La ósmosis inversa (OI) es una de las tecnologías de separación por membrana más utilizadas para producir agua de alta pureza en aplicaciones municipales, industriales y comerciales. Aunque los sistemas de OI comparten componentes comunes que incluyen elementos de membrana, recipientes a presión, bombas e instrumentación, el rendimiento de la OI depende en gran medida de qué tan bien esté diseñado el sistema.
Un diseño efectivo de OI no es simplemente seleccionar membranas y aplicar un objetivo de recuperación; requiere comprensión de hidráulica, potencial de incrustación, transporte a través de membranas y confiabilidad a largo plazo. Las siguientes secciones continúan describiendo las consideraciones técnicas clave que los ingenieros deben evaluar al diseñar un sistema de ósmosis inversa. (Ver “Consideraciones de Ingeniería para el Diseño de Sistemas de Ósmosis Inversa (OI): Parte 1” en la edición de marzo/abril de 2026 de WC&P.)
4. Índice de Saturación de Langelier (LSI) e Índice de Estabilidad Stiff & Davis (SDSI)
La incrustación se refiere a la precipitación y deposición dentro del sistema de sales poco solubles como carbonato de calcio, sulfato de bario, sulfato de calcio, sulfato de estroncio y fluoruro de calcio. La incrustación en membranas de OI puede ocurrir cuando estas sales poco solubles se concentran dentro del elemento más allá de su límite de solubilidad. Por ejemplo, si una planta de ósmosis inversa opera a un 75% de recuperación, la concentración en el flujo de rechazo será casi cuatro veces la concentración en el flujo de alimentación. A medida que aumenta la recuperación de la planta, el riesgo de incrustación crece proporcionalmente.
El LSI mide la tendencia a la incrustación de carbonato de calcio (CaCO₃). A recuperaciones del sistema más altas, la concentración de calcio y alcalinidad aumenta, lo que puede llevar al agua hacia la precipitación de CaCO₃.
LSI = pH – pHs
donde pH es el pH del agua, y pHₛ es el pH de saturación en el que el CaCO₃ está en equilibrio.
El SDSI es una versión modificada del LSI desarrollada para aguas con alta concentración de sólidos disueltos totales (TDS) (agua de mar, agua salobre alta, flujo de rechazo de OI). Tiene en cuenta los efectos de la fuerza iónica que el LSI no captura.
SDSI = pH – pHs,SD
donde pHs,SD es el pH de saturación Stiff & Davis, corregido por la fuerza iónica.
El carbonato de calcio es una de las amenazas de incrustación más comunes en OI, haciendo del LSI una herramienta crítica de diseño. Para sistemas de agua salobre con más de ~10,000 mg/L de TDS y todos los sistemas de OI de agua de mar, el SDSI proporciona un indicador más preciso del riesgo de incrustación de CaCO₃ que el LSI.
Los softwares de diseño de OI predicen el perfil de concentración de elemento a elemento, y ajustando los siguientes parámetros podemos asegurar que los valores locales de LSI / SDSI se mantengan dentro de límites aceptables:
- Ajuste de pH (adición de ácido)
- La inyección de ácido (H₂SO₄ o HCl) reduce el pH, lo que disminuye el LSI / SDSI. El ácido sulfúrico, aunque efectivo para reducir el pH, puede promover la incrustación de sulfato de calcio (CaSO₄) cuando la concentración de calcio es elevada. El ácido clorhídrico (HCl) se prefiere a menudo para minimizar este riesgo. Los antincrustantes minimizan, pero no previenen completamente, la precipitación bajo condiciones sobresaturadas.
- Dosis de antincrustante
- Aumenta la sobresaturación permitida, minimizando así la formación de incrustaciones. Los antincrustantes reducen la probabilidad de formación de incrustaciones bajo condiciones sobresaturadas, pero no reducen la dureza del agua ni eliminan calcio y magnesio del agua.
- Porcentaje de recuperación
- Recuperaciones más bajas significan menor concentración de sales en la superficie de la membrana.
- Configuración en etapas
- Arreglos multi-etapa ayudan a prevenir concentraciones excesivas de sales en las membranas finales.
- Flujo de diseño
- Un flujo de diseño más bajo resulta en un LSI/SDSI efectivo más bajo en la superficie de la membrana.
5. Índice de Densidad de Lodos (SDI)
Las fuentes de limo y materia coloidal en las aguas de alimentación de OI son diversas e incluyen comúnmente bacterias, arcilla, sílice coloidal y productos de corrosión de hierro, así como materiales orgánicos típicamente representados como carbono orgánico total (COT). Para manejar estos contaminantes, a menudo se aplican químicos de clarificación como sulfato de aluminio, cloruro férrico y polielectrolitos catiónicos para desestabilizar y agregar partículas finas en flóculos más grandes y sedimentables. Cuando se forman correctamente, estos aglomerados pueden ser removidos más eficazmente mediante filtración en medios y filtración con cartuchos aguas abajo.
Sin embargo, una coagulación excesiva o mal controlada puede afectar negativamente el rendimiento de la filtración al aumentar la carga de sólidos en los filtros de medios o al cegamiento prematuro de los filtros de cartucho. Por lo tanto, es crítico que los químicos de pretratamiento se mezclen adecuadamente, se incorporen completamente en la estructura del flóculo y se eliminen posteriormente, ya que los coagulantes o polímeros residuales pueden contribuir por sí mismos a la obstrucción de membranas. Además, los orgánicos hidrofóbicos pueden adsorberse en las superficies de membranas, formar una capa de acondicionamiento y acelerar la obstrucción.
