Seccions
Què és una membrana de filtració?
Les membranes són barreres físiques semipermeables que separen dues fases, impedint el seu íntim contacte i restringint el moviment de les molècules a través d’ella de forma selectiva.
Aquest fet permet la separació de les substàncies contaminants de l’aigua, generant un efluente aquós depurat.
L’expansió ràpida, a partir de 1960, de la utilització de membranes en processos de separació a escala industrial ha estat propiciada per dos fets: la fabricació de membranes amb capacitat per proporcionar elevats fluxos de permeat i la fabricació de dispositius compactes, barats i fàcilment intercanviables on disposar grans superfícies de membrana.
Les principals característiques dels processos de separació amb membranes són les següents:
- Permeten la separació de contaminants que es troben dissolts o dispersos en forma col·loïdal.
- Eliminen contaminants que es troben a baixa concentració.
- Les operacions es duen a terme a temperatura ambient.
- Processos senzills i dissenys compactes que ocupen poc espai.
- Poden combinar-se amb altres tractaments.
- No eliminen realment el contaminant, únicament el concentren en una altra fase.
- Poden donar-se el cas d’incompatibilitats entre el contaminant i la membrana.
- Problemes d’embrutiment de la membrana: necessitat d’altres substàncies per dur a terme la neteja, ajustos de pH, cicles de parada per neteja de l’equip.
- Deficient escalat: doble flux-doble d’equips (equips modulars).
- Soroll generat pels equips necessaris per aconseguir altes pressions.
Tipus de membrana
Les membranes es poden fabricar amb materials polimèrics, ceràmics o metàl·lics.
Atent a la seva estructura física es poden classificar en:
Membranes microporoses
Estructures poroses amb una estreta distribució de mida de porus. Les membranes que s’emmarquen en aquest grup tenen una distribució de diàmetres de porus de 0.001mm – 10mm.
Els processos de depuració d’aigües que utilitzen aquestes membranes, microfiltració i ultrafiltració, es basen a impedir per exclusió el pas a través de la membrana d’aquells contaminants de major mida que el major diàmetre de porus de la membrana, sent parcialment rebutjades aquelles substàncies el tamany de les quals està comprès entre el major i el menor dels diàmetres del porus. En aquest tipus de membranes la força impulsora responsable del flux de permeat a través de la membrana és una diferència de pressió.
Els filtres profunds actuen retenint a l’interior, bé per adsorció a les parets dels porus o per la seva captura als estrets dels canals dels porus, les substàncies contaminants que es volen excloure de l’aigua. Són membranes isotropes i habitualment s’utilitzen en microfiltració.
Els filtres tipus tamís són membranes amb una estreta distribució de mides de porus. Capturen i acumulen a la seva superfície les substàncies contaminants de major mida que els porus.
Les substàncies de menor mida que passen la membrana no són retingudes a l’interior, sinó que surten formant part del permeat. Solen ser membranes anisotropes i s’utilitzen en ultrafiltració.
Membranes denses
Estructures sense porus on el pas de les substàncies a través de la membrana segueix un model de solució-difusió, en el qual els components de la solució es dissolen a la membrana i posteriorment es difonen a través d’ella.
La diferent solubilitat i difusivitat dels components de la solució a la membrana permeten la separació de substàncies de la mida de molècules i ions. A causa de les fortes pressions a les quals tenen lloc aquests processos les membranes són de tipus anisòtrope.
La òsmosi inversa i la nanofiltració són processos que utilitzen aquest tipus de membranes.
Membranes carregades elèctricament
Poden ser poroses o denses, amb restes aniónics o catiónics fixos a l’estructura de la membrana. La separació és conseqüència de la càrrega de la membrana, sent exclosos aquells components la càrrega dels quals sigui la mateixa que la de la membrana.
La separació també depèn de la càrrega i concentració dels ions de la solució: els ions monovalents són exclosos menys eficaçment que els divalents, així mateix, el procés de separació és menys efectiu en solucions d’elevada força iònica.
