La contaminación por cloruro de nuestros suministros de agua es un problema que crece rápidamente en EE.UU. y Canadá. Aunque la sal de carreteras y las actividades de aplicación de fertilizantes son contribuyentes importantes de la contaminación por cloruro, las descargas de regenerante de ablandadores de agua están entre las principales en la mayoría de los estados.

A nivel nacional, se estima que 6.7 millones de libras de sal se descargan diariamente de los ablandadores de agua residenciales. En Minnesota, se estima que el 65% del cloruro liberado de las plantas de tratamiento de aguas residuales proviene de descargas de ablandadores de agua. El documento de 2015 “Optimización de Ablandadores de Agua para Reducir el Cloruro Influyente” preparado por el Distrito de Alcantarillado Metropolitano de Madison, WI, indica que, en promedio, 0.561 libras de cloruro por día son “aportadas por ablandadores de agua domésticos a las aguas residuales”.

Debido a que las válvulas del ablandador en el mercado varían en diseño y operación, es difícil determinar exactamente cuánta sal se pierde hacia el drenaje, pero parece que aproximadamente 2 libras se descargan de cada evento de regeneración del ablandador residencial.

Prácticamente todos los ablandadores residenciales vendidos hoy incluyen características de regeneración iniciada por demanda (DIR), y los ablandadores grandes pueden someterse a estudios de elución para recuperar esa porción del regenerante con la concentración de sal más alta. Sin embargo, estas mejoras solo pueden llegar hasta cierto punto. Algunos municipios han adoptado el ablandamiento central, pero esta agua tratada aún puede contener aproximadamente 5 granos por galón (gpg) de dureza, lo que no es lo suficientemente suave para muchos consumidores.

La cristalización asistida por plantilla aborda el incrustamiento de agua dura pero no aborda todos los problemas de agua dura. IAPMO/ANSI Z601 es un estándar que cubre dispositivos de reducción de incrustaciones. Ha estado en desarrollo durante varios años, y ha sido imposible lograr un consenso entre los fabricantes de estos dispositivos para un protocolo de prueba aceptable.

El Mercado

Aunque los números exactos son difíciles de obtener, parece que hay entre 13 y 15 millones de ablandadores residenciales instalados en EE.UU. y Canadá. Actualmente, se venden aproximadamente 1.4 millones de unidades anualmente. Se estima que hay 600,000 ablandadores comerciales/industriales instalados, con ventas anuales de aproximadamente 30,000 unidades.

La Tecnología

La tecnología de separación por membrana impulsada por presión de flujo cruzado de nanofiltración (NF) rechaza contaminantes iónicos basándose en sus valencias (número de cargas en cada ion). Dado que los iones de dureza (calcio y magnesio) tienen dos cargas e iones de sodio y cloruro tienen una carga cada uno, la NF puede separarlos. Se ha desarrollado un sistema que emplea nanofiltración para recuperar y reutilizar la mayoría del cloruro de sodio o potasio del flujo de regeneración del ablandador de agua. Utiliza una membrana NF especial para producir dos flujos: el concentrado que contiene la mayoría de los iones de calcio y magnesio rechazados, que se descarga al drenaje, y el flujo de permeado que contiene la mayoría del cloruro de sodio (o potasio), que pasa a través de la membrana y se alimenta directamente de vuelta al tanque de salmuera para reutilización.

Cuando un ablandador de agua residencial inicia la regeneración, el flujo inicial de agua realiza un retrolavado y levanta la resina para fines de limpieza. Luego, el agua del grifo pasa a través de un eyector para extraer una solución saturada de cloruro de sodio del tanque de salmuera hacia la resina. Al final del ciclo de regeneración, la operación de enjuague final está diseñada para eliminar toda la sal residual para prevenir un suministro de agua con sabor “salado”. Dado que esta agua de bajo TDS (tanto al principio como al final del proceso de regeneración) se desbordaría del tanque de salmuera, la programación de la válvula del ablandador se ajusta para descargar esta agua al drenaje y dirigir solo el agua con altas concentraciones de iones de dureza y cloruro a la membrana NF para procesamiento.

Para aplicaciones de ablandador residencial, el tamaño y configuración de membrana NF apropiada es el elemento espiral 1812. Este tamaño (1.8″ de diámetro X 12″ de largo) contiene suficiente membrana para permitir que el volumen promedio de regenerante recolectado (~20 galones) sea tratado dentro del tiempo entre eventos de regeneración.

Después del proceso de tratamiento, se utiliza agua del grifo para enjuagar la bomba, membrana y carcasa.

