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TECNOLOGÍA DE TECNOLOGÍA DE MEMBRANASMEMBRANAS

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas

1. Introducción1. Introducción-La membrana como elemento separador:

La tecnología de membranas se ha convertido en una parte importante de la tecnología de la separación en los últimos decenios.

La fuerza principal de la tecnología de membrana es el hecho de que trabaja sin la adición de productos químicos, con un uso relativamente bajo de la energía y conducciones de proceso fáciles y bien dispuestas.

El principio de funcionamiento es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias.

¡La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana mientras que otras quedan atrapadas en ella!.


1. Introducción1. Introducción

En función de los parámetros del agua a tratar y de los tipos de membranas existe una amplia gama de aplicaciones.

Microfiltración

- Clarificación de soluciones coloidales y turbias. - Eliminación de partículas, bacterias, etc. de aguas de proceso para industria química, alimentaria y farmacéutica.

Ultrafiltración

- Eliminación de virus, bacterias, pirógenos, etc. de aguas de proceso para las industrias.

Osmosis inversa

- Esterilización y desionización de las aguas para la industria química y farmacéutica. - Desionización del agua de alimentación de calderas, industria galvánica, electrónica, etc. - Producción de agua ultrapura para la industria electrónica. - Desalación de salmueras y agua de mar.


1. Introducción1. Introducción-Factores que determinan el transporte a través de la membrana: La finalidad de la membrana es:

- O bien evitar o al menos reducir la transferencia de masa de determinado componente.

- O más frecuentemente actuar como barrera selectiva, o sea permitir el paso de diferentes especies a diferente velocidad.

Por tanto ¿Qué factores determinan el transporte a través de la membrana?

- La estructura de la membrana.- El tamaño de las partículas de soluto.- Adsorción en la interfase membrana-disolución.- Polarización por concentración.- Fuerzas generalizadas para el transporte.

-Membrana homogénea transferencia por difusión-Membrana porosa transferencia a través de los

espacios vacíos

Se presenta como una acumulación de la especie más lenta sobre la superficie de la membrana.

-Diferencia de presión entre las dos fases que separa la membrana.-Diferencia de concentración entre las dos fases que separa la membrana.-Una diferencia de potencial eléctrico irá acompañada de separación, cuando las diferentes especies cargadas presentan diferentes movilidades en el interior de la membrana.


Tipos de membranas más utilizadas

ORGANICAS MINERALES


Según la composición de la membrana (orgánica o mineral), se trata de membranas asimétricas o composit.

Membrana asimétrica Membrana composit

Diferencias de estructura


2. Operaciones de separación con membranaOperaciones con membranas basadas en un potencial de presión

Osmosis inversa o hiperfiltración (OI)La ósmosis inversa está basada en la búsqueda fundamental del equilibrio. Si dos fluidos que contienen diferente concentración de sólidos disueltos son puestos en contacto, estos se mezclarán hasta que la concentración se uniformice. La aplicación más típica de este proceso es la desalación de agua salada.

La diferencia en altura se denomina presión osmótica.

Aplicando una presión superior a la presión osmótica, el agua fluirá en sentido inverso; el agua fluye desde la columna con elevado contenido en sólidos disueltos hacia la columna con bajo contenido en sólidos disueltos

El agua fluye desde una columna con bajo contenido en sólidos disueltos a una columna con alto contenido en sólidos disueltos.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas2. Operaciones de separación con membrana

Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión

Las aplicaciones de la ósmosis inversa son:

- Ablandamiento del agua - Producción de agua potable - Producción de agua procesada - Producción de agua ultrapura (industrias electrónicas) - Concentración de solventes moleculares para industrias alimentarias y lácteas



Nanofiltración (NF)La NF tiene como principales características su capacidad para fraccionar compuestos orgánicos, además de poder realizar el efecto de exclusión de Donnan con respecto a aniones de diferente carga.La tecnica es principamente aplicada para la eliminación de sustancias orgánicas con diferente peso molecular, tales como micro contaminantes e iones multivalentes.Otras aplicaciones de la nanofiltración son:

