Entrega 1. Desalinización de Agua Marina

8/16/2019 Entrega 1. Desalinización de Agua Marina

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Desalinización de Agua MarinaUna posible mejora al déficit de recursos hídricos en La Guajira

Andrea Nataly BernalDepto. Ingeniería QuímicaUniversidad de los Andes

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Joseph BeltránDepto. Ingeniería QuímicaUniversidad de los Andes

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Omar David ParadaDepto. Ingeniería QuímicaUniversidad de los Andes

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Andrés Felipe PérezDepto. Ingeniería QuímicaUniversidad de los Andes

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Abstract —El abastecimiento del agua para la crecientepoblación es uno de los retos de la ingeniería y las cienciasexactas. En particular, en Colombia, una de las zonas másafectadas es la Guajira. Este lugar cuenta con unaprecipitación anual promedio de 257 mm, por lo tanto larecolección de aguas lluvias no es una fuente óptima para laobtención de agua potable. A continuación, se explican 3

métodos para la purificación de agua de mar, ya que este esun recurso abundante en la región. Se estudió que la mejoralternativa es una desalinización por ósmosis inversa, la cualtendría un costo aproximado de producción de COP $4,615.95por m3 de agua.

Palabras Clave: desalinización, electrodiálisis, destilación por membrana, ósmosis inversa, optimización.

I. INTRODUCCIÓN

El agua es considerada como un recurso de vida y hamotivado el incremento de la productividad (Jianwu, Yijin,Chaoqian, Ndakeva, & Yajing, 2009). Esta ha contribuido aldesarrollo y el crecimiento de la humanidad desde lostiempos antiguos con el desarrollo de la agricultura, laganadería, los acueductos, el transporte y en tiemposmodernos apoya a las industrias en procesos, maquinariasy en producción energética. Es simplemente espectacularque sólo la unión entre dos moléculas de hidrogeno y unaoxigeno sean indispensables para propagar y sostener lavida en el planeta debido a que puede regular el clima global(Bermudez, 2007), y generar equilibrio entre los diferentesecosistemas. Alrededor del 71% de la superficie de la tierraes agua, que se distribuye entre ríos, lagos, humedales,glaciares, vapor de agua, entre otros (USGS, 2016). Sinembargo, sólo aproximadamente el 2.5 % se considera aptapara el consumo humano (Gleick, 1993).

Un ser humano adulto está compuesto en promedio porel 60% de su peso de agua, en agua intracelular oextracelular, plasma sanguíneo, fluido transcelular, fluidosintestinales y en los diferentes órganos funciones delcuerpo; y los recién nacidos están compuestos por más del75% de su peso de agua. (The Healthy Hydration Company,s.f.). Dentro de sus principales funciones dentro del cuerpose encuentran preservar la vida de las células para que estas

puedan asimilar de forma ágil mediante un transportebasado en gradiente de concentraciones minerales, glucosay vitaminas. Además, es fundamental en algunas reaccionesquímicas y metabólicas, como remover los desechos ytoxinas que producen las células, y permite el transporte denutrientes ingeridos de los alimentos. También ayuda a la

regulación de la temperatura del cuerpo y es un lubricanteeficaz alrededor de las articulaciones, como amortiguadorpara los ojos, el cerebro, la médula espinal y para un fetomediante el líquido amniótico (The Healthy HydrationCompany, s.f.). Los requerimientos del consumo de aguapromedio de una persona son de 2 a 5 L por día,eventualmente para la producción de alimentos serequieren aproximadamente de 1 a 3 toneladas de agua porkilogramo de cereal (FAOWATER).

Colombia se considera uno de los países más ricos enrecursos hídricos tanto en aguas superficiales (ríos,lagunas, nacimientos, etc), como subterráneas y posee

como fronteras marítimas el Océano Pacifico y el MarCaribe. Según algunos estudios realizados por el IDEAM, setiene que en condiciones normales la precipitación anual seestima en 3240 mm, equivalentes a 3700 km3 como sepuede evidenciar en la tabla 1. Además, se tienenaproximadamente 60 L de agua potable por km2 (AUPEC,s.f.), logrando así que Colombia sea considerada como unode los países con mayor oferta hídrica.

