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Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos

Esta técnica de evaporación permite de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediantes técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable.

Algunas de las ventajas y posibilidades que presenta la evaporación al vacío

  • Reducción drástica del volumen de residuo líquido (con el consecuente ahorro en gestión de residuos)
  • Concentración de residuos corrosivos o incrustantes
  • Reutilización del agua recuperada
  • Implementación de sistemas de vertido cero

Definición de Evaporación

La evaporación es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético.

Para saber más

Evaporador al vacio - Fundamentos de la evaporación al vacío

Evaporador al vacio – Fundamentos de la evaporación al vacío

La evaporación es una operación controlada únicamente por la velocidad de transferencia de calor

Factores de los que depende la velocidad de evaporación:

Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar

La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía, ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de evaporación.

Área de intercambio

El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

Coeficiente global de transferencia de calor (U)

Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

Propiedades del líquido a evaporar

La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

El parámetro clave del diseño de un evaporador es el área de intercambio necesaria para la evaporación. Para calcular esta área, se deben plantear balances de materia y energía. Para el caso de un evaporador en el que se alimenta una corriente F y se extraen dos corrientes, la de concentrado S y la de destilado E, como el de la figura:

Parámetros de la evaporación en vacío

Parámetros en la evaporación al vacío

 

Se pueden plantar estos balances de materia y energía:

Balance de materia global

F = E + S
V = C

Balance de materia para el soluto

F xF = S xS

Balances de energía:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A T

Donde Q es el caudal de calor transmitido a través de la superficie de calefacción del evaporador, U el coeficiente global de transferencia de calor, A el área necesaria para la evaporación y T la diferencia de temperaturas entre el agente calefactor y el líquido a evaporar.

Uno de los elementos que establece diferencias importantes de funcionamiento entre los tipos de evaporadores al vacío es la tecnología que utilizan para calentar el efluente a evaporar, aspecto que determina los costes de operación. Así, podemos encontrar los siguientes:

Tipos de evaporadores

Evaporadores al vacío por bomba de calor

El funcionamiento de este sistema se basa en el ciclo frigorífico de un gas, el cual se encuentra en un circuito cerrado. El gas frigorífico se comprime mediante la acción de un compresor aumentando su presión y temperatura. Circula a través del intercambiador de calor del propio evaporador, calentando el alimento. Al trabajar al vacío, la temperatura de ebullición es del orden de 40 ºC. El líquido refrigerante abandona el intercambiador del evaporador y, mediante una válvula de expansión, se descomprime y enfría. Al pasar por un segundo intercambiador de calor, el condensador, hace que el vapor formado en el evaporador condense, a la vez que aumenta su temperatura justo antes de volver a pasar por el compresor y repetir así el ciclo. El mismo fluido refrigerante permite evaporar el alimento así como condensar el vapor generado, por lo que el sistema no precisa de otras fuentes ni de calor ni de refrigeración. Este hecho hace que sea un proceso muy ventajoso desde el punto de vista económico y de gestión.

Es una tecnología idónea para tratar caudales no elevados de líquidos corrosivos, incrustantes o viscosos. Su funcionamiento puede suponer un consumo de energía de 130-170 kWh por metro cúbico de destilado.

Evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor

Esta tecnología se basa en la recuperación del calor de condensación del destilado como fuente de calor para evaporar el alimento. Para conseguirlo, la temperatura del vapor generado en la evaporación se incrementa comprimiendo éste mecánicamente. Este vapor comprimido, y por tanto sobrecalentado, al pasar por el intercambiador del propio evaporador, consigue un doble objetivo: (1) calienta el líquido a evaporar y (2) condensa, economizando el uso de un fluido refrigerante.

Es un sistema de evaporación muy eficiente y competitivo. Su consumo energético está sobre los 50-60 kWh por cada metro cúbico de destilado obtenido.

Evaporadores al vacío de múltiple efecto

Esta tecnología consiste en un conjunto de evaporadores conectados entre sí en serie en el que el vacío aumenta progresivamente del primero al último. Esto hace que la temperatura de ebullición, en principio, vaya disminuyendo, por lo que es posible utilizar el vapor generado en un evaporador (o efecto) como fluido calefactor del siguiente efecto.

