Membrana

Una membrana es una barrera selectiva; deja pasar algunas cosas pero detiene otras. Tales cosas pueden ser moléculas, iones u otras partículas pequeñas. Las membranas se pueden clasificar generalmente en membranas sintéticas y membranas biológicas. Las membranas biológicas incluyen membranas celulares (cubiertas externas de células u orgánulos que permiten el paso de ciertos constituyentes); membranas nucleares, que cubren el núcleo de una célula; y membranas tisulares, tales como mucosas y serosas. Las membranas sintéticas son fabricadas por humanos para su uso en laboratorios e industrias (como plantas químicas).

Este concepto de membrana se conoce desde el siglo XVIII, pero se usó poco fuera del laboratorio hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Los suministros de agua potable en Europa se habían visto comprometidos por la guerra y se utilizaron filtros de membrana para probar la seguridad del agua. Sin embargo, debido a la falta de confiabilidad, operación lenta, selectividad reducida y costos elevados, las membranas no fueron ampliamente explotadas. El primer uso de membranas a gran escala fue con tecnologías de microfiltración y ultrafiltración. Desde la década de 1980, estos procesos de separación, junto con la electrodiálisis, se emplean en grandes plantas y, hoy, varias empresas experimentadas atienden el mercado.

El grado de selectividad de una membrana depende del tamaño de poro de la membrana. Dependiendo del tamaño de poro, se pueden clasificar en membranas de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO). Las membranas también pueden ser de varios espesores, con estructura homogénea o heterogénea. Las membranas pueden ser neutras o cargadas, y el transporte de partículas puede ser activo o pasivo. Esto último puede ser facilitado por la presión, la concentración, los gradientes químicos o eléctricos del proceso de membrana.

Clasificaciones de procesos de membrana

Microfiltración (MF)

La microfiltración elimina partículas superiores a 0,08-2 µm y opera dentro de un rango de 7-100 kPa. La microfiltración se utiliza para eliminar sólidos suspendidos (SS) residuales, para eliminar bacterias con el fin de acondicionar el agua para una desinfección eficaz y como paso de pretratamiento para la ósmosis inversa.

Los desarrollos relativamente recientes son los biorreactores de membrana (MBR) que combinan la microfiltración y un biorreactor para el tratamiento biológico.

Ultrafiltración (UF)

La ultrafiltración elimina partículas de más de 0,005-2 µm y opera dentro de un rango de 70-700kPa. La ultrafiltración se usa para muchas de las mismas aplicaciones que la microfiltración. Algunas membranas de ultrafiltración también se han utilizado para eliminar compuestos disueltos de alto peso molecular, como proteínas y carbohidratos. Además, pueden eliminar virus y algunas endotoxinas.

Nanofiltración (NF)

La nanofiltración también se conoce como RO "suelta" y puede rechazar partículas de menos de 0,002 µm. La nanofiltración se utiliza para la eliminación de componentes disueltos seleccionados de las aguas residuales. NF se desarrolla principalmente como un proceso de ablandamiento de membrana que ofrece una alternativa al ablandamiento químico.

Asimismo, la nanofiltración se puede utilizar como pretratamiento antes de la ósmosis inversa dirigida. Los principales objetivos del pretratamiento NF son: (1). minimizar el ensuciamiento microbiano y de partículas de las membranas de RO mediante la eliminación de la turbidez y las bacterias, (2) evitar la formación de incrustaciones mediante la eliminación de los iones de dureza, (3) disminuir la presión operativa del proceso de RO al reducir los sólidos disueltos totales (TDS) del agua de alimentación) concentración.

Ósmosis inversa (OI)

La ósmosis inversa se usa comúnmente para la desalinización. Además, la ósmosis inversa se usa comúnmente para eliminar los componentes disueltos de las aguas residuales que quedan después del tratamiento avanzado con microfiltración. RO excluye iones pero requiere altas presiones para producir agua desionizada (850–7000 kPa).

