Filtració mitjançant membranes per al tractament d’aigües residuals

Avantatges i inconvenients

Entre els processos que més han evolucionat en les últimes dècades hi ha els de filtració a través de membrana. De forma general, aquests consisteixen a forçar el pas del líquid a filtrar a través d’una membrana col·locada sobre un suport sòlid.

Funcionen perquè determinades classes de membranes permeten el pas a través d’elles de partícules amb unes característiques particulars, mentre que impedeixen el pas d’aquelles que no posseeixen aquestes mateixes característiques.

El fet de necessitar cada cop majors fluxos de permeat, produïts a menors pressions d’operació, ha portat a un constant avanç en el disseny i fabricació de les membranes.

Les operacions de separació mitjançant membrana són àmpliament utilitzades i el seu ús és superior als mètodes convencionals per la capacitat de produir separacions de forma molt eficient a temperatura ambient i per la relació cost/eficiència. A continuació, es descriuen els principals avantatges i inconvenients d’aquestes en relació amb altres tecnologies:

Avantatges

• Ofereixen una elevada eficiència de separació on el factor clau és el cut offde la membrana.
• Són processos que es poden dur a terme a temperatura ambient i de forma contínua.
• El consum d’energia no és elevat i no es requereix l’ús de reactius químics (excepte antiincrustants per netejar les membranes).
• La facilitat de combinació d’aquesta tècnica amb altres processos.
• Plantes molt compactes que requereixen poc espai físic.

Inconvenients

• No és una tècnica que elimini el contaminant, sinó que el concentra.
• Es genera un corrent de rebuig/residu que ha de ser tractat correctament.
• També s’ha de tenir en compte el cost de les membranes i la seva durabilitat. És important pretractar l’efluent per allargar la vida útil de les membranes.
• En funció de l’aplicació concreta, es poden presentar problemes de degradació, embrutiment o polarització de la membrana. Problemes que, si bé es poden solucionar, dificulten i incrementen els costos d’operació.

Classificació de Membranes

Actualment existeixen molt diverses classes i tipus de membranes, que permeten el pas d’uns soluts o altres en funció de la seva naturalesa, càrrega iònica o mida.

En aquest article ens centrarem en la classificació dels processos de membrana segons el factor de separació.

Font: Caracterització estructural i superficial de membranes microporoses, Laura Palacio Martínez, 1999 – Universitat de Valladolid

Per mida de les partícules

En funció de la mida de les partícules que es desitgin separar del líquid, variarà el tipus de membrana a utilitzar, sent possible triar entre les de filtració, microfiltració, ultrafiltració, nanofiltració i òsmosi inversa.

En tots aquests processos la força impulsora és la pressió. A continuació, es detallen les diferències entre elles:

Filtració

La filtració convencional utilitza com a mitjà filtrant un mitjà porós format per material granular (grava, sorra, antracita, etc.).

El líquid a filtrar es fa passar a través del llit porós, per gravetat o mitjançant pressió, quedant els sòlids atrapats en els espais intersticials que queden entre les partícules que conformen el llit filtrant.

L’alternativa a la filtració mitjançant llits porosos és la utilització de filtres formats per aglomerats de fibres sintètiques de policarbonat o de cel·lulosa. En funció del material utilitzat i la seva disposició, el diàmetre mitjà del porus del filtre varia, sent aquest el paràmetre que determina la mida mínima de les partícules que quedaran retingudes (cut off  o valor de tall del filtre).

Aquests filtres es pleguen a l’interior d’un cartutx i són capaços de retenir partícules amb una mida superior a 10 mm (partícules de sorra, de pols fi, etc.). Permeten treballar a unes densitats de flux de 4 a 8 m³/(m²·h), que, encara que les densitats de flux dels filtres granulares siguin similars, aquests últims requereixen molt més espai físic per oferir la mateixa superfície de filtració.

No obstant això, els filtres granulares poden ser sotmesos a rentats a contracorrent, els quals són molt efectius. Així, per filtrar un efluente amb un alt contingut de sòlids, l’opció més convenient són els filtres granulares. I quan el contingut en sòlids és baix o moderat, els cartutxos de filtració són més competitius i requereixen menys espai.

Microfiltració

Les membranes de microfiltració separen partícules que tenen una mida d’entre 0,1 mm i 10 mm (bateries, pols de carbó molt fi, amiant, etc.). Aquestes membranes poden ser de niló, polietilè, polipropilè, etc.

Ultrafiltració

Les membranes d’ultrafiltració retenen el pas de partícules amb una mida d’entre 1 nm i 100 nm (0,1 mm), que és la mida dels virus, els col·loides, les macroproteïnes, les endotoxines, etc.

El mode d’operació és equivalent al de la microfiltració, el conjunt de membranes es col·loca sobre un suport i una bomba incrementa la pressió del líquid perquè aquest passi a través de la membrana.

Nanofiltració

Mentre que amb la microfiltració i l’ultrafiltració es separen partícules en suspensió del líquid, mitjançant la nanofiltració es poden separar molècules dissoltes en el líquid (sucs, proteïnes, molècules de colorant, etc.).

Les membranes de nanofiltració tenen un valor de tall d’entre 0,1 nm i 1 nm, mida típica de la majoria de molècules que no tenen un pes molecular elevat.

Fins i tot queden retinguts ions com el Ca²⁺ i el Mg²⁺, fet que fa possible utilitzar aquestes membranes per eliminar la duresa de l’aigua, sense haver de dosificar reactius químics.

Òsmosi inversa

L’òsmosi inversa és un fenomen basat en l’equilibri que s’estableix a ambdós costats d’una membrana semipermeable que separa dos volums de líquid amb diferent concentració salina. El dissolvent difon a través de la membrana i l’atravessa, mentre que els ions dissolts no poden fer-ho.

