

Rechazo de sales= 99%.

Presión máx. aporte= 41 bar.

Hace el rechazo reutilizable.

Se reduce el ensuciamiento.

Bajo coste de energía.

UHPMáxima concentración sales por membranasCaudal permeado= 28 m3/d.

Rechazo de sales= 99,7%

Presión máx. aporte= 120 bar

Aplicable para tratamiento de aguas de muy altas salinidades , para la obtención de vertido cero

Para conseguir un diseño optimizado, se propone la combinación de estas membranas en distintas etapas, con el objetivo de simplificar la complejidad de la instalación y reducir al mínimo el tamaño de la instalación de evaporación final.

Así, por ejemplo, si tenemos una instalación de osmosis inversa convencional en dos pasos, y obtenemos una conversión del 85 %, resultará un factor de concentración FC = 1/(1-0.85) = 6,7.

Si partimos de agua con un TDS de 2 g/l, tendríamos que el concentrado tendría un TDS de aproximadamente 13,4 g/l; si el caudal de aportación es ,por ejemplo, de 100 m3/h, deberemos diseñar un evaporador para un caudal de 15 m3/h con un TDS de 13,4 g/l.

Para poder llegar a una concentración de 300 g/l en el residuo, se deberá evaporar en varias etapas, con el coste de inversión y de energía que ello representa.

Supongamos ahora que hemos dispuesto membranas de baja presión y alto rendimiento (CR 100) en un primer paso, luego disponemos membranas XC70/XC80 en un segundo paso, para poder trabajar a alta presión y conversión, y finalmente, disponemos membranas del ultra alta presión (UHP), previo paso por una purificación en el rechazo mediante otras del tipo XC-N.

En este caso, podemos obtener una concentración de sales de aproximadamente, 100 a 150 g/l en un caudal de 1,5 – 2 m3/h, lo que hace mucho más viable su concentración el proceso de evaporación a vacío.

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EJEMPLO PRÁCTICO

Partimos del rechazo de una planta de ósmosis inversa que toma un caudal de agua bruta de 830 m3/h de un pantano, con un TDS de 1.160 mg/l.

Podemos utilizar membranas CR100, que, por su bajo ensuciamiento, y buenas prestaciones a nivel de rechazo de sales, nos simplificarán la instalación de intercambio iónico que se deberá utilizar para tratar el permeado y alcanzar así nos niveles de salinidad exigidos en la aplicación de este ejemplo (agua desmineralizada para el sector energético).

Demás, en la especificación se pide la obtención de un caudal de 120 m3/h de agua para servicios que deberá tener un TDS <100 mg/l, y es importante la consecución del vertido cero.

En la siguiente proyección, se parte del rechazo obtenido de la planta de ósmosis inversa con membranas del tipo CR 100, y se observa cómo se combinan las membranas entre sí a fin de optimizar el conjunto, utilizando para ello sistemas búster de bombeo, contrapresiones en el permeado y recirculaciones.

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En este caso, la conversión alcanzada es del 89 % y el FC = 9. El caudal de rechazo final sería de 13,7 m3/h y su TDS= 70,8 g/l.

Si calculamos el porcentaje de rechazo sobre el caudal de agua bruta, tenemos = 13,7/830 = 1,65 %, luego la conversión del sistema sería de aproximadamente un 97 – 98 %, pensando en que se consume agua en pretratamiento, lavados … etc.

El TDS del permeado es de 53 mg/l y el consumo energético específico de 2 kW/m3, luego se consigue la calidad deseada para agua de servicios, con un consumo energético adecuado.

Si tomamos el rechazo de este paso y lo sometemos de nuevo a su concentración mediante unas membranas específicas como las UHP, obtenemos una conversión del 50%, que se traduce en un caudal del permeado de unos 6 m3/h y una salinidad de 83 mg/l, mientras que el rechazo tendrá un caudal equivalente y una concentración de 140 g/l.

Convendrá disponer dos líneas de osmosis inversa en paralelo en este paso, a fin de evitar la cristalización de las sales. En este último paso será recomendable trabajar en régimen discontinuo y, cada vez que se pare la instalación, se deberá realizar un enjuague de las membranas y recircular el efluente a cabeza de la instalación.

Vemos que la solución de evaporación a vacío ahora resultaría más adecuada, técnica y económicamente, pues, muy probablemente, se llegará al deseado nivel de concentración exigido en los residuos del 30 %, con un coste de inversión y explotación proporcionado.

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Condorchem Envitech dispone de una amplia gama de evaporadores y cristalizadores, alimentados por energía eléctrica o térmica. a

En el ejemplo que nos ocupa, es muy probable que exista un retorno de condensados de sus instalaciones, que se puede utilizar para aportar su energía mediante un cambiador de calor; en este caso, un equipo que podría ser aplicable sería de la serie Envidest MVR FF, seguido de un cristalizador.

El caudal de permeado y condesado obtenidos estará muy cerca de los 120 m3/h que se piden para agua de servicios y la salinidad será inferior a los 100 mg/l.

RESUMEN

La evolución tecnología en los tratamientos de aguas está permitiendo alcanzar el objetivo de mínimas emisiones al medio ambiente. Muchos de los efluentes que hasta hace poco de desechaban, o cuyo tratamiento tenía un coste inviable, cada vez se hace más accesible, a la vez que se reutiliza gran parte del agua captada y se reduce el consumo energético.

En este artículo se pone de manifiesto el importante paso que se ha dado en lo relativo a la desalación por ósmosis inversa con su última generación de membranas y su  posible simbiosis con la variedad y especialidad de tratamientos evaporativos que se pueden combinar para obtener el mejor resultado.

Bibliografía y consultas en Internet.

https://www.dupont.com/brands/filmtec-fortilife.html

http://www.catedradelagua.uji.es/webcta/wp-content/uploads/2018/02/13_Ponencia_SGallego.pdf

Iniciativas solidarias y de concienciación por el medioambiente

En esta entrada nos queremos hacer eco de dos iniciativas que hemos descubierto recientemente y que tienen como objetivo dar difusión a diversos problemas vinculados con el medio ambiente y concienciar a la población sobre la importancia de cuidar nuestro planeta y sus recursos.

Intermon Oxfam junto a Elefantes y Manolo García

Elefantes y Manolo García, en colaboración con Benjamín Prado, publicaron el pasado mes de Julio una nueva canción llamada “Agua”, cuyo objetivo es dar eco a la situación de desigualdad que afrontan las poblaciones más vulnerables para acceder al agua.

El proyecto se ha puesto en marcha junto a Intermon Oxfam y pretende acercar el agua a aquellas poblaciones y personas con difícil acceso a este recurso imprescindible para la vida.

Cada vez que se escuche la canción, se descargue, se visualice y se comparta el vídeo Intermon Oxfam hará una contribución. Por ejemplo, 18 visualizaciones equivaldrían a 1 litro de agua.

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Más info en www.OxfamIntermon.org/CancionAgua

Clipmetrajes de Manos Unidas

Manos Unidas ha puesto en marcha un festival llamado clipmetrajes, cuyo objetivo es concienciar sobre el impacto que nuestros hábitos diarios tienen en el planeta y reflexionar sobre qué cambios podemos llevar a cabo en nuestro estilo de vida para eliminar nuestra influencia negativa sobre el medio ambiente.

El festival tiene dos categorías, una general y una dirigida a escuelas. La categoría de escuelas nos parece especialmente acertada, ya que permite que niñas y niños tomen conciencia sobre la importancia de cuidar el planeta mediante una actividad creativa y divertida.

https://www.clipmetrajesmanosunidas.org/