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Separación por Membrana–
Más que tan sólo OI
Por Greg Reyneke, MWS
L
a separación por membrana está finalmente alcanzando un
nivel de aceptación general como potente herramienta para
el tratamiento de agua residencial, comercial e industrial. La
mayoría de los distribuidores y usuarios conocen la tecnología
de separación por ósmosis inversa, pero hay otras tecnologías
que uno tiene que conocer. Las membranas son barreras físicas
que permiten selectivamente el paso de contaminantes hasta n
cierto tamaño, la masa molecular o incluso la polaridad y fuerza
de la carga. Dependiendo del material, tamaño de los poros y
carga eléctrica de la membrana, ciertos contaminantes del agua
son rechazados selectivamente o concentrados por la membrana,
mientras que el agua y los contaminantes no rechazados pasan
por la membrana como corriente de permeado.
Las membranas son operadas ya sea en una configuración
de punto sin salida o flujo transversal. En la configuración de
punto sin salida, los contaminantes rechazados se concentran
en la corriente influente y eventualmente se acumulan contra
los poros de la membrana. Naturalmente, los contaminantes
concentrados pueden potencialmente obstruir los poros de la
membrana por completo, por lo que este proceso está reservado
para aplicaciones en las que el costo/la inconveniencia de
reemplazar las hojas de membrana sucia, es menos importante
que perder cualquier porción del líquido crudo, o cuando el diseño
de flujo del proceso lo exige específicamente.
En la filtración de flujo transversal, la geometría de la
la longitud de las hojas de membrana, la configuración del soporte
membrana es tal que los contaminantes son lavados lejos de
de membrana y la densidad de la membrana. Estas opciones de
la superficie de la membrana cuando la corriente concentrada
configuración son críticas en las operaciones de misión crítica,
de descarga se hace pasar para desaguar o un proceso de
pero también son importantes al seleccionar las membranas de
recuperación/reutilización secundario. Aprovechando los
filtración de agua regulares en las que uno está dispuesto a poner
principios de las leyes de difusión de Fick, los diseñadores pueden
en juego su reputación.
manipular la concentración de macromoléculas en la superficie
de la membrana como función de
la velocidad del fluido que fluye
Figura 1.
paralelo a la misma. La tecnología
Tecnologías de separación por membrana—exclusión de tamaño relativo
de flujo transversal es rentable
Iones
Iones Sólidos
y práctica debido a que utiliza
AguaMonovalentesMultivalentes Macromoléculas Suspendidos
materiales poliméricos orgánicos
Ósmosis Inversa — √
√
√
√
duraderos. La gran mayoría de las
instalaciones de flujo transversal en Nanofiltración —
—
√
√
√
la actualidad utilizan membranas a
Ultrafiltración —
—
—
√
√
base de polímeros, mientras que
Microfiltración —
—
—
—
√
los materiales inorgánicos (como la
cerámica), sólo se especifican en
Distintas necesidades, distintas membranas
circunstancias únicas donde el pH, la temperatura o la química
Las tecnologías más comunes de separación por membrana
de limpieza no permiten el uso de membranas poliméricas. Al
de hoy en día pueden ser separadas en cuatro categorías de
contrario de la creencia popular, hay muchas maneras de construir
separación por tamaño relativo de exclusión del contaminante:
una membrana de flujo transversal, incluyendo el tipo de polímero,
Ósmosis Inversa (OI)
A veces llamada hiperfiltración, la OI es la mejor forma de
filtración utilizada hoy en día. Los poros de la membrana son
lo suficientemente pequeños como para permitir la reversión
de la presión osmótica a través de la difusión iónica al aplicar
suficiente energía externa (presión de bombeo). Esta inversión
de la presión osmótica, en realidad impulsa el agua pura lejos
de los contaminantes moleculares y permite procesos como la
desalinización de agua de mar, donde los iones de sodio son
físicamente eliminados del agua, enverdeciendo el desierto y
llevando agua potable limpia y segura a lugares donde antes era
poco práctico hacerlo. OI es también utilizada industrialmente en
muchas aplicaciones innovadoras, como el concentrado de jugo
de frutas, concentrado de la proteína del suero y, por supuesto,
la deshidratación de lodos de aguas residuales.
Membrana sucia
Nanofiltración (NF)
Desarrollada recientemente como una extensión de OI, NF
funciona de acuerdo con los mismos principios de la difusión
iónica utilizados por OI, pero con una configuración de poro que
permite el paso de todos los contaminantes excepto los poros
divalentes y los iones de mayor tamaño. Los iones monovalentes,
tales como sodio y potasio, pasan a través de una membrana de
NF, lo cual permite su uso como tecnología altamente eficaz de
suavizado sin sal, sin las complicaciones de OI. NF también es
altamente eficaz para abordar los compuestos orgánicos semivolátiles y para eliminar el color del agua.