Sin embargo, aunque Colombia es un país rico enrecursos hídricos potables, existen zonas en las cuales elacceso a este recurso es difícil y limitado. Ese es el caso deldepartamento de La Guajira, el cual presenta el índice de

Vulnerabilidad al Desabastecimiento Hídrico (IVH) más altoen comparación con otras regiones de Colombia como sepuede observar en la Figura 1 (IDEAM, 2010). Lo anteriorindica que La Guajira es un departamento muy frágilhídricamente para mantener una oferta de abastecimientode agua ante fuertes sequías como el Fenómeno del Niño.


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Figura 1. Mapa del Índice de Vulnerabilidad al

desabastecimiento Hídrico (IVH)

La región más seca se encuentra en el municipio deUribia, perteneciente al departamento de la Guajira, con unpromedio anual de precipitación de 257 mm.Adicionalmente, los rendimientos hídricos tienen unpromedio anual de 178 km3 y en temporada de sequía unpromedio de 137 km3 (FAO, 2016). Por otro lado, el índicedel uso de agua indica que una gran parte de las zonas delCaribe tiene mayores presiones por el uso del hídrico, enotras palabras, la demanda es mayor que la oferta (IDEAM,2010). La figura 2 muestra el índice del uso del agua en lasdiferentes regiones de Colombia; se puede observar que la

zona Caribe es uno de los lugares de mayor presión.

Figura 2. Mapa del índice del uso del agua (IUA).

La oferta hídrica superficial estimada en un añopromedio para la zona hidrográfica de la Guajira es de13,723 millones de m3 y en temporada seca de 4,569millones de m3 (Sánchez, García, Jaramillo, & Verdugo,2010). Entre los diferentes usos se tiene un aproximado de:259 millones de m3 para pastos manejados, 5.79 millonesde m3 para satisfacer los cultivos permanentes, 131.12

millones de m3 para cultivos transitorios, y 589.504 m3 anuales por suscriptores industriales. Ahora bien, estosvalores mencionados son valores estimados de la grandemanda hídrica, sin tener en cuenta el consumo por hogarde cada habitante de la región y el uso requerido para lageneración eléctrica.

Lo anterior indica que la temporada de sequía en estazona del país pone en riesgo la sostenibilidad y losrequerimientos mínimos hídricos, perjudicando no sólo alas zonas industriales sino la vida y el sustento cotidiano desus habitantes. No obstante, la naturaleza no es la únicaresponsable de la escasez de agua, existen algunos

empresarios que han desviado ilegalmente el curso de losríos para aumentar la productividad agrícola y quelastimosamente existen casos de corrupción que impidenque estos casos sean señalados por las autoridades locales(Colombia Magia Salvaje, 2015).

Se pretende dar una solución para satisfacer losrequerimientos hídricos de La Guajira ante la escasez dedicho recurso mediante la desalinización del agua extraídadel mar, ya que como se mencionó anteriormente, existeuna gran cantidad de agua marítima en el planeta. El OcéanoAtlántico Norte posee aproximadamente 146, 000,000 km3

(Sharman & Eakins, 2010), con una concentración

aproximada de 38,500 ppm de sales diluidas (BAKISH,1981). No obstante, este proceso de separación requiere deuna gran cantidad de energía ya que la afinidad iónica entrela sal y el agua es alta por su estructura. De esta forma, ladesalinización consiste en separar del agua las sales con elfin de que el ésta sea procesada para llegar a ser potable, esdecir, lograr reducir el contenido salino del agua de mar(Valero , Uche, & Serra, 2001).

En promedio una familia Colombia consumeaproximadamente 25 metros cúbicos por mes(NULLVALUE, 23), una familia colombiana promedio en lacosta colombiana se compone de 4.3 integrantes (CORTÉS,

2006). Según el DANE, se tiene una población proyecta de957.797 personas para el año 2015, donde cerca del 54%de la población urbana se ubica en los municipios deRiohacha y Maicao mientras que la población rural seconcentra en la Alta Guajira (Dirección de Geoestadistica,2015). Mediante la información anterior, asumiendo que lavariación de los datos a la actualidad es pequeña y queabarcan para todo el departamento de la Guajira se tiene


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que el consumo promedio de toda la población esaproximado de 190 metros cúbicos por día.

