Saltar al contenido principal
Library homepage
 
LibreTexts Español

1.10: Filtración por Membrana

  • Page ID
    152580
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Objetivos de aprendizaje

    • Explicar la teoría de partículas
    • Describir los tipos y clasificación de los procesos de tratamiento de membrana
    • Enumerar las partes componentes de un proceso de tratamiento de membrana
    • Describir las aplicaciones y operación de los procesos de tratamiento de membrana

    La teoría cinética de la materia o teoría de partículas informa que la materia consiste en muchas partículas pequeñas que se mueven constantemente o se encuentran en un estado continuo de movimiento. El grado en que se mueven las partículas está determinado por la cantidad de energía que tienen y su relación con otras partículas. La teoría de partículas de la materia se utiliza para explicar cómo los sólidos, líquidos y gases son intercambiables como resultado de aumentos o disminuciones en la energía térmica. Cuando los objetos se calientan, el movimiento aumenta a medida que las partículas se vuelven más energéticas. Si los objetos se enfrían, el movimiento de las partículas disminuye a medida que pierden energía.

    Las tecnologías de tratamiento de membrana están avanzando rápidamente en el campo del tratamiento de agua. Las membranas se utilizan en plantas de tratamiento de agua municipales, aplicaciones de punto de uso doméstico, instalaciones de recuperación y plantas de tratamiento de aguas residuales para eliminar minerales suspendidos y disueltos del agua.

    Las membranas contienen aberturas de poro muy finas que permiten el paso del agua y bloquean el paso de cualquier contaminante mayor que el diámetro de poro. Las membranas utilizadas en el tratamiento del agua se clasifican por su diámetro de poro. Las clasificaciones, desde el diámetro de poro más grande hasta el más pequeño, son microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa.

    La microfiltración (MF) y la ultrafiltración (UF) son efectivas en la eliminación de Giardia y Cryptosporidium. Las membranas de ósmosis inversa (RO) se utilizan para la desalinización/desmineralización y en unidades de agua potable en el hogar. Las membranas de ósmosis inversa y nanofiltración se utilizan para eliminar la materia orgánica disuelta y los contaminantes disueltos, como arsénico, nitrato, pesticidas y radionucleidos. Además, estas membranas pueden eliminar iones como calcio y magnesio y sodio y cloruro. La nanofiltración se puede utilizar para reducir la concentración de materia orgánica natural para controlar la formación de subproductos de desinfección.

    El tipo de membrana utilizada depende de los constituyentes a eliminar del agua a tratar. Durante el tratamiento del agua, el agua se bombea típicamente contra la superficie de la membrana; sin embargo, el agua puede ser arrastrada a través de la membrana por un vacío. La presión del agua fuerza el agua a través de la membrana y los constituyentes que no pasan a través forman una corriente residual que puede requerir tratamiento y eliminación adecuada.

    Descripción de las unidades de filtración por membrana

    Recipiente a presión o flujo sumergido

    Las unidades típicas de filtración por membrana de tratamiento de agua se instalan en recipientes a presión o se sumergen en tanques. Las membranas son fibras huecas o hilos con un diámetro exterior que varía de 0.5 a 2 mm y un espesor de pared de 0.07 a 0.6 mm. En la instalación de recipientes a presión, miles de fibras o hilos de membrana están dispuestos en bastidores o patines, con cada recipiente a presión que varía de 4 a 12 pulgadas de diámetro y 3 a 18 pies de largo. El flujo de filtración puede ser desde el exterior hacia el interior o desde el interior hacia el exterior de la membrana de fibra hueca.

    Los sistemas de filtración por membrana sumergidos o sumergidos son módulos de membrana suspendidos en cuencas que contienen el agua a tratar. El agua tratada puede entonces ser aspirada a través de la membrana por vacío. Algunas plantas de tratamiento han eliminado la arena de los filtros de arena e instalado módulos de membrana sumergida en la antigua cuenca filtrante.

    Tipos de flujo de membrana

    Existen dos tipos diferentes de flujos de agua de alimentación de filtración por membrana:

    • Sistemas de filtración de flujo cruzado
    • Sistemas de filtración sin salida
    sistema de filtración de flujo cruzado
    Figura\(\PageIndex{1}\): Sistema de filtración de flujo cruzado — Imagen de AD y Benutzer:Mæx es de dominio público

    En los sistemas de filtración de flujo cruzado, el flujo es desde el interior de la membrana, a través de la membrana, y el agua filtrada fluye fuera del sistema. El flujo dentro de la membrana fluye a lo largo de la superficie interior de la membrana, se concentra y fluye fuera del extremo de la fibra de la membrana como una corriente residual. En los sistemas de filtración sin salida, el agua que se filtra puede fluir desde el exterior hacia la fibra hueca o desde el interior hacia el exterior; sin embargo, en este sistema, no se produce ninguna corriente residual. Todos los sólidos se acumulan en la membrana durante la filtración y se eliminan durante el lavado a contracorriente.

    Sistema de filtración sin salida
    Figura\(\PageIndex{2}\): Sistema de filtración sin salida — Imagen de Alexdruz y Mæx es de dominio público

    Ensuciamiento de membrana

    El ensuciamiento de la membrana puede ser un problema grave al operar procesos de filtración por membrana. El ensuciamiento de la membrana puede describirse por si se puede eliminar la causa del ensuciamiento (reversible o irreversible, por el material que causa el ensuciamiento (biológico, orgánico, particulado o disuelto), y por medio de incrustaciones (formación de torta o bloqueo de los poros de la membrana).

    El hecho de que se pueda eliminar la causa del ensuciamiento depende del tipo de membrana utilizada y de los constituyentes en el agua de origen. Durante la operación continua, el flujo a través de la membrana puede disminuir; sin embargo, el flujo puede recuperarse mediante lavado a contracorriente y limpieza.

    Los constituyentes en el agua que se filtra pueden causar incrustaciones. Durante la filtración por membrana, los microorganismos son transportados a la superficie de la membrana donde pueden ocurrir bioincrustaciones. Estos microorganismos no pueden ser eliminados por lavado a contracorriente; sin embargo, pueden controlarse mediante el uso de cloro. Algunos materiales de membrana como el acetato de celulosa o el polipropileno pueden dañarse usando cloro. Los fabricantes de membranas tienden a utilizar materiales que no están dañados por el cloro.

