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Filtración mediante membranas cerámicas para el tratamiento de aguas

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Introducción

Las tendencias actuales en el tratamiento de aguas se orientan hacia la utilización de membranas de filtración, bien sea para filtrar partículas en suspensión, coloides, material orgánico, bacterias, macromoléculas y hasta sales; de esta forma cubrimos el espectro de separación en función del tamaño y naturaleza de los contaminantes.

Básicamente, las membranas se clasifican en orgánicas, e inorgánicas. Las primeras se utilizan habitualmente para aguas poco contaminadas, pues los materiales en que están construidas (polisulfona, poliamida, celulosa, etc.) no toleran agentes contaminantes en elevadas concentraciones, ni valores de pH o temperaturas extremas; además los oxidantes, los aceites y la materia orgánica son agentes poco deseables que deben evitarse para impedir su ensuciamiento y deterioro.

Si nos centramos en el tratamiento de efluentes complejos, se impone el uso de membranas inorgánicas, y, entre ellas, observamos que las que se vienen utilizando en el mercado en forma creciente son las membranas cerámicas por su alta eficiencia, resistencia a los medios más extremos y durabilidad.

Para determinar las membranas cerámicas a utilizar en un caso específico, debemos tener en cuenta la naturaleza del efluente a tratar y el tamaño de las partículas que queremos separar. Así se establece el denominado cut-off, y las unidades en que se mide la talla del poro de las membranas.

Unidades de medida y relación entre ellas

Las unidades que se utilizan para medir el tamaño de las partículas son básicamente:

  • La micra (µm) = 10-3 mm
  • El nanómetro (nm) = 10-3 µm
  • El Armstrong (A0) = 10-4 µm

Los rangos de filtración en función del tamaño de los poros de las membranas se clasifican en: Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración, aunque la Nanofiltración contempla la separación parcial de las sales de mayor tamaño y se queda en un límite cercano a la osmosis inversa.

Cuando hablamos de Microfiltración, utilizamos la µm como unidad de medida de partículas, mientras que para la Ultrafiltración y en la Nanofiltración se utiliza el KD (kilodalton), que se define como la unidad de masa molecular equivalente a 1.000 daltons. Un dalton es la décima parte de la masa del átomo de carbono y equivale a 1,66 X 10-24 g.

Vemos pues que, para estos niveles, se establece una relación aproximada entre tamaño de partículas y la masa molecular, según la gráfica siguiente:

Las membranas cerámicas en el tratamiento de efluentes

En osmosis inversa hablamos de separación de sales e intervienen otros fenómenos electroquímicos más complejos. La separación se corresponde con niveles moleculares y se suele utilizar el A0 y el tipo de moléculas. En este estudio no hablaremos de las membranas de osmosis inversa, pues enfocamos la aplicación hacia el tratamiento de efluentes, y, en este sentido, estas membranas tienen muchas limitaciones como se ha indicado al comienzo del texto.

Los fabricantes de membranas cerámicas establecen el tipo de filtración en tres grupos, de acuerdo con su gama de fabricación:

  • Microfiltración : de 0,1 a 1,4 µm
  • Ultrafiltración   : de 15 a 300 KD
  • Nanofiltración : de 1 a 10 KD

En la siguiente gráfica, vemos el espectro de filtración para ultra y microfiltración, con algunos de los contaminantes que se suelen separar en cada nivel.

Espectro de la Filtración

Filtración frontal y Filtración tangencial

Cuando se realiza una filtración frontal o total, todo el líquido que entra en contacto con la superficie de la membrana es forzado a pasar a través de ella. Algunos sólidos y componentes quedarán retenidos por la membrana mientras el resto pasará al otro lado. Este proceso depende principalmente del tamaño de poro de la membrana, aunque existen otros factores para tener en cuenta. En consecuencia, el líquido gradualmente experimentará una mayor resistencia a pasar a través de la membrana, debido a la acumulación de sustancias. Cuando la presión del fluido entrante se mantiene continua, el flujo se reducirá hasta que haya disminuido tanto que la membrana tendrá que ser limpiada, pues la capa de retenido (concentrado) habrá alcanzado un grosor demasiado elevado. La presión necesaria para hacer pasar el flujo a través de la membrana es la llamada Presión Transmembrana (PTM).

La PTM se define como el gradiente de presión de la membrana, o la presión media del flujo de entrada menos la presión de permeado o filtrado. A medida que se vaya colmatando la superficie filtrante, se deberá aumentar este parámetro si se quiere continuar adecuadamente el proceso, hasta llegar a un punto límite en que se deberá poner en marcha el proceso de limpieza. Esto hace que el proceso de filtración se considere discontinuo, procurando que el ciclo operativo sea el más largo posible y que las limpiezas sean rápidas y efectivas. Este tipo de filtración tiene, por tanto, ciertos inconvenientes; pero puede ser una buena solución para muchas aplicaciones, como el concentrado de componentes.

