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 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.

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La creciente escasez global de agua, agravada por el aumento demográfico, la intensificación agrícola e industrial, y el cambio climático, ha impulsado la investigación de soluciones para aprovechar recursos hídricos previamente considerados inutilizables, como el agua de mar, a través de técnicas de desalinización. Entre estas técnicas, la Osmosis Inversa destaca por su eficiencia operativa, generando la necesidad de desarrollar un sistema de control efectivo para asegurar la producción de agua potable en cantidades y calidad adecuadas. Este trabajo se concentra en establecer fundamentos para el diseño e implementación de un sistema de control para unidades de desalinización por ósmosis. Se aboga por el uso de técnicas avanzadas y robustas, proponiendo una solución basada en controladores robustos H desde la perspectiva de la Ingeniería de Control y Automatización. Estos controladores buscan controlar las variables críticas en sistemas de Osmosis Inversa, ya sea en plantas mono o multivariables. Además, se considera relevante comparar el diseño e implementación de los controladores H infinito (H) con otros convencionales y avanzados en diversos escenarios operativos, evaluando su rendimiento y robustez en condiciones diversas. Este enfoque integral aspira a contribuir al avance y optimización de sistemas de desalinización, especialmente en el contexto de la Osmosis Inversa, para hacer frente a la creciente demanda mundial de agua potable.

En muchas regiones del mundo con escasez de agua, la reutilización de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) se convierte en una alternativa cada vez más extendida y deseable. En los últimos años, gracias al desarrollo de técnicas analíticas avanzadas capaces de detectar contaminantes a muy baja concentración, se ha puesto en evidencia la presencia de microcontaminantes en los efluentes de las EDAR. Dado que las investigaciones recientes han demostrado que tienen efectos adversos sobre el medio ambiente y la salud humana, es necesario el uso de un tratamiento terciario para el refinado de estas aguas, a fin de evitar que los microcontaminantes (MCs) lleguen al agua de riego y a los cuerpos de aguas naturales. Se trata en muchos casos de sustancias de uso cotidiano como productos farmacéuticos y de cuidado personal, plastificantes, pesticidas, retardantes de llama, drogas de abuso, surfactantes, nanomateriales, entre otros. Todo ello probablemente relacionado con su uso masivo por parte de la población y por la deficiencia de los tratamientos biológicos actuales, que no fueron diseñados para hacer frente a este tipo de contaminantes. La tecnología de biorreactores de membrana (MBR) comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas, obteniendo un permeado de alta calidad con una elevada tasa de degradación de los microcontaminantes. No obstante, algunos son más refractarios al tratamiento MBR. Por lo tanto, es necesario un tratamiento adicional para la eliminación y la oxidación de compuestos refractarios, que pueden ser los procesos de oxidación avanzados (POA), que se basan principalmente en la generación de radicales hidroxilo (HO∙) con un alto potencial oxidativo y baja especificidad, capaces de mineralizar y degradar una gran variedad de compuestos orgánicos. Entre los POAs, la ozonización es un proceso en el que la oxidación puede tener lugar a través de vías directas e indirectas. Mientras que la vía directa de la oxidación se produce por medio de ozono molecular, durante la vía indirecta se produce a través del radical hidroxilo generado por la descomposición de ozono. En el caso de la fotólisis, que es un proceso en el que las moléculas de MCs sufren descomposición como resultado de la absorción de luz o radiaciones. Existen dos tipos de fotólisis: la fotólisis directa en la que la absorción directa de los fotones conduce a la degradación de los contaminantes y la fotólisis indirecta que se produce en presencia de fotosensibilizadores que absorben la luz y generan radicales oxigenados reactivos que realizan la degradación de la sustancia objetivo. Por otro lado, la optimización de las tecnologías existentes y el desarrollo de nuevas técnicas para el tratamiento, incluyendo la tecnología de membranas, la cual ha surgido como una importante innovación para el tratamiento y la recuperación de efluentes de EDAR. Durante los últimos años, esta tecnología ha recibido mucha atención por parte de investigadores