Nuevo sistema de tratamiento de aguas residuales mediante procesos avanzados de membranas

Los argumentos a favor de la conservación y preservación del agua son cada vez más graves. La escasez de suministro de agua, la disminución de la calidad del agua y, en algunos casos, la pérdida total del acceso al agua se han vuelto cada vez más comunes en todo el mundo. Desafortunadamente, estos problemas de agua ya no se atribuyen sólo a las naciones en desarrollo o a las regiones áridas, sino que ahora pueden ser vistos y sentidos por todos en forma de lechos de lagos secos, acuíferos colapsados ​​y agotados, y ríos que ya no fluyen hacia su destino anterior. . Según ONU-Agua, 1.800 millones de personas vivirán con escasez absoluta de agua en 2025.1 En California, el costo del suministro de agua para las tierras agrícolas aumentó hasta diez veces en 2022;2 en Columbia Británica, Canadá, un área designada como bosque tropical estuvo bajo severas restricciones por sequía en el otoño de 2022;3 y en 2017, Ciudad del Cabo en Sudáfrica llegó al 'día cero': el día en que los depósitos de agua estaban esencialmente secos y el gobierno se vio obligado a cortar el suministro de agua.4

Incluso Europa está viendo barreras a la fabricación, cuando en 2022 Tesla paralizó sus planes de vehículos eléctricos (EV) debido a restricciones de agua.5 La falta de agua plantea una amenaza importante para varios sectores, incluida la fabricación industrial, el transporte e incluso la seguridad alimentaria. Si la escasez de agua continúa aumentando, ¿comenzarán la gente y la industria a competir por ella o, peor aún, a luchar por ella? Si queremos dar un giro a esta situación, debemos empezar a gestionar mejor nuestra agua pero, lo que es más importante, debemos empezar a valorar el agua como recurso. Para los procesos industriales, la capacidad de reutilizar el agua podría marcar la diferencia entre tener una operación económica y sostenible o cerrar por falta de agua. La mejora de la conservación del agua ha puesto de relieve la necesidad de adoptar nuevos métodos de tratamiento de aguas residuales, de modo que el agua valiosa que contienen pueda extraerse, purificarse y reutilizarse en los procesos industriales o devolverse al medio ambiente para recargar los acuíferos o rellenarlos. de suministros de agua.

Hay soluciones al problema de la escasez de agua. Si bien el alivio del estrés hídrico requerirá esfuerzos en múltiples frentes, uno de esos campos de batalla se centrará en el uso industrial y la reutilización del agua. A nivel mundial, cada año se producen 359 mil millones de metros cúbicos de aguas residuales industriales y solo alrededor del 50% se trata.6 Hoy en día, es posible recuperar agua de manera rentable y con requisitos mínimos de energía utilizando tecnologías más avanzadas y actualmente disponibles. Para las plantas existentes, mejorar o modificar los procesos de tratamiento de aguas residuales existentes podría significar esencialmente que el agua que ingresa a una planta podría reutilizarse indefinidamente, convirtiéndola en una compra única y en un recurso de la planta. Como ejemplo de esto, el Grupo L'Oréal se ha comprometido a que, para 2030, el 100% del agua utilizada en sus procesos industriales será reciclada y reutilizada en un circuito de agua continuo.7

En las últimas décadas, han aparecido con mayor frecuencia avances en tecnologías y métodos para el tratamiento de flujos de desechos industrialmente contaminados. El más destacado de estos avances ha sido la aparición de nuevas tecnologías basadas en membranas capaces de hacer la transición de plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales a instalaciones avanzadas de reutilización sostenible. La más madura de las tecnologías de membranas es la ósmosis inversa (RO), con un tamaño de mercado proyectado de 13.500 millones de dólares para 2025 con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 8,7%.8 Este crecimiento del mercado está siendo impulsado en parte por la escasez de agua, nuevas mandatos de tratamiento para aplicaciones de aguas residuales industriales y municipales y, más recientemente, gestión de salmueras como resultado de la construcción de más plantas desalinizadoras para satisfacer la demanda de agua potable.9