En las membranas cerámicas se realiza una filtración tangencial, en la que el retenido o concentrado es recirculado para que, mediante un ciclo de realimentación, vuelva a formar parte del flujo de aporte que es paralelo a la membrana, por lo que este tipo de filtración permite trabajar con rangos de presión muy inferiores a los de la filtración total. Solamente una pequeña parte del flujo atravesará la membrana convirtiéndose en permeado (filtrado), y la mayor parte irá a parar al depósito de concentrado.

La velocidad del flujo de agua paralelo a la membrana es relativamente alta. El propósito de este flujo es el control del grosor de la capa. Como consecuencia de la velocidad a la que fluye el agua, las fuerzas de flujo son altas, lo que permite que los sólidos suspendidos sean arrastrados por la circulación del líquido.

Con este sistema de filtración se disminuye la posibilidad de atascamiento y se retrasa y disminuye la formación de la película de sólidos. La gestión por filtración tangencial puede alcanzar flujos estables. En cualquier caso, el ensuciamiento se produce y debe realizarse la limpieza de las membranas, que, en caso de las cerámicas, admite valores de temperatura. Oxidantes, disolventes y pH extremos.

Esquema filtración frontal y filtración tangencial

Esquema filtración frontal y filtración tangencial

La velocidad lineal (VL) o de flujo tangencial es a la que la alimentación fluye dentro de la membrana. En el caso de una membrana tubular, la velocidad lineal se puede definir como la relación entre el flujo de entrada y la sección interior de la membrana.

VL   = Fr / Si   en (m/sg.)

Donde: Fr el flujo de alimentación. [m3/sg] y Si es la sección interior de la membrana. [m2]

Una velocidad lineal alta tiende a eliminar el material depositado y, consecuentemente, reduce la resistencia hidráulica a través de la membrana lo que lleva a obtener más flujo de permeado. Caudales más altos de la alimentación también reducen los fenómenos de la polarización de la concentración aumentando el coeficiente de la transferencia de masa.

Características de las membranas cerámicas

Las membranas cerámicas se fabrican principalmente con alúmina tabular (αAl 2O3) así como de carburo de silicio (SiC) siempre a elevadas temperaturas de sinterización (1.800-2.000ºC).

Aunque también hay modelos de membranas planas para aplicaciones específicas, estas membranas suelen tener forma tubular y distintas configuraciones de acuerdo con el número de canales que las atraviesan; así para efluentes cargados o de mayor viscosidad, se suelen utilizar membranas de canales grandes y en menor número, mientras que para efluentes más fluidos y menos cargados se utilizan membranas con más canales y de menor tamaño. Las membranas con más canales tienen mayor superficie equivalente de filtración. El camino más fiable para realizar un correcto diseño de la instalación a implementar es hacer ensayos o pilotajes con el líquido a tratar, y probar distintas membranas de probable utilización.

EL conjunto de membranas a instalar para realizar el tratamiento se aloja en el interior de cárteres construidos acero inoxidable, con juntas de elastómeros adecuados al medio y a las limpiezas (normalmente vitón o PTFE).

Cárteres para membranas cerámicasCárteres para membranas cerámicasCárteres-para-membranas-cerámicas

Membranas cerámicas de distintas secciones

 

Membranas cerámicas de distintas secciones

El líquido que se pretende filtrar se acondiciona previamente en un sistema prefiltración a fin de impedir la obstrucción de los canales de las membranas. La alimentación del líquido a tratar se hace a través de los canales que atraviesan longitudinalmente la membrana. De acuerdo con el esquema anexo, el permeado se obtiene al atravesar el líquido las paredes de los canales recogiéndose en el exterior de la membrana. El concentrado queda en los canales y pasa al bucle de recirculación.

 

Ámbito de aplicación

Las membranas cerámicas tienen un amplio ámbito de aplicación, sobre todo en la industria alimentaria, farmacéutica, química, separación de metales de proceso de precipitación, baños de decapado y desengrase, industria petroquímica, de bebidas (sobre todo vinos y cervezas) y en la minería.

En este estudio las consideramos en el campo del tratamiento de aguas. Para aguas de proceso, se utiliza como pretratamiento de instalaciones que exigen valores de turbidez muy bajos como la osmosis inversa. Aunque ya se comienzan a utilizar para filtrar aguas con destinos como la microelectrónica , aguas potables o industria química.

En aguas residuales tienen un muy amplio abanico de aplicaciones, pues, además de obtener permeados de alta calidad, presentan múltiples ventajas frente a otros procesos de depuración clásicos ( flotación, decantación, filtros de arena), que aportan importantes producciones de residuos), tienen un elevado consumo de reactivos ( coagulantes, floculantes, ajustes de pH, etc.) amplias superficies ocupadas y mucha mano de obra para su mantenimiento.