Ultrafiltración (UF)
La ultrafiltración es un verdadero proceso de exclusión física
y no depende de los principios osmóticos. Las membranas de UF
se clasifican por su gama de peso molecular (MWCO, en inglés).
La gama típica de MWCO para UF es de 1,000 a 1,000,000 de
Daltons, lo cual se correlaciona aproximadamente a 0.005 a
0.1 micrómetros (micras). UF es extremadamente eficaz en la
eliminación de sólidos suspendidos, coloides, bacterias, virus,
quistes y compuestos orgánicos de alto peso molecular, como los
taninos. Las membranas de UF son utilizadas en la configuración
de punto sin salida, desagüe ocasional (desagüe hacia adelante
y/o retrodesagüe) o configuración de flujo transversal. La
configuración de la membrana puede variar de fabricante a
fabricante, pero el tipo de fibra hueca es la más utilizada. Las
membranas de esta categoría son diseñadas en tubos o pajuelas
de diámetro pequeño. Miles de estas pajuelas son agrupadas en
racimos y sus extremos son unidos/enmacetados en un mamparo
epóxico. Los racimos son sellados en una carcasa, generalmente
de PVC o acero inoxidable. El encapsulamiento sellado crea
un espacio separado, sellado que aísla el acceso al interior de
las fibras desde el exterior. Esta combinación de membrana y
carcasa se conoce como un módulo. Una serie de grupos de
membranas de UF en el mercado están certificadas por BioVir
para la reducción logarítmica de patógenos en el agua potable
Glosario
Las leyes de difusión de Fick fueron derivadas por Adolf
Fick en 1855. Pueden ser utilizadas para resolver para el
coeficiente de difusión. La primera ley de D. Fick puede
ser utilizada para derivar su segunda ley, que a su vez
es idéntica a la ecuación de difusión. La primera ley de
Fick relaciona el flujo difusivo a la concentración bajo el
supuesto de condiciones estables. Postula el concepto
de que un soluto se movilizará desde una región de alta
concentración a una región de baja concentración a
través de un gradiente de concentración. La segunda ley
de Fick predice la forma en que la difusión hace que la
concentración cambie con el transcurso del tiempo.
Dalton. La unidad de masa atómica unificada (símbolo: u)
o Dalton (símbolo: Da) es la unidad estándar que se utiliza
para indicar la masa en una escala atómica o molecular
(masa atómica). Una unidad de masa atómica unificada
equivale aproximadamente a la masa de un nucleón
(ya sea un solo protón o neutrón) y es numéricamente
equivalente a 1 g/mol. Se define como la doceava parte de
la masa de un átomo neutro de carbono-12 no unido, en su
estado fundamental nuclear y electrónico, y tiene un valor
de 1.660538921(73)×10-27 kg.
Micra (μm). Una millonésima parte de un metro. Una
pulgada equivale a 25,400 micras.
Placa y marco, también conocido como placa de filtro
de membrana. Este tipo de prensa de filtro consiste
de placas y marcos alternos soportados por un par de
carriles. Se utiliza una bomba para distribuir el líquido a
filtrar (suspensión lodosa) en cada una de las cámaras de
separación. Para cada una de las cámaras de separación
individuales, hay un marco de filtro hueco separado de dos
placas de filtro por telas de filtro. La suspensión lodosa
fluye a través de un puerto en cada marco individual y las
tortas de filtro se acumulan en el marco hueco. A medida
que la torta de filtro se espesa, la resistencia del filtro
también aumenta. El proceso de filtración se detiene una
vez que se alcanza la diferencia de presión óptima. El
filtrado que pasa a través de la tela de filtro se recoge a
través de tuberías de captación y es almacenado en el
tanque del filtro. La acumulación de la torta de filtro (sólidos
suspendidos) se produce en el marco de la placa hueca,
que luego es separado en las placas de filtro, separando
la placa y la prensa del filtro del marco. Luego las tortas
se caen de dichas placas y se descargan al punto de
recolección final.
(tales como bacterias y virus), permitiéndoles a los distribuidores
suministrar agua potable de forma más rentable y eficiente que
nunca antes.
Microfiltración (MF)
La tecnología de microfiltración es utilizada con gran éxito
en configuraciones de filtración transversal de tejido espiral,
ocasionalmente en la filtración de fibra hueca de desagüe
(desagüe y/o retrodesagüe), y configuraciones de placa y
marco de punto sin salida, dependiendo de la naturaleza de la
aplicación. Esta tecnología de membrana tiene típicamente un
tamaño de exclusión de 0.2 a 1 micra y se adapta muy bien para la
eliminación de partículas, turbidez, sólidos suspendidos y ciertos
patógenos, tales como Cryptosporidium y Giardia. MF tiene una
trayectoria industrial establecida para la aclaración estéril del vino
y la cerveza, la concentración del suero de leche y la esterilización
del jugo de fruta. En el campo del tratamiento de aguas residuales,
la microfiltración tiene un valor incalculable para la deshidratación
de lodos floculantes y para reducir económicamente la demanda
biológica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno
(DQO) en las corrientes de descarga. La microfiltración es
extremadamente eficaz en la protección de otros separadores
de membrana aguas abajo y se debe utilizarse con frecuencia.