Su principal ventaja respecto a un único evaporador reside en el ahorro tanto de fluido calefactor como de fluido refrigerante. Para tratar caudales elevados, ésta es una de las opciones más competitivas a nivel económico.

A modo de resumen cabe destacar que la evaporación al vacío permite el tratamiento de efluentes que por su composición, por sus características o por su complejidad de gestión no pueden ser tratados mediante técnicas fisicoquímicas convencionales. Además, con un consumo energético contenido, hace posible reducir severamente el volumen de residuos, recuperar un gran caudal de agua para su reutilización e incluso la implantación de un sistema de vertido cero con un coste económico realmente asumible.

Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales

A pesar de que son sistemas sencillos de operar, es preciso que la selección y el diseño del equipo más adecuado para unas necesidades concretas sean realizados por un equipo de expertos en esta tecnología.

Consúltenos

Caracterización del agua residual

Caracterización de aguas residualesCuando se requiere tratar un importante caudal de aguas residuales, la primera alternativa que generalmente conviene considerar es la utilización de un proceso biológico, puesto que es uno de los tratamientos completos más económicos y la cantidad de residuos que se generan es relativamente baja. No obstante, será decisivo conocer la naturaleza de la contaminación presente en el agua para evaluar la idoneidad de un tratamiento u otro, puesto que éstos son muy selectivos en cuanto al tipo de contaminación que eliminan.

Para conocer el tipo de contaminación es necesario llevar a cabo una caracterización del agua residual, la cual proporciona una amplia variedad de información sobre el tipo y la concentración de los contaminantes. Los parámetros que deberán ser analizados, a parte de los generales como pH y conductividad, serán los que den idea del contenido de materia orgánica, nutrientes (nitrógeno y fósforo), sólidos en suspensión, alguno relacionado con la toxicidad de las aguas residuales en relación a los microorganismos, además de los más específicos y relacionados con el tipo de actividad que genera el efluente (metales, tensioactivos, sulfatos, cianuros, etc.).

Para conocer la cantidad de materia orgánica que los microorganismos son capaces de asimilar, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) ha sido un parámetro muy utilizado a la hora de caracterizar las aguas residuales, aunque es poco preciso (la aclimatación de los microorganismos al agua residual influye en la medida), de determinación lenta (se requieren al menos 5 días para realizar la medida) y no es práctico para su utilización en la gestión de las plantas de tratamiento. En contrapartida, la demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro preciso, de rápida obtención, que mide toda la materia orgánica del agua (la biodegradable y la no biodegradable), por lo que es el mayormente empleado. Pero, precisamente porque mide toda la materia orgánica, a la hora de conocer mejor el efluente que se desea tratar, es una información necesaria pero no suficiente. Para realizar una caracterización completa y profunda del efluente, junto a los parámetros citados, se deberá llevar a cabo un fraccionamiento de la DQO, que aportará información del efluente en términos de las diferentes velocidades de degradación de las distintas fracciones de DQO.

Las fracciones de la DQO con las que se acostumbra trabajar son las mismas que emplean los modelos de lodos activados de la International Association of Water Quality (IAWQ) y son las siguientes:

