TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

Presenta

MARÍA ELENA LÓPEZ MERCADO

Obregón, Sonora; Diciembre de 2013

EVALUACIÓN DE UNA PLANTA DESALADORA DE ÓSMOSIS INVERSA

PARA SU EMPLEO EN LA AGRICULTURA

ii

Dedicatorias

Primeramente a Dios por permitirme llegar hasta este punto y haberme dado

salud y sabiduría para lograr mis objetivos. Gracias Señor por iluminarme en los

momentos difíciles y abrir mi mente para aprender cosas nuevas.

A mi mamá, por ser la amiga, compañera que me ha ayudado a crecer, gracias

por estar siempre conmigo en todo momento. Gracias por la paciencia que has

tenido para enseñarme, por el amor que me das, gracias por todo.

A mi papá, por ser el gran padre que eres, por tus ejemplos de perseverancia y

constancia que te caracterizan y que me haz infundido siempre, por el valor

mostrado para salir adelante y por todo el amor que me das.

A mi hermano Panchito, por apoyarme en todo momento, porque siempre he

contado contigo para todo, gracias a la confianza que siempre nos hemos tenido.

Con todo mi cariño y mi amor para ustedes, las personas que hacen todo en la

vida para que yo pueda lograr mis sueños y por motivarme, a ustedes por siempre

mi corazón y mi agradecimiento.

Gracias a ustedes, soy lo que soy. Los adoro!!!

iii

Agradecimientos

A todos los profesores de la carrera de Ingeniería Química por la sabiduría que

me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional, en especial a: Mtro.

Jorge Saldivar Cabrales, Mtro. Juan Francisco Figueroa García, Mtra. Ma. Del

Rosario Martínez Macías, Mtra. Nidia Josefina Ríos Vázquez.

A mi asesor de tesis, el Mtro. Germán Eduardo Dévora Isiordia, Gracias por su

tiempo, por su apoyo, por permitirme formar parte de este proyecto para poder

realizar mi tesis de licenciatura. A mis revisores, los maestros Jorge Saldivar y

Rodrigo González, por su apoyo y asesoría.

A las personas, que formaron parte del desarrollo experimental de esta tesis,

como el Ing. Octavio Osorio, gracias por su apoyo y por brindarme conocimiento

en esta área.

A mi amigo José Pablo Rosas Apodaca, por compartir su tiempo conmigo para el

desarrollo experimental y escrito de esta tesis. Gracias por todo Pablo!!!

A mis compañeros y amigos de la generación 2009-2013 IQ.

A toda mi familia, por estar siempre conmigo.

Al Instituto Tecnológico de Sonora.

A todos los que contribuyeron en la realización de la presente tesis, gracias.

iv

ÍNDICE

Página

Lista de tablas……………………………………………………………………… vi

Lista de figuras…………………………………………………………………….. vii

Resumen………………………………………………………………................... viii

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN………………………………………………….. 1

1.1 Antecedentes…………………………………………………………… 1 1.2 Planteamiento del problema………………………………………….. 4 1.3 Objetivos………………………………………………………………… 4 1.3.1 Objetivo general………………………………………………………... 4 1.3.2 Objetivos específicos………………………………………………….. 4 1.4 Justificación…………………………………………………………….. 4 1.5 Limitaciones del estudio………………………………………………. 5 1.6 Hipótesis………………………………………………………………… 5

CAPÍTULO II. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA………………………………... 6

2.1 Desalación………………………………………………………………. 6 2.1.1 Planta desaladora……………………………………………………… 7

2.1.2 Pretratamiento………………………………………………………….. 8

2.1.3 Post- tratamiento……………………………………………………….. 9

2.2 Ósmosis inversa………………………………………………………... 10

2.3 Membranas……………………………………………………………... 12

2.3.1 Membrana semipermeable……………………………………………. 12

2.4 Uso de agua en la agricultura………………………………………… 14

CAPÍTULO III. MÉTODO Y MATERIALES……………………………………... 16 Método…………………………………………………………………... 16 3.1 Habilitación de planta desaladora de ósmosis inversa…………….. 17

v

3.2 Determinación de caudal de rechazo, de agua producto y de

alimentación…………………………………………………………….. 18

3.3 Recuperación de agua en planta desaladora……………………….. 19

3.4 Determinación de parámetros de calidad del agua………………… 19

3.5 Medición de parámetros de operación de planta desaladora en el pretratamiento…………………………………………………………... 20

3.6 Medición de parámetros de operación de planta desaladora en el proceso de ósmosis inversa…………………………………………... 20

3.7 Costo de producción de agua………………………………………… 21

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN………………………………… 22 Resultados………………………………………………………………. 22 4.1 Resultados de la operación de planta desaladora…………………. 23

4.2 Resultados del caudal de alimentación, de agua producto y de rechazo …………………………………………………………………. 24

4.3 Resultados de la recuperación de agua en planta desaladora…… 25

4.4 Resultados de la calidad del agua…………………………………… 25

4.5 Resultados de los parámetros de operación de planta desaladora en el pretratamientoinversa…………………………………………… 28

4.6 Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en el proceso de ósmosis inversa……………………… 30

4.7 Resultados del costo de producción de agua…...………………….. 31

CAPÍTULOV. CONCLUSIONES…………………………………………………. 32

Recomendaciones……………………………………………………………….. 35

Bibliografía………………………………………………………………………… 36

Anexos……………………………………………………………………………... 39

Anexo 1 Parámetros de calidad del agua en las diferentes corrientes de

agua en la planta desaladora……………………………………….. 39

Anexo 2 Parámetros de operación de la planta desaladora de capacidad nominal de 100 m3/d en el pretratamiento…………………………... 40

Anexo 3 Parámetros de operación de la planta desaladora con capacidad nominal de 100 m3/d en la ósmosis inversa………………………… 41

vi

LISTA DE TABLAS

Página

Tabla 2.1

Rangos de salinidad de los diferentes tipos de agua…………….. 7

Tabla 2.2

Clasificación de las membranas de Ósmosis Inversa……………. 14

Tabla 2.3

Usos consuntivos agrupados según tipo de origen de fuente de extracción, 2010………………………………………………………. 15

Tabla 4.1

Resultados de los caudales de agua alimentación, producto y rechazo ……………………………………………………………….. 24

Tabla 4.2

Caracterización de las corrientes de agua en la planta desaladora…………………………………………………………….. 26

Tabla 4.3

Promedio de parámetros de calidad del agua en las diferentes corrientes de agua en la planta desaladora……………………….. 26

Tabla 4.4

Rangos de pH óptimo para distintos cultivos……………………... 27

Tabla 4.5

Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en el pretratamiento1 con respecto a los de la ficha técnica del equipo2……………………………………………………

29

Tabla 4.6

Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en la ósmosis inversa1 con respecto a los de la ficha técnica del equipo2……………………………………………………

30

Tabla 4.7

Costos de producción de agua con cambios proyectados………. 31

vii

LISTA DE FIGURAS

Página

Figura 1.1

Proporciones de agua en la tierra………………………………… 2

Figura 2.1

Esquema de un sistema de desalinización………………………. 7

Figura 2.2

Distribución mundial de plantas desalinizadoras instaladas……………………………………………………………. 8