- La eliminación de pesticidas de las aguas subterráneas - La eliminación de metales pesados de las aguas residuales - Reciclaje de aguas residuales en lavanderías - Ablandamiento del agua - Eliminación de nitratos



Ultrafiltración (UF)

Es una técnica basada en el principio de exclusión por tamaño de las especies a separar. Su umbral de corte está comprendido entre 0,001 y 0,02 m

Existen varios tipos de membranas de Ultrafiltración para aplicaciones diferentes



Microfiltración (MF)

Esta técnica se utiliza para el tratamiento de suspensiones -no de disoluciones- de partículas finas o coloidales con tamaños lineales comprendidos entre 0,02 y 10 m.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas2. Operaciones de separación con membrana

Operaciones con membranas basadas en un potencial de concentración

DiálisisEs una técnica empleada para purificar disoluciones en las cuales impurezas de pequeño tamaño contaminan a un soluto macromolecular. Una membrana semipermeable separa la disolución a purificar de un disolvente -agua o disolución salina- que actúa como agente captador de impurezas

Operaciones con membranas basadas en un potencial eléctrico

Electrodiálisis (ED)La electrodiálisis es un proceso electroquímico de separación que utiliza membranas eléctricamente cargadas y un potencial eléctrico para separar especies iónicas presentes en una disolución que puede contener también especies no cargadas.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas3. La tecnología de membranas en el tratamiento de agua y de

aguas residuales

En la actualidad las técnicas con membranas que poseen interés para el tratamiento de agua y de aguas residuales son aquellas basadas en un potencial de presión (OI, NF, UF, MF) o eléctrico (ED).

Ventas de membranas y de módulos para tratamiento de agua y de aguas residuales.

La Tabla resume la importancia económica de las mismas.

Aplicación Proceso

(106 $ EEUU)

MF UF OI ED Total

Desalación de agua de mar - - 30 - 3

Desalación de salmueras - - 40 4 8

Agua para calderas 5 - 30 2 5

Agua estéril y ultrapura 35 50 30 - 4

Aguas residuales industriales 10 25 20 2 7

Total 36 75 150 8 6


aguas residuales

El desarrollo de técnicas con membranas ha sido muy bien adaptado a las industrias de tratamiento de agua:

a. Aguas de procesoEstas técnicas poseen aplicaciones de interés para las industrias agroalimentarias, farmacéutica, cosmética y electrónica ya que el agua obtenida está libre de materia en suspensión.

b. Agua potableSu producción tiene dos características propias: la primera es que las fuentes de alimentación pueden tener una composición variable y, en segundo lugar. el producto tiene que cumplir normas sanitarias rigurosas, ser obtenida en cantidades muy elevadas y a un coste muy reducido comparado con el agua utilizada para proceso.

c. Aguas residuales municipales e industrialesEl tratamiento de aguas residuales municipales puede completarse con técnicas de MF y UF, pudiendo incluirse también biorreactores con membranas.

Esto adquiere particular interés cuando las aguas se vierten en zonas de recreo o piscifactorías o para su reutilización en agricultura.


aguas residuales

Las tecnologías de membrana en el sector de las aguas residuales

En el caso que nos ocupa, la micro y ultrafiltración es sin duda una de las mejores tecnologías disponibles para concentrar la materia orgánica en aguas residuales o residuos.

La diferencia básica entre ambas es simplemente el tamaño del poro, siendo en el caso de la micro filtración de hasta unas décimas de micra y para membranas de ultrafiltración el tamaño es aun mucho menor.


3.1. El modo de funcionamiento:Filtración tangencial:

La filtración clásica o frontal no puede satisfacer las exigencias siguientes:

- Filtrar partículas de tamaño muy pequeño.