    La materia orgánica disuelta puede causar incrustaciones en la membrana. La extensión del problema de ensuciamiento depende de las características de la materia orgánica disuelta, el material de la membrana y las características del agua que se filtra.

    Durante la filtración por membrana, la materia particulada del agua que se filtra se acumula en la superficie de la membrana en una estera porosa llamada torta de filtro. El ensuciamiento de partículas suele ser reversible durante el lavado a contracorriente periódico.

    La materia orgánica natural puede ser la forma más común de ensuciamiento de la membrana. La materia orgánica disuelta incluye desechos y porciones de plantas y animales acuáticos, así como la materia orgánica lavada en las aguas superficiales de la tierra. Las fuentes de materia orgánica disuelta incluyen los químicos orgánicos que se encuentran en los sistemas biológicos y los químicos orgánicos disueltos de desechos industriales y comerciales. El ensuciamiento depende de las características de la materia orgánica disuelta, el material de la membrana y el agua de origen.

    Pretratamiento

    Experiencias

    Los operadores han aprendido que las interacciones entre los coagulantes, los diversos constituyentes en el agua natural y los materiales de la membrana son muy complejas, lo que dificulta predecir el efecto de la coagulación sobre el rendimiento de la membrana. En algunas instalaciones de tratamiento, el flujo a través de la membrana aumenta con el pretratamiento de coagulación; sin embargo, en otras plantas puede ocurrir una reducción en el flujo.

    Cuando se utiliza el pretratamiento de coagulación antes de la filtración por membrana, los operadores han experimentado resultados inconsistentes con respecto al ensuciamiento de la membrana y una disminución de los flujos a través Las inconsistencias aparentemente son el resultado de que la coagulación y filtración por membrana pueden realizarse bajo una amplia variedad de condiciones operativas. La coagulación se puede realizar con o sin floculación y con o sin sedimentación antes de la filtración por membrana. La filtración por membrana se puede realizar con membranas sumergidas o presurizadas y con condiciones de presión constante o flujo constante. Los estudios realizados en una fuente específica de agua con un coagulante individual y una dosis de coagulante establecida no se pueden comparar fácilmente con otras fuentes de agua, coagulantes y dosis de coagulante.

    Otra consideración importante en la relación entre la coagulación y el rendimiento de la membrana es que la coagulación afecta la materia particulada y el carbono orgánico disuelto, cada uno puede afectar el rendimiento de la membrana La coagulación recoge las partículas en masas de capa y, si se practica la sedimentación, elimina las partículas de la solución, lo que puede alterar el ensuciamiento de la membrana debido a la resistencia La coagulación también elimina el carbono orgánico disuelto del agua, lo que puede alterar el ensuciamiento de la membrana causado por la adsorción.

    Monitoreo del desempeño de la membrana

    El funcionamiento de las membranas incluye monitoreo y pruebas para la tasa de filtración de membrana y la integridad de la membrana. Este proceso se logra mediante pruebas de decaimiento de presión y pruebas sónicas. Cuando se descubren fibras de membrana rotas o dañadas, se reparan o reemplazan.

    Estructura y composición de la membrana de ósmosis inversa

    Los dos tipos de membranas semipermeables que se utilizan con mayor frecuencia para la desmineralización son el acetato de celulosa y los compuestos de película delgada. Acetato de celulosa (CA), la primera membrana disponible comercialmente. La membrana de acetato de celulosa es asimétrica, lo que significa que un lado es diferente del otro lado. La capa total de acetato de celulosa tiene un grosor de 50 a 100 micras; sin embargo, existe una capa delgada y densa de aproximadamente 0.2 micras de espesor en la superficie. Esta capa delgada y densa sirve como barrera de rechazo de la membrana.

    Los investigadores se dieron cuenta de la necesidad de una membrana con mejores características de flujo y rechazo que las propiedades del acetato de celulosa. El enfoque para desarrollar una mejor membrana fue mejorar las eficiencias de la capa delgada de rechazo y el sustrato poroso por lo que se desarrolló la membrana compuesta delgada.

    En la producción de la membrana compuesta delgada, la membrana semipermeable está separada de las capas de soporte, y esta construcción permite a los fabricantes de membranas seleccionar polímeros que producirán membranas con rechazo óptimo de sólidos disueltos y velocidades de flujo de agua.

    Rendimiento y propiedades de la membrana

    El comportamiento básico de las membranas de ósmosis inversa de acetato de celulosa semipermeables se puede describir mediante dos ecuaciones. El flujo de agua del producto a través de una membrana semipermeable se puede expresar:

    • F w = A (ΔP — Δπ) donde...
      • F w = Flujo de agua (g/cm2 seg)
      • A = Constante de permeabilidad al agua (g/cm2 seg atm21)
      • ΔP = Diferencial de presión aplicado a través de la membrana (atm)
      • Δπ = Diferencial de presión osmótica a través de la membrana (atm)

    Tenga en cuenta que el flujo de agua es el flujo de agua en gramos por segundo a través de un área de membrana de un centímetro cuadrado. Piense en este flujo como similar al flujo a través de un filtro de arena rápido en galones por minuto a través de un área de filtro de un pie cuadrado (GPM/ft2).

    El flujo mineral (sal) (paso mineral) a través de la membrana se puede expresar:

    • F w = B (C1 — C2) donde...
      • F w = Flujo mineral (g/cm2 seg)
      • B = Constante de permeabilidad mineral (cm/s)
      • C1 — C2 = Gradiente de concentración a través de la membrana (g/cm2)

    Las constantes de permeabilidad al agua (A) y permeabilidad mineral (B) son características de la membrana particular que se utiliza y del procesamiento que ha recibido.

    Un examen de las ecuaciones demuestra que el flujo de agua, que es la velocidad de flujo a través de la membrana, depende de la presión aplicada, mientras que el flujo mineral no depende de la presión. A medida que aumenta la presión del agua de alimentación, el flujo de agua a través de la membrana aumenta mientras que el flujo de mineral permanece constante. Por lo tanto, la cantidad y la calidad del producto purificado (permeado) deben aumentar con el aumento de la presión. Este resultado se produce porque hay más agua presente para diluir la misma cantidad de mineral.

