Aplicación de los procesos de membrana al tratamiento de aguas Daniel Prats Rico

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Aplicación de los procesos de membrana al tratamiento de aguas

Daniel Prats Rico Catedrático de Ingeniería Química Director IUACA 1. Introducción ........................................................................................................ 2 2. Conceptos generales sobre operaciones con membranas................................. 3 

2.1. Clasificación de las membranas ............................................................... 6 2.1.1 Según el mecanismo de separación ................................................... 6 2.1.2 Según la estructura física o morfología .............................................. 6 2.1.3 Según su geometría ........................................................................... 8 2.1.4 Según su naturaleza química ............................................................. 8 

2.2. Módulos de membranas ........................................................................... 8 2.2.1 Cartucho de membranas .................................................................... 9 2.2.2 Módulo de placa-bastidor ................................................................... 9 2.2.3 Módulo de arrollamiento en espiral ................................................... 10 2.2.4 Módulo tubular .................................................................................. 11 2.2.5 Módulo capilar o de fibra hueca ........................................................ 12 

2.3 Flujo a través de la membrana ................................................................ 13 2.4. Ensuciamiento ........................................................................................ 14 2.5 Limpieza .................................................................................................. 17 2.6 Necesidades de bombeo ......................................................................... 18 

3. Parámetros de funcionamiento de las membranas .......................................... 19 3.1 Permeabilidad ......................................................................................... 19 3.2 Selectividad ............................................................................................. 20 

4. Tipos de procesos empleados .......................................................................... 21 4.1 Microfiltración .......................................................................................... 21 4.2 El proceso de Ultrafiltración .................................................................... 24 

4.2.1. Transporte de materia en una membrana de UF ............................. 25 4.2.2 Acumulación de solutos e incrustación ................................................ 26 

4.2.3 Selectividad de una membrana de ultrafiltración .............................. 27 4.2.4 Caracterización de membranas de UF ............................................. 28 4.2.5 Aplicaciones de la UF ....................................................................... 28 4.2.6 Membranas de MF/UF más comunes del mercado (relación no exhaustiva) ................................................................................................ 29 

4.3. Nanofiltración ......................................................................................... 31 4.4 Ósmosis Inversa...................................................................................... 32 4.5. Electrodiálisis ......................................................................................... 33 

5. Aspectos operacionales en separación con membranas ................................. 34 5.1. Compactación de la membrana. ............................................................ 34 5.2. Polarización por Concentración ............................................................. 35 5.3. Ensuciamiento de la Membrana ............................................................. 35 

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Aplicación de los procesos de membrana al tratamiento de aguas

1. Introducción Dos circunstancias significativas afectan en la actualidad a los requerimientos del tratamiento de las aguas residuales: por una parte cada vez son mas más restrictivas las normativas de calidad relativas al vertido del efluente a cauce público terrestre o al medio marino, con la finalidad de minimizar el impacto medioambiental derivado de dicho vertido; por otra parte, en muchas regiones deficitarias de agua, surge la necesidad de facilitar la reutilización de las aguas residuales para el mayor número de aplicaciones posibles. Esta situación se puede resolver satisfactoriamente mediante la incorporación de membranas para los tratamientos terciarios de las aguas residuales o bien realizando el tratamiento mediante la nueva tecnología de los Biorreactores de Membrana (MBR). Las membranas son barreras físicas semipermeables que se disponen entre dos fases separándolas e impidiendo su contacto directo pero permiten el movimiento de las moléculas a través de ellas de forma selectiva. Este hecho permite la separación de las sustancias contaminantes del agua, generando un efluente acuoso depurado. Las principales características de los procesos de separación con membranas son:

o Pueden separar sustancias presentes en muy baja concentración. o Eficaz retención de los sólidos suspendidos o Permiten la separación de contaminantes que se encuentran disueltos o

dispersos en forma coloidal. o Es un proceso físico que concentra el contaminante en una de las fases. o La separación se puede realizar en forma continua. o Las operaciones se llevan a cabo a temperatura ambiente. Generalmente

con bajo consumo energético (salvo ósmosis inversa). o Procesos sencillos y diseños compactos que ocupan poco espacio. El

cambio de escala se suele realizar con equipos en paralelo (equipos modulares estandarizados).

o Pueden combinarse fácilmente con otros tratamientos o Pueden darse el caso de incompatibilidades entre el contaminante y la

membrana. o Problemas de ensuciamiento de la membrana: necesidad de otras

sustancias para llevar a cabo la limpieza, ajustes de pH, ciclos de parada para limpieza del equipo.

o Las propiedades de las membranas mejoran continuamente y pueden ajustarse a las necesidades del proceso.

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2. Conceptos generales sobre operaciones con membranas Las operaciones con membranas constituyen una operación de separación física en la que una corriente alimento se separa a través de una membrana en dos corrientes: una que atraviesa la membrana, permeado, y otra corriente que no atraviesa la membrana, rechazo. La membrana es un film que actúa permitiendo el paso de algunos componentes presentes en la corriente alimento y dificulta o impide el paso de otros (membrana semipermeable). Como consecuencia de esta operación se obtiene una corriente de permeado con baja concentración o libre de ciertos componentes (depurada si son contaminantes) y una corriente de rechazo concentrada en esos componentes. En la figura 1 se esquematiza la operación, observándose que algunas partículas son totalmente rechazadas por la membrana y otras la atraviesan parcialmente.

Figura 1. Operación con membranas. La operación puede realizarse entre cualquier par de fluidos, tal como se esquematiza en la figura 2.

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Figura 2. Transporte entre dos fluidos a través de una membrana semipermeable En la tabla 1 se muestra la clasificación de los procesos de membrana

Tabla 1. Procesos de membrana

Proceso Fase Fuerza motriz Aplicaciones

Osmosis inversa L/L Dif. Presión (10-100 bar)

Desalinización de aguas Concentración suero de leche

Nanofiltración L/L Dif. Presión (5-20 bar)

Separación fraccionada de iones en solución

Ultrafiltración L/L Dif. Presión (1-10 bar)

Fraccionamiento de proteínas Clarificación de jugos de fruta

Microfiltración L/L Dif. Presión (0,1-5 bar)

Filtración estéril Pre filtración

Electrofiltración L/L Dif. Potencial Eléctrico

Desalinización de aguas Recuperación de metales

Diálisis L/L Diferencia de Concentración

Hemodiálisis Desalación de suero de leche

Separación De gases

G/G Dif. Presión (10-100 bar)

Fraccionamiento de aire Separación de metano

Pervaporación L/V Dif. Presión (vacío) Separación de soluciones Azeotrópicas (etanol/agua)

Destilación con Membranas

L/V Dif. Presión (vació) Separación de soluciones Acuosas de orgánicos

Membranas liquidas

L/L Diferencia de Concentración

Recuperación de metales de la solución

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Para el tratamiento de aguas se emplean operaciones de membranas basadas en transporte por gradiente de presión, con membranas de microfiltración, MF, ultrafiltración, UF, nanofiltración, NF o de ósmosis inversa, OI, y procesos basados en gradiente de potencial eléctrico, electrodiálisis, ED. En las figuras 3 y 4 se simbolizan el tipo de sustancias que se eliminan con los procesos gobernados por gradiente de presión.