En los últimos años se vienen fabricando membranas de bajo coste que permiten su utilización en tratamientos de aguas a costes competitivos.

En depuración biológica, además de la reducción de materiales contaminantes en general, también se plantea la separación de micro plásticos y fibras. Para este tipo de depuración y, especialmente para la anaerobia, ya se dispone de referencias de MBR con membranas cerámicas, por el tipo de fangos a tratar, por su elevada resistencia y la no contaminación de los fangos, que pueden ser vendidos, minimizando así el coste económico de la depuración.

Los principales sectores en que se utilizan estas membranas son:

  • Separación y recuperación de taladrinas
  • Separación y recuperación de fibras y aditivos en circuitos de la industria papelera.
  • Recuperación y depuración de baños de desengrase
  • Recuperación de industrias de pinturas
  • Recuperación de ácidos y álcalis en la industria metalúrgica
  • Separación y recuperación de tintas.
  • Separación y recuperación de disolventes
  • Separación y concentración de efluentes de azúcar en fábricas azucareras.
  • Separación y concentración de productos en la industria Química.
  • Separación recuperación de metales y aditivos en las industrias galvánicas.

Este tipo de equipos tiene un coste de instalación inicial relativamente elevado, pues al de las membranas se ha de sumar el del grupo de bombeo de recirculación que debe ser de un tamaño importante para el conjunto, a fin de conseguir velocidades tangenciales adecuadas que hagan viable el proceso, y los materiales han de ser de elevada resistencia a los medios en que se trabaja (habitualmente se utilizan aceros inoxidables del tipo AISI 316L o superiores). Sin embargo, la duración esperada de las membranas es muy larga (> 10 años), y una vez regulados los ciclos de filtración no suelen aportar problemas de mantenimiento, lo que les confiere una elevada fiabilidad.

Recuperación de filtrados y concentrados

Resulta evidente que es preciso minimizar el vertido de los efluentes más contaminantes para el medio ambiente, que son justamente los que se tratan con este tipo de membranas. La tendencia ha de ser pues el pretendido “vertido cero”, pues no hay mejor tratamiento que la no contaminación.

Se dan muchos casos en la industria, en los que una filtración realizada al nivel indicado permite obtener filtrados que son reutilizables en mayor o menor medida en los procesos productivos o de servicios de la propia empresa emisora; además, también en muchas ocasiones, el retentado podría ser reutilizado si tuviera el grado de concentración y calidad precisado, según las especificaciones del fabricante.

Las tecnologías más adecuadas para conseguir estos efectos sin producir la contaminación del efluente serían la Evaporación y la Cristalización

Con la evaporación a vacío, se consiguen destilados de elevada pureza que, frecuentemente, se pueden reutilizar en los procesos de la fábrica. Se suele trabajar a unas temperaturas de evaporación entorno a los 50ºC, y el condensado podrá aportar su energía calorífica para otros procesos mediante cambiadores de calor. Los concentrados pueden alcanzar altos niveles de sequedad, pues se trabaja en varias etapas de evaporación.

En la medida en que los concentrados adquieran una revalorización importante, se justica más su concentración incluso llegando a la cristalización mediante un equipo específico (cristalizador).

El conjunto de membranas cerámicas + evaporación / cristalización ofrecen una solución técnica altamente evolucionada y eficiente que, para los casos de reutilización, pueden considerarse más como una etapa del proceso productivo que un tratamiento de residuos o efluentes, y el plazo de amortización de las instalaciones se hace viable dentro del estudio económico global de la fábrica.

En cualquier caso, el marco de aplicación de estas soluciones se hace cada vez más amplio, en la medida en que se perfeccionan las tecnologías y se recurre a las energías renovables,

Recuperación de filtrados y concentrados

Cálculos instalación membranas cerámicas

Partimos de un ejemplo, en que se desea tratar un efluente procedente de lavado de las máquinas de impresión con tintas flexográficas, Queremos tratar un vertido diario de 35 m3, que se encuentran a temperatura ambiente (aprox. 20 ºC).

Se realiza un ensayo de la muestra con una densidad = 1 y se encuentra que el tamaño de partícula está sobre las 0,05 µm y una densidad y viscosidad similares a las del agua.

Se realizan pruebas con membranas cerámicas y se obtiene que una velocidad de 80 l/h/m2 es adecuada, y se selecciona una membrana cerámica tubular de UF, de tipo Margarina (7 canales) con superficie unitaria de 0,2 m2, que según tablas del fabricante precisan de un caudal de circulación de 1000 l/memb/m/sg. En estas condiciones, los ciclos productivos entre limpiezas del conjunto de membranas cerámicas han superado las 72 horas, lo que se considera viable para el proceso. El objetivo es recuperar el agua del vertido para reutilizarla en el lavado y concentrar el sólido separado para poderlo enviar a vertedero como residuo.