La necesidad y demanda de más agua ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías de membranas y a la evolución de otras. Los desarrollos recientes en la tecnología de membranas incluyen la ósmosis inversa asistida osmóticamente (OARO), la ósmosis inversa de circuito cerrado (CCRO), la destilación por membrana (MD) y la ósmosis directa (FO). FO es un buen ejemplo de evolución tecnológica, realizada únicamente gracias a los avances en la química y las ciencias de los materiales durante los últimos 15 años. FO ha aprovechado estos avances mediante el uso de membranas selectivas de agua recientemente comercializadas y el uso de una nueva solución de extracción termolítica (TDS), que ofrece tasas de recuperación de agua más altas con energías más bajas. El resultado neto de estos avances es que se pueden extraer y recuperar grandes cantidades de agua limpia de las aguas residuales utilizando la energía osmótica libre contenida en la solución de "extracción". Históricamente, el desafío de la comercialización de tecnologías de FO ha sido la identificación de soluciones de extracción económicamente viables que sean fáciles de regenerar con demandas mínimas de energía. La selección y el uso de una solución de extracción termolítica resuelve este desafío. Las soluciones de extracción termolítica de FO son capaces de ofrecer una reducción de energía del 40 al 50 % en comparación con la evaporación térmica (TE) convencional en lo que respecta a la extracción y producción de agua limpia.10 Dado que la FO utiliza menos energía que la TE, la FO tiene una huella de carbono mucho menor, lo que demuestra ser beneficioso para las empresas que buscan mejorar su calificación ambiental, social y de gobernanza (ESG). Además, dado que la FO utiliza energía osmótica para extraer agua a través de una membrana semipermeable y no presión, los desafíos/problemas comunes asociados con las operaciones de OI, como la compactación/compresión de sólidos, el bloqueo de poros y la pérdida de flujo irreversible, se han eliminado o minimizado debido a La robusta naturaleza operativa de FO.

Forward Water Technologies Corporation ha comercializado su proceso industrial MAX-FOTM para aguas residuales y de proceso difíciles de tratar que tienen pocas alternativas de tratamiento de aguas residuales aparte de la eliminación en pozos profundos o la evaporación por ebullición a granel de alta energía.

Un proceso industrial de FO suele utilizar un enfoque de tres pasos. El primer paso es donde se utiliza una membrana para extraer agua de una corriente residual o de proceso. La extracción de agua es función de la permeabilidad de la membrana y el potencial osmótico de la solución de extracción. El potencial osmótico está relacionado con el tipo de solución de extracción utilizada y debe desarrollar una diferencia de potencial osmótico muy alta entre la solución de alimentación y la de extracción. Como el potencial osmótico es la fuerza que hace que el agua se transporte a través de la membrana, cuanto mayor sea el potencial osmótico, mayor será el transporte de agua. Para maximizar el potencial osmótico, el proceso de FO debe diseñarse de manera que la solución de extracción se mantenga en la concentración más alta posible mientras se transporta agua. El resultado neto de la transferencia de agua conduce a una concentración de la solución de alimentación y a la dilución de la solución de "extracción" denominada solución de extracción diluida (DDS). Para mantener una alta concentración de solución de extracción durante las operaciones, el DDS debe reconcentrarse o regenerarse continuamente dentro de un proceso de circuito cerrado. Forward Water Technologies logra esto mediante el uso de una solución de extracción termolítica.

Es preferible una solución de extracción termolítica, ya que permite que los sistemas de FO funcionen a niveles de TDS significativamente más altos, mucho más allá de los límites de RO. La singularidad de una solución de extracción termolítica radica en su capacidad para convertirse de una sal disuelta a un gas y dejar la solución cuando se le aplica calor de baja calidad, lo que da como resultado agua limpia. Por el contrario, un evaporador térmico es una caldera a granel que utiliza presión y alta temperatura en la producción de agua destilada. Como se describe, la diferencia operativa entre FO y TE es significativa, ya que el uso de energía de FO es entre un 40% y un 50% menor. Para regenerar el CDS, los gases desprendidos se capturan y reciclan nuevamente al CDS en un proceso de adsorción, que es el tercer paso del ciclo de FO. Este proceso de FO de tres pasos da como resultado una mayor recuperación de agua, menores requisitos de energía y un proceso de regeneración de circuito continuo.

Ya en 2019, Forward Water amplió el proceso para el tratamiento de aguas residuales de refinerías y el tratamiento del agua producida por la industria del petróleo y el gas en Alberta. Por lo tanto, se demostró que la tecnología MAX-FOTM era escalable, capaz de lidiar con flujos de desechos desafiantes y logró los objetivos operativos de recuperación de agua limpia con un aporte de energía relativamente menor en comparación con el transporte y la eliminación o la evaporación forzada.

