Por Greg Reyneke, MWS
Si bien casi las tres cuartas partes de la superficie de la tierra están cubiertas de agua, solo alrededor del uno por ciento de esa agua puede ser utilizada para satisfacer las necesidades de la humanidad sin un procesamiento o purificación significativos. Se espera que la población de la Tierra supere los 10 mil millones de personas para 2050 y la escasez de agua es un término que se escucha con más frecuencia ahora que nunca. Nuestro viejo hábito de recolectar, distribuir, usar y desechar el agua nos ha colocado en una posición en la que muchas comunidades alrededor del mundo ahora carecen de suficiente agua para poder vivir una vida normal. El racionamiento del agua, las prohibiciones de regar el césped, los programas intermitentes de disponibilidad de agua municipal, así como un aumento en el agua hervida y otras notificaciones de fallas en la calidad del agua, se están volviendo comunes.
Además de la reducción del agua tradicionalmente disponible, ahora somos vigorosamente conscientes de que hay muchos más contaminantes que nunca presentes en el agua. Se sabe que existen más de siete millones de compuestos químicos reconocidos y se cree que aproximadamente 100,000 de ellos son utilizados en todo el mundo. Las agencias reguladoras no tienen una idea precisa de qué compuestos específicos se utilizan en los bienes de consumo o qué precursores se utilizan para producirlos. Además, hay una gran cantidad de compuestos secundarios que pueden formarse cuando los productos químicos se exponen al fuego, la luz solar, oxidantes, solventes y otros reactivos. En el siglo XXI, es seguro decir que, hasta cierto grado, toda el agua en todas partes está contaminada con algún tipo de sustancia química fabricada por el hombre.
Hacia fines del siglo pasado, comenzó a acumularse evidencia de que ciertos pesticidas, surfactantes (usados en detergentes) y medicamentos anticonceptivos sintéticos estaban causando proporciones sesgadas de géneros, trastornos reproductivos y disminuciones de la población de ranas, caimanes y peces. Además, algunos investigadores han sugerido que los antibióticos y antimicrobianos pueden representar una seria amenaza para la salud humana al mejorar la resistencia a los antibióticos de los microorganismos causantes de enfermedades debido a su (sobre) uso en productos como jabones, enjuagues bucales, pasta de dientes y, por supuesto, el omnipresente desinfectante de manos. A medida que empezamos a comprender de mejor manera la presencia de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) en nuestro medio ambiente, estamos comenzando a darnos cuenta de la gravedad de nuestra situación contaminada.
La necesidad de tecnologías robustas de purificación de agua es más importante que nunca. Las tecnologías de separación de membranas son herramientas poderosas en la lucha contra los contaminantes emergentes y para aliviar la escasez de agua. La tecnología de separación de membranas es un recurso valioso para aplicaciones de tratamiento de agua residencial, comercial e industrial en purificación, desalinización y reutilización.
Cuando se habla de separaciones de membranas, muchas personas piensan inmediatamente en los purificadores de ósmosis inversa, pero en la industria de mejoramiento de la calidad del agua, las membranas se definen simplemente como barreras físicas que separan las soluciones y permiten el paso de contaminantes dentro de un cierto rango de tamaño, masa molecular o incluso polaridad de carga y fuerza. Al aplicar una presión impulsora, los contaminantes son selectivamente rechazados o concentrados por la membrana (dependiendo del material o materiales de la membrana, tamaño de poro y carga eléctrica) mientras que el agua y los contaminantes no rechazados pasarán como una corriente de permeado.
Configuración de flujo
Las membranas se pueden operar en configuración de flujo cruzado o sin salida. En la configuración de callejón sin salida, los contaminantes rechazados se concentran en la corriente afluente y eventualmente se acumulan contra la superficie y los poros de la membrana. Los contaminantes concentrados obstruirán inevitablemente los poros de la membrana por completo, por lo que este proceso está reservado para aplicaciones donde el costo/inconveniente de reemplazar las láminas de membrana sucias es menos importante que perder cualquier fluido crudo o, donde el diseño de flujo del proceso de ingeniería lo requiere específicamente. Una configuración de callejón sin salida modificada son lúmenes de fibra hueca lavables a contracorriente, que son robustos y menos susceptibles a la suciedad que las láminas de membrana enrolladas en espiral. Muchos fabricantes de ultrafiltración están utilizando con éxito esta tecnología para proporcionar agua potable a millones de personas alrededor del mundo.
