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Desalación de agua mediante sistemas de evaporación al vacío

Secciones

Clasificación

Las tecnologías empleadas a fecha de hoy, en los procesos de desalación de agua pueden clasificarse en función de varios criterios, principalmente:

  1. Cambio de fase del agua a tratar.
  2. Tipo de energía.
  3. Proceso empleado.

En base a estos criterios de clasificación las principales tecnologías asociadas se dividen en:

Tecnologías de desalación de agua

Tecnologías de evaporación vs tecnologías de filtración

Actualmente existen pequeñas plantas de evaporación para desalar agua de mar o agua de pozos salobres, que consumen pequeñas cantidades de energía eléctrica, que puede ser obtenida mediante molinos de viento, placas fotovoltaicas u otras formas de obtener energía eléctrica renovable.

En los procesos de evaporación para la obtención de agua potable a partir de agua salada, el consumo energético no depende la salinidad del agua a tratar, por lo que son más ventajosos desde este punto de vista, cuanto más salina sea el agua de entrada, con respecto a los procesos de ósmosis inversa.

Comparando ambas tecnologías, puede decirse que las de evaporación son muy efectivas para la producción de agua potable a partir de agua salada, independientemente de la salinidad del agua de entrada, en cuanto a su bajo consumo energético, solo comparable con la ósmosis forzada (tecnología de filtración), cuyos consumos energéticos son también muy bajos.

En este artículo se pretende repasar de manera general las distintas tecnologías relativas a ambos procesos, así como tratar de recoger la evolución y perspectivas de las mismas, empezando por los procesos de evaporación precursores de las tecnologías de desalinización.

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Procesos de desalacion mediante evaporación

Los orígenes de las tecnologías de desalación datan de la época de Aristóteles (384-322 a.C.) cuando éste fabricó el primer evaporador conocido y en sus obras hablaba de la desalación del agua del mar.

Antes de la aparición e industrialización de las membranas de osmosis inversa, allá por la mitad de la década de los 60, el método para desalar agua de mar y potabilizarla era exclusivamente mediante equipos de evaporación que consumían una importante cantidad de energía.

Compresión Térmica de Vapor (TCV)

La compresión térmica de vapor obtiene el agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto, pero utiliza una fuente de energía térmica diferente: son los llamados compresores térmicos (o termocompresores), que consumen vapor de media presión proveniente de la planta de producción eléctrica (si tenemos una planta dual, sino sería de un vapor de proceso obtenido expresamente para ello) y que succiona parte del vapor generado en la última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que consume energía en el proceso.

El rendimiento de este tipo de plantas es similar a las de las plantas MED (destilación por múltiple efecto), sin embargo, su capacidad desaladora puede ser mucho mayor al permitirse una mayor adaptabilidad de toma de vapor de las plantas productoras del mismo. Muchas veces se las considera el mismo proceso, pero aquí se tratarán individualmente ya que el consumo de energía de la planta se realiza por un equipo diferente.

Destilación por Múltiple efecto (MED)

En los procesos MED, el agua a tratar pasa a través de una serie de evaporadores puestos en serie. El vapor de una de las celdas se usa para evaporar el agua de la siguiente mientras que el aporte de energía primaria se hace sobre la primera de las etapas.

Este tipo de plantas son de tamaño medio y están especialmente indicadas en los casos de poder aprovechar calores residuales procedentes de instalaciones de cogeneración, turbinas…

Evaporador al vacío múltiple efecto

Destilación súbita (MSF)

El agua a desalar se calienta a baja presión lo que permite una evaporación súbita e irreversible, repitiéndose este proceso en sucesivas etapas en las que la presión disminuye según distintas condiciones.

Está indicado para aguas cuya salinidad es elevada. También lo está en aguas de temperaturas más altas y mayor contaminación. El mayor inconveniente que presentan las plantas MSF es el alto consumo energético.

Actualmente existen instalaciones donde se combina la producción de energía eléctrica de los campos solares con la producción de agua potable a partir de plantas de evaporación tipo flash.

Compresión mecánica de vapor (CMV)

Los evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor (CMV) evaporan el líquido, en este caso el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda así mantenerse el ciclo de destilación de agua, salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura.

Estos pequeños equipos son mucho más fiables y sencillos de operar que los equipos de osmosis inversa y casi no tienen mantenimiento, lo que los hace ideales para abastecer de agua dulce a pequeños núcleos de población, zonas remotas, zonas insulares, etc.