Membranas nanoestructuradas

Una clase emergente de membranas se basa en canales de nanoestructuras para separar materiales a escala molecular. Estos incluyen membranas de nanotubos de carbono, membranas de grafeno, membranas hechas de polímeros de microporosidad intrínseca (PIMS) y membranas que incorporan estructuras metal-orgánicas (MOF). Estas membranas se pueden utilizar para separaciones selectivas por tamaño, como la nanofiltración y la ósmosis inversa, pero también para separaciones selectivas por adsorción, como olefinas de parafinas y alcoholes del agua, que tradicionalmente han requerido una destilación costosa y que consume mucha energía.

Configuraciones de membrana

En el campo de las membranas, el término módulo se usa para describir una unidad completa compuesta por las membranas, la estructura de soporte de presión, la entrada de alimentación, las corrientes de permeado y retenido de salida, y una estructura de soporte general. Los principales tipos de módulos de membrana son:

• Tubular, donde las membranas se colocan dentro de un soporte de tubos porosos, y estos tubos se colocan juntos en una carcasa cilíndrica para formar el módulo de la unidad. Los dispositivos tubulares se utilizan principalmente en aplicaciones de micro y ultrafiltración debido a su capacidad para manejar flujos de proceso con alto contenido de sólidos y propiedades de alta viscosidad, así como por su relativa facilidad de limpieza.

• Membrana de fibra hueca, consiste en un haz de cientos a miles de fibras huecas. Todo el conjunto se inserta en un recipiente a presión. La alimentación se puede aplicar al interior de la fibra (flujo de adentro hacia afuera) o al exterior de la fibra (flujo de afuera hacia adentro).

• Enrollado en espiral, donde se coloca un espaciador de permeado flexible entre dos láminas de membranas planas. Se agrega un espaciador de alimentación flexible y las hojas planas se enrollan en una configuración circular.

• La placa y el marco consisten en una serie de láminas de membrana planas y placas de soporte. El agua a tratar pasa entre las membranas de dos conjuntos de membrana adyacentes. La placa soporta las membranas y proporciona un canal para que el permeado fluya fuera del módulo de la unidad.

• Membranas y módulos de lámina plana cerámica y polimérica. Las membranas de láminas planas suelen estar integradas en sistemas de filtración impulsados ​​por vacío sumergidos que consisten en pilas de módulos, cada uno con varias láminas. El modo de filtración es de afuera hacia adentro, donde el agua pasa a través de la membrana y se recolecta en canales de permeado. La limpieza se puede realizar por aireación, retrolavado y CIP.

Operación del proceso de membrana

Los elementos clave de cualquier proceso de membrana se relacionan con la influencia de los siguientes parámetros en el flujo de permeado general:

• La permeabilidad de la membrana (k)
• La fuerza impulsora operativa por unidad de área de membrana (Presión Transmembrana, TMP)
• El ensuciamiento y posterior limpieza de la superficie de la membrana.

Flujo, presión, permeabilidad

El flujo total de permeado de un sistema de membrana viene dado por la siguiente ecuación:

Donde Qp es el caudal de la corriente de permeado [kg · s ], F _w es el caudal de agua [kg · m · s ] y A es el área de la membrana [m ]

La permeabilidad (k) [m · s · bar ] de una membrana viene dada por la siguiente ecuación:

La presión transmembrana (TMP) viene dada por la siguiente expresión:

donde P _TMP es la presión transmembrana [kPa], P _f la presión de entrada de la corriente de alimentación [kPa]; P _c la presión de la corriente de concentrado [kPa]; P _p la presión de la corriente de permeado [kPa].

El rechazo (r) podría definirse como el número de partículas que se han eliminado del agua de alimentación.

Las ecuaciones de balance de masa correspondientes son:

Para controlar la operación de un proceso de membrana, se pueden usar dos modos, relacionados con el flujo y el TMP. Estos modos son (1) TMP constante y (2) flujo constante.

Los modos de operación se verán afectados cuando los materiales rechazados y las partículas en el retenido tiendan a acumularse en la membrana. A una TMP dada, el flujo de agua a través de la membrana disminuirá y a un flujo dado, la TMP aumentará, reduciendo la permeabilidad (k). Este fenómeno se conoce como ensuciamiento y es la principal limitación para la operación del proceso de membrana.

