Osmosis directa (FO)

npj Clean Water volumen 4, Número de artículo: 51 (2021) Citar este artículo

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Actualmente, la desalinización está limitada por el alto consumo de energía y los altos costos de operación y mantenimiento. En este estudio, se sugiere un nuevo concepto de un proceso de desalinización infinita basado en ósmosis directa de fibra hueca (HFFO) con impactos ambientales menores (ingreso de energía libre y sin pretratamiento o descarga de salmuera). Para evaluar el concepto, se llevó a cabo un HFFO a escala de elementos en los modos FO convencional y FO asistido por presión, simulando una operación HFFO sumergida. En la prueba HFFO, se investigaron los impactos de varias condiciones operativas en el rendimiento del HFFO para seleccionar el mejor caso. Sobre la base de estos resultados, se calcularon los costos de energía y se compararon con los de un proceso híbrido de ósmosis inversa de agua de mar (FO-FO) (SWRO). El HFFO mostró una alta tasa de dilución de la solución de extracción (hasta aproximadamente el 400 %), lo que permitió que el proceso SWRO aguas abajo operara a 25 bar con la misma producción de volumen de permeado (tasa de recuperación del 60 %). En consecuencia, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO tiene un ingreso energético anual de 183,83 millones de dólares, en comparación con un proceso de ósmosis inversa independiente de dos etapas basado en una planta de 100 000 m3/día.

Debido a que los procesos de desalinización basados ​​en membranas no experimentan un cambio de fase, han ganado atención como técnicas rentables en comparación con la desalinización térmica y requieren una huella relativamente pequeña1,2. Estos métodos producen agua de alta calidad de manera constante y las tasas de producción son fácilmente ajustables. Sin embargo, el ensuciamiento de la membrana y el alto uso de productos químicos y los costos operativos siguen siendo problemas críticos3,4. De los procesos de desalinización basados ​​en membranas actualmente disponibles, el proceso de ósmosis inversa (OI) es un proceso independiente y su cuota de mercado en la desalinización de agua de mar está aumentando rápidamente. Sin embargo, el consumo de energía en el proceso de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) sigue siendo una limitación2,5.

El costo energético actual del proceso SWRO es mucho más bajo que el de los procesos de desalinización térmica (15,5 kWh/m3 para multietapa flash (MSF) y 7,5 kWh/m3 para destilación multiefecto (MED)). A pesar de la aplicación de tecnología de diseño de etapa interna y el desarrollo de un dispositivo de recuperación de energía, SWRO sigue siendo un proceso intensivo en energía (2,2–3,5 kWh/m3)6,7 en comparación con los procesos de tratamiento de agua convencionales, como el tratamiento de aguas residuales basado en membranas. (0,29–0,43 kWh/m3) y tratamiento de agua basado en ozono (0,041–0,073 kWh/m3)8,9. Por lo tanto, la desalinización basada en SWRO ha alcanzado el límite teórico y práctico, y es hora de desarrollar o injertar procesos para reducir aún más el consumo de energía10,11. La limitación energética debe superarse mediante soluciones técnicas adicionales, como la recolección de energía, la dilución del agua de mar y la reducción irreversible10,12. Este alto uso de energía durante la desalinización genera preocupaciones ambientales como la contaminación del aire y el calor asociado con el enfriamiento del agua mediante la producción de energía a partir de combustibles fósiles2,4. Se han realizado varios estudios para resolver el problema energético en el proceso SWRO10,13,14. Se han combinado otros procesos de membrana, como la ósmosis directa (FO)15, la destilación por membrana (MD)16 y la nanofiltración (NF)6, y el agua de mar se ha mezclado directa o indirectamente con otros recursos hídricos disponibles para reducir el costo energético de el proceso SWRO. El proceso SWRO también se ha hibridado con procesos de producción de energía, incluida la ósmosis retardada por presión (PRO)17, la electrodiálisis inversa (RED)18 y la celda de combustible microbiana (MFC)19, para compensar el alto consumo de energía.

Otro inconveniente de la desalinización basada en SWRO es la producción de salmuera de alta salinidad, que contiene sustancias corrosivas, productos químicos residuales de pretratamiento y postratamiento, metales iónicos y pesados, y sales que son dañinas para el medio ambiente cuando se descargan directamente al mar5,20. La salmuera también puede influir directamente en la eutrofización y la fluctuación del pH en un ecosistema marino. Varios estudios han sugerido soluciones para reducir los impactos de la salmuera. En primer lugar, se ha aplicado la tecnología de descarga de líquido cero (ZLD) que recupera el 100% del agua y recicla los recursos útiles en la salmuera para minimizar la descarga de salmuera (emisario)21. En este caso, se han aplicado algunos procesos de postratamiento emergentes, incluidos FO, PRO, MD, MED y un evaporador óhmico, para tratar agua de alta salinidad, reducir la concentración de salmuera y maximizar la eficiencia de la precipitación química (recuperando recursos valiosos) 22,23,24. Sin embargo, la tecnología ZLD es demasiado costosa para usarse en una planta desalinizadora a gran escala25.

FO utiliza la presión osmótica natural diferencial como fuerza impulsora. Basado en este principio, el consumo de energía requerido se minimiza durante la operación26. Sin embargo, el proceso de FO inevitablemente requiere procesos posteriores, como RO y NF, para obtener la producción final de agua, lo que crea un obstáculo importante para su uso como proceso de desalinización independiente o comercialización27,28. Si los procesos de membrana presurizada son necesarios aguas abajo, es difícil decir que FO es un proceso de desalinización independiente y un proceso de baja energía29,30.

