Introducción a las membranas (I): Tipos de filtración

UF Membranes
Fuente: WEHRLE Umwelt

Un mundo aparte en la depuración, purificación y desinfección de aguas es el de las membranas. Desde el siglo pasado que no se ha dejado de avanzar en diferentes configuraciones, tipos de materiales, etc.

En función de la medida del poro conseguiremos diferentes calidades de agua filtrada, así podremos eliminar sólidos en suspensión, virus y bacterias o compuestos de tipo orgánico y/o mineral dependiendo de nuestro objetivo de calidad final. E

En el esquema de abajo podemos ver como del agua residual de entrada se obtienen dos productos: el permeado y el concentrado o rechazo. El primero es el agua que ha pasado a través de los poros de la membrana y el segundo es el que no lo ha hecho y que por lo tanto se ha ido concentrando a medida que iba circulando por el sistema. En este vídeo se puede ver los elementos que quedan al concentrado en función del diámetro de poro.

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Esquema del proceso de filtración por membranas. Metcalf & Eddy

 TIPOS DE FILTRACIÓN

En función del diámetro del poro nos permite operar en un rango de tamaño de partícula determinada:

Microfiltración: entre 0,07-2 micras (1 micra equivale a 0,000001 milímetro). En el concentrado quedarían retenidos sólidos en suspensión, la mayoría de bacterias y protozoos y huevos de helmintos. En las aplicaciones encontraríamos la esterilización de la leche en la industria alimentaria o purificación de enzimas en la química-farmacéutica.

Ultrafiltración: entre 0,008-0,2 micras. Quedan retenidos algunos contaminantes orgánicos además de la práctica totalidad de bacterias y virus. En este caso la ultrafiltración es el ejemplo básico en reutilización de agua; dependiendo del uso final tendremos que añadir algún paso más como ósmosis inversa, cloración, carbón activo, etc.

Nanofiltración: entre 0,0009-0,01 micras. En este tipo de filtración aparece el fenómeno de la difusión combinado con la filtración. Podríamos decir que es un proceso mixto y que consigue eliminar sólidos disueltos, nitratos, metales pesados y moléculas de carbonato cálcico, estas últimas responsables de la dureza presente en el agua. Con este proceso se consigue agua de una gran calidad partiendo de agua residual compleja como los lixiviados.

Ósmosis Inversa: entre 0,0001-0,002 micras. La difusión es el fenómeno exclusivo del proceso y en función de la temperatura, pH y presión aplicada puede llegar a retenerlo todo menos el Boro. Es el proceso principal en las desaladoras.

Tabla representativa del radio de acción de las membranas:

Cut-offs_of_different_liquid_filtration_techniques
Wikimedia

Y hasta aquí la parte de tipos de filtración, próximamente escribiré sobre materiales y posibles configuraciones.

Stay tuned!

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La utilidad de las autopsias en membranas

Principals grups embrutiment
Fuente: Genesys International

No hace mucho el concepto de autopsias en membranas era un completo desconocido para mi, pero leyendo un artículo sobre evaluación del impacto del ensuciamiento en membranas ha despertado mi curiosidad.

Por los que habitualmente trabajáis en este campo, desde ultrafiltración a ósmosis inversa, seguramente os habréis encontrado con bajadas de rendimiento. Este fenómeno no lo provoca una sola causa, sino que puede tener varias:

  • Formación de biofilms: provocado por la acumulación en la superficie de la membrana de bacterias y biopolímeros que actúan de capa reduciendo la difusión del permeado.
  • Deposición de coloides: provenientes de silicatos y consecuencia de un mal pretratamiento.
  • Precipitación de sales: con formación de cristales por saturación.
  • Ensuciamiento orgánico: debido a ácidos presentes en las aguas superficiales.
  • Acumulación de metales: como hierro o aluminio, provenientes de una dosificación en exceso en el pretratamiento.
Principal embrutiment OI
Fuente: Genesys International

En definitiva, hay diferentes causas para el mismo problema final: la disminución de rendimiento del proceso de filtración por membranas. Y aquí es cuando las autopsias entran en acción, para determinar qué causa ha producido el ensuciamiento.