    El flujo de agua (Fw) disminuye a medida que aumenta el contenido mineral de la alimentación debido a que la contribución de presión osmótica (Δπ) aumenta al aumentar el contenido mineral. Dado que Δπ aumenta, el término (ΔP — Δπ) disminuye, lo que resulta en una disminución de Fw, el flujo de agua. A medida que más y más agua de alimentación pasa a través de la membrana, el contenido mineral del agua de alimentación se vuelve cada vez más alto (más concentrado). La contribución de presión osmótica (Δπ) del concentrado aumenta, resultando en un menor flujo de agua.

    Dado que la membrana rechaza un porcentaje constante de mineral, la calidad del agua del producto disminuye con el aumento de la concentración de agua de alimentación. Además, tenga en cuenta que la Ecuación 2 revela que cuanto mayor sea el gradiente de concentración (C1 — C2) a través de la membrana, mayor será el flujo mineral (flujo mineral). Por lo tanto, cuanto mayor sea la concentración de alimentación, mayor será el flujo mineral y la concentración mineral en el agua del producto.

    Los operadores de plantas de tratamiento de agua deben tener una comprensión básica de las relaciones matemáticas que describen el rendimiento de la membrana de RO (ósmosis inversa).

    Rendimiento de la membrana de ósmosis inversa
    Figura\(\PageIndex{3}\): Filtración RO — La imagen de Starsend está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

    Definición de flujo

    El término flujo se utiliza para describir la velocidad de flujo de agua a través de una membrana semipermeable. El flujo generalmente se expresa en galones por día por pie cuadrado de superficie de membrana o en gramos por segundo por centímetro cuadrado.

    La tasa promedio de flujo de membrana de un sistema de ósmosis inversa es una guía de operación importante. En la práctica, la mayoría de los sistemas de ósmosis inversa requerirán limpieza periódica. Se ha demostrado que la frecuencia de limpieza puede depender de la tasa promedio de flujo de membrana del sistema. Una tasa de flujo demasiado alta puede resultar en tasas de ensuciamiento excesivas que requieren una limpieza frecuente. Algunas pautas de la industria para velocidades de flujo aceptables son:

    Fuente de agua de alimentación

    Velocidad de flujo, GFD

    Residuos Industriales/Municipales

    8-12

    Superficie (río, lago, océano)

    8-14

    Bueno

    14-20

    Rechazo Mineral

    El propósito de la desmineralización es separar los minerales del agua: la capacidad de la membrana para rechazar minerales se llama rechazo mineral. El rechazo de minerales se define como:

    • Rechazo,% = (1- (Concentración del Producto/Concentración de Agua de Alimentación) x 100%

    Los rechazos de minerales pueden calcularse para los constituyentes individuales en la solución usando sus concentraciones.

    Las ecuaciones básicas que describen el desempeño de una membrana de ósmosis inversa indican que el rechazo disminuye a medida que aumenta la concentración mineral del agua de alimentación, debido a que la mayor concentración mineral aumenta la presión osmótica. También a medida que el incremento de la concentración mineral de alimentación (TDS) el rechazo disminuye a una presión de alimentación dada. El rechazo mejora conforme aumenta la presión de alimentación.

    El rechazo típico para los inorgánicos disueltos más comúnmente encontrados suele estar entre 92 y 99 por ciento. Los iones divalentes como el calcio y el sulfato son mejor rechazados que los iones monovalentes como el sodio o el cloruro.

    La mayoría de las aplicaciones de desmineralización requieren el uso de una membrana con altas tasas de rechazo (mayores al 95 por ciento). Sin embargo, algunas aplicaciones pueden usar una membrana con tasas de rechazo más bajas (80 por ciento) y presiones de operación más bajas (menos de 150 psi). Las membranas que se ajustan a esta clasificación se denominan comúnmente membranas de ablandamiento o nanofiltración. Estas membranas producen la misma cantidad de agua que las membranas de RO estándar a presiones de operación más bajas.

    Las membranas de ablandamiento o nanofiltración están siendo ampliamente utilizadas para la desmineralización de los suministros municipales de agua que requieren altas tasas de rechazo para dureza y potencial de formación de THM, y rechazo moderado de TSD.

    Efectos de la temperatura y el pH del agua de alimentación sobre el rendimiento de

    En la operación de ósmosis inversa, la temperatura del agua de alimentación tiene un efecto significativo en el rendimiento de la membrana y por lo tanto debe tenerse en cuenta en el diseño y operación del sistema Esencialmente, el valor de la constante de permeación de agua es solo constante para una temperatura dada. A medida que aumenta la temperatura del agua de alimentación, el flujo aumenta. Por lo general, el flujo se reporta en alguna condición de referencia de temperatura estándar, como 25oC.

    Las membranas de acetato de celulosa están sujetas a hidrólisis a largo plazo. La hidrólisis da como resultado una disminución de la capacidad de rechazo mineral. La velocidad de hidrólisis se acelera por el aumento de la temperatura, y es una función del pH de la alimentación. Los valores de pH ligeramente ácidos aseguran una menor tasa de hidrólisis, al igual que las temperaturas más frías. Por lo tanto, para asegurar la mayor vida útil posible de la membrana de acetato de celulosa y para ralentizar la hidrólisis, se agrega ácido como etapa de pretratamiento antes de la desmineralización. Las membranas compuestas de película delgada no están sujetas a hidrólisis; sin embargo, es posible que se requieran ajustes de pH del agua de alimentación para el control de incrustaciones.

    Recuperación

    La recuperación se define como el porcentaje de flujo de alimentación que se recupera como agua producto. Expresado matemáticamente, la recuperación puede ser determinada por:

    • Recuperación,% = (Flujo de Producto/Flujo de Alimentación) x 100%

    La tasa de recuperación suele estar determinada o limitada por dos consideraciones. El primero es la calidad deseada del agua del producto. Dado que la cantidad de mineral que pasa a través de la membrana está influenciada por el diferencial de concentración entre la salmuera y el producto, la recuperación excesiva puede llevar a superar los criterios de calidad del producto. La segunda consideración se refiere a los límites de solubilidad de los minerales en la salmuera. No se debe concentrar la salmuera hasta un grado que precipite minerales en la membrana. Este efecto se conoce comúnmente como polarización de concentración.

