Establecer procesos de tratamiento para obtener alta confiabilidad.

Esta primera entrega de la serie explora varios aspectos importantes del pretratamiento del sistema de maquillaje de alta pureza.

PorBrad Buecker, Buecker y asociados, LLC

PorKatie Perryman, ChemTreat, Inc.

Ha pasado más de un siglo desde que se utilizó por primera vez el vapor para impulsar turbinas/generadores para la producción eléctrica. A medida que la tecnología de las calderas avanzó desde los primeros diseños, los propietarios, operadores y personal técnico de las plantas de energía comenzaron a darse cuenta de que las crecientes presiones y temperaturas de los generadores de vapor requerían agua de reposición de alta pureza para minimizar la corrosión y la formación de incrustaciones. Esto llevó al avance de la tecnología de intercambio iónico (IX) para producir repostaje de calderas con bajas concentraciones de impurezas de partes por billón (ppb).

En las últimas décadas, los métodos de membrana, en particular la ósmosis inversa (RO), se han vuelto populares para la desmineralización primaria, y el intercambio iónico ahora sirve para "pulir" el producto de RO para la composición de los generadores de vapor. En esta serie, examinaremos varios aspectos de las tecnologías actuales y las capacidades de los sistemas modernos. La Parte 1 ofrece una discusión sobre los métodos de pretratamiento, que son muy importantes para reducir la contaminación, la incrustación y otras alteraciones químicas dentro de las membranas de RO y las resinas IX.

Aunque los suministros de agua dulce están disminuyendo (sujeto a fluctuaciones regionales), muchas instalaciones industriales todavía utilizan reposición de lagos, embalses o ríos. El agua se mueve alrededor del mundo en un proceso conocido como ciclo hidrológico.

El vapor de agua puede transportarse muchos kilómetros antes de que las condiciones atmosféricas provoquen condensación y precipitación. En su camino, el vapor de agua puede absorber gases de la atmósfera, incluidos contaminantes, que alteran su química. La química del agua también está influenciada por el suelo, los depósitos minerales y la vegetación sobre la cual fluye el agua (o se filtra para convertirse en agua subterránea).

La Tabla 1 proporciona un análisis instantáneo de hace varios años de los principales componentes de un lago del Medio Oeste.

Para los generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG) de servicios públicos y las calderas convencionales de combustible fósil, las pautas comunes para el tratamiento de efluentes del agua de reposición son:

Al comparar la Tabla 1 con estas pautas, se hace evidente que incluso los sistemas con agua dulce como fuente de reposición cruda pueden necesitar reducir drásticamente las concentraciones de impurezas antes de enviar el agua a calderas de alta presión. La mayoría de los sistemas de energía modernos, como las unidades de ciclo combinado con HRSG, dependen principalmente del pulido RO e IX para producir agua de alta pureza.

Es común que los contratistas cambien las “botellas” IX agotadas por recipientes que contienen resina recién regenerada, lo que elimina la necesidad de regeneración in situ con ácido y cáustico.

Para la configuración que se muestra en la Figura 2, el pretratamiento se centra en gran medida en reducir la contaminación y el crecimiento orgánico en las membranas de OI.

En este artículo, destacamos las opciones de pretratamiento para problemas de aguas superficiales, que incluyen:

En el siglo XX, la clarificación con filtración multimedia era el método común para eliminar partículas del efluente del clarificador. Un clarificador/filtro bien diseñado y operado puede producir agua con menos de 1 NTU de turbiedad. Sin embargo, las tecnologías de membranas de micro y ultrafiltración se han convertido en un sustituto popular de la clarificación, a menos que sea necesario ablandar con cal para reducir las concentraciones de dureza y alcalinidad, que pueden ser elevadas en algunos suministros de agua subterránea. La Figura 3 a continuación muestra una unidad de microfiltración (MF) de 300 galones por minuto (gpm) elegida como reemplazo de un clarificador antiguo de una planta de energía.

Figura 3. Plataforma de microfiltro que incluye los 24 módulos necesarios para producir 300 gpm de agua de alimentación de ósmosis inversa filtrada. El tanque de retención de agua cruda de entrada, con bombas de avance y retrolavado, está a la izquierda. Foto de Brad Buecker.

