Forward Osmosis (III): Membranas, DS y Fouling

Esquema de funcionamiento de la Ósmosis Directa. Fuente: Yale University

En este tercer artículo, una vez introducido lo que es la Ósmosis Directa y explicado su proceso, voy a hablaros de las características de las membranas utilizadas así como de los tipos de soluciones extractoras y las causas de fouling que afectan al proceso.

1. Membranas

Las primeras membranas que se probaron para el proceso de ósmosis directa (OD) en realidad estaban pensadas para la ósmosis inversa, por lo que no demostraban resultados convincentes debido a fundamentalmente dos características: la hidrofobicidad y la excesiva amplitud (150 micrómetros) de los soportes de dichas membranas. Todo eso cambió cuando se inició el desarrollo de soportes más finos (de unos 50 micrómetros) que permitían flujos mucho más elevados a través de estas membranas.

En el caso de usar membranas de OD para tratamiento de aguas residuales, éstas tendrán más propensión al ensuciamiento y por lo tanto necesitaremos que dispongan de las siguientes características:

  • Una capa separadora ultrafina para conseguir un elevado rendimiento de la solución de rechazo.
  • Una capa de soporte lo más fina posible con elevada estabilidad mecánica, manteniendo durante el mayor tiempo posible las condiciones de operación fijadas.
  • Elevada afinidad por el agua (hidrofília) para mantener el flujo de paso y reducida propensión al fouling.
Materiales

Los materiales más utilizados para la fabricación de las membranas de OD son el triacetato de celulosa (CTA), muy resistente al cloro y poco propenso a la adsorción de aceites grasos y minerales. También es más resistente a variaciones térmicas y degradación química y/o biológica que la misma celulosa. Aún así, la nuevas generaciones de membranas de OD aguantan unas variaciones superiores de pH que el CTA (de 2 a 12 Vs de 3 a 8).

La susceptibilidad al fouling de dichas membranas también dependen de los materiales, por ejemplo, las de CTA (hidrofílicas) tienen menos tendencia a ensuciarse que las de tipo hidrofóbico. Además, las membranas de poliamida (PA) se han desarrollado con la intención de suavizar los ángulos de contacto y permitir una mayor resistencia al fouling.

Investigaciones recientes dedicadas a mejorar la fabricación han dado resultados prometedores centrándose en la adición de agentes formadores de poros para mejorar el flujo de paso por las membranas.

2. Soluciones Osmóticas

Aproximadamente el 40% de las Soluciones Osmóticas o Extractoras (Draw Solutions, DS) estan compuestas de cloruro de sodio debido principalmente a su solubilidad pero tambien a su bajo coste y alto potencial osmótico. Éste se usa a unas concentraciones similares al agua marina (que también se utiliza como DS) con la ventaja de la ausencia de sólidos en suspensión o microorganismos como sí puede tener el agua de mar, provocando un augmento de biofouling en el sistema.

Draw Solutions más usadas en los procesos de ósmosis directa
DS adecuadas para tratar aguas residuales

Para provocar un flujo óptimo de agua en el sistema necesitamos un elevado potencial osmótico que supere al del agua residual a tratar. También debemos considerar de que la DS no sea tóxica, se pueda recuperar fácilmente una vez reconcentrada y además no deteriore el OMBR si hay un bioreactor en el sistema de tratamiento para que no afecte la calidad del lodo ni el crecimiento de los microorganismos.

Las propiedades de transporte también seran significativas cuando escojamos una DS. Por ejemplo, las moléculas grandes tienen menor difusividad y filtran más lentamente a través de la membrana que las pequeñas. Otros factores a tener en cuenta son el pH y la temperatura, sobretodo para evitar casos de scaling por precipitación de calcio, sulfatos o carbonatos.

En el caso concreto de las aguas residuales como solución de alimentación al sistema de OD, ciertos investigadores han propuesto el cloruro de magnesio como DS debido a su alta eficiencia en el potencial osmótico, aunque su coste es mayor que el cloruro de sodio.

En la siguiente tabla se muestran ventajas e inconvenientes de varios DS:

Fuente: Water Research

3. Fouling

La falta de presión adicional debida a la naturaleza del proceso y la tendencia a un flujo de agua bajo condicionan el ensuciamiento de las membranas de OD.