El desarrollo en infraestructura y el manejo de energíasen la purificación del agua es uno de los más grandes retosque está enfrentado la ingeniería. La purificación del aguapor lo general es un proceso que involucra muchas etapascomo filtración, desalinización y desinfección de un flujo

(Deng, y otros, 2014). Desalinizar el agua es un gran retopor su alto contenido de sal. La tabla 1 muestra la salinidadde varias denominaciones de agua, y se puede observar queel agua de mar es una de las que más alto contenido tiene desólidos totales disueltos (10,000-35,000 SDT).

Tabla 1. Rangos de salinidad de diferentes tipos de agua(González Enríquez, Ponce Fenrnández, & Dévora Isiordia,

2012)

Denominación del Agua Salinidad SDT (mg/L)

Ultrapura 0.03

Pura 0.3

Desionizada 3Potable


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partículas cargadas eléctricamente y creando una corrientemás diluida (Valero, Barceló, & Arbós, 2011). La figura 3muestra un esquema del proceso.

Figura 3. Principios de ED (Valero, Barceló, & Arbós, 2011)

La unidad básica del sistema ED está compuesto por 4partes: una membrana permeable a los cationes, un flujo deagua desmineralizada, una membrana permeable a losaniones y una alimentación de un flujo concentrado.Alrededor de 100 de estas unidades también denominadaspares de celdas, son apiladas en un arreglo paralelo. Cuandola corriente se enciende en dirección perpendicular al flujo,los aniones son atraídos por el cátodo atravesando lamembrana permeable a los aniones, sin embargo, éstos nopuede pasar a través de la membrana permeable a loscationes. De la misma manera, los cationes son atraídos porel ánodo y son permeables a las membranas permeables alos cationes, pero no pueden atravesar la membranapermeable a los aniones (Thomas, 1997). De esta manera,el agua atraviesa las membranas y genera una corriente deproducto con una concentración de soluto muy pequeña.

El primer equipo de electrodiálisis fue comercializado en1950 para la desmineralización de agua salobre. Desdeentonces, esta técnica de intercambio de iones ha sidomejorada en cuanto a materiales de construcción (Valero,Barceló, & Arbós, 2011). Incluso, existen sistemas en los quela polaridad de los electrodos se cambia periódicamentepara poderlos limpiar. Esto se denomina comoelectrodiálisis inversa (EDR) (Thomas, 1997).

Este proceso depende de las condiciones de operación encada unidad, las cargas y la selectividad de los iones. Porejemplo, la movilidad de los iones con una mayor carga venmás afectados que los iones monovalentes (Karimi, 2013).Con esta tecnología se logra obtener una reducción desalinidad del 40% (González Enríquez, Ponce Fenrnández,& Dévora Isiordia, 2012).

A.I Shock Electrodiálisis

Sistemas mejorados de electrodiálisis están siendoinvestigadas para un mejor tratamiento del agua.Recientemente, estudios realizados por un grupo deinvestigación de ingenieros del Masssachusstes Institute ofTechnology (MIT) demostraron que un sistema fotovoltaicode electrodiálisis inversa tiene la habilidad de desalinizar elagua (Olewitz, 2015). Este sistema utiliza un materialporoso compuesto de frita de vidrio que se encuentrarodeada de electrodos o membranas. Cuando la onda dechoque atraviesa el sistema, el agua fluye sobre la superficieen vez de atravesarla (figura 4). De igual manera, estosestudios de shock ED pueden ser extrapolados para plantasde purificación de agua no sólo de desalinización sino paratratamiento de agua de fracking (Olewitz, 2015).

Figura 4. Diagrama Shock ED (Deng, y otros, 2014)

Shock electrodiálisis es una técnica en la que seaprovecha la formación de las zonas concentradas de ionespolarizados (ICP) y las ondas de choque des-ionizantes enlos poros de la membrana selectiva de iones (Deng, y otros,2014). Además de que se ha demostrado que estaherramienta puede ser utilizada para desalinizar aguamarítima, también puede filtrar partículas micrométricas eincluso desinfectar la corriente de agua de bacteria como laEscherichia coli (Deng, y otros, 2014).

A diferencia de la electrodiálisis, en shock ED, lapresencia de una carga superficial en los poros de lamembrana puede facilitar el transporte de iones más rápidoque la difusión. Esto se puede explicar de acuerdo a dosteorías: conducción superficial por electro-migración através de las capas de los poros y la convección superficialde flujo electro-osmótico por los vórtices en las regionescon menos cantidad de soluto (Deng, y otros, 2014). Deacuerdo a este fenómeno, la zona empobrecida en solutopuede propagarse a través de los poros mediante la onda dechoque, y sale de la celda como agua desalinizada como seobserva en la figura 5.