La unidad redujo la turbidez de reposición de RO de un rango típico de 0,5 a 1,0 NTU a menos de 0,05 NTU. (2) Esto condujo a una reducción drástica en la frecuencia de limpieza de membranas y filtros de cartucho de RO. Ya no era necesario ajustar periódicamente las dosis de coagulante y floculante clarificador para adaptarlas a los cambios en los caudales. Esta unidad MF en particular demostró ser extremadamente confiable, siempre que se le realizara una limpieza exhaustiva fuera de línea cada dos o tres meses. Para esta aplicación (y también para la limpieza de intercambiadores de calor auxiliares en toda la instalación), los mecánicos de la planta fabricaron un recipiente portátil con mezclador, calentador, mangueras y una bomba de circulación para calentar las soluciones de limpieza a cerca de 100°F.

Normalmente, una limpieza de dos pasos comienza con la circulación de una solución cáustica y blanqueadora relativamente diluida pero potente para eliminar sustancias orgánicas y microbios. Después del enjuague, la circulación de ácido cítrico diluido elimina las partículas de óxido de hierro.

El proceso normal para el funcionamiento de MF y UF implica producir agua filtrada durante un período determinado, por ejemplo, 20 minutos, seguido de un proceso de retrolavado/depuración con aire de uno a dos minutos para eliminar las partículas que se han acumulado en las membranas. Los sólidos salen en un pequeño chorro de aguas residuales. Las unidades modernas también incluyen un paso periódico de retrolavado químicamente mejorado (CEB), en el que se agrega cáustico o un quelante (a menudo ácido cítrico) al agua de retrolavado para ayudar a limpiar las membranas. La elección química depende de los sólidos típicos que se acumulan en las membranas.

Existen tres diseños para membranas MF/UF:

El diseño de fibra hueca es el más común, con sistemas presurizados y de vacío disponibles para diferentes necesidades de aplicación.

Los materiales de membrana típicos incluyen polietersulfona (PES), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polipropileno (PP) y polisulfona (PS), siendo PES y PVDF los más comunes. Ambos son hidrófilos, lo que significa que la superficie del lumen se humedece completamente para ayudar a resistir la contaminación orgánica. El PES tiene una permeabilidad ligeramente mejor que el PVDF. Estos materiales toleran fácilmente una alimentación oxidante continua, un método común para minimizar la contaminación microbiológica.

El PES tiene una mayor tolerancia cáustica para la eliminación de compuestos orgánicos durante las limpiezas fuera de línea, mientras que el PVDF tiene una mayor tolerancia al cloro y una mayor durabilidad de la membrana. Estos son factores importantes a la hora de decidir qué material es mejor para fuentes de agua o factores operativos particulares.

También se encuentran disponibles diseños de membranas presurizadas o sumergidas. Los sistemas presurizados pueden tener una ruta de flujo de adentro hacia afuera o de afuera hacia adentro, mientras que los diseños sumergibles, con las membranas suspendidas en un tanque que contiene el agua de alimentación, son de afuera hacia adentro, con un suave vacío que empuja el agua hacia el núcleo central de las membranas.

El potencial de intensas excursiones de sólidos suspendidos es una consideración importante al diseñar sistemas de membranas. Estas excursiones son más comunes en aguas fluviales después de fuertes precipitaciones. Puede ser necesaria alguna forma de precribado o sedimentación de partículas aguas arriba de MF o UF, aunque las membranas sumergidas pueden manejar concentraciones de sólidos mucho más altas que los sistemas presurizados.

Los datos históricos sobre la calidad del agua pueden ser muy valiosos para la selección de procesos y equipos en estos casos. Por ejemplo, la turbiedad en algunos ríos puede aumentar desde un solo dígito hasta cientos o incluso miles de NTU durante lluvias intensas. Sin análisis estacionales para confirmar tales fluctuaciones, las condiciones extremas pueden causar fallas en el sistema de pretratamiento.

El biocida oxidante (a menudo lejía) es una opción de tratamiento típica para inhibir la contaminación microbiológica en las redes de agua y equipos de tratamiento en la mayoría de los sistemas de reposición de agua cruda. Desafortunadamente, el material principal de la mayoría de las membranas de ósmosis inversa (no el espaciador ni el material de soporte) tiene una química de poliamida que contiene nitrógeno. El cloro se une a las moléculas de nitrógeno y daña irreversiblemente las membranas. Una regla general común para la longevidad de las membranas es 1000 ppm-hora, lo que significa que las membranas permanecen funcionales durante aproximadamente 1000 horas con una concentración de cloro de 1 ppm (o una hora con una concentración de cloro de 1000 ppm). Sin embargo, la presencia de metales pesados ​​como el hierro puede disminuir esta tolerancia hasta 200 ppm por hora. Dado que la esperanza de vida normal de una membrana suele oscilar entre 3 y 7 años, la eliminación del cloro antes que las membranas de ósmosis inversa es un paso importante para mejorar la longevidad de las membranas. Por supuesto, también lo es el control de las incrustaciones de sólidos suspendidos y la formación de incrustaciones.