Modos de operación sin salida y de flujo cruzado

Se pueden utilizar dos modos de funcionamiento para las membranas. Estos modos son:

• Filtración sin salida donde toda la alimentación aplicada a la membrana pasa a través de ella, obteniendo un permeado. Como no hay corriente de concentrado, todas las partículas quedan retenidas en la membrana. A veces se utiliza agua de alimentación sin tratar para eliminar el material acumulado de la superficie de la membrana.
• Filtración de flujo cruzado donde el agua de alimentación se bombea con un flujo cruzado tangencial a la membrana y se obtienen corrientes de concentrado y permeado. Este modelo implica que para un flujo de agua de alimentación a través de la membrana, solo una fracción se convierte en producto permeado. Este parámetro se denomina "conversión" o "recuperación" (S). La recuperación se reducirá si el permeado se utiliza más para mantener el funcionamiento de los procesos, normalmente para la limpieza de membranas.

La filtración conduce a un aumento de la resistencia contra el flujo. En el caso del proceso de filtración sin salida, la resistencia aumenta según el espesor de la torta formada en la membrana. Como consecuencia, la permeabilidad (k) y el flujo disminuyen rápidamente, proporcionalmente a la concentración de sólidos [1] y, por lo tanto, requieren una limpieza periódica.

Para los procesos de flujo cruzado, la deposición de material continuará hasta que las fuerzas de la torta de unión a la membrana se equilibren con las fuerzas del fluido. En este punto, la filtración de flujo cruzado alcanzará una condición de estado estable [2] y, por lo tanto, el flujo permanecerá constante con el tiempo. Por lo tanto, esta configuración exigirá una limpieza menos periódica.

Abordaje

El ensuciamiento se puede definir como la posible deposición y acumulación de constituyentes en la corriente de alimentación sobre la membrana.

El ensuciamiento puede tener lugar a través de varios mecanismos fisicoquímicos y biológicos que están relacionados con el aumento de la deposición de material sólido sobre la superficie de la membrana. Los principales mecanismos por los que se puede producir el ensuciamiento son:

• Acumulación de constituyentes del agua de alimentación en la membrana que provoca una resistencia al flujo. Esta acumulación se puede dividir en diferentes tipos:

Estrechamiento de poros, que consiste en material sólido que se ha adherido a la superficie interior de los poros.El bloqueo de poros se produce cuando las partículas del agua de alimentación quedan atrapadas en los poros de la membrana.La formación de la capa de gel/torta tiene lugar cuando la materia sólida en la alimentación es más grande que el tamaño de los poros de la membrana.

• Formación de precipitados químicos conocidos como incrustaciones.
• La colonización de la membrana o bioincrustación tiene lugar cuando los microorganismos crecen en la superficie de la membrana.

Control y mitigación de ensuciamiento

Dado que el ensuciamiento es una consideración importante en el diseño y operación de los sistemas de membrana, ya que afecta las necesidades de pretratamiento, los requisitos de limpieza, las condiciones de operación, el costo y el rendimiento, debe prevenirse y, si es necesario, eliminarse. La optimización de las condiciones de operación es importante para evitar el ensuciamiento. Sin embargo, si ya se ha producido el ensuciamiento, debe eliminarse mediante limpieza física o química.

Las técnicas de limpieza física para la membrana incluyen la relajación de la membrana y el retrolavado de la membrana.

• El retrolavado o retrolavado consiste en bombear el permeado en sentido inverso a través de la membrana. El retrolavado elimina con éxito la mayor parte de las incrustaciones reversibles causadas por el bloqueo de los poros. El retrolavado también se puede mejorar haciendo pasar aire a través de la membrana. El retrolavado aumenta los costos operativos ya que se requiere energía para lograr una presión adecuada para la reversión del flujo de permeado.

• La relajación de la membrana consiste en detener la filtración durante un período, por lo que no hay necesidad de revertir el flujo de permeado. La relajación permite mantener la filtración durante más tiempo antes de la limpieza química de la membrana.