En primer lugar, calculamos la superficie necesaria para filtrar la totalidad del efluente:

S = (35 m3/d /24 h/d) / 80 l/h/m2 = 18,6 m2 de membranas tipo Margarita.

Nº. Membranas = 18,6 m2 / 0,2 m2 /membrana = 92 membranas

El fabricante dispone de dos tipos de cárteres que se le podrán adaptar:

  • 1 de 99 membranas.
  • 2 de 55 membranas.

Para seleccionar la opción más adecuada, analizamos: el coste de equipos, el consumo energético y la flexibilidad de la instalación.

Coste de la instalación:

Aunque un solo cárter de 99 membranas es más económico que dos de 55, tanto el grupo de bombeo de recirculación, como las tuberías, válvulas y accesorios son más costosos para la versión de un solo cárter, así como el cuadro de potencia y la electrificación, con lo que el coste es bastante similar para ambas opciones.

Consumo energético:

Con un caudal de 1 m3/h/membrana, y a una velocidad de circulación en las membranas recomendada de 3,5 m/sg, tenemos:

  • Caso de 1 cárter con 99 membranas:

QR = 1 m3/h/memb. /m/sg. x 99 memb. x 3,5 m/sg = 346,5 m3/h

Con este caudal y a fin de reducir la pérdida de carga, tomamos una velocidad de circulación en el bucle de 1,5 – 2 m/sg, luego el diámetro del bucle de recirculación debería ser de 12 “.

Disponiendo el mínimo de válvulas y accidentes en tubería, la pérdida de carga del conjunto es de aprox. 12 m.c.a.

Si calculamos la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m3/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Tomamos un motor de 40 CV pensando en que llevará variador de frecuencia.

  • Caso con dos cárteres de 55 membranas, dispuestos en serie:

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m3/h., el bucle de recirculación sería de Ø 8”, en estas condiciones la pérdida de carga de los dos cárteres dispuestos en serie sería de aprox. 18 m.c.a., y la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Tomamos un motor de 30 CV.

Luego es más rentable energéticamente utilizar dos cárteres en serie.

Flexibilidad de la instalación:

Aunque las averías son escasas en este tipo de instalaciones, puede darse el caso de que tengamos una fuga en una membrana (p. ej., en una junta),o bien que se haya reventado una membrana (mucho menos probable). En el caso de disponer dos cárteres, podemos cancelar uno y trabajar con el otro a la mitad de caudal, lo que nos da mayor flexibilidad.

En este caso, optamos por disponer dos cárteres en serie, según el siguiente esquema:

Flexibilidad de la instalación

Consideraciones prácticas

Las instalaciones de membranas cerámicas son muy robustas y resistentes a las condiciones de temperatura, presión, alcalinidad, acidez y ataques químicos, pero a la vez, presentan algunas debilidades que deben tenerse en cuenta:

  • Evitar los golpes de ariete y los golpes, pues las membranas cerámicas son muy duras, pero también frágiles.
  • Evitar accidentes, válvulas e instrumentos que no sean estrictamente necesarios en las líneas de circulación para evitar pérdidas de carga que representarán un consumo energético elevado.
  • Tener en cuenta los materiales constructivos del equipo a la hora de efectuar una limpieza o de realizar un tratamiento (como por ejemplo trabajar con HF cuando hay electrodos de vidrio).
  • No estirar los ciclos de filtración, porque luego resulta más dificultoso realizar la limpieza.
  • Los efluentes de limpieza suelen ser muy contaminados, convendrá enviarlos a un gestor autorizado, o bien concentrarlos por evaporación para luego enviarlos a un vertedero de residuos adecuado a sus características.
  • La bomba de recirculación es conveniente que disponga de un variador de frecuencia, de tal forma, que consuma la energía estrictamente necesaria en cada momento.
  • Cuando se monten y desmonten las membranas en sus cárteres, deberá ponerse especial cuidado en que las juntas queden debidamente colocadas y ajustadas.
  • Por la naturaleza de los efluentes y reactivos que se manejan, se hace precisa la especial observación de las normas de seguridad, utilizando los EPIS y medidas complementarias que sean precisas.
Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
CEO, Condorchem Envitech

Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

Especialmente enfocado en proyectos medioambientales para clientes, es un reconocido especialista en ingeniería conceptual aplicada a tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos y líquidos y tratamiento de emisiones.

