Por Greg Reyneke, MWS
En la industria de la mejora de la calidad del agua, las membranas simplemente se definen como barreras físicas que separan las soluciones y permiten el paso de contaminantes dentro de un cierto rango de tamaño, masa molecular o incluso carga de polaridad y resistencia. Cuando se aplica presión de impulso, la membrana rechaza o concentra selectivamente ciertos contaminantes (dependiendo del material de la membrana, el tamaño de los poros y la carga eléctrica), mientras que el agua y los contaminantes no reflejados pasarán como una corriente de permeado. La tecnología de separación de membranas es un recurso valioso para las aplicaciones de tratamiento de agua residencial, comercial e industrial.
Configuración de flujo
Las membranas de separación se operan típicamente en configuración de extremo sin salida o flujo cruzado. En la configuración de extremo sin salida, los contaminantes rechazados se concentran en la corriente de afluente y eventualmente se acumulan contra la superficie y los poros de la membrana. Naturalmente, los contaminantes concentrados obstruirán inevitablemente los poros de la membrana por completo, por lo que este proceso está reservado para aplicaciones donde el costo/la inconveniencia de reemplazar los elementos (o módulos) de la membrana sucia es menos importante que perder el fluido crudo o donde el diseño del proceso de flujo específicamente lo requiere. Un segmento creciente de configuración sin salida es una construcción tubular lavable por detrás o de fibra hueca, que es significativamente menos sensible al ensuciamiento que los elementos enrollados en espiral. Manténgase pendiente de una mayor presencia de esta tecnología en el mercado a medida que la fabricación de estos tubos se vuelve más confiable y rentable.
En la filtración de flujo cruzado, la geometría de la membrana está diseñada para que los contaminantes se eliminen de la superficie de la membrana cuando la corriente de descarga concentrada se pasa al drenaje o a un proceso secundario. Aprovechando los principios de las leyes de difusión de Fick, los diseñadores pueden manipular las moléculas de concentración de macromoléculas en la superficie de la membrana en función de la velocidad del fluido que fluye paralelamente a él.
Materiales de membrana y construcción de elementos
La tecnología de flujo cruzado es rentable y práctica gracias a los materiales poliméricos orgánicos duraderos. Aquéllos que han estado involucrados en la industria durante algunos años recordarán las membranas de ósmosis inversa de acetato de celulosa y triacetato de celulosa (CTA) que una vez fueron omnipresentes. Una innovación popularizada a mediados de la década de 1990 fueron los elementos ósmosis inversa de compuesto de película delgada (TFC), que redujeron el costo total de propiedad y aumentaron el flujo a presiones de conducción más bajas. Las membranas compuestas pueden estar hechas de una amplia variedad de materiales, incluyendo la polietersulfona (PES), polisulfona (PSU), polifenilsulfona (PPSU), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinildeno (PVDF) e incluso polipropileno (PP). La gran mayoría de las instalaciones actualmente utilizan membranas compuestas, mientras que otros materiales como la cerámica hecha de sílice, aluminio, titanio y otros materiales sólo se utilizan cuando el pH, la temperatura, la abrasividad, la química de limpieza u otros parámetros operativos prohíben el uso de polímeros.
Las membranas poliméricas se pueden fabricar de forma simétrica o asimétrica, dependiendo del uso previsto. Contrario a la creencia popular, existen varias formas de construir una membrana de flujo cruzado, incluyendo el tipo de polímero, la longitud de las hojas de la membrana, la configuración del soporte de la membrana y la densidad de la membrana. Estas opciones de configuración son importantes en las operaciones de misión crítica y también son importantes cuando se seleccionan membranas de filtración de agua regulares sobre las que uno puede poner en juego su reputación.