En este sentido, el proceso híbrido FO-RO se ha sugerido recientemente como un proceso de desalinización de agua de mar de última generación, de bajo consumo energético y respetuoso con el medio ambiente, para complementar las desventajas del proceso SWRO convencional31. Al mismo tiempo, las aguas residuales se pueden reutilizar con este sistema si se utiliza una solución de alimentación (FS) adecuada en el proceso de FO32,33.

Aún así, varias funciones del proceso híbrido FO-RO tienen costos operativos sustanciales, incluida la entrada, el pretratamiento y el drenaje (o tratamiento) del FS y la solución de extracción (DS), lo que genera una carga económica. El vertido de salmuera produce otra limitación tanto en el aspecto económico como medioambiental6,27. La utilización de la toma, pretratamiento, drenaje y descarga de salmuera afecta directamente tanto el gasto operativo (OPEX) como el gasto de capital (CAPEX) en la planta desalinizadora34.

Por lo tanto, este estudio sugiere un nuevo proceso híbrido, FO-RO con fibra hueca FO (HFFO), para complementar las limitaciones del proceso híbrido FO-RO. Esta nueva configuración (FO–RO–sHFFO (HFFO sumergido)) tiene una secuencia distinta y varias ventajas. Primero, el agua de mar (DS del primer FO) se diluye a través del proceso sHFFO (el segundo FO) y se reconcentra a través del proceso de RO, que puede funcionar a una presión más baja o generar una tasa de recuperación más alta que el SWRO original, produciendo agua limpia. agua simultáneamente. Posteriormente, el agua de mar concentrada (salmuera) generada a partir del proceso de RO se diluye con el agua de mar a través del proceso sHFFO y se recicla directamente como DS para el primer proceso de FO. Como resultado, en el proceso de desalinización FO-RO incorporado por sHFFO, el agua de mar se puede alimentar sin ninguna bomba de entrada ni pretratamiento. Además, no se requiere un sistema de descarga de salmuera porque la salmuera se usa como fuerza motriz para el proceso sHFFO. La presión operativa del proceso de OI aguas abajo se puede reducir porque se usa el agua de mar diluida del proceso de HFFO y el FS se diluye aún más con las aguas residuales del primer proceso de FO, lo que reduce el consumo de energía. Además, la energía (o presión) circulante para el DS en el proceso sHFFO se puede utilizar como la presión residual de la salmuera después de la recuperación usando un dispositivo de recuperación de energía aplicado al proceso de RO. El FS para el proceso sHFFO no requiere una bomba de circulación porque se usa agua de mar natural como FS. El proceso sHFFO se puede operar a diferentes niveles de agua, lo que hace que la operación de FO sea más flexible. En otras palabras, puede operarse con una presión aplicada generada por el nivel del agua, denominada FO asistida por presión (PAO)35. Este proceso ayuda a que la operación de FO cambie según la tasa de recuperación de RO y permite una limpieza física natural debido a la diferencia en los niveles de ósmosis.

En este estudio, se operó un módulo HFFO a diferentes concentraciones y caudales de FS y DS. En el modo PAO, se variaron las presiones aplicadas que afectan el rendimiento del proceso. Además, se evaluó la factibilidad y aplicabilidad de este proceso a través de una evaluación de costos de energía y se comparó con el proceso híbrido FO-RO y RO de dos etapas con el sistema ZLD.