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Filtración mediante membranas para el tratamiento aguas residuales

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Ventajas e inconvenientes

Entre los procesos que más han evolucionado en las últimas décadas se encuentran los de filtración a través de membrana. De forma general, éstos consisten en forzar el paso del líquido a filtrar a través de una membrana colocada sobre un soporte sólido.

Funcionan debido a que determinadas clases de membranas permiten el paso a través de ellas de partículas con unas características particulares, mientras que impiden el paso de aquellas que no poseen esas mismas características.

El hecho de necesitar cada vez mayores flujos de permeado, producidos a menores presiones de operación, ha llevado a un constante avance en el diseño y fabricación de las membranas.

Las operaciones de separación mediante membrana son ampliamente utilizadas y su uso es superior a los métodos convencionales por la capacidad de producir separaciones de forma muy eficiente a temperatura ambiente y por la relación coste/eficiencia. A continuación, se describen las principales ventajas e inconveniente de las mismas en relación a otras tecnologías:

Ventajas

  • Ofrecen una elevada eficiencia de separación donde el factor clave es el cut offde la membrana.
  • Son procesos que se pueden llevar a cabo a temperatura ambiente y de forma continua.
  • El consumo de energía no es elevado y no se requiere el uso de reactivos químicos (excepto antiincrustantes para limpiar las membranas).
  • La facilidad de combinación de esta técnica con otros procesos.
  • Plantas muy compactas que requieren poco espacio físico.

Inconvenientes

  • No es una técnica que elimine el contaminante, sino que lo concentra.
  • Se genera una corriente de rechazo/residuo que debe ser tratada correctamente.
  • También se debe tener en cuenta el coste de las membranas y su durabilidad. Es importante pretratar el efluente para alargar la vida útil de las membranas.
  • En función de la aplicación concreta, se pueden presentar problemas de degradación, ensuciamiento o polarización de la membrana. Problemas que, si bien se pueden solventar, dificultan e incrementan los costes de operación.

Clasificación de Membranas

Actualmente existen muy diversas clases y tipos de membranas, que permiten el paso de unos solutos u otros en función de su naturaleza, carga iónica o tamaño.

En este artículo nos centraremos en la clasificación de los procesos de membrana según el factor de separación.

FACTOR DE SEPARACIÓNFUERZA IMPULSORATIPO – OPERACIÓN
TamañoPresiónFiltración
Microfiltración
Ultrafiltración
Nanofiltración
Tamaño / DifusividadPresión / ConcentraciónÓsmosis Inversa
Carga / DifusividadCampo eléctricoElectrodiálisis
Electrodiálisis Reversible

Factor separacion membranas
Fuente: Caracterización estructural y superficial de membranas microporosas, Laura Palacio Martínez, 1999 – Universidad de Valladolid

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Por tamaño de las partículas

En función del tamaño de las partículas que se deseen separar del líquido, variará el tipo de membrana a utilizar, siendo posible elegir entre las de filtración, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa.

En todos estos procesos la fuerza impulsora es la presión. A continuación, se detallan las diferencias entre ellas:

Filtración con membranas

  • Filtración

    La filtración convencional utiliza como medio filtrante un medio poroso formado por material granular (grava, arena, antracita, etc.).

    El líquido a filtrar se hace pasar a través del lecho poroso, por gravedad o mediante presión, quedando los sólidos atrapados en los espacios intersticiales que quedan entre las partículas que conforman el lecho filtrante.

    La alternativa a la filtración mediante lechos porosos es la utilización de filtros formados por aglomerados de fibras sintéticas de policarbonato o de celulosa. En función del material utilizado y su disposición, el diámetro medio del poro del filtro varía, siendo éste el parámetro que determina el tamaño mínimo de las partículas que quedarán retenidas (cut off  o valor de corte del filtro).

    Estos filtros se repliegan en el interior de un cartucho y son capaces de retener partículas con un tamaño superior a 10 mm (partículas de arena, de polvo fino, etc.). Permiten trabajar a unas densidades de flujo de 4 a 8 m3/(m2·h), que, aunque las densidades de flujo de los filtros granulares sean similares, éstos últimos requieren mucho más espacio físico para ofrecer la misma superficie de filtración.

    No obstante, los filtros granulares pueden ser sometidos a lavados a contracorriente, los cuales son muy efectivos. Así, para filtrar un efluente con un alto contenido de sólidos, la opción más conveniente son los filtros granulares. Y cuando el contenido en sólidos es bajo o moderado, los cartuchos de filtración son más competitivos y requieren menos espacio.

  • Microfiltración

    Las membranas de microfiltración separan partículas que tienen un tamaño de entre 0,1 mm y 10 mm (baterías, polvo de carbón muy fino, amianto, etc.). Estas membranas pueden ser de nylon, polietileno, polipropileno, etc.