Como podemos ver en la imagen inferior, tenemos cuatro tipos de fouling de los cuales el biofouling es el más abundante en tratamiento de aguas residuales debido a la presencia de microorganismos y las secreciones de polímeros extracelulares propios de las bacterias.

Imagen: Osmosis Directa. Estado
Actual y Perspectivas de Futuro
. Xavier Simon

La acumulación de agentes «foulantes» afecta a la cantidad (flujo del permeado) y a la calidad (concentración de la solución osmótica) del agua producida. Todo esto influye en el rendimiento de las membranas, reduciendo su permeabilidad, aumentando el consumo energético y costes de tratamiento, llegando a estropearlas de forma definitiva.

Detección y Limpieza

Una detección rápida del ensuciamiento de las membranas ayuda a una mayor durabilidad y a recuperar el rendimiento original de éstas. Determinar el potencial de ensuciamiento del agua a tratar puede ayudar a una mejor predicción del fouling, y esto se puede hacer en tiempo real o a posteriori, por ejemplo practicando una autopsia a la membrana para analizar qué tipo de ensuciamiento se ha producido.

Vías de detección de fouling. Fuente: Water Research

Para su limpieza se puede recurrir a métodos de tipo químico o físico. En el caso de utilizar productos químicos su elección dependerá del tipo de ensuciamiento, material del cual esté hecha la membrana y el tipo de agua de alimentación. En el caso de evitar el scaling tenemos varios agentes antiescalantes e inhibidores, además de que hay que tener en cuenta lavados periódicos con (ácidos, bases, oxidantes o agentes quelantes) para mantener a largo plazo el rendimiento de filtración. Un método adicional válido para la recuperación del flujo (hasta un 90%) es el air scouring juntamente con varios detergentes industriales.

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Forward Osmosis (II): Proceso

Fuente: TECNOAQUA

En el proceso de Forward Osmosis (FO) o también llamada Ósmosis Directa se utiliza el gradiente de presión osmótica entre una solución muy concentrada (extractora o draw solution) y otra más diluida (de alimentación o feed solution) para conseguir la difusión del agua desde un lado a otro de la membrana semipermeable que las separa. En definitiva, la diferencia de potencial químico es la que hace funcionar este proceso en vez de la diferencia de presión física que actúa en la ósmosis inversa.

Fuente: TECNOAQUA

Aunque ya hace años que se escribe sobre la ósmosis directa, no ha sido hasta este siglo XXI donde esta tecnología ha pasado del laboratorio a ser una realidad palpable. Su interés ha ido creciendo de forma significativa desde 2005 hasta 2012, año en el cual se puso en marcha la primera planta desalinizadora de FO del mundo, en Omán (200 m3/día).

Por otro lado, las posibles ventajas de su aplicación en el tratamiento de aguas complejas sobre las tecnologías actuales serían:

  • Debido a la ausencia de las altas presiones hidráulicas que sí existen en la OI, el gasto energético es mucho menor y los materiales usados no necesitan ser tan resistentes.
  • Mayor flexibilidad y aplicabilidad debido a la baja propensión al fouling así como una mayor facilidad de limpieza derivada de ésta.
  • Se puede usar como tecnología extractora de agua, muy útil para una posterior digestión anaerobia de aguas residuales convencionales.
  • Puede tratar aguas mucho más salinas (con una presión superior a 80 bar) que la OI .

La FO puede diseñarse para tratar un amplio grupo de aguas complejas como por ejemplo las de la industria téxtil, las aguas provenientes de la producción de petróleo y gas, las ricas en nutrientes o los lixiviados de vertedero, pasando por las aguas residuales de la industria nuclear. 

Proceso

Para que el proceso se lleve a cabo, es vital la existencia de la membrana semipermeable. Ésta se instala en un módulo o celda de filtración que permite la entrada y salida tanto de la solución extractora como de la de alimentación. Las celdas suelen tener una configuración de tipo sandwich y la circulación de las soluciones se produce a contracorriente.

Fuente: TECNOAQUA

La cuantificación del agua que atraviesa la membrana se lleva acabo mediante una balanza donde, a medida que avanza el proceso de ósmosis directa, la solución extractora va aumentando de peso. De forma inversa, la solución de alimentación va disminuyendo el suyo paulatinamente.

