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

El caso de la conservación y preservación del agua se está volviendo cada vez más grave. La escasez en el 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 solo a las naciones en desarrollo o las regiones áridas, sino que ahora todos pueden verlos y sentirlos en forma de lechos de lagos secos, acuíferos colapsados ​​y agotados, y ríos que ya no fluyen hacia su destino. . Según ONU-Agua, 1.800 millones de personas vivirán con escasez absoluta de agua para 2025.1 En California, el suministro de agua para las tierras de cultivo aumentó su costo hasta diez veces en 2022;2 en Columbia Británica, Canadá, un área designada como selva tropical estaba bajo severas restricciones de sequía en el otoño de 2022;3 y en 2017 Ciudad del Cabo en Sudáfrica alcanzó el '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 detuvo sus planes de vehículos eléctricos (EV) debido a las restricciones de agua.5 La falta de agua representa una gran amenaza para varios sectores, incluida la fabricación industrial, el transporte e incluso la seguridad alimentaria. Si la escasez de agua continúa aumentando, ¿comenzarán las personas y la industria a competir por ella o, peor aún, a luchar por ella? Si queremos dar la vuelta a esta esquina, debemos comenzar a administrar mejor nuestra agua pero, lo que es más importante, debemos comenzar a valorar el agua como un recurso. Para los procesos industriales, la capacidad de reutilizar el agua podría ser la diferencia entre tener una operación económica y sostenible frente a cerrar por falta de agua. La conservación mejorada del agua ha puesto de relieve el mandato para la adopción de nuevos métodos en el tratamiento de aguas residuales, de modo que el agua valiosa contenida en ellos pueda extraerse, purificarse y reutilizarse en los procesos industriales o devolverse al medio ambiente para la recarga de acuíferos o relleno. de suministros de agua.

Hay soluciones para el 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, se producen 359 000 millones de metros cúbicos de aguas residuales industriales cada año y solo alrededor del 50 % se trata.6 La recuperación de agua de manera rentable, con requisitos mínimos de energía, se puede lograr hoy en día 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 ello, el Grupo L'Oréal se ha comprometido a que, para 2030, el 100 % del agua utilizada en sus procesos industriales sea reciclada y reutilizada en un circuito continuo de agua.7

Durante las últimas décadas, los avances en tecnologías y métodos para el tratamiento de flujos de desechos contaminados industrialmente han aparecido con mayor frecuencia. El más destacado de estos avances ha sido la aparición de nuevas tecnologías basadas en membranas capaces de hacer la transición de las plantas de tratamiento de aguas residuales convencionales a instalaciones avanzadas de reutilización sostenible. La tecnología de membrana más madura es la ósmosis inversa (OI), con un tamaño de mercado proyectado de $13.500 millones 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, nuevos mandatos de tratamiento para aplicaciones de aguas residuales industriales y municipales y, más recientemente, gestión de salmuera como resultado de la construcción de más plantas de desalinización para satisfacer las demandas de agua potable.9

La necesidad y demanda de más agua ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías de membranas y la evolución de otras. Los desarrollos recientes de 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 solo por los avances en química y ciencias de los materiales en 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 brinda 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 con 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 40-50 % en comparación con la evaporación térmica (TE) convencional con respecto a la extracción y producción de agua limpia.10 Dado que FO usa menos energía que TE, 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 gobierno corporativo (ESG). Además, dado que la FO usa energía osmótica para extraer agua a través de una membrana semipermeable y no presión, los desafíos/problemas comunes asociados con las operaciones de RO, como la compactación/compresión de sólidos, el bloqueo de poros y la pérdida de flujo irreversible, se han eliminado o minimizado debido a 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 además de la eliminación en pozos profundos o la evaporación por ebullición a granel de alta energía.

Un proceso de FO industrial generalmente utiliza un enfoque de tres pasos. El primer paso es donde se usa una membrana para extraer agua de un flujo de proceso o de desecho. La extracción de agua es una 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 alimentación y la solución 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 hacia ella. El resultado neto de la transferencia de agua conduce a una concentración de la solución de alimentación y una 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.

Una solución de extracción termolítica es preferible ya que permite que los sistemas de FO operen a niveles significativamente más altos de TDS, mucho más allá de los límites de RO. La singularidad de una solución de extracción termolítica radica en su capacidad para convertir una sal disuelta en un gas y dejar la solución cuando se le aplica calor de bajo grado, lo que da como resultado que quede 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 ha descrito, la diferencia operativa entre FO y TE es significativa, ya que el uso de energía de FO es un 40-50 % menor. Para regenerar el CDS, los gases emitidos se capturan y se reciclan nuevamente en CDS en un proceso de adsorción, que es el paso tres 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 bucle continuo.

