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Se estudió el comportamiento de membranas de ósmosis inversa y nanofiltración a utilizar en el pretratamiento del agua para la alimentación de calderas.Se analizó la velocidad de permeado y la selectividad de las membranas respecto de la presión, temperatura y concentración del agua de alimentación.Se estudiaron siete membranas; dos de nanofiltración y cinco de ósmosis inversa. Los mejores análisis de la retención fueron para las membranas ESPA1, CPA2 y PAC, con retenciones mínimas del 99.3%, cuando las concentraciones son del 0.1 %, NaCl.La modelización se desarrolló con base en los principios de solución-difusión, solución-difusión-imperfección, poros finos y termodinámica irreversible, y se determinó un modelo con cada uno de ellos, utilizando para el efecto correlaciones lineales y no lineales. Se definió expresiones para la velocidad de permeación, velocidad de permeación del soluto y la retención, identificando en cada caso los valores de los coeficientes.El proceso de modelización se optimizó por el criterio de los mínimos cuadrados y una función objetivo, que establece una calificación de las predicciones de los modelos, para los errores por defecto o por exceso a los valores reales de la experimentación.Los modelos fueron evaluados conforme a la función objetivo, de donde se determinó aplicar el modelo de poros finos, por sus mayores aproximaciones en las predicciones al comportamiento de las membranas ESPA1, CPA2 y PAC, además de brindar mayores opciones de calibración y ajuste.Se elaboró un diseño con cada una de las membranas seleccionadas, de un sistema de acondicionamiento de aguas para una caldera, con aguas de dureza alta, media y baja, los cuales se compararon con el diseño obtenido mediante software comercial. Para cada uno de ellos se hizo su evaluación económica, y se comparó el coste del metro cúbico de agua tratada con el de otros tratamientos como el intercambio iónico.

En los últimos años la desalación se ha convertido en uno de los recursos de agua no convencionales más importantes por todo el mundo, con especial relevancia en lugares con escasez de agua. España es uno de los 5 países con mayor capacidad instalada a nivel mundial y cuenta con un número importante de grandes desaladoras de agua de mar, junto con otras instalaciones para la mejora de la calidad de las aguas continentales. Junto a los grandes beneficios de la desalación (incremento del recurso y de la calidad del agua), todavía hay campo para la investigación y la mejora, sobre todo en aspectos relacionados con la reducción del consumo de energía y el impacto ambiental. Una de las cuestiones que ha generado más preocupación ambiental en el ámbito de la desalación es la gestión y solución al concentrado o rechazo procedente del sistema, que se conoce popularmente como "salmuera". Las salmueras de desalación son corrientes concentradas en las sales que han sido extraídas del agua, y pueden tener propiedades muy diferentes dependiendo de la tecnología de desalación utilizada, el origen y características físico-químicas del agua a desalar y la conversión de la desaladora (cantidad de agua dulce producida respecto al agua total aportada), que determina la concentración de esta corriente. En la actualidad, gran parte de las investigaciones sobre la gestión de salmueras se centran en la búsqueda de posibles aplicaciones para su valorización, bien para la extracción de productos químicos contenidos en la propia salmuera o que puedan servir de materia prima para la producción de otros, o bien por la vía de la producción de energía y la mejora de la eficiencia energética en el proceso de desalación. La presente tesis doctoral se presenta por compilación de publicaciones, una selección de trabajos y artículos que tratan sobre las alternativas para la gestión y tratamiento de las salmueras, basados en una serie de proyectos de investigación sobre esta temática que se han desarrollado a lo largo de la tesis. Dichos proyectos han cubierto muchos de los aspectos relacionados con la gestión de las salmueras de desalación: estudio de alternativas, cultivo de microalgas para la eliminación de nutrientes en salmueras, posibles usos de las salmueras y sus subproductos, estudio de la viabilidad de la evaporación-cristalización para la descarga líquida cero, modelización matemática de la dilución de salmueras, comparación de distintas tecnologías de desalación, uso de tecnologías emergentes, inyección de salmueras en acuíferos profundos, uso de la energía residual de las salmueras para la reducción del consumo energético, uso directo de la energía solar para alimentar una planta desaladora de membranas, y extracción de sales procedentes de salmueras con disolventes orgánicos. Como resultados de los trabajos de investigación se describen también varias comunicaciones a congresos nacionales e internacionales, así como varios casos de estudio en plantas reales, y se relacionan las patentes obtenidas.