A pequeña escala el proceso se opera en modo discontínuo y circuito cerrado, donde poco a poco la solución extractora se va diluyendo y la de alimentación concentrando. En mayores dimensiones esta tecnología funciona en contínuo, por lo que la regeneración de la solución extractora se convierte en un factor crítico para una operación óptima del proceso.

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Forward Osmosis (I): Introducción

Bosque de manglares. Fuente: Mangrove Forests

Imaginad 2 líquidos de distinta concentración separados por una membrana donde sólo el agua puede atravesarla. Por un fenómeno llamado difusión las moléculas de agua pasarán del líquido menos concentrado al más concentrado, produciéndose una dilución de esta último. Al final del proceso tendremos las dos soluciones con la misma concentración, este proceso que se produce de forma espontánea en la naturaleza se llama ósmosis, y la tecnología basada en ella Ósmosis Directa (OD) o Forward Osmosis (FO).

La FO es una tecnología de membrana relativamente nueva la cual no necesita ninguna presión externa para llevarse a cabo, lo que se traduce en un proceso de bajo consumo energético. Esta característica la convierte en una alternativa muy interesante comparada con otros tratamientos de membrana presurizados.

La presión que se ejerce en el caso de la FO es la presión osmótica. En el esquema siguiente vemos como gracias al gradiente de presión osmótica las moléculas de agua pasan a través de la membrana para equilibrar la concentración a cada lado de ésta:

Evolución de un sistema basado en la Forward Osmosis. Fuente: Forward Osmosis Tech

Proceso

La FO es una tecnología que puede tratar 2 líquidos al mismo tiempo, el más concentrado y con presión osmótica más elevada (Draw solution) se irá diluyendo paulatinamente a medida que el más diluido y con menor presión osmótica (Feed solution) recorre el camino inverso:

Esquema de funcionamiento de la FO. Fuente: Membranes Journal

Esta peculiaridad abre un abanico de posibilidades no sólo en la desalinización y depuración de aguas sino también por lo que respecta a la gestión y tratamiento de efluentes industriales. Al no necesitar una presión externa para hacer funcionar el proceso, la FO destaca sobretodo por su bajo consumo energético, derivando en unos menores costes de limpieza por fouling debido a la ausencia de compresión. Si a todo esto le añadimos el poder tratar dos efluentes distintos en un solo paso tenemos una tecnología de aplicación sumamente prometedora. 

Potencial

Para terminar con este primer post de introducción (habrá más relacionados con ejemplos de feeddraw solutions, tipos de membranas, estudios piloto y aplicaciones a escala industrial) a la Forward Omosis, hay que destacar que durante estos últimos diez años ha habido un crecimiento exponencial en el número de publicaciones científicas, por lo que demuestra el interés de la comunidad científica y el potencial de aplicación a escala real:

Fuente: Membranes Journal

Bibliografía

· Forward Osmosis Application in Manufacturing Industries: A Short Review. Anita Haupt and André Lerch. Membranes Journal. 23 July 2018.

· ForwardOsmosisTech’s forward osmosis guide (eBook).

· Forward Osmosis Tech (web)

Introducción a las membranas (y V): AnMBR para riego

AnMBR
Esquema de tecnología AnMBR. Scientific Research Publishing

Para cerrar esta serie sobre membranas os presento una aplicación muy interesante. En el número de Mayo/Junio de la revista RETEMA hay un artículo sobre reutilización de agua para riego mediante membranas. Concretamente, el uso de la tecnología AnMBR permite aprovechar tres tipos de recursos: el agua, el biogás y los nutrientes. Voy a explicarlo.

La tecnología AnMBR, una evolución de la MBR, es la aplicación de tecnología de membranas en reactores de tipo anaerobio. Esta configuración es energéticamente más eficiente, ya que la ausencia de oxígeno permite un consumo mucho menor que en la tecnología de lodos activos. Además, del mismo proceso anaerobio se genera biogás mediante las comunidades bacterianas presentes en el biorreactor, una mezcla de gas metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Finalmente, los microorganismos que llevan a cabo las reacciones anaerobias en el reactor no son capaces de oxidar ni los compuestos nitrogenados ni los fosforilados. Esto último que sería una desventaja en comparación con otros sistemas que sí eliminan nutrientes se convierte en una oportunidad. El agua depurada resultante, al estar enriquecida con nitrógeno y fósforo puede ser utilizada para riego de cultivos.