  • DQO fácilmente biodegradable (DQOfb). Esta fracción, que se asimila a la DQO soluble en el agua, es la que la biomasa consume más rápidamente (en pocos minutos), generando una rápida y elevada demanda de oxígeno. Los compuestos que conforman esta fracción son sustancias solubles, de bajo peso molecular, como es el caso de los azúcares, alcoholes y ácidos grasos.
  • DQO lentamente biodegradable (DQOlb). Esta fracción se relaciona con la DQO biodegradable no soluble, o particulada, y habitualmente es la fracción biodegradable mayoritaria. Está formada por moléculas solubles de elevado peso molecular, sustancias coloidales y partículas sólidas. Todas ellas tienen en común que no son de fácil degradación por la biomasa. Antes, deben ser hidrolizadas por las enzimas segregadas por los microorganismos y convertidas en moléculas solubles, de bajo peso molecular y, por tanto, de fácil asimilación para las células. La etapa de hidrólisis es lenta, es la etapa que controla el proceso y lleva asociadas tasas de consumo de oxígeno mucho más bajas que las de consumo de la DQO fácilmente biodegradable.
  • DQO soluble no biodegradable (DQOsnb). Esta fracción no se ve alterada por el contacto con la biomasa, no sufre ningún tipo de variación durante el tratamiento y sale con el efluente. Si esta fracción es mayoritaria en el efluente, los procesos biológicos quedan directamente descartados.
  • DQO particulada no biodegradable (DQOpnb). Esta fracción, aunque no es consumida por la biomasa, gran parte decanta junto a los lodos, reduciéndose la concentración a la salida en relación a la entrada.

El hecho de que la DQO soluble no se corresponda perfectamente con la DQO fácilmente biodegradable, de la misma manera que la DQO particulada no se corresponde totalmente con la DQO lentamente biodegradable, hace que la forma idónea de determinación de las diferentes fracciones sea mediante respirometría. Esta técnica mide el consumo de oxígeno por parte de la biomasa al degradar los sustratos en relación al tiempo, lo cual proporciona una información muy precisa tanto de la actividad de los organismos como de la velocidad a la que los diferentes sustratos son consumidos. La tasa de respiración es la velocidad de consumo de oxígeno, por unidad de volumen y tiempo. Representando los datos obtenidos de la tasa de respiración respecto al tiempo se obtiene un respirograma, como el ejemplo de la figura, en el cual se diferencian las siguientes áreas:

  • A1: área proporcional a la concentración de DQO fácilmente biodegradable. Es la primera DQO que se consume y con la tasa de respiración más elevada.
  • A2: área proporcional a la concentración de DQO lentamente biodegradable. La velocidad de consumo de oxígeno es menor y se prolonga más en el tiempo.
  • A3: área proporcional a la cantidad de oxígeno consumido en el proceso de nitrificación.
  • A1+A2+A3: indica la cantidad de oxígeno necesaria para una oxidación completa de los contaminantes.
  • Una vez finalizada la respirometría, si se realiza una DQO del licor mezcla filtrado (0,45 m) se obtiene la DQO soluble no biodegradable. Y finalmente, si a la DQO inicial (total) se le resta la DQO biodegradable (suma de la fácilmente biodegradable y de la lentamente biodegradable) y la DQO soluble no biodegradable, por diferencia se obtiene la fracción de DQO particulada no biodegradable.

respirograma

Una vez determinadas las diferentes fracciones en función de su respectiva biodegradabilidad, se dispone de una caracterización completa de la materia orgánica del agua residual, la cual complementa el resto de parámetros analizados. Esta información será fundamental para tomar decisiones en la etapa de diseño del sistema de tratamiento de los efluentes; servirá para seleccionar los procesos que pueden ser eficientes y cuáles pueden ser descartados directamente. Por ejemplo, un agua con una fracción lentamente biodegradable que sea mayoritaria, no puede ser tratada mediante un sistema biológico en el que el agua esté muy poco tiempo en contacto con la biomasa.

Asimismo, la determinación de las diferentes fracciones en base a su diferente biodegradabilidad también permite calibrar los modelos cinéticos que posteriormente describirán el comportamiento del sistema (calidad del efluente, demanda de oxígeno, producción de lodos, etc.) en respuesta a fluctuaciones en tiempo real de la carga y del caudal del afluente.

Así pues, la caracterización completa del agua residual es fundamental para poder acometer con garantías de éxito la etapa de selección del tipo de tratamiento y su posterior diseño.

Tratamiento de aguas residuales en la industria del vino

tratamiento aguas residuales vinoCada año existen más regiones productoras de vino, aunque sólo 10 países producen el 80% del vino del planeta. Entre Francia, Italia y España se produce casi el 50% del vino de todo el mundo. A continuación, Estados Unidos, Chile, Argentina, Australia, Sudáfrica, Alemania y Portugal completan, en este orden, la lista de las 10 regiones mayores productoras de vino del mundo.