Figura 2.3

Pretratamiento en el proceso de Ósmosis Inversa……………… 9

Figura 2.4

Post-tratamiento en el proceso de Ósmosis Inversa……………. 10

Figura 2.5

Proceso de Ósmosis Inversa……………………………………… 11

Figura 2.6

Membranas de ósmosis Inversa………………………………….. 13

Figura 3.1

Planta desaladora de Ósmosis Inversa de 100 m3/d…………… 18

Figura 3.2

Filtro multimedia (FMM) utilizado en la planta desaladora de 100 m

3/d……………………………………………………………………… 18

Figura 4.1

Planta desaladora de ósmosis inversa en centro de investigación de ITSON, DIAPYME………………………………………………….. 23

Figura 4.2

Planta desaladora de ósmosis inversa instalada en campo experimental 1816 ubicado en el Valle del Yaqui, Sonora……... 23

Figura 4.3

Tiempo de operación de planta desaladora……………………… 24

Figura 4.4 Recuperación de agua producto de la planta desaladora de ósmosis inversa……………………………………………………... 25

Figura 4.5 Bomba de dosificación de anticrustante, en el área del pretratamiento………………………………………………………….. 28

viii

RESUMEN

Un problema que se presenta en la actualidad es la escasez de agua de buena

calidad necesaria para el sector agrícola, debido a la poca lluvia que se presenta

en la cuenca de Río Yaqui, la falta de este recurso que es captado en el sistema

de presas del Río Yaqui, y la excesiva salinidad del agua que se extrae mediante

pozos del acuífero del Valle del Yaqui ha hecho que no se lleven a cabo diversos

cultivos, en los que es necesaria un agua con una menor concentración de sales

que la que contiene el agua suministrada. La concentración deseada de sales del

agua para la agricultura, se puede lograr con nuevas tecnologías de tratamiento

de agua salobre de pozo, como lo es la Ósmosis Inversa (OI), en nuestro país la

falta de uso de ésta tecnología para tratar el agua es lo que más ha perjudicado la

agricultura, ya que se piensa que los costos son muy altos, la OI es la que

representa menor costo de producción de agua, en comparación con otras

tecnologías, como lo son la destilación y la electrodiálisis. El objetivo del presente

trabajo fue el de optimizar la instalación y el manejo de una unidad de desalación

de ósmosis inversa para obtener agua con bajo contenido en sales propicia para

riego, mediante estándares de calidad de desalación y requerimientos agrícolas.

El experimento consistió en habilitar y operar una planta desaladora por ósmosis

inversa con capacidad de 100 m3/d, compuesta por 8 membranas SWC4 de la

marca comercial Hydranautics de 8X40”, con la cual se regó sorgo (Sorghum) de

la variedad Ámbar de la marca comercial ASGROW porque se procuró utilizar un

material vegetal resistente a altas concentraciones de sal debido a la finalidad del

proyecto de utilizar agua salada (9,900 µS/cm) y desalada (150 µS/cm). Para

determinar los parámetros de operación se consultó la ficha técnica de la planta

desaladora, así como los requerimientos del cultivo a sembrar por un agricultor

cooperante. Se determinó los valores óptimos de pH, conductividad eléctrica

(µS/cm), sólidos disueltos totales (mg/L) y temperatura (°C).

I. INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

Siendo el agua un factor esencial para la vida y para las actividades económicas

que se desarrollan sobre la tierra, solo ocupa un pequeño lugar, sin apenas

importancia en las estadísticas macroeconómicas y en la geografía económica de

las materias primas y de los recursos naturales (Medina, 2000).

El agua supone una limitación importante para el desarrollo de los pueblos,

debido a la dependencia que respecto a la misma tienen tanto la agricultura, como

la industria o población (Medina, 2000).

La realidad hídrica del planeta es que en su mayor parte está ocupada por los

mares y océanos, donde se encuentra el 97% del agua disponible. La escasez de

agua además suele ir unida a la mala calidad de la misma y siendo el contenido

del agua, es decir sus sales, lo que ha provocado estas situaciones y aunque a lo

largo de los siglos existen referencias a intentos de obtener agua dulce a partir de

agua salada, puede decirse que es realmente en este siglo cuando esos intentos

2

se plasman en tecnologías que adquieren fiabilidad y que garantizan ese proceso

de transformación (Medina, 2000).

En la Figura 1.1, se representan las proporciones de agua en la tierra, analizando

esa información llama la atención que solamente el 2.5% representa agua dulce y

de ésta, el 68.7% corresponde a los glaciares, los cuales no pueden ser utilizados

para obtener agua dulce, ya que son parte fundamental en los ecosistemas de la

hidrósfera; en las aguas superficiales y atmosféricas, los lagos de agua dulce

representan el 67.4%; pero la mayor parte se encuentran contaminados; el

consumo de agua dulce, se utiliza para la agricultura y la industria y sólo el 10%

para uso doméstico.

Figura 1.1 Proporciones de agua y su consumo en la tierra.

Fuente: AWWA (2005).

El principal contaminante del agua son las sales y dado que la agricultura es el

sector que más volumen de agua emplea, los problemas de contaminación por

3

sales son muy frecuentes en el mismo. Del enorme volumen de agua de mala

calidad existente y que viene siendo utilizado con fines fundamentalmente

agrícolas es fiel reflejo la existencia a principios de este siglo XXI de unos 50

millones de hectáreas con problemas de salinidad en el mundo (Medina, 2000).

El descubrimiento de membranas capaces de separar sales ha sido trascendental

para el abaratamiento de los costos, pero además ha puesto a disposición de los

técnicos una tecnología más accesible que las que se utilizaban anteriormente

(Medina, 2000).

La desalación tanto en aguas salobres, como en agua de mar, una tecnología que

hace unos años estaba solamente al alcance de unos pocos países con

importantes recursos energéticos, ha experimentado en la última década del

pasado siglo XX unos cambios tan importantes, que en este siglo XXI son

numerosos los países que la utilizan habitualmente para resolver tanto problemas

puntuales de calidad de aguas como más generales de escasez de la misma

(Medina, 2000).

Los constantes avances en el desarrollo de las membranas y su tecnología

asociada han supuesto una mejora en el rendimiento y en los costos de

explotación. Así mismo, los avances en los sistemas de recuperación de energía

ha contribuido a un menor consumo energético y, por tanto, a la reducción del

costo de desalación (Cirera y Shields, 1998).

La comparación entre el costo de agua de desalación, con respecto a las

soluciones convencionales es todavía favorable a estas últimas. Sin embargo, el

costo marginal al que se obtiene el recurso convencional es cada vez mayor,

mientras que el costo del recurso desalado va disminuyendo (Prats et al., 1998).

La desalación de aguas salobres para su aplicación en agricultura ha creado

grandes expectativas como forma alternativa para conseguir recursos hídricos de

calidad en las zonas más castigadas por la escasez de agua. Hay que tener en

cuenta que el sector agrario consume por encima del 80% del total de los

recursos hídricos del planeta (Díaz, 2008).