  • Ultrafiltración

    Las membranas de ultrafiltración retienen el paso de partículas con un tamaño de entre 1 nm y 100 nm (0,1 mm), que es el tamaño de los virus, los coloides, las macroproteínas, las endotoxinas, etc.

    El modo de operación es equivalente al de la microfiltración, el conjunto de membranas se coloca sobre un soporte y una bomba incrementa la presión del líquido para que éste pase a través de la membrana.

  • Nanofiltración

    Mientras que con la microfiltración y la ultrafiltración se separan partículas en suspensión del líquido, mediante la nanofiltración se pueden separar moléculas disueltas en el líquido (azúcares, proteínas, moléculas de colorante, etc.).

    Las membranas de nanofiltración tienen un valor de corte de entre 0,1 nm y 1 nm, tamaño típico de la mayoría de moléculas que no tienen un peso molecular elevado.

    Incluso quedan retenidos iones como el Ca2+ y el Mg2+, hecho que hace posible utilizar estas membranas para eliminar la dureza del agua, sin haber de dosificar reactivos químicos.

  • Ósmosis inversa

    La ósmosis inversa es un fenómeno basado en el equilibrio que se establece a ambos lados de una membrana semipermeable que separa dos volúmenes de líquido con diferente concentración salina. El solvente difunde a través de la membrana y la atraviesa, mientras que los iones disueltos no pueden hacerlo.

    De forma natural, el solvente pasaría de la solución más diluida en sales a la más concentrada, para igualar la presión osmótica (ósmosis). No obstante, si se aplica presión en el lado de la solución más concentrada, el flujo a través de la membrana se invierte y se produce un flujo neto de solvente que atraviesa la membrana desde la solución más concentrada a la menos concentrada. La presión que se debe aplicar depende de la concentración de sales en la solución concentrada.

    En la microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración todo el fluido pasa la membrana mientras que los sólidos quedan retenidos en la superficie de la membrana.

    En el caso de la ósmosis inversa, como a medida que la solución va incrementando su concentración en sales, la presión aplicada también debe ser mayor, el flujo es tangencial en relación a la membrana. De esta manera, parte del solvente atraviesa la membrana y la otra parte arrastra hacia el exterior todas las sales.

    Así, existe un caudal de alimentación y dos efluentes, el de permeado y el de rechazo, donde se concentran todas las sales disueltas, moléculas y partículas que contenía el alimento.

    En función del tipo de membrana utilizado, la presión de operación y las características del efluente a tratar, varía la proporción entre el caudal de permeado y el caudal de alimentación, variando entre un 50 y un 75%.

    Para alargar la vida de las membranas de ósmosis inversa y de nanofiltración es conveniente pretratar el efluente, normalmente mediante una ultrafiltración.

    Numerosos sectores industriales utilizan la ósmosis inversa para producir agua de elevada pureza, como es el caso de la industria farmacéutica, la industria alimentaria, las centrales nucleares, la industria electrónica, la industria biotecnológica, etc.

    En aplicaciones ambientales también se utiliza la ósmosis inversa para reducir y/o concentrar al máximo efluentes residuales, proceso seguido generalmente de una etapa de evaporación-concentración al vacío para acabar de concentrar plenamente el residuo. También se emplea la ósmosis inversa para acabar de afinar el agua condensada en procesos de evaporación en los que se concentran residuos.

    Como resultado estándar, la ósmosis inversa devuelve un 80% de agua depurada y un rechazo del 20%.

Por carga de las partículas

  • Electrodiálisis

    Consiste en la eliminación de iones cargados eléctricamente y que se encuentran disueltos en el agua. Para llevar a cabo esta eliminación se introduce en el agua alimento un par de electrodos de distinta carga eléctrica de manera que los iones disueltos serán atraídos por los electrodos de distinto signo al suyo propio.

    Por este procedimiento se logra desplazar los iones de un lugar a otro de la disolución.

    Es fundamental el empleo de membranas selectivas aniónicas y catiónicas alternativamente para que el agua alimento vaya perdiendo iones negativos y positivos tras su paso por la zona de separación.

    Lo interesante es colocar las membranas alternativamente de tal modo que en unos canales se concentren los solutos, en un agua que se denomina concentrado, y en otros canales circule el agua alimento que va perdiendo poco a poco sus contaminantes hasta salir del proceso con una concentración de sales muy baja.

  • Electrodiálisis Reversible

    En este caso se alteran periódicamente las polaridades de los electrodos de manera que los flujos de agua cambian temporalmente de sentido, pasando a recibir agua depurada aquellos conductos que transportaban el concentrado y al revés.

    Este método elimina el riesgo de formación de precipitados, incrustaciones y obstrucción de las membranas, ya que el cambio periódico del sentido del flujo del agua colabora en la limpieza de conducciones y membranas, además de evitar la aparición de limos y otros depósitos en la planta.