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Figura 5. Principios de Shock ED (Deng, y otros, 2014)

B. Destilación

Una técnica adicional para la purificación de agua marinaes la destilación por membrana (MD) con inmovilización de

nanotubos de carbono (CNT) en membranas hidrofóbicas.Esta técnica favorece la interacción entre el agua y lamembrana, así como la permeabilidad al vapor y previenela penetración de líquido en los poros membranales.Mediante MD se ha logrado reducir 1.85 y 15 veces el flux yla concentración de sal, respectivamente, para unaalimentación con una concentración de 34000− a 80°C(Gerthard, Sae-Khow, & Mitra, 2010), por lo cual seobtienen purezas altas y la MD resulta una técnica de graninterés.

En primer lugar, la MD es un proceso de purificación deagua donde una solución acuosa precalentada pasa a través

de una fibra hueca, porosa e hidrofóbica. Se basa en el fluxneto de vapor de agua que pasa desde la parte caliente haciala parte fría de la membrana y típicamente se opera de 60 a90°C, la cual es una temperatura significativamente menora la destilación convencional, lo cual la hace bastanteecoeficiente ya que se logra generar agua potable a unmenor costo energético (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra,2010). Por MD se puede generar agua potable de altapureza y se puede operar con fuentes de calor provenientesde procesos industriales y energía solar, lo cual la convierteen una técnica de bajo costo energético y por ende en unasolución de gran potencial. El funcionamiento general delsistema se muestra en la figura 6.

Figura 6. Funcionamiento general de la MD. (Gerthard,Sae-Khow, & Mitra, 2010)

La fuerza motriz para la transferencia de masa en la MDse basa en la diferencia de presión de vapor a través de lamembrana, por lo cual una buena elección de la misma

determina el flux y la selectividad. Se ha estudiado lainmovilización de CNT's en distintos tipos de membranapara alterar la interacción entre soluto-membrana, la cuales uno de los principales factores fisicoquímicos que afectala permeabilidad y selectividad, y se ha encontrado que eluso de nanotubos potencializa grandemente ladesalinización vía MD (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra, 2010).En una membrana inmovilizada con nanotubos de carbono(CNIM), los CNT funcionan como un adsorbente y favorecenel transporte de soluto, por lo cual es de interés estudiar sueficiencia y ofrecer esta técnica como una vía parapotabilizar agua marina (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra,2010).

B.III Detalles experimentalesPara preparar la CNIM, es posible disolver CNT's en una

solución con 0.1 mg de polyvinylidene fluoride (PVFD) y 15mL de acetona. La dispersión de PVDF/CNT's es forzadabajo condiciones de vacío en la estructura porosa depolipropileno (PP) de una fibra Celgard tipo X-50, y el PVDFfunciona como un pegante para mantener los CNT en sulugar. De esta manera, se producen las CNIM, cuyamorfología ha sido estudiada con microscopía electrónicade barrido y análisis termogravimétrico (TGA) (Gerthard,Sae-Khow, & Mitra, 2010). Actualmente se han realizadoexperimentos bajo la configuración de la figura 7, con sales

de 88% y 12% en un rango deconcentraciones de 10 a 24000 ⁄ , con una bombaHPLC y un intercambiador de calor para llevar lassoluciones hasta la temperatura deseada, y se ha estudiadola fuerza iónica de las soluciones con un conductímetroOakton EC Testr 11 para ver el comportamiento de laseparación (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra, 2010).


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Figura 7. Configuración de la destilación por membrana.

Se ha demostrado que la presencia de los CNT's mejorala estabilidad térmica de la membrana al aumentar latemperatura mínima de degradación térmica (lo cual esmuy importante ya que altas temperaturas pueden afectarel material de la membrana), y que la inmovilización de losnanotubos favorece la permeabilidad y la selectividad de lamembrana gracias a su alta hidrofobicidad. Esto disminuyesu tendencia a mojarse con el líquido y favorece latransferencia de vapor (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra,2010). Las condiciones óptimas de temperatura son de 80°Cy comparada con la membrana convencional, la CNIM hademostrado mayor reducción de sal y de flux para variastasas de alimentación.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos porGerthard, Sae-Khow & Mitra (Gerthard, Sae-Khow, & Mitra,2010), se plantea una posible ampliación del proceso aescala industrial para abastecer de agua potable a la Guajira.Sin embargo, teniendo en cuenta que la destilación requiereun flujo energético elevado para llevar el agua hasta lascondiciones de temperatura necesarias, se considera queesta puede representar una buena solución para lapotabilización del agua de mar a pesar de no ser muyóptima en términos energéticos.