El consumo específico de estas instalaciones es más bajo que el de los otros procesos de destilación: normalmente el consumo eléctrico equivalente está sobre los 10 kWh/m3. El limitante mayor de este tipo de tecnología está en el tamaño máximo de los compresores volumétricos empleados. Su capacidad máxima no permite producciones altas de agua desalada.

evaporador al vacío compresión mecánica vapor

Otras alternativas de evaporación: Evaporación de agua al vacío

Otra forma de obtener agua potable proveniente del mar o fuentes salobres es mediante evaporadores de agua al vacío, que aprovechan fuentes de calor residual procedente de circuitos de refrigeración de motores de cogeneración. Esto permite incrementar el porcentaje de recuperación de energía y alcanzar los objetivos mínimos para poder cobrar las primas de energía vendida a la red.

Procesos de desalacion mediante filtración

No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que empezaron a construirse las primeras plantas desaladoras.

Ósmosis Forzada

Profundizando en el campo de las aplicaciones industriales, en las que la ósmosis inversa goza de una hegemonía clara por su eficacia, alrededor de ésta existe una serie de técnicas complementarias que en situaciones concretas pueden incluso mejorar sus prestaciones. Es el caso de la ósmosis forzada, en la que la elevada presión osmótica creada por la adición de un compuesto fácilmente separable es la fuerza impulsora del flujo a través de la membrana semipermeable. Produce agua desalada y se lleva a cabo a presiones muy bajas y a temperatura ambiente hecho que provoca un muy bajo consumo energético

Esta tecnología presenta una elevada eficiencia energética y en algunos casos puede ser una gran competidora de la ósmosis inversa. Se trata de una técnica con un futuro prometedor.

Destilación por membranas

Esta tecnología es relativamente reciente y se presenta como una solución para aquellas mezclas difíciles de separar y que la combinación de la diferencia de presiones de vapor y de diferente permeabilidad a través de una membrana semi-permeable hacen que la separación pueda ser efectiva y viable.

Ambas tecnologías complementan la ósmosis inversa y allanan el camino en el diseño del tratamiento óptimo en numerosas industrias.

Ósmosis Inversa (RO): Actualidad y Perspectivas

En 1960, en la Universidad de California se construye la primera membrana de ósmosis inversa, de acetato de celulosa, que es capaz de impedir el paso de sales y permitir el paso de un flujo de agua razonable. A partir de esta membrana básica, la tecnología no ha dejado de evolucionar para conseguir una mayor eficiencia energética y un menor coste de operación.

Actualmente esta tecnología se emplea para la desalinización de aguas salobre y de agua de mar de acuerdo a los siguientes datos generales de operación:

  • Aguas Salobres: La salinidad de este tipo de aguas es de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En su tratamiento se utilizan presiones de 14 bar – 21 bar para conseguir coeficientes de rechazo superiores al 90 % y obtener aguas con concentraciones salinas menores de 500 mg/L, que son los valores recomendados por WHO como condición de potabilidad. Las plantas de tratamiento utilizan módulos de membranas enrolladas en espiral. Se estima que los costes de capital de este tipo de plantas son del orden de 0.25 $US/L de agua tratada/día, siendo los costes de operación del mismo orden.

  • Agua de Mar: Dependiendo de la zona geográfica, la salinidad de este tipo de aguas es de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Para conseguir condiciones de potabilidad se utilizan membranas de poliamida de tipo fibra hueca que permiten conseguir coeficientes de rechazo superiores al 99.3 % con presiones de trabajo de 50 bar – 70 bar. Los costes de operación de este tipo de plantas de tratamiento se estiman en 1 – 1.25$US/ L de agua tratada/día, lo que hace que este sistema de tratamiento no sea competitivo, frente a otros sistemas como los procesos de evaporación multietapa, si las necesidades de agua superan los 40000 m3 de agua tratada/día.

Retos de la desalación

La eficiencia energética no puede incrementarse sin límite, puesto que termodinámicamente hay un coste energético mínimo que no se puede reducir. Éste depende de las características fisicoquímicas del agua a desalar, del porcentaje de recuperación del proceso y de la salinidad. Así, de forma teórica, el mínimo consumo energético necesario para desalar el agua de mar con una salinidad de 35 g/L y con una recuperación estándar del 45% es 1,97 kWh/m3.

Con la mejor tecnología actualmente disponible, el consumo mínimo industrial está en 2,51-2,74 kWh/m3 en función de si se utilizan turbinas Pelton o cámaras isobáricas –más eficientes– para la recuperación de la presión. A tenor de estos valores, se observa que los márgenes disponibles para reducir los consumos energéticos son ya muy reducidos.