La producción de vino no es ajena ni a la generación de residuos ni a un elevado volumen de aguas residuales. Éstas se producen básicamente en los procesos de limpieza de los equipos y maquinaria que están en contacto con la materia prima o con los productos de los diferentes procesos (depósitos, prensas, tolvas de recepción, despalilladoras, bombas, tuberías, filtros, etc.), en el lavado de las botas, de las barricas y de las botellas, así como en los derrames accidentales en los numerosos trasvases que se llevan a cabo durante el proceso de elaboración del vino.

En relación a la producción de efluentes, tanto por la cantidad como por las características, conviene diferenciar entre las épocas de vendimia, bodega y embotellado.

  • Vendimia: durante esta época, que tiene una duración de entre 2 y 6 semanas, se produce el 50% de las aguas residuales de todo el año. Además, también son las que más carga contaminante contienen. Se generan tras la molturación de la uva, en la limpieza de los equipos utilizados y en los derrames accidentales. La DQO de estos efluentes está entorno a los 20.000-25.000 mg O2/L.
  • Bodega: durante la crianza de los caldos, se generan aguas residuales al limpiar los depósitos de fermentación. También, antes del embotellado se clarifica el vino en frío y los sedimentos que se separan, se suelen concentrar mediante filtración o centrifugación; generando un residuo sólido y un efluente líquido. Asimismo, se generan aguas residuales cuando mediante sosa caústica se limpian los cristales de bitartrato potásico adherido a las paredes de los tanques. Estos vertidos tienen valores de pH muy elevados.
  • Embotellado: en este proceso se generan aguas residuales al lavar las botellas así como durante la limpieza y desinfección de los circuitos y equipos, al inicio y al final de la jornada laboral. Estas aguas residuales son las que menor carga contienen.

Los efluentes generados en este tipo de industria contienen una carga contaminante elevada que hace que no puedan ser vertidos sin un tratamiento adecuado previo. En general, contienen una carga orgánica elevada (DQO de 6.000-12.000 mg O2/L) – aportada por etanol, ácidos orgánicos y/o azúcares -, pH ácido (entre 4,5 y 5,5), déficit de nutrientes (nitrógeno y fósforo), concentraciones moderadas de sólidos en suspensión y compuestos como polifenoles, tartratos, etc. La mayoría de los compuestos, excepto los polifenoles, son fácilmente biodegradables.
Al proceder las aguas residuales de procesos de lavado, de derrames accidentales durante los trasvases, etc., su producción y sus características varían considerablemente en función de la época del año y de la operación que genera el vertido. Así pues, el vertido de este tipo de industria está sometido a la estacionalidad y a una amplia variabilidad, tanto en el caudal como en la composición.

Dadas todas estas características de la producción de aguas residuales en este tipo de industria, a la hora de analizar qué tipo de tratamiento es el más conveniente, cabe señalar que el primer paso debe ser el análisis de los diferentes efluentes para evaluar de qué manera, uno a uno, se puede disminuir su producción. Y es que, en función de diferentes factores, como el tamaño de la instalación, la producción, los métodos de limpieza y el coste, etc., en la producción de vino se consume entre 1 y 6 litros de agua por litro de vino elaborado. Así pues, para minimizar los costes de explotación del sistema de tratamiento de las aguas residuales, será clave la reducción máxima de los caudales generados (minimizar derrames accidentales, implantar limpieza en seco siempre que sea posible, realizar limpiezas a alta presión cuando sea difícil en seco, etc.).

El tipo de tratamiento de aguas residuales en una industria vinícola dependerá de la calidad exigida para el agua tratada, que dependerá de si se vierte a la red de alcantarillado pública, a un cauce natural o si en cambio se desea reutilizar dentro del proceso o para regar el viñedo. En orden creciente de complejidad del tratamiento, las etapas serían las siguientes:

Pretratamiento y neutralización

En esta etapa se separan los sólidos que contiene el agua residual, que por su tamaño, podrían dificultar los siguientes procesos de tratamiento. También se ajusta el pH para que el efluente pueda ser o bien tratado o bien vertido al alcantarillado público si reúne las condiciones.