La clave para avanzar en la comercialización del proceso MAX-FOTM de Forward Water es centrarse en sectores donde se llevará a cabo una rápida adopción. En términos generales, se trata de la fabricación industrial, la minería o la extracción de minerales y los residuos del procesamiento de alimentos y bebidas. Cuando se combinan, estos sectores representan una oportunidad de 67 mil millones de dólares.11a,b,c Si bien cada una de estas industrias tiene diferentes resultados comerciales, todas dan como resultado aguas residuales comprometidas aptas para el tratamiento mediante un proceso de FO.

En el desarrollo de diseños de FO en asociación con diversos mercados y aplicaciones, se hizo evidente que los datos de prueba derivados de las pruebas de banco de FO y del pilotaje de FO de los procesos del cliente y los flujos de aguas residuales estaban brindando un mejor rendimiento de lo previsto. Los aumentos en el rendimiento de FO significaron mayores tasas de recuperación de agua y menores costos operativos, lo que nos permitió abordar nuevas aplicaciones como la gestión de salmuera. Las salmueras pueden definirse como de alta salinidad, alto contenido de minerales o ambas; se puede encontrar en forma artificial o en la naturaleza; y pueden tener valor por el propósito al que sirven (salmuera encurtida) o por los minerales/metales que contienen. En cualquier caso (salmueras artificiales o naturales), la capacidad de extraer agua y concentrarla al nivel más alto posible proporciona beneficios para su manipulación, gestión y procesamiento. Al reconocer la capacidad MAX-FOTM de Forward Water para concentrar estas salmueras, han surgido varios mercados nuevos para satisfacer las necesidades de los clientes.

Uno de esos mercados donde la FO está aportando un valor nuevo y agregado al de la TE convencional es la recuperación de litio a partir de fuentes de salmuera de litio no convencionales, utilizadas junto con la extracción directa de litio (DLE). Un proceso DLE extrae y carga 'directamente' litio en un material de intercambio iónico o de absorción a medida que la salmuera de litio pasa sobre él y a través de él. Cuanto mayor sea el contenido de litio en la salmuera, más rápido y fácil será cargar litio en el material DLE. Las fuentes de litio no convencionales, como las salmueras geotérmicas y de yacimientos petrolíferos, suelen contener concentraciones de litio de entre 75 y 200 ppm. Este bajo contenido de litio significa que se necesitan bombas más grandes, mayores volúmenes de salmuera y mayores costos de capital para cargar litio en el material DLE. El proceso MAX-FOTM, en muchos casos, puede concentrar fuentes de salmuera de litio no convencionales hasta diez veces, lo que resulta en una mayor concentración de litio y la transformación de fuentes no convencionales en sitios de producción económicamente viables. Se estima que desbloquear fuentes de salmuera de litio no convencionales podría permitir la producción de 25 millones de toneladas de LCE.12

En 2022, la demanda de litio ha crecido rápidamente y la oferta no ha podido seguir el ritmo de una demanda cada vez mayor. Se espera que esta brecha en la cadena de suministro continúe al menos hasta 2040.13

Además, se prevé que el suministro de litio para baterías provenga en gran medida de salmueras subterráneas contenidas en lugar de minería de roca dura. La recolección de litio en varias etapas de estas salmueras tiene algunas limitaciones importantes. Muchos de los procedimientos DLE acompañados de las necesidades de tratamiento aguas arriba y aguas abajo son todos de naturaleza procesamiento de salmuera acuosa. Los costos del proceso son una consideración importante y en muchos, si no en todos los casos, un flujo de proceso concentrado proporciona los mejores beneficios en la cinética de extracción DLE y en los procesos posteriores a DLE y eliminación de contaminantes. Estos flujos concentrados de salmuera y litio generan una menor huella de capital, mejores rendimientos, menores costos y mayores purezas de lo que se podría esperar. Además, la recuperación del agua de las operaciones de litio también puede ser una consideración crítica, ya que muchas de estas fuentes de litio se encuentran en regiones áridas o con escasez de agua y extraer agua sin reemplazarla crea grandes barreras para los operadores, ya que las comunidades locales se resisten a las industrias que no abordar directamente la conservación del agua. Por último, al ejecutar operaciones DLE y refinar la pureza del litio, una consideración crítica es el requisito de demanda de energía en estos procesos. La industria de materiales renovables no puede ser un gran consumidor de energía, especialmente si esa energía se genera mediante la generación de energía tradicional basada en hidrocarburos o carbón. Por tanto, la concentración de salmuera deseada no puede depender de métodos tradicionales de evaporación forzada utilizando, por ejemplo, evaporación térmica de efectos múltiples.