Aquestes membranes s’utilitzen en els processos d’electrodiàlisi.
Membranes anisotropes
Les membranes anisotropes són estructures laminares o tubulars on la mida de porus, la porositat o la composició de la membrana canvia al llarg del seu gruix.
Estan constituïdes per una fina pel·lícula (densa o amb porus molt fins) suportada en una altra més gruixuda i porosa, de tal manera que la primera és la responsable del procés de separació i la segona aporta al sistema la suficient resistència mecànica per suportar les condicions de treball.
La pel·lícula responsable del procés de separació i la que aporta la resistència mecànica poden estar fabricades amb el mateix material (membranes de Loeb-Sourirajan) o amb materials diferents (membranes de tipus composite).
Degut a que la velocitat de pas de les substàncies a través de la membrana és inversament proporcional al seu gruix, les membranes hauran de ser tan primes com sigui possible.
Mitjançant la fabricació de membranes anisotropes (asimètriques) és possible aconseguir gruixos de membranes inferiors a 20 mm, que són els gruixos de les membranes convencionals (isotropes o simètriques).
La millora en els processos de separació, degut a aquest tipus de membranes, ha fet que siguin les d’elecció en els processos a escala industrial.
Configuracions de membrana
Les membranes es poden fabricar en forma de làmines planes, tubulars o del tipus denominat fibra buida (hollow fiber).
Les fibres buides són estructures tubulars amb 0.1-1.0 mm de diàmetre extern i 50 mm de diàmetre intern, dimensions que són un ordre de magnitud inferior a les denominades membranes tubulars.
La majoria d’elles són de tipus anisòtrope, on l’estructura responsable de la separació es disposa a la superfície externa o interna de la fibra.
Les fibres buides es disposen en mòduls compactes amb major superfície filtrant que els mòduls de làmines planes i de membranes tubulars, permetent separacions més eficients.
El desenvolupament de materials per a la fabricació de membranes que permetin separacions eficients i la seva disposició en configuracions o mòduls de fàcil instal·lació i substitució que puguin agrupar-se per aconseguir superfícies filtrants de centenars o milers de m2, ocupant volums acceptables, han estat els fets que han condicionat la utilització de membranes a escala industrial.
Actualment les configuracions en què es presenten les membranes es denominen:
Cartutxos de membranes
On les membranes, convenientment plegades, s’enrotllen al voltant del col·lector de permeat, empaquetant-se en una carcassa de 25 cm de longitud i 6 cm de diàmetre que es disposen en línia amb el flux que es desitja tractar (alimentació), quedant els contaminants retinguts a la membrana i generant-se un efluente depurat (permeat).
En aquestes disposicions s’aconsegueixen desenvolupaments superficials de l’ordre de 0.3 m2. Els cartutxos de membranes són descartables.
Mòduls tipus placa-bastidor
Té una disposició semblant als filtres-premsa. Les membranes es disposen en bastidors separats per plaques.
L’alimentació, impulsada per una bomba, circula pels espais placa-membrana, concentrant-se en contaminants conforme té lloc el flux de permeat a través de les parets de les membranes.
Mòduls de membranes tubulars
Constituïts per carcases cilíndriques que contenen un nombre variable de membranes tubulars, l’alimentació es bombeja per l’interior de les membranes, produint-se un flux lateral de permeat a través de les parets.
La carcassa té els dispositius adequats per recollir els fluxos de permeat i concentrat.
Les membranes tubulars estan constituïdes per un suport porós de paper o fibra de vidre sobre el qual es diposita la superfície filtrant. També es construeixen en materials ceràmics.
Els mòduls tubulars solen tenir longituds de 13 cm – 20 cm, amb 4 – 6 membranes de 0.5 cm – 1 cm de diàmetre, disposades a l’interior. La velocitat de circulació de l’alimentació per l’interior de les membranes és de 2 m/s – 6 m/s, la qual cosa es tradueix en pèrdues de càrrega de 14 – 21 kPa per mòdul.