    El problema más común y grave resultante de la polarización de la concentración es la tendencia creciente a la precipitación de sales poco solubles y la deposición de materia particulada sobre la superficie de la membrana.

    En cualquier sistema hidráulico que fluye, el fluido cerca de una superficie sólida viaja más lentamente que la corriente principal del fluido. Existe un límite líquido en la superficie sólida, y este fenómeno es cierto en la superficie de la membrana en un elemento enrollado en espiral o en cualquier otra configuración de empaque de membrana. Dado que el agua se transmite a través de la membrana a un ritmo mucho más rápido que los minerales, la concentración de los minerales se acumula en la capa límite (polarización de concentración), y es necesario que los minerales se difundan de nuevo a la corriente que fluye. La polarización reducirá el flujo y rechazo de un sistema de ósmosis inversa. Dado que no es práctico eliminar totalmente el efecto de polarización, es necesario minimizarlo a través de un buen diseño y operación.

    El efecto de capa límite se puede minimizar al aumentar la velocidad del flujo de agua y al promover la turbulencia dentro de los elementos de RO. Los caudales de salmuera se pueden mantener altos a medida que el agua del producto se elimina escalonando (reduciendo) los recipientes a presión del módulo. Este diseño se conoce popularmente como un arreglo de árbol de Navidad. Los arreglos de flujo típicos como 4 unidades- 2 unidades- 1 unidad (85 por ciento de recuperación) o 2 unidades -1 unidad (75 por ciento de recuperación) se utilizan con mayor frecuencia.

    Estas configuraciones consisten en alimentar agua a una serie de recipientes a presión en paralelo donde aproximadamente el 50 por ciento del agua está separada por la membrana como agua producto y el 50 por ciento del agua es rechazada. El rechazo se alimenta a la mitad de los recipientes en paralelo donde nuevamente alrededor del 50 por ciento es agua del producto y el 50 por ciento es rechazo. El rechazo se convierte en el alimento para el siguiente conjunto de recipientes. Al disponer los recipientes a presión en la disposición 4-2-1, es posible recuperar más del 85 por ciento del agua de alimentación como agua producto y mantener caudales adecuados a través de la superficie de la membrana para minimizar la polarización.

    Componentes de una Unidad de Ósmosis Inversa

    Bombas

    Bomba de Presurización

    Las presiones requeridas para RO pueden variar de 100 a 1,200 psi. Por lo general, los rangos de presión se pueden desglosar como:

    Aplicación

    Rango de presión (psi)

    Suavizante

    100-200

    Salobre

    200-500

    Mezcla Salobre/Agua de Mar, Concentración Industrial

    500-800

    Agua de mar

    800-1,200

    Se utilizan dos tipos básicos de bombas para presurizar el agua de alimentación: centrífuga y desplazamiento positivo. Se listan características importantes de cada tipo de bomba relacionadas con su uso en aplicaciones de RO:

    Bombas Centrífugas

    1. Normalmente se utiliza para aplicaciones de menos de 500 psi
    2. Más rentable para aplicaciones por debajo de 500 psi
    3. Los impulsores individuales orientados para operar a una velocidad superior a la del motor crean un ruido excesivo
    4. Las bombas centrífugas multietapa son más costosas de operar que las bombas de una etapa, pero son más eficientes

    Bombas de desplazamiento positivo

    1. Normalmente se utiliza para aplicaciones superiores a 500 psi
    2. Muy eficiente para agua de mar (800-1,200 psi)
    3. Las pulsaciones de flujo requieren el uso de un amortiguador de pulsaciones para velocidades superiores a 2FPS (pies por segundo)

    La salida de una bomba centrífuga puede estrangularse mediante el uso de una válvula de estrangulación de múltiples vueltas. Las válvulas de estrangulamiento se utilizan para nuevos sistemas o después de una limpieza exitosa de la membrana.

    Es posible que la salida de una bomba de desplazamiento positivo no esté estrangulado. La línea de descarga de la bomba debe contener un mecanismo de alivio de presión. Los elementos opcionales serían una válvula de derivación para controlar el flujo a la sección de membrana y un amortiguador de pulsaciones.

    Tratamiento de agua de ósmosis inversa
    Figura\(\PageIndex{4}\): Tratamiento de Agua RO — Imagen de Vishalsh521 está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

    Tuberías

    La selección del material de la tubería depende de la salinidad y presión del agua. La ósmosis inversa de agua de mar requiere el uso de acero inoxidable de alta calidad para líneas de alta presión. Los tipos más comunes de materiales utilizados actualmente son 316L y 317L, debido a su alto contenido de molibdeno. Las plantas de agua salobre suelen utilizar acero inoxidable 304 y 316.

    Las tuberías de baja presión suelen estar hechas de cloruro de polivinilo (PVC) o de plástico/polímero reforzado con fibra (FRP). Algunos materiales exóticos como 316SS y fluoruro de polivinilideno (PVDF) se utilizan en aplicaciones de alta pureza como el agua de enjuague de semiconductores.

    Carcasas de recipientes a presión

    Varios elementos de membrana enrollados en espiral están conectados en serie y están contenidos en recipientes a presión. Para la mayoría de las aplicaciones, un máximo de seis elementos enrollados en espiral de 40 pulgadas de largo están contenidos en un solo recipiente. Debido a las mejoras en la hidráulica del diseño enrollado en espiral, siete elementos de 40 pulgadas de largo se han colocado en un recipiente. El material estándar de construcción es plástico/polímero reforzado con fibra (FRP). Los recipientes a presión están disponibles en clasificaciones de 200, 400, 600, 1,000 y 1,200 psi. Algunos fabricantes pueden proporcionar embarcaciones construidas y estampadas de acuerdo con ASME Código-Sección X.

    Los haces de fibras huecas se empaquetan en carcasas individuales de fibra de vidrio. Para la desalinización de agua de mar, estas carcasas pueden tener una clasificación de hasta 1,200 psi.