El proceso de tratamiento Li-FOTM de Forward Water, desarrollado específicamente para ayudar en la captura de litio, permite la concentración de corrientes de salmuera de proceso a base de agua, lo que lleva a menores costos operativos y de capital como resultado de sus requisitos de energía sustancialmente más bajos, que se ha demostrado que son mucho más bajos. menos que la de la evaporación hasta el punto en que la huella de CO2 es solo el 50 % de la del evaporador multiefecto equivalente.10 Además, el proceso Li-FOTM también devuelve agua limpia a la fuente original o la pone a disposición para otros usos industriales. Otros estudios también han revelado que la demanda térmica puede cubrirse mediante instalaciones solares térmicas, lo que hace que la recuperación y reutilización del agua sea aún más efectiva en términos de coste y reducción de emisiones de CO2. Actualmente, Forward Water está trabajando con varias empresas mineras globales en el desarrollo y soporte de sus procesos DLE de litio y para garantizar un impacto ambiental mínimo o nulo maximizando la recuperación de agua para su reutilización y minimizando las emisiones de CO2.

La combinación de regulaciones hídricas más estrictas, mayores costos de operación y el impulso hacia cero emisiones netas ha posicionado a los procesos MAX-FOTM y Li-FOTM como una solución innovadora para satisfacer las necesidades de los clientes actuales. El reciclaje termolítico, en combinación con materiales de membrana avanzados, está estableciendo nuevos estándares energéticos más bajos en la recuperación de agua y las emisiones de CO2. Con cada éxito, Forward Water ayuda en la transición global hacia la sostenibilidad del agua al reemplazar las tecnologías convencionales por otras más limpias y eficientes. FO continúa encontrando nuevos mercados y nuevas aplicaciones a medida que los clientes se dan cuenta de las oportunidades inherentes que ahora les brindan las operaciones de FO: mayor recuperación de agua, mayores factores de concentración, mayor reducción de volumen y menor requerimiento de energía. ¿Se puede mejorar su proceso o sistema de tratamiento de aguas residuales con uno de estos beneficios de FO?

2. https://www.cnn.com/2022/11/01/us/california-water-cost-profiteering-climate

3. https://globalnews.ca/news/9205042/sunshine-coast-drought-emergency/

4. https://time.com/cape-town-south-africa-water-crisis/

5. https://www.npr.org/2022/11/03/1131695382/tesla-ev-electric-vehicles-europe-germany-drought-climate-change-factory

6. https://www.aquatechtrade.com/news/wastewater/50-per-cent-of-wastewater-now-treatment-worldwide/

7. https://www.loreal.com/en/commitments-and-responsabilidades/for-the-planet/managing-water-sustainably/

8. https://www.alliedmarketresearch.com/reverse-osmosis-membrane-market

9. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/reverse-osmosis-membrane-market-423.html?gclid=CjwKCAiA68ebBhB-EiwALVC-NiI3ThKAsmjCLnlx2JX6Zyr7VYNDmBBqdgVFN9OSgsO9IWoxPnUcVxoCEQ4QAvD_BwE

10. Estudios de terceros han proyectado que MEE requeriría energía, lo que generaría 197,4 kg de CO2 liberados, en comparación con 98,6 kg para las mismas necesidades de tratamiento utilizando el proceso FO de FWTC.

11a. https://www.statista.com/statistics/1099424/market-size-industrial-wastewater-treatment-global-by-region/

11b. Informe global del mercado de fabricación de concentrados y jarabes aromatizantes 2019, The Business Research Company, junio de 2019

11c. https://www.prnewswire.com/news-releases/global-mining-water–wastewater-treatment-market-report-2019-2023-focus-on-growth-opportunities-for-sustainable-solutions-300962194.html

12. https://www.fastmarkets.com/insights/unconventional-lithium-sources-can-it-fill-the-supply-gap

13. Minerales de referencia 2022

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimotercera edición de nuestra publicación trimestral.

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