C. Ósmosis Inversa

La ósmosis inversa (RO por sus siglas en inglés), es unode los métodos actuales más utilizados para desalinizaragua del mar para consumo humano. Esto se debeprincipalmente a un menor consumo de energía conrespecto a la destilación y fácil automatización del proceso(E. Drioli, F. Laganh, A. Crlscuoh, G. Barbieri, 1999). El

desarrollo de equipos de RO ha tenido un gran auge dentrode los últimos años debido al rápido desarrollo de la cienciay tecnología de membranas (Aihua Zhu, Panagiotis D.Christofides and Yoram Cohen, 2009), permitiendo lasíntesis de membranas más resistentes y con mayorpermeabilidad, al igual que una disminución en los costosde producción.

Las diferentes unidades de RO se pueden distinguirsegún el material del que está hecho la membrana y elmódulo. Para procesos de desalinización el material másutilizado son las membranas de poliamida (Porter, 1990).Por modulo se entiende el arreglo espacial que tiene lamembrana dentro de la coraza que la contiene, por ejemplose pueden tener membranas tubulares, en espiral o fibrahueca entre otros (Porter, 1990). Este último arreglo es el

más utilizado en los procesos de desalinización debido a lasnotorias ventajas que presenta en comparación a los otrosmódulos:

Mayor área específica (entre 500-5000) lo que

permite tener una mayor área de transferencia demasa por unidad de volumen.

Bajo consumo de energía. Es fácil de fabricar. Control de ensuciamiento (fouling) entre

moderado y bueno (SINGH, 2015).

Figura 8. Membrana asimétrica de fibra hueca (SINGH, 2015)

La ósmosis inversa se fundamenta en la separación desoluto y solvente a través de una barrera semipermeableque permite el paso selectivo de uno de estos. En el caso dela desalinización la membrana presenta una resistencia alpaso de los iones cloruro y sodio, a esto se le conoce comopermeabilidad, dejando que solo el agua atraviese lamembrana. Obteniendo de este modo una zona con agualibre de soluto (permeado) y otra con una altaconcentración de sal (retentado) (figura 9).


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Figura 9. Proceso de separación por membrana (Nadine

Schmeling, Roman Konietzny, Daniel Sieffert, Patrick Röllingand Claudia Staud, 2010)

La fuerza impulsora para la trasferencia de agua de unlado al otro de la membrana es la presión. En el caso de lascélulas la presión osmótica al interior de esta induce a queentre agua para disminuir la concentración del soluto y deeste modo disminuir la presión. En el caso de la RO elproceso es todo lo contrario, se ejerce presión al sistema demodo que el agua pase de la región más concentrada a lamenos concentrada. De este modo el proceso tiene que

operar a presiones mayores a la presión osmótica, de locontrario no habrá transferencia de masa. Eventualmente alo largo de la unidad, con el continuo aumento de laconcentración en el retentado, se alcanzará un punto en elque no hay más transferencia de masa y es cuando lapresión del sistema iguala a la presión osmótica. El posiblediagrama del proceso se encuentra en la figura 1 de anexos.

Como se mencionó previamente la eficiencia del procesoestá directamente ligada a la presión utilizada, lo ideal seríautilizar valores extremadamente altos de presión tal que laseparación fuera casi completa, desafortunadamente porlimitaciones de costos y resistencia del equipo a tales

condiciones no se puede realizar. Se estima que cerca del43% de los gastos en una planta de RO corresponde a gastosenergéticos (Jane Kucera, 2015), por lo que sería idealdisminuir dichos costos. Una forma de reducir los gastosasociados a la energía suministrada a las bombas es utilizarsistemas en serie. Dicha diminución de costos se debe a queel retentado al salir de la unidad va a salir a una presión alta,por lo que se desperdiciaría la energía que corresponde adicho aumento de la presión si se liberara al ambiente. Esmejor introducirla en otra unidad de osmosis inversa ypermitir que el proceso de separación siga, el problema esque esto acarrea un incremento en los costos debido a lacompra de más unidades de RO. Para establecer la cantidad

de etapas (número de unidades de ósmosis por las que pasauna corriente de alimentación) y el porcentaje derecuperación que minimice los costos en términos depresión se calcula el SEC. Este se define como la cantidad deenergía eléctrica necesaria para producir un depermeado (Aihua Zhu, Panagiotis D. Christofides and YoramCohen, 2009) y es función del número de etapas (n) y elporcentaje de recuperación (r).