Configuración de Membranas

Existen equipos comerciales con diferente disposición de las membranas, para adaptarse a condicionantes diferentes.

Así, podemos encontrar las siguientes configuraciones:

  • Cartucho de membranas

    Las membranas están plegadas alrededor del colector de permeado. Son sistemas compactos, ideales para tratar soluciones con una baja concentración de sólidos en suspensión y se suelen utilizar con membranas de filtración y de microfiltración.

  • Membranas en espiral

    Un conjunto de láminas de membrana, separadas entre sí por un soporte poroso, se enrolla alrededor de un tubo que actúa como colector de permeado. Es un diseño muy compacto, presenta una buena relación coste-eficiencia y es apropiado para aplicaciones de gran volumen.

    Generalmente se utiliza con membranas de nanofiltración y de ósmosis inversa.

  • Membrana tubular

    Las membranas, de forma tubular, están colocadas en el interior de una carcasa rígida. La alimentación entra por el interior de las membranas y el flujo es en dirección al exterior. Debido al diámetro del tubo de la membrana, de 5 a 10 mm, no es probable que existan problemas de colmatación. Es apropiada para efluentes con una concentración elevada de sólidos en suspensión. Se suele utilizar para aplicaciones de ultrafiltración.

  • Filtro de placa y marco

    Se asemeja físicamente a un filtro prensa. Las membranas se colocan sobre los marcos separadas por placas y la alimentación discurre por el espacio entre las placas y las membranas. A un lado de la membrana se concentran los sólidos y en el otro se evacúa el permeado.

    Esta disposición sólo se utiliza cuando el alimento tiene una elevada viscosidad, generalmente en aplicaciones de las industrias farmacéutica y alimentaria.

  • Fibra hueca

    Consta de un elevado número de membranas con un diámetro inferior a 0,1 mm que constituyen un haz en el interior de una carcasa.

    Se utiliza prácticamente sólo para aplicaciones de nanofiltración y ósmosis inversa para tratar efluentes con una baja concentración de sólidos.

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

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¿Qué es una membrana de filtración?

Las 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.

Las principales características de los procesos de separación con membranas son las siguientes:

  • 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.

filtros membranas vibratorias

Tipos de membrana

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

Atendiendo a su estructura física se pueden clasificar en:

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.

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.

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 en los procesos de electrodiálisis.

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.

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Configuraciones de membrana

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 superfície 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:

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.

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 placa-membrana, concentrándose en contaminantes conforme tiene lugar el flujo de permeado a través de las paredes de las membranas.

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.

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.

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.

Módulos de membranas Vibratorias VR

Para subsanar el problema común de las tecnologías de membranas, la obturación provocada por las capas de residuos que se acumulan en su superficie, se han desarrollado las membranas vibratorias VR.

La gran diferencia respecto a las membranas tradicionales es que el diseño básico es vertical en vez de horizontal, por lo que el espacio necesario por unidad es menor que en otros sistemas de separación.

Estas membranas son capaces de filtrar cualquier tipo de aguas residuales y permiten tratar efluentes con una alta carga de sólidos. Se trata además de una tecnología que no requiere de químicos para operar, a excepción de los necesarios para a limpieza periódica de la membrana.

En un Sistema VR, el líquido a tratar está prácticamente inmóvil, circulando lentamente entre los elementos de membranas paralelas. La acción de limpieza del esquileo se crea vibrando vigorosamente los elementos de la membrana en una dirección tangente a la superficie de las membranas.

Membrana vibratoriaCrédito: VSEP

Las ondas de esquileo producidas por la vibración de la membrana hacen que se levanten los sólidos de la superficie de la membrana y que se vuelvan a mezclar con el material o efluente que se mueve por el interior de la membrana. Este esquileo intenso permite que los poros de la membrana estén más limpios, logrando un rendimiento más alto que las membranas convencionales

Las membranas vibratorias VR permiten recuperar entorno al 90% de las aguas tratadas como agua limpia que pueden ser vertida o reutilizada.

El tipo de membrana que se utilice en los Sistemas VR varía en función del efluente a tratar. Una clasificación muy general sería la siguiente:

  • Membranas de Osmosis Inversa para la separación de materiales.
  • Membranas de Nanofiltración para el tratamiento de aguas residuales y para la concentración.
  • Membranas de Ultrafiltración para separaciones aceitosas y concentración.
  • Membranas de Microfiltración para separar las partículas más grandes de una fase líquida.

Otros parámetros importantes son presión, temperatura, amplitud de la vibración y el tiempo de residencia del material dentro de la membrana.

Todos estos parámetros se optimizan durante pruebas iniciales y luego se registran en un PLC que controla el sistema automáticamente.

