Filtración mediante membranas cerámicas para el tratamiento de aguas

Secciones

• Introducción
• Filtración frontal y Filtración tangencial
• Características de las membranas cerámicas
• Ámbito de aplicación
• Recuperación de filtrados y concentrados
• Cálculos instalación membranas cerámicas

Introducción

Las tendencias actuales en el tratamiento de aguas se orientan hacia la utilización de membranas de filtración, bien sea para filtrar partículas en suspensión, coloides, material orgánico, bacterias, macromoléculas y hasta sales; de esta forma cubrimos el espectro de separación en función del tamaño y naturaleza de los contaminantes.

Básicamente, las membranas se clasifican en orgánicas, e inorgánicas. Las primeras se utilizan habitualmente para aguas poco contaminadas, pues los materiales en que están construidas (polisulfona, poliamida, celulosa, etc.) no toleran agentes contaminantes en elevadas concentraciones, ni valores de pH o temperaturas extremas; además los oxidantes, los aceites y la materia orgánica son agentes poco deseables que deben evitarse para impedir su ensuciamiento y deterioro.

Si nos centramos en el tratamiento de efluentes complejos, se impone el uso de membranas inorgánicas, y, entre ellas, observamos que las que se vienen utilizando en el mercado en forma creciente son las membranas cerámicas por su alta eficiencia, resistencia a los medios más extremos y durabilidad.

Para determinar las membranas cerámicas a utilizar en un caso específico, debemos tener en cuenta la naturaleza del efluente a tratar y el tamaño de las partículas que queremos separar. Así se establece el denominado cut-off, y las unidades en que se mide la talla del poro de las membranas.

Unidades de medida y relación entre ellas

Las unidades que se utilizan para medir el tamaño de las partículas son básicamente:

• La micra (µm) = 10^-3 mm
• El nanómetro (nm) = 10^-3 µm
• El Armstrong (A⁰) = 10^-4 µm

Los rangos de filtración en función del tamaño de los poros de las membranas se clasifican en: Microfiltración, Ultrafiltración y Nanofiltración, aunque la Nanofiltración contempla la separación parcial de las sales de mayor tamaño y se queda en un límite cercano a la osmosis inversa.

Cuando hablamos de Microfiltración, utilizamos la µm como unidad de medida de partículas, mientras que para la Ultrafiltración y en la Nanofiltración se utiliza el KD (kilodalton), que se define como la unidad de masa molecular equivalente a 1.000 daltons. Un dalton es la décima parte de la masa del átomo de carbono y equivale a 1,66 X 10^-24 g.

Vemos pues que, para estos niveles, se establece una relación aproximada entre tamaño de partículas y la masa molecular, según la gráfica siguiente:

En osmosis inversa hablamos de separación de sales e intervienen otros fenómenos electroquímicos más complejos. La separación se corresponde con niveles moleculares y se suele utilizar el A⁰ y el tipo de moléculas. En este estudio no hablaremos de las membranas de osmosis inversa, pues enfocamos la aplicación hacia el tratamiento de efluentes, y, en este sentido, estas membranas tienen muchas limitaciones como se ha indicado al comienzo del texto.

Los fabricantes de membranas cerámicas establecen el tipo de filtración en tres grupos, de acuerdo con su gama de fabricación:

• Microfiltración : de 0,1 a 1,4 µm
• Ultrafiltración   : de 15 a 300 KD
• Nanofiltración : de 1 a 10 KD

En la siguiente gráfica, vemos el espectro de filtración para ultra y microfiltración, con algunos de los contaminantes que se suelen separar en cada nivel.

Filtración frontal y Filtración tangencial

Cuando se realiza una filtración frontal o total, todo el líquido que entra en contacto con la superficie de la membrana es forzado a pasar a través de ella. Algunos sólidos y componentes quedarán retenidos por la membrana mientras el resto pasará al otro lado. Este proceso depende principalmente del tamaño de poro de la membrana, aunque existen otros factores para tener en cuenta. En consecuencia, el líquido gradualmente experimentará una mayor resistencia a pasar a través de la membrana, debido a la acumulación de sustancias. Cuando la presión del fluido entrante se mantiene continua, el flujo se reducirá hasta que haya disminuido tanto que la membrana tendrá que ser limpiada, pues la capa de retenido (concentrado) habrá alcanzado un grosor demasiado elevado. La presión necesaria para hacer pasar el flujo a través de la membrana es la llamada Presión Transmembrana (PTM).