El consum d’energia de les plantes que utilitzen aquest tipus de mòduls és de l’ordre de 0.8 – 2.5 kWh/100 L permeat.
Mòduls de membranes enrotllades en espiral
Estructura complexa on una membrana en forma de “bossa plana”, amb un separador intern de les parets de la membrana, s’enrotlla en espiral al voltant del tub col·lector de permeat, amb el qual s’uneix per la part oberta de la “bossa”.
Les parets exteriors de la membrana, que formen les espirals, es troben separades per estructures buides que permeten que l’alimentació discorri a través d’elles i que el permeat flueixi, lateralment, a través de les parets de les membranes.
Aquests mòduls solen tenir 20 cm de diàmetre i 100 cm de llarg amb diverses membranes enrotllades que proporcionen una superfície de membrana de 1–2 m2.
Mòduls de membranes tipus fibra buida
Estructures semblants als intercanviadors de calor multitubulars, de 70 cm de longitud i 8 cm de diàmetre on s’allotgen 500 – 2000 membranes del tipus fibra buida.
Bàsicament existeixen dues configuracions, atenent a que l’alimentació circuli per l’interior o l’exterior de les fibres. La caiguda de pressió en aquest tipus de mòduls és de 0.7 bar – 70 bar, segons el tipus d’aplicació.
Mòduls de membranes Vibratòries VR
Per subsanar el problema comú de les tecnologies de membranes, l’obturació provocada per les capes de residus que s’acumulen a la seva superfície, s’han desenvolupat les membranes vibratòries VR.
La gran diferència respecte a les membranes tradicionals és que el disseny bàsic és vertical en comptes d’horitzontal, per la qual cosa l’espai necessari per unitat és menor que en altres sistemes de separació.
Aquestes membranes són capaces de filtrar qualsevol tipus d’aigües residuals i permeten tractar efluents amb una alta càrrega de sòlids. Es tracta a més d’una tecnologia que no requereix de químics per operar, excepte els necessaris per a la neteja periòdica de la membrana.
En un Sistema VR, el líquid a tractar està pràcticament immòbil, circulant lentament entre els elements de membranes paral·leles. L’acció de neteja de l’esquileig es crea vibratòriament vigorosament els elements de la membrana en una direcció tangent a la superfície de les membranes.
Crèdit: VSEP
Les ones d’esquileig produïdes per la vibració de la membrana fan que s’aixequin els sòlids de la superfície de la membrana i que es tornin a barrejar amb el material o efluente que es mou per l’interior de la membrana. Aquest esquileig intens permet que els porus de la membrana estiguin més nets, aconseguint un rendiment més alt que les membranes convencionals.
Les membranes vibratòries VR permeten recuperar entorn al 90% de les aigües tractades com a aigua neta que poden ser abocada o reutilitzada.
El tipus de membrana que s’utilitzi en els Sistemes VR varia en funció de l’efluent a tractar. Una classificació molt general seria la següent:
- Membranes d’Òsmosi Inversa per a la separació de materials.
- Membranes de Nanofiltració per al tractament d’aigües residuals i per a la concentració.
- Membranes de Ultrafiltració per separacions oleoses i concentració.
- Membranes de Microfiltració per separar les partícules més grans d’una fase líquida.
Altres paràmetres importants són pressió, temperatura, amplitud de la vibració i el temps de residència del material dins la membrana.
Tots aquests paràmetres s’optimitzen durant proves inicials i després es registren en un PLC que controla el sistema automàticament.
A tot això, cal afegir que es tracta d’un sistema modular, que pot ser modificat després de la seva instal·lació en cas de ser necessari:
- Es pot afegir fàcilment a un sistema existent per millorar el rendiment.
- Pot ser instal·lat en zones on l’espai és una limitació.
- És fàcil de transportar i es pot passar d’una planta a una altra.
- Pot ser instal·lat en múltiples sistemes o fases com un sol pas.
- Més unitats es poden instal·lar a mesura que la producció augmenti.