Las tecnologías actuales de separación de membrana de hoy en día se pueden dividir en cuatro amplias categorías de separación por tamaño relativo de exclusión de contaminantes:
Ósmosis Inversa (OI)
A veces llamad hiperfiltración, la ósmosis inversa es la mejor forma de filtración utilizada en la actualidad. Los poros de la membrana son lo suficientemente pequeños como para permitir la inversión de la presión osmótica a través de la difusión iónica cuando se aplica suficiente energía externa (presión de bombeo). Esta inversión de la presión osmótica aleja el agua pura de los contaminantes moleculares y permite procesos como la desalinización del agua de mar (donde los iones de sodio se eliminan físicamente del agua), enverdeciendo el desierto y llevando agua limpia y segura a lugares donde antes no era práctico. La ósmosis inversa también se utiliza industrialmente en muchas aplicaciones innovadoras, como la concentración de zumos de frutas, la concentración de proteína de suero de leche y, por supuesto, la eliminación de agua residual de aguas residuales.
Nanofiltración (NF)
Desarrollada como una extensión de OI, NF funciona de acuerdo con los mismos principios de difusión iónica que OI, pero con una configuración de tamaño de poro y una ligera carga superficial que rechaza sales multivalentes y compuestos orgánicos más grandes. Los iones monovalentes (como el sodio y el potasio) pasan directamente a través de una membrana de NF, lo que permite que se use como una tecnología altamente efectiva de suavizado sin sal, sin las complicaciones de OI. NF también es muy eficaz para tratar los compuestos orgánicos semivolátiles (como los pesticidas) y eliminar el color del agua.
Ultrafiltración (UF)
La ultrafiltración es un verdadero proceso de exclusión física y no se basa en principios osmóticos. Las membranas de UF se clasifican en base a su clasificación de corte de peso molecular (MWCO). El rango típico de MWCO para UF es de 1,000 a 1,000,000 de Daltons, lo cual se correlaciona con aproximadamente 0.005-0.1 micras (μm). UF es extremadamente eficaz en la eliminación de sólidos suspendidos, coloides, bacterias, virus, quistes y compuestos orgánicos de alto peso molecular como los taninos. Las membranas de UF se operan en una configuración sin salida, enjuague ocasional (lavado a contracorriente y/o contracorriente) o configuración de flujo cruzado. La configuración de la membrana puede variar entre los fabricantes, pero el tipo de fibra hueca es el más utilizado. Las membranas del tipo de fibra hueca se fabrican en tubos o pajitas de diámetro pequeño. Miles de estas pajuelas se agrupan y los extremos se unen/macetan en un mamparo de epoxy. Los paquetes se sellan en una carcasa, que generalmente es de PVC, fibra de vidrio o acero inoxidable. El relleno sellado crea un espacio separado y sellado que aísla el acceso al interior de las fibras desde el exterior. Esta combinación de membrana y carcasa se denomina módulo. Muchos ensambles de membranas UF en el mercado están certificados para la reducción logarítmica de patógenos en el agua potable (como bacterias y virus), lo cual les permite a los distribuidores proporcionar agua potable de manera más económica y eficiente que nunca.
Microfiltración (MF)
La tecnología de microfiltración ha sido utilizada con éxito en configuraciones de placa y marco de placa de extremo a extremo con filtro de espiral cruzada, fibra hueca de descarga ocasional (enjuague frontal y/o contracorriente), según la naturaleza de la aplicación y el espacio disponible. Esta tecnología de membrana típicamente tiene un tamaño de exclusión de 0.2-1 μm y es muy adecuada para la eliminación de partículas, turbidez, sólidos en suspensión, así como ciertos patógenos como el Cryptosporidium y la Giardia. MF tiene un historial industrial establecido para la clarificación estéril de vino y cerveza, la concentración de suero y la esterilización de jugos de fruta. En el campo del tratamiento de aguas residuales, la microfiltración es inestimable para deshidratar los lodos floculantes y reducir económicamente la DBO y la DQO en las corrientes de descarga. La microfiltración también es extremadamente efectiva en la protección de otros separadores de membrana aguas abajo.
Pretratamiento y mantenimiento
Es de vital importancia seleccionar el pretratamiento apropiado para el proceso de separación de membrana que se utiliza. Las membranas poliméricas compuestas son muy sensibles al daño oxidativo, por lo que se debe tener especial cuidado para asegurar que el cloro, el ozono y otros desinfectantes oxidativos se eliminen del agua sin procesar antes de ser procesados por la membrana. Además hay que considerar cuidadosamente las macropartículas y contaminantes orgánicos/inorgánicos presentes en la corriente de agua, que podrían afectar la función adecuada de la membrana. Como regla general, cuanto menor es el tamaño de los poros, mayor es la cantidad de pretratamiento físico necesario para garantizar largos tiempos de funcionamiento y un funcionamiento económico.
