TECNOLOGÍA DE
MEMBRANAS
Tecnología de Membranas
1. Introducción
-La membrana como elemento separador:
La tecnología de membranas se ha convertido en una parte
¡La membrana funciona como una
importante de la tecnología de la separación en los últimos decenios.
pared de separación selectiva.
La fuerza principal de la tecnología de membrana es el hecho
Ciertas sustancias pueden
de que trabaja sin la adición de productos químicos, con un uso
atravesar la membrana mientras
relativamente bajo de la energía y conducciones de proceso fáciles y bien
que otras quedan atrapadas en
dispuestas.
ella!.
El principio de funcionamiento es
bastante simple: la membrana
actúa como un filtro muy específico
que dejará pasar el agua, mientras
que retiene los sólidos suspendidos
y otras sustancias.
Tecnología de Membranas
1. Introducción
En función de los parámetros del agua a tratar y de los tipos
de membranas existe una amplia gama de aplicaciones.
Osmosis inversa
Microfiltración
- Esterilización y desionización de las aguas para
la industria
y farmacéutica.
Ultrafiltración
- Clarificación
dequímica
soluciones
coloidales y turbias.
- Desionización
del agua
de alimentación
de calderas,
- Eliminación
de partículas,
bacterias,
etc. de aguas
industria
galvánica,
electrónica,
etc.
Eliminación
de
virus, bacterias,
de- proceso
para
industria
química, pirógenos,
alimentaria
- Producción
deproceso
agua ultrapura
la industria
etc.
de aguas de
para laspara
industrias.
y farmacéutica.
electrónica.
- Desalación de salmueras y agua de mar.
Tecnología de Membranas
1. Introducción
-Membrana homogénea  transferencia por difusión
-Factores que
determinan
el transporte
través de la amembrana:
-Membrana
porosa
a
transferencia
través de los
espacios vacíos
La finalidad de la membrana es:
- O bien
evitar o alcomo
menos
la transferencia
de masa
Se presenta
unareducir
acumulación
de la especie
másde
lenta
determinado
sobre la componente.
superficie de la membrana.
- O más frecuentemente actuar como barrera selectiva, o sea
de presión
entre lasa dos
fases velocidad.
que separa
permitir el-Diferencia
paso de diferentes
especies
diferente
la membrana.
-Diferencia
de concentración
entre
las dos
que
Por tanto ¿Qué factores
determinan
el transporte
a través
defases
la membrana?
separa la membrana.
-Una diferencia
de potencial eléctrico irá acompañada
- La estructura
de la membrana.
de separación,
cuando
diferentes especies
- El tamaño
de las partículas
de las
soluto.
cargadas
presentan
diferentes movilidades en el
- Adsorción
en la interfase
membrana-disolución.
interior
deconcentración.
la membrana.
- Polarización
por
- Fuerzas generalizadas para el transporte.
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ORGANICAS
MINERALES
Tipos de membranas más utilizadas
Tecnología de Membranas
Diferencias de estructura
Según la composición de la membrana (orgánica o mineral), se trata de membranas asimétricas
o composit.
Membrana asimétrica
Membrana composit
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión
Osmosis inversa o hiperfiltración (OI)
La ósmosis inversa está basada en la búsqueda fundamental del equilibrio.
Si dos fluidos que contienen diferente concentración de sólidos disueltos son
puestos en contacto, estos se mezclarán hasta que la concentración
Aplicando unase
presión
uniformice. La aplicación más típica de este proceso essuperior
la desalación
de
a la presión
agua salada.
osmótica, el agua fluirá
en sentido inverso;
La diferencia en altura
el agua fluye desde la
se denomina presión
columna con elevado
osmótica.
contenido en sólidos
disueltos hacia la columna
con bajo contenido en
sólidos disueltos
El agua fluye desde una columna con bajo contenido en sólidos disueltos
a una columna con alto contenido en sólidos disueltos.
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión
Las aplicaciones de la ósmosis inversa son:
- Ablandamiento del agua
- Producción de agua potable
- Producción de agua procesada
- Producción de agua ultrapura (industrias
electrónicas)
- Concentración de solventes moleculares para
industrias alimentarias y lácteas
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión
Nanofiltración (NF)
La NF tiene como principales características su capacidad para fraccionar
compuestos orgánicos, además de poder realizar el efecto de exclusión de
Donnan con respecto a aniones de diferente carga.