4

1.2 Planteamiento del problema

Un problema que se presenta a principios de este siglo XXI es la escasez de agua

de buena calidad necesaria para el sector agrícola, debido a la poca lluvia que se

presenta en la cuenca de Río Yaqui, la falta de este recurso que es captado en el

sistema de presas del Río Yaqui, y la excesiva salinidad del agua que se extrae

mediante pozos del acuífero del Valle del Yaqui ha hecho que no se lleven a cabo

diversos cultivos, en los que es necesaria un agua con una menor concentración

de sales que la que contiene el agua suministrada. La concentración deseada de

sales del agua para la agricultura, se puede lograr con nuevas tecnologías de

tratamiento de agua salobre de pozo, como lo es la Ósmosis Inversa (OI), en

nuestro país la falta de uso de ésta tecnología para tratar el agua es lo que más

ha perjudicado la agricultura, ya que se piensa que los costos son muy altos.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general

Optimizar la instalación y el manejo de una unidad de desalación de ósmosis

inversa para obtener agua con bajo contenido en sales propicia para riego,

mediante estándares de calidad de desalación y requerimientos agrícolas.

1.3.2 Objetivos específicos

1) Habilitar una planta desaladora de ósmosis inversa con capacidad nominal de

100 m3/d.

2) Operar la planta de desalación según los límites de operación normalizados

para agua salobre.

1.4 Justificación

El desarrollo del Estado de Sonora, se ha visto perjudicado por la falta de un

recurso hídrico óptimo en cantidad y calidad que permita realizar actividades de

diferentes tipos, como el industrial, consumo humano, y el agrícola. Siendo este

último un factor muy importante para la producción de alimentos y mejora en la

economía del Estado y del País.

5

Es por tal motivo que se propone el uso de una planta desaladora de ósmosis

inversa que cumpla con la calidad del agua necesaria, para poder efectuar

diversos cultivos, logrando con esto un mejor desarrollo económico y una amplia

variedad de cultivos.

Con la realización de esta investigación se beneficiarán agricultores del Valle de

Yaqui y del resto del país, ya que tendrán mayor producción en sus cosechas sí

siembran con agua de mejor calidad, así como también se verá un avance en la

economía del Estado y del país.

1.5 Limitaciones del estudio

La planta desaladora de ósmosis inversa tiene un caudal de 1.5 l/s para agua

salobre de pozo, se encuentra instalada en el campo experimental 1816, ubicado

en el Valle del Yaqui, Sonora.

La planta está limitada a operar en los meses de mayo a octubre, debido a que en

este periodo no se suministra agua de la presa en los canales de riego.

Solamente se puede sembrar en los lugares en donde se cuente con pozo, el

agua proveniente de estos contiene alta concentración de sales, por lo cual es

muy poca la variedad de cultivos que pueden tener un crecimiento óptimo con

este tipo de agua.

Otro limitante es el nivel del agua del pozo, debido a que si este baja mucho, no

se suministrará agua a la planta desaladora, por lo cual esta dejará de operar.

1.6 Hipótesis

El uso de una planta desaladora de ósmosis inversa es una alternativa para

resolver el problema de la escasez de agua en la agricultura, así como la mala

calidad de la misma, que evita que se lleven a cabo cultivos como en este caso el

sorgo (Sorghum).

6

II. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

2.1 Desalación

La desalación también conocida como desalinización es un proceso de

separación de la sal del agua del mar o de las aguas salobres, para hacerlas

potables o útiles para otros fines (MINAE, 2008).

Para otros autores, la desalación es el proceso de separación de sales de una

solución acuosa, pero que puede ampliarse al proceso de separación de sales

(Valero et al., 2001), ya que existen tecnologías que realizan este proceso y el

último fin a perseguir es la separación de ambos componentes para el uso ya sea

humano, agrícola o industrial del agua producto.

Antes de desalar el agua, es necesario conocer el tipo de agua dependiendo su

salinidad, según los sólidos disueltos totales (SDT) contenidos. En la tabla 2.1, se

muestra la clasificación del tipo de agua dependiendo de si salinidad.

7

Tabla 2.1 Rangos de salinidad de los diferentes tipos de agua.

Denominación del agua Salinidad (ppm de SDT)

Ultrapura 0.03

Pura (calderas) 0.3

Desionizada 3

Dulce (potable) <1000

Salobre 1,000-10,000

Salina 10,000-30,000

Marina 30,000-50,000

Salmuera >50,000

Fuente: Medina (2000); Valero et al. (2001).

Las principales tecnologías usadas en los procesos de desalación son las

tecnologías de membranas y la destilación mediante sistemas térmicos (WHO,

2007).

2.1.1 Planta desaladora

El sistema de desalinización consiste en alimentar agua salobre o marina a una

planta desaladora, que tiene como función el de acondicionar y eliminar sales al

agua, para obtener un producto y un rechazo o salmuera (Cifuentes et al., 2005).

En la figura 2.1 se esquematiza un sistema de desalinización.

Figura 2.1 Esquema de un sistema de desalinización.

Fuente: Cifuentes et al. (2005).

Producto

Salmuera o Rechazo

Planta desaladora

Alimentación

8

Según Mondaca (2004), la desalinización se ha extendido de tal forma, que si en

1969 la capacidad total de desalinización a nivel mundial era del orden de 1 millón

de m3/d, en 1982 pasó a 9 millones de m3/d, mientras que según Torrent (1998),

para 1994 la capacidad mundial era ya de 19 millones de m3/d en

aproximadamente 10,000 plantas instaladas (Figura 2.2).

Figura 2.2 Distribución mundial de plantas desalinizadoras instaladas.

Fuente: Torrent (1998).

2.1.2 Pretratamiento

El principal objetivo del pretatamiento es el de acondicionar el agua de tal manera

que el sistema no se esfuerce de manera significativa para realizar el trabajo para

el cual está diseñado. En la figura 2.3 se muestra la ubicación del pretratamiento

en el proceso de ósmosis inversa.

61% MEDIO ORIENTE

17 % USA

%7 RESTO DEL MUNDO

5% ESPAÑA

5% ITALIA 5% RESTO UE

9

Figura 2.3 Pretratamiento en el proceso de Ósmosis Inversa.

Existen dos tipos de pretratamiento: físico y químico.

El pretratamiento físico: consta de los siguientes equipos: filtro de arena, que sirve

para la remoción de sólidos, filtro de carbón activado para eliminar olores, metales

y desinfección, un suavizador para reducir sales minerales (calcio y magnesio) y

filtros de cartucho, los cuales eliminan impurezas microscópicas.

En el pretratamiento químico: se añaden los siguientes compuestos: ácido

sulfúrico para neutralización, hipoclorito sódico, que sirve para la oxidación de

materia orgánica y cloruro férrico para controlar la coagulación.

2.1.3 Post-tratamiento

Los post-tratamientos necesarios para el agua osmotizada dependen, en gran

parte, de su utilización. El agua permeada es un agua de muy baja mineralización,

con carácter agresivo y con un pH relativamente bajo alrededor de 6.0 – 6.5

producido por la presencia de anhídrido carbónico disuelto que ha atravesado las

membranas o incluso más bajo en caso de haberse utilizado un pre-tratamiento

basado en la acidificación del agua.