A todo esto, hay que añadir que se trata de un sistema modular, que puede ser modificado después de su instalación en caso de ser necesario:

  • Se puede agregar fácilmente a un sistema existente para mejorar el rendimiento.
  • Puede ser instalado en zonas donde el espacio es una limitación.
  • Es fácil de transportar y se puede pasar de una planta a otra.
  • Puede ser instalado en múltiples sistemas o fases como un solo paso.
  • Más unidades se pueden instalar en la medida que la producción aumente.

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Aplicaciones industriales de la filtración por membranas

Las tecnologías de filtración por membranas están siendo cada vez más utilizadas en los procesos productivos de numerosas industrias. Su capacidad para separar extractos y esencias naturales muy específicas a temperaturas bajas o ambientales las convierte en una tecnología más rentable para este propósito que otros métodos tradicionales.

El tipo de membrana que se escoge es un factor importante para garantizar un buen funcionamiento y un óptimo rendimiento del proceso. Existen diversas clases de membranas que se adaptan a diferentes aplicaciones según cuál sea el nivel de filtrado requerido. Las membranas en espiral, las membranas cerámicas, las membranas de acero inoxidable, las membranas tubulares, las membranas de fibra hueca y las membranas “plate & frame” son los modelos más habituales.

La filtración por membranas es una tecnología a presión que se utiliza para llevar a cabo separaciones líquidas varias. Sus diferentes modalidades son la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración y la osmosis inversa.

La ósmosis inversa es especialmente adecuada para procesos de deshidratación, concentración/separación de sustancias, o tratamiento de residuos líquidos. Es muy útil para concentrar sólidos disueltos o en suspensión, por una parte, y obtener un rechazo líquido que contiene una muy baja concentración de sólidos disueltos por otra.

La ultrafiltración es un proceso de fraccionamiento selectivo que se utiliza habitualmente para el fraccionamiento de leche, suero y proteínas. Concentra sólidos en suspensión y solutos de peso molecular mayor a 1000. Por su parte, el rechazo líquido contiene solutos orgánicos de bajo peso molecular y sales.

La nanofiltración suele aplicarse para desmineralizado, remoción de color, y desalinización.

La microfiltración es un proceso de flujo de baja presión a través de membrana para la separación de coloides y partículas suspendidas en el rango de 0.05 – 10 micrones. La microfiltración se utiliza para fermentaciones, clarificación de caldo y clarificación y recuperación de biomasa.

Aplicaciones industriales

La filtración por membrana puede ser aplicada en infinidad de industrias en las que intervienen procesos químicos. La industria de la alimentación, con especificaciones importantes en los sectores lácteo y del azúcar, la farmacéutica, la biotecnológica y la química, propiamente dicha, son ámbitos en los que la filtración por membranas puede ser de gran utilidad.

La aplicación de las diversas técnicas de filtración por membranas en la industria alimentaria abarca infinidad de campos. Entre los más comunes se pueden citar la concentración de clara de huevo, la Clarificación y preconcentración de jugos de frutas, la concentración y extracción de cenizas de gelatina porcina, vacuna o de hueso, la clarificación de la salmuera de carne para la remoción de bacterias y re-uso de la salmuera, la Concentración de proteínas de vegetales y plantas tales como soja, canola y avena y la desalcoholización de vino y cerveza.

Industria láctea: la filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción, especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche, aplicaciones a suero y otras aplicaciones como el clarificado de salmuera de queso.

Industria de almidones y edulcorantes: el beneficio principal es el incremento en el rendimiento de los productos, entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz como dextrosa y fructosa, la concentración de agua de lavado del almidón, el enriquecimiento de dextrosa, la de-pirogenación del jarabe de dextrosa y el fraccionamiento/concentración de agua de maceración.

Industria del azúcar: la filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no procesado sin utilizar clarificadores primarios, eliminando así muchos problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos tradicionales. Las membranas también pueden clarificar, fraccionar y concentrar varias soluciones de azúcar en el proceso de producción.

Industria química: muchos procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar, diafiltrar y purificar tintes, pigmentos y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado, la concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio, la clarificación de cáusticos, la producción de polímeros o la recuperación de metales.

Industria farmacéutica: la cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en un proceso de fermentación, especialmente al manufacturar productos como los antibióticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario y el costo de mantenimiento. Las membranas son también una parte estándar de las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas previamente a otros procesos.

Sergi Tuset - CEO Condorchem Envitech
CEO, Condorchem Envitech

Sergio Tuset es el CEO de Condorchem Envitech, con más de 20 años de experiencia en la gestión de compañías industriales.

Especialmente enfocado en proyectos medioambientales para clientes, es un reconocido especialista en ingeniería conceptual aplicada a tratamiento de aguas residuales, tratamiento de residuos sólidos y líquidos y tratamiento de emisiones.

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