La Ósmosis en las Calderas

Arnulfo Oelker Behn
Gerente Técnico de Thermal Engineering
aoelker@thermal.cl

La calidad del agua de alimentación a calderas es un factor crítico para la confiabilidad, eficiencia y vida útil de los sistemas de generación de vapor.

Impurezas disueltas y en suspensión pueden provocar incrustaciones, corrosión, arrastre de sólidos, pérdidas de eficiencia térmica y fallas prematuras en equipos.

En este contexto surge la ósmosis inversa (RO, por sus siglas en inglés), que corresponde a un proceso de separación por membranas semipermeables que, mediante la aplicación de presión, permite el paso de agua y retiene la mayoría de las sales disueltas, partículas, coloides, bacterias y materia orgánica.

Para el correcto dimensionamiento y selección de un sistema de ósmosis inversa es indispensable contar con la siguiente información básica del agua: Análisis completo del agua de alimentación, incluyendo sólidos disueltos totales, dureza total, alcalinidad, sílice, hierro, manganeso, cloruros, sulfatos, turbidez, SDI (índice densidad de sal), TOC, temperatura y pH; caudal requerido de permeado, caudal promedio y máximo de agua tratada; calidad objetivo del permeado; recuperación deseada del sistema, la que típicamente fluctúa entre 60% y 85%, dependiendo de la calidad del agua cruda y la tolerancia a la generación de salmuera; y disponibilidad de presión, que se sitúa típicamente entre 8 y 20 bar durante la operación.

El desempeño y vida útil de las membranas de ósmosis inversa dependen en gran medida de un adecuado pretratamiento, que generalmente incluye: Filtración multimedia o de arena, para remover sólidos suspendidos y reducir la turbidez; filtración de cartucho (1–5 micras); dosificación de antiincrustante, para inhibir la precipitación de sales como carbonato de calcio, sulfato de calcio y sílice; ajuste de pH (si es necesario) para optimizar la solubilidad de ciertos compuestos y proteger las membranas; decloración (si aplica), ya que el cloro libre y las cloraminas dañan las membranas de poliamida, eliminándose con carbón activado o bisulfito de sodio; y ablandadores de agua para reducir el exceso de dureza.

Un típico sistema RO para calderas incorpora una bomba de alta presión, módulos de membranas RO, instrumentación y control; válvulas de control y seguridad; y sistema de limpieza química (CIP), que permite realizar limpiezas periódicas.

Eficiencia, operación y químicos

La eficiencia de remoción salina de un sistema RO suele estar entre 95% y 99.5%, dependiendo del tipo de membrana y calidad del agua.

La caída de presión a través de las membranas usualmente se encuentra entre 1 y 3 bar en condiciones normales. Y la recuperación del sistema es, por lo general, de 45 a 85%.

La cantidad de salmuera típica es de 15 a 30% para agua dulce, 20 a 40% para agua salobre y 55 a 65% para agua de mar.

La vida útil promedio de las membranas es de 3 a 5 años, aunque puede variar según la calidad del agua de alimentación, eficacia del pretratamiento, frecuencia y calidad de las limpiezas químicas, y condiciones de operación (presión, temperatura y recuperación).

En una planta de osmosis inversa, aparte de los químicos usados para limpieza CIP, suelen emplearse antiincrustante (polifosfonatos o polímeros inhibidores de incrustación), dosificados en línea antes de los cartuchos, para prevenir la precipitación de sales; reductor de oxidantes (bisulfito de sodio), que se dosifica aguas arriba de las membranas para protegerlas contra el cloro y oxidantes; biocida no oxidante, dosificado en pretratamiento, para prevenir el crecimiento microbiológico en pretratamiento y líneas (no debe llegar a las membranas); coagulante/floculante (sulfato de aluminio, cloruro férrico o polímeros floculantes) si el agua es superficial o turbia, dosificado antes de los filtros multimedia; y control pH (si fuera necesario).

Normalmente el pH es de 6.5 a 8.5, aceptándose de 4 a 11, llegando entre 2 y 4 durante limpiezas ácidas (eliminación de incrustaciones) y de 10 a 11.5 durante limpiezas alcalinas (eliminación de material orgánico).

Mantenimiento y limpieza química

El mantenimiento de un sistema RO incluye el monitoreo continuo de presión, caudal y conductividad; limpieza química periódica (CIP), típicamente entre 1 y 6 meses, cuando se detecta aumento de caída de presión (15 a 20%) o disminución de flujo de permeado (10 a 15%); inspección y reemplazo de filtros de cartucho si la caída de presión sube de 1 bar (filtro nuevo = 0.1 a 0.3 bar), típicamente cada 2 a 4 meses, si el agua es limpia; y verificación de dosificación de antiincrustante y ajuste de pH.