En aplicaciones industriales, riego, etc. en muchos casos no es necesario realizar

ningún post-tratamiento pudiéndose utilizar directamente el agua permeada. En

caso de que el agua se destine a consumo humano normalmente se efectúan los

siguientes post-tratamientos:

- Cloración; para evitar la posterior contaminación del agua tratada.

10

- Ultravioleta,

- Remineralización,

- Ozono.

Se puede observar en la figura 2.4, que el post-tratamiento en el proceso de

ósmosis inversa, ocurre en un último paso, en caso de que llegara a ser

necesario.

Figura 2.4 Post-tratamiento en el proceso de Ósmosis Inversa.

2.2 Ósmosis inversa (OI)

La ósmosis es un fenómeno natural a través del cual el agua o sustancia acuosa

pasa a través de una membrana semi-permeable, desde una solución menos

concentrada a una solución más concentrada. Este tipo de ósmosis es la más

habitual en la naturaleza, incluso dentro de nuestro propio cuerpo, nuestras

células están cubiertas de membranas semi-permeables por las que se abastecen

de alimentos y oxígeno, a la vez que eliminan los residuos, todo ello por medio de

ósmosis. La ósmosis inversa es el proceso en el cual se fuerza al agua a pasar a

través de una membrana semi-permeable, desde una solución más concentrada a

una solución menos concentrada mediante la aplicación de presión. Esta técnica

se aplica fundamentalmente al consumo humano, sin embargo, en los últimos

años y debido a la escasez de agua, esta tecnología de producción de agua con

bajo contenido en sales a partir de agua con alta salinidad se aplica en el sector

agrícola (Díaz, 2008).

La ósmosis inversa, que inicia su desarrollo a finales de los años 70, constituye en

la actualidad la técnica más utilizada y parece que cuenta con las mejores

perspectivas de desarrollo. Entre sus principales ventajas cabe destacar el mayor

11

volumen de agua tratada y su costo más reducido. En España, según Cirera y

Shields, (1998) mencionan que la capacidad total de las plantas desaladoras de

agua de mar es superior a 350.000 m3/d. El proceso de OI, es un tipo de

tecnología de membranas que trata agua de mar y agua salobre.

Fig. 2.5 Proceso de Ósmosis Inversa.

Fuente: ECOAGUA (2009).

El proceso de ósmosis inversa se muestra en 3 pasos en la figura 2.5. En el

primer paso, los dos vasos se encuentran separados por una membrana

semipermeable que solo permite el paso del agua; si en el vaso de la derecha se

introduce agua pura y en el de la izquierda agua con sales disueltas, aparece una

presión sobre la membrana desde el lado del agua pura hacia la disolución salina

a efecto de igualar el potencial químico en ambas soluciones, el valor de esta

presión es la presión osmótica de esa solución. Las moléculas de agua de la

disolución salina también pasan hacia el agua pura, pero el balance del número

de moléculas de agua atravesando la membrana es favorable en la dirección

desde el agua pura a la solución salina.

Es así como se crea el segundo paso, que es cuando disminuye la cantidad de

agua pura y se incrementa la cantidad de agua salina, hasta que la columna

diferencial de agua entre ambos recipientes, es tal, que la presión del líquido del

lado de la solución salina iguala la presión osmótica.

En un tercer paso si a este mismo proceso de ósmosis, se le sitúa un émbolo

sobre la superficie de la solución salina y se ejerce presión mecánica sobre ella,

12

cuando se iguala la presión osmótica, el proceso se equilibra y las moléculas

atraviesan de un lado a otro de la misma forma. Se continua aumentando la

presión sobre la solución salina el equilibrio se invierte, pasando más moléculas

de agua de la solución salina hacia el lado de agua pura que en el sentido

contrario como se muestra en el tercer paso, obteniendo agua pura mediante

ósmosis inversa (ECOAGUA, 2009).

El rendimiento del proceso es muy variable y depende de muchos factores; puede

llegar a valores en torno al 90%. En todo caso, el agua no desalada constituye el

rechazo o salmuera residual, que, a diferencia del agua producto, tiene una

presión de salida alta, susceptible de ser aprovechada energéticamente en la

propia instalación. Este sistema de recuperación es aplicado en general a plantas

de ósmosis inversa de agua de mar, ya que el aprovechamiento de la energía

residual sólo es posible con caudales elevados y presiones altas. Los rechazos de

plantas de ósmosis inversa de aguas salobres suponen un 20 o 30% del caudal

aportado (frente al 55 o 60% del agua de mar) y además, debido a las bajas

presiones de operación, es difícil encontrar un sistema de recuperación que

presente rendimientos aceptables (Rubio et al, 1998).

Este proceso es muy útil pero requiere grandes cantidades de energía para

presurizar el sistema de membranas semipermeables (Khawaji, 2008). Esta

energía aplicada es obtenida por energía eléctrica convencional derivada de

combustibles fósiles y de energías renovables.

2.3 Membranas

Una membrana es una barrera al flujo de materias en suspensiones, coloidales o

materias en disolución en un solvente (Letterman, 2002).

2.3.1 Membrana semipermeable

Las membranas en el proceso de Ósmosis Inversa son todas semipermeables.

Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética

13

en la que el agua puede penetrar y traspasar con mucha facilidad otros

compuestos que se encuentran en la misma solución (Chillón, 2009).

Las membranas son las películas finas del material poroso que se pueden utilizar

para varias separaciones químicas (Figura 2.6). Aunque muchas membranas se

hacen de las películas del polímero, también pueden estar hechas de cerámica,

de fibra de carbón, y de sustratos metálicos con poros. Los poros pueden medirse

en dimensiones atómicas (<10 Angstrom hasta +100 micrones).

Figura 2.6 Membranas de ósmosis Inversa.

Fuente: Balastegui (2008).

Una membrana para Ósmosis Inversa debe ser adecuada para resistir presiones

mucho mayores a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones. En

general para aguas salobres de menor concentración en sales se debe aplicar

una presión de 5-25 Bar o 72.5-362.5 Psi. En el caso del agua del mar esta

presión puede ascender a 50- 90 Bar o 725-1305 Psi (Lenntech, 2000).

Se buscan membranas de mayor durabilidad, que presenten una mayor retención

de sales y permeabilidad del agua y que resulten más resistentes al

ensuciamiento, al ataque bacteriológico, a la corrosión y a las variaciones del pH

(Chillón, 2009).

14

El diacetato de celulosa fue el primer polímero utilizado en Ósmosis Inversa en

1962. Presenta una buena retención de sales y permeabilidad de agua pero exige

un estricto control del pH para que no se produzcan efectos de hidrólisis. Además,

estas membranas son susceptibles de sufrir ataques por los microorganismos,

que las degradan. Sin embargo, presentan una buena resistencia frente a la

presencia de oxidantes químicos como el oxígeno y el cloro, ver Tabla 2.2.

Tabla 2.2 Clasificación de las membranas de Ósmosis Inversa.

Parámetros Tipos

Estructura Simétricas, asimétricas

Naturaleza Integrales y compuestas de capa fina

Forma Planas, tubulares y fibra hueca

Composición química Orgánicas e inorgánicas

Carga superficial Neutras, catiónicas y aniónicas

Morfología de la superficie Lisas y rugosas

Presión de trabajo Muy baja, baja, media y alta

Fuente: Fariñas (1999).