La tecnica es principamente aplicada para la eliminación de sustancias
orgánicas con diferente peso molecular, tales como micro contaminantes e
iones multivalentes.
Otras aplicaciones de la nanofiltración son:
- La eliminación de pesticidas de las aguas subterráneas
- La eliminación de metales pesados de las aguas residuales
- Reciclaje de aguas residuales en lavanderías
- Ablandamiento del agua
- Eliminación de nitratos
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión
Ultrafiltración (UF)
Es una técnica basada en el principio de exclusión por tamaño de las
especies a separar. Su umbral de corte está comprendido entre 0,001
y 0,02 m
Existen varios tipos de
membranas de Ultrafiltración
para aplicaciones diferentes
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de presión
Microfiltración (MF)
Esta técnica se utiliza para el tratamiento de suspensiones -no de
disoluciones- de partículas finas o coloidales con tamaños lineales
comprendidos entre 0,02 y 10 m.
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2. Operaciones de separación con membrana
Operaciones con membranas basadas en un potencial de concentración
Diálisis
Es una técnica empleada para purificar disoluciones en las cuales impurezas
de pequeño tamaño contaminan a un soluto macromolecular. Una membrana
semipermeable separa la disolución a purificar de un disolvente -agua o
disolución salina- que actúa como agente captador de impurezas
Operaciones con membranas basadas en un potencial eléctrico
Electrodiálisis (ED)
La electrodiálisis es un proceso electroquímico de separación que utiliza
membranas eléctricamente cargadas y un potencial eléctrico para separar
especies iónicas presentes en una disolución que puede contener también
especies no cargadas.
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3. La tecnología de membranas en el
tratamiento de agua y de aguas residuales
En la actualidad las técnicas con membranas que poseen interés
para el tratamiento de agua y de aguas residuales son aquellas basadas en
un potencial de presión (OI, NF, UF, MF) o eléctrico (ED).
Ventas de membranas y de módulos para tratamiento de agua y de aguas residuales.
Proceso
(10 6 $
EEUU)
Aplicación
MF
UF
OI
ED
Total
Desalación de agua de mar
-
-
30
-
3
Desalación de sal mueras
-
-
40
4
8
Agua para cal deras
5
-
30
2
5
Agua estéril y ultrapura
35
50
30
-
4
Aguas residuales industriales
10
25
20
2
7
Total
36
75
150
8
6
La Tabla resume la importancia económica de las mismas.
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3. La tecnología de membranas en el
tratamiento de agua y de aguas residuales
El desarrollo de técnicas con membranas ha sido muy bien adaptado a las
industrias de tratamiento de agua:
a. Aguas de proceso
Estas técnicas poseen aplicaciones de interés para las industrias
agroalimentarias, farmacéutica, cosmética y electrónica ya que el agua
obtenida está libre de materia en suspensión.
b. Agua potable
Su producción tiene dos características propias: la primera es que las fuentes
Esto adquiere particular interés
de alimentación pueden tener una composición variable y, en segundo lugar.
cuando las aguas se vierten en
el producto tiene que cumplir normas sanitarias rigurosas, ser obtenida en
zonas de recreo o piscifactorías o
cantidades muy elevadas y a un coste muy reducido comparado con el agua
para su reutilización en agricultura.
utilizada para proceso.
c. Aguas residuales municipales e industriales
El tratamiento de aguas residuales municipales puede completarse con
técnicas de MF y UF, pudiendo incluirse también biorreactores con
membranas.
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3. La tecnología de membranas en el
tratamiento de agua y de aguas residuales
Las tecnologías de membrana en el sector de las aguas residuales
En el caso que nos ocupa, la micro y ultrafiltración es sin duda una
de las mejores tecnologías disponibles para concentrar la materia orgánica
en aguas residuales o residuos.
La diferencia básica entre
ambas es simplemente el
tamaño del poro, siendo
en el caso de la micro
filtración de hasta unas
décimas de micra y para
membranas de ultrafiltración
el tamaño es aun mucho
menor.