La figura 1 muestra los valores de flujo de agua y flujo salino inverso (RSF) del elemento HFFO probado en diferentes (i) modos de funcionamiento (a y b: FO; c y d: PAO), (ii) caudales de FS y DS y (iii) concentraciones de DS. Los resultados mostraron que el caudal de cada lado influyó en el rendimiento del HFFO a escala de elementos (Fig. 1a, b). Cuando el caudal de DS aumentó de 0,20 a 0,35 l/min con diferentes caudales de FS (0,7, 1,0 y 1,5 l/min), el flujo total de agua aumentó (máximo: 35 000 mg/l–1,05 a 1,24 litros por metro cuadrado). metro por hora (LMH), mínimo: 0,95–1,08 LMH en condiciones de alta concentración de DS) (máximo: 35 000 mg/L–0,83 a 1,24 LMH en condiciones de alta concentración de DS, mínimo: 0,46–0,60 LMH en condiciones de baja concentración de DS), aunque el efecto de la tasa de flujo de FS no fue dominante que la tasa de flujo de DS durante la operación HFFO. Esto indica que la tasa de flujo de DS afectó el flujo de agua con más fuerza de lo que podría afectar la tasa de flujo de FS debido al diámetro de la trayectoria del flujo y al tiempo de retención en el elemento HFFO. En el elemento HFFO, la ruta de flujo de DS fue de 85 μm (basada en el diámetro interno), y esta ruta de flujo estrecha podría mejorar significativamente la dilución en el canal por unidad de área (reduciendo el flujo de agua) (refiriéndose a las Tablas complementarias 1 y 2). Sin embargo, la ruta de flujo de FS en el elemento HFFO no existía (como un tipo sumergido), y las membranas estaban empaquetadas en una celda de PVC con un diámetro de 90 mm y una longitud de 280 mm. Por lo tanto, cuando los caudales de DS y FS fueron de 0,35 y 1,50 L/min, respectivamente, y se utilizó una concentración de DS de 35.000 mg/L, se observó el mayor flujo de agua (1,24 L/m2h, LMH), que fue aproximadamente el doble el flujo cuando la concentración de DS era de 10.000 mg/L. Curiosamente, la tendencia general de RSF se vio más afectada por las tasas de flujo de DS que por la tasa de flujo de FS (p. ej., FS 0,7/DS 0,2: 0,0139 gramos por metro cuadrado por hora (GMH) a FS 0,7/DS 0,35: 0,0266 GMH a 25 000 mg/L concentración de DS). El RSF aumentó cuando se incrementó el caudal de DS, al igual que el patrón de flujo de agua (consulte las Tablas complementarias 1 y 2). Sin embargo, la tendencia RSF no aumenta proporcionalmente como la tendencia del flujo de agua, y la fluctuación es relativamente alta26,32. Es una cantidad relativamente pequeña de fenómeno de transporte de masa de sal, que requiere una identificación clara a través de futuros experimentos a escala de laboratorio. Por el contrario, cuando el caudal de DS aumentó de 0,20 a 0,35 l/min, el valor de RSF aumentó, mientras que el valor de RSF disminuyó a medida que aumentaba el caudal de FS en todo el rango de concentraciones de DS. El RSF mostró un patrón decreciente con un aumento en las concentraciones de DS (de 10.000 a 35.000 mg/L). Cabe señalar que el elemento HFFO mostró un flujo de agua y RSF relativamente bajos en comparación con los diferentes tipos de elementos FO. En estudios previos, los flujos de agua de los elementos de FO enrollados en espiral (SWFO) y de FO de marco de placa (PFFO) fueron de 26,5 y 17,7 LMH, respectivamente. Además, los valores de RSF se observaron como 12,4 y 8,4 g/m2h (GMH), respectivamente, a una concentración de DS de 35.000 mg/L26,28,33,36. Sin embargo, a 35 000 mg/L, el HFFO mostró 0,7–1,3 LMH de flujo de agua (alrededor de 20 veces menos que SWFO y PFFO) y 0,005–0,030 GMH de RSF, que es mucho menor que los otros elementos. Por lo tanto, en el caso del elemento HFFO, la influencia de las condiciones de operación del proceso no es grave, lo que muestra indirectamente que no se requiere la consideración de RSF para la operación del proceso HFFO-RO-sHFFO.

Los paneles a, b muestran el flujo de agua y la variación de RSF en el modo FO y los paneles c, d muestran el modo PAO. Condiciones de concentración y presión: modo FO (agua DI como FS, agua de mar sintética (10 000 a 35 000 mg/l de NaCl) como DS y presión de 0 bar) y modo PAO (agua DI como FS, agua de mar sintética (10 000 a 35 000 mg de NaCl) /L) como DS, y presión de 2 y 3 bar). Caudales: modo FO (FS: 0,7, 1,0 y 1,5 l/min y DS: 0,20 y 0,35 l/min) y modo PAO (FS: 0,7, 1,0 y 1,5 l/min y DS: 0,35 l/min) .

Un flujo de agua más bajo se puede superar ligeramente operando el FO en el modo PAO. Como se indica en la Fig. 1c, d que muestra los resultados de la operación HFFO en el modo PAO, cuando los caudales de FS y DS aumentaron de 0,7 a 1,5 y de 0,2 a 0,35 L/min, respectivamente, con una presión aplicada de 3 bar, la el flujo de agua fue aproximadamente el doble (de 1,39 a 2,33 LMH) que el del modo FO (sin presión aplicada) en las mismas condiciones (refiriéndose al círculo de puntos negros). Con la adición de presión artificial, se observó que la tasa de dilución de DS era un máximo de 408 % (35 000 mg/L, FS 1,5, DS 0,35 L/min, 2 bar) y un mínimo de 131 % (15 000 mg/L, FS 0,7, DS 0,35 L/min, 3 bar). Curiosamente, cuando la concentración de DS fue similar al nivel del agua de mar (35 000 mg/L), el RSF específico (SRSF = RSF/flujo de agua (g/L)) en el modo PAO fue mucho más bajo que en el modo FO (PAO = 0,008 g/L y FO = 0,018 g/L) en las mismas condiciones (caudales FS y DS = 1,50 y 0,35 L/min, respectivamente). Esto indica que la operación HFFO en el modo PAO puede ser beneficiosa para la reutilización estable del agua con la opción de pretratamiento para la desalinización de agua de mar.

Flujo de agua detallado, RSF, valores de SRFS, tasa de dilución de DS y concentración de DS diluida. en los modos FO y PAO se pueden encontrar en las Tablas complementarias 1 y 2, respectivamente.

Para las características (concepto) del proceso de desalinización FO–RO–sHFFO, se simuló el proceso sHFFO bajo la operación HFFO en el modo PAO dependiendo del nivel del mar (desde la superficie del mar); Se pueden aplicar varias presiones naturales de agua a la membrana por gravedad, densidad del agua y profundidad, y el sHFFO enfrentó una diferencia inevitable en las concentraciones entre FS (agua de mar) y DS (salmuera RO). Por lo tanto, durante este experimento, la concentración de FS se cambió de 10 000 a 25 000 mg/L, la concentración de DS se cambió de 35 000 a 80 000 mg/L y se aplicaron presiones que oscilaron entre 2 y 4 bar en el lado de FS.