Es muy importante seleccionar el pretratamiento apropiado
para cualquier proceso de separación de membrana que esté
siendo utilizado. Las membranas poliméricas son sensibles
al daño oxidativo, por lo que hay que tener cuidado especial
para asegurar que el cloro y otros desinfectantes oxidativos no
estén presentes en el agua que se está procesando. Además
hay que considerar cuidadosamente las macro partículas y los
contaminantes orgánicos/inorgánicos presentes en la corriente
de agua que podrían afectar el funcionamiento apropiado de la
membrana. Como buena regla general, cuanto menor sea el
tamaño de los poros, mayor será la cantidad o el pre-tratamiento
requerido para asegurar tiempos de operación prolongados y
funcionamiento económico.
Sin importar el tamaño de los poros de la membrana,
el ensuciamiento operacional es casi inevitable, incluso con
un tratamiento previo adecuado. Los tipos y cantidades de
ensuciamiento dependen de varios factores, tales como la calidad
del agua de alimentación, el tipo de membrana, los materiales
de membrana y el diseño y control del proceso. La precipitación
de escamas y la contaminación biológica son los tipos más
comunes de ensuciamiento de la membrana. Las incrustaciones
provocan una disminución de flujo, lo cual a su vez requiere una
mayor presión contra la membrana para producir un caudal de
permeado satisfactorio. A medida que empeora el ensuciamiento,
el aumento en el requisito de presión (energía) hará que el costo
de operación aumente de manera significativa y, posiblemente,
llegue a cegar por completo la membrana.
Si aún no se han dado cuenta, es muy importante obtener
la educación necesaria para asegurar la selección, diseño e
instalación adecuada del sistema, o trabajar con proveedores
en los que usted pueda confiar para ayudarle a considerar las
opciones, antes de meterse en problemas al tomar una decisión
desinformada. Algunas personas bien intencionadas, pero mal
informadas, denigran los sistemas de separación por membrana
como un desperdicio, ya que el agua es utilizada para limpiar la
membrana durante el funcionamiento. No estoy de acuerdo con la
descripción negativa del agua de concentrado de desagüe como
agua desperdiciada, ya que realmente no lo es. Decir que un
separador por membrana desperdicia agua es semejante a decir
que cuando un manzano bota su fruto y éste no es recogido, se
está desperdiciando. El fruto devuelve los nutrientes a la tierra y
alimenta al árbol, el cual luego produce más fruto.
El agua de descarga de un sistema de separación por
membrana de agua potable, tampoco se pierde para siempre;
regresará a través del sistema de drenaje de un edificio a una
planta municipal o regresará al suelo a través de una aplicación
fuera de la red. Naturalmente, no podemos ignorar el costo
de oportunidad del agua, ya que ésta tiene que ser limpiada,
almacenada, tratada, presurizada y distribuida antes de entrar
en el separador de membrana. Debido a que la descarga de
un separador de membrana de agua potable es también agua
potable sanitaria (esto obviamente no es considerado agua
residual, ya que nunca entra en contacto con el suelo, la suciedad
ni los contaminantes biológicos, sino que simplemente es agua
limpia concentrada), el costo de oportunidad de la descarga
puede ser recuperado a través de técnicas de reutilización
innovadoras, como la recuperación de aguas grises, la mezcla
con el agua de lluvia recolectada, la reutilización en procesos
secundarios o puede ser utilizada para el riego de jardines.
Tenga la seguridad de que la separación por membrana es una
tecnología ecológicamente favorable y es una herramienta valiosa
para reducir nuestro impacto ambiental.
Conclusión
El futuro es brillante para la separación por membrana; los
costos están disminuyendo, las tasas de flujo están mejorando
y hay muchos fabricantes que esperan hacerlo su cliente. Hable
con su fabricante de equipo original o entrenador de negocios
acerca de la manera de incorporar más tecnologías de separación
por membrana en su negocio, este año.
Acerca del autor
El Sr. Greg Reyneke, Director General de Red
Fox Advisors, tiene dos décadas de experiencia
en la gestión y desarrollo de negocios de
tratamiento de agua. Su experiencia abarca
toda la gama de aplicaciones residenciales,
comerciales e industriales, incluyendo el
tratamiento de aguas residuales. Además, el
Sr. Reyneke ofrece servicios de consulta sobre
los métodos de conservación y reutilización del agua, incluyendo
el aprovechamiento del agua de lluvia, ecosistemas acuáticos,
reutilización de aguas grises y diseño de uso eficiente del agua.
Es miembro del Comité de Revisión Técnica de WC&P y en la
actualidad es miembro del Consejo Administrativo de PWQA,
presidiendo el Comité de Técnica y Educativo. Usted puede
seguirlo en su blog en www.gregknowswater.com