Independientemente del tamaño de poro de la membrana, el ensuciamiento operativo es casi inevitable, incluso con pretratamiento. Los tipos y cantidades de incrustaciones/ensuciamiento dependen de muchos factores diferentes, como la química del agua de alimentación, el tipo de membrana, los materiales de la membrana y el proceso operativo. Los tipos más comunes de incrustaciones de membrana son la precipitación de escamas y el bioensuciamiento. El ensuciamiento causa una disminución en el flujo (paso de agua purificada), lo cual a su vez requiere una mayor presión contra la membrana para producir un caudal de permeado satisfactorio. A medida que empeora el ensuciamiento, el requisito de mayor presión (energía) causará que el costo de operación aumente significativamente e incluso ciegue la membrana por completo, lo que ocasionará daños considerables y fallas de funcionamiento. Se encuentran disponibles muchos compuestos innovadores anti-incrustantes de membrana, secuestrantes de metales, microfloculantes y de limpieza en el lugar (CIP) para ayudar a mantener la(s) membrana(s) limpia(s) y funcionando tan eficientemente como sea posible. Algunas preguntas pertinentes que vale la pena hacerle a su proveedor antes de usar un químico de pretratamiento, incluyen las siguientes:
• ¿Es 100 por ciento compatible con la(s) membrana(s) en la aplicación?
• ¿Podría reaccionar negativamente con cualquier otro contaminante en el agua de alimentación, como hierro, metales pesados y otros químicos inhibidores?
• ¿Cuáles son las tasas de dosificación recomendadas y las tasas máximas de dosificación?
• ¿Cuáles son los límites de solubilidad proyectados para los componentes individuales de incrustación y suciedad?
• ¿Existe algún reglamento o inquietud especial de descarga/recuperación?
• ¿Ofrece usted servicios de apoyo técnico, como exámenes/pruebas del agua, análisis químicos y autopsias de la membrana?
Contaminantes emergentes
Los contaminantes emergentes han estado en nuestra agua durante mucho tiempo y hasta ahora tenemos el equipo y los métodos para detectar estos bajos niveles de contaminantes. Se sabe que existen más de siete millones de compuestos químicos reconocidos y aproximadamente 80,000 de ellos son de uso común en todo el mundo. Las agencias reguladoras no tienen idea exactamente cuántos compuestos específicos se usan en los productos de consumo, ni qué combinaciones específicas se usan en cada producto. Además, hay una gran cantidad de compuestos secundarios que se forman cuando los productos químicos están expuestos a oxidantes y otros reactivos. En el siglo XXI, es seguro decir que toda el agua en todas partes está contaminada a cierto nivel con algún tipo de producto químico creado por el hombre.
A fines del siglo pasado, empezó a acumularse pruebas de que ciertos productos químicos como plaguicidas, surfactantes (utilizados en detergentes) y drogas sintéticas anticonceptivas estaban causando proporciones de sexo sesgadas, trastornos reproductivos, así como disminuciones poblacionales en las ranas, lagartos y peces. . Algunos investigadores han sugerido que los antibióticos y antimicrobianos pueden representar una seria amenaza para la salud humana, mejorando la resistencia a los antibióticos de los microorganismos causantes de enfermedades debido a su uso excesivo en productos como jabones, enjuagues bucales, pasta de dientes y, por supuesto, el desinfectante de las manos que hoy en día está omnipresente. . Las separaciones de membrana están demostrando ser muy valiosos en la lucha contra los contaminantes emergentes, ya que la tecnología de ósmosis inversa, combinada con la oxidación inteligente y la absorción/adsopción efectiva, puede ser altamente efectiva en el rechazo de moléculas organosintéticas del agua.