El Índice de Densidad de Lodos (SDI) sirve como una indicación útil de la cantidad de materia particulada en el agua y se correlaciona con la tendencia a la obstrucción de los sistemas de OI. El SDI se calcula a partir de la tasa de taponamiento de un filtro de membrana de 0.45 µm cuando el agua pasa a través a una presión constante aplicada.
SDI = (1 – (ti / tf )) x (100/ T)
T = tiempo total transcurrido de flujo en minutos (usualmente 15 min)
ti = tiempo inicial requerido para recolectar 500 mL de muestra en segundos
tf = tiempo requerido para recolectar 500 mL de muestra después del tiempo de prueba T, segundos
Una guía común es SDI 15 ≤ 5 para minimizar el riesgo de obstrucción; sin embargo, SDI 15 < 3 es preferido para un rendimiento más robusto de OI. Las tecnologías de pretratamiento probadas para la reducción del SDI incluyen filtración en medios, microfiltración y ultrafiltración.
6. Factor de Polarización de Concentración (CP) y Factor Beta (β-Factor)
La polarización de concentración (CP) es la acumulación de sales y solutos rechazados en la superficie de la membrana, resultando en una concentración de sal más alta en la pared de la membrana que en el agua de alimentación en masa. No es la corriente concentrada en masa, sino un fenómeno microscópico de capa límite en la superficie de la membrana. Las membranas rechazan la sal basándose en la concentración de sal en la superficie de la membrana, no en la alimentación en masa. Debido a que el rechazo es un porcentaje, una concentración más alta en la capa superficial resulta en una salinidad de permeado más alta incluso cuando la calidad del agua de alimentación en masa no cambia. Esta explicación simplificada ayuda a entender los impactos de la CP.
La polarización de concentración causa un aumento en la presión osmótica efectiva, menor flujo de permeado, mayor incrustación y obstrucción, aceleración de la degradación de membranas y limpiezas más frecuentes de membranas.
CP = Cwall / Cbulk
Dónde CP es el Factor de Polarización de Concentración, Cbulk es la concentración de sal en la alimentación en masa, Cwall es la concentración de sal en la superficie de la membrana. CP > 1 siempre.
Incluso si el concentrado en masa está por debajo de la saturación, la superficie de la membrana puede estar sobresaturada, resultando en incrustación. CP explica por qué las membranas se incrustan “inesperadamente”. La CP puede controlarse en el diseño de OI teniendo una alta velocidad de flujo cruzado sobre las membranas, eligiendo una configuración de arreglo que reduzca la CP excesiva en las membranas finales dentro de los recipientes a presión, usando un flujo de diseño más bajo, mejor pretratamiento y antincrustantes. Cabe destacar que la dosificación de antincrustantes no reduce la CP, pero mitiga la incrustación causada por la CP.
El factor beta es un factor de modelado usado en proyecciones de OI por proveedores de membranas para representar el efecto de la CP en la concentración de sal en la superficie de la membrana. El β-factor representa la relación de concentración de iones en la corriente de rechazo respecto al agua de alimentación. Varía a lo largo del sistema dependiendo de la etapa y posición del elemento de membrana. A medida que la recuperación aumenta dentro de cada etapa, β aumenta correspondientemente, influyendo en la evaluación de incrustación. Los ingenieros usan el β-factor para predecir la concentración de sales poco solubles como CaSO₄, BaSO₄, CaF₂ y comparan estos valores con los límites de solubilidad. La CP y el β‑factor influyen directamente en la sobresaturación local y por lo tanto en índices de incrustación como LSI/SDSI. Los fabricantes de antincrustantes suelen proporcionar límites de β-factor para sus químicos.
Conclusión
El diseño de sistemas de OI es un desafío de ingeniería multidimensional que requiere un equilibrio cuidadoso entre flujo, recuperación, etapas, polarización de concentración y control de incrustaciones. Los diseños conservadores y bien equilibrados demuestran consistentemente una mejor confiabilidad, mayor vida útil de las membranas y menor costo del ciclo de vida, especialmente en aplicaciones de reúso de aguas residuales y en industrias con alta tendencia a la obstrucción.
Referencias
Guías de Diseño de Sistemas de Ósmosis Inversa DuPont FilmTec™
Manual AWWA M46 – Calidad y Tratamiento de Agua
Asociación Americana de Tecnología de Membranas (AMTA). Manual de Diseño y Operación de OI/NF.
Mulder, “Principios Básicos de Tecnología de Membranas”
Manual de Diseño de OI de Veolia Water Technologies
Stiff & Davis, Índices de Incrustación en Agua de Mar
Wilf, M., y Klinko, K. “Optimización de Sistemas de Ósmosis Inversa.” Desalinización.
Sobre el Autor
Hariharan Iyer es un líder técnico y de gestión de proyectos con casi tres décadas de experiencia en la entrega de proyectos complejos de tratamiento de agua y aguas residuales para clientes municipales e industriales. Ha liderado equipos multifuncionales en programas multimillonarios y tiene amplia experiencia en el diseño de sistemas de tratamiento que incorporan filtración en medios, ultrafiltración, ósmosis inversa, biorreactores de membrana, clarificadores, flotación por aire disuelto, espesamiento de lodos, intercambio iónico y electro-desionización. Su experiencia también incluye dimensionamiento de equipos, integración de controles, ingeniería de valor y solución de problemas. Iyer es Profesional Principal en Kleinfelder, posee una maestría en ingeniería ambiental y es Ingeniero Profesional licenciado en Massachusetts.