La Figura 2a, b muestra los valores de flujo de agua y RSF, respectivamente, según las diferencias de concentración entre el FS y el DS (DS-FS) y la presión aplicada al FS. Los valores de flujo de agua aumentaron continuamente con el aumento de las tasas de flujo de FS, las presiones aplicadas y las diferencias de concentración. Con la presión de 4 bar, los valores de flujo de agua más altos obtenidos fueron 3,92, 1,04 y 1,21 LMH a los caudales de FS de 1,5, 1,0 y 0,7 L/min, respectivamente (caudal de DS = 0,35 L/min y diferencia de concentración entre FS y DS = 70.000 mg/L). Sin embargo, los valores de RSF fueron relativamente estables en comparación con los del modo FO. Esto puede deberse a que la presión aplicada del FS impide el paso de la sal del DS al FS (RSF) durante la operación HFFO. Además, la presión aplicada proporcionó un efecto positivo en el rendimiento y, como se esperaba, cuando hubo una variación en las concentraciones de FS y DS, el caudal de FS y la presión aplicada al FS influyeron positivamente en el rendimiento de FO (es decir, el flujo de agua y RSF)37.

Los paneles a, b muestran el flujo de agua y los valores RSF del elemento HFFO en modo PAO en las diversas condiciones de concentración y presión. Agua de mar sintética (NaCl) como FS, agua de mar sintética o salmuera (NaCl) como DS, concentración de FS de 10 000 a 35 000 mg/L, concentraciones de DS de 35 000 a 80 000 mg/L y presiones de 2, 3 y 4 bar. Caudales: FS: 0,7, 1,0 y 1,5 l/min y DS: 0,35 l/min.

La figura 3a, b presenta las tasas de dilución de DS y las concentraciones de DS diluidas de acuerdo con las tasas de flujo de DS y FS y los modos de operación (FO y PAO) a la concentración de DS de 35 000 mg/L. Para el modo HFFO (Fig. 3a), las tasas de dilución de DS estaban por encima del 150 y el 200 % cuando las tasas de flujo de DS eran de 0,20 y 0,35 l/min, respectivamente. Esta diferencia se produjo al cambiar el volumen de DS y la relación de permeación (flujo de agua) a medida que se cambiaba el caudal de DS (Tablas complementarias 1 y 2). En consecuencia, las concentraciones finales de DS diluido oscilaron entre 16 000 y 23 000 mg/l, dependiendo del caudal. Sin embargo, cuando se aplicó presión al lado del FS a un caudal de DS constante de 0,35 l/min y caudales de FS variados (0,7 a 1,5 l/min), las concentraciones de DS diluido disminuyeron aún más a 11 000 y 9600 mg/l ( a presiones de trabajo de 2 y 3 bar, respectivamente).

Los paneles a, b muestran la tasa de dilución y la concentración de DS en el modo de operación FO y PAO. Los paneles c, d muestran la tasa de dilución y la concentración de DS con diferencias de concentración variables entre FS y DS.

La Figura 3c muestra la tasa de dilución y la concentración de DS diluido según las diferencias entre las concentraciones de FS y DS que van desde 50 000 a 70 000 mg/L, la tasa de flujo de FS y la presión aplicada. Cuando la diferencia entre las concentraciones de FS y DS fue de 50 000 mg/L con las condiciones de operación de velocidad de flujo de FS = 0,70, velocidad de flujo de DS = 0,35 L/min y presión aplicada = 2 bar, se observaron la concentración de DS diluida y la velocidad de dilución. ser 34,000 mg/L y 146%, respectivamente. Si el elemento HFFO funciona en las condiciones sugeridas (es decir, sHFFO), la concentración de DS se puede igualar a la del agua de mar. Por lo tanto, esta condición se puede utilizar para optimizar (Caso 7 en la Tabla 1) el proceso infinito de desalinización de agua de mar basado en HFFO (FO-RO-sHFFO). Con una diferencia en las concentraciones a través de la membrana y la aplicación de presión al FS (en modo PAO), se observaron varias tasas de dilución y concentraciones de DS diluido (Fig. 3c) en cuanto al experimento de la condición donde existe la diferencia de concentración ( Figura 3b). Esto ocurre porque la polarización de concentración externa tiene un efecto significativo en el rendimiento de FO cuando se presentan concentraciones diferenciales, y la polarización de concentración interna más significativa ocurre con una diferencia de concentración. Sin diferencia entre las concentraciones de FS y DS, cuando los caudales de FS y DS eran de 1,5 y 0,35 l/min, respectivamente, y se aplicaba una presión de 3 bares al FS, se obtenía una tasa de dilución de más del 400 % de tasa de dilución y se podría lograr una concentración de DS diluido de aproximadamente 8500 mg/L (Figs. 2 y 3). Sin embargo, cuando la diferencia entre las concentraciones de FS y DS era de 70 000 mg/L, se habilitaba aproximadamente el 350 % de la tasa de dilución y el proceso podía diluir la concentración de DS a 22 580 mg/L (los valores detallados de flujo de agua, RSF y SRFS pueden se encuentran en las tablas complementarias 3). Además, las presiones operativas esperadas y las concentraciones de permeado con el proceso SWRO después del proceso HFFO se simularon en varias condiciones operativas en el proceso HFFO de flujo cruzado (nueve casos, incluido un SWRO de dos etapas) y dos tasas de recuperación diferentes en el proceso RO (50 y 60%) (Tabla 1). Se seleccionaron un total de nueve casos, incluido un control (OI de dos etapas), en función de los resultados de la evaluación del rendimiento del elemento HFFO en diversas condiciones operativas (Secciones 1 y 2): cuatro condiciones en el modo FO (Casos 1 a 4) y cuatro condiciones en el modo PAO (Casos 5-8). Se aplicaron las mismas condiciones operativas a los elementos HFFO y sHFFO en el proceso de desalinización infinita basado en HFFO. Dependiendo de los casos, se predijeron la presión requerida y la concentración de permeado final del proceso SWRO aguas abajo.