2.4 Uso de agua en la agricultura

En el Registro Público de Derechos de Agua (REPDA), se registran los

volúmenes concesionados (o asignados para el caso de cantidades destinadas al

uso público urbano o doméstico) a los usuarios de agua nacionales (CONAGUA,

2012).

En dicho registro se tiene clasificados los usos del agua en 12 rubros, mismos

que para fines prácticos se han agrupado en tres grandes grupos; cuatro de ellos

corresponden a usos consuntivos: el agrícola, el abastecimiento público, la

industria autoabastecida y la generación de energía eléctrica, excluyendo

15

hidroelectricidad, y por último el hidroeléctrico, que se contabiliza aparte por

corresponder a un uso no consuntivo (CONAGUA, 2012).

El mayor volumen concesionado para usos consuntivos del agua es el que

corresponde al agrupado agrícola (Tabla 2.3). Cabe destacar que México es uno

de los países con mayor infraestructura de riego en el mundo (CONAGUA, 2012).

Tabla 2.3. Usos consuntivos agrupados según tipo de origen de fuente de extracción, 2010.

Uso Origen

superficial

(km3)

Origen

subterráneo

(km3)

Volumen

total

(km3)

Porcentaje

de

extracción

(%)

Agrícola 40.57 20.92 61.49 76.7

Abastecimiento

público

4.33 7.11 11.44 14.3

Industria

autoabastecida

1.47 1.73 3.20 4.0

Energía

eléctrica

excluyendo

hidroelectricidad

3.63 0.44 4.08 5.1

TOTAL 50.01 30.20 80.21 100.0

Fuente: CONAGUA (2012).

16

III. MÉTODO Y MATERIALES

Método

El experimento consistió en habilitar y operar una planta desaladora por ósmosis

inversa con capacidad de 100 m3/d, compuesta por 8 membranas SWC4 de la

marca comercial Hydranautics de 8X40”, con la cual se regó sorgo (Sorghum) de

la variedad Ámbar de la marca comercial ASGROW porque se procuró utilizar un

material vegetal resistente a altas concentraciones de sal debido a la finalidad del

proyecto de utilizar agua salada (9,900-10,500 µS/cm) y desalada (100-150

µS/cm).

Para determinar los parámetros de operación se consultó la ficha técnica de la

planta desaladora, así como los requerimientos del cultivo a sembrar por un

agricultor cooperante. Se determinó los valores óptimos de pH, conductividad

eléctrica (µS/cm), sólidos disueltos totales (ppm) y temperatura (°C). El periodo de

operación fue de 4 meses, mismos en los que la planta operó por un lapso de 4

17

horas diarias. Se analizó parámetros de campo y se caracterizó en laboratorio

certificado parámetros fisicoquímicos, bacteriológicos y metales. Con los datos de

laboratorio y parámetros de operación se determinó el costo de operación del

proceso de desalación.

3.1 Habilitación de planta desaladora de ósmosis inversa

La habilitación de la planta consistió en el traslado de esta, hacia el campo

agrícola en donde se realizó el experimentó, en donde se le dio el mantenimiento

y la limpieza necesarios, para que esta pudiera comenzar operar. Esta planta

desaladora comenzó a operar por primera vez en este experimento, dos años

después de que se construyó (ver fig. 3.1)

Se colocó toda la tubería necesaria, para la interconexión del pozo de agua

salobre a la alimentación de la planta, así como también al área de rechazo de

esta misma. Así mismo se colocó la tubería que conecta al tanque del agua

permeada con el sistema de riego.

Se colocó una bomba de 3 HP, monofásica y 440 Volts en el pozo de

alimentación para planta desaladora. El pozo esta perforado hasta los 30 metros,

y la bomba sumergible que extrae el agua en la obra de toma está a 15 metros de

profundidad.

Se colocó los manómetros para medir la presión de entrada y salida en las

membranas, en la entrada y salida de los filtros de cartucho, en la entrada y salida

del filtro multimedia (ver fig. 3.2) y otro más para medir la presión de descarga del

pozo.

18

Figura 3.1 Planta desaladora de Ósmosis Inversa de 100 m3/d.

En la figura 3.1 se muestra una imagen de la planta desaladora de Ósmosis

Inversa, con la que se trabajó en campo para obtener agua de riego.

Figura 3.2 Filtro multimedia (FMM) utilizado en la planta desaladora de 100 m3/d.

3.2 Determinación de caudal de rechazo, de agua producto y de

alimentación

Se midió el caudal en los diferentes puntos de la planta desaladora en donde se

encontró paso de agua, como lo son en la entrada de la planta (agua de

19

alimentación), el agua rechazo de la planta y el agua producto. Para determinar

este parámetro se midió el volumen de agua que se recogió en un tanque de 20

litros de capacidad volumétrica durante un tiempo determinado medido con un

cronómetro, el cual fue de 60 segundos. Después de obtener estos datos, se

realizó el cálculo correspondiente a la fórmula número 1:

Q=V/t (1)

En donde:

Q = es el caudal de agua en la alimentación en (L/s),

V = es el volumen de agua recolectada en litros,

t = es el tiempo en segundos, en el que se recolectó esta cantidad de agua.

3.3 Recuperación de agua en la planta desaladora

Se calculó la recuperación del agua de alimentación utilizando la ecuación

número 2:

R=(P/(P+Rec))*100 (2)

En donde:

R = es el % de recuperación de agua de alimentación,

P = es el caudal en m3/s del agua producto,

Rec = es el flujo de rechazo en m3/s.

3.4 Determinación de parámetros de calidad del agua

Se determinó la conductividad eléctrica (µS/cm), de sólidos disueltos totales

(ppm), pH y temperatura (°C) en el agua de alimentación proveniente del pozo de

agua salobre, en el agua rechazo que se produjo de la planta y en el agua

permeada que se obtuvo después del tratamiento de desalación por membranas

de ósmosis inversa, con un equipo de medición multiparamétrico modelo YSI 556.

Con estas mediciones se pudo observar la diferencia en cuanto a la calidad del

20

agua que se obtuvo en el agua producto, con respecto a la de alimentación. Se

tomó muestras por tres días a la semana, durante un periodo de cuatro meses.

3.5 Medición de parámetros de operación de la planta desaladora en el

pretratamiento

Como parte del pretratamiento se dosificó anticrustante para evitar incrustaciones

en los poros de las membranas, se calculó la cantidad de anticrustante que se

dosificó por cada minuto. El flujo dosificado se reguló mediante la bomba de

dosificación del anticrustante, variando las pulsaciones y frecuencias con las que

se dosificaba este químico, hasta obtener el flujo necesario de anticrustante.

El nombre del anticrustante es: Flocon Plus N, de la marca BWA Water Additives.

La concentración fue preparada en base al caudal de alimentación a la planta

desaladora en (mL/min).

Se midió durante los meses de mayo, junio, julio y agosto del año 2013 con una

frecuencia de 3 por cada semana los parámetros de operación de la planta

desaladora: la presión de descarga de pozo salobre (Psi), presión de entrada y de

salida de filtro multimedia (Psi), presión de entrada y salida de filtro de cartucho

(Psi). Para obtener estos datos, se colocó manómetros en el pozo, en los filtros

multimedia y de cartucho. Las mediciones se registraron en un formato para el

control del proceso.