y fabricantes, como resultado de una mejora de los materiales y técnicas de membranas, que proporcionan flujos más altos, una vida útil más larga, una disminución considerable del coste para la eliminación del ensuciamiento, etc. Además la separación de MCs del efluente tratado. El principal objetivo de la presente investigación es buscar un sistema que pueda eliminar/degradar los contaminantes emergentes de las aguas residuales, para ello se emplea un sistema combinado que consiste en una planta piloto de MBR, alimentada con aguas residuales sintéticas, de características similares a la urbana, para evaluar la eliminación de los MCs a diferentes edades del lodo. Los efluentes obtenidos se tratan mediante procesos adicionales de filtración (NF y OI), ozonización y radiación UV para eliminar los contaminantes refractarios, y su posterior comparación en cuanto a rendimiento de eliminación/degradación de los 30 MCs seleccionados. Para este estudio se utilizó un MBR a escala laboratorio de 90 L, con un módulo de membranas sumergido interno, fibra hueca de microfiltración, con un tamaño de poro de 0,4 µm y una superficie filtrante de 1 m2. El afluente utilizado es agua residual sintética dopada con los 30 microcontaminantes seleccionados, pertenecientes a las familias de triazinas, organoclorados, fármacos, hormonas, productos de cuidado personal, surfactantes, parabenos y plastificantes. Además se ha operado a tiempos de retención celular de 30 y 60 días. Para los post-tratamientos se utilizó un generador de ozono Modelo Anseros, COM-AD-01 con una generación efectiva de 4 g O3/h @ 100NL∙h-1, acoplado a una de columna de 0,75 L para el contacto ozono-agua. Para la realización del tratamiento UV se utiliza un fotoreactor con una lámpara de baja presión (LP) con una potencia regulable de 5-20 W de potencia con emisiones UV de 185 – 254 nm de la marca UV-Consulting peschl España. El sistema de filtración consiste en un módulo de células con agitación Amicon, los cuales son un soporte de filtros que posee juntas tóricas. A este módulo se le acoplaron membranas de NF (FILMTEC NF270) y OI (FILMTEC XLE-2521) con el objetivo de filtrar los efluentes del MBR. La mayoría de los compuestos han podido ser eliminado/degradado mediante el sistema MBR, Sin embargo algunos compuestos resultaron refractarios al tratamiento MBR como la simazina, atrazina, terbutilazina, linuron, alacloro y lindano, pertenecientes al grupo de triazinas y organoclorados, mientras que en el grupo de fármacos y hormonas, la carbamazepina, diclofenaco y 17-α-etinilestradiol son los compuestos refractarios al tratamiento MBR principalmente debido a sus condiciones hidrofílicas y a la persistencia de sus grupos funcionales. Según los resultados obtenidos en este estudio la dosis óptima para la ozonización es de 16 mg O3∙L-1, ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos superiores al 91% de eliminación de los compuestos refractarios, principalmente para los fármacos. Los resultados obtenidos en este estudio muestran que la dosis óptima UV es de 5.374 mJ∙cm2 ya que con ésta se obtuvieron altos rendimientos de eliminación combinado con un pretratamiento MBR con rendimientos superiores a 87% de eliminación de los compuestos biorefractarios, siendo los organoclorados y triazinas los mejores eliminados. Debido a que el tratamiento MBR y la oxidación UV u O3 son capaces de eliminar MCs por diferentes mecanismos de degradación, un sistema híbrido que involucre MBR + UV u O3 puede aprovechar su naturaleza complementaria. La oxidación UV y O3 puede complementar muy bien el tratamiento MBR, resultando en más del 85% de eficiencia de eliminación de los 30 MCs seleccionados en este estudio, incluyendo aquellos que son mal eliminados por tratamiento MBR u oxidación con UV u O3 cuando se implementan por separado. El sistema MBR+ NF obtiene rendimientos superiores al 83%, mientras que la configuración MBR+OI presentó rendimientos superiores al 96% de separación del agua producto. De hecho, el tratamiento con membrana NF/OI complementa muy bien el tratamiento con MBR, y la mayoría de los 30 MCs seleccionados en este estudio se eliminaron por debajo de los límites de detección. En este trabajo de investigación se muestran cuatro posibles combinaciones de tecnologías para la eliminación/degradación de los MCs presentes en las aguas residuales urbanas pero se deja bien claro que la selección de la tecnología depende del tipo de agua a tratar, los tipos de microcontaminantes que estén presentes y el uso final de ese efluente. Además de otros aspectos técnicos y económicos.