Sin embargo, en el proceso de desalinización FO-RO-sHFFO, cuando el proceso SWRO de dos etapas aguas abajo se opera a una tasa de recuperación del 60%, la concentración de salmuera es menor que la del agua de mar, lo que hace imposible la operación del proceso sHFFO. Por lo tanto, para el proceso SWRO de dos etapas operado a una tasa de recuperación más alta (80 %), en el que la concentración de salmuera descargada es de aproximadamente 60 000 mg/L, se volvieron a calcular la presión de operación, la concentración de permeado y el valor del consumo de energía específico (SEC). , como se muestra en la Tabla 2. En el SWRO de dos etapas, para los Casos 1 y 2, las presiones operativas del SWRO calculadas bajo tales condiciones fueron inaceptables. Sin embargo, en el Caso 5, todavía era posible operar a una presión más baja (37,9 bar) que con el proceso SWRO de dos etapas.

Los valores detallados de SEC, las presiones de operación del proceso SWRO y las concentraciones de permeado a varias tasas de recuperación se pueden encontrar en las Tablas complementarias 4, 5 y 6.

En la siguiente sección, se describe una evaluación económica en términos de energía, comparando i) RO de dos etapas versus FO–RO-sHFFO y ii) SWRO con ZLD versus FO–RO-sHFFO.

Para evaluar los beneficios económicos del proceso FO-RO-sHFFO, se calculó la SEC de los procesos FO y RO, como se muestra en la Fig. 4a, b. Durante el cálculo, se supuso que la capacidad de la planta era de 100.000 m3/día. La eficiencia de la bomba y el consumo de energía fueron del 90% y 0,1 kWh/m3, respectivamente. Debido a las características estructurales del proceso HFFO a escala de elementos, el requerimiento de energía de la bomba FS es mayor que el de la bomba DS (Fig. 4a). Dependiendo de las condiciones de operación de HFFO (Tabla 1), la energía de operación en el lado de FO también fluctúa, y los valores de SEC calculados del proceso de RO fueron diferentes (Fig. 4b). Sorprendentemente, con respecto a los valores totales de SEC al considerar el requerimiento de energía de las secciones de FO y RO (Fig. 4c), el requerimiento de energía más bajo (1,49 kWh/m3) se observó en el Caso 5 (caudal de FS = 1,5 L/min, caudal de DS = 0,35 l/min y presión aplicada = 3 bar), y se conservó aproximadamente el 62 % de la energía en comparación con el proceso de RO de dos etapas. En consecuencia, se calcularon los costos de energía basados ​​en el valor SEC de FO y RO (Fig. 4d). Se supuso que el período de operación de la planta desalinizadora sería de 20 años. Los resultados de costos son similares a los de la SEC, y FO-RO-HFFO puede ahorrar aproximadamente un 66 % del costo en comparación con el proceso de RO de dos etapas (RO de dos etapas = 280 millones de USD y proceso FO-RO-HFFO). (Caso 5) = 96 millones de USD). Además, cuando la tasa de recuperación se incrementó del 60 al 80 %, el valor SEC del SWRO de dos etapas se incrementó a 6,02 kWh/m3. Sin embargo, se ahorran aproximadamente 170 millones de USD durante la vida útil de la planta en comparación con el SWRO de dos etapas con una recuperación del 60 % (Fig. 4c y Fig. complementaria S7).

Los paneles a, b muestran los valores de consumo de energía (SEC) en comparación con el proceso de RO de dos etapas a las diferentes tasas de recuperación. El panel c muestra el costo total de energía del proceso FO-RO-HFFO en comparación con el proceso RO con una tasa de recuperación del 60 y 80 %.

El CAPEX amortizado del proceso híbrido FO-RO se calculó con base en el Caso 5 considerando la instalación/servicio, legal/profesional, bocatoma/emisario, pretratamiento, tubería/alta aleación, obra civil, bombas, recipientes a presión, membranas, equipos/materiales , y los costes de diseño/profesionales. En el caso del HFFO, se excluyeron el proceso de desalinización incorporado, los costos de pretratamiento y la toma/emisor. Esta exclusión también genera ahorros significativos en CAPEX: aproximadamente 15,8 % (20 millones de USD) del CAPEXRO total amortizado y 1,2 % (43 millones de USD) del CAPEXFO total amortizado en el proceso de desalinización incorporado en HFFO, incluida la entrada/salida y el pretratamiento. En consecuencia, al comparar el costo total del proceso de desalinización incorporado con HFFO con el proceso híbrido FO-RO convencional basado en las condiciones y el rendimiento del Caso 5, el proceso de desalinización FO-RO-sHFFO puede ahorrar hasta 63 millones de dólares durante un período de 20 años. -período de años. Los datos detallados sobre la evaluación económica se presentan en la figura complementaria 1.