Figura 10. = [

√ − ( 1)] (Tianyu Qiu andPhilip A. Davies, 2012)

De la figura 10 se puede ver que entre mayor sea elnúmero de etapas menor es el consumo energético, sinembargo los costos por compra de unidad y mantenimiento

incrementarían considerablemente. Según Tianyu Qiu et.al(Tianyu Qiu and Philip A. Davies, 2012) el número óptimode etapas donde hay un balance entre el costo de energíautilizado y el costo de compra de la unidad sería 4, lo quecorrespondería a un porcentaje de recuperación del66.67% y un de 3.39. Este último está normalizadocon respecto a la presión osmótica, para calcular el costoenergético aproximado que tiene producir 1 de agua esnecesario calcular la presión osmótica. Utilizando unaconstante de proporcionalidad de 1.02∗10 /ℎ (Belkacem Absara, Sid El Mahi Lamine Kadia, OmarBelhamitib, 2010) y teniendo en cuenta que laconcentración de sales en el mar Caribe es de 38500 ppm

(BAKISH, 1981) la presión osmótica es de 9079.36 (elcalculo se encuentra en el archivo SEC de Matlab®) . Almultiplicar por el SEC se obtiene un costo energético de

30833.51. Teniendo en cuenta que el costo de energía en

febrero de 2016 de la energía es de 538.94 $/kWh (informa,s.f.) el costo total para producir 1 de agua es de 4615.95$. En la literatura se encuentran precios que se encuentran

entre 0.7 y 0.9($)

(Corinne Cabassud*, David Wirth,

2003). A su vez el SEC se puede definir como = Δ (Aihua Zhu, Panagiotis D. Christofides and Yoram Cohen,2009), ya que se tiene el valor del SEC y el porcentaje de

recuperación se obtiene que la presión para este sistemasería de cerca de 22.83 atm.

Para saber que tan efectivo sería el proceso a esta presiónsería necesario simular el comportamiento del flujo de sal yagua en ambos lados de la membrana. Para ello existenvarios modelos matemáticos que describen el proceso deRO, entre estos el más utilizado es el modelo de difusión-solución no-porosa (Jane Kucera, 2015). Este modelo


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asume que tanto el soluto como el solvente se disuelven enla superficie de la membrana y luego se difunden a travésde esta para llegar al lado del permeado. Como la difusióndel soluto y del solvente en la membrana son procesosregidos por fuerzas impulsoras diferentes, diferencia deconcentración y de presión respectivamente, es posiblemodificar estos parámetros para favorecer la separación.Realizando un balance de materia (figura 11) sobre la

membrana, distinguiendo entre el lado de la coraza (dondeva la alimentación y sale el retentado) y el lado de la fibra(permeado) es posible tener un sistema de 4 ecuacionesdiferenciales que describen la transferencia de masa de unlado al otro (figura 12).

Figura 11. Balance de materia (Belkacem Absara, Sid ElMahi Lamine Kadia, Omar Belhamitib, 2010).

Figura 12. Sistema de ecuaciones que describen latransferencia de agua y sal a través de la membrana(Belkacem Absara, Sid El Mahi Lamine Kadia, OmarBelhamitib, 2010).

Las primeras dos ecuaciones describen el flujovolumétrico de agua en la coraza y la fibra respectivamente,

el menos de la primera ecuación indica que el agua sale dellado de la coraza para entrar al de la fibra. El términomultiplicado por kappa hace referencia a la presiónosmótica en función de la concentración, el es lapermeabilidad de la membrana con respecto al agua, son la densidad del agua y el espesor de lamembrana respectivamente. Las dos últimas ecuacioneshacen referencia al flujo másico de sal a través de lamembrana, como se puede ver esta no se debe a un

gradiente de presión sino a uno de concentración, eltérmino es la permeabilidad de la sal.