La PTM se define como el gradiente de presión de la membrana, o la presión media del flujo de entrada menos la presión de permeado o filtrado. A medida que se vaya colmatando la superficie filtrante, se deberá aumentar este parámetro si se quiere continuar adecuadamente el proceso, hasta llegar a un punto límite en que se deberá poner en marcha el proceso de limpieza. Esto hace que el proceso de filtración se considere discontinuo, procurando que el ciclo operativo sea el más largo posible y que las limpiezas sean rápidas y efectivas. Este tipo de filtración tiene, por tanto, ciertos inconvenientes; pero puede ser una buena solución para muchas aplicaciones, como el concentrado de componentes.

En las membranas cerámicas se realiza una filtración tangencial, en la que el retenido o concentrado es recirculado para que, mediante un ciclo de realimentación, vuelva a formar parte del flujo de aporte que es paralelo a la membrana, por lo que este tipo de filtración permite trabajar con rangos de presión muy inferiores a los de la filtración total. Solamente una pequeña parte del flujo atravesará la membrana convirtiéndose en permeado (filtrado), y la mayor parte irá a parar al depósito de concentrado.

La velocidad del flujo de agua paralelo a la membrana es relativamente alta. El propósito de este flujo es el control del grosor de la capa. Como consecuencia de la velocidad a la que fluye el agua, las fuerzas de flujo son altas, lo que permite que los sólidos suspendidos sean arrastrados por la circulación del líquido.

Con este sistema de filtración se disminuye la posibilidad de atascamiento y se retrasa y disminuye la formación de la película de sólidos. La gestión por filtración tangencial puede alcanzar flujos estables. En cualquier caso, el ensuciamiento se produce y debe realizarse la limpieza de las membranas, que, en caso de las cerámicas, admite valores de temperatura. Oxidantes, disolventes y pH extremos.

Esquema filtración frontal y filtración tangencial

La velocidad lineal (V_L) o de flujo tangencial es a la que la alimentación fluye dentro de la membrana. En el caso de una membrana tubular, la velocidad lineal se puede definir como la relación entre el flujo de entrada y la sección interior de la membrana.

V_L   = F_r / S_i   en ₍m/sg.)

Donde: F_r el flujo de alimentación. [m3/sg] y S_i es la sección interior de la membrana. [m²]

Una velocidad lineal alta tiende a eliminar el material depositado y, consecuentemente, reduce la resistencia hidráulica a través de la membrana lo que lleva a obtener más flujo de permeado. Caudales más altos de la alimentación también reducen los fenómenos de la polarización de la concentración aumentando el coeficiente de la transferencia de masa.

Características de las membranas cerámicas

Las membranas cerámicas se fabrican principalmente con alúmina tabular (αAl ₂O₃) así como de carburo de silicio (SiC) siempre a elevadas temperaturas de sinterización (1.800-2.000ºC).

Aunque también hay modelos de membranas planas para aplicaciones específicas, estas membranas suelen tener forma tubular y distintas configuraciones de acuerdo con el número de canales que las atraviesan; así para efluentes cargados o de mayor viscosidad, se suelen utilizar membranas de canales grandes y en menor número, mientras que para efluentes más fluidos y menos cargados se utilizan membranas con más canales y de menor tamaño. Las membranas con más canales tienen mayor superficie equivalente de filtración. El camino más fiable para realizar un correcto diseño de la instalación a implementar es hacer ensayos o pilotajes con el líquido a tratar, y probar distintas membranas de probable utilización.

EL conjunto de membranas a instalar para realizar el tratamiento se aloja en el interior de cárteres construidos acero inoxidable, con juntas de elastómeros adecuados al medio y a las limpiezas (normalmente vitón o PTFE).

Cárteres para membranas cerámicas

 

Membranas cerámicas de distintas secciones

El líquido que se pretende filtrar se acondiciona previamente en un sistema prefiltración a fin de impedir la obstrucción de los canales de las membranas. La alimentación del líquido a tratar se hace a través de los canales que atraviesan longitudinalmente la membrana. De acuerdo con el esquema anexo, el permeado se obtiene al atravesar el líquido las paredes de los canales recogiéndose en el exterior de la membrana. El concentrado queda en los canales y pasa al bucle de recirculación.

 

Ámbito de aplicación

Las membranas cerámicas tienen un amplio ámbito de aplicación, sobre todo en la industria alimentaria, farmacéutica, química, separación de metales de proceso de precipitación, baños de decapado y desengrase, industria petroquímica, de bebidas (sobre todo vinos y cervezas) y en la minería.

En este estudio las consideramos en el campo del tratamiento de aguas. Para aguas de proceso, se utiliza como pretratamiento de instalaciones que exigen valores de turbidez muy bajos como la osmosis inversa. Aunque ya se comienzan a utilizar para filtrar aguas con destinos como la microelectrónica , aguas potables o industria química.