Figura 3. Operaciones de membranas gobernadas por gradiente de presión. Ejemplo de

sustancias separadas. Figura 4. Operaciones de membranas gobernadas por gradiente de presión. Separación

secuencial de grupos de sustancias.

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2.1. Clasificación de las membranas

2.1.1 Según el mecanismo de separación El mecanismo de separación puede ser:

o Exclusión por tamaño de poro o cribado. La separación depende fundamentalmente del tamaño de la partícula o agregado molecular. Se basan en este mecanismo las membranas de microfiltración, ultrafiltración y, parcialmente, nanofiltración.

o Solución-difusión. La separación se produce por diferencias de solubilidad y difusividad de los componentes a través de la membrana. Este mecanismo es el que se produce en las membranas de ósmosis inversa.

o Intercambio iónico. La separación es consecuencia de la carga de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de la membrana, que es un tipo especial de las membranas no porosas con radicales cargados electrostáticamente. Estas membranas se utilizan el los procesos de electrodiálisis

2.1.2 Según la estructura física o morfología El desarrollo de los procesos de membranas es relativamente reciente. A finales de los 50, Reid y Breton descubrieron que las membranas de acetato de celulosa tenían la capacidad de rechazar sales. Sin embargo, el flujo de agua a través de estas membranas muy densas era demasiado bajo. A partir de 1960, ha habido una rápida expansión de la utilización de membranas en procesos de separación a escala industrial propiciada por dos hechos: A principios de los años 60, Loeb y Sourirajan desarrollaron una membrana asimétrica de acetato de celulosa que permitía elevar significativamente los flujos de permeado respecto a la membrana homogénea y extender las aplicaciones de las membranas para el tratamiento de agua potable y residual. Por otra parte se hizo posible la progresiva estandarización y fabricación de módulos de membranas como dispositivos compactos, baratos y fácilmente intercambiables donde poder ubicar grandes superficies de membrana. Una clasificación muy útil de las membranas sintéticas es la que se hace atendiendo a su estructura o morfología, que se muestra en la figura 5. Los dos grandes grupos son: a) membranas simétricas, con estructura uniforme en todo su espesor y b) membranas asimétricas (de las que se muestra una micrografía en la figura 6), son aquellas constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos) que es la capa activa responsable de la separación y otra capa más gruesa con estructura distinta al resto, que le confiere resistencia mecánica. La película responsable del proceso de separación y la que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material o con materiales diferentes (membranas de tipo composite). Además dentro de cada grupo se pueden distinguir:

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o Membranas porosas (separación por efecto de cribado), que poseen poros

que pueden ser de diferentes tamaños. Las operaciones de Microfiltración (MF), Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) usan membranas porosas.

o Membranas no porosas o densas (separación por mecanismo de solución-difusión). Estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la membrana sigue un modelo de solución-difusión, en el que los componentes de la solución se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella. La diferente solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones. El espacio entre las cadenas de macromoléculas es la única "área de paso" para la difusión molecular. La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de membranas. En estos procesos las membranas son de tipo anisótropo o asimétrico.

Figura 5. Clasificación de las membranas según su morfología

Figura 6. Micrografía de una membrana asimétrica

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Así pues, la membrana se puede presentar bajo dos microestructuras extremas: película densa u homogénea y membrana porosa. Entre ambos extremos puede aparecer una amplia gama de microestructuras. La estructura porosa es poco selectiva, realizando la separación por un efecto de tamizado. La película densa, en cambio, es muy selectiva, sólo deja pasar aquellas substancias que presentan afinidad con el material que forma la membrana. Presenta el inconveniente de que la densidad de flujo que deja pasar es muy pequeña. Si se desea aumentar la densidad de flujo hay que reducir drásticamente el espesor de la membrana. Esta reducción provoca una disminución de la resistencia mecánica de la membrana, haciendo que pueda tener poca utilidad. Como se ha comentado anteriormente Loeb y Sourirajan desarrollaron en 1963 las membranas de tipo asimétrico, lo que permitió utilizar membranas de tipo denso de espesor muy pequeño soportadas por una estructura porosa que es la que confiere la resistencia mecánica necesaria. El material de la película densa y el del soporte poroso pueden ser el mismo (membranas asimétricas porosas) o distinto (membranas compuestas).

2.1.3 Según su geometría Pueden ser planas o cilíndricas. Entre las cilíndricas cabe distinguir:

o Membrana tubular con diámetro interior > 3 mm o Membrana de fibra hueca con diámetro interior < 3 mm. Con diámetro

exterior entre 80 y 500 m se utiliza en OI, diámetros mayores a estos se utilizan en UF y MF, con lo cual reciben el nombre de membranas capilares.

2.1.4 Según su naturaleza química Pueden ser orgánicas (polímeros) o inorgánicas (metales, cerámicas, vidrio, etc.). Entre las de naturaleza orgánica cabe distinguir entre las de carácter hidrófilo (derivados de acetato de celulosa, poliamidas, poliacrilnitrilo,…) y las de carácter hidrófobo (polietileno, polifluoruro de venildeno, politetrafluoretileno, policarbonato, isopropileno). Las membranas inorgánicas poseen mayor estabilidad química, mecánica y térmica que las orgánicas. En consecuencia son más utilizadas en la industria química, principalmente para tratamiento de fluidos agresivos o de alta temperatura y donde se precisa esterilización térmica.

2.2. Módulos de membranas

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Para las operaciones con membranas es necesario disponerlas en un dispositivo en el que se puedan poner en contacto con la corriente alimento para obtener las corrientes de permeado y rechazo. Este dispositivo se denomina módulo y debe cumplir una serie de características como soportar las presiones de trabajo, facilitar la limpieza o reposición de membranas, resistir agentes de limpieza química, etc. Esta unidad operacional consta de membranas, estructuras de soporte de presión, puertos de entrada de la alimentación, distribuidores del caudal y puntos de salida y drenaje del permeado y concentrado. Existen cinco tipos de configuración de módulos: cartucho, placa-bastidor, espiral, tubular y capilar.