Actualmente, se pueden construir plantas desaladoras con un consumo energético en la fase de ósmosis de 2 kWh/m3, con un índice de recuperación del 45%, que equivaldría a un consumo global de 2,5 kWh/m3. Un factor importante para mantener controlado el consumo energético en la desalación se centra en impedir el ensuciamiento de las membranas (fouling), el cual centra los objetivos de numerosas líneas de investigación. El fouling afecta directamente al rendimiento energético, a la vida útil de las membranas y a la ratio de producción de agua.

Para continuar reduciendo el consumo energético, cabe descartar avances en los equipos auxiliares a las membranas y circuitos hidráulicos, ya que prácticamente no disponen de margen de mejora. Las líneas de investigación más prometedoras se centran en la reducción de las presiones de trabajo sin que por ello se vea disminuido el flujo de permeado. Los principales fabricantes de membranas están trabajando en esta dirección y ya existen membranas con un funcionamiento muy satisfactorio trabajando a una presión total de 55 atm, en vez de 70 atm como se venía haciendo desde hace poco tiempo.

El futuro a medio plazo es preocupante, puesto que las reservas de agua dulce cada vez serán menos fiables además de estar menos disponibles. Se calcula que en 2016 un 1% de la población mundial se abastece de agua desalada y que en 2025 este porcentaje alcanzará el 14%. Ante este escenario, los avances en la reducción del consumo energético en la desalación permitirán que siga proliferando la construcción de plantas desaladoras basadas en la ósmosis inversa por todo el mundo.

El consumo energético depende fuertemente de la salinidad del agua a tratar, por lo que se hará necesario priorizar las fuentes de las cuales obtener agua dulce. El futuro pasa inexorablemente por la reutilización de las aguas residuales, primero, y por la desalación de las aguas salobres del interior, después. La desalación de agua de mar deberá ser el último recurso.

En Israel, país a la vanguardia en el uso eficiente del agua y de las tecnologías hídricas, se reutiliza el 80% de las aguas residuales.

Futuro de la desalación

Una alternativa económica y que actualmente se empieza a barajar su implementación consiste en el tratamiento mediante ósmosis inversa de las aguas residuales urbanas, ya depuradas, para su inyección en acuíferos subterráneos. La recarga de éstos mediante esta técnica es rápida y controlada, permitiendo que posteriormente la potabilización de esta agua no sea compleja. En España, la reutilización de las aguas residuales urbanas para su uso como agua potable, aunque técnicamente es posible, la legislación no lo permite. La única excepción está precisamente si el agua residual tratada mediante ósmosis inversa es inyectada previamente en un acuífero subterráneo antes de su potabilización.

El informe de 2014 de las Naciones Unidas sobre el desarrollo del agua en el mundo constata que existen más de 16.000 plantas desaladoras repartidas por todo el mundo en un total de más de 150 países, con una capacidad de producción que podría llegar a doblarse en 2020. Existen proyectos de investigación alrededor de la ósmosis inversa que hacen pensar que: (1) esta técnica seguirá siendo en los próximos 10 años la tecnología de referencia para la producción de agua dulce con algunas mejoras, algunas sustanciales, y (2) algunos proyectos de investigación son muy prometedores y acabarán proporcionando resultados útiles y valiosos que permitirán reducir aún más los costes energéticos y ambientales, además de los económicos.

Entre los proyectos de investigación más prometedores para nuevas tecnologías de desalación se encuentran los siguientes:

  • Tecnología ReFlex de la compañía Desalitech (USA)

  • Esta tecnología se basa en un sistema equiparable a un sistema de ósmosis inversa convencional que opera en batch. El porcentaje de recuperación lo determina la frecuencia de las etapas de purga que son ordenadas por un software específico, en vez del diseño mecánico y el número de etapas como sería en un sistema de ósmosis inversa convencional. El sistema ReFlex empieza realizando batchs a baja presión y va incrementando ésta gradualmente a medida que la concentración aumenta, hasta llegar al grado de recuperación indicado. Este funcionamiento hace que la presión media sea inferior a la presión constante del sistema convencional. Además, la presión de la purga es mínima, a diferencia del sistema convencional. Mediante este tipo de operación, el consumo de energía respecto al sistema convencional se reduce en un 20-35%.

  • Tecnología de la compañía IDE Technologies (Israel)

  • IDE Technologies ha desarrollado unas membranas de 16” en arreglo vertical, de forma que se reducen recipientes a presión, colectores, equipos de control y reduce el tamaño de la planta. Mediante esta tecnología se construyen plantas muy compactas y es especialmente importante cuando se trata de diseñar plantas desaladoras de elevada capacidad. Con esta avanzada tecnología, esta empresa ha diseñado y construido la planta desaladora más grande y avanzada del mundo hasta la fecha, en Sorek (Israel), la cual tiene una capacidad de 624.000 m3/día.