La presión osmótica asociada con las altas concentraciones de sales de cloruro de calcio y magnesio en el flujo de concentrado requiere una bomba capaz de producir una presión de 700 a 1,000 psi. Aunque esta presión podría causar preocupación para algunos clientes, es importante recordar que la mayoría de los consumidores poseen lavadoras a presión que operan a presiones superiores a 2,000 psi.

Las Pruebas

En 2024, la Universidad de Minnesota fue contratada para generar datos de vida útil de la membrana ejecutando una unidad de prueba operando en una aplicación residencial. El contacto fue Sara Heger, PhD, gerente de investigación e instructora en el Centro de Recursos Hídricos.

Se instaló una unidad de prueba en una residencia en un suburbio de Minneapolis. El agua de alimentación provenía de nueve pozos municipales que contenían aproximadamente 20 gpg de dureza, TDS de 370 mg/L y pH de 7.6. Para asegurar la remoción de hierro, se instaló un filtro de hierro. El ablandador era una unidad Culligan que contenía un pie cúbico de resina.

El proceso de prueba fue el siguiente:

Cuando el ablandador iniciaba la actividad de regeneración, la primera porción se desviaba al drenaje, como se describió anteriormente. Cuando la conductividad de este flujo alcanzaba 3000µS/cm, el flujo se desviaba a un tanque de recolección como solución de alimentación, y al final de la actividad de regeneración, cuando la conductividad caía por debajo de 3000µS/cm (enjuague final), el flujo se desviaba nuevamente al drenaje. El volumen recolectado era aproximadamente 22 galones por evento de regeneración. Este flujo se bombeaba a través de un filtro de carbón (remoción de cloro) a una bomba de alta presión operando a 1000 psi, que procesaba el flujo a través de una membrana NF con el flujo de concentrado (principalmente iones de calcio y magnesio) al drenaje y el permeado (principalmente cloruro de sodio) capaz de ser dirigido al tanque de salmuera para reutilización.

Se registraron presiones en los extremos de entrada y descarga del recipiente de presión cada 15 minutos, así como las tasas de flujo de permeado y concentrado. Cada prueba tuvo una duración de dos horas y se recolectaron muestras de la alimentación, permeado y concentrado para análisis químico. Al final de cada prueba, la bomba, membrana y carcasa se enjuagaban con agua del grifo desclorada.

Las pruebas se realizaron una vez a la semana siguiendo eventos de regeneración normales durante 21 semanas consecutivas. El flujo específico (tasa de permeado dividida por presión de membrana) se graficó durante el período de 21 semanas. Un gráfico que ilustra esto se encuentra arriba.

A partir de estos datos, el fabricante de la membrana estimó que la vida útil de la membrana sería de 12 a 18 meses.

La membrana fue autopsiada y, como se esperaba, el 96% del material de ensuciamiento en la superficie de la membrana era calcio.

Conclusiones

Basándose en estas pruebas, se pueden hacer las siguientes conclusiones:

• Se recupera y reutiliza un promedio del 78% del cloruro que normalmente se descargaría al drenaje.
• Se recuperan y reutilizan aproximadamente 2 libras de sal de cada tratamiento.
• Se puede esperar que la vida útil de la membrana NF esté en el rango de 12 a 18 meses.
• Esta tecnología es capaz de instalarse en prácticamente cualquier ablandador existente.

Advertencias

El agua de alimentación no debe contener hierro. La unidad debe enjuagarse a fondo entre tratamientos.

El gráfico mencionado anteriormente ilustra el hecho de que después de aproximadamente 6 semanas, el flujo de permeado del elemento se estabiliza y no parece disminuir con el tiempo.

Acerca del autor

Peter Cartwright ingresó a la industria de purificación de agua y tratamiento de aguas residuales en 1974 y ha tenido su propia firma de consultoría de ingeniería desde 1980. Tiene un título en ingeniería química de la Universidad de Minnesota y es ingeniero profesional registrado en ese estado. Ha escrito más de 300 artículos, escrito varios capítulos de libros, presentado más de 300 conferencias en conferencias alrededor del mundo, y es receptor de varias patentes. Cartwright es receptor de los premios Award of Merit y Lifetime Member Award de la Water Quality Association y es consultor técnico de la Canadian Water Quality Association. Fue el Conferenciante Distinguido McEllhiney 2016 para la National Ground Water Research and Educational Foundation y dio más de 35 conferencias en todo el mundo sobre mitigación de contaminantes de agua subterránea. Se puede contactar a Cartwright por correo electrónico en [email protected] o visitar su sitio web en cartwright-consulting.com.