2.2.1 Cartucho de membranas Las membranas, convenientemente plegadas, se enrollan alrededor de un colector de permeado, empaquetándose habitualmente en una carcasa cilíndrica. Se disponen en línea con el flujo que se desea tratar (alimentación), quedando los contaminantes retenidos en la membrana y generándose un efluente depurado (permeado). Los cartuchos de membranas suelen ser desechables. En la figura 7 se muestra la membrana enrollada, el colector de permeado, una carcasa cilíndrica y el esquema de funcionamiento.

Figura 7. Cartuchos de membrana Los cartuchos se suelen emplean en múltiples operaciones de separación, en muchos casos como etapa previa a una operación de membranas posterior.

2.2.2 Módulo de placa-bastidor Los módulos de placa-bastidor emplean conjuntos de membranas planas separadas por un elemento separador por el que se alimenta el agua a tratar y que además le confiere resistencia física al conjunto. Cada dos membranas tendrán la capa activa hacia el interior de tal forma que el agua perneada circula de dentro hacia afuera. El permeado se recoge en un “colector de permeado” y se

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dirige mediante conducciones hacia el exterior. En la figura 8 se muestra el esquema de funcionamiento y una fotografía.

Figura 8. Módulo plano o de placa-bastidor Este tipo de módulos se emplea en microfiltración y ultrafiltración.

2.2.3 Módulo de arrollamiento en espiral El módulo de arrollamiento en espiral es una especie de sándwich formado por dos membranas planas + elemento por el que circula el flujo de agua a tratar + elemento colector de permeado, que se envuelve en forma espiral de tal forma que la parte interior del elemento colector de permeado conduce el agua tratada hacia un tubo central a través de unos orificios practicados en el mismo. El sistema se sella externamente. El agua a tratar se introduce en sentido axial. En la figura 9 se presenta un esquema del funcionamiento.

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Figura 9. Módulo de arrollamiento en espiral Estos módulos se emplean para ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa.

2.2.4 Módulo tubular Los módulos tubulares están formados por membranas cilíndricas, normalmente de 5 a 15 mm de diámetro, ubicadas en un tubo exterior, y son la configuración modular más simple.

Son menos propensas a ensuciarse que las membranas en otras configuraciones, ya que proporcionan un camino hidrodinámico simple al flujo y se limpian mecánicamente de una manera más sencilla. Una ventaja operacional importante es que las membranas tubulares pueden soportar cargas mucho mayores de materia en suspensión que cualquier otra configuración y que pueden ser operadas con un pretratamiento del agua relativamente sencillo.

En la figura 10 se muestra un esquema de funcionamiento y algunas fotografías de membranas de distinto diámetro

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Figura 10. Módulos tubulares

En este tipo de configuración se pueden encontrar membranas de material cerámico. El flujo habitual del agua a tratar es por el interior de las membranas cilíndricas, recogiéndose el permeado por el exterior.

Las aplicaciones son normalmente para microfiltración

2.2.5 Módulo capilar o de fibra hueca Los módulos capilares son similares a los tubulares pero el diámetro de las membranas capilares es mucho más pequeño que el de las membranas tubulares, concretamente de 0.5 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores. Una ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor. Cuando las membranas tienen un diámetro del orden o inferior a 0.1 µm se denominan de fibra hueca. En este caso las membranas pueden ser homogéneas, por lo que el flujo de permeado puede ser hacia fuera o hacia dentro. En la figura 11 se presenta una disposición empleada en MBR y un módulo capilar convencional, junto con una sección de una fibra. Hay dos diferentes regímenes de flujo en la fibra hueca: interior - exterior y exterior-interior. Cuando el agua esta fluyendo a través de un canal el interior-exterior permite un buen control hidrodinámico del módulo. Por otro lado es más difícil controlar el flujo exterior-interior (si es flujo cruzado) ya que se crean zonas muertas, sin embargo una ventaja de esta distribución es que hay menos pérdidas de carga

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Figura 11. Módulos capilares Las aplicaciones son ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa

2.3 Flujo a través de la membrana

El flujo a través de la membrana es en forma de flujo tangencial o flujo cruzado (cross-flow). Tal como se ilustra en la figura 12 la tecnología de filtración convencional realiza el bombeo de toda la corriente líquida a través del material de filtro, o sea con flujo perpendicular o a través (through-flow) al medio filtrante, y se produce una acumulación progresiva de partículas en el filtro que provoca una progresiva disminución de caudal (o necesidad de aumento de presión) y obliga a operar de forma intermitente. En cambio el flujo tangencial o cruzado permite el procesamiento continuo de las corrientes líquidas. Con esta tecnología el caudal completo a tratar fluye por encima de y paralela a la superficie de la membrana, y debido a que se encuentra presurizado, el agua es forzada a través del filtro. El flujo turbulento sobre la superficie minimiza la acumulación de partículas sobre la misma y facilita la operación continua del sistema.

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Figura 12. Flujo perpendicular y flujo trasversal

2.4. Ensuciamiento

El ensuciamiento es el factor más significativo que afecta el rendimiento de la operación con membranas, causando una reducción en la calidad y el caudal del agua de producto. En general, la mayoría de materiales que ensucian pueden ser incluidos en los grupos:

Sólidos suspendidos Precipitados Material coloidal Óxidos metálicos Aceite/grasa Materiales biológicos

El ensuciamiento a través de sólidos suspendidos es el resultado de una acumulación de partículas en la superficie de la membrana o bien en los poros, que pueden ser bloqueados o parcialmente obstruidos por adsorción de pequeñas partículas, tal como se muestra en la figura 13.

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Figura 13. Distintas mecanismos de ensuciamiento de membranas La formación de precipitados se puede producir con ciertas sales parcialmente solubles, cuyos límites de solubilidad son excedidos durante el proceso de concentración del sistema de membranas. A modo de ejemplo cabe citar el carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio y fluoruro de calcio. Dentro de las tecnologías de membrana, este fenómeno solamente puede ocurrir en los sistemas de ósmosis inversa donde se produce la concentración de materiales iónicos. Los materiales coloidales que en condiciones normales de flujo no se separan de la solución, tienden a aglomerarse y precipitarse al ser forzados a juntarse como resultado de su concentración en las proximidades de la membrana. En ocasiones originan una especie de gel sobre la superficie de la membrana. La deposición de óxidos metálicos ocurre comúnmente en compuestos de hierro, aluminio y, en un menor grado, manganeso. El hidróxido de hierro insoluble puede ser el resultado de hierro coloidal, oxidación de hierro ferroso en la corriente de alimentación, productos de la corrosión del hierro en el agua de alimentación, o de componentes del mismo sistema. El hidróxido de aluminio tiene una solubilidad mínima a un pH de 6.6, y ocurre a menudo en suministros de agua como resultado de la adición de sulfato de aluminio que puede ser usado por la planta de potabilización. El hidróxido de manganeso se encuentra a menudo en cantidades muy pequeñas en suministros de agua de alimentación. Los aceites y grasas son sustancias insolubles en agua. Estos contaminantes se encuentran a menudo en el agua como emulsión de tamaño de coloides que son muy estables en el agua. Los materiales de aceite/grasa pueden provocar el cubrimiento de la superficie de la membrana. A menudo puede ocurrir que la permeabilidad selectiva de ultrafiltración y de membranas de OI “rompe” la emulsión aceite/ agua y el aceite libre que resulta es atraído hacia la superficie de la membrana.

