Resumen:
CONDITION FOR PROJECT PUBLICATION. In membrane-based chlor-alkali processes, stream recirculation is crucial for improving operational sustainability. However, this practice tends to promote the accumulation of sodium sulfate (Na₂SO₄), an impurity present in the feed brine, reaching concentrations above 10.0 g L⁻¹ that hinder chlorine production. This study evaluates a treatment scheme integrating chemical precipitation and nanofiltration (NF) to remove Na₂SO₄ and enhance effluent reuse in a chlor-alkali plant located in Guayaquil, Ecuador.
Laboratory-scale precipitation experiments assessed the effects of calcium chloride (CaCl₂) dosage, temperature, and pH on Na₂SO₄ removal from real industrial effluent. The highest removal efficiency (49.3 ± 4.2 %) was achieved at 70.0 °C using 45.0 mL L⁻¹ of CaCl₂ at pH 9.0–11.0 with a mixing time of 20.0 minutes, whereas performance declined below 30.0 % at 40.0–55.0 °C, even at higher reagent dosages (50.0 mL L⁻¹). Parallel trials conducted on an industrial-scale NF unit demonstrated a Na₂SO₄ rejection of 75.7 % at 25.0 bar with a recovery of 69.7 %. The supernatant from the precipitation step and the NF permeate can be successfully reincorporated into the brine circuit.
Mass balance analysis indicated that the integrated process recovers up to 81.3 % of the effluent, equivalent to 6,828.0 m³ year⁻¹ of water and 1,393.0 tons year⁻¹ of NaCl, while avoiding saline discharges. The estimated capital investment for the treatment system (USD 117,021.0) offsets the annual raw material losses in the purge stream (USD 93,964.0 year⁻¹), resulting in an investment depreciation period of approximately 9.0 years.
Overall, this case demonstrates that coupling technologies such as chemical precipitation and nanofiltration enhances circularity by reducing freshwater demand and mitigating saline discharges in chlor-alkali operations, without incurring excessive costs.
Keywords: Electrolyzer, sodium sulfate, industrial effluent treatment, economic savings
Descripción:
CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. En los procesos cloro-álcali basados en membranas, la recirculación de corrientes es crucial para mejorar la sostenibilidad operativa. Sin embargo, esta práctica tiende a acumular sulfato de sodio (Na₂SO₄), una impureza presente en la salmuera de alimentación, hasta concentraciones superiores a 10.0 g L⁻¹ que dificultan la producción de cloro. Este estudio evalúa un esquema de tratamiento que integra la precipitación química y la nanofiltración (NF) para remover Na₂SO₄ y mejorar la reutilización del efluente en una planta cloro-soda en Guayaquil, Ecuador.
Los experimentos de precipitación en laboratorio evaluaron los efectos de la dosificación de cloruro de calcio (CaCl₂), la temperatura y el pH sobre la remoción de Na₂SO₄ del efluente industrial real. La mejor remoción (49.3 ± 4.2 %) se logró a 70.0 °C con 45.0 mL L⁻¹ de CaCl₂ a pH 9.0–11.0 y 20.0 minutos de mezcla, mientras que el desempeño cayó por debajo del 30.0 % a 40.0–55.0 °C, incluso con dosis más altas de reactivo (50.0 mL L⁻¹). Ensayos paralelos en una unidad de NF a escala industrial demostraron un rechazo del 75.7 % de Na₂SO₄ a 25.0 bar con 69.7 % de recuperación. El sobrenadante del paso de precipitación y el permeado de la NF pueden reincorporarse exitosamente al circuito de salmuera.
El análisis de balance de masas indicó que el proceso integrado recupera hasta el 81.3 % del efluente, equivalente a 6,828.0 m³ año⁻¹ de agua y 1,393.0 ton año⁻¹ de NaCl, evitando descargas salinas. Los costos de inversión estimados para el sistema de tratamiento (117,021 USD) compensan las pérdidas anuales de materia prima en la corriente purgada (93,964.0 USD año⁻¹), con una depreciación de la inversión de 9.0 años.
En general, este caso demuestra que el acoplamiento de tecnologías como la precipitación química y la nanofiltración mejora la circularidad, reduciendo la demanda de agua dulce y mitiga las descargas salinas en operaciones de la industria cloro-soda sin implicar costos excesivos.