[ES] La problemática de los metales pesados en cuerpos de agua superficial se ha observado a nivel mundial y ha sido objeto de múltiples estudios. La presencia de metales en concentraciones por encima de los límites establecidos adquiere mayor relevancia cuando estos se encuentran en fuentes de agua para abastecimiento público. Esta investigación toma como área de estudio a la Microcuenca Milluni, la cual se encuentra cercana de actividades mineras pasadas e ilegales que afectan directamente sobre sus recursos hídricos. Milluni está ubicada en el departamento de La Paz y es una fuente natural de agua para dos ciudades importantes de Bolivia, La Paz y El Alto (540 000 habitantes aproximadamente). El objetivo de esta tesis doctoral es estudiar la implementación de la Ósmosis Inversa (OI) operada a bajas presiones como alternativa sostenible de tratamiento para eliminar la contaminación minera en las aguas de Milluni. Adicionalmente se busca contribuir a la gestión de recursos hídricos, con énfasis en el control de la de calidad de agua en la zona. Esta investigación doctoral se desarrolló en cuatro etapas. En la primera etapa se hizo la caracterización de los cuerpos de agua superficiales para identificar el metal pesado más peligroso presente en Milluni. Para ello, se diseñó un programa de monitoreo considerando las particulares características y limitaciones en la gestión del agua del área. En la segunda etapa del estudio se formularon dos mecanismos para fortalecer la gestión del agua de Milluni, planteando complementar el programa de monitoreo tradicional con la herramienta de teledetección de contaminantes e identificar las partes interesadas de Milluni, para contribuir a la toma de decisiones de la zona. En la tercera etapa de la investigación se diseñó, montó y puso en marcha una planta piloto de OI, tecnología seleccionada debido a su alta eficiencia en la separación de compuestos iónicos del agua. Además, se realizó un diseño de experimentos para estudiar el comportamiento y eficiencia de una membrana tipo ULP 2540 Marca Keensen. Finalmente, en la cuarta etapa se desarrolló un análisis estadístico de los resultados experimentales obtenidos, y la validación de los mismos por medio de un modelo matemático basado en el modelo de concentración de polarización de Spiegler-Kedem. El modelo incluyo un factor de ajuste de temperatura tipo Arrhenius, para obtener una predicción precisa del rendimiento del proceso. Esta tesis doctoral concluye que es posible remover el arsénico presente en aguas sintéticas utilizando la OI operada en condiciones sostenibles de presión (presiones bajas). Se ha demostrado que el uso de esta tecnología a baja presión no afecta a la eficiencia de separación del proceso y contribuye a disminuir el costo energético durante la operación. Este aporte es significativo en situaciones donde se cuenta con pocos recursos económicos y existen riesgos inminentes sobre la salud pública y los ecosistemas, como es el caso de la contaminación del agua por arsénico en Milluni, Bolivia. / [CA] La problemàtica dels metals pesats en cossos d'aigua superficial s'ha observat a nivell mundial i ha segut objecte de múltiples estudis. La presència de metals en concentracions per damunt dels llímits establits adquirix major rellevància quan estos es troben en fonts d'aigua per a abastiment públic. Esta investigació pren com a àrea d'estudi a la Microcuenca Milluni, la qual es troba propenca d'activitats mineres passades i illegals que afecten directament sobre els seus recursos hídrics. Milluni està ubicada en el departament de la Pau i és una font natural d'aigua per a dos ciutats importants de Bolívia, La Pau i L'Alt (540 000 habitants aproximadament). L'objectiu d'esta tesis doctoral és estudiar l'implementació de la Òsmosis Inversa (OI) operada a baixes pressions com a alternativa sostenible de tractament per a eliminar la contaminació minera en les aigües de Milluni. Adicionalment es busca contribuir a la gestió de recursos hídrics, en émfasis en el control de la de calitat d'aigua en la zona. Esta investigació doctoral es va desenrollar en quatre etapes. En la primera etapa es va fer la caracterisació dels cossos d'aigua superficials per a identificar el metal pesat més perillós present en Milluni. Per a això, es va dissenyar un programa de monitoreo considerant les particulars característiques i llimitacions en la gestió de l'aigua de l'àrea. En la segona etapa de l'estudi es varen formular dos mecanismes per a enfortir la gestió de l'aigua de *Milluni, plantejant