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Polarización y ensuciamiento de las membranas

Flu

jo

Tiempo

Flujo sin limpieza

Inte

rva

lo

de

flu

jo

adm

isib

le

Limpieza química

Retrolavados

El ensuciamiento biológico es el resultado de microorganismos que literalmente crecen en la superficie de la membrana y forman una “biocapa” o “biopelícula”. Algunas células bacterianas están rodeadas por una capa de material viscoso, llamada glicocalix, compuesto por polímeros de azúcares (polisacáridos). La capa del polímero es una matriz de glicocalix que se pega a una superficie y los microorganismos se colonizan en la biocapa. Además de servir como estructuras para estabilizar las colonias, las biocapas protegen de los desinfectantes a los microorganismos y también los protegen de ser eliminados por el agua en movimiento. Además ayudan a capturar alimento de la corriente. Con los sistemas de membrana, el crecimiento de la biocapa crea una capa que atrapa las sales y previene que el flujo turbulento mezcle totalmente los solutos en la corriente de alimentación. Además ocurre otro fenómeno conocido como concentración de polarización. Mientras se acumula la capa de contaminantes que ensucian a la membrana, los materiales disueltos quedan atrapados en la capa y no pueden dispersarse fácilmente de vuelta a la corriente de alimentación. Mientras aumenta su concentración, algunos pueden precipitar o pueden pasar a través de la membrana. El resultado neto es una pérdida de calidad del agua de producto como resultado directo de concentración de polarización. Una forma de minimizar este problema es procurar condiciones de flujo turbulento en las proximidades de la membrana, para facilitar la dispersión de contaminantes en el flujo de alimento. Como consecuencia del ensuciamiento el flujo tiende a disminuir, tal como se muestra en la curva inferior de la figura 14.

Figura 14. Evolución del flujo a través de la membrana debido al ensuciamiento. Efecto de los retrolavados y de la limpieza química.

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Para evaluar el ensuciamiento que provoca en una membrana una determinada mezcla a tratar, se emplea el Índice de Ensuciamiento “SDI” (Silt Density Index), que es un ensayo que estima la disminución del flujo a través de una membrana como efecto del ensuciamiento de la misma, a una presión constante de 30 psi. El aparato para medir SDI consiste en un regulador de presión y un portafiltros, en el cual se coloca un filtro de 0.45 micras de poro, tal como se esquematiza en la figura 15.

Figura 15. Dispositivo para la medida del SDI El procedimiento es el siguiente:

1. Se coloca un filtro limpio en el portafiltro. 2. A presión de 30 psi, se determina el tiempo que tarda en filtrarse 500 mL

del agua en observación. 3. Se deja correr el agua a través del filtro por 15 minutos. 4. Después de los 15 minutos, se determina nuevamente el tiempo que tarda

en filtrarse 500 mL del agua en estudio. El SDI se calcula con la expresión: SDI = 100(1 - t1/t2)/T donde: T = tiempo entre mediciones (15 minutos) t1 = tiempo necesario para filtrar 500 mL de muestra, al inicio de la prueba. t2 = tiempo necesario para filtrar 500 mL de muestra, al final de la prueba.

2.5 Limpieza

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La limpieza es necesaria ya que el agua a tratar siempre contiene algunas de las sustancias que provocan el ensuciamiento de la membrana. Como regla general, el momento de limpiar la membrana puede ser cuando ocurra una reducción en un cierto porcentaje (puede ser 10 %) ya sea en el caudal del agua de producto o la calidad de la misma, o cuando sea necesario aportar una presión 10 % superior a la nominal de operación. Cuando se presenta una elevada concentración de polarización, con membranas de NF u OI, una disminución en la calidad del agua de producto podría señalar el inicio del ensuciamiento antes que una disminución en el caudal del permeado. Una forma de actuar consiste en modificar temporalmente las presiones para aumentar la velocidad del caudal de alimentación sobre la superficie para arrastrar los materiales que causan el ensuciamiento de la superficie de la membrana. Un sistema de membranas bien diseñado incluye un sistema de limpieza “in situ”. Dependiendo de la naturaleza del material que causa el ensuciamiento y el tipo de agente limpiador utilizado, la solución puede ser calentada y la membrana expuesta a altas velocidades, etc. Además, la solución de limpieza suele usarse nuevamente varias veces antes de desecharla. El retrolavado es una operación habitual en muchos procesos, incluido el de filtración convencional, para eliminar los contaminantes retenidos en la superficie y poros de la capa activa de la membrana. Se realiza con agua permeada y permite recuperar parcialmente el flujo, tal como se muestra en la figura 14. El lavado químico se utiliza cuando el retrolavado no consigue recuperar el flujo a valores admisibles para la operación, o sea dentro del flujo nominal (figura 18). Los tipos de productos químicos para limpieza que se encuentran disponibles son tan variados como lo son los tipos de materiales que ensucian la membrana. La eliminación de precipitados se logra a menudo a través de la limpieza con un ácido orgánico, por ejemplo ácido cítrico o ácido sulfámico o con productos químicos quelantes tales como EDTA. Los ácidos minerales tales como el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico son muy efectivos, pero es peligroso manipularlos y pueden atacar ciertos polímeros de la membrana. Los materiales coloidales que causan ensuciamiento pueden ser eliminados con agentes quelantes o dispersantes, a menudo en combinación con surfactantes. Los óxidos de metal reaccionan favorablemente con los limpiadores ácidos y agentes quelantes. Las biocapas son eliminadas de manera efectiva con enzimas, a menudo acompañadas por agentes quelantes. Las materiales de aceite/grasa que causan ensuciamiento pueden ser disueltos con soluciones alcalinas que contienen surfactantes y agentes emulsionantes tales como el sulfato laurilico de sodio. Las soluciones alcalinas fuertes pueden hidrolizar los polímeros de membrana celulósica.