3.6 Medición de parámetros de operación de planta desaladora en el

proceso de ósmosis inversa

Se midió la frecuencia (Hz) con la que operó el variador de la marca Siemens

para el motor de alta presión. Se midió la presión de entrada y salida en las

membranas, por ser un parámetro muy importante, debido a que a baja presión

las sales no son eliminadas del agua de alimentación, y a altas presiones se

dañan los poros llegando a la ruptura.

21

3.7 Costo de producción de agua

A lo largo del estudio se tomó en cuenta todos los factores económicos que

intervinieron en el proceso de desalinización de agua, ya que se considera

fundamental el análisis de costos de producción para determinar la viabilidad de

esta tecnología en la situación presente.

Para el cálculo del costo de producción de agua se consideró los siguientes

rubros: costo energético, importe unitario de mano de obra, importe unitario de

químicos, importe del mantenimiento.

22

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados

La habilitación y operación de la planta desaladora por ósmosis inversa con

capacidad nominal de 100 m3/d se dio exitosamente, ya que la planta desaladora

fue trasladada desde un almacén (ver fig. 4.1), donde estuvo por más de dos

años, para su instalación en el campo experimental agrícola para su utilización

(ver fig. 4.2), quedando de esta forma instalada in situ para realizar el proceso de

experimentación, reportando todos los parámetros de operación medidos, mismos

que estuvieron dentro del rango aceptable, como a continuación se presentan y

discuten.

23

Figura 4.1 Planta desaladora de ósmosis inversa en centro de investigación de

ITSON, DIAPYME.

Figura 4.2 Planta desaladora de ósmosis inversa instalada en campo

experimental 1816 ubicado en el Valle del Yaqui, Sonora.

4.1 Resultados de la operación de la planta desaladora

El uso de la planta desaladora en este estudio propició el acondicionamiento de

un cuerpo de agua salobre para su uso en riego de cultivos, caso específico del

24

sorgo (Sorghum). De acuerdo a las demandas de riego requeridas por la siembra

antes descrita, se determinó que la planta desaladora tendría que operar tres

veces a la semana, durante un lapso de 4 horas diarias (ver fig. 4.3), en donde se

verificó que estuviera funcionando correctamente para satisfacer tal demanda,

misma que a continuación se explica.

Figura 4.3 Tiempo de operación de planta desaladora

4.2 Resultados del caudal de alimentación, de agua producto y de rechazo

En la Tabla 4.1 se puede observar el promedio de los caudales en los diferentes

puntos de muestreo. Se puede ver que el flujo del agua producto es mayor al flujo

nominal, el cual de acuerdo a la ficha técnica elaborada por el fabricante de la

planta desaladora es 1.15 L/s para agua de mar. Esto es porque el agua con la

que se trabajó en este experimento es agua salobre la cual tiene una

concentración salina menor, produciéndose con esto un mayor caudal que si se

trabajara con agua marina.

Tabla 4.1 Resultados de los caudales de agua alimentación, producto y rechazo

Muestra Caudal (L/s)

Alimentación 1.7693

Producto 1.5415

Rechazo 0.2278

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7Ho

ras

de

op

era

ció

n d

iari

as

Día de la semana

Tiempo de operación de planta desaladora

25

4.3 Resultados de la recuperación de agua en la planta desaladora

El parámetro de recuperación es controlable, ya que se pueden hacer ajustes

para tener la recuperación deseada, esto se logra ajustando el flujo de agua

producto y el de agua de rechazo.

Figura 4.4 Recuperación de agua producto de la planta desaladora de ósmosis

inversa.

En la figura 4.4 se puede deducir que la planta estuvo trabajando con un

promedio del 86.65% de recuperación. Y el dato mayor de recuperación fue de

92.46%, el valor mínimo de recuperación obtenido fue del 80.15%.

4.4 Resultados de la calidad del agua

En esta sección se muestran los resultados de la calidad del agua, en tres puntos

importantes del estudio, que son: el agua de alimentación, el agua producto y el

agua de rechazo. Los valores mostrados en la Tabla 4.2 son los que se

obtuvieron de resultados de pruebas fisicoquímicas en el laboratorio, y los

resultados arrojados por el sensor multiparamétrico son los mostrados en la Tabla

4.3.

78

80

82

84

86

88

90

92

94

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Po

rce

nta

je d

e r

ecu

pe

raci

ón

Muestreo

Recuperación de agua producto

Máxima

Instantánea

Mínima

Media

26

En la Tabla 4.2 se muestra la caracterización hecha al agua de alimentación

proveniente del pozo, el agua producto de la desalinización y el agua de rechazo

o salmuera obtenida del proceso.

Tabla 4.2 Caracterización de las corrientes de agua en la planta desaladora.

RAS: Razón de Adsorción de Sodio; PSI: Porcentaje de Sodio Intercambiable;

ND: No Detectable.

En la Tabla 4.3 se muestra un promedio de los parámetros de calidad del agua

medidos en varias muestras con el sensor multiparamétrico YSI, tanto en el agua

de alimentación proveniente del pozo, como en el agua permeada y en el agua de

rechazo. En el anexo 1 se muestran los datos obtenidos de los parámetros de

calidad del agua en las diferentes corrientes de agua en la planta desaladora en

los varios muestreos que se realizaron.

Tabla 4.3 Promedio de parámetros de calidad del agua en las diferentes

corrientes de agua en la planta desaladora

Muestra pH Temperatura

(°C)

Conductividad

eléctrica

(µS/cm)

Sólidos

disueltos

totales (ppm)

Alimentación 7.426 26.506 10,433.2 6,610.2

Producto 6.404 27.022 103.0 64.8

Rechazo 7.690 29.574 35,341.4 21,300.0

Como resultado se obtuvo, que la planta desaladora por ósmosis inversa estaba

realizando su trabajo correctamente ya que bajó la concentración de sales en el

agua producto, también se tuvo una reducción muy significativa de conductividad

eléctrica y sólidos disueltos totales por acción de las membranas

Muestra (meq/L)

RAS PSI Ca++ Mg++ Na+ K+ CO3= HCO3

- SO4= Cl-

Alimentación 12.00 16.00 0.10 0.10 0.00 13.20 17.65 22.50 1.71 1.25

Producto 0.04 0.04 0.10 0.10 0.00 0.32 0.43 0.08 0.00 0.00

Rechazo 30.00 30.00 45.00 0.40 0.00 36.00 45.65 61.00 8.22 9.79

27

semipermeables. Se tuvo una remoción del 98% de los sólidos disueltos totales

que presentaba el agua de alimentación proveniente del pozo salobre. A partir de

los datos de la Tabla 4.3 se puede deducir que existe una relación de 1.5 entre la

conductividad eléctrica y los sólidos disueltos totales, es decir; CE= 1.5*SDT.