Tratamiento primario

En este proceso se elimina una importante fracción de materia orgánica (entorno al 30-40%) al separar la mayor parte de los sólidos suspendidos. Se pueden separar por decantación natural o por precipitación mediante procesos de coagulación-floculación.

Tratamiento secundario

En esta etapa se eliminan la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual. El proceso más adecuado dependerá del caudal a tratar y de la calidad del efluente tratado, la cual dependerá de su destino. En la tabla se resumen qué sistemas serían adecuados en función de estos factores. Sea cual sea el sistema elegido, se dispondrá de una línea de agua y una línea de lodos. La línea de agua estará compuesta básicamente por el reactor biológico y las etapas previas a éste, mientras que en la línea de lodos será conveniente una etapa de espesamiento y, posteriormente, una etapa de deshidratación.

Cabe señalar que para que el proceso biológico se desarrolle adecuadamente, será necesaria la adición al reactor de fuentes de nitrógeno (urea) y de fósforo (fosfato amónico), puesto que estas aguas residuales poseen una proporción de carbono, nitrógeno y fósforo descompensada para el crecimiento de los microorganismos.

Tratamientos avanzados

Si el efluente del tratamiento secundario se desea reutilizar para regar el viñedo, previamente deberá ser sometido a una etapa de desinfección. La desinfección más compatible con los posteriores usos de esta agua son la oxidación mediante ozono y la radiación ultraviolada. En cambio, si se desea utilizar el agua de nuevo en el proceso, será necesario un tratamiento más completo para mejorar su calidad. El efluente del tratamiento secundario deberá ser filtrado (mediante un lecho granular de arena o similar) como proceso de pretratamiento previo antes de un proceso de filtración por membranas, generalmente, una ultrafiltración y después una ósmosis inversa. La calidad del permeado de la ósmosis inversa es excelente y permite cualquier uso dentro del proceso de elaboración del vino.

Una tecnología aún en fase de desarrollo, pero que puede arrojar muy buenos resultados económicos, consiste en producir una fermentación del agua residual para transformar todos los azúcares presentes en etanol, el cual puede ser separado mediante un proceso de concentración-evaporación al vacío. El etanol separado representa en torno al 85% de la DQO inicial. Así, por un lado se dispone de etanol, un subproducto revalorizable, y por otro lado de un agua residual descontaminada parcialmente, con una DQO alrededor de 250-300 mg O2/L. Esta reducción de DQO supone una considerable disminución del oxígeno que se debe aportar en el proceso biológico, por lo que el ahorro económico es muy importante.

Así pues, teniendo en cuenta que la mayor parte de las aguas residuales se generan durante los procesos de lavado, es muy importante aplicar buenas prácticas para reducir al máximo el volumen producido. Por lo general, las aguas deberás ser tratadas mediante un proceso biológico para eliminar la elevada carga orgánica que contienen. El tipo de proceso, así como si se deberá añadir también algún tratamiento terciario, dependerá en gran medida del destino de las aguas tratadas, que será su vertido a la red de alcantarillado pública, a cauce natural, su reutilización para riego o incluso para utilizarlas de nuevo dentro del proceso.

efluente vino

Tratamiento de aguas residuales: tipos de membranas de filtración y posibles configuraciones

membranas de filtracionLas membranas son barreras físicas semipermeables que separan dos fases, impidiendo su íntimo contacto y restringiendo el movimiento de las moléculas a través de ella de forma selectiva. Este hecho permite la separación de las sustancias contaminantes del agua, generando un efluente acuoso depurado.

La rápida expansión, a partir de 1960, de la utilización de membranas en procesos de separación a escala industrial ha sido propiciada por dos hechos: la fabricación de membranas con capacidad para proporcionar elevados flujos de permeado y la fabricación de dispositivos compactos, baratos y fácilmente intercambiables donde disponer grandes superficies de membrana.