Los dos métodos principales para la eliminación de biocidas oxidantes de la alimentación de RO/desmineralizador son la filtración con carbón activado (AC) y la inyección de agente reductor. Sin embargo, los biocidas oxidantes reaccionan dentro de los primeros centímetros de un lecho de aire acondicionado, dejando el resto del lecho como caldo de cultivo para organismos que sobreviven al tratamiento. Esto se ve exacerbado por la capacidad del lecho de aire acondicionado para eliminar sustancias orgánicas, que luego se convierten en alimento para los organismos. En consecuencia, muchos sistemas modernos están diseñados con inyección de agente reductor para eliminar oxidantes residuales. Si bien hay varios agentes reductores disponibles, los dos más comunes son:

Las reacciones de estos dos compuestos con el cloro se muestran a continuación.

2HOCl + 2NaHSO3 → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 1

2HOCl + Na2S2O5 + H2O → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 2

La monitorización continua es muy importante aguas abajo del punto de inyección del agente reductor. La medición principal es el cloro residual con potencial de oxidación-reducción (ORP) como posible suplemento. La prioridad es proporcionar una alarma en caso de mal funcionamiento de la alimentación del agente reductor para proteger las membranas de ósmosis inversa. Sin embargo, los sistemas modernos también se pueden diseñar para ajustar la alimentación del agente reductor con señales del analizador para minimizar la sobrealimentación y al mismo tiempo reducir el impacto del cloro en la vida útil de la membrana.

Si es posible, el punto de inyección del agente reductor debe colocarse después de los filtros del cartucho RO. Si esa no es una opción, el punto de inyección debe estar lo más cerca posible de la carcasa del cartucho. Algunos organismos entran en hibernación cuando entran en contacto con un biocida oxidante y reaparecen una vez que el residuo del biocida desaparece. Los microbios supervivientes pueden establecer grandes colonias en membranas y prefiltros de RO.

Muchas fuentes de agua superficial contienen concentraciones significativas de compuestos orgánicos grandes, por ejemplo, taninos, lignina y ácidos húmicos que pueden ensuciar las superficies de las membranas. Estos compuestos normalmente se miden como carbono orgánico total (TOC). Generalmente se recomienda un TOC de menos de 3 ppm en una alimentación de RO. La MF y la UF se utilizan principalmente para la filtración de partículas, aunque puede ser posible una gran eliminación de materia orgánica. Es posible que se necesite una filtración de CA suplementaria para eliminar otros compuestos orgánicos. De ser así, se deben abordar las preocupaciones sobre el potencial de contaminación microbiológica aguas abajo antes de implementar la filtración de CA.

Esta primera entrega de la serie explora varios aspectos importantes del pretratamiento del sistema de maquillaje de alta pureza. El pretratamiento deficiente de RO es una de las principales causas de falla o cambio prematuro de la membrana de RO.

Recuerde que cada sistema es diferente y tiene necesidades de tratamiento únicas. Al igual que con todas las demás tecnologías, es necesaria la debida diligencia para determinar la viabilidad de utilizar los métodos analizados en este artículo. Han surgido dificultades en algunos sitios donde el agua de entrada tenía impurezas que reaccionaban con productos químicos de pretratamiento o retrolavado para producir incrustaciones o depósitos formadores de incrustaciones. Consulte siempre los manuales y guías de su equipo y comuníquese con un profesional de tratamiento de agua antes de realizar cambios en el funcionamiento del sistema.

Referencias

Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico senior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en el apoyo a las industrias de energía y tratamiento de agua industrial, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire e ingeniería de resultados. con City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy). Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas técnicas y ha escrito tres libros sobre química de plantas de energía y control de la contaminación del aire. Puede comunicarse con él en [email protected].

Katie Perryman es directora del equipo técnico de pretratamiento de ChemTreat. Tiene nueve años en la industria del tratamiento de agua con un enfoque en aplicaciones de pretratamiento que incluyen filtración, separación de membranas y sistemas de intercambio iónico. Ha dedicado su tiempo en ChemTreat brindando apoyo a una amplia variedad de clientes en las industrias de energía, química, alimentos y bebidas y transporte, entre otras. Perryman ha actuado como formador corporativo y presentador tanto interno como externo durante varios años en conferencias como el Southwest Chemistry Workshop y la conferencia ChemTreat's Power. Perryman tiene una licenciatura en Química de Virginia Tech. Puede comunicarse con ella en [email protected].