En la filtración de flujo cruzado, la geometría de la membrana está diseñada para eliminar los contaminantes de la superficie de la membrana cuando la corriente de descarga concentrada pasa al drenaje o a un proceso secundario. Aprovechando los principios de las leyes de difusión de Fick, los diseñadores pueden manipular moléculas de concentración de macromoléculas en la superficie de la membrana en función de la velocidad del fluido que fluye en paralelo a ella.
Materiales de membrana y construcción de elementos
La tecnología de flujo cruzado es rentable y práctica debido a las mejoras de materiales y fabricación durante los últimos 20 años. Aquellos de ustedes que han estado en esta industria durante algunos años recordarán las membranas de triacetato de celulosa (CTA) que alguna vez fueron ampliamente utilizadas. La membrana CTS popularizó la ósmosis inversa y permitió que se convirtiera en un producto doméstico. Aunque revolucionarias en su época, las membranas de CTA estaban plagadas de ineficiencia en la producción de permeado y susceptibilidad a la colonización bacteriana. Una gran innovación que fue popularizada a mediados de la década de 1990 fue la tecnología de membrana compuesta de película delgada (TFC), que redujo el costo total de propiedad y aumentó el flujo a presiones de conducción más bajas. Las membranas compuestas pueden estar hechas de varios materiales, como polietersulfona (PES), polisulfona (PSU), polifenilsulfona (PPSU), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinildeno (PVDF) e incluso polipropileno (PP). La gran mayoría de las instalaciones en estos días utilizan membranas compuestas, mientras que otros materiales como la cerámica hecha de sílice, aluminio, titanio y otros materiales se utilizan donde el pH, la temperatura, la abrasividad, la química de limpieza u otros parámetros operativos prohíben el uso de polímeros.
Las membranas poliméricas pueden ser fabricadas de forma simétrica o asimétrica, dependiendo del uso previsto y las condiciones de funcionamiento. Al contrario de la creencia popular, hay varias formas de construir una membrana de flujo cruzado, incluido 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 operaciones de misión crítica y también importantes a la hora de seleccionar membranas de agua potable habituales en las que apuesta su reputación.
Las tecnologías de separación por membranas convencionales de hoy en día se pueden dividir en cuatro categorías amplias de separación por tamaño relativo de exclusión de contaminantes (véase la Figura 2):
Ósmosis inversa (OI). A veces llamada hiperfiltración, la OI 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 (ver Figura 1) 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, haciendo que el desierto se vuelva verde y llevando agua potable limpia y segura a lugares donde antes no era práctico. La ósmosis inversa es también utilizada industrialmente en muchas aplicaciones innovadoras, como concentrar jugo de frutas, concentrar proteína de suero y, por supuesto, deshidratar lodos 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 carga superficial que permite el paso de todos los contaminantes excepto los iones divalentes y más grandes. Los iones monovalentes como el sodio y el potasio pasan a través de una membrana NF mientras rechaza los compuestos de calcio y magnesio. Esto permite que se utilice como una tecnología de suavizado sin sal altamente eficaz donde la OI podría considerarse excesiva. La NF también es muy eficaz para abordar los compuestos orgánicos semivolátiles, como ciertos pesticidas, y también para eliminar el color y los coloides 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 por su clasificación de corte de peso molecular (MWCO). El rango típico de MWCO para UF es de 1,000 a 1,000,000 Dalton, que se correlaciona con aproximadamente 0.005-0.1 micras (μm). UF es extremadamente eficaz para eliminar sólidos suspendidos, coloides, bacterias, virus, quistes y compuestos orgánicos de alto peso molecular como los taninos. Las membranas UF se operan en configuración de callejón sin salida, descarga ocasional (descarga normal y/o contracorriente) o configuración de flujo cruzado. La configuración de la membrana puede variar de un fabricante a otro, pero el tipo de fibra hueca es el más utilizado. Las membranas del tipo de fibra hueca se moldean en tubos o pajitas de diámetro pequeño, denominados lúmenes. Miles de estos lúmenes se agrupan y los extremos se unen/encapsulan cuidadosamente en un mamparo de epoxi. Luego, los paquetes se sellan en una carcasa, que generalmente es de PVC, fibra de vidrio o acero inoxidable. La maceta sellada crea un espacio separado que aísla el acceso al interior de las fibras del exterior. Esta combinación de membrana y carcasa se denomina módulo. Varios conjuntos de membranas de UF en el mercado están certificados para la reducción de patógenos en el agua potable, como bacterias y virus, lo que permite el suministro de agua potable segura de manera más rentable y eficiente que nunca.