    Válvula de Control de Concentrado

    Una válvula reguladora ubicada en la línea de concentrado proporciona un medio para aplicar una contrapresión a la membrana. Posicionar esta válvula junto con la válvula de descarga de la bomba (válvula de derivación para bombas de desplazamiento positivo) establecerá los caudales de concentrado y permeado.

    Válvulas de Muestra

    Las válvulas de muestra deben ubicarse en las líneas de alimentación, permeado y concentrado. Las ubicaciones deben ser tales que se puedan tomar muestras durante todos los modos de operación, como el mantenimiento, el lavado, la limpieza y el enjuague. Las válvulas de muestra también deben ubicarse en la línea de permeado de cada permeador o recipiente a presión.

    Conexiones al ras

    Se deben hacer provisiones para lavar la unidad para ciertas aplicaciones. Ejemplos serían agua de mar o agua salobre con alto contenido orgánico. El agua de descarga podría ser alimentación acidificada o permeado. Si se usa permeado, se requeriría una entrada separada. Para todas las unidades que requieren lavado, se debe proporcionar una salida separada en la línea de concentrado aguas arriba de la válvula de control de concentrado. La válvula de control de concentrado restringiría el flujo de descarga, que generalmente es mayor que el flujo de concentrado de diseño.

    Conexiones de limpieza

    Todas las unidades deben tener conexiones de limpieza para cada banco de permeadores o recipientes a presión conectados en paralelo. Las válvulas de aislamiento para cada banco permitirían que un banco se empape mientras se limpia el banco aguas arriba o aguas abajo. En sistemas grandes con muchos recipientes o permeadores conectados en paralelo, el sistema de limpieza está dimensionado por razones económicas para limpiar solo una porción del banco. En este caso, se requieren válvulas para aislar la cantidad específica de recipientes que se pueden limpiar a la vez.

    Enjuague de permeado

    Es útil contar con provisiones para enviar permeado de un banco o unidad para drenar. Algunos procesos requieren que el permeado logre calidad enjuagando para drenar después de un periodo de parada. También para ciertos procedimientos de solución de problemas, el permeado de mala calidad se puede dirigir al drenaje mientras que los recipientes individuales son revisados para verificar su mala calidad.

    Tanque de inconveniente de permeado

    Para aplicaciones de agua de mar, se puede proporcionar un tanque de inconveniente de permeado. Se puede proporcionar el propósito del tanque de inconveniente. El propósito del tanque de inconveniente es proporcionar un suministro de agua o una unidad fuera de línea que esté sujeta a ósmosis. Al apagarse con la eliminación de la presión aplicada, cesa la ósmosis inversa y comienza la ósmosis. Durante la ósmosis, el flujo ocurrirá desde el permeado hasta el lado del concentrado de alimentación de la membrana. El lavado de los canales de alimentación-concentrado con permeado después del apagado debería evitar la ósmosis natural; sin embargo, como precaución, se pueden proporcionar tanques de inconveniente para evitar la deshidratación de la membrana.

    Dispositivos de recuperación de energía

    Los dispositivos de recuperación de energía instalados en la línea de concentrado de alta presión se utilizan en algunas plantas de ósmosis inversa de agua marina El principio básico de funcionamiento es la conversión de la energía potencial para el concentrado de alta presión en energía cinética. Una boquilla dirige el flujo de concentrado hacia un rotor con álabes ahuecados. El flujo golpea las paletas y gira el rotor. El eje del rotor está conectado a una bomba que presuriza la alimentación de agua de mar. Debido a la falta de rentabilidad, problemas de corrosión y restricciones de tamaño, las turbinas de recuperación de energía de este tipo han visto un uso limitado.

    Membranas

    Las plantas operativas utilizan el principio de RO en varias configuraciones de membrana diferentes. Tres tipos de configuraciones de membrana disponibles comercialmente se utilizan en plantas operativas. Incluyen enrollado en espiral, fibra fina hueca y tubular.

    El módulo RO enrollado en espiral se concibió como un método para obtener una relación relativamente alta entre el área de la membrana y el volumen del recipiente a presión. La membrana se soporta en cada lado de un material de respaldo y se sella con pegamento en tres de los cuatro bordes del laminado. El laminado también se sella a un tubo central que ha sido perforado para permitir la entrada del agua desmineralizada. Las superficies de la membrana están separadas por un material de pantalla que actúa como espaciador de salmuera. Todo el paquete se enrolla en una configuración en espiral y se envuelve en forma cilíndrica. Los módulos de membrana se cargan, de extremo a extremo, en un recipiente a presión. El flujo de alimentación es paralelo al tubo central mientras que fluye permeado a través de la membrana hacia el tubo central. Las plantas que utilizan este tipo de sistema incluyen plantas desmineralizadoras de agua salobre.

    El tipo de membrana de fibra hueca está hecho de fibras de poliamida aromática aproximadamente del tamaño de un cabello humano con un diámetro interior de aproximadamente 0.0016 pulgadas. En estos diámetros muy pequeños, las fibras pueden soportar altas presiones. En un proceso operativo, las fibras se colocan en un recipiente a presión, y se sella un extremo de cada fibra. El otro extremo sobresale fuera del vaso. El agua salobre está bajo presión en el exterior de las fibras y el agua del producto fluye dentro de la fibra hacia el extremo abierto. Para las plantas operativas, los módulos de membrana se ensamblan en una configuración similar a la unidad enrollada en espiral.

    Los procesos de membrana tubular operan en casi el mismo principio que la fibra fina hueca, excepto que los tubos son mucho más grandes en diámetro, del orden de 0.5 pulgadas. El uso de este tipo de sistema de membrana generalmente se limita a situaciones especiales como por ejemplo para aguas residuales con alta concentración de sólidos suspendidos. El proceso de membrana tubular no es económicamente competitivo con otros sistemas disponibles para el tratamiento de la mayoría de las fuentes de agua.