El pH del agua producto con la que se regó el sorgo (Sorghum) en esta

investigación fue de 6.4. Se observa que la planta desaladora disminuye el pH del

agua producto, respecto a la alimentación (Tabla 4.3). En cultivos como el tomate

y la calabaza en donde el pH del agua de alimentación de esta investigación

sobrepasa el rango óptimo, es conveniente regar con el agua desalada, la cual

está dentro del rango óptimo de pH, que es cuando las plantas absorben mejor

los nutrientes disponibles. Con respecto al sorgo se observa que este cultivo es

más tolerable a este parámetro, incluso el agua de alimentación lo satisface, pero

el contenido salino no, como se explica más adelante. Esto se puede verificar con

lo reportado por INFOAGRO (2013) en la tabla 4.4.

Tabla 4.4. Rangos de pH óptimo para distintos cultivos

Cultivo pH óptimo

Sorgo 5.8-7.5

Remolacha 6.0-7.6

Tomate 5.8-7.2

Maiz 5.5-7.5

Calabaza 5.6-6.8

Fuente: INFOAGRO (2013)

La eliminación de carbonatos y bicarbonatos del agua en la ósmosis inversa es lo

que hace que el agua producto pueda bajar su pH, esto debido a que el agua de

alimentación proveniente del pozo suele contener bicarbonatos (cálcico, sódico,

magnésico) y carbonatos (cálcico) que elevan el pH del agua (ver Tabla 4.2).

La temperatura es un factor variable, debido a que se presentaron diferencias de

temperatura en todos los días de muestreo (ver anexo 1). La temperatura del

agua en el caudal de rechazo y de producción siempre fue mayor a la de

alimentación, esto debido a la fuerte presión que ejerce el bombeo en la ósmosis

28

inversa. Se debe cuidar que este factor no presente un valor mayor a los 45°C en

el agua de alimentación, ya que esto puede dañar el equipo por el efecto de que

se abren los poros de la membrana por la alta temperatura y daña a las

membranas al pasar la sal sin ser retenida por los poros.

4.5 Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en el

pretratamiento

La cantidad dosificada de anticrustante requerida para el pretratamiento con el fin

de controlar la incrustación en las membranas fue de 2.975 mL/min de

anticrustante. Esta dosificación es el resultado de sostener una concentración de

3 mg/L en el caudal de producción nominal de 100 m3/d, partiendo de que el

anticrustante concentrado es de 100 g/L de acuerdo con la ficha técnica del

fabricante de este compuesto químico que es BWA Water Additives.

Figura 4.5 Bomba de dosificación de anticrustante, en el área del pretratamiento.

En la figura 4.5 se muestran las bombas dosificadoras de químicos siendo la del

tanque de la izquierda la del anticrustante, aforado a 30 litros.

En la Tabla 4.5 se muestra un promedio de los resultados de los parámetros que

se midieron en el pretratamiento de la ósmosis inversa, se puede observar en las

lecturas promedio, que siempre se estuvo operando dentro del rango óptimo, esto

es importante porque de esta manera no se dañará el equipo al controlar las

29

variables del proceso. Para verificar todas las lecturas tomadas en los diferentes

días de muestreo (ver anexo 2).

Tabla 4.5 Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en

el pretratamiento1 con respecto a los de la ficha técnica del equipo2

Parámetro Unidad Min2 Max2 Lecturas1

Min Promedio Max

Presión descarga de pozo Psi 50 80 63 67.5 72

Presión de entrada FMM Psi 40 70 53 58.91 65

Presión de salida FMM Psi 40 60 45 51.5 59

Presión diferencial FMM Psi 0 15 5 7.41 9

Presión de entrada filtro

pulidor

Psi 40 60 45 51.5 59

Presión de salida filtro

pulidor

Psi 35 60 45 51.5 59

Presión diferencial filtro

pulidor

Psi 0 10 0 0 0

Min= mínimo; Max= máximo

La presión que ejerce el equipo de bombeo desde la posición en la obra de toma

es de 67.5 Psi, misma que decae hasta 58.91 en la entrada del filtro multimedia

(FMM) presentando un diferencial de 8.59 Psi por efecto de la distancia entre la

obra de toma y el FMM la cual es de aproximadamente 20 metros. Con respecto

al FMM se puede observar que hay una caída de presión de 7.41 Psi donde lo

recomendado por la empresa Hydranautics es que no sea mayor de 15 Psi esto

indica que la presión entre la bomba de alimentación del pozo y el primer contacto

con el filtro es correcta. Posteriormente la caída de presión del filtro pulidor no

cambió respecto a la salida del FMM, esto indica que el filtro pulidor está

completamente libre de impurezas, permitiendo continuar el flujo del agua de

alimentación hacia el proceso de ósmosis inversa sin ningún problema. Una

explicación a lo anterior es que el FMM es el que está realizando la eliminación de

30

partículas sólidas suspendidas en el agua de alimentación, por otra parte el hecho

de tener una obra de toma de un pozo también hace que el agua de alimentación

contenga una cantidad mínima de sólidos suspendidos. Esto es una ventaja con

respecto a obras de toma directas a mar abierto, ya que las aguas subterráneas

salobres reciben una filtración natural en el subsuelo y están libres de organismos

acuáticos.

4.6 Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en el

proceso de ósmosis inversa

En la Tabla 4.6 se muestra el promedio de los resultados de los parámetros de

operación de la planta desaladora de 100 m3/d. En esta Tabla se puede observar

que el variador de frecuencia, siempre trabajó al límite al registrar lecturas en

promedio de 35.66 Hz, debido a que la planta desaladora operaba a su máxima

capacidad de producción. Lo que originó este dato fue el hecho de que la bomba

del pozo de alimentación presentó una potencia mayor a la requerida por la planta

de desalación, esto también explica la alta eficiencia observada en el

funcionamiento de los filtros FMM y pulidor.

Tabla 4.6 Resultados de los parámetros de operación de la planta desaladora en

la ósmosis inversa1 con respecto a los de la ficha técnica del equipo2

Parámetro Unidad Min2 Max2 Lecturas1

Min Promedio Max

Variador de frecuencia Hz 32 36 33 35.66 36

Presión de entrada

membranas

Psi 250 400 275 335.41 370

Presión de salida

membranas

Psi 250 400 270 329.16 360

Presión diferencial de

membranas

Psi 0 50 0 6.25 20

Min= mínimo; Max= máximo

31

Así mismo se puede observar una presión en la entrada del sistema de

membranas de 335.41 Psi y el diferencial entre las presiones de entrada y salida

de las membranas fue de 6.25 Psi, este diferencial es un dato que nos indica que

se esperaba una larga de las membranas, la cual dependerá de una eficaz

aplicación del sistema de pretratamiento.

Para verificar todas las lecturas tomadas de los parámetros de operación de la

planta desaladora en el proceso de ósmosis inversa en los diferentes muestreos

(ver anexo 3).

4.7 Resultados del costo de producción de agua

Los resultados de costos de producción de agua se muestran en la Tabla 4.7.

Tabla 4.7 Costos de producción de agua con cambios proyectados

Concepto Costo ($/m3)

Costo energético 3.78

Importe unitario M.O. 1.73

Importe unitario Químicos 0.08

Importe del mantenimiento 0.57

Total 6.16

Se puede observar que el costo energético representa el 61.36% del costo total

del m3 de agua producto, por lo cual se pueden buscar nuevas alternativas de

energía que sean menos costosas como lo es la energía solar, siendo esta menos

dañina para el medio ambiente, gracias a que no hay emisiones de gases de CO2.