Microfiltración (MF). La tecnología de microfiltración ha sido empleada con éxito tanto en fibra hueca de filtración cruzada enrollada en espiral, de descarga intermitente (normal y/o contracorriente) como en configuraciones de marco y placa sin salida, según la naturaleza de la aplicación y el espacio disponible. Esta tecnología de membrana normalmente tiene un tamaño de exclusión de 0.2 μm a 1 μm y es muy adecuada para la eliminación de partículas, turbidez, sólidos en suspensión y ciertos patógenos como Cryptosporidium y Giardia. MF tiene un historial industrial establecido para la clarificación estéril de vino y cerveza, concentración de suero y esterilización de jugos de frutas. En el campo del tratamiento de aguas residuales, la microfiltración es muy valiosa para deshidratar lodos floculantes y reducir económicamente la DBO y la DQO en las corrientes de descarga. Además, la microfiltración es extremadamente eficaz para proteger otros separadores de membrana aguas abajo en aplicaciones de misión crítica. La tecnología de separación por membranas combinada con la oxidación inteligente y la absorción/adsorción eficaz puede ser muy eficaz para abordar incluso las moléculas organosintéticas de bajo peso molecular en el agua.
Pretratamiento y mantenimiento
Es importante seleccionar el pretratamiento apropiado para el proceso de separación de membranas que se está utilizando. Las membranas poliméricas compuestas son particularmente sensibles al daño oxidativo, por lo que se debe tener especial cuidado para asegurar que el cloro, cloramina, ozono y otros desinfectantes oxidativos se eliminen del agua cruda antes de ingresar a la membrana. Además, se debe prestar especial atención a las macropartículas y los contaminantes orgánicos/inorgánicos en la corriente de agua que podrían afectar el funcionamiento adecuado de la membrana. Como regla general, cuanto menor sea el tamaño de los poros, mayor será la cantidad de pretratamiento físico necesario para garantizar tiempos de funcionamiento prolongados y un funcionamiento económico.
Independientemente del tamaño de los poros de la membrana, el ensuciamiento operativo es casi inevitable, incluso con un pretratamiento físico adecuado. Los tipos y cantidades de incrustaciones 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 ensuciamiento de la membrana son la precipitación de incrustaciones y el crecimiento biológico. El ensuciamiento causa una disminución en el flujo (paso de agua purificada), que a su vez requiere una mayor presión contra la membrana para producir un caudal de permeado satisfactorio. A medida que empeora el ensuciamiento, el aumento de presión (energía) requerirá que el costo operativo aumente y posiblemente incluso cegue la membrana por completo, lo que provocará daños significativos y fallas de funcionamiento.
Se encuentran disponibles muchos compuestos innovadores antiincrustantes de membrana, secuestrantes de metales, microfloculantes y CIP (limpieza en el sitio) para ayudar a mantener sus membranas limpias y funcionando con la mayor eficiencia energética posible. Algunas buenas preguntas que puede hacerle a su proveedor antes de usar un pretratamiento o un químico antiincrustante son las siguientes:
- ¿Es químicamente compatible con las membranas de la aplicación y las bombas/tuberías?
- ¿Puede reaccionar adversamente con otros contaminantes en el agua de alimentación como hierro, metales pesados y otros químicos inhibidores?