Características de los procesos de separación con membranas:

  • Permiten la separación de contaminantes que se encuentran disueltos o dispersos en forma coloidal.
  • Eliminan contaminantes que se encuentran a baja concentración.
  • Las operaciones se llevan a cabo a temperatura ambiente.
  • Procesos sencillos y diseños compactos que ocupan poco espacio.
  • Pueden combinarse con otros tratamientos.
  • No eliminan realmente el contaminante, únicamente lo concentran en otra fase.
  • Pueden darse el caso de incompatibilidades entre el contaminante y la membrana.
  • Problemas de ensuciamiento de la membrana: necesidad de otras sustancias para llevar a cabo la limpieza, ajustes de pH, ciclos de parada para limpieza del equipo.
  • Deficiente escalado: doble flujo-doble de equipos (equipos modulares).
  • Ruido generado por los equipos necesarios para conseguir altas presiones.

TIPOS DE MEMBRANA

Las membranas se pueden fabricar con materiales poliméricos, cerámicos o metálicos.

Atendiendo a su estructura física se pueden clasificar en:

1. Membranas microporosas

Estructuras porosas con una estrecha distribución de tamaño de poros. Las membranas que se encuadran en este grupo tienen una de distribución de diámetros de poro de 0.001mm – 10mm.

Los procesos de depuración de aguas que utilizan estas membranas, microfiltración y ultrafiltración, se basan en impedir por exclusión el paso a través de la membrana de aquellos contaminantes de mayor tamaño que el mayor diámetro de poro de la membrana, siendo parcialmente rechazadas aquellas sustancias cuyo tamaño está comprendido entre el mayor y el menor de los diámetros del poro. En este tipo de membranas la fuerza impulsora responsable del flujo de permeado a través de la membrana es una diferencia de presión.

Los filtros profundos actúan reteniendo en su interior, bien por adsorción en las paredes de los poros o por su captura en los estrechamientos de los canales de los poros, las sustancias contaminantes que se quieren excluir del agua. Son membranas isotrópicas y habitualmente se utilizan en microfiltración.

Los filtros tipo tamiz son membranas con una estrecha distribución de tamaños de poros. Capturan y acumulan en su superficie las sustancias contaminantes de mayor tamaño que los poros. Las sustancias de menor tamaño que pasan la membrana no son retenidas en su interior, sino que salen formando parte del permeado. Suelen ser membranas anisótropas y se utilizan en ultrafiltración.

2. Membranas densas

Estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la membrana sigue un modelo de solución-difusión, en el que los componentes de la solución se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella. La diferente solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones. Debido a las fuertes presiones a las que tienen lugar estos procesos las membranas son de tipo anisótropo. La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de membranas.

3. Membranas cargadas eléctricamente

Pueden ser porosas o densas, con restos aniónicos o catiónicos fijos en la estructura de la membrana. La separación es consecuencia de la carga de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de la membrana. La separación también depende de la carga y concentración de los iones de la solución: los iones monovalentes son excluidos menos eficazmente que los divalentes, así mismo, el proceso de separación es menos efectivo en soluciones de elevada fuerza iónica. Estas membranas se utilizan el los procesos de electrodiálisis.

4. Membranas anisótropas

Las membranas anisótropas son estructuras laminares o tubulares donde el  tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo de su espesor.

Están constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos) soportada en otra más gruesa y porosa, de tal forma que la primera es la responsable del proceso de separación y la segunda aporta al sistema la suficiente resistencia mecánica para soportar las condiciones de trabajo. La película responsable del proceso de separación y la que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material (membranas de Loeb-Sourirajan) o con materiales diferentes (membranas de tipo composite).

Debido a que la velocidad de paso de las sustancias a través de la membrana es inversamente proporcional a su espesor, las membranas deberán ser tan delgadas como sea posible. Mediante la fabricación de membranas ansótropas (asimétricas) es posible conseguir espesores de membranas inferiores a 20 mm, que son los espesores de las membranas convencionales (isótropas o simétricas). La mejora en los procesos de separación, debido a este tipo de membranas, ha hecho que sean las de elección en los procesos a escala industrial.