La falta de recursos hídricos en las últimas décadas en varias regiones del planeta ha propiciado el desarrollo de distintas técnicas de desalinización. Para satisfacer la demanda de agua potable en la Cuenca Mediterránea, el proceso que se ha implantado mayoritariamente ha sido la desalinización mediante ósmosis inversa debido a la reducción en el consumo energético y en el tamaño de las instalaciones con respecto a otras tecnologías. La salmuera o agua de rechazo proveniente de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa se caracteriza principalmente por su alta salinidad y densidad. Normalmente es vertida directamente al mar, dispersándose sobre el fondo marino y formando una pluma de salmuera que se desplaza a favor de la batimetría de la zona receptora a lo largo de varios centenares de metros, lo que puede producir efectos negativos sobre las comunidades bentónicas. Para minimizar estos efectos se utilizan distintos métodos de descarga como los emisarios submarinos, que favorecen la mezcla del vertido con el agua de mar. El desarrollo de modelos de mezcla como herramientas predictivas que permiten realizar simulaciones matemáticas del comportamiento del vertido de salmuera ha permitido avanzar en el estudio hidrodinámico de los vertidos hipersalinos y así diseñar configuraciones óptimas de descarga a la hora de construir emisarios submarinos para favorecer el proceso de mezcla de la pluma de salmuera. Además, existen elementos que aumentan la eficiencia del proceso de dilución de los vertidos de salmuera como son los difusores. Algunos autores han comprobado mediante estudios de campo que los efectos negativos de los vertidos sobre ciertas comunidades marinas se han visto reducidos cuando se han utilizado estos elementos. El estudio hidrodinámico de la salmuera vertida a través de un emisario submarino se realiza en dos regiones muy diferenciadas conocidas como campo cercano y campo lejano. Los procesos de mezcla de las dos regiones son totalmente distintos y se estudian a diferentes escalas, tanto es así que se utilizan modelos de mezcla específicos para cada una de ellas. Los modelos normalmente son validados con experimentos de laboratorio en los que las condiciones ambientales están controladas, aunque en algunos estudios también se han comparado las simulaciones de los modelos con datos obtenidos directamente de mediciones en el campo.

El presente trabajo consistió en explorar y encontrar una opción energéticamente y económicamente más eficiente que el proceso de destilación simple para la producción de agua ultra pura en el laboratorio de manufactura de la PUCP. La opción alternativa elegida fue una máquina de ósmosis inversa y deionización de agua suministrada por la red de agua potable. Esta tesis desarrolló el diseño mecánico de una máquina que utilice los procesos de purificación del agua mediante una membrana de ósmosis inversa y cartuchos de resina iónica, la selección de componentes, la elaboración de los planos necesarios y la estimación de los costos de fabricación, armado y funcionamiento de la máquina. Para realizar el diseño, primero se definió el caudal y calidad de agua requeridas por el laboratorio y también la calidad y propiedades físicas del agua suministrada por la red. Con esos datos, se procedió a seleccionar una membrana de ósmosis inversa que pudiera producir dicho caudal con una alta tasa de purificación del agua. El siguiente paso fue aplicar la teoría de mecánica de fluidos para calcular las pérdidas de energía del fluido en tuberías y accesorios para el caudal requerido. Una vez conocido el caudal necesario y las pérdidas en el sistema, se procedió a seleccionar una bomba que pudiera cumplir con los requerimientos necesarios de presión y caudal, y que también use la energía eléctrica y el agua potable con la mayor eficiencia posible. A continuación, se aplicaron conceptos químicos de soluciones iónicas, para calcular la vida útil y la composición necesaria de una cama de resina desionizadora mixta que produjera agua ultra pura con un pH neutro, a partir de la composición aproximada del agua producida por la ósmosis inversa. Una vez dimensionados y seleccionados los componentes, se procedió a desarrollar los planos y calcular los costos de adquisición, armado y operación de la máquina. La bomba seleccionada fue una bomba de desplazamiento positivo tipo diafragma y la membrana de ósmosis inversa una membrana en espiral de poliamidas. El costo total de adquisición de componentes, diseño y ensamblaje asciende a S/.6500.

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Los países en desarrollo aún presentan ciertas privaciones en sus sistemas sanitarios, principalmente el Agua Potable, encargado de satisfacer las necesidades básicas del hombre y sin el cual no existiríamos. La escazes se debe a diversos factores, uno es que el agua apta para consumo humano es agua dulce, cuyo 99% de esta proviene de fuentes subterráneas y este tipo presenta un porcentaje muy bajo respecto al agua salada, 3% frente a 97% respectivamente del total de agua en el planeta. El aumento poblacional y las actividades del hombre, especialmente las industriales, han generado mucha demanda y contaminación de este recurso. Las fuentes naturales que abastecen una población pueden tener ciertos contaminantes presentes como sales; cloruros o sulfatos; o metales pesados como el mercurio, plomo, cadmio, arsénico, cromo, manganeso; en grandes concentraciones son perjudiciales para la salud humana. Esta problemática mundial causa la necesidad de implementar tecnologías nuevas y sencillas para potabilización, cómo es el caso de la Ósmosis Inversa, en la cual mediante un sistema de membranas logra desalinizar y remover los contaminantes a fin de poder emplear el agua tratada para abastecer a la población. Se busca brindar una alternativa de tratamiento en sistemas de captación subterráneos contaminados en la costa peruana, dado que esta región presenta considerables cantidades de sales y metales pesados y es requerible. Esta investigación consideró artículos científicos, tesis y webs que van desde los años 2010 hasta el 2022, provenientes de bases de datos como Scopus, Proquest, Google académico, Scielo, Redalyc, Alicia, Sciencedirect.