Para ilustrar el efecto que tiene la presión sobre lacalidad del agua obtenida y el porcentaje de recuperaciónse resolvió el sistema de ecuaciones diferenciales en

Matlab® con una concentración de 38.46

(que equivale

a la concentración de sales en el mar caribe, es decir 38500

ppm (BAKISH, 1981)), un flujo de 1.5 y a una presión de

22.84 atm y 15.23 atm. La presión más alta corresponde ala calculada con el SEC y la más baja solo se está utilizandopara mostrar la dependencia de la eficiencia del procesocon respecto a la presión. El flujo que se utilizó correspondeal flujo máximo de entrada para un sistema de alimentaciónde agua mariana (DOW, s.f.). Se obtuvieron los siguientesperfiles de concentración en el retentado (figura 13),permeado (figura 14) y de porcentaje de recuperación(figura 15), todo en función de la longitud de la unidad deósmosis inversa.

Figura 13. Perfil concentración retentado a 22.84 atm y15.23 atm


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Figura 14. Perfil concentración permeado a 22.84 atm y15.23 atm

Figura 15. Porcentaje recuperación a 22.84 atm y 15.23atm

Como se puede ver en la figura 7 al trabajar a presionesaltas el porcentaje de recuperación aumentaconsiderablemente, pasando de casi un 53% al 66.67%deseado. Es decir en el primero de los casos solo la mitad

del agua que entra a la alimentación sale en el permeado.Sin embargo la mejora del 66.67% acarrea un mayor gastoproveniente del aumento de la presión, sin mencionar quese necesitan equipos muy largos para alcanzar losporcentajes de recuperación máximos permitidos para lapresión utilizada. De este modo en vez de utilizar una solaunidad muy larga se utilizan varias en serie.

Por lo general, el proceso de ósmosis inversa requiere dealgunos tratamientos previos que tienen como objetivo

mejorar la operación de las membranas. Algunos de losfiltros utilizados son: filtros de sedimentos, los cualesactúan como pantalla para remover partículas que seencuentren en el líquido, filtros de arena, efectivos en laretención de sustancias orgánicas, filtros de carbónactivado, utilizados para remover cloro, sabores, olores ydemás químicos orgánicos (Moreno Benavides, 2011).

Adicionalmente se utilizan suavizadores, más conocidoscomo descalcificadores o ablandadores de agua, en la que elagua se pasa por un lecho para intercambio iónico. Esto conel fin de que el agua intercambie el calcio y magnesio por loscationes de sodio de la resina, liberando al agua de loscationes que son responsables de su dureza (MorenoBenavides, 2011).

El costo general de una planta se divide principalmenteen la inversión inicial y los costos de energía según se puedever en la figura 16.

Figura 16. Costos planta de desalinización.

Según el trabajo de (E. Drioli, F. Laganh, A. Crlscuoh, G.Barbieri, 1999) el costo de los procesos de pre-tratamientopuede ascender a cerca de un 60% de los costos totales dela planta. Sin embargo como solo se está estudiando loscostos asociados a la separación de cloruro de sodio y agua,ignorando la presencia de otros posibles agentes dañinospara las membranas. De este modo el análisis económicoobtenido solo es aproximado y es necesario estudiar loscostos de los diversos procesos de pre-tratamiento.

El costo de capital de las plantas de desalinizacióndepende de varios factores como la ubicación de la planta,la calidad del agua, entre otros. De igual manera, dependede la operación y del mantenimiento de ésta (Arroyo &Shirazi, 2012). Como la temperatura en la Guajira seencuentra en un rango entre 27 y 30°C (Cerrejón, s.f.), sepresenta como referencia un análisis económico realizadoen el Golfo Arábico donde las temperaturas promedio sonsimilares (35°C) (Wade, 1993).


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El principal requerimiento energético en una planta deRO es la energía mecánica necesaria para que una bombaaumente la presión alrededor de 70-80 bar en la entrada dela membrana. Es común usar un motor eléctrico para estasbombas, y para el caso del agua marina los valores típicosde consumo de energía por metro cúbico en RO son de 6.5ℎ/(Wade, 1993).