    Operación

    Pretratamiento

    El agua a desmineralizar contiene impurezas que deben eliminarse por pretratamiento para proteger la membrana y asegurar la máxima eficiencia del proceso de ósmosis inversa. Dependiendo del agua a desmineralizar, generalmente es necesario tratar el agua de alimentación para eliminar materiales y condiciones potencialmente dañinas para el proceso de RO:

    • Eliminar turbidez/sólidos suspendidos
    • Ajustar pH y temperatura
    • Retirar los materiales para evitar incrustaciones o incrustaciones
    • Desinfectar para prevenir el crecimiento biológico

    Eliminación de Turbidez y Sólidos Suspendidos

    En general, el agua de alimentación debe ser filtrada para proteger el sistema de ósmosis inversa y su equipo accesorio. Cuando la fuente de agua es un agua subterránea o un suministro municipal o industrial previamente tratado, este paso se puede lograr mediante un simple procedimiento de cribado. Sin embargo, tal procedimiento puede no ser adecuado cuando la fuente es agua superficial no tratada. La cantidad de materia suspendida en las aguas superficiales puede variar en varios órdenes de magnitud y puede cambiar radicalmente en carácter y composición en muy poco tiempo. En tales casos, además de la acción mecánica del filtro, el operador puede tener que introducir productos químicos para coagulación y floculación y utilizar equipos de filtración en los que los medios puedan lavarse o renovarse a bajo costo. Es posible que se requieran filtros de arena de presión y gravedad y filtros de tierra de diatomeas, particularmente para instalaciones grandes. Cuando las partículas se acercan o son coloidales, el tratamiento químico y la filtración son esenciales.

    Los filtros de cartucho funcionan como una salvaguardia de partículas y no como un dispositivo primario de eliminación de partículas. En general, la turbidez afluente a los filtros de cartucho debe ser menor a 1 unidad de turbidez. Los tamaños típicos de filtro de cartucho varían de 5 a 20 micrones y las tasas de carga varían de 2 a 4 GPM/ft3.

    Control de pH y temperatura

    Un factor limitante importante en la vida de las membranas de acetato de celulosa en ósmosis inversa es la velocidad de hidrólisis de la membrana. El acetato de celulosa se descompondrá en celulosa y ácido acético. La velocidad a la que se produce esta hidrólisis es una función del agua de alimentación o del agua fuente, el pH y la temperatura. A medida que la membrana se hidroliza, la cantidad de agua y la cantidad de soluto que permea la membrana aumentan y la calidad del agua producto se deteriora. La velocidad de hidrólisis es mínima a un pH de aproximadamente 4.7, y aumenta al aumentar y disminuir el pH. Es una práctica estándar inyectar ácido, generalmente ácido sulfúrico, para ajustar el pH del agua de alimentación a 5.5. Los ajustes de pH minimizan el efecto de la hidrólisis, y también es esencial para controlar la precipitación de minerales formadores de incrustaciones o incrustantes de membrana.

    El carbonato de calcio y el sulfato de calcio son probablemente las sales incrustantes más comunes que se encuentran en el agua natural y son sin duda la causa más común de incrustación en sistemas de ósmosis inversa. La adición de una pequeña cantidad de ácido puede reducir el pH hasta un punto donde se reduce la alcalinidad. Un cambio en el equilibrio hasta el punto en que el bicarbonato de calcio, que es mucho más soluble, está presente en todos los puntos dentro del bucle de ósmosis inversa. La neutralización del 75 por ciento de la alcalinidad total generalmente proporciona suficiente ajuste del pH para lograr el control de incrustaciones de carbonato de calcio y llevar la membrana a una parte razonable de la curva de hidrólisis. El pH alcanzado por 75 por ciento de neutralización es de aproximadamente 5.7. La precipitación de carbonato de calcio también es inhibida por el procedimiento de control utilizado para el sulfato de calcio.

    El sulfato de calcio es relativamente soluble en agua en comparación con el carbonato de calcio. Sin embargo, a medida que el agua pura o producto se elimina de una solución de alimentación que contiene calcio y sulfato, estos productos químicos se concentran aún más en el agua de alimentación. Cuando finalmente se superen los límites de saturación, se producirá la precipitación de sulfato de calcio. Dado que la solubilidad del sulfato de calcio ocurre en un amplio rango de pH, el método de control de incrustaciones utilizado para inhibir la precipitación de sulfato de calcio es un tratamiento umbral con hexametafosfato de sodio. Este inhibidor de la precipitación reprime el carbonato de calcio y el sulfato de calcio al interferir con el proceso de formación de cristales. También se pueden usar otros fosfatos de ploy; sin embargo, no son tan efectivos como el hexametafosfato de sodio. Generalmente, de 2 a 5 mg/L de este químico es suficiente para disminuir la precipitación de sulfato de calcio.

    Otros Escalantes Potenciales

    Los óxidos o hidróxidos que se encuentran más comúnmente en el agua son hierro, manganeso y sílice. Las formas oxidadas y precipitadas de hierro, manganeso y sílice pueden ser un problema grave para cualquier esquema de desmineralización porque pueden recubrir la membrana de ósmosis inversa con una película tenaz, lo que afectará el rendimiento. El inhibidor de incrustaciones más frecuentemente utilizado es el hexametafosfato de sodio.

    Microorganismo

    Los módulos de ósmosis inversa proporcionan una gran superficie para la fijación y crecimiento de limos y mohos bacterianos. Estos organismos pueden causar incrustaciones en la membrana o taponamiento del módulo. Existen evidencias de que ocasionalmente los sistemas enzimáticos de algunos de estos organismos atacarán la membrana de acetato de celulosa. Así, una aplicación continua de cloro para producir un residuo de cloro de 1 a 2 mg/L ayuda a inhibir o retardar el crecimiento de la mayoría de los organismos encontrados. Sin embargo, se debe tener precaución ya que la exposición continua de la membrana a residuos con alto contenido de cloro perjudicará la eficiencia de la membrana. De vez en cuando se aplican concentraciones de choque de hasta 10 mg/L de cloro. Cuando se utiliza una membrana tipo poliamida intolerante a los oxidantes, la cloración se debe seguir con la decloración. También se sabe que uno de los agentes de descloración, el bisulfito de sodio, es un desinfectante. Otra opción de desinfección es el uso de desinfección con luz ultravioleta, que no deja ningún oxidante residual en el agua.