Water desalination is one approach to force water scarcity. One of the processes used for desalination is reverse osmosis. Like other systems, a reverse osmosis plant is susceptible to faults. A fault can lead to a loss of efficiency, or if the fault is severe to a total breakdown. Appropriate measures can minimize the impact of faults, but this requires in time fault detection. The following thesis shows a proposal for an online fault diagnosis system of a reverse osmosis plant. For the model-based approach, a mathematical model of a reverse osmosis plant has been developed. The model contains a new approach for modeling the interaction between the high-pressure pump, the brine valve, and the membrane module. Furthermore, six faults considered for fault diagnosis have been modeled. Two of the faults are plant faults: The leakage of the feed stream and membrane fouling. The other four faults are sensor or actuator malfunctions. The fault diagnosis system is developed via structural analysis, a graph-based approach to determine a mathematical model’s overdetermined systems of equations. With the structural analysis, 73 fault-driven minimal structurally overdetermined (FMSO) sets have been determined. The results show that all six faults are detectable. However, two faults are not isolable. Five of the FMSO sets have been chosen to deduce the residuals used for online fault detection and isolation. The simulations demonstrate that the calculated residuals are appropriate to detect and isolate the faults. If one assumes that only the considered faults occur, it is possible to determine some faults’ magnitude.

El presente trabajo de investigación se centra en un parque industrial proyectado en el distrito de Puerto Eten, el cual para el desarrollo de sus operaciones no presenta algún tipo de abastecimiento de agua y actualmente, en el lugar no se encuentra alguna entidad para abastecerla, por esa razón, se propone como objetivo general la instalación de una planta desalinizadora de agua para abastecer de agua potable al proyecto. Para determinar la demanda, se analizó el consumo promedio mensual de las principales actividades económicas del país y se halló la cantidad de lotes que podrían establecerse en el parque industrial, el resultado fue de 14 600 metros cúbicos por día cuando el parque esté operando al 100% de capacidad. También se evaluaron distintos métodos de desalinización, ósmosis inversa fue el método más conveniente. La capacidad de diseño de la planta fue de 16 060 metros cúbicos diarios por esta razón los equipos fueron seleccionados para esta capacidad. Por último, se realizó un análisis financiero, obteniendo como resultados un TIR de 30% y VAN de S/8 025 423,81. Además, el beneficio obtenido es del 22% y el periodo de recuperación para este proyecto es de 3 años y 10 meses aproximadamente.