32

V. CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos al habilitar y operar la planta desaladora por

ósmosis inversa para su uso en agricultura, durante el periodo de Mayo-Agosto

del 2013 se concluye lo siguiente:

La planta desaladora de ósmosis inversa con un flujo nominal de 100 m3/d se

habilitó y operó exitosamente, operando siempre dentro de los rangos de presión

permisibles, evitando con esto el daño o deterioro de la misma.

Con el agua producto se regó el cultivo del sorgo (Sorghum), para satisfacer la

demanda de agua que requiere este cultivo se operó la planta desaladora por tres

días a la semana durante 4 horas cada día. Durante el último mes por cuestión

climática se incrementó la demanda y se tuvo un aumento de cuatro días a la

semana durante cuatro horas cada día.

33

El flujo de agua de producción fue de 1.5 L/s, superior al nominal de la planta

desaladora que es de 1.15 L/s.

El porcentaje promedio de recuperación de agua producto fue de 86.65%, el cual

resultó mayor al porcentaje de recuperación nominal el cual es de 45% para agua

de mar y de 80-85% para agua salobre.

Los componentes iónicos y catiónicos del agua de alimentación fueron eliminados

de forma significativa por la acción de ósmosis inversa para generar un agua

producto de mínima salinidad la cual presentó una conductividad eléctrica de 103

µS/cm y 64.8 ppm de sólidos disueltos totales. Todos los parámetros

fisicoquímicos satisfacieron la calidad requerida por el cultivo del sorgo

(Sorghum). La remoción de sólidos disueltos totales fue del 98%. Por otra parte

los componentes iónicos y catiónicos en el agua de rechazo se concentraron en

mayor medida como era de esperarse, por lo que esta agua debió de desecharse.

Los parámetros de operación de la planta desaladora en el pretratamiento

resultaron dentro de lo óptimo al presentar un diferencial de 7 Psi en el filtro

multimedia (FMM) y no existe diferencial de presión en el filtro pulidor, lo que

indica que la filtración se realizó principalmente en el FMM.

Por otra parte en el sistema de ósmosis inversa se observó una operación óptima

al presentar el variador de frecuencia 36 Hz y una presión en la entrada del

sistema de membranas de 370 Psi y el diferencial entre las presiones de entrada

y salida de las membranas fue de 15 Psi, este diferencial es un dato que indica

que se espera una larga vida de las membranas, la cual dependerá de una eficaz

aplicación del sistema de pretratamiento.

El costo total de producción de agua desalada fue de 6.16 $/m3, en donde el costo

energético representa el 61.36%.

Finalmente se concluye que la hipótesis propuesta se cumple, ya que al aplicar

este método de desalación en un campo agrícola, la calidad del agua obtenida

presentó una mejora altamente significativa, manifestándose cuantitativamente y

34

cualitativamente en la reducción de carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, lo cual

mejoró el pH del agua con la que se regó el terreno agrícola.

La desalación de agua de pozos de agua salobre es una buena respuesta para

resolver la problemática de escasez de agua que se presenta en el Valle del

Yaqui, que permitió la implementación de una planta desaladora para la

desalación de pozos de agua salobre.

Al final de la operación de la desaladora, se concluye que este proceso con esta

calidad de agua es eficiente ya que permite recuperar un alto porcentaje de agua

producto respecto al agua de alimentación.

35

RECOMENDACIONES

Se recomienda a los agricultores del Valle del Yaqui, y de zonas costeras de Sonora con acceso al agua salobre en donde existe escasez de agua dulce a hacer uso de esta tecnología, que es la desalación de agua de pozos salobres por ósmosis inversa, la cual es una alternativa buena para evitar la escasez y mala calidad del agua que se está viviendo a principios del siglo XXI, y que está afectando fuertemente a la agricultura. Se recomienda hacer uso de energías renovables para el proceso de ósmosis inversa, como lo es la energía solar, ya que con la implementación de esta se reduciría el costo del agua desalada. Así mismo, buscar alternativas para mejorar los materiales de las membranas que eficienten su limpieza pues el proceso es muy dependiente de ellas, y generar dispositivos con procedimientos de auto limpieza de membranas para preservarlas mayor tiempo. Finalmente, se recomienda hacer estudios de este tipo con cultivos más rentables como podrían ser las hortalizas, para así poder observar el mayor rendimiento que se obtiene por regar con agua de la calidad adecuada para este tipo de cultivos.

36

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WHO (2007). Desalinización para el suministro de agua potable segura. Guía de

los Aspectos Ambientales y de Salud Aplicables a la Desalinización.

Ginebra.

39

ANEXOS

Anexo 1. Parámetros de calidad del agua en las diferentes corrientes de agua en la planta desaladora

Corriente Parámetro Muestra

1 2 3 4 5

Alimentación

pH 7.80 7.30 7.41 7.37 7.25

Temperatura (°C) 26.38 27.50 25.96 26.61 26.08

Conductividad

eléctrica (µS/cm)

10,485.00 10,206.00 10,455.00 10,620.00 10,400.00

Sólidos disueltos

totales (ppm)

6,605.00 6,450.00 6,672.00 6,700.00 6,624.00

Producto

pH 6.25 6.47 6.40 6.50 6.40

Temperatura (°C) 26.90 27.00 27.28 27.25 26.68

Conductividad

eléctrica (µS/cm)

166.00 85.00 109.00 64.00 91.00

Sólidos disueltos

totales (ppm)

104.00 53.00 69.00 40.00 58.00

Rechazo

pH 7.68 7.75 7.91 7.69 7.42

Temperatura (°C) 27.57 27.89 35.37 28.67 28.37

Conductividad

eléctrica (µS/cm)

40,739.00 36,600.00 32,598.00 34,170.00 33,600.00

Sólidos disueltos

totales (ppm)

25,100.00 22,500.00 17,710.00 20,670.00 20,520.00

40

Anexo 2. Parámetros de operación de la planta desaladora de capacidad nominal de 100 m3/d en el pretratamiento

Parámetro Unidad Lectura

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Presión descarga de

pozo Psi

63 70 68 64 67 70 72 70 65 67 64 70

Presión de entrada FMM Psi 53 62 58 54 58 64 65 62 55 58 55 63

Presión de salida FMM Psi 45 54 50 45 50 59 58 56 47 50 47 57

Presión diferencial FMM Psi 8 8 8 9 8 5 7 6 8 8 8 6

Presión de entrada filtro

pulidor

Psi

45 54 50 45 50 59 58 56 47 50 47 57

Presión de salida filtro

pulidor

Psi

45 54 50 45 50 59 58 56 47 50 47 57

Presión diferencial filtro

pulidor

Psi

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

41

Anexo 3. Parámetros de operación de la planta desaladora con capacidad nominal de 100 m3/d en la ósmosis inversa

Parámetro Unidad Lectura

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Variador de frecuencia Hz 36 35 33 36 36 36 36 36 36 36 36 36

Presión de entrada

membranas Psi

310 280 275 310 310 370 370 370 360 355 350 365

Presión de salida

membranas Psi

310 280 270 310 310 350 360 355 350 350 350 355

Presión diferencial de

membranas Psi

0 0 5 0 0 20 10 15 10 5 0 10