CONFIGURACIONES

Las membranas pueden fabricarse en forma de láminas planas, tubulares o del tipo denominado fibra hueca (hollow fiber).

Las fibras huecas son estructuras tubulares con 0.1-1.0 mm de diámetro externo y 50 mm de diámetro interno, dimensiones que son un orden de magnitud inferior a las denominadas membranas tubulares. La mayoría de ellas son de tipo anisótropo, donde la estructura responsable de la separación se dispone en la superficie externa o interna de la fibra.

Las fibras huecas se disponen en módulos compactos con mayor superficie filtrante que los módulos de láminas planas y de membranas tubulares, permitiendo separaciones más eficientes.

El desarrollo de materiales para la fabricación de membranas que permitan separaciones eficientes y su disposición en configuraciones o módulos de fácil instalación y sustitución que puedan agruparse para conseguir superficies filtrantes de centenas o millares de m2, ocupando volúmenes aceptables, han sido los hechos que han condicionada la utilización de membranas a escala industrial.

En la actualidad las configuraciones en las que se presentan las membranas se denominan:

1. Cartuchos de membranas, donde las membranas, convenientemente plegadas, se enrollan alrededor del colector de permeado, empaquetándose en una carcasa de 25 cm de longitud y 6 cm de diámetro que se disponen en línea con el flujo que se desea tratar (alimentación), quedando los contaminantes retenidos en la membrana y generándose un efluente depurado (permeado). En estas disposiciones se consiguen desarrollos superficiales del orden de 0.3 m2. Los cartuchos de membranas son desechables.

2. Módulos tipo placa-bastidor, tiene una disposición semejante a los filtros-prensa.

Las membranas se disponen en bastidores separados por placas. La alimentación, impulsada por una bomba, circula por los espacios placamembrana, concentrándose en contaminantes conforme tiene lugar el flujo de permeado a través de las paredes de las membranas.

3. Módulos de membranas tubulares, constituidos por carcasas cilíndricas que contienen un número variable de membranas tubulares. La alimentación se bombea por el interior de las membranas, produciéndose un flujo lateral de permeado a través de las paredes. La carcasa tiene los dispositivos adecuados para recoger los flujos de permeado y concentrado.

Las membranas tubulares están constituidas por un soporte poroso de papel o fibra de vidrio sobre el que se deposita la superficie filtrante. También se construyen en materiales cerámicos.

Los módulos tubulares suelen tener longitudes de 13 cm – 20 cm, con 4 – 6 membranas de 0.5 cm – 1 cm de diámetro, dispuestas en su interior. La velocidad de circulación de la alimentación por el interior de las membranas es de 2 m/s – 6 m/s, lo que se traduce en pérdidas de carga de 14 – 21 kPa por módulo. El consumo de energía de las plantas que utilizan este tipo de módulos es del orden de 0.8 – 2.5 kWh/100 L permeado.

4. Módulos de membranas enrolladas en espiral, estructura compleja donde una membrana en forma de “bolsa plana”, con un separador interno de las paredes de la membrana, se enrolla en espiral alrededor del tubo colector de permeado, con el que se une por la parte abierta de la “bolsa”.

Las paredes exteriores de la membrana, que forman las espirales, se encuentran separadas por estructuras huecas que permiten que la alimentación discurra a través de ellas y que el permeado fluya, lateralmente, a través de las paredes de las membranas. Estos módulos suelen tener 20 cm de diámetro y 100 cm de largo con varias membranas enrolladas que proporcionan una superficie de membrana de 1 – 2 m2 (Fig.
8).

5. Módulos de membranas tipo fibra hueca, estructuras semejantes a los intercambiadores de calor multitubulares, de 70 cm de longitud y 8 cm de diámetro donde se alojan 500 – 2000 membranas del tipo fibra hueca.

Básicamente existen dos configuraciones, atendiendo a que la alimentación circule por el interior o el exterior de las fibras. La caída de presión en este tipo de módulos es de 0.7 bar – 70 bar, según el tipo de aplicación.