Las plantas desaladoras de agua de mar convencionales producen agua limpia, aunque también se produce salmuera de alta salinidad21,24. Dependiendo de la tasa de recuperación, la calidad y la cantidad de la salmuera varían. En esta sección, se llevó a cabo una evaluación del costo de la energía comparando el proceso infinito de desalinización de agua de mar basado en HFFO con un SWRO de dos etapas combinado con el proceso ZLD. El proceso ZLD se puede definir para eliminar todos los desechos líquidos del proceso de desalinización, reducir los efectos ambientales nocivos y cumplir con las reglamentaciones requeridas20. Sin embargo, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO no descarga la salmuera porque la salmuera se recircula (o diluye) a través de los HFFO y luego se vuelve a alimentar al primer proceso de HFFO. Por lo tanto, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO presenta beneficios de costos ambientales. Como se muestra en la Fig. 5, el costo de energía del SWRO de dos etapas con un concentrador de salmuera y un cristalizador fue de 1191 millones de USD. Los costes resultantes se calcularon sobre la base de una capacidad de planta de 100.000 m3/día y una tasa de recuperación del 60 %. Además, la capacidad de salmuera (agua de alimentación del concentrador de salmuera) fue de 400 000 m3/día del proceso SWRO de dos etapas, y la tasa de recuperación del concentrador de salmuera fue del 80 %. El caudal de entrada del cristalizador aguas abajo fue de 8000 m3/día y se supuso que la tasa de recuperación era del 100 %. La fuerza motriz del concentrador y cristalizador de salmuera es la energía térmica, y se requiere un alto consumo de energía para los métodos de desalinización térmica (es decir, MED y MSF)). Sin embargo, como se mencionó en la sección anterior, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO no requiere una bomba de circulación para que FS y DS recuperen la salmuera a las concentraciones de agua de mar. Por lo tanto, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO puede ahorrar más de mil millones de dólares en costos de energía durante un período de 20 años.

Capacidad de la planta ZLD = 40 000 m3/día (tasa de recuperación del proceso SWRO de dos etapas = 60 %), consumo de energía por concentrador de salmuera = 19,8 kWh/m3 (tasa de recuperación = 80 %) y cristalizador = 56,8 kWh/m3 (tasa de recuperación = 100%).

Si la tasa de recuperación es fija, la concentración y el volumen de la salmuera en el proceso FO-RO-sHFFO difieren de aquellos durante la producción de 100 000 m3/día para el proceso SWRO independiente de dos etapas. Si la tasa de recuperación es del 60 % en el proceso SWRO independiente de dos etapas, la concentración y el caudal de la salmuera pueden alcanzar los 87 500 mg/L y 66 667 m3/día, respectivamente. Para el proceso FO–RO–-sHFFO, para lograr un volumen de producto final de 100 000 m3/día, el SWRO se puede operar a presiones bajas (25 bar) y un caudal de entrada bajo (46 519 m3/día) porque el DS, que se diluye con las aguas residuales durante el primer proceso HFFO, se puede alimentar al proceso SWRO. Sin embargo, para el segundo proceso HFFO (sHFFO) utilizado en el proceso FO-RO-sHFFO (circulación infinita para descarga de salmuera cero), la concentración de salmuera del SWRO debe ser mayor que la del agua de mar para una operación sostenible. Esto significa que la tasa de recuperación del proceso SWRO debe ser >60%. Por lo tanto, se realizó una evaluación económica adicional con una capacidad fija del proceso SWRO y se encontró que las condiciones razonables para el SWRO son las siguientes: tasa de recuperación = 45%, influente = 222,222 m3/día, producto final = 100,000 m3/ día, presión de operación = 59,2 bar y concentración de salmuera = 63.636 mg/L. Considerando una concentración de salmuera adecuada para el proceso sHFFO, se recomendó una tasa de recuperación de aproximadamente 85% para lograr una operación óptima. En este caso, la presión de trabajo es de 37,9 bar, y la concentración y caudal de salmuera de 65.127 mg/L y 33.333 m3/día, respectivamente. En condiciones modificadas, la producción de agua del proceso FO-RO-sHFFO es aproximadamente el doble que la del proceso SWRO independiente de dos etapas. Los resultados detallados de la evaluación económica se pueden encontrar en la figura complementaria 1.

Este estudio introdujo un proceso de desalinización de baja energía con impactos ambientales mínimos compuesto por HFFO de flujo cruzado, RO y sHFFO. El rendimiento del proceso de desalinización infinita basado en HFFO se evaluó en varias condiciones operativas. Los costos de energía de este proceso se compararon con un proceso híbrido RO de dos etapas, FO-RO y RO de dos etapas con ZLD. Para resumir los resultados de cada sector, cuando el elemento HFFO se evalúa en varios modos operativos (modo FO y PAO, velocidad de flujo y cambio de concentración de DS), como las características estructurales del elemento HFFO (ruta de flujo DS estrecha y no existe ruta de flujo de FS), el FS se ve menos afectado por el cambio de la tasa de flujo y la concentración que el DS38. Por el contrario, el flujo de agua aumentó con un aumento en la concentración de DS. Además, la RSF durante la operación de HFFO puede ser insignificante, lo cual es un beneficio considerable para la reutilización de aguas residuales. En otros aspectos, el paso de la sal que pasa del DS al agua residual utilizada como FS durante la operación de FO no es motivo de preocupación. Sin embargo, los valores de RSF en todas las condiciones probadas en el modo PAO fueron similares a los del modo FO, lo que indica que la presión aplicada tiene un efecto positivo solo en el flujo de agua y no tiene un efecto significativo en el RSF39. Como se indicó anteriormente, este proceso se aplicó para diluir la salmuera de agua de mar (similar a la DS para el sHFFO) producida a partir del proceso de RO con agua de mar. Además, se utilizó el diferencial de presión osmótica natural entre la salmuera de ósmosis inversa y el agua de mar, así como la presión del agua que se produce naturalmente según el nivel (o la profundidad) del agua. Además, se alimentó agua de mar limpia (sin pretratamiento pero está limpia) a la planta de desalinización (FO-RO). Se evaluaron el flujo de agua, los valores de RSF, la tasa de dilución y la concentración de DS diluido para determinar la sostenibilidad y la aplicabilidad del rendimiento de HFFO con respecto a la administración de la entrada o la salmuera (diluida con agua de mar). Los resultados muestran que para el proceso de desalinización FO-RO-sHFFO, la concentración de DS diluido, que se alimenta al proceso HFFO, debe ser similar a la concentración de agua de mar (35,000 mg/L) porque la dilución continúa hasta alcanzar el nivel de concentración de agua de mar durante el proceso sHFFO.

