Producción de salmuera saturada a partir de rechazo de desaladora o residuo de actividad minera
Authors:   , Aladjem Talvy Carlos 
Published: October 2023

Access to drinking water is one of the challenges of the 21st century for an increasing
number of countries in the world. In Spain, a desalination plant providing between 20%
and 30% of Barcelona¿s drinking water has been in operation since summer 2009. The
desalination plant¿s Reverse-Osmosis (RO) system processes sea water to produce
drinking water and a waste product, concentrated brine, which has a negative impact on
the flora and fauna (coral) around the plant outlet pipe. It would be a shame for this
waste product with such a high salt concentration (60 g to 80 g of salt per litre,
compared to about 30 g per litre in the sea) to go unused.

This research explores the possibility to reduce the amount of brine discharged into the
sea by the desalination plants by using it in an industrial process. By means of an
Electrodialysis (ED) process, the concentration of the discharge from the Reverse-
Osmosis process can be increased up to 250 g per litre so the brine can then be purified
and used as a raw material in the chlor-alkali industry. Taking these challenges into
account, an ED pilot plant using CIMS and ACS Neosepta membranes was built in
Barcelona to test concentration of RO brine solutions.

The ED pilot was dimensioned to concentrate 500L/h of brine coming from two different
configured RO pilot plants. As the ED plant had unlimited access to the feed brine and it
did not pretend to desalt this brine, the circuits of diluate and electrolyte were designed
in one-single pass. This allowed operating the plant with high current densities, as
limiting current density was never achieved. Consequently, higher NaCl concentrations
on the concentrate stream were obtained.

The results obtained during the start-up and preliminary operation of the pilot plant aredescribed in the current thesis. These experiences showed the concentration feasibility
of this technology when reaching 258 g NaCl/L after 35h of operation at 0.4kA/m2 with a
power consumption of 0.24 kWh/kg NaCl at 10ºC. Moreover, as the membranes used
(Neosepta CIMS and ACS) were mainly selective for univalent ions, polyvalent ions
such as calcium and magnesium were partially removed from the brine which
represented an advantage for its final reuse in the chlor-alkali industry. However further
treatments would be needed to meet the electrolysis requirements.

A mathematical model was also developed based on Nernst-Planck equations to predict
NaCl concentration performance of the ED pilot plant. Several of the model parameters
were obtained experimentally and others were taken from the literature. The model was
able to accurately predict the NaCl concentration reached in the concentrate tank along
the experiment, as well as the time required to reach maximum concentration and
production overflow as a function of the operation conditions such as electrical current
intensity and NaCl feed concentration. In this work, the results of the mathematical
model are compared with the preliminary experimental results obtained at the pilot plant
in order to validate the model.

Finally, this pHd aims at evaluating the possibility to use an alternative source of brine in
a cost effective way compared to current sources of salt. At the same time it provides a
technical solution for the optimal use of natural resources since it minimizes
environmental impact of the desalinization process. To meet this challenge, our brine
and electrolysis specialists in Italy are collaborating on the project with the Barcelona
water company (Aguas de Barcelona - AGBAR) and the Universitat Politècnica de
Catalunya (UPC).

Finally this thesis brings an interesting step forward in reducing environmental impact of
the desalinization process transforming the RO waste into raw material for the Chlor-
Alkali Industry. Besides, it helps develop future applications for existing Technologies as
the Electrodyalisis.

Para hacer frente al problema de la escasez de agua para el consumo, actualmente se plantea la necesidad de recurrir a recursos no naturales como la desalación por ósmosis inversa, que permite garantizar el suministro de caudales constantes con una alta calidad, independientemente de la climatología. Sin embargo la desalación produce un rechazo salino en cuantía similar a la producción de agua potable. El objetivo de esta tesis es explorar el valor del residuo salino procedente de rechazo de desalación como materia prima para la industria electroquímica, teniendo en consideración que esta salmuera rechazo presenta una concentración de 70 g NaCl/kg, lejos de la concentración de saturación (250 g/kg) necesaria para el proceso electrolítico de la industria cloro-álcali.
Tras un análisis de las tecnologías de concentración existentes, la investigación se ha llevado a cabo utilizando la tecnología de la Electrodiálisis (ED) como sistema más eficiente para concentrar la salmuera de rechazo de desaladora. Así, se ha diseñado y construido una planta piloto experimental, necesaria para confirmar la viabilidad técnica y económica de la electrodiálisis como sistema de concentración de salmuera. Dicha planta piloto se ubicó en el Prat de Llobregat (Barcelona), en el centro de investigación de desalación del proyecto SOSTAQUA (www.sostaqua.com) donde DOW y DEGREMONT tienen instaladas sus plantas piloto de Ósmosis Inversa (OI).
Los principales hallazgos de la investigación doctoral confirman que la conexión de la planta de electrodiálisis al rechazo de OI para la producción de salmuera destinada a una electrolisis de Cloro-Sosa ofrece las siguientes ventajas competitivas:
1. El acceso ilimitado de salmuera ya pre-concentrada permite trabajar en la configuración de paso directo (One Single Pass). Esto significa que la corriente de diluido no se llega a desconcentrar (pierde 6 g NaCl) en iones Na+ y Cl-, por lo que la resistividad del stack de membranas se mantiene constante (y baja), incluso cuando se aplican densidades de corriente elevadas.
2. Los pre-tratamientos realizados al agua de mar previos a la OI, como la eliminación de materia orgánica, ahorran la etapa de depuración previa a la EDI. Además, el uso de anti-escalantes retrasa la precipitación de sulfatos en la superficie de las membranas.
3. Al ser un proceso de arrastre electroquímico, la EDI no añade reactivos nocivos a la salmuera rechazo de OI; sino todo lo contrario, el rechazo de la EDI es salmuera diluida y el concentrado es el residuo que se pretende valorizar como materia prima para un proceso industrial.
4. La selectividad de las membranas de electrodiálisis consigue una primera etapa de depuración de los iones bivalentes nocivos para el posterior proceso industrial durante el propio proceso de concentración. Al no concentrar los iones Mg2+ y Ca2+ la electrodiálisis resulta una tecnología interesante pues integra una etapa de depuración
en iones bivalentes para la aplicación industrial de producción de Cl2 -NaOH.
5. Finalmente, la ventaja competitiva de la electrodiálisis viene por el lado del consumo energético Los resultados experimentales sitúan el consumo energético en torno a 0,2 kWh/kg sal frente a los 8,5 kWh/kg de los sistemas tradicionales de concentración de salmuera por evaporación.
Por otra parte, se ha desarrollado un modelo teórico basado en las ecuaciones de Nernst-Planck, que se ha podido validar con resultados experimentales obtenidos en la planta piloto. El modelo resulta ser válido para predecir la evolución temporal de la concentración en NaCl de la solución.
Finalmente, en el aspecto ambiental, esta tesis aporta aspectos muy interesantes ya que da salida al rechazo producido en los procesos de desalación de OI como materia prima para la industria y sienta bases para ayudar a desarrollar futuras nuevas aplicaciones a tecnologías existentes.