- ¿Cuáles son las dosis recomendadas y las dosis máximas?
- ¿Cuáles son los límites de solubilidad proyectados para los componentes individuales de incrustaciones e incrustaciones?
- ¿Qué medidas de manejo de materiales, transporte y equipo de protección personal (EPP) se requieren/recomiendan?
- ¿Existen regulaciones o preocupaciones especiales de descarga/recuperación?
- ¿Ofrecen servicios deapoyotécnico como análisis de agua, análisis químicos y autopsias de membranas?
Desperdicio de agua y protección al medio ambiente
Algunas personas bien intencionadas, pero mal informadas acusan a los sistemas de separación de membranas de ser un desperdicio, ya que se usa agua para limpiar las membranas durante el funcionamiento. No estoy de acuerdo con la descripción negativa y simplista del agua concentrada de drenaje como agua desperdiciada, ya que en realidad no lo es. Decir que un separador por membrana desperdicia agua es como decir que un árbol que deja caer su fruto sin cosechar es un desperdicio. La fruta caída devuelve nutrientes a la tierra y alimenta al árbol, que luego produce más frutos. El agua concentrada descargada de un sistema de separación de membranas no necesariamente se pierde para siempre, regresará a través del sistema de drenaje del edificio a una planta municipal, o regresará a la tierra en una aplicación fuera de la red, o incluso se puede reutilizar en el sitio.
Sin embargo, obviamente no podemos ignorar el costo de oportunidad del agua, ya que debe limpiarse, almacenarse, tratarse, presurizarse y distribuirse antes de ingresar al separador de membrana. Dado que la descarga de un separador de membrana de agua potable típico también es agua potable sanitaria (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 ser recuperado mediante técnicas innovadoras de reutilización, como la recuperación de aguas grises, la mezcla con el agua de lluvia recolectada, la reutilización en un proceso secundario o el uso como riego de jardines. Hay ciertas aplicaciones en las que el concentrado del proceso de separación de membranas no se puede recuperar fácilmente debido a niveles extremos de contaminantes específicos, pero a través de la coagulación, floculación y deshidratación, gran parte del agua cruda puede eventualmente recuperarse y reutilizarse. Las innovaciones recientes en la recuperación y almacenamiento de energía concentrada también son útiles para demostrar cuán verdaderamente eficiente puede ser la tecnología de separación por membrana.
Las separaciones por membrana son altamente efectivas para reducir la descarga de cloruro y los requisitos químicos de limpieza en lugares donde el suavizado tradicional por intercambio iónico no es apropiado. Muchos distribuidores están utilizando nanofiltración y sistemas de ósmosis inversa combinados como suavizantes sin sal, proporcionando a sus clientes agua con niveles de dureza inferiores a 17.1 mg/L (1 gpg). Nuevos materiales innovadores como cerámicas sintéticas y polímeros avanzados, junto con un diseño de espaciador mejorado y otras técnicas permiten mejoras progresivas en la longevidad de la membrana, reducción en los requisitos de energía de conducción y minimización de incrustaciones, mientras continúan reduciendo el costo de adquisición inicial, el costo total de propiedad. y huella energética.
La educación es la clave del éxito
Los sistemas de separación por membrana correctamente diseñados y mantenidos son un método sostenible para mejorar la calidad del agua y una valiosa herramienta para nosotros como profesionales del mejoramiento de la calidad del agua. Es de vital importancia obtener la educación que uno necesita para garantizar la selección, el diseño y la implementación adecuados del sistema, o que trabajar con proveedores en los que puede confiar para que lo ayuden antes de meterse en problemas al tomar decisiones desinformadas. El Programa de Educación Modular (MEP. Por sus siglas en inglés) de la WQA ofrece un excelente punto de partida para aprender más sobre ósmosis inversa y otras tecnologías de separación de membranas para ayudarlo a hacer un mejor trabajo. Las credenciales de Especialista Certificado en Agua (CWS, por sus siglas en inglés) y Diseñador Certificado de Tratamiento (CTD, por sus siglas en inglés) de WQA son reconocidas en todas partes del mundo como prueba del compromiso de uno con las mejores prácticas y la competencia técnica.