complementar el programa de monitoreo tradicional en la ferramenta d' teledetección de contaminants i identificar les parts interessades de Milluni, per a contribuir a la presa de decisions de la zona. En la tercera etapa de l'investigació es va dissenyar, va montar i va posar en marcha una planta pilot de OI, tecnologia seleccionada per la seua alta eficiència en la separació de composts iònics de l'aigua. Ademés, es va realisar un disseny d'experiments per a estudiar el comportament i eficiència d'una membrana tipo ULP 2540 Marca Keensen. Finalment, en la quarta etapa es va desenrollar un anàlisis estadístic dels resultats experimentals obtinguts, i la validació dels mateixos per mig d'un model matemàtic basat en el model de concentració de polarisació de Spiegler-Kedem. El model incloc un factor d'ajust de temperatura tipo Arrhenius, per a obtindre una predicció precisa del rendiment del procés. Esta tesis doctoral conclou que és possible remoure l'arsènic present en aigües sintètiques utilisant la OI operada en condicions sostenibles de pressió (pressions baixes). S'ha demostrat que l'us d'esta tecnologia a baixa pressió no afecta a l'eficiència de separació del procés i contribuïx a disminuir el cost energètic durant l'operació. Este aporte és significatiu en situacions a on es conta en pocs recursos econòmics i existixen riscs imminents sobre la salut pública i els ecosistemes, com és el cas de la contaminació de l'aigua per arsènic en Milluni, Bolívia. / [EN] The problem of heavy metals in surface water bodies has been observed worldwide and has been the subject of multiple studies. The presence of metals in concentrations above the established limits becomes more relevant when they are found in water sources for public supply. This research takes the Milluni Micro-basin as a study area, which is close to past and illegal mining activities that directly affect its water resources. Milluni is located in the department of La Paz and is a natural source of water for two important cities in Bolivia, La Paz and El Alto (approximately 540,000 inhabitants). This doctoral thesis aims to study the implementation of Reverse Osmosis (RO) operated at low pressures as a sustainable treatment alternative to eliminate mining contamination in Milluni waters. Additionally, it seeks to contribute to the management of water resources, with an emphasis on the control of water quality in the area. This doctoral research was developed in four stages. In the first stage, surface water bodies were characterized to identify the most dangerous heavy metal present in Milluni. For this, a monitoring program was started considering the particular characteristics and limitations of water management in the area. In the second stage, two mechanisms were formulated to strengthen Milluni's water management, proposing to complement the traditional monitoring study program with the contaminant remote sensing tool and to identify the invited parties of Milluni to contribute to the decision-making of the area. In the third stage of the investigation, a RO pilot plant was worked on, assembled, and started up, a technology selected due to its high efficiency in separating ionic compounds from water. In addition, a design of experiments was carried out to study the behavior and efficiency of a ULP 2540 Keensen brand membrane. Finally, in the fourth stage, a statistical analysis of the experimental results obtained was presented, and their validation using a mathematical model based on the Spiegler-Kedem polarization concentration model. The model includes an Arrhenius-type temperature adjustment factor to accurately predict the process performance. This doctoral thesis concludes that it is possible to remove the arsenic present in synthetic waters using the RO operated under sustainable pressure conditions (low pressures). It has been shown that the use of this technology at low pressure does not affect the separation efficiency of the process and contributes to lower energy costs during operation. This contribution is significant in situations with few economic resources and imminent risks to public health and ecosystems, as is the case of water contamination by arsenic in Milluni, Bolivia. / Alvizuri Tintaya, PA. (2022). Estudio de la ósmosis inversa operada a baja presión como tratamiento de una fuente natural contaminada por actividad minera, en la micro cuenca Milluni en Bolivia, para el abastecimiento de agua segura a poblaciones [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191428