2.6 Necesidades de bombeo

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Las operaciones de membrana pueden requerir hasta tres tipos de bombas, tal como se muestra en la figura 16: bomba de alimentación de agua alimento que proporcione el caudal y presión apropiada (suelen ser de velocidad variable para mantener el caudal), bomba de recirculación cuando es necesario y bomba de retrolavado.

Figura 16. Bombeo necesario en la microfiltración.

3. Parámetros de funcionamiento de las membranas Los parámetros que definen el funcionamiento de una membrana respecto a su capacidad de separación son la permeabilidad y la selectividad. Ambos dependen de las características intrínsecas de la membrana y de la operación que se este realizando, y están relacionados con la morfología de la membrana y con las interacciones entre ésta y las especies que se desean separar.

3.1 Permeabilidad

La permeabilidad indica la cantidad de disolvente que atraviesa la membrana. Mide la densidad de flujo de permeado, J, (en muchos textos científicos se denomina simplemente flujo), que es el caudal volumétrico por unidad de superficie que atraviesa la membrana. En un proceso de filtración a través de una membrana se observa una dependencia lineal del flujo con la diferencia de presión, lo que permite considerar la membrana como un medio poroso al que se le puede aplicar la ley de Darçy:

Alimentación

Recirculación

Retrolavado

Agua bruta

Agua

Rechazo

Membrana

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Z

PB

ciatransferendeÁrea

ciatransferendeVelocidadJ

o

donde: J = densidad de flujo de permeado, L T-1 Bo = permeabilidad al soluto, L2 (esta permeabilidad de las membranas se puede relacionar con propiedades microestructurales de las mismas como la porosidad total, el radio medio de los canales internos y la tortuosidad de los mismos) ∆P = presión transmembrana, M L-1 T-2 μ�= viscosidad dinámica, M L-1 T-1 Z = espesor de la capa activa de la membrana, L

A menudo el espesor de la capa activa es difícil de medir, por lo que se introduce la permeabilidad específica, Bo/Z, o su inversa r = Z/Bo, que representa la resistencia específica a la transferencia de materia. De esta forma el flujo se expresa como:

r

PJ

3.2 Selectividad

La selectividad de la membrana con respecto a una especie es cuantificada mediante el porcentaje de rechazo de dicha especie, R, o eficacia de la separación, que relaciona las concentraciones de esa especie en la alimentación y en el permeado (es el complementario a cien del porcentaje de paso de sales).

100)C

C - (1=R

b

p

donde: Cp = concentración en el permeado, M L-3 Co = concentración en la alimentación, M L-3

La selectividad de una membrana es también cuantificada por su umbral de corte, que se corresponde con la masa molecular de la molécula más pequeña que es retenida al 90 %. Este parámetro se puede calcular obteniendo el porcentaje de rechazo en función de la masa molecular. En general, se habla de intervalo de corte y no de umbral, pues la dispersión de tamaño que presentan los poros de la membrana, la amplia gama de masas moleculares con las que se puede tropezar, etc., hace que las partículas sean parcialmente retenidas en una zona más o menos grande y que no se pueda hablar puntualmente de un umbral de corte. En los procesos de ultrafiltración la zona de corte se determina con la ayuda de proteínas patrón de masa molecular conocida mientras que en microfiltración se habla, preferentemente, de diámetro medio de poros.

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Es necesario destacar que estos parámetros: el porcentaje de rechazo, el flujo de permeado y el intervalo o el umbral de corte no definen por si solos el comportamiento de un sistema en funcionamiento. Además intervienen todo un conjunto de propiedades como son las características de la membrana (material, porosidad, tamaño de poros, carga de superficie), la naturaleza y la composición de las especies presentes, las condiciones de operación (presión aplicada, concentración, temperatura, pH y fuerza iónica) o la hidrodinámica del sistema. Por tanto, son necesarios ensayos con la suspensión real para una correcta selección de la membrana adecuada y encontrar un compromiso satisfactorio entre las exigencias de rentabilidad de la operación y los criterios de calidad del producto final.

4. Tipos de procesos empleados Como ya se ha comentado, aunque existen otros procesos más de separación mediante membranas, son la microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa y electrodiálisis los que se utilizan para el tratamiento de afluentes residuales de tipo urbano e industrial y tratamiento de aguas en general.

4.1 Microfiltración

La microfiltración (MF). Es una operación de membrana empleada desde muy antiguo que utiliza el gradiente de presión como fuerza impulsora. El mecanismo es de cribado a través de los poros. Las membranas usadas para la microfiltración son porosas y normalmente simétricas, teniendo un tamaño de poro de 0,1 – 10 µm. Separa partículas, algunos coloides grandes, bacterias y levaduras. Parte de la contaminación viral también es atrapada en el proceso, a pesar de que los virus son más pequeños que los poros de la membrana de microfiltración, debido a que los virus se pueden acoplar a las bacterias. Los tipos de módulos empleados son los de placa-bastidor y los tubulares (diámetros de 1 a 2,5 cm). También son muy empleados los módulos de cartucho cuando la MF se emplea como pretratamiento de otras operaciones. Respecto al pretratamiento de la MF bastan pocos requerimientos en comparación con los procesos convencionales de clarificación del agua, donde se añaden coagulantes y otros productos químicos antes de la filtración. Algunas veces se utilizan ayudantes de filtración, como caolín o caliza, para formar una torta y mejorar la filtrabilidad del agua. Una de las aplicaciones principales de la MF es la eliminación de microorganismos. Los organismos patógenos principales en un agua son virus, bacterias y protozoos. El tamaño de los poros de MF es más grande que el

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tamaño de los virus, sin embargo la formación de la capa de una torta sobre la superficie de la membrana tiene como efecto la eliminación de virus, aunque hay mejores resultados para la membrana de UF que la de MF para la eliminación de virus. Para bacterias UF y MF reportan resultados similares. Otra aplicación es la eliminación de partículas en general y la de materia orgánica natural. Además de su aplicación a los MBR, algunos de los sectores industriales en los que se usa la MF son:

o Pretratamiento de aguas potables. Eliminación de materia orgánica natural, partículas y microorganismos

o Aclarado de zumos de frutas, vinos y cerveza. o Separación de bacterias del agua en el tratamiento biológico de aguas

residuales. o Deshidratación de lodos. o Separación de emulsiones de agua y aceite. o Pretratamiento del agua para nano filtración y ósmosis inversa. o Separación sólido-líquido para industria farmacéutica e industrias

alimentarias. Empleo de MF como pretratamiento de UF o de OI1 El sistema más utilizado es el de los filtros de cartuchos con poros de 5 a 10 micras. Los cartuchos, que suelen ser de polipropileno bobinado, extrusionado o plegado, tienen un alma o cuerpo central tubular sobre el que se enrolla (en el caso del bobinado) el material filtrante, de modo que las partículas quedan retenidas en su superficie y el agua pasa a través del medio filtrante hacia el tubo central. Un filtro de cartuchos tiene una cantidad de unidades de filtración según el caudal a filtrar y puede ir desde un cartucho (en plantas semiindustriales) hasta grandes cantidades (p.e. 200). Los materiales de fabricación del cuerpo de los filtros deben ser resistentes a la corrosión y a la presión (normalmente ésta será inferior a 6 bar). Se emplean plásticos y acero, tal como se muestra en la figura .