De forma natural, el dissolvent passaria de la solució més diluïda en sals a la més concentrada, per igualar la pressió osmòtica (òsmosi). No obstant això, si s’aplica pressió al costat de la solució més concentrada, el flux a través de la membrana s’inverteix i es produeix un flux net de dissolvent que travessa la membrana des de la solució més concentrada a la menys concentrada. La pressió que s’ha d’aplicar depèn de la concentració de sals en la solució concentrada.

En la microfiltració, ultrafiltració i nanofiltració tot el fluid passa la membrana mentre que els sòlids queden retinguts a la superfície de la membrana.

En el cas de l’òsmosi inversa, com que a mesura que la solució va incrementant la seva concentració en sals, la pressió aplicada també ha de ser major, el flux és tangencial en relació amb la membrana. D’aquesta manera, part del dissolvent travessa la membrana i l’altra part arrossega cap a l’exterior totes les sals.

Així, existeix un cabal d’alimentació i dos efluents, el de permeat i el de rebuig, on es concentren totes les sals dissoltes, molècules i partícules que contenia l’aliment.

En funció del tipus de membrana utilitzat, la pressió d’operació i les característiques de l’efluent a tractar, varia la proporció entre el cabal de permeat i el cabal d’alimentació, variant entre un 50 i un 75%.

Per allargar la vida de les membranes d’òsmosi inversa i de nanofiltració és convenient pretractar l’efluent, normalment mitjançant una ultrafiltració.

Numerosos sectors industrials utilitzen l’òsmosi inversa per produir aigua d’elevada puresa, com és el cas de la indústria farmacèutica, la indústria alimentària, les centrals nuclears, la indústria electrònica, la indústria biotecnològica, etc.

En aplicacions ambientals també s’utilitza l’òsmosi inversa per reduir i/o concentrar al màxim efluents residuals, procés seguit generalment d’una etapa d’evaporació-concentració al buit per acabar de concentrar plenament el residu. També s’empra l’òsmosi inversa per acabar d’afinar l’aigua condensada en processos d’evaporació en què es concentren residus.

Com a resultat estàndard, l’òsmosi inversa retorna un 80% d’aigua depurada i un rebuig del 20%.

Per càrrega de les partícules

Electrodiàlisi

Consisteix en l’eliminació d’ions carregats elèctricament i que es troben dissolts a l’aigua. Per dur a terme aquesta eliminació s’introdueix a l’aigua aliment un parell d’elèctrodes de diferent càrrega elèctrica de manera que els ions dissolts seran atrets pels elèctrodes de signe diferent al seu propi.

Per aquest procediment s’aconsegueix desplaçar els ions d’un lloc a un altre de la dissolució.

És fonamental l’ús de membranes selectives anióniques i catióniques alternativament perquè l’aigua aliment vagi perdent ions negatius i positius després del seu pas per la zona de separació.

El que és interessant és col·locar les membranes alternativament de tal manera que en uns canals es concentrin els soluts, en una aigua que es denomina concentrat, i en altres canals circuli l’aigua aliment que va perdent poc a poc els seus contaminants fins a sortir del procés amb una concentració de sals molt baixa.

Electrodiàlisi Reversible

En aquest cas s’alteren periòdicament les polaritats dels elèctrodes de manera que els fluxos d’aigua canvien temporalment de sentit, passant a rebre aigua depurada aquells conductes que transportaven el concentrat i a l’inrevés.

Aquest mètode elimina el risc de formació de precipitats, incrustacions i obstrucció de les membranes, ja que el canvi periòdic del sentit del flux de l’aigua col·labora en la neteja de conduccions i membranes, a més d’evitar l’aparició de llims i altres dipòsits a la planta.

Configuració de Membranes

Existeixen equips comercials amb diferent disposició de les membranes, per adaptar-se a condicionants diferents.

Així, podem trobar les següents configuracions:

Cartutx de membranes

Les membranes estan plegades al voltant del col·lector de permeat. Són sistemes compactes, ideals per tractar solucions amb una baixa concentració de sòlids en suspensió i s’utilitzen habitualment amb membranes de filtració i de microfiltració.

Membranes en espiral

Un conjunt de làmines de membrana, separades entre si per un suport porós, s’enrotlla al voltant d’un tub que actua com a col·lector de permeat. És un disseny molt compacte, presenta una bona relació cost-eficiència i és apropiat per a aplicacions de gran volum.

Generalment s’utilitza amb membranes de nanofiltració i d’òsmosi inversa.

Membrana tubular

Les membranes, de forma tubular, estan col·locades a l’interior d’una carcassa rígida. L’alimentació entra per l’interior de les membranes i el flux és en direcció a l’exterior. A causa del diàmetre del tub de la membrana, de 5 a 10 mm, no és probable que existeixin problemes de colmatació. És apropiada per a efluents amb una concentració elevada de sòlids en suspensió. S’utilitza habitualment per a aplicacions d’ultrafiltració.

Filtro de placa i marc

S’assembla físicament a un filtre premsa. Les membranes es col·loquen sobre els marcs separades per plaques i l’alimentació discorre per l’espai entre les plaques i les membranes. A un costat de la membrana es concentren els sòlids i a l’altre s’evacua el permeat.

Aquesta disposició només s’utilitza quan l’aliment té una elevada viscositat, generalment en aplicacions de les indústries farmacèutica i alimentària.

Fibra buida

Consta d’un elevat nombre de membranes amb un diàmetre inferior a 0,1 mm que constitueixen un feix a l’interior d’una carcassa.

S’utilitza pràcticament només per a aplicacions de nanofiltració i òsmosi inversa per tractar efluents amb una baixa concentració de sòlids.