  • Membranas de óxido de grafeno, Universidad de Berkeley (USA)

  • Un grupo de investigadores de la Universidad de Berkeley (USA) ha diseñado y construido una membrana de óxido de grafeno perforada con un grosor de un átomo, que hace posible la desalación con una mínima parte del coste originado por la ósmosis inversa convencional. Los poros se pueden manipular para variar la permeabilidad de la membrana. De confirmarse su aplicación a escala industrial, se revolucionará los sistemas actuales de ósmosis inversa y se reducirán significativamente los costes económicos de operación.

Las mejoras innovadoras que se están introduciendo en la ósmosis inversa, fruto de la investigación, hacen que esta tecnología sea el referente para la eliminación de sales a corto y medio plazo, tanto para la producción de agua para el consumo como a nivel industrial. Cabe destacar la idoneidad de esta tecnología para aquellas aplicaciones industriales basadas en el concepto de vertido cero.

Por todo lo expuesto, en un futuro previsible la ósmosis inversa –con las tecnologías asociadas–seguirá siendo la primera opción para la separación de sales, tanto en la desalación de agua para el consumo humano como para las variadas aplicaciones industriales. Actualmente, el coste del agua desalada para el consumo humano es el doble del agua dulce superficial. Pero ésta cada vez será más escasa y menos fiable. Se prevé que en 2025 los costes de desalación igualen a los costes de extracción de agua dulce.

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Filtración mediante membranas para el tratamiento aguas residuales

Secciones

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 para la eliminación del color en aguas residuales de la industria textil

efluente agua textilLa industria textil se caracteriza porque su actividad requiere un elevado consumo de agua, energía y productos químicos auxiliares. Esto se traduce en la generación de una gran cantidad de agua residual, con elevadas concentraciones de colorantes, contaminantes orgánicos biodegradables y refractarios, materias en suspensión, tensioactivos, sales y compuestos clorados. Además, puesto que en la gran mayoría de los casos, la producción es discontinua, existe una gran variabilidad en la cantidad y la naturaleza de la contaminación de las aguas residuales generadas. Estas características hacen que sea un efluente industrial de difícil tratamiento.

Los requerimientos normativos, así como la necesidad de ahorrar energía y reutilizar el agua en la industria, hacen necesario que se desarrollen nuevos procesos que permitan eliminar la contaminación del agua a la vez que posibiliten la reincorporación del efluente en el proceso productivo.

Uno de los parámetros que requiere mayor esfuerzo para su eliminación –con unos costes razonables– es el color. Los colorantes no suelen ser tóxicos, pero sí muy poco biodegradables. En una EDAR urbana se estima que sólo se elimina el 20%-30% del color del afluente. Además, los colorantes se manifiestan en el agua a muy pequeñas concentraciones, por lo que el rendimiento de eliminación deberá ser muy elevado.

Tradicionalmente se han aplicado diversas tecnologías basadas en tratamientos físico-químicos para la eliminación del color de los efluentes textiles. No obstante, existen otras posibilidades que se van abriendo paso en función del tipo de colorante a eliminar. A continuación se repasan las técnicas que, según el caso concreto, pueden ser utilizadas para tratar el color en el agua residual, indicando sus ventajas e inconvenientes:

  1. Coagulación-floculación: se basa en la adición de polielectrolitos o floculantes inorgánicos (sales de hierro o aluminio), que forman flóculos con las moléculas de colorante facilitando su eliminación por decantación. Las eficacias de eliminación son altas, pero en el proceso se generan lodos que deben ser tratados. Los mejores rendimientos se logran al aplicar un exceso de coagulante, aunque esto puede aumentar la concentración de contaminante en el efluente.
  2. Proceso Fenton: se oxida el colorante con una combinación de peróxido de hidrógeno y sulfato ferroso (reactivo Fenton), en condiciones ácidas. El agente responsable de la oxidación es el radical hidroxilo, el cual es muy reactivo; se forma por la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno en un medio ácido. Los radicales hidroxilo oxidan el tinte, y el compuesto formado, precipita con el ion férrico y compuestos orgánicos. Las ventajas de esta alternativa son varias: se consiguen altas velocidades de decoloración si las concentraciones de los reactivos implicados son elevadas, no se forman compuestos clorados como en otras técnicas oxidantes y no existen limitaciones de transferencia de masa por tratarse de un sistema homogéneo. Sin embargo, sus principales desventajas son los costes asociados al tratamiento de lodos (se genera una gran cantidad de lodos poco densos y, por consiguiente, difíciles de decantar) y a los costes de los reactivos (se requiere la adición continua y estequiométrica de Fe(II) y H2O2).
  3. Ozonización: se destruyen las moléculas de colorante en base a la elevada capacidad oxidante del ozono. La reacción de oxidación es rápida, se pueden tratar altos caudales, no se generan residuos ni lodos y se obtiene un efluente incoloro y con baja DQO. Sin embargo debe comprobarse la toxicidad del efluente, pues en algunos casos los compuestos generados tienen mayor carácter tóxico que los colorantes de partida. Otra gran desventaja de la ozonización es el corto tiempo de vida media del ozono, entorno a 20 minutos, lo cual repercute significativamente en el coste del proceso. Se ha observado que cuando se complementa la producción de ozono con la adición de peróxido de hidrógeno, se consigue un incremento significativo tanto en la velocidad como en el rendimiento de eliminación.
  4. Tecnología de membranas: permite una separación efectiva de las moléculas de colorante y otros compuestos de tamaño mayor al del poro de la membrana seleccionada. Principalmente se emplean membranas de ósmosis inversa y nanofiltración. Mediante este procedimiento es posible tratar grandes volúmenes de afluente de forma continua y con un alto grado de separación. Los efluentes son de una calidad excelente y en la mayoría de los casos permiten la reutilización del mismo. Las principales desventajas de estas técnicas son la generación de un residuo con una alta concentración de contaminante y la dificultad y coste de substitución de las membranas.
  5. Adsorción: se basa en la retención física de las moléculas de colorante en la superficie del adsorbente que se utilice. La eficacia del proceso de adsorción está influenciada por una gran variedad de parámetros, entre ellos la interacción entre el colorante y el adsorbente, la superficie específica de éste, el tamaño de la molécula de colorante, la temperatura, el pH y el tiempo de contacto. Así pues, es fundamental el tipo de adsorbente elegido. Un adsorbente muy utilizado es el carbón activo, aunque también se emplean otros adsorbentes inorgánicos. Los procesos de adsorción generan efluentes de alta calidad, aunque presentan una serie de desventajas que los hace no competitivos para el tratamiento de efluentes coloreados: son procesos lentos; no selectivos, de manera que hay una competición entre las moléculas de tinte y otros compuestos presentes en el efluente; no destructivos, generándose un residuo que debe ser eliminado; la desorción es un proceso difícil y costoso y, por último, los adsorbentes suelen ser caros.
  6. Técnicas electroquímicas: se basan en la hidrólisis del colorante a través de agentes secundarios generados electrolíticamente mediante la aplicación de un potencial. Los procesos son limpios, operan a baja temperatura y en muchos casos no requieren la adición de productos químicos a las aguas residuales. No obstante, su alto consumo de energía y la generación de compuestos secundarios por reacciones paralelas disminuyen la potencialidad del método.
  7. vii) Procesos biotecnológicos: la aplicación de microorganismos a la degradación de aguas que contienen tintes sintéticos es una opción interesante por las ventajas derivadas del tratamiento biológico, ya que son procesos relativamente económicos y pueden permitir la degradación parcial o total de los componentes iniciales. Aunque mediante el proceso convencional de lodos activos, aerobio, no se degrada el colorante y el bajo rendimiento de eliminación se atribuye a la adsorción sobre los lodos. Mediante procesos anaerobios se consiguen elevados rendimientos de eliminación para una gran variedad de colorantes, aunque la cinética del proceso es lenta. Por otro lado, se están desarrollando sistemas en los que el colorante es degradado mediante la acción de enzimas producidas por hongos ligninolíticos en cultivos in vivo e in vitro. Son procesos muy selectivos en los que se alcanzan rendimientos muy elevados. Sin embargo, no son procesos económicos y se están desarrollando para su aplicación en continuo, recuperando las enzimas utilizadas.

El tratamiento de efluentes coloreados es un problema medioambiental que aún no ha sido resuelto satisfactoriamente para obtener, de forma general, un rendimiento elevado mediante un proceso estable, sostenible y económico. La elección de la tecnología más conveniente depende de numerosos factores, como el colorante utilizado, la cantidad y variedad de contaminantes del agua, el caudal vertido, el régimen de producción, etc. En cualquier caso, es absolutamente básico, para garantizar el éxito en la elección de la tecnología y en el diseño del tratamiento, realizar una completa campaña de caracterización del vertido.

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

Secciones

¿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.

¿Qué tipo de membrana me conviene más?

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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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