- Aprovechar o reutilizar el residuo de la filtración.

- Efectuar una filtración continua.

- Asegurar una calidad constante de la filtración.

- Efectuar una selección por tipo de moléculas.

La filtración tangencial se caracteriza por una circulación rápida del líquido a filtrar tangecialmente a una membrana (el filtro). Así al tiempo que se efectúa la filtración, se auto limpia la membrana, lo que permite trabajar en contínuo.


3.1. El modo de funcionamiento:Permeado-Retrolavado. Presión transmembrana:

En toda la instalación se busca el máximo rendimiento global de producción de permeado. Los parámetros de funcionamiento que pueden proporcionar un caudal máximo de permeado también pueden afectar negativamente a la continuidad del proceso.

Hay que llegar a un acuerdo para elegirla presión de trabajo para no provocar unensuciamiento prematuro de la membrana.

Sistemas de alimentación:

Generalmente se basan en bombas centrífugas que además de proporcionar el flujo de entrada a la planta se ocupan de mantener la presión de proceso en el circuito de recirculación.


3.1. El modo de funcionamiento:

Sistemas de purga:

Necesario para mantener la estabilidad del sistema de filtración.

El modo en que se efectúa la purga esta en relación al volumen de concentrado que se mantiene en el circuito de recirculación.

Temperaturas de trabajo:

La temperatura que adquiere el concentrado durante la operación de filtración está en función del rendimiento de la operación. Las membranas cerámicas requieren mayores velocidades de flujo y ello comporta una elevación de la temperatura en el circuito de recirculación.


3.2. Aplicaciones prácticas:

Detergencia Industrial:

Para conseguir la reutilización de las aguas dentro del proceso de fabricación eliminando los sólidos y macromoléculas indeseables y recuperando reactivos en disolución compatible con su destinación final.

Lavado de bidones:

En empresas que centran su actividad en el lavado y recuperación de bidones plásticos. Estas empresas no pueden disponer de permiso de vertido de aguas residuales de proceso, por lo que estas son recicladas mediante una instalación de micro filtración.

Industria alimentaria:

En empresas que se dedican al tratamiento de embutidos y carnes, con lo que las aguas residuales tienen un elevado contenido en materia orgánica, materias en suspensión, aceites y grasas.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas3.3. Aplicaciones de la OI en el tratamiento de aguas residuales:

La OI posee aplicaciones importantes tanto en el tratamiento de agua como de aguas residuales.

Industria textil:Mediante OI se puede, en este tipo de industria:- Purificar y reutilizar parte de las aguas residuales producidas y aprovechar su energía calorífica.- Recuperar componentes de interés, fundamentalmente colorantes.

Industria papelera:

Produce volúmenes muy elevados de aguas residuales con temperaturas superiores a 60ºC y valores de pH superiores a 9 y elevado contenido de sólidos. El objetivo inicial de la utilización de la ósmosis inversa fue reducir el volumen de agua residual enviado a los evaporadores para concentración y reutilización posterior de productos.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas3.3. Aplicaciones de la OI en el tratamiento de aguas residuales:

Industria de electro deposición:Las aguas residuales de este tipo de industrias contienen metales

pesados que han de ser eliminados o recuperados por razones medioambientales y/o económicas. La 0I es hoy una técnica aceptada para el tratamiento de las aguas de aclarado de este tipo de industrias.Aguas municipales:

La OI se utiliza para separar sólidos disueltos presentes en estas aguas y que no son eliminados por los métodos tradicionales de tratamiento. Utilizando OI se pueden reducir los sólidos disueltos en un 93%, la turbidez, color y sólidos en suspensión en un 100%, nitratos en un 75% y DQO en más del 65%. Otras aplicaciones:

-Tratamiento de residuos peligrosos.

-Industria petroquímica.

