Pregunta: Tenemos previsto instalar un pequeño laboratorio para nuestro taller de galvanoplastia y necesitamos agua de la máxima calidad. Para asegurarnos de ello, nos gustaría comprar nuestra propia planta de tratamiento de agua. ¿Qué tecnologías modernas y rentables existen para producir un agua lo más pura posible?
Respuesta: El deseo de un suministro autosuficiente de agua pura para un laboratorio está muy extendido. Para ello existen diversas tecnologías modernas y rentables, que se describen con más detalle en el curso en línea "Tecnología medioambiental Parte 2 - Tecnología energética y de reciclado" [1].
La elección de la tecnología adecuada depende de los requisitos específicos de pureza, el rendimiento y los recursos disponibles. Algunas tecnologías, como la ultrafiltración o la destilación, se descartan por la inadecuada calidad del agua, el coste y el tiempo.
Ósmosis inversa (OI)
En la ósmosis inversa, el agua se presuriza a través de una membrana semipermeable que sólo deja pasar las moléculas de agua y retiene la mayoría de las impurezas. El proceso comienza con una presurización previa, en la que el agua se hace pasar a través de la membrana a alta presión. Esta membrana filtra las sales disueltas, las sustancias orgánicas, las bacterias y otras impurezas. El agua que atraviesa la membrana se denomina permeado y es muy pura, mientras que el agua restante con las impurezas se vierte como concentrado o agua residual. El agua residual que se produce durante la ósmosis inversa y que contiene las impurezas retenidas se conoce como concentrado o retentado.
La ósmosis inversa se utiliza a menudo cuando se necesita agua muy pura. Es el caso, en particular, de los laboratorios, la fabricación de productos farmacéuticos, la industria alimentaria y de bebidas, la producción electrónica y la desalinización del agua de mar. También se utiliza en los hogares para producir agua potable de alta calidad.
La rentabilidad de la ósmosis inversa depende en gran medida del consumo de agua y de los requisitos específicos de pureza del agua. Un sistema de ósmosis inversa puede ser muy útil y económico para un consumo de agua pequeño o medio, como el de los hogares o pequeños laboratorios. Para aplicaciones industriales de mayor envergadura, los costes de funcionamiento son más elevados, pero suelen estar justificados por la calidad del agua producida y los requisitos específicos de pureza.
El coste inicial de un sistema de ósmosis inversa varía mucho en función del tamaño y la capacidad. Los sistemas pequeños para uso doméstico pueden adquirirse a partir de unos 200 a 500 euros. Los sistemas medianos para laboratorios o aplicaciones industriales más pequeñas oscilan entre 1.000 y 10.000 euros. Los grandes sistemas industriales pueden costar decenas de miles de euros, dependiendo de su complejidad y capacidad. Además de los costes de adquisición, también hay que tener en cuenta los costes de funcionamiento derivados de la sustitución periódica de las membranas, la energía para la presión de funcionamiento y la eliminación de las aguas residuales.
Membrana en ósmosis inversa
Intercambiador de ionesIntercambiador de iones
En la tecnología de intercambio iónico, los iones no deseados del agua se sustituyen por materiales a base de resina que eliminan iones específicos del agua y los sustituyen por otros iones no problemáticos.
El proceso comienza haciendo pasar el agua a tratar por una columna de resinas de intercambio iónico. Estas resinas consisten en pequeñas esferas de plástico poroso que contienen cationes cargados positivamente o aniones cargados negativamente. Hay dos tipos principales de intercambiadores de iones: intercambiadores de cationes e intercambiadores de aniones. Las resinas intercambiadoras de cationes intercambian iones cargados positivamente, como el calcio y el magnesio, por iones de hidrógeno, mientras que las resinas intercambiadoras de aniones intercambian iones cargados negativamente, como el cloruro y el sulfato, por iones de hidróxido.
A medida que el agua fluye por la columna de resina, los iones no deseados se unen a la resina y son sustituidos por los iones de intercambio correspondientes. El agua resultante que sale de la columna está libre de los iones no deseados y tiene una mayor pureza. Suponemos que estos sistemas ya se utilizan en su producción.
El proceso de intercambio es continuo hasta que se agota la capacidad de la resina. Entonces hay que regenerar la resina, lo que se hace enjuagándola con una solución concentrada de los iones de intercambio (por ejemplo, solución salina en sistemas de ablandamiento de agua, HCl y NaOH en sistemas industriales).
Los costes de adquisición de los sistemas de intercambio iónico varían mucho en función del tamaño y la aplicación. Los sistemas pequeños para hogares pueden costar unos cientos de euros, mientras que los sistemas industriales más grandes pueden costar decenas de miles de euros. Los costes de funcionamiento se derivan de la necesidad periódica de regenerantes y de la sustitución o preparación de las resinas, así como de los costes de las aguas residuales debidos a los llamados eluatos. Los cartuchos sustituibles que ofrecen los proveedores se utilizan en laboratorios especialmente pequeños. La ventaja es que no hay que preocuparse por la regeneración.