1 Domingo Zarzo. Pretratamientos físicos. Curso de desalación AEDyR 2011. Alicante

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PRFV (plástico reforzado con fibra de vidrio)

PVC (plástico de cloruro de polivinilo)

Acero inoxidable Acero al carbono

Figura 17. Materiales de los cuerpos de los filtros

El diseño de los filtros de cartuchos es sencillo y también se basa en la velocidad de filtración. Una velocidad típica de filtración de un filtro de cartuchos para pretratamiento ósmosis inversa puede estar en el entorno de 15 m3/h por m2 y conociendo la superficie por cartucho (p.e. 0,188 m2 por cartucho bobinado de 40”) y el caudal a filtrar, es sencillo determinar el número de cartuchos necesario. Los tamaños de los cartuchos están estandarizados, siendo los más comunes en plantas grandes los de 40” y 50” de longitud. A diferencia de los sistemas de filtración tangencial, los filtros de cartuchos no se limpian, sino que cuando se detecta ensuciamiento los cartuchos deben ser sustituidos, debiendo considerar éstos como un elemento consumible de la instalación. Respecto al grado de filtración del cartucho encontramos en el mercado valores que van desde aproximadamente 1 μm a 50 μm. Dentro de los grados de filtración se emplean dos términos:

Nominal: un grado de filtración nominal significa que el filtro eliminará al menos el 95% de las partículas de ese tamaño.

Absoluto: un grado de filtración absoluta significa que el filtro eliminará al menos el 99% de las partículas de ese tamaño.

El tipo de cartucho que más se emplea en OI es el de 5 μm de grado de filtración nominal, por ser posiblemente uno de los que consigue una mejor relación entre

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coste, funcionamiento, etc. Los dos más empleados en OI son Polipropileno expandido y Polipropileno bobinado (figura 18).

Polipropileno expandido Polipropileno bobinado

Figura 18. Cartuchos de polipropileno

4.2 El proceso de Ultrafiltración2

La ultrafiltración (UF) es una técnica que opera debido a una diferencia de presión como fuerza impulsora, tal como la MF. Se separan partículas que se encuentran en el rango entre 0,001 μm a 0,05 μm, equivalente a pesos moleculares entre 0,5 y 500 kD, aproximadamente. El solvente y los solutos de bajo peso molecular (tales como azúcares, sales, aminoácidos) pasarán a través de la membrana, quedando retenidas las grandes moléculas. Por esto, la principal aplicación de la UF es la concentración, fraccionamiento y purificación de macrosolutos en solución acuosa, tales como proteínas y carbohidratos

En ultrafiltración el tamaño de poros se expresa en términos del peso molecular de las sustancias que pueden ser retenidas por la membrana. Para la UF, el gradiente de concentración causado por la acumulación de sustancias de alto peso molecular, en el líquido adyacente a la membrana, determina un efecto osmótico despreciable. En ausencia de fenómenos de incrustación superficial el flujo de permeado, J, se rige por la ley de Darcy, o sea es directamente proporcional a la diferencia de presión aplicada e inversamente proporcional a la viscosidad de la fase líquida.

Los polímeros más empleados en la confección de membranas de ultrafiltración son la polisulfona y la polietersulfona (Figura 19). Estos polímeros presentan una notable estabilidad térmica, resistencia a condiciones extremas de pH (entre 1 y 13), buena resistencia a agentes oxidantes y capacidad de ser configurada en diferentes geometrías.

2 Un análisis interesante de este proceso se encuentra en: http://ambiente.usach.cl/~jromero/imagenes/GUIAS%20MEMBRANA/Documento%201%20Antecedentes%20generales%20sobre%20membranas.pdf (acceso 7/02/2012)

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Figura 19. Estructura de la polisulfona y la polietersulfona Para las membranas de UF se pueden emplear también materiales de tipo inorgánico, entre los que se cuentan óxido de zirconio, alúmina y otros materiales cerámicos.

4.2.1. Transporte de materia en una membrana de UF El transporte de materia en membranas de ultrafiltración se corresponde a flujo viscoso a través de un medio poroso. La figura muestra 20 un esquema del tipo de transporte en la membrana. Figura 20. Esquema de flujo a través de una membrana de UF. La viscosidad, μ, de la fase líquida afecta directamente al flujo de la membrana UF. Este comportamiento es similar en el proceso de microfiltración. Es importante destacar estos procesos operan como filtración tangencial. El flujo a través de una membrana UF puede modelarse mediante la ley de Hagen-Poiseuille modificada, obteniendo para el flujo de permeado, J

P:

donde: ∆P : diferencia de presión transmembrana μ : viscosidad del permeado ε : porosidad de la membrana S

(V) : superficie específica de la membrana

τ : tortuosidad δ : espesor de la membrana

Algunas suposiciones para aplicar la ecuación anterior son:

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• El flujo a través de los poros es laminar, suposición válida considerando el pequeño tamaño de éstos y su distribución en la membrana.

• Densidad del fluido constante, por tanto incompresible. • Flujo independiente del tiempo (operación en estado estacionario). • Fluido Newtoniano. • Ausencia de perfiles en el área cercana a la membrana.