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3.1. El modo de funcionamiento:
Filtración tangencial:
La filtración clásica o frontal no puede satisfacer las
exigencias siguientes:
- Filtrar partículas de tamaño muy pequeño.
- Aprovechar o reutilizar el residuo de la filtración.
- Efectuar una filtración continua.
- Asegurar una calidad constante de la filtración.
- Efectuar una selección por tipo de moléculas.
La filtración tangencial se caracteriza por una circulación
rápida del líquido a filtrar tangecialmente a una membrana (el filtro).
Así al tiempo que se efectúa la filtración, se auto limpia la membrana,
lo que permite trabajar en contínuo.
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3.1. El modo de funcionamiento:
Permeado-Retrolavado. Presión transmembrana:
Hay que llegar a un
En toda la instalación se busca el máximo rendimiento
acuerdo para elegir
global de producción de permeado. Los parámetros dela presión de trabajo
funcionamiento que pueden proporcionar un caudal máximo
deprovocar un
para no
permeado también pueden afectar negativamente a la ensuciamiento
continuidad del
proceso.
prematuro de la
membrana.
Sistemas de alimentación:
Generalmente se basan en bombas centrífugas que además de
proporcionar el flujo de entrada a la planta se ocupan de mantener la
presión de proceso en el circuito de recirculación.
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3.1. El modo de funcionamiento:
Sistemas de purga:
Necesario para mantener la estabilidad del sistema de filtración.
El modo en que se efectúa la purga esta en relación al volumen de
concentrado que se mantiene en el circuito de recirculación.
Temperaturas de trabajo:
La temperatura que adquiere el concentrado durante la operación de
filtración está en función del rendimiento de la operación. Las membranas
cerámicas requieren mayores velocidades de flujo y ello comporta una
elevación de la temperatura en el circuito de recirculación.
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3.2. Aplicaciones prácticas:
Detergencia Industrial:
Para conseguir la reutilización de las aguas dentro del proceso de
fabricación eliminando los sólidos y macromoléculas indeseables y
recuperando reactivos en disolución compatible con su destinación final.
Lavado de bidones:
En empresas que centran su actividad en el lavado y recuperación de
bidones plásticos. Estas empresas no pueden disponer de permiso de vertido
de aguas residuales de proceso, por lo que estas son recicladas mediante una
instalación de micro filtración.
Industria alimentaria:
En empresas que se dedican al tratamiento de embutidos y carnes,
con lo que las aguas residuales tienen un elevado contenido en materia
orgánica, materias en suspensión, aceites y grasas.
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3.3. Aplicaciones de la OI en el tratamiento de
aguas residuales:
La OI posee aplicaciones importantes tanto en el tratamiento de agua
como de aguas residuales.
Industria textil:
Mediante OI se puede, en este tipo de industria:
- Purificar y reutilizar parte de las aguas residuales producidas y
aprovechar su energía calorífica.
- Recuperar componentes de interés, fundamentalmente colorantes.
Industria papelera:
Produce volúmenes muy elevados de aguas residuales con
temperaturas superiores a 60ºC y valores de pH superiores a 9 y elevado
contenido de sólidos. El objetivo inicial de la utilización de la ósmosis inversa
fue reducir el volumen de agua residual enviado a los evaporadores para
concentración y reutilización posterior de productos.
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3.3. Aplicaciones de la OI en el tratamiento de
aguas residuales:
Industria de electro deposición:
Las aguas residuales de este tipo de industrias contienen metales
pesados que han de ser eliminados o recuperados por razones
medioambientales y/o económicas. La 0I es hoy una técnica aceptada para el
Aguas
contaminadas
existiendo
tratamiento de las aguas
de aclarado
de estecon
tipoherbicidas,
de industrias.
también estudios sobre efluentes contaminados con
Aguas municipales:
amidas,
aminas,
fenol,presentes
cloruro deenmetileno,
La OI se utilizabenceno,
para separar
sólidos
disueltos
estas
etc..
aguas y que no son eliminados por los métodos tradicionales de tratamiento.