El descubrimiento y empleo de los semiconductores ha influido de forma decisiva en las profundas modificaciones que han vivido las sociedades avanzadas como consecuencia de la revolución tecnológica de la segunda mitad del siglo XX. De este modo se ha configurado la actual sociedad global, donde las tecnologías de la información y la comunicación se han constituido como el elemento característico e imprescindible del desarrollo científico y tecnológico en el que se basan las actuales formas de vida. Las industrias que emplean materiales semiconductores o fabrican productos basados en los mismos demandan reactivos de calidad electrónica caracterizados por su limitado contenido en impurezas. Entre los reactivos de este tipo con mayor demanda se encuentra el peróxido de hidrógeno. Los procesos de ultrapurificación de peróxido de hidrógeno son necesarios para poder alcanzar los niveles de calidad exigidos por el sector, específicamente en lo referido a impurezas metálicas. La revisión del estado del arte con respecto a las tecnologías disponibles para la ultrapurificación de peróxido de hidrógeno presenta diferentes alternativas que incluyen la destilación, la adsorción, el intercambio iónico y las tecnologías de membranas. El empleo de membranas de ósmosis inversa aparece como una opción prometedora desde el punto de vista del uso más sostenible de los recursos naturales (materiales, energía y agua). En la presente Tesis Doctoral se ha estudiado el proceso de ultrapurificación de peróxido de hidrógeno mediante ósmosis inversa a escala de laboratorio. El peróxido de hidrógeno obtenido mediante un proceso de ósmosis inversa con membranas de poliamida cumple con los requisitos impuestos en el contenido de impurezas metálicas para ser considerado como SEMI Grado 1, el grado menos exigente de los contemplados dentro de la calidad electrónica. El estudio experimental del proceso a escala de laboratorio permite ajustar el modelo de Kedem-Katchalsky para el transporte de solvente y solutos a través de membranas y es capaz de explicar de forma satisfactoria la evolución de los valores de flujo de permeado y los coeficientes de rechazo de los elementos metálicos en función de la presión aplicada al sistema, evaluando los parámetros que caracterizan al proceso de separación de impurezas lo que permite simular el comportamiento del mismo. La degradación que las membranas de ósmosis inversa sufren en un ambiente tan agresivo como el peróxido de hidrógeno es un factor a tener en cuenta durante la investigación del proceso de ultrapurificación. Por ello, a la vista de los resultados experimentales que muestran una vida útil extremadamente corta para las membranas en esta aplicación y ante la imposibilidad de encontrar en bibliografía referencias previas para la descripción de la evolución con el tiempo del comportamiento de las membranas bajo degradación oxidativa, se propone un modelo logístico de carácter empírica que complemente el modelo de permeación con la descripción del comportamiento durante la evolución de la degradación de la membrana. Los modelos obtenidos y los parámetros ajustados permiten simular y optimizar instalaciones para procesos de fabricación bajo la configuración de cascadas de membranas integradas en contracorriente para alcanzar las calidades de peróxido de hidrógeno ultrapuro desde el Grado SEMI 1 hasta el Grado SEMI 5. El modelo ha sido completado con un balance económico lo que permite utilizar los beneficios económicos como función objetivo en la optimización. Finalmente se ha planteado la optimización del proceso para distintos objetivos en la ultrapurificación de peróxido de hidrógeno mediante cascadas de membranas de ósmosis inversa. Estos objetivos se han concretado en el número óptimo de etapas que la cascada de membranas debe incorporar para la producción de cada uno de los grados de calidad electrónica y los valores óptimos para las principales variables del proceso en cada caso, de modo que se maximice el beneficio económico del proceso; y en el estudio de la influencia de los precios unitarios de los principales recursos necesarios (materia prima, membranas y energía eléctrica) y de diferentes restricciones de mercado sobre la configuración óptima del proceso. / The discovery and posterior use of semiconductor materials have greatly influenced the deep changes that developed societies have experienced as consequence of the technological revolution of the second half of the XX century. This way, the present global society has been configured, where the information and communication technology can be considered as the characteristic and indispensable cornerstone of the scientific and technological development which current life ways are based on. The semiconductor industrial sector requires electronic quality chemicals which can be characterized by their very limited impurity content. Among this type of chemicals, hydrogen peroxide can be found among the ones with highest demands. Hydrogen peroxide ultrapurification processes are necessary to attain the purity levels required by the sector, specifically for the metallic impurities concentrations. The bibliographical review about the state of the art with respect to available ultrapurificationt echnologies for hydrogen peroxide introduces different alternatives, including distillation, adsorption, ion exchange and membrane technologies. The use of reverse osmosis membranes appears as a promising option from the point of view that considers the most sustainable use of the natural resources (raw materials, energy and water). In this PhD Thesis, the hydrogen peroxide ultrapurification process by reverse osmosis has been investigated at lab-scale level. The hydrogen peroxide obtained by means of a reverse osmosis process with polyamide membranes fulfils with the requirements imposed about metallic impurities content to be considered as SEMI Grade 1 chemical, the least exigent grade of the electronic quality framework. The experimental study of the process at lab scale allows the fit to the Kedem-Katchalsky model for both solvent and solute transport through membranes and it is able to explain in a satisfactory way the evolution of the permeate flux and the rejection coefficients of the metallic elements as a function of the applied pressure by evaluating the parameters that characterize the impurities separation process and lets its performance simulation. The degradation of the reverse osmosis membranes in such a harsh medium as hydrogen peroxide is a factor to have under consideration during the investigation of the ultrapurification process. Hence, as a consequence of the analysis of the experimental results that evidence an extremely short effective lifetime for the membranes in this application and the lack of a previous bibliographic reference for the description of the time evolution of the membrane performance under oxidative degradation, an empirical logistic model was formulated to complement the permeation model with the description of the performance during the evolution of the membrane degradation The model that describes the lab-scale hydrogen peroxide permeation is useful to simulate and optimize industrial-scale installations for manufacturing purposes under the countercurrent integrated membrane cascade configuration to produce electronic quality hydrogen peroxide, from SEMI Grade 1 to SEMI Grade 5. The model has been completed with an economic balance which allows the use of the economic profit as an optimization target function. Lastly, the optimization with different targets as objectives of the hydrogen peroxide ultrapurification process by reverse osmosis membrane cascades has been performed. This objectives have been specified as the optimum number of stages that a membrane cascade should incorporate for the production of each electronic grade and the optimum values for the main process variables have been solved to maximize the economic profit of the process; and the study of the influence of the unitary prices of the principal required resources (raw material, membranes and electric energy) and different market restrictions over the optimal process configuration.