Los cartuchos intercambiables pueden ser los llamados intercambiadores de lecho mixto. Los intercambiadores de lecho mixto contienen resinas intercambiadoras de cationes y resinas intercambiadoras de aniones en un único recipiente o cartucho. Pueden llevar el agua a un nivel de pureza muy alto, a menudo comparable a la calidad que se consigue con procesos de varias etapas como la ósmosis inversa y los intercambiadores de iones por separado. Son fáciles de usar y mantener, ya que no requieren etapas de regeneración separadas.
Proceso de filtración
Electrodesionización (EDI)
La electrodesionización es una tecnología avanzada de tratamiento del agua que combina resinas de intercambio iónico y campos eléctricos para producir continuamente agua de gran pureza. A menudo se utiliza como etapa de postratamiento tras la ósmosis inversa para aumentar aún más la pureza del agua y reducir la conductividad a niveles muy bajos.
El proceso EDI comienza con el suministro de agua prepurificada. El agua fluye a través de una célula EDI formada por varias capas finas, incluidas resinas de intercambio iónico en forma de intercambiador de lecho mixto y membranas de intercambio iónico. Estas capas están dispuestas de tal manera que permiten alternativamente el paso de cationes y aniones.
En la célula EDI se aplica un campo eléctrico que obliga a los iones del agua a atravesar las membranas de intercambio iónico. Las resinas de intercambio iónico actúan como medios conductores que absorben los iones y los transportan a través de las membranas.
Una gran ventaja del EDI es que las resinas de intercambio iónico se regeneran continuamente. El campo eléctrico garantiza que las resinas pierdan su carga iónica y vuelvan a estar disponibles inmediatamente para el intercambio de iones. Esto elimina la necesidad de agentes químicos de regeneración, como ácidos o álcalis, que son necesarios en los sistemas convencionales de intercambio iónico.
El EDI se utiliza en diversas aplicaciones en las que se requiere agua extremadamente pura. Entre ellas se encuentran los laboratorios, la industria farmacéutica, la industria electrónica y las centrales eléctricas.
La rentabilidad de los sistemas EDI depende de los requisitos específicos de la aplicación y del tamaño del sistema. El coste inicial de los sistemas EDI puede ser superior al de los intercambiadores de iones convencionales, pero los menores costes de funcionamiento y las ventajas de la regeneración continua sin productos químicos suelen hacerlos más económicos a largo plazo. Los sistemas EDI típicos para aplicaciones industriales pueden costar entre varios miles y decenas de miles de euros, dependiendo de la capacidad y los requisitos específicos.
Prefiltración y postfiltración
Dependiendo de la calidad del agua, puede ser necesaria o no una filtración posterior, por ejemplo para eliminar impurezas orgánicas y bacterias. En este caso se pueden utilizar filtros de carbón activado y desinfección UV.
La desinfección UV utiliza luz ultravioleta para eliminar los microorganismos del agua. El agua se canaliza a través de un tubo UV o se crea un tanque de almacenamiento en el que se instalan lámparas UV. La ultrafiltración (UF) también podría servir de "prefiltro". El proceso de UF comienza con la alimentación de agua bruta a un sistema de UF. El agua pasa a través de la membrana bajo presión, de forma muy similar a la ósmosis inversa. La membrana actúa como una barrera, reteniendo las partículas más grandes, bacterias, virus y coloides, mientras que las moléculas más pequeñas y las sustancias disueltas pasan a través de los poros. Los poros de las membranas de UF suelen tener un tamaño de entre 0,01 y 0,1 micrómetros.
Aunque tanto la UF como la OI son tecnologías de filtración por membrana, difieren significativamente en cuanto al tamaño de los poros, el rendimiento de la separación, las condiciones de funcionamiento requeridas y las aplicaciones típicas. Sólo con UF no se conseguirá la calidad de agua necesaria para un laboratorio.
Conclusión
Decidirse por la tecnología adecuada depende, sobre todo, de la calidad del agua que necesite y de su presupuesto. El rendimiento y las necesidades de espacio también pueden influir.
Para laboratorios pequeños, recomendamos empezar con cartuchos intercambiadores, pero manteniendo abierta la opción de la ósmosis inversa. Si necesita agua especialmente pura, le recomendamos una combinación de ósmosis inversa y electrodesionización.
FUENTE
[1] Curso GTFY "Tecnología Medioambiental Parte 2 - Tecnología Energética y de Reciclado " https://www.galvanotechnik-for-you.de/uebersicht-kurse/umwelttechnik-teil-2-energie-und-recyclingtechnik/
