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Ventajas e inconvenientes

Entre los procesos que m√°s han evolucionado en las √ļltimas d√©cadas se encuentran los de¬†filtraci√≥n a trav√©s de membrana. De forma general, √©stos consisten en forzar el paso del l√≠quido a filtrar a trav√©s de una membrana colocada sobre un soporte s√≥lido.

Funcionan debido a que determinadas clases de membranas permiten el paso a través de ellas de partículas con unas características particulares, mientras que impiden el paso de aquellas que no poseen esas mismas características.

El hecho de necesitar cada vez mayores flujos de permeado, producidos a menores presiones de operaci√≥n, ha llevado a un constante avance en el dise√Īo y fabricaci√≥n de las membranas.

Las operaciones de separación mediante membrana son ampliamente utilizadas y su uso es superior a los métodos convencionales por la capacidad de producir separaciones de forma muy eficiente a temperatura ambiente y por la relación coste/eficiencia. A continuación, se describen las principales ventajas e inconveniente de las mismas en relación a otras tecnologías:

Ventajas

  • Ofrecen una elevada eficiencia de separaci√≥n donde el factor clave es el¬†cut offde la membrana.
  • Son procesos que se pueden llevar a cabo a temperatura ambiente y de forma continua.
  • El consumo de energ√≠a no es elevado y no se requiere el uso de reactivos qu√≠micos (excepto antiincrustantes para limpiar las membranas).
  • La facilidad de combinaci√≥n de esta t√©cnica con otros procesos.
  • Plantas muy compactas que requieren poco espacio f√≠sico.

Inconvenientes

  • No es una t√©cnica que elimine el contaminante, sino que lo concentra.
  • Se genera una corriente de rechazo/residuo que debe ser tratada correctamente.
  • Tambi√©n se debe tener en cuenta el coste de las membranas y su durabilidad. Es importante pretratar el efluente para alargar la vida √ļtil de las membranas.
  • En funci√≥n de la aplicaci√≥n concreta, se pueden presentar problemas de degradaci√≥n, ensuciamiento o polarizaci√≥n de la membrana. Problemas que, si bien se pueden solventar, dificultan e incrementan los costes de operaci√≥n.

Clasificación de Membranas

Actualmente existen muy diversas clases y tipos de membranas, que permiten el paso de unos solutos u otros en funci√≥n de su naturaleza, carga i√≥nica o tama√Īo.

En este art√≠culo nos centraremos en la clasificaci√≥n de los procesos de membrana seg√ļn el factor de separaci√≥n.

FACTOR DE SEPARACI√ďN FUERZA IMPULSORA TIPO – OPERACI√ďN
Tama√Īo Presi√≥n Filtraci√≥n
Microfiltración
Ultrafiltración
Nanofiltración
Tama√Īo / Difusividad Presi√≥n / Concentraci√≥n √ďsmosis Inversa
Carga / Difusividad Campo eléctrico Electrodiálisis
Electrodi√°lisis Reversible

Factor separacion membranas
Fuente: Caracterización estructural y superficial de membranas microporosas, Laura Palacio Martínez, 1999 РUniversidad de Valladolid

Por tama√Īo de las part√≠culas

En funci√≥n del tama√Īo de las part√≠culas que se deseen separar del l√≠quido, variar√° el tipo de membrana a utilizar, siendo posible elegir entre las de filtraci√≥n, microfiltraci√≥n, ultrafiltraci√≥n, nanofiltraci√≥n y √≥smosis inversa.

En todos estos procesos la fuerza impulsora es la presión. A continuación, se detallan las diferencias entre ellas:

Filtración con membranas

Filtración

La filtración convencional utiliza como medio filtrante un medio poroso formado por material granular (grava, arena, antracita, etc.).

El líquido a filtrar se hace pasar a través del lecho poroso, por gravedad o mediante presión, quedando los sólidos atrapados en los espacios intersticiales que quedan entre las partículas que conforman el lecho filtrante.

La alternativa a la filtraci√≥n mediante lechos porosos es la utilizaci√≥n de filtros formados por aglomerados de fibras sint√©ticas de policarbonato o de celulosa. En funci√≥n del material utilizado y su disposici√≥n, el di√°metro medio del poro del filtro var√≠a, siendo √©ste el par√°metro que determina el tama√Īo m√≠nimo de las part√≠culas que quedar√°n retenidas (cut off¬† o valor de corte del filtro).