Utilizando OI se pueden reducir los sólidos disueltos en un 93%, la turbidez,
La OI constituye
unanitratos
alternativa
a 75%
los tradicionales
color y sólidos en suspensión
en un 100%,
en un
y DQO en más
métodos de tratamiento en estas industrias, como
del 65%.
son los lodos activos y la flotación.
Otras aplicaciones:
-Tratamiento de residuos peligrosos.
-Industria petroquímica.
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4. Nanofiltración de aguas residuales:
La nanofiltración es un proceso de filtración por membranas
operadas bajo presión de trabajo entre 3.5 Kg./cm2 y 25 Kg./cm2.
Las membranas empleadas en estos tratamientos son capas de
hojas muy delgadas microporosas sujetas a una estructura de soporte más
gruesa y porosa, generalmente fabricada en polipropileno o poliéster.
Funcionan como filtros asimétricos, variando la resistencia al flujo y la caída
de presión según el lado de la membrana que de al flujo de proceso
Estas técnicas de filtrado están más asentadas en el campo del
suministro de aguas potables, tanto en la desalación como paso final de
potabilizadoras.
En la actualidad, el uso del agua depurada con diferentes fines
supone en España un 0,75 %, 270 Hm./m3, de la demanda nacional. El Plan
Hidrológico Nacional incluye proyectos de reutilización de aguas residuales
que actualmente son vertidas al mar, gracias a los cuales, se prevé conseguir
un porcentaje de uso en torno al 3 % de la demanda nacional en el año
2.012, lo que supone cuadriplicar el uso actual.
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5. La tecnología de la desalación:
¿ Qué es la desalación?
La desalación consiste en separar la sal del agua. Por ejemplo el agua
del mar que antes no se podía explotar se puede hacer potable mediante
técnicas de desalación y utilizarse para el abastecimiento humano, agrícola o
industrial.
¿ Por que es necesario desalar el agua?
Es necesario desalar el agua porque el hombre no puede consumir
agua que tenga mas de 0.5 gramos por litro de sales disueltas. Por otro lado,
tampoco es recomendable que tenga menos de esta cantidad (agua destilada o
totalmente desmineralizada).
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5. La tecnología de la desalación:
TIPOS DE
AGUA
SALINIDAD (PPM DE TDS)
Ultrapura
0.03
Pura (calderas)
0.3
Desionizada
3
Dulce (potable)
< 1.000
Salobre
1.000-10.000
Salina
10.000-30.000
Marina
30.000-50.000
Rangos de salinidad de los diferentes tipos de agua. Fuente: Fariñas (1999); Medina (2000)
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5. La tecnología de la desalación:
¿Como se consigue separar la sal del agua?
La desalación se consigue por medio de procesos de tecnología
termal y tecnología de membrana. Los procesos termales abarcan la
destilación multi-stage flash (MSF), destilación multiefecto (MED) y
compresión de vapor (VC). Los procesos de membrana incluyen la electro
diálisis (ED) y osmosis inversa (OI).
Ambos métodos obtienen como resultado dos caudales; Un caudal
de agua limpia con baja concentración de sales y un caudal con alta
concentración de sales. Ambos métodos requieren energía para su
operación.
El consumo de energía en los procesos de membrana dependen de
la salinidad de agua de alimentación en contra de los procesos no termales
donde no se da esta dependencia.
El consumo de energía en los procesos de OI y ED para aguas
salobres y aguas con bajo contenido en sales es mucho menor que en los
procesos de destilación.
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5. La tecnología de la desalación:
Normalmente una planta desaladora incluye los siguientes elementos:
Elementos de
membrana de
osmosis inversa
Bomba de alimentación
de alta presión
Sistema de pretratamiento
Post-tratamiento o
acondicionamiento
del agua
Toma de agua del sistema
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6. Conclusión
La cada vez más aprenúante legislación y la ya conocida escasez
de agua en toda la cuenca mediterránea, así como el nivel inquietante de la
contaminación de los ríos y acuíferos, nos obligan a incluir en el ciclo de vida
del agua, procesos tecnológicos cada vez más potentes y avanzados.
La utilización de técnicas con membranas, clásicas o emergentes,
supone una herramienta útil para llevar a cabo el tratamiento de efluentes
industriales o municipales.