En aguas residuales tienen un muy amplio abanico de aplicaciones, pues, además de obtener permeados de alta calidad, presentan múltiples ventajas frente a otros procesos de depuración clásicos ( flotación, decantación, filtros de arena), que aportan importantes producciones de residuos), tienen un elevado consumo de reactivos ( coagulantes, floculantes, ajustes de pH, etc.) amplias superficies ocupadas y mucha mano de obra para su mantenimiento.

En los últimos años se vienen fabricando membranas de bajo coste que permiten su utilización en tratamientos de aguas a costes competitivos.

En depuración biológica, además de la reducción de materiales contaminantes en general, también se plantea la separación de micro plásticos y fibras. Para este tipo de depuración y, especialmente para la anaerobia, ya se dispone de referencias de MBR con membranas cerámicas, por el tipo de fangos a tratar, por su elevada resistencia y la no contaminación de los fangos, que pueden ser vendidos, minimizando así el coste económico de la depuración.

Los principales sectores en que se utilizan estas membranas son:

• Separación y recuperación de taladrinas
• Separación y recuperación de fibras y aditivos en circuitos de la industria papelera.
• Recuperación y depuración de baños de desengrase
• Recuperación de industrias de pinturas
• Recuperación de ácidos y álcalis en la industria metalúrgica
• Separación y recuperación de tintas.
• Separación y recuperación de disolventes
• Separación y concentración de efluentes de azúcar en fábricas azucareras.
• Separación y concentración de productos en la industria Química.
• Separación recuperación de metales y aditivos en las industrias galvánicas.

Este tipo de equipos tiene un coste de instalación inicial relativamente elevado, pues al de las membranas se ha de sumar el del grupo de bombeo de recirculación que debe ser de un tamaño importante para el conjunto, a fin de conseguir velocidades tangenciales adecuadas que hagan viable el proceso, y los materiales han de ser de elevada resistencia a los medios en que se trabaja (habitualmente se utilizan aceros inoxidables del tipo AISI 316L o superiores). Sin embargo, la duración esperada de las membranas es muy larga (> 10 años), y una vez regulados los ciclos de filtración no suelen aportar problemas de mantenimiento, lo que les confiere una elevada fiabilidad.

Recuperación de filtrados y concentrados

Resulta evidente que es preciso minimizar el vertido de los efluentes más contaminantes para el medio ambiente, que son justamente los que se tratan con este tipo de membranas. La tendencia ha de ser pues el pretendido “vertido cero”, pues no hay mejor tratamiento que la no contaminación.

Se dan muchos casos en la industria, en los que una filtración realizada al nivel indicado permite obtener filtrados que son reutilizables en mayor o menor medida en los procesos productivos o de servicios de la propia empresa emisora; además, también en muchas ocasiones, el retentado podría ser reutilizado si tuviera el grado de concentración y calidad precisado, según las especificaciones del fabricante.

Las tecnologías más adecuadas para conseguir estos efectos sin producir la contaminación del efluente serían la Evaporación y la Cristalización

Con la evaporación a vacío, se consiguen destilados de elevada pureza que, frecuentemente, se pueden reutilizar en los procesos de la fábrica. Se suele trabajar a unas temperaturas de evaporación entorno a los 50ºC, y el condensado podrá aportar su energía calorífica para otros procesos mediante cambiadores de calor. Los concentrados pueden alcanzar altos niveles de sequedad, pues se trabaja en varias etapas de evaporación.

En la medida en que los concentrados adquieran una revalorización importante, se justica más su concentración incluso llegando a la cristalización mediante un equipo específico (cristalizador).

El conjunto de membranas cerámicas + evaporación / cristalización ofrecen una solución técnica altamente evolucionada y eficiente que, para los casos de reutilización, pueden considerarse más como una etapa del proceso productivo que un tratamiento de residuos o efluentes, y el plazo de amortización de las instalaciones se hace viable dentro del estudio económico global de la fábrica.

En cualquier caso, el marco de aplicación de estas soluciones se hace cada vez más amplio, en la medida en que se perfeccionan las tecnologías y se recurre a las energías renovables,

Cálculos instalación membranas cerámicas

Partimos de un ejemplo, en que se desea tratar un efluente procedente de lavado de las máquinas de impresión con tintas flexográficas, Queremos tratar un vertido diario de 35 m³, que se encuentran a temperatura ambiente (aprox. 20 ºC).

Se realiza un ensayo de la muestra con una densidad = 1 y se encuentra que el tamaño de partícula está sobre las 0,05 µm y una densidad y viscosidad similares a las del agua.