    Operación de Planta RO

    Después del pretratamiento adecuado, el agua a desmineralizar se presuriza mediante bombas de alimentación de alta presión y se entrega a los conjuntos de membrana del recipiente de presión de RO. Los conjuntos de membrana consisten en una serie de recipientes a presión dispuestos en un diseño de árbol de Navidad dependiendo de la recuperación deseada. La presión de operación típica para la desmineralización de agua salobre varía de 150 a 400 psi. Una válvula de control en el colector de entrada regula la presión de funcionamiento. También se monitorean los volúmenes de flujo de alimentación y de agua del producto. El agua desmineralizada se suele llamar permeado, y el agua de rechazo se llama concentrado (salmuera). La tasa de recuperación se controla aumentando el flujo de alimentación (aumentando la presión de operación) y controlando el concentrado (salmuera) o rechazo con una válvula de control de salmuera preestablecida.

    El operador debe mantener y controlar adecuadamente todos los flujos y tasas de recuperación para evitar posibles daños a las membranas por incrustaciones.

    Los operadores deben recordar que las válvulas de flujo de salmuera nunca deben estar completamente cerradas. Si se cierran accidentalmente durante la operación, la recuperación del 100 por ciento resultará en daños casi ciertos a las membranas debido a la precipitación de sales inorgánicas. El flujo de producto o permeado no está regulado y varía según la presión del agua de alimentación y el cambio de temperatura.

    La mayoría de los sistemas de RO están diseñados para funcionar automáticamente y requieren un mínimo de atención del operador. Sin embargo, el monitoreo continuo del desempeño del sistema es una responsabilidad importante del operador del proceso operativo.

    Tipos de procesos de filtración por membrana

    Filtración por membrana
    Figura\(\PageIndex{5}\): Imagen de Benreis está licenciada bajo CC BY

    Microfiltración (MF)

    Las membranas de microfiltración tienen poros que van de 0.1 a 2.0 micrones. Este proceso es menos común con los procesos de tratamiento de residuos porque el permeado de un microfiltro es generalmente inaceptable para la descarga. En algunos casos, este proceso de membrana puede usarse junto con agentes de sedimentación, polímeros, carbón activado y otros productos químicos que ayudan en la retención de los constituyentes de desecho. Al usar esta membrana, se debe tener cuidado para evitar el bloqueo de los poros de la membrana por los componentes de las corrientes residuales a través de la selección del tipo de membrana adecuado para los desechos específicos de la planta.

    Ultrafiltración (UF)

    El proceso de ultrafiltración es el proceso de tratamiento de aguas residuales basado en membrana más común. Utiliza una membrana con tamaños de poro que van desde 0.005 hasta 0.1 micrones. Las partículas más grandes que los poros de la membrana, tales como aceites emulsionados, hidróxidos metálicos, proteínas, almidones y sólidos suspendidos, se retienen en el lado de alimentación de la membrana. Moléculas más pequeñas que los poros de la membrana, como el agua, los alcoholes, las sales y los azúcares, pasan a través de la membrana. Este filtrado, que es agua tratada, a menudo se denomina permeado.

    Las membranas de ultrafiltración se clasifican sobre la base del corte de peso molecular (MWCO) y varían de 1,000 a 500,000 MWCO (daltons). El uso de MWCO es solo una indicación aproximada de las capacidades de retención de membrana y debe usarse con la guía del fabricante de la membrana.

    Nanofiltración (NF)

    La nanofiltración utiliza un tamaño de poro de membrana entre UF y RO. Estas membranas son efectivas para eliminar sales de una corriente residual al permitirles pasar al permeado mientras concentran otros componentes como azúcares, componentes de nitrógeno y otros componentes de desecho que causan un alto DBO/DQO en las corrientes residuales.

    Ósmosis Inversa (RO)

    La ósmosis inversa es el proceso de membrana más apretado ya que permite que solo el agua pase a través de la membrana, reteniendo sales y componentes de mayor peso molecular. Las membranas RO se utilizan para el tratamiento terciario produciendo agua con baja DBO/DQO y de calidad de agua casi potable. El permeado de RO puede reciclarse por toda la planta y reutilizarse para diversos procesos de la planta. La RO se utiliza normalmente como un proceso de post-tratamiento después de procesos de filtración más gruesa como la ultrafiltración.

    Preguntas de revisión

    1. Explicar la teoría de partículas.
    2. Describir los tipos y clasificación de los procesos de tratamiento de membrana.
    3. Enumere las partes componentes de un proceso de tratamiento de membrana.
    4. Describir las aplicaciones y operación de los procesos de tratamiento de membrana.