Los diferentes parámetros característicos de membrana de la ecuación anterior pueden resumirse en una constante de permeabilidad hidráulica de la membrana, κ, obteniéndose la ley de Darcy para flujo unidimensional: donde R

M es la resistencia del medio filtrante (membrana). Esta ecuación es

aplicable para flujo de solvente, en ausencia de otros fenómenos tales como polarización por concentración, incrustaciones de solutos, etc. La diferencia de presión transmembrana no es constante a lo largo del módulo de ultrafiltración, puesto que la presión por el lado de la alimentación disminuirá a causa de las pérdidas de carga a lo largo del ducto. Para efectos prácticos, se define una magnitud representativa de la diferencia de presión transmembrana como:

donde: ∆P : diferencia de presión transmembrana P

a : presión de ingreso de la alimentación

Pc : presión de salida del concentrado

Pp : presión de salida del permeado

4.2.2 Acumulación de solutos e incrustación

Los solutos que se acumulan en la superficie de la membrana provocarán una disminución del flujo de permeado. La adsorción de solutos e incrustación de la membrana adicionarán una nueva resistencia al transporte de materia, denominada resistencia de incrustación (“fouling”) R

f que puede ser más

significativa que la resistencia de membrana, RM. De esta manera, la ecuación de

Darcy adopta la siguiente forma:

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La disminución del flujo debido a la incrustación se verificará hasta un valor límite de la presión. Más allá de este valor el flujo de permeado se independizará de la diferencia de presión ejercida. Bajo tales condiciones es posible aumentar el flujo sólo si se incrementa la velocidad de flujo de alimentación. Se comprende que la presión sólo puede aumentarse hasta un cierto valor debido a consideraciones de resistencia mecánica del equipo y también por consideraciones de transporte de materia en el líquido debido a que un mayor flujo de permeado aumenta la compactación de materiales depositados en la membrana, induciendo su gelificación. Diversas soluciones de macromoléculas, tales como proteínas y polisacáridos, pueden gelificar a concentraciones entre 3 y 10% en peso, dependiendo del tipo de sustrato. Bajo tales condiciones se adiciona una nueva resistencia hidráulica de la capa gelificada, R

C. Bajo tales

circunstancias el flujo obtenido ya no depende de la permeabilidad de la membrana. Los procesos de incrustación y de gelificación pueden literalmente anular la productividad de la membrana, momento en el cual se recomienda detener el proceso de filtración y lavar adecuadamente las membranas.

4.2.3 Selectividad de una membrana de ultrafiltración La selectividad de una membrana de ultrafiltración se cuantifica a través de la curva de corte molecular o “cut-off”. El peso molecular de corte se usa para describir la capacidad de retención de la membrana y se refiere a la masa molecular de un macrosoluto (normalmente polietilenglicol, dextrano o proteína) para el que la membrana tiene una capacidad de retención mayor del 90%. Los fabricantes utilizan el concepto de “cut-off” para caracterizar sus membranas UF. Por ejemplo, una membrana de cut-off igual a 40.000 rechazará en un 90% a los solutos cuyo peso molecular sea mayor que 40.000 Daltons. Es importante indicar que en una solución con especies de diferentes pesos moleculares, se deberá cuantificar el rechazo para cada especie en particular.La Figura 21 muestra una comparación esquemática entre una membrana de cut-off de curva cerrada y otra de cut-off de curva difusa, de donde se puede deducir que mientras más aguda (“cerrada”) resulte la curva obtenida, mejor será calidad de separación de la membrana.

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Figura 21. Comparación esquemática entre una membrana de cut-off de curva cerrada y

otra de cut-off de curva difusa

4.2.4 Caracterización de membranas de UF

En la Tabla 3 se muestran algunas propiedades de membranas porosas y su método de determinación.

Tabla 3. Propiedades y métodos de caracterización de membranas

Propiedad Método de Determinación Importancia Tamaño de poro y su distribución

Porosimetría de Hg, Punto de burbuja, Microscopía electrónica

Propiedad crítica de la membrana

Porosidad de superficie Flujo de permeado

Retención, Rechazo Pruebas de permeación de macrosolutos

Capacidad de separación

Flujo de permeado Medición de razones de flujo

Economía del proceso

Estabilidad ante la temperatura

Exposición a altas temperaturas

Flujo de permeado, esterilización

Esterilidad Pruebas de esterilidad Producto libre de microorganismos

Resistencia a solventes Pruebas de compatibilidad Estabilidad, limpieza, vida útil

Grosor Instrumento adecuado de medición

Resistencia mecánica

4.2.5 Aplicaciones de la UF Las aplicaciones incluyen:

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o Tratamiento terciario de aguas residuales o Biorreactores de membrana o La industria de productos lácteos (leche, queso) o La industria alimentaria (proteínas) o La industria del metal (separación de emulsiones agua/aceite,

tratamiento de pinturas) o La industria textil o Pretratamiento del agua antes de la nanofiltración o de la ósmosis

inversa

4.2.6 Membranas de MF/UF más comunes del mercado (relación no exhaustiva) En la tabla 4 se indican algunos de los fabricantes más importantes de membranas de MF y UF

Tabla 4. Fabricantes de membranas de MF y NF Fabricante Imagen Observaciones

MEMCOR

Membrana capilar de microfiltración utilizada para tratamientos terciarios y pretratamientos de ósmosis inversa y últimamente, membranas sumergibles de PP o PVDF

ZENON

Membrana Zeewed; fue una de las primeras membranas sumergibles que apareció en el mercado y en la actualidad, una de las más utilizadas para la aplicación de MBR.

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NORIT

Norit ha desarrollado una membrana en configuración espiral semejante a las membranas de ósmosis inversa, que puede ser instalada en tubos de presión estándar de ósmosis inversa. Cuenta asimismo con la membrana X-flow, capilar.

PALL

Es un fabricante de productos de filtración para industria, con un gran número de productos y aplicaciones, incluyendo en la actualidad tratamientos de agua residual.

FILTERPAR

Esta compañía lleva muchos años trabajando en la industria con membranas de ultrafiltración capilares cerámicas u orgánicas.

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RHODIA – ORELIS – PLEIADE (Rhone Poulenc)

Este es el nombre comercial de una membrana plana desarrollada bajo una patente de Dow, pero en la actualidad comercializada por Filterpar desde Italia.

KUBOTA

Fabrica membranas orgánicas planas sumergibles para MBR y también membranas cerámicas

OTROS: IMT, INGE, Sterapore, Aquasource, Polimem, Mitsubishi, Asahi, etc

4.3. Nanofiltración

La nanofiltración (NF), es un proceso de filtración por membranas operadas bajo presión en la que solutos de bajo peso molecular (1000 daltons) son retenidos, pero las sales pasan, total o parcialmente, a través de la membrana con el filtrado. Esto provee un rango de selectividad entre las membranas de Ultrafiltración y Osmosis Inversa, permitiendo simultáneamente concentración y desalación de solutos orgánicos. La membrana de NF retiene solutos que la UF pasaría, y deja pasar sales que la OI retendría. En algunas aplicaciones, su selectividad entre moléculas de tamaños similares es la clave del éxito del proceso de separación con membrana. Permitiendo un paso, prácticamente libre, de iones monovalentes, la membrana de nanofiltración reduce el incremento del gradiente de presión osmótica, a la que contribuyen las sales monovalentes. Como resultado es posible una mayor caudal de producto (permeado)

Los módulos de NF pueden ser de fibra hueca o espirales.