AnMBR Comparativa
RETEMA

Aprovechando la importancia que la Comisión Europea da a la economía circular, esta tecnología toma una dimensión muy interesante para afrontar los retos planteados:

  • Evitamos el consumo de agua potable para regadío sustituyéndola por agua regenerada proveniente de aguas residuales urbanas.
  • Reducimos el consumo de fertilizantes aprovechando el enriquecimiento en nutrientes de este agua alternativa.
  • Utilizamos el biogás para el autoconsumo de las instalaciones, avanzando hacia la sostenibilidad económica y energética.

Viendo esta gráfica, queda claro que almenos en España la tecnología AnMBR tiene un gran potencial:

Gràfic consums d'aigua
RETEMA

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Introducción a las membranas (IV): Fouling

FOULING

El control del fouling o ensuciamiento de las membranas es el factor clave para conseguir un buen rendimiento del proceso de filtración. Este ensuciamiento depende de las características físicas, químicas y biológicas del agua, el tipo de membrana utilizada y las condiciones de operación.

MBR Fouling
Efectos del fouling. Fuente: MDPI

En función del tipo de fouling las membranas que se van a montar tendrán un coste determinado, un pretratamiento específico y unas limpiezas programadas para recuperar su rendimiento original. La supervisión y control del ensuciamiento se hace a través del flujo (LMH, litros por metro cuadrado y hora filtrados) y el aumento de presión en el sistema:

Fouling-flux
Fuente: The MBR Book

En la imagen anterior hemos visto que un aumento del flujo provoca un mayor ensuciamiento, a partir de este resultado se recomienda mantener unos flujos modestos para evitar la saturación precoz del sistema; es lo que denominamos flujo subcrítico. Si operamos las membranas cerca de estos valores podremos evitar el fouling en las primeras etapas de funcionamiento, aunque no podremos evitar su formación a la larga y tendremos que recurrir al lavado de la membrana para recuperar el rendimiento inicial.

ETAPAS DEL FOULING

Según Simon Judd, uno de los mayores expertos en membranas, hay tres etapas en la formación del fouling:

  1. Acondicionamiento: cuando interactúan unas sustancias presentes en el agua de alimentación llamadas EPS y SMP, polímeros y sustancias solubles de origen microbiano que facilitan la interacción de la biomasa en la superficie de la membrana.
  2. Fouling lento: una vez se han unido los primeros flóculos de biomasa en la superficie, estos siguen cubriéndola de forma parcial sin, de momento, afectar los poros. En esta etapa el flujo todavía no se ve afectado por el proceso de ensuciamiento.
  3. Aumento repentino de la TMP: con unas áreas más sucias que otras, el proceso de filtración se produce en las zonas menos obstruidas, aumentando el flujo por encima de los valores críticos. Esto provoca un aumento repentino de la presión transmembrana, síntoma de fouling avanzado y señal que en breve tendremos que hacer una limpieza para volver a los valores iniciales.

Fouling mechanisms
Las 3 etapas del fouling en membranas. Fuente: The MBR Book

COMO SE PUEDE CONTROLAR?

A pesar de que aún queda bastante para entender el fenómeno del fouling, tenemos cinco estrategias para controlarlo:

  • Diseñando un pretratamiento adecuado del agua de alimentación.
  • Activando los protocolos de limpieza más adecuadas.
  • Reduciendo el flujo hasta unos valores subcríticos.
  • Aumentando la aireación.
  • Modificando a nivel biológico y/o químico el licor mixto.

De estas, algunas son más viables que otras, por ejemplo el aumento de la aireación puede tener costes prohibitivos y en cambio el control del flujo puede actuar en sentido contrario.

TIPOS

Hay diferentes tipos de fouling en función de las sustancias responsables del ensuciamiento: por scaling, de tipo orgánico, de carácter biológico, etc. Podéis profundizar en un artículo anterior mío sobre autopsias de membranas aquí.

UN EJEMPLO VISUAL DE FOULING 

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