Para el aspecto económico, la presión operativa y la tasa de recuperación del proceso de OI están directamente relacionadas con el OPEX en la planta desalinizadora, lo que posteriormente afecta el costo total de producción de agua. Por lo tanto, es esencial calcular el costo de la energía considerando la concentración de FS, la presión de operación y la tasa de recuperación. Estos cálculos permiten una evaluación de los beneficios económicos del proceso de desalinización híbrido FO-RO incorporado con HFFO (FO-RO-sHFFO). Cabe señalar que el proceso HFFO tiene varias ventajas cuando se aplica al proceso SWRO aguas abajo: (i) una gran superficie en el módulo (31,5 m2), (ii) una alta densidad de empaquetamiento (55,6 m2/m3), (iii) ) una tasa de dilución de DS alta (hasta aproximadamente 400 %) y (iv) un RSF bajo (0,008–0,034 GMH). Como resultado, la gestión sostenible de la salmuera (sin descarga de salmuera) combinada con la toma de agua de mar libre de energía es posible porque se requiere una cantidad relativamente pequeña de elementos HFFO (sHFFO) para diluir (o recuperar) la salmuera generada por el proceso SWRO en el agua de mar. nivel mientras minimiza la pérdida de sal. Por lo tanto, los resultados de rendimiento demostraron suficientemente la viabilidad del proceso de desalinización infinita basado en HFFO para superar las limitaciones del proceso SWRO (energía operativa). Además, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO puede lograr ZLD porque la salmuera no se produce a partir del proceso y se eliminan los sistemas de entrada y pretratamiento. El ZLD reduce tanto el CAPEX como el OPEX porque la presión osmótica diferencial natural toma agua de mar limpia en el sistema HFFO.

Los resultados completos indican que el proceso de desalinización infinita basado en HFFO puede lograr una alta tasa de dilución de DS (hasta 400 %) y presiones operativas más bajas para el proceso de RO. Además, la evaluación del costo de la energía reveló resultados favorables para el proceso de desalinización infinita basado en HFFO en varias condiciones operativas en comparación con el proceso de RO. Estos resultados pueden abrir una nueva vía para la industria de FO y desalinización. A partir de los resultados de la investigación, podemos concluir que el proceso de desalinización infinita basado en HFFO es sostenible, respetuoso con el medio ambiente y económico. Primero, sin un proceso de pretratamiento del DS (agua de mar), las operaciones sostenibles son posibles con una configuración de bucle cíclico infinito del primer proceso HFFO → SWRO → sHFFO. En segundo lugar, el proceso se puede operar a una tasa de recuperación más alta (~80 %) que el proceso SWRO convencional, lo que produce una gran cantidad de permeado. Al mismo tiempo, la salmuera producida se alimenta directamente al proceso sHFFO en lugar de descargarse al ecosistema marino. Como resultado, no hay carga de salmuera ambiental ni pasos de postratamiento, que son limitaciones en el proceso SWRO convencional. En tercer lugar, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO puede ahorrar 63 millones de dólares durante 20 años en comparación con una planta de desalinización convencional basada en SWRO porque no hay costos de instalación, operación y mantenimiento de pretratamiento DS y el proceso SWRO puede operar a bajas presiones ( es decir, 25 bares). Sin embargo, el proceso de desalinización infinita basado en HFFO necesita una mayor optimización, y se deben realizar estudios de verificación con respecto al ensuciamiento de la membrana y las aplicaciones para la comercialización. En resumen, el proceso FO-RO-sHFFO tiene numerosas ventajas sobre el SWRO de dos etapas con el proceso ZLD. Primero, no se requiere descarga o tratamiento de salmuera, lo que no genera costos de energía adicionales (reducción adicional de la carga ambiental). En segundo lugar, si el proceso híbrido FO-RO-sHFFO apunta a la misma producción de agua, se puede reducir el costo final del agua o la capacidad de la planta. En tercer lugar, debido a que la salmuera se recircula continuamente, no se requiere un proceso de pretratamiento de agua de mar, lo que reduce los costos de CAPEX y OPEX para la entrada, el pretratamiento y la descarga de salmuera.