• Pulsación inversa Pulsación inversa de alta frecuencia que da como resultado una eliminación eficiente de la capa de suciedad. Este método se usa más comúnmente para membranas cerámicas [3]

Estudios recientes han evaluado la combinación de relajación y retrolavado para obtener resultados óptimos.

Limpieza química. La efectividad de relajación y retrolavado disminuirá con el tiempo de operación a medida que se acumulen más incrustaciones irreversibles en la superficie de la membrana. Por lo tanto, además de la limpieza física, también se puede recomendar la limpieza química. Incluye:

• Retrolavado mejorado con productos químicos, es decir, se agrega una baja concentración de agente de limpieza químico durante el período de retrolavado.
• Limpieza química, donde los principales agentes de limpieza son hipoclorito de sodio (para incrustaciones orgánicas) y ácido cítrico (para incrustaciones inorgánicas). Cada proveedor de membranas propone sus recetas de limpieza química, que difieren principalmente en términos de concentración y métodos.

Optimización de la condición de operación. Se pueden llevar a cabo varios mecanismos para optimizar las condiciones de funcionamiento de la membrana para evitar el ensuciamiento, por ejemplo:

• Flujo reductor. El flux siempre reduce el ensuciamiento pero impacta en el costo de capital ya que demanda más área de membrana. Consiste en trabajar a un flujo sostenible que se puede definir como el flujo para el cual la TMP aumenta gradualmente a un ritmo aceptable, de modo que no es necesaria la limpieza química.
• Uso de filtración de flujo cruzado en lugar de callejón sin salida. En la filtración de flujo cruzado, solo se deposita una capa delgada sobre la membrana, ya que no todas las partículas quedan retenidas en la membrana, pero el concentrado las elimina.
• El pretratamiento del agua de alimentación se utiliza para reducir los sólidos en suspensión y el contenido bacteriano del agua de alimentación. También se utilizan floculantes y coagulantes, como el cloruro férrico y el sulfato de aluminio que, una vez disueltos en el agua, adsorbe materiales como sólidos en suspensión, coloides y orgánicos solubles. Se han introducido modelos numéricos metafísicos para optimizar los fenómenos de transporte.

Alteración de membranas. Los esfuerzos recientes se han centrado en eliminar el ensuciamiento de la membrana alterando la química de la superficie del material de la membrana para reducir la probabilidad de que los ensuciadores se adhieran a la superficie de la membrana. La estrategia química exacta utilizada depende de la química de la solución que se filtra. Por ejemplo, las membranas utilizadas en la desalinización pueden volverse hidrofóbicas para resistir el ensuciamiento a través de la acumulación de minerales, mientras que las membranas utilizadas para productos biológicos pueden volverse hidrofílicas para reducir la acumulación de proteínas/orgánicos. La modificación de la química de la superficie a través de la deposición de una película delgada puede reducir en gran medida el ensuciamiento. Un inconveniente del uso de técnicas de modificación es que, en algunos casos, la tasa de flujo y la selectividad del proceso de membrana pueden verse afectadas negativamente.

Aplicaciones

Las distintas características de las membranas son responsables del interés en usarlas como unidad de operación adicional para procesos de separación en procesos de fluidos. Algunas ventajas señaladas incluyen:

• Menor consumo energético, ya que no requieren grandes cambios de fase
• No exija adsorbentes o solventes, que pueden ser costosos o difíciles de manejar
• Sencillez y modularidad de los equipos, lo que facilita la incorporación de membranas más eficientes

Las membranas se utilizan con presión como procesos impulsores en la filtración por membrana de solutos y en la ósmosis inversa. En diálisis y pervaporación, el potencial químico a lo largo de un gradiente de concentración es la fuerza impulsora. También la perstracción como proceso de extracción asistido por membrana se basa en el gradiente de potencial químico.

Sin embargo, su abrumador éxito en los sistemas biológicos no se corresponde con su aplicación. Las principales razones de esto son:

• Ensuciamiento: la disminución de la función con el uso
• Costo prohibitivo por área de membrana
• Falta de materiales resistentes a los disolventes.
• Riesgos de ampliación