Tecnologías emergentes
A medida que seguimos viendo más intentos equivocados de prohibir los suavizantes y un énfasis continuo en la minimización de nuestro impacto ambiental neto, la necesidad de tecnologías de mejora de la calidad del agua más respetuosas hacia el medioambiente se hace evidente. Las separaciones de membrana son altamente efectivas en la reducción de la descarga de cloruro y en los requisitos químicos. Muchos distribuidores están utilizando NF y sistemas de OI combinados como suavizantes sin sal, proporcionando a sus clientes agua con niveles de dureza inferiores a 17.1 mg/l (un grano por galón). Nuevos materiales innovadores como la cerámica sintética y los polímeros, así como diseños mejorados de espaciadores y técnicas uniformes de fabricación de película fina, permiten mejoras continuas en la longevidad de la membrana, reducción en los requisitos energéticos de conducción y minimización de incrustaciones, a la vez que se reducen los costos iniciales de adquisición y de propiedad.
Tecnología pro ambiente
Algunas personas bien intencionadas pero mal informadas acusan a los sistemas de separación de membranas de ser un desperdicio, ya que el agua se usa para limpiar la(s) membrana(s) durante el funcionamiento. No estoy de acuerdo con la descripción negativa del agua de drenaje y concentrado como agua desperdiciada, ya que realmente no lo es. Decir que un separador de membrana desperdicia agua no es distinto de decir que un árbol que arroja fruta que no se recoge es un desperdicio. La fruta devuelve nutrientes a la tierra y alimenta al árbol, el cual luego produce más fruta. El agua de descarga de un sistema de separación de membrana tampoco se pierde para siempre; regresará a través del sistema de drenaje del edificio a una planta municipal o de regreso a la tierra en una aplicación fuera de la red o puede reutilizarse in situ por diseño.
Sin embargo, obviamente no podemos ignorar el costo de oportunidad del agua, ya que debe limpiarse, almacenarse, tratarse, presurizarse y distribuirse antes de que entre en el separador de membrana. Dado que la descarga de un separador de membrana de agua potable también es agua potable (esto obviamente no se considera agua residual, ya que nunca está en contacto con suelos, suciedad o contaminantes biológicos, es simplemente agua limpia concentrada), gran parte de este costo de oportunidad puede recuperarse a través de técnicas innovadoras de reutilización, como la recuperación de aguas grises, la mezcla con agua de lluvia cosechada, la reutilización en procesos secundarios o el riego de jardines. Las recientes innovaciones en la recuperación y almacenamiento de la energía del concentrado también son útiles para demostrar cuán eficiente puede ser la tecnología de separación de membranas.
Edúquese a sí mismo(a)
Los sistemas de separación de membrana correctamente implementados son un método verdaderamente respetuoso hacia el medio ambiente para mejorar la calidad del agua y una herramienta muy valiosa para los profesionales de la mejora de la calidad del agua. Es sumamente importante que obtenga la educación necesaria para garantizar una selección, diseño e implementación adecuados del sistema, o trabaje con proveedores en quienes pueda confiar para ayudarlo(a) antes de meterse en problemas tomando decisiones desinformadas. El Programa de Educación Modular (MEP) de la WQA ofrece un excelente punto de partida para aprender más sobre la ósmosis inversa y otras tecnologías de separación de membrana para ayudarlo a hacer un mejor trabajo.
Crédito por la imagen: The Innovative Water Project
Acerca del autor
Greg Reyneke, director ejecutivo de Red Fox Advisors, tiene dos décadas de experiencia en la gestión y el desarrollo de concesionarios de tratamiento de agua. Su experiencia abarca toda la gama de aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, incluyendo el tratamiento de aguas residuales. Además, el Sr. Reyneke también ofrece consultas sobre métodos de conservación y reutilización del agua, incluyendo la recolección de aguas pluviales, ecosistemas acuáticos, reutilización de aguas grises y diseño con uso eficiente del agua. Es miembro del Comité de Revisión Técnica de WC&P y actualmente es miembro de la Junta Directiva de PWQA, presidiendo el Comité Técnico y de Educación. Puede seguirlo en su blog en www.gregknowswater.com