En este estudio, se evaluó un elemento HFFO en varias condiciones operativas (Fig. 6a) para evaluar el concepto FO-RO-sHFFO (Fig. 6b). Las especificaciones de la membrana HFFO se pueden encontrar en la Tabla complementaria 7. El sistema HFFO a escala de elementos consta de dos bombas de circulación (Bomba más larga WT3000-1FA, China), manómetros digitales (Omegadyne Inc., Modelo PX319-050G5V, Sunbury , OH, EE. UU.) y medidores de caudal (DLCL, MiLESEEY, China) en cada lado del sistema. Se instaló una balanza digital (Potable Bench, CAS, República de Corea) y un medidor de conductividad (Orion 4 Star, Thermo Scientific, Albany, EE. UU.) en el tanque FS para medir el cambio de peso y conductividad a intervalos de 30 s para el cálculo del flujo de agua y RSF. Las ecuaciones detalladas utilizadas para calcular el flujo de agua y RSF se pueden encontrar en la Información complementaria. Los experimentos de HFFO a escala de elementos se realizaron en diversas condiciones operativas (Tabla 3). Para la prueba en modo FO (para evaluar el primer proceso FO en la Fig. 1a), agua desionizada (DI) (resistividad >18 MΩ/cm) y una solución de agua de mar sintética (99% NaCl) (Samchun Chemicals, República de Corea) se aplicaron como el FS y DS, respectivamente. Aquí, se evaluó el rendimiento del primer elemento HFFO en modo FO dentro del rango de concentraciones de agua de mar. Se realizaron pruebas usando el elemento HFFO en modo PAO bajo diferentes presiones osmóticas dentro del rango de la diferencia entre las concentraciones de salmuera y agua de mar para evaluar el segundo FO (sHFFO aplicado, con presión natural alterada por diferentes niveles de agua), con presiones que van desde 2 a 4 bares. En este caso, la concentración de FS estaba dentro del rango del agua de mar y la concentración de DS estaba dentro del rango de la salmuera. Además, el rendimiento del elemento HFFO se evaluó a varios caudales en ambos lados (el caudal se seleccionó como factor de evaluación del rendimiento y el fabricante proporcionó sus rangos). En el modo FO, los caudales de FS y DS se variaron en 0,7, 1,0 y 1,5 y en 0,20 y 0,35 L/min, respectivamente. En el modo PAO, se utilizaron los mismos caudales de FS, mientras que el caudal de DS se fijó en 0,35 L/min.

Los paneles a y b muestran el esquema de un proceso de desalinización híbrido FO-RO incorporado con HFFO (FO-RO-sHFFO) y un sistema de prueba de HFFO a escala de elementos (FS y DS se alimentaron en los puertos superior y lateral, respectivamente). el modo era a contracorriente y el caudal y la presión de la entrada lateral se mantenían continuamente).

El experimento HFFO se inició con 30 L de DS y 60 L de FS, y cuando la tasa de dilución de DS alcanzó el 100 %, se detuvo el experimento. Luego, el equipo se limpió físicamente (lavado hacia adelante con agua desionizada) para el siguiente experimento.

A partir de los resultados de desempeño se realizó una evaluación de costos energéticos para obtener la factibilidad del proceso de desalinización infinity basado en HFFO, que genera impactos ambientales menores, utilizando una hoja de cálculo Microsoft 2013 Excel y un simulador de análisis del sistema de ósmosis inversa27,34. En este estudio, se seleccionaron algunos supuestos utilizados en estudios previos6,27,34 y se aplicaron para la evaluación económica comparando este proceso con el proceso SWRO de dos etapas (Tablas complementarias 8 y 9). El agua de mar tratada con membrana de ultrafiltración y el efluente secundario de aguas residuales se utilizaron como DS y FS para el primer FO (tanto en el proceso SWRO de dos etapas como en el sistema FO-RO-sHFFO). En la evaluación económica se utilizó el costo del elemento FO, incluido el costo del módulo FO, de $7000. Las condiciones operativas optimizadas del elemento HFFO (presión de entrada lateral del FS y caudal mínimo y tasas de dilución del FS y DS) y numerosos arreglos en serie se fijaron para la evaluación de costos28. Por lo demás, todos los demás cálculos económicos y factores relacionados fueron los mismos que los utilizados en estudios previos28,30. Se calcularon el costo y el rendimiento del elemento HFFO, el número y la capacidad de las bombas FS y DS, y el número de elementos HFFO en paralelo según el arreglo. Los métodos utilizados en la evaluación económica del elemento HFFO y los factores asumidos se presentan en la Tabla complementaria 9.

Los factores económicos detallados adicionales se muestran en la Tabla complementaria 10.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

Los autores confirman que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo y sus materiales complementarios.

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Esta investigación fue apoyada por el programa de desarrollo para minimizar la tecnología del impacto del cambio climático a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF), financiada por el gobierno coreano (Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT)) (No. 2020M3H5A1081109).

Escuela de Postgrado en Recursos Hídricos, Universidad Sungkyunkwan (SKKU), 2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon, Gyeonggi-do, 16419, República de Corea

S.-J. Im y A. Jang

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de California, Los Ángeles, CA, 90095-1593, EE. UU.

S.-J. Soy

Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional de Pusan, Busan, 46241, República de Corea

s jeong

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Para esta presentación, S.-JI y AJ sugirieron el concepto de desalinización con ahorro de energía, y S.-JI y SJ diseñaron y realizaron los experimentos. S.-JI, SJ y AJ evaluaron el proceso económico y prepararon el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados experimentales y económicos y leyeron el manuscrito.

Correspondencia a A. Jang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Im, SJ., Jeong, S. & Jang, A. Proceso híbrido de ósmosis directa (FO)-ósmosis inversa (RO) incorporado con fibra hueca FO. npj Agua Limpia 4, 51 (2021). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00143-0

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Recibido: 04 febrero 2021

Aceptado: 11 de octubre de 2021

Publicado: 09 diciembre 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-021-00143-0

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