Se realizan pruebas con membranas cerámicas y se obtiene que una velocidad de 80 l/h/m² es adecuada, y se selecciona una membrana cerámica tubular de UF, de tipo Margarina (7 canales) con superficie unitaria de 0,2 m², que según tablas del fabricante precisan de un caudal de circulación de 1000 l/memb/m/sg. En estas condiciones, los ciclos productivos entre limpiezas del conjunto de membranas cerámicas han superado las 72 horas, lo que se considera viable para el proceso. El objetivo es recuperar el agua del vertido para reutilizarla en el lavado y concentrar el sólido separado para poderlo enviar a vertedero como residuo.

En primer lugar, calculamos la superficie necesaria para filtrar la totalidad del efluente:

S = (35 m³/d /24 h/d) / 80 l/h/m² = 18,6 m² de membranas tipo Margarita.

Nº. Membranas = 18,6 m² / 0,2 m² /membrana = 92 membranas

El fabricante dispone de dos tipos de cárteres que se le podrán adaptar:

• 1 de 99 membranas.
• 2 de 55 membranas.

Para seleccionar la opción más adecuada, analizamos: el coste de equipos, el consumo energético y la flexibilidad de la instalación.

Coste de la instalación:

Aunque un solo cárter de 99 membranas es más económico que dos de 55, tanto el grupo de bombeo de recirculación, como las tuberías, válvulas y accesorios son más costosos para la versión de un solo cárter, así como el cuadro de potencia y la electrificación, con lo que el coste es bastante similar para ambas opciones.

Consumo energético:

Con un caudal de 1 m³/h/membrana, y a una velocidad de circulación en las membranas recomendada de 3,5 m/sg, tenemos:

• Caso de 1 cárter con 99 membranas:

QR = 1 m³/h/memb. /m/sg. x 99 memb. x 3,5 m/sg = 346,5 m³/h

Con este caudal y a fin de reducir la pérdida de carga, tomamos una velocidad de circulación en el bucle de 1,5 – 2 m/sg, luego el diámetro del bucle de recirculación debería ser de 12 “.

Disponiendo el mínimo de válvulas y accidentes en tubería, la pérdida de carga del conjunto es de aprox. 12 m.c.a.

Si calculamos la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m³/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Tomamos un motor de 40 CV pensando en que llevará variador de frecuencia.

• Caso con dos cárteres de 55 membranas, dispuestos en serie:

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m³/h., el bucle de recirculación sería de Ø 8”, en estas condiciones la pérdida de carga de los dos cárteres dispuestos en serie sería de aprox. 18 m.c.a., y la potencia del motor de la bomba:

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Tomamos un motor de 30 CV.

Luego es más rentable energéticamente utilizar dos cárteres en serie.

Flexibilidad de la instalación:

Aunque las averías son escasas en este tipo de instalaciones, puede darse el caso de que tengamos una fuga en una membrana (p. ej., en una junta),o bien que se haya reventado una membrana (mucho menos probable). En el caso de disponer dos cárteres, podemos cancelar uno y trabajar con el otro a la mitad de caudal, lo que nos da mayor flexibilidad.

En este caso, optamos por disponer dos cárteres en serie, según el siguiente esquema:

Consideraciones prácticas

Las instalaciones de membranas cerámicas son muy robustas y resistentes a las condiciones de temperatura, presión, alcalinidad, acidez y ataques químicos, pero a la vez, presentan algunas debilidades que deben tenerse en cuenta:

• Evitar los golpes de ariete y los golpes, pues las membranas cerámicas son muy duras, pero también frágiles.
• Evitar accidentes, válvulas e instrumentos que no sean estrictamente necesarios en las líneas de circulación para evitar pérdidas de carga que representarán un consumo energético elevado.
• Tener en cuenta los materiales constructivos del equipo a la hora de efectuar una limpieza o de realizar un tratamiento (como por ejemplo trabajar con HF cuando hay electrodos de vidrio).
• No estirar los ciclos de filtración, porque luego resulta más dificultoso realizar la limpieza.
• Los efluentes de limpieza suelen ser muy contaminados, convendrá enviarlos a un gestor autorizado, o bien concentrarlos por evaporación para luego enviarlos a un vertedero de residuos adecuado a sus características.
• La bomba de recirculación es conveniente que disponga de un variador de frecuencia, de tal forma, que consuma la energía estrictamente necesaria en cada momento.
• Cuando se monten y desmonten las membranas en sus cárteres, deberá ponerse especial cuidado en que las juntas queden debidamente colocadas y ajustadas.
• Por la naturaleza de los efluentes y reactivos que se manejan, se hace precisa la especial observación de las normas de seguridad, utilizando los EPIS y medidas complementarias que sean precisas.