miniaturadeimagen|252x252px| Esquema de exclusión de membrana basada en el tamaño. Una membrana es una barrera selectiva; permite que algunas cosas pasen pero detiene otras. Tales cosas pueden ser moléculas, iones u otras partículas pequeñas. Las membranas biológicas incluyen membranas celulares (cubiertas externas de células u orgánulos que permiten el paso de ciertos constituyentes); membranas nucleares, que cubren un núcleo celular; y membranas tisulares, como mucosas y serosas. Las membranas sintéticas están hechas por humanos para su uso en laboratorios e industria (como plantas químicas).
Este concepto de membrana se conoce desde el , pero se utilizó poco fuera del laboratorio hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. El suministro de agua potable en Europa se vio comprometido por la guerra y se utilizaron filtros de membrana para evaluar la seguridad del agua. Sin embargo, debido a la falta de confiabilidad, operación lenta, selectividad reducida y costos elevados, las membranas no fueron ampliamente explotadas. El primer uso de membranas a gran escala fue con tecnologías de microfiltración y ultrafiltración. Desde la década de 1980, estos procesos de separación, junto con la electrodiálisis, se emplean en grandes plantas y, hoy en día, varias empresas con experiencia prestan servicios en el mercado.
El grado de selectividad de una membrana depende del tamaño de poro de la membrana. Dependiendo del tamaño de poro, se pueden clasificar como membranas de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO). Las membranas también pueden ser de varios grosores, con estructura homogénea o heterogénea. Las membranas pueden ser neutras o cargadas, y el transporte de partículas puede ser activo o pasivo. Esto último puede ser facilitado por presión, concentración, gradientes químicos o eléctricos del proceso de membrana. Las membranas se pueden clasificar generalmente en membranas sintéticas y membranas biológicas.
Clasificaciones de procesos de membrana
Microfiltración (MF) La microfiltración elimina las partículas superiores a 0.08-2 µm y opera dentro de un rango de 7-100 kPa. La microfiltración se utiliza para eliminar los sólidos suspendidos residuales (SS), para eliminar las bacterias con el fin de acondicionar el agua para una desinfección eficaz y como paso previo al tratamiento para la ósmosis inversa.
Desarrollos relativamente recientes son los biorreactores de membrana (MBR) que combinan la microfiltración y un biorreactor para el tratamiento biológico.
Ultrafiltración (UF) La ultrafiltración elimina las partículas superiores a 0,005-2 µm y opera dentro de un rango de 70-700 kPa. La ultrafiltración se utiliza para muchas de las mismas aplicaciones que la microfiltración. También se han utilizado algunas membranas de ultrafiltración para eliminar compuestos disueltos con alto peso molecular, como proteínas y carbohidratos. Además, pueden eliminar virus y algunas endotoxinas. miniaturadeimagen|La pared de un ultrafiltration membrana de fibra vacía, con característico exterior (superior) e interior (inferior) capas de poros.
Nanofiltración (NF) La nanofiltración también se conoce como RO "suelta" y puede filtrar partículas de menos de 0,002 µm. La nanofiltración se utiliza para eliminar componentes disueltos seleccionados de las aguas residuales. La NF se desarrolla principalmente como un proceso de ablandamiento de membranas que ofrece una alternativa al ablandamiento químico.
Asimismo, la nanofiltración se puede utilizar como pretratamiento antes de la ósmosis inversa dirigida. Los principales objetivos del pretratamiento de NF son:
Minimizar el ensuciamiento microbiano y de partículas de las membranas de ósmosis inversa mediante la eliminación de la turbidez y las bacterias. Prevenir la formación de incrustaciones mediante la eliminación de los iones de dureza. Diisminuir la presión de funcionamiento del proceso de ósmosis inversa reduciendo el total de sólidos disueltos en el agua de alimentación (TDS).
Ósmosis inversa (RO) La ósmosis inversa se usa comúnmente para la desalinización. Además, la ósmosis inversa se utiliza comúnmente para eliminar los componentes disueltos de las aguas residuales que quedan después de un tratamiento avanzado con microfiltración. La RO excluye los iones pero requiere altas presiones para producir agua desionizada (850-7000 kPa). Membranas nanoestructuradas Una clase emergente de membranas se basa en canales de nanoestructura para separar materiales a escala molecular. Estos incluyen membranas de nanotubos de carbono, membranas de grafeno, membranas hechas de polímeros de microporosidad intrínseca (PIMS) y membranas que incorporan estructuras orgánicas metálicas (MOF). Estas membranas se pueden utilizar para separaciones selectivas por tamaño como nanofiltración y ósmosis inversa, pero también separaciones selectivas por adsorción como olefinas de parafinas y alcoholes de agua que tradicionalmente han requerido una destilación costosa y que requiere mucha energía.
Configuraciones de membrana En el campo de las membranas, el término módulo se usa para describir una unidad completa compuesta por las membranas, la estructura de soporte de presión, la entrada de alimentación, las corrientes de permeado y retenido de salida, y una estructura de soporte general. Los principales tipos de módulos de membrana son:
Tubular, donde las membranas se colocan dentro de un soporte de tubos porosos, y estos tubos se colocan juntos en una carcasa cilíndrica para formar el módulo de la unidad. Los dispositivos tubulares se utilizan principalmente en aplicaciones de micro y ultrafiltración debido a su capacidad para manejar corrientes de proceso con alto contenido de sólidos y propiedades de alta viscosidad, así como por su relativa facilidad de limpieza.