Estos filtros se repliegan en el interior de un cartucho y son capaces de retener part√≠culas con un tama√Īo superior a 10 mm (part√≠culas de arena, de polvo fino, etc.). Permiten trabajar a unas densidades de flujo de 4 a 8 m3/(m2¬∑h), que, aunque las densidades de flujo de los filtros granulares sean similares, √©stos √ļltimos requieren mucho m√°s espacio f√≠sico para ofrecer la misma superficie de filtraci√≥n.

No obstante, los filtros granulares pueden ser sometidos a lavados a contracorriente, los cuales son muy efectivos. Así, para filtrar un efluente con un alto contenido de sólidos, la opción más conveniente son los filtros granulares. Y cuando el contenido en sólidos es bajo o moderado, los cartuchos de filtración son más competitivos y requieren menos espacio.

Microfiltración

Las membranas de microfiltraci√≥n separan part√≠culas que tienen un tama√Īo de entre 0,1 mm y 10 mm (bater√≠as, polvo de carb√≥n muy fino, amianto, etc.). Estas membranas pueden ser de nylon, polietileno, polipropileno, etc.

Ultrafiltración

Las membranas de ultrafiltraci√≥n retienen el paso de part√≠culas con un tama√Īo de entre 1 nm y 100 nm (0,1 mm), que es el tama√Īo de los virus, los coloides, las macroprote√≠nas, las endotoxinas, etc.

El modo de operación es equivalente al de la microfiltración, el conjunto de membranas se coloca sobre un soporte y una bomba incrementa la presión del líquido para que éste pase a través de la membrana.

Nanofiltración

Mientras que con la microfiltraci√≥n y la ultrafiltraci√≥n se separan part√≠culas en suspensi√≥n del l√≠quido, mediante la nanofiltraci√≥n se pueden separar mol√©culas disueltas en el l√≠quido (az√ļcares, prote√≠nas, mol√©culas de colorante, etc.).

Las membranas de nanofiltraci√≥n tienen un valor de corte de entre 0,1 nm y 1 nm, tama√Īo t√≠pico de la mayor√≠a de mol√©culas que no tienen un peso molecular elevado.

Incluso quedan retenidos iones como el Ca2+ y el Mg2+, hecho que hace posible utilizar estas membranas para eliminar la dureza del agua, sin haber de dosificar reactivos químicos.

√ďsmosis inversa

La √≥smosis inversa es un fen√≥meno basado en el equilibrio que se establece a ambos lados de una membrana semipermeable que separa dos vol√ļmenes de l√≠quido con diferente concentraci√≥n salina. El solvente difunde a trav√©s de la membrana y la atraviesa, mientras que los iones disueltos no pueden hacerlo.

De forma natural, el solvente pasaría de la solución más diluida en sales a la más concentrada, para igualar la presión osmótica (ósmosis). No obstante, si se aplica presión en el lado de la solución más concentrada, el flujo a través de la membrana se invierte y se produce un flujo neto de solvente que atraviesa la membrana desde la solución más concentrada a la menos concentrada. La presión que se debe aplicar depende de la concentración de sales en la solución concentrada.

En la microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración todo el fluido pasa la membrana mientras que los sólidos quedan retenidos en la superficie de la membrana.

En el caso de la ósmosis inversa, como a medida que la solución va incrementando su concentración en sales, la presión aplicada también debe ser mayor, el flujo es tangencial en relación a la membrana. De esta manera, parte del solvente atraviesa la membrana y la otra parte arrastra hacia el exterior todas las sales.

Así, existe un caudal de alimentación y dos efluentes, el de permeado y el de rechazo, donde se concentran todas las sales disueltas, moléculas y partículas que contenía el alimento.

En función del tipo de membrana utilizado, la presión de operación y las características del efluente a tratar, varía la proporción entre el caudal de permeado y el caudal de alimentación, variando entre un 50 y un 75%.

Para alargar la vida de las membranas de ósmosis inversa y de nanofiltración es conveniente pretratar el efluente, normalmente mediante una ultrafiltración.