Los productos químicos comunes usados para limpieza (CIP) son ácidos (cítrico o sulfúrico diluido), para remover incrustaciones minerales; detergentes alcalinos (NaOH con surfactantes), para eliminar materia orgánica y biofouling; y biocidas compatibles con membranas en casos de crecimiento microbiológico.

Fallas, precauciones y problemas

Una falla prematura de las membranas es causada, principalmente, por incrustaciones por carbonatos, sulfatos o sílice; ensuciamiento por sólidos en suspensión (fouling); daño químico por cloro u oxidantes; operación a presiones (8 a 15 bar en agua dulce) o temperaturas (ideal 10 a 25 °C) fuera de especificación; y limpiezas químicas inadecuadas o demasiado agresivas.

Se debe proteger el sistema durante paradas prolongadas (mayores a 72 horas) con soluciones de preservación para evitar biofouling (crecimiento micobiológico). Los productos típicamente usados son metabisulfito de sodio (SBS al 1.0 a 1.5% p/p y pH de 3 a 6) para detenciones cortas (días o semanas) o formaldehído (0.5 a 1.0% p/p) para detenciones que se prolongan por semanas o meses.

Los problemas operacionales que se pueden presentar en estos sistemas y sus causas principales son los siguientes:

• Incrustación (Scaling) - precipitación de sales: Provoca un aumento gradual de la caída de presión y disminución del flujo de permeado. Es causado, generalmente, por pretratamiento insuficiente, dosis incorrecta de antiincrustante, pH muy alto o altas concentraciones de sales (carbonatos y sílice).

• Ensuciamiento por sólidos en suspensión (fouling particulado), que origina un aumento progresivo de la caída de presión y reducción de caudal, provocado por filtración previa deficiente.

• Biofouling (ensuciamiento biológico): Genera un aumento irregular de la caída de presión, olores, limo o gel bacteriano en las membranas y pérdida de rendimiento difícil de recuperar con limpieza estándar. Es causado por falta de desinfección previa (cloro/biocida) o largos períodos de paro sin preservación adecuada.

• Daño por oxidación química (cloro u oxidantes), que provoca una pérdida súbita o progresiva del rechazo de sales y aumento del flujo permeado (la membrana "se abre"), que generalmente se relaciona con la presencia de cloro libre, cloraminas u ozono en el agua de alimentación, filtro de carbón activado (GAC) saturado o mal dimensionado, falta de monitoreo de ORP o cloro residual.

El límite crítico para todas las membranas de poliamida para el cloro libre es de 0.00 mg/L (0 ppm) – no detectable y para las cloraminas (NH₂Cl / NHCl₂) menor o igual que 0.1 mg/L.

El control se realiza en aplicaciones industriales manteniendo el ORP (potencial redox) por debajo de los 200 mV (idealmente < 150 mV) y realizando mediciones periódicas de cloro libre y cloro total si existe riesgo de cloraminas.

El filtro de carbón activado debe diseñarse considerando un tiempo de residencia (EBCT) mayor a 5-10 minutos, incluir equipos stand by y dosificar un reductor (químico de sacrificio), que típicamente es bisulfito de sodio (SBS, NaHSO₃) y cuya dosificación se ajusta considerando como parámetro de control el ORP.

• Ataque químico por pH extremo: Produce una degradación prematura de membranas y pérdida de rechazo, provocado por operar o limpiar fuera del rango recomendado por el fabricante (típicamente pH 4 a 11 en operación; 1-12 en limpieza, según marca).

• Compactación de membranas (alta presión), que genera una reducción permanente del flujo permeado o mayor presión requerida para mantener producción. Ocurre por operar por sobre la presión máxima recomendada, realizar arranques bruscos sin rampa de presión u operar con temperaturas elevadas.

• Fouling orgánico: Produce un aumento de la caída de presión y caída de flujo y respuesta parcial a limpiezas alcalinas. Es provocado por la presencia de aceites, grasas, surfactantes o materia orgánica disuelta.

• Cavitación o problemas de bombeo.

• Temperatura fuera de rango recomendado de 10 a 25 °C.

En definitiva, la ósmosis inversa es una tecnología robusta y eficiente para el tratamiento de agua de alimentación para calderas siempre que se seleccione, diseñe y opere correctamente.

Artículo publicado en InduAmbiente n° 198 (enero-febrero 2026), páginas 80 a 81.