La eliminación de turbidez o especies biológicas pueden realizarse por NF pero es más barato por UF y MF. La NF elimina color, dureza y es adecuada para el control de los subproductos de desinfección. Algunos sectores de aplicación son:

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o Recuperación de cáusticos y ácidos o Eliminación de pesticidas o Eliminación de metales pesados o Reciclado de agua en lavanderías o Ablandamiento del agua

4.4 Ósmosis Inversa

La ósmosis inversa (OI), también llamada hiperfiltración, permite la separación de sustancias muy pequeñas como iones inorgánicos. Para que ello ocurra, la fuerza impulsara (diferencia de presión) debe ser mayor que la presión osmótica (de ahí el nombre de ósmosis inversa). Esto obliga a trabajar a presiones elevadas (10 a 80 atm. en función de la concentración de iones). Las membranas son de tipo asimétrico con una capa homogénea, dejando pasar el agua y reteniendo, según las membranas, entre un 9 y un 99% de los elementos minerales disueltos, del 95 al 99% de los elementos orgánicos y, prácticamente, el 100% de los organismos y las materias coloidales más finas (bacterias, virus, sílice coloidal, etc.). El mecanismo de separación es de solución-difusión a través de la membrana. El fundamento de la ósmosis inversa es aplicar a una solución salina una presión superior a su presión osmótica con el fin de forzar al agua a pasar a través de una membrana semipermeable, separándola así de las sales que contiene.

Los módulos empleados en OI son los de arrollamiento en espiral y fibra hueca

Entre sus principales aplicaciones cabe destacar:

o Desalación de aguas salobres y agua de mar o Producción de agua pura o Concentración de solventes moleculares para industrias alimentarias

En la tabla 5 se comparan resumidamente la MF, UF, NF,y OI

Tabla 5. Resumen de los procesos de membrana que operan con gradiente de presión. Técnica Geometría Composición Aplicaciones

M.F Fibra hueca

(capilar). Tubular.

Polipropileno. Cerámica. Polisulfona. Polímero

fluorado. Fibra tejida

de poliéster.

Clarificación, también ha tenido éxito en la desinfección de aguas residuales. La desinfección por esta técnica ha tenido más éxito que la UF y OI.

Remoción de bacterias. Metales pesados.

U.F Fibra

hueca(capilar). Celulosa. Polisulfonas.

Reemplazar la clarificación y desinfección físico - química

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Tubular. Placa y bastidor. Arrollada en

espiral.

Cerámicas.

(remoción de partículas patógenas, microorganismos y material coloidal del agua potable).

Recuperación de pintura por electro deposición.

Remoción de metales pesados.

N.F Arrollada en

espiral. Fibra hueca.

Acetato de celulosa.

Poliamida.

Remoción de los subproductos de la desinfección y materia orgánica.

Remoción de nitratos y metales pesados.

Remoción de pesticidas y sales. Remoción de color y dureza.

O.I Fibra hueca. Arrollada en

espiral.

Acetato de celulosa.

Poliamida.

Retener sales y soluto de bajo peso molecular.

Retener bacterias patógenas. Obtención de agua de gran

calidad para recreo donde la arrollada en espiral de alcohol polivinilo y fibra hueca de triacetato de celulosa eran las mas adecuadas.

Remoción de sólidos totales disueltos y metales pesados.

4.5. Electrodiálisis

La electrodiálisis es un proceso que permite separar los componentes iónicos de una solución mediante el empleo de membranas semipermeables provistas de carga iónica. Estas membranas impiden el paso de iones de la misma carga y permiten el paso de iones con carga opuesta. La fuerza impulsara es un potencial eléctrico que se crea entre los electrodos y que atraviesa la solución. Colocando de forma alternativa una serie de membranas aniónicas y canónicas, se obtendrán dos tipo de compartimentos. En unos el agua estará casi desprovista de iones y en los otros tendremos una salmuera, tal como se muestra en la figura 18

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Figura 22. Electrodiálisis

5. Aspectos operacionales en separación con membranas Algunos aspectos y problemas que se producen en osmosis inversa y ultrafiltración son los siguientes.

5.1. Compactación de la membrana.

El material que compone la membrana se degrada con el tiempo de operación produciéndose un descenso en los parámetros de calidad específicos de la membrana. Esa degradación junto a la presión a la que las membranas están sometidas durante su funcionamiento da lugar a un fenómeno conocido como compactación, que produce una reducción del caudal y un aumento de la presión de operación. Esta degradación depende tanto de la presión como de la temperatura de operación de las membranas, pero la influencia de la temperatura es mayor Pero este descenso no es continuo, sino que en el primer año de funcionamiento es más prolongado, y luego se estabiliza y el descenso es más lento.

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Este problema es de características irreversibles y para contrarrestarlo en el diseño se introduce un coeficiente de corrección en los cálculos.

5.2. Polarización por Concentración

La polarización por concentración, fenómeno anteriormente comentado, provoca los siguientes problemas:

- Aumento de la presión osmótica en la zona adyacente a la membrana, y una consecuente disminución del gradiente impulsor del proceso (OI).

- Disminución de la eficiencia de separación de la membrana debido al aumento de la concentración de solutos en la capa límite (UF y OI)

- Incrustación en la superficie de la membrana debido a la precipitación de sales que exceden el límite de solubilidad (OI).

5.3. Ensuciamiento de la Membrana

Se presenta tanto como resultado de la polarización por concentración, como también por la afinidad entre compuestos de la alimentación y la membrana, tales como aceites, grasas, proteínas, compuestos orgánicos, iones metálicos, etc. Paralelamente se puede producir un deterioro químico de las membranas. Las membranas deben ser químicamente compatibles con los fluidos a tratar. Por ende se debe considerar su tolerancia a agentes oxidantes (cloro, yodo, peróxidos), ácidos y bases, solventes orgánicos e hidrocarburos. A modo de ejemplo, la baja resistencia al cloro de membranas de osmosis inversa fabricadas con poliamidas es un gran obstáculo para su empleo en la depuración de aguas previamente cloradas. Las membranas fabricadas con ésteres de celulosa (acetato y triacetato) son más clorotolerantes, aunque no pueden operar en condiciones de pH extremos, además de sufrir degradación por ataque bacteriano. El término "compatibilidad química" incluye todas las consideraciones anteriormente mencionadas y muchas más. Cada tipo de membrana tiene sus propias debilidades inherentes a ella, por lo que ninguna es útil para todas las aplicaciones.