Ya en 2019, Forward Water escaló el proceso para el tratamiento de aguas residuales de refinería y el tratamiento de agua producida de 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 una entrada de energía relativamente más baja 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 los sectores donde se llevará a cabo una adopción rápida. En términos generales, se trata de desechos de fabricación industrial, minería o extracción de minerales y procesamiento de alimentos y bebidas. Cuando se combinan, estos sectores representan una oportunidad de $ 67 mil millones.11a,b,c Si bien cada una de estas industrias tiene diferentes resultados comerciales, todas dan como resultado aguas residuales comprometidas adecuadas para el tratamiento mediante un proceso de FO.

En el desarrollo de diseños de FO en asociación con varios mercados y aplicaciones, se hizo evidente que los datos de prueba derivados de las pruebas de banco de FO y la prueba piloto de FO del proceso del cliente y las corrientes 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 involucrarnos en nuevas aplicaciones, como la gestión de salmuera. Las salmueras se pueden definir como de alta salinidad, alto contenido de minerales o ambos; se puede encontrar como hecho por el hombre o en la naturaleza; y pueden tener valor por el propósito al que sirven (salmuera de decapado) 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 brinda beneficios para su manejo, gestión y procesamiento. Reconociendo 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 FO está brindando un valor nuevo y agregado al de TE convencional es en la recuperación de litio de fuentes de salmuera de litio no convencionales, utilizado junto con la extracción directa de litio (DLE). Un proceso DLE extrae y carga litio 'directamente' en un material de intercambio iónico o de absorción a medida que la salmuera de litio pasa por encima 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 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 da como resultado una mayor concentración de litio y la transformación de fuentes no convencionales en sitios de producción económicamente viables. Se estima que el desbloqueo de fuentes de salmuera de litio no convencionales podría permitir la realización de 25 millones de toneladas de producción de LCE.12

En 2022, la demanda de litio ha crecido rápidamente y el lado de 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 de grado de batería provenga en gran medida de salmueras subterráneas contenidas en comparación con la minería de roca dura. La recolección de litio en varios pasos 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 acuosa de procesamiento de salmuera. Los costos del proceso son una consideración importante y, en muchos casos, si no en todos, una corriente de proceso concentrada brinda los mejores beneficios en la cinética de extracción DLE y en los procesos posteriores al DLE, y en la eliminación de contaminantes. Estas corrientes concentradas de salmuera y litio conducen a una menor huella de capital, mejores rendimientos, costos más bajos y purezas más altas de lo que cabría 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 lo hacen. abordar la conservación del agua directamente. Por último, al ejecutar las operaciones DLE y el refinamiento de 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 utilizando generación de energía tradicional basada en hidrocarburos o carbón. Por lo tanto, la concentración de salmuera deseada no puede depender de los métodos tradicionales de evaporación forzada utilizando, por ejemplo, la evaporación térmica multiefecto.

El proceso de tratamiento Li-FOTM de Forward Water, desarrollado específicamente para ayudar a la captura de litio, permite la concentración de flujos 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 han demostrado ser mucho más menos que la de la evaporación hasta el punto en que la huella de CO2 es solo el 50 % del evaporador de efecto múltiple equivalente.10 Además, el proceso Li-FOTM también devuelve el agua limpia a la fuente original o la pone a disposición para otros usos industriales. Otros estudios también han revelado que las instalaciones termosolares pueden satisfacer la demanda térmica, lo que hace que la recuperación y reutilización del agua sea aún más efectiva en términos de costo y reducción de emisiones de CO2. Actualmente, Forward Water está trabajando con varias compañías mineras globales en el desarrollo y soporte de sus procesos DLE de litio y para garantizar un impacto ambiental mínimo o nulo al maximizar la recuperación de agua para su reutilización y minimizar las emisiones de CO2.

La combinación de regulaciones de agua más estrictas, costos de operación más altos y el impulso hacia cero emisiones netas ha posicionado los procesos MAX-FOTM y Li-FOTM como una solución innovadora para satisfacer las necesidades de los clientes de hoy. El reciclaje de extracción termolítica, en combinación con materiales de membrana avanzados, está estableciendo nuevos y más bajos puntos de referencia energéticos 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, factores de concentración más altos, 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-covered-worldwide/

7. https://www.loreal.com/en/commitments-and-responsibility/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. Los estudios de terceros han proyectado que MEE requeriría energía, lo que daría como resultado la liberación de 197,4 kg de CO2, en comparación con los 98,6 kg para las mismas necesidades de tratamiento utilizando el proceso de FO de FWTC.

11a. https://www.statista.com/statistics/1099424/tamaño-del-mercado-tratamiento-de-aguas-residuales-industriales-global-por-region/

11b. Informe global sobre el 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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