Numerosos sectores industriales utilizan la ósmosis inversa para producir agua de elevada pureza, como es el caso de la industria farmacéutica, la industria alimentaria, las centrales nucleares, la industria electrónica, la industria biotecnológica, etc.

En aplicaciones ambientales también se utiliza la ósmosis inversa para reducir y/o concentrar al máximo efluentes residuales, proceso seguido generalmente de una etapa de evaporación-concentración al vacío para acabar de concentrar plenamente el residuo. También se emplea la ósmosis inversa para acabar de afinar el agua condensada en procesos de evaporación en los que se concentran residuos.

Como resultado estándar, la ósmosis inversa devuelve un 80% de agua depurada y un rechazo del 20%.

Por carga de las partículas

Electrodi√°lisis

Consiste en la eliminación de iones cargados eléctricamente y que se encuentran disueltos en el agua. Para llevar a cabo esta eliminación se introduce en el agua alimento un par de electrodos de distinta carga eléctrica de manera que los iones disueltos serán atraídos por los electrodos de distinto signo al suyo propio.

Por este procedimiento se logra desplazar los iones de un lugar a otro de la disolución.

Es fundamental el empleo de membranas selectivas aniónicas y catiónicas alternativamente para que el agua alimento vaya perdiendo iones negativos y positivos tras su paso por la zona de separación.

Lo interesante es colocar las membranas alternativamente de tal modo que en unos canales se concentren los solutos, en un agua que se denomina concentrado, y en otros canales circule el agua alimento que va perdiendo poco a poco sus contaminantes hasta salir del proceso con una concentración de sales muy baja.

Electrodi√°lisis Reversible

En este caso se alteran periódicamente las polaridades de los electrodos de manera que los flujos de agua cambian temporalmente de sentido, pasando a recibir agua depurada aquellos conductos que transportaban el concentrado y al revés.

Este método elimina el riesgo de formación de precipitados, incrustaciones y obstrucción de las membranas, ya que el cambio periódico del sentido del flujo del agua colabora en la limpieza de conducciones y membranas, además de evitar la aparición de limos y otros depósitos en la planta.

Configuración de Membranas

Existen equipos comerciales con diferente disposición de las membranas, para adaptarse a condicionantes diferentes.

Así, podemos encontrar las siguientes configuraciones:

Cartucho de membranas

Las membranas están plegadas alrededor del colector de permeado. Son sistemas compactos, ideales para tratar soluciones con una baja concentración de sólidos en suspensión y se suelen utilizar con membranas de filtración y de microfiltración.

Membranas en espiral

Un conjunto de l√°minas de membrana, separadas entre s√≠ por un soporte poroso, se enrolla alrededor de un tubo que act√ļa como colector de permeado. Es un dise√Īo muy compacto, presenta una buena relaci√≥n coste-eficiencia y es apropiado para aplicaciones de gran volumen.

Generalmente se utiliza con membranas de nanofiltración y de ósmosis inversa.

Membrana tubular

Las membranas, de forma tubular, están colocadas en el interior de una carcasa rígida. La alimentación entra por el interior de las membranas y el flujo es en dirección al exterior. Debido al diámetro del tubo de la membrana, de 5 a 10 mm, no es probable que existan problemas de colmatación. Es apropiada para efluentes con una concentración elevada de sólidos en suspensión. Se suele utilizar para aplicaciones de ultrafiltración.

Filtro de placa y marco

Se asemeja f√≠sicamente a un filtro prensa. Las membranas se colocan sobre los marcos separadas por placas y la alimentaci√≥n discurre por el espacio entre las placas y las membranas. A un lado de la membrana se concentran los s√≥lidos y en el otro se evac√ļa el permeado.

Esta disposición sólo se utiliza cuando el alimento tiene una elevada viscosidad, generalmente en aplicaciones de las industrias farmacéutica y alimentaria.

Fibra hueca

Consta de un elevado n√ļmero de membranas con un di√°metro inferior a 0,1 mm que constituyen un haz en el interior de una carcasa.

Se utiliza prácticamente sólo para aplicaciones de nanofiltración y ósmosis inversa para tratar efluentes con una baja concentración de sólidos.