Fallos de mebrana
Fuente: Genesys International

Si queréis profundizar en el tema podeis leer este interesante artículo de donde he sacado algunos gráficos para ilustrar el post:

EVALUACION DEL IMPACTO DEL ENSUCIAMIENTO EN MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA (F. del Vigo, N. Peña, J. Sepúlveda. Genesys Membrane Products).

Proyecto OMBReuse

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Osmosis Directa (FO). Spectrum.ieee.org

El proyecto OMBReuse pretende reducir los costes de producir agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo.

Este proyecto queda reflejado en un artículo conjunto escrito por el LEQUIA y el ICRA en la revista RETEMA (Ene-Feb 2016) y hace referencia a las opciones que tenemos para poder obtener agua potable a partir de agua de mar, salobre o residual; es decir, a partir de aguas de difícil potabilización y que hace poco no eran consideradas ni un recurso.

Se habla de desalinización, regeneración, reutilización indirecta y directa de agua potable. En este último caso se comenta la obligación de instalar una barrera múltiple como puede ser un biorreactor de membrana (MBR) seguido de una ósmosis inversa (RO) y una desinfección (luz UV, ozono, cloración), para obtener una agua segura y de calidad para su consumo con la contrapartida de costes parecidos a las de la desalinización, 0,5-1€/m3.

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MBR acoplado a Osmosis Inversa. Esquema publicado por Sunmanyang

Como ya he comentado al inicio de esta entrada, el proyecto quiere reducir los costes de producción de agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo. Y es aquí donde entra en acción la Ósmosis Directa (FO).

La FO ya ha sido probada a escala de laboratorio y piloto, y a diferencia de la RO la obtención del permeado se produce por diferencia de gradiente de salinidad entre los dos lados de la membrana. Una solución de alta salinidad o “solución extractora” forma parte del sistema empleado, la cual se mezcla con el agua residual para entonces ser separada por la RO convencional. En este sentido, y debido a que el sistema utiliza la doble barrera (FO+RO) se podría aplicar a la reutilización como agua potable.

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OMBR. Esquema de la revista Environmental Science

Aplicada en el contexto de los MBR, la novedad que nos aporta el proyecto OMBReuse es la sustitución en el reactor de las membranas convencionales por las de ósmosis directa, consiguiendo unas elevadas tasas de eliminación de contaminantes además de una disminución del ensuciamiento. En definitiva, nos sigue aportando agua de alta calidad pero a un menor coste. Este nuevo esquema de depuración ha recibido el nombre de OMBR (Osmotic Membrane Bioreactor) y tiene un futuro prometedor, aunque aún quedan algunos inconvenientes por resolver, por ejemplo el rendimiento de la solución extractora.

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Fundamentos de la osmosis directa. Imagen de Porifera

Vistas las ventajas de la FO, la acumulación de sales en el reactor biológico y la posterior validación a escala real serían los principales retos a superar. Por lo que respecta al aumento de salinidad, los microorganismos del reactor se ven afectados, provocando inestabilidad en el proceso.

Finalmente, considerando los ejes fundamentales del proyecto MBReuse, estos serían:

  • Optimización del proceso de membranas.
  • Evaluación del beneficio de usar 2 membranas densas (FO y RO) como concepto de doble barrera.
  • Evaluación de la problemática del ensuciamiento en comparación con MBR convencionales.
  • Desarrollo de herramientas de control para la concentración de sales y optimización de operación y limpieza.
  • Desarrollo de un sistema de ayuda a la decisión para integrar la OMBR en el esquema de tratamiento de aguas residuales en ámbito local.

Este proyecto empezó en 2015 y tiene una duración de 2 años, así que próximamente sabremos los resultados de toda la experiencia acumulada.

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