    Preguntas de prueba

    1. En _________, el flujo es desde el interior de la membrana, a través de la membrana, y el agua filtrada fluye fuera del sistema.
      1. Sistemas de filtración de flujo cruzado
      2. Sistemas de filtración sin salida
      3. Sistemas de flujo a contracorriente
      4. Sistemas de flujo directo
    2. En ________, el agua que se filtra puede fluir desde el exterior hacia la fibra hueca o desde el interior hacia el exterior; sin embargo, en este sistema, no se produce corriente residual.
      1. Sistemas de filtración de flujo cruzado
      2. Sistemas de filtración sin salida
      3. Sistemas de flujo a contracorriente
      4. Sistemas de flujo directo
    3. El _________ es asimétrico, lo que significa que un lado es diferente del otro lado. La membrana está conformada por una capa de 50 a 100 micras de espesor y otra capa que es una capa delgada y densa de aproximadamente 0.2 micras de espesor que existe en la superficie. Esta capa delgada y densa sirve como barrera de rechazo de la membrana.
      1. Membrana acetato de celulosa
      2. Membrana compuesta delgada
      3. Membrana de electrodiálisis
      4. Membrana de destilación
    4. La ________, la membrana semipermeable está separada de las capas de soporte, y esta construcción permite a los fabricantes de membranas seleccionar polímeros que producirán membranas con rechazo óptimo de sólidos disueltos y velocidades de flujo de agua.
      1. Membrana acetato de celulosa
      2. Membrana compuesta delgada
      3. Membrana de electrodiálisis
      4. Membrana de destilación
    5. _______, que es la velocidad de flujo a través de la membrana, depende de la presión aplicada.
      1. Flujo mineral
      2. Flujo de agua
      3. Rechazo mineral
      4. Concentrado
    6. _______, que depende de la concentración, no depende de la presión.
      1. Flujo mineral
      2. Flujo de agua
      3. Rechazo mineral
      4. Concentrado
    7. ________ están viendo un uso generalizado para la desmineralización de suministros municipales de agua que requieren altas tasas de rechazo para dureza y potencial de formación de THM, y rechazo moderado de TSD.
      1. Microfiltración
      2. Ultrafiltración
      3. Nanofiltración
      4. Ósmosis inversa
    8. En ________, la temperatura del agua de alimentación tiene un efecto significativo en el rendimiento de la membrana y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta en el diseño y operación del sistema. Esencialmente, el valor de la constante de permeación de agua es solo constante para una temperatura dada. A medida que aumenta la temperatura del agua de alimentación, el flujo aumenta. Por lo general, el flujo se reporta en alguna condición de referencia de temperatura estándar, como 25oC.
      1. Microfiltración
      2. Ultrafiltración
      3. Nanofiltración
      4. Ósmosis inversa
    9. Los procesos ________ se pueden usar junto con agentes de sedimentación, polímeros, carbón activado y otras sustancias químicas que ayudan en la retención de los constituyentes de los desechos. Al usar esta membrana, se debe tener cuidado para evitar el bloqueo de los poros de la membrana por los componentes de las corrientes residuales a través de la selección del tipo de membrana adecuado para los desechos específicos de la planta.
      1. Microfiltración
      2. Ultrafiltración
      3. Nanofiltración
      4. Ósmosis inversa
    10. _________ es el proceso de tratamiento de aguas residuales basado en membrana más común. Utiliza una membrana con tamaños de poro que van desde 0.005 hasta 0.1 micrones. Las partículas más grandes que los poros de la membrana, tales como aceites emulsionados, hidróxidos metálicos, proteínas, almidones y sólidos suspendidos, se retienen en el lado de alimentación de la membrana. Moléculas más pequeñas que los poros de la membrana, como el agua, los alcoholes, las sales y los azúcares, pasan a través de la membrana. Este filtrado, que es agua tratada, a menudo se denomina permeado.
      1. Microfiltración
      2. Ultrafiltración
      3. Nanofiltración
      4. Ósmosis inversa
    11. _______ es el proceso de membrana más apretado ya que permite que solo el agua pase a través de la membrana, reteniendo sales y componentes de mayor peso molecular. Estas membranas se utilizan para el tratamiento terciario produciendo agua con baja DBO/DQO y de calidad de agua casi potable. El permeado puede reciclarse por toda la planta y reutilizarse para diversos procesos de la planta. Este tipo de membrana se utiliza normalmente como un proceso de post-tratamiento después de procesos de filtración más gruesa.
      1. Microfiltración
      2. Ultrafiltración
      3. Nanofiltración
      4. Ósmosis inversa
    12. Cuál es la presión de operación para nanofiltración, o ablandamiento de membranas ________.
      1. 100-200 psi
      2. 200-500 psi
      3. 500-800 psi
      4. 800-1,200 psi
    13. Cuál es la presión de operación para ósmosis inversa del agua de mar _______.
      1. 100-200 psi
      2. 200-500 psi
      3. 500-800 psi
      4. 800-1,200 psi
    14. Los módulos de ósmosis inversa proporcionan una gran superficie para la fijación y crecimiento de limos y mohos bacterianos. Estos organismos pueden causar incrustaciones en la membrana o taponamiento del módulo. Existe evidencia de que ocasionalmente los sistemas enzimáticos de algunos de estos organismos atacarán la membrana de acetato de celulosa. Así, una aplicación continua de ______ ayuda a inhibir o retardar el crecimiento de la mayoría de los organismos encontrados.
      1. Ácido acético
      2. Ácido cítrico
      3. Cloro
      4. Hexametafosfato de sodio
    15. Los óxidos o hidróxidos que se encuentran más comúnmente en el agua son hierro, manganeso y sílice. Las formas oxidadas y precipitadas de hierro, manganeso y sílice pueden ser un problema grave para cualquier esquema de desmineralización porque pueden recubrir la membrana de ósmosis inversa con una película tenaz, lo que afectará el rendimiento. El inhibidor de incrustaciones más frecuentemente utilizado es ________.
      1. Ácido acético
      2. Ácido cítrico
      3. Cloro
      4. Hexametafosfato de sodio
    16. Las membranas de acetato de celulosa están sujetas a hidrólisis a largo plazo. La hidrólisis da como resultado una disminución de la capacidad de rechazo mineral. La velocidad de hidrólisis se acelera por el aumento de ______, y es una función de la alimentación ______.
      1. Temperatura, pH
      2. Materia orgánica, cloro residual
      3. Hierro, manganeso
      4. Microorganismos, TDS
    17. Para asegurar la mayor vida útil posible de la membrana de acetato de celulosa y ralentizar la hidrólisis, se agrega ______ como etapa de pretratamiento antes de la desmineralización.
      1. Base
      2. Alcalinidad
      3. Cloro
      4. Ácido
    18. Las membranas compuestas de película delgada no están sujetas a hidrólisis; sin embargo, es posible que se requieran ______ ajustes de pH del agua de alimentación para el control de incrustaciones.
      1. Básico
      2. Alcalino
      3. Neutral
      4. Ácidos
    19. Los valores de pH ligeramente _______ aseguran una menor tasa de hidrólisis para las membranas de acetato de celulosa, al igual que las temperaturas más frías.
      1. Básico
      2. Alcalino
      3. Neutral
      4. Ácidos
    20. Cuando se usa una membrana tipo poliamida intolerante a oxidantes en el tratamiento de ósmosis inversa, se debe seguir la cloración con ________.
      1. Amoníaco
      2. Descloración
      3. Cáustico
      4. Agua desionizada

    This page titled 1.10: Filtración por Membrana is shared under a CC BY license and was authored, remixed, and/or curated by John Rowe (ZTC Textbooks) .