Aguas contaminadas con herbicidas, existiendo también estudios sobre efluentes contaminados con benceno, amidas, aminas, fenol, cloruro de metileno, etc..

La OI constituye una alternativa a los tradicionales métodos de tratamiento en estas industrias, como son los lodos activos y la flotación.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas4. Nanofiltración de aguas residuales:

La nanofiltración es un proceso de filtración por membranas operadas bajo presión de trabajo entre 3.5 Kg./cm2 y 25 Kg./cm2.

Las membranas empleadas en estos tratamientos son capas de hojas muy delgadas microporosas sujetas a una estructura de soporte más gruesa y porosa, generalmente fabricada en polipropileno o poliéster. Funcionan como filtros asimétricos, variando la resistencia al flujo y la caída de presión según el lado de la membrana que de al flujo de proceso

Estas técnicas de filtrado están más asentadas en el campo del suministro de aguas potables, tanto en la desalación como paso final de potabilizadoras.

En la actualidad, el uso del agua depurada con diferentes fines supone en España un 0,75 %, 270 Hm./m3, de la demanda nacional. El Plan Hidrológico Nacional incluye proyectos de reutilización de aguas residuales que actualmente son vertidas al mar, gracias a los cuales, se prevé conseguir un porcentaje de uso en torno al 3 % de la demanda nacional en el año 2.012, lo que supone cuadriplicar el uso actual.

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas5. La tecnología de la desalación:

¿ Qué es la desalación?

La desalación consiste en separar la sal del agua. Por ejemplo el agua del mar que antes no se podía explotar se puede hacer potable mediante técnicas de desalación y utilizarse para el abastecimiento humano, agrícola o industrial.

¿ Por que es necesario desalar el agua?Es necesario desalar el agua porque el hombre no puede consumir

agua que tenga mas de 0.5 gramos por litro de sales disueltas. Por otro lado, tampoco es recomendable que tenga menos de esta cantidad (agua destilada o totalmente desmineralizada).


TIPOS DE AGUA

SALINIDAD (PPM DE TDS)

Ultrapura 0.03

Pura (calderas) 0.3

Desionizada 3

Dulce (potable) < 1.000

Salobre 1.000-10.000

Salina 10.000-30.000

Marina 30.000-50.000

Rangos de salinidad de los diferentes tipos de agua. Fuente: Fariñas (1999); Medina (2000)


¿Como se consigue separar la sal del agua?

La desalación se consigue por medio de procesos de tecnología termal y tecnología de membrana. Los procesos termales abarcan la destilación multi-stage flash (MSF), destilación multiefecto (MED) y compresión de vapor (VC). Los procesos de membrana incluyen la electro diálisis (ED) y osmosis inversa (OI).

Ambos métodos obtienen como resultado dos caudales; Un caudal de agua limpia con baja concentración de sales y un caudal con alta concentración de sales. Ambos métodos requieren energía para su operación.

El consumo de energía en los procesos de membrana dependen de la salinidad de agua de alimentación en contra de los procesos no termales donde no se da esta dependencia.

El consumo de energía en los procesos de OI y ED para aguas salobres y aguas con bajo contenido en sales es mucho menor que en los procesos de destilación.


Normalmente una planta desaladora incluye los siguientes elementos:

Toma de agua del sistema

Sistema de pretratamiento

Bomba de alimentación de alta presión

Elementos de membrana de osmosis inversa

Post-tratamiento o acondicionamientodel agua

Tecnología de Tecnología de MembranasMembranas6. Conclusión

La cada vez más aprenúante legislación y la ya conocida escasez de agua en toda la cuenca mediterránea, así como el nivel inquietante de la contaminación de los ríos y acuíferos, nos obligan a incluir en el ciclo de vida del agua, procesos tecnológicos cada vez más potentes y avanzados.

La utilización de técnicas con membranas, clásicas o emergentes, supone una herramienta útil para llevar a cabo el tratamiento de efluentes industriales o municipales.

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