Algunas plantas tienen membranas de respaldo parapulir el producto, pero también es posible potabilizar aguapara el consumo humano con membranas de una sola etapa.En este caso, el pre-tratamiento del agua juega un papelfundamental en preservar la vida útil de las membranas yen evitar fenómenos como el fouling (Wade, 1993). Con unbuen pre-tratamiento del agua y una manipulaciónadecuada, la vida útil de una membrana puede seralrededor de 5 años. Por ende, es muy importanteconservar al máximo las membranas, ya que un reemplazoperiódico de las mismas puede tener costos bastantesignificativos para la planta (Wade, 1993).

Teniendo en cuenta los requerimientos y consumos parauna planta de RO de agua marina, (Wade, 1993) propone elsiguiente análisis económico para la implementación y laoperación de la misma, teniendo en cuenta que el consumo.

Tabla 3. Capital y costos de operación para la planta de RO (Wade, 1993).

Capital y costos de operación - Planta dedesalinización de /

Capacidad de la planta (/). 32000Vida útil de la planta (años). 20

Vida útil de la membrana (años). 5Planta de ósmosis inversa (RO) - Costos de capital

($) Planta generadora y hervidores. 4,4

Auxiliares y eléctricas. 3,1

Ingreso y salida de agua marina. 6,6

Construcción. 5,8

Comisiones. 53,3

Operación

Operación y mantenimiento. 556

Ahorros. 422Químicos. 2722

Reemplazos de membrana. 3245

Potencia auxiliar (desalinización). 6261

Costo de capital. 13752

Crédito de exportación. 12752

Costo neto anual de agua ($ ⁄ ) 1,39

Se observa que los resultados propuestos por (Wade,1993) concuerdan con los del modelo SEC ya que laproducción por m3 data alrededor de 1.5 dólares. En latabla 3 se muestra otras características de los costos de laplanta. Se observa que la capacidad diaria de producción de23,000 supliría los requerimientos hídricos diarios de lapoblación de la Guajira (190 por día). La operación ymantenimiento de la planta tendría un costo aproximado de

USD 55610. La membrana tendría que ser reemplazadacada 5 años por el deterioro (Wade, 1993).

Los países que cuentan con instalaciones de plantas demembrana son: Estados Unidos con 2,174 plantas de lascuales el 72% corresponden a RO, Arabia Saudita con untotal de 2,086 plantas de las cuales 65% corresponden a RO,Japón con un total de 1,457 platas de las cuales 90% son deRO y España con un total de 760 platas de las cuales el 90%son de RO (González Enríquez, Ponce Fenrnández, & DévoraIsiordia, 2012). Adicionalmente, la capacidad total instalada

en todo el mundo es de 25 millones de y se ha triplicado

respecto a la capacidad que se tenía en 1980 (GonzálezEnríquez, Ponce Fenrnández, & Dévora Isiordia, 2012).

III. CONCLUSIONES

Teniendo en cuenta que la ósmosis inversa es la técnicamás desarrollada e implementada a nivel global, y que hasido profundizada a mayor escala, se determinó que era laopción más acertada para poder realizar una planta dedesalinización en la Guajira. Por esta razón, se realizó lasimulación y un análisis de los costos que requeridos paraproducir 1 m3 de agua utilizando este proceso específico.

Se realizó un análisis económico con base al modelopropuesto por (Wade, 1993) para el Golfo Arábico, teniendoen cuenta las condiciones de operación de la planta y lasconsideraciones atmosféricas de esta zona. Por ende, ya quela temperatura promedio de 35 °C en el Golfo Arábico escercana a los 30 °C aproximados de la Guajira, se presentansimilitudes en los requerimientos energéticos para ambasplantas y el modelo económico planteado se consideraacertado.

IV. R EFERENCIAS

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V. ANEXOS

Tabla 1. Recursos hídricos anuales de Colombia (FAO, 2016)

Figura 1. Diagrama de proceso de ósmosis inversa (Opex-Energy, s.f.)

Recursos hídricos

Recursos hídricos renovables de agua dulce - 3,240 /ñ Precipitación (media a largo plazo) - 3,700,000 /ñ

Recursos hídricos renovbles internos (media a largo plazo) - 2,145,000 /ñ Recursos hídricos renovables totales - 2,360,000 /ñ Tasa de dependencia - 9 % Recursos hídricos renovables por habitante 2013 48,840 /ñ Capacidad total de presas 2010 11,282

Entrega 1. Desalinización de Agua Marina

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