Membrana de fibra hueca, consta de un haz de cientos a miles de fibras huecas. Todo el conjunto se inserta en un recipiente a presión. La alimentación se puede aplicar al interior de la fibra (flujo de adentro hacia afuera) o al exterior de la fibra (flujo de afuera hacia adentro).
Enrollado en espiral, donde se coloca un espaciador de permeado flexible entre dos láminas de membranas planas. Se agrega un espaciador de alimentación flexible y las hojas planas se enrollan en una configuración circular.
La placa y el marco constan de una serie de láminas de membrana planas y placas de soporte. El agua a tratar pasa entre las membranas de dos conjuntos de membranas adyacentes. La placa soporta las membranas y proporciona un canal para que el permeado fluya fuera del módulo de la unidad.
Módulos y membranas planas cerámicas y poliméricas. Las membranas de lámina plana se integran típicamente en sistemas de filtración sumergidos impulsados por vacío que consisten en pilas de módulos, cada uno con varias láminas. El modo de filtración es de afuera hacia adentro, donde el agua pasa a través de la membrana y se recoge en los canales de permeado. La limpieza se puede realizar mediante aireación, retrolavado y CIP.
Operación del proceso de membrana Los elementos clave de cualquier proceso de membrana se relacionan con la influencia de los siguientes parámetros en el flujo de permeado general son:
La permeabilidad de la membrana (k) La fuerza impulsora operativa por unidad de área de membrana (presión transmembrana, TMP) El ensuciamiento y posterior limpieza de la superficie de la membrana.
Flujo, presión, permeabilidad El flujo total de permeado de un sistema de membranas viene dado por la siguiente ecuación:
Donde Qp es el caudal de la corriente de permeado [kg · s−1], Fw es el caudal de agua [kg · m−2 · s−1] y A es el área de la membrana [m²]
La permeabilidad (k) [m · s−2 · bar−1] de una membrana viene dada por la siguiente ecuación:
La presión transmembrana (TMP) viene dada por la siguiente expresión:
donde
PTMP es la presión transmembrana [kPa], Pf la presión de entrada de la corriente de alimentación [kPa]; Pc la presión de la corriente de concentrado [kPa]; Pp la presión si permea la corriente [kPa].
El rechazo (r) podría definirse como el número de partículas que se han eliminado del agua de alimentación.
Las ecuaciones de balance de masa correspondientes son:
Para controlar el funcionamiento de un proceso de membrana, se pueden utilizar dos modos, relativos al flujo y a la TMP (presión transmembrana). Estos modos son (1) TMP constante y (2) flujo constante.
Los modos de funcionamiento se verán afectados cuando los materiales y partículas rechazados en el retenido tienden a acumularse en la membrana. A un TMP dado, el flujo de agua a través de la membrana disminuirá y a un flujo dado, el TMP aumentará, reduciendo la permeabilidad (k). Este fenómeno se conoce como ensuciamiento y es la principal limitación para la operación del proceso de membrana.
Operaciones de TMP constante y flujo constante
Modos de operación de flujo cruzado y callejón sin salida Se pueden utilizar dos modos de funcionamiento para membranas. Estos modos son:
Filtración sin salida por donde pasa todo el pienso aplicado a la membrana, obteniendo un permeado. Como no hay corriente de concentrado, todas las partículas quedan retenidas en la membrana. A veces se utiliza agua de alimentación cruda para eliminar el material acumulado de la superficie de la membrana.Metcalf and Eddy (2004) Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, McGraw-Hill Book Company, New York. Fourth Edition. Filtración de flujo cruzado donde se bombea el agua de alimentación con un flujo cruzado tangencial a la membrana y se obtienen corrientes de concentrado y permeado. Este modelo implica que para un flujo de agua de alimentación a través de la membrana, solo una fracción se convierte en producto de permeado. Este parámetro se denomina "conversión" o "recuperación" (S). La recuperación se reducirá si el permeado se utiliza más para mantener el funcionamiento de los procesos, generalmente para la limpieza de membranas.
sinmarco|675x675px| Proceso esquemático de filtración sin salida y de flujo cruzado
La filtración conduce a un aumento de la resistencia contra el flujo. En el caso del proceso de filtración sin salida, la resistencia aumenta según el espesor de la torta formada sobre la membrana. Como consecuencia, la permeabilidad (k) y el fundente disminuyen rápidamente, proporcionalmente a la concentración de sólidos y, por lo tanto, requieren una limpieza periódica.
Para los procesos de flujo cruzado, la deposición de material continuará hasta que las fuerzas de la torta de unión a la membrana sean equilibradas por las fuerzas del fluido. En este punto, la filtración de flujo cruzado alcanzará una condición de estado estable y, por lo tanto, el flujo permanecerá constante con el tiempo. Por lo tanto, esta configuración exigirá una limpieza menos periódica.
Ensuciamiento El ensuciamiento puede definirse como la posible deposición y acumulación de componentes en la corriente de alimentación de la membrana.
El ensuciamiento puede tener lugar a través de varios mecanismos fisicoquímicos y biológicos que están relacionados con el aumento de la deposición de material sólido sobre la superficie de la membrana. Los principales mecanismos por los que se pueden producir incrustaciones son:
Acumulación de componentes del agua de alimentación en la membrana que provoca una resistencia al flujo. Esta acumulación se puede dividir en diferentes tipos:
Estrechamiento de poros, que consiste en material sólido que se ha adherido a la superficie interior de los poros. El bloqueo de los poros se produce cuando las partículas del agua de alimentación se atascan en los poros de la membrana. La formación de la capa de gel/torta tiene lugar cuando la materia sólida en la alimentación es más grande que el tamaño de los poros de la membrana.
Formación de precipitados químicos conocida como descamación