Conclusión
Los objetivos de sostenibilidad y eficiencia se pueden alcanzar mediante la aplicación prudente y práctica de tecnologías de separación por membranas. Las tecnologías avanzadas, la legislación sensata y los operadores inteligentes son esenciales para mantener el agua limpia fluyendo en nuestro planeta que continúa siendo devastado por la contaminación, el crecimiento demográfico desenfrenado y el cambio climático.
Glosario:
Dalton: la unidad de masa atómica unificada (símbolo: u) o Dalton (símbolo: Da) es la unidad estándar que se utiliza para indicar la masa en una escala atómica o molecular (masa atómica). Una unidad de masa atómica unificada es aproximadamente la masa de un nucleón (ya sea un solo protón o un neutrón) y es numéricamente equivalente a 1 g/mol. Se define como un doceavo de la masa de un átomo neutro de carbono-12 no unido en su estado fundamental nuclear y electrónico, y tiene un valor de 1.660539040(20) × 10-27 kg.
Las leyes de difusión de Fick fueron derivadas por Adolf Fick en 1855. Expresadas de la siguiente manera: Pueden usarse para resolver el coeficiente de difusión, “D”. La primera ley de Fick se puede utilizar para derivar su segunda ley, que a su vez es idéntica a la ecuación de difusión. La primera ley de Fick relaciona el flujo de difusión con la concentración bajo el supuesto de estado estacionario. Postula el concepto de que un soluto se moverá de una región de alta concentración a una región de baja concentración a través de un gradiente de concentración. La segunda ley de Fick (difusión en estado no estacionario) predice cómo la difusión hace que la concentración cambie con el correr del tiempo. Si bien Fick sostiene que el flujo es directamente proporcional al gradiente de concentración, el coeficiente de difusión “D” se ve afectado por la temperatura y la presión.
El flujo es la tasa de transferencia de masa a través del área de superficie unitaria de la barrera y se expresa matemáticamente como: J ≡ átomos/área/tiempo.
Micrón/micra (μm): una millonésima de metro. Una pulgada es igual a 25,400 micrones.
Placa y marco: también conocida como placa de filtro de membrana. Este tipo de filtro prensa generalmente consiste en placas y marcos alternados sostenidos por rieles. Se utiliza una bomba de presión para entregar el líquido a filtrar (lodo) en cada una de las cámaras de separación. Para cada una de las cámaras de separación individuales, hay un marco de filtro hueco separado de dos placas de filtro por telas de filtro. La lechada fluye a través de un puerto en cada marco individual y las tortas de filtración se acumulan en el marco hueco. A medida que la torta del filtro se espesa, también aumenta la resistencia del filtro. El proceso de filtración se detiene una vez que se alcanza la diferencia de presión óptima. El filtrado que pasa a través de la tela filtrante se recoge a través de las tuberías de recolección y se almacena en el tanque del filtro. La acumulación de torta de filtración (sólido suspendido) ocurre en el marco de la placa hueca, luego se separa en las placas de filtro separando la placa y la prensa de filtro del marco. A continuación, las tortas se desprenden de esas placas y se descargan en el punto final de recolección.
Acerca del autor
Greg Reyneke tiene casi tres décadas de experiencia continua en la gestión y desarrollo de concesionarios de tratamiento de agua. Su experiencia abarca toda la gama de aplicaciones de gestión de la calidad del agua residencial, comercial e industrial. El Sr. Reyneke, que recibió los premios Ray Cross y Regents, ha estado activo en la Asociación de la Calidad del Agua (WQA, por sus siglas en inglés) desde 2004 y ha formado parte de numerosos comités y grupos de trabajo. Es ex presidente de la Asociación de Calidad del Agua del Pacífico y es miembro de la Junta Directiva y la Junta de Gobernadores de WQA. Reyneke escribe prolíficamente y viaja por todo el mundo, ayudando a mejorar la vida humana a través de una mejor calidad del agua. Puede seguirlo en su blog en www.gregknowswater.com.