Potabilizacion-del-agua-por-nanofiltracion-caso-practico-manantial-Cerro-Colorado-Valle-del-Mezquital

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 
DE MÉXICO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
 “ZARAGOZA” 
 
 
 
 
 
 
 
“POTABILIZACIÓN DEL AGUA POR NANOFILTRACIÓN,
CASO PRÁCTICO, MANANTIAL”CERRO COLORADO”, 
 
 
VALLE DEL MEZQUITAL.” 
 
 
 
 
 
 TESIS 
 QUE PARA OBTENER EL TITULO DE 
 INGENIERO QUÍMICO 
 P R E S E N T A 
 
 SERGIO CRUZ PÉREZ 
 
 
 
 
 ASESOR: M. en I. JOSÉ ELIAS BECERRIL BRAVO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 MÉXICO D.F. 2007 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
 
 
A dios por darme esperanza y 
fuerza para cumplir otra meta. 
 
 
 
 
 
 
 A mis padres: Elvia PÉrez y 
SERGIO GOMEZ por su Cariño 
apoyo y confianza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A mis hermanos ISMAEL Y YANET, ya 
que su apoyo incondicional fue muy 
valioso, otra más por ustedes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mis Abuelos por su ejemplo de 
esfuerzo y SABIDURÍA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
A la Universidad Nacional Autónoma de 
México 
 
 Al Instituto de Ingeniería por facilitarme los 
medios y herramientas para elaboración de la 
tesis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mis maestros del jurado por sus valiosas 
aportaciones y comentarios a la tesis. 
 
A mis amigos del grupo de tratamiento y 
reuso. 
 
 
 
 
 
A mis Amigos del la FES 
 
A mi asesor de tesis José Elías Becerril por 
sus consejos y enseñanzas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A toda la gente que de cierta forma me apoyo 
durante el desarrollo de este trabajo. 
 
 
 
 Í N D I C E 
 
 I
 Pág 
Índice I 
Índice de figuras VI 
Índice de tablas IX 
Abreviaturas XI 
Nomenclatura XIII 
Resumen XV 
 
1. Introducción XVI 
 
Fundamento teórico 1 
2. Potabilización 1 
2.1 Fuentes de abastecimiento 1 
2.1.1 Convencionales 1 
2.1.2 No convencionales 1 
2.2 Definición del agua potable 2 
2.3 Proceso de potabilización 2 
2.4 Calidad del agua 4 
2.5 Disponibilidad del agua en México 4 
2.6 Suministro 5 
2.7 Legislación del agua en México 6 
2.7.1 Criterios de calidad del agua 8 
2.7.2 Norma del agua potable 9 
 
3. Procesos con membranas 11 
3.1 Membranas 11 
3.2 Clasificación de las membranas 13 
3.2.1 Membranas biológicas 14 
3.2.2 Membranas sintéticas 15 
3.3 Clasificación de acuerdo al mecanismo de transporte 15 
3.3.1 Membranas porosas 15 
3.3.2 Membranas no porosas 15 
3.3.3 Membranas de intercambio iónico 15 
 
 Í N D I C E 
 
 II
 Pág 
3.4 Clasificación de acuerdo a la estructura 16 
3.4.1 Membranas anisotrópicas. 16 
3.4.1.1 Membranas asimétricas 16 
3.4.1.2 Membranas mixtas 16 
3.5 Clasificación según su geometría 17 
3.6 Clasificación de acuerdo a su naturaleza química 17 
3.6.1 Membranas orgánicas 17 
3.6.2 Membranas inorgánicas 18 
3.7 Configuración de módulo 19 
3.7.1 Placa y Bastidor 20 
3.7.2 Enrollamiento en espiral 21 
3.7.3 Tubular 22 
3.7.4 Membranas capilares 23 
3.7.5 Membranas de fibra hueca 24 
3.7.6 Módulos de disco rotatorio y cilíndrico 25 
3.7.7 Membranas Almohadiforme 26 
3.8 Procesos de membrana 28 
3.8.1 Requerimientos de la membrana 29 
3.8.2 Bases del proceso de filtración 29 
3.8.2.1 Flujo de filtrado 30 
3.8.3 Transporte de masa 32 
3.8.4 Fuerza de filtración 33 
3.9 Ensuciamiento 34 
3.9.1 Concentración-polarización 35 
3.10 Procesos de membrana que funcionan con presión 36 
3.10.1 Nanofiltración 36 
3.10.2 Ósmosis inversa 38 
3.10.3 Microfiltración 40 
3.10.4 Ultrafiltración 41 
 
4. Reuso 44 
4.1 Reuso municipal 44 
4.1.1 Riego de áreas verdes o parques 44 
 Í N D I C E 
 
 III
 Pág 
 
4.1.2 Control de incendios 45 
4.1.3 Usos recreativos 45 
4.2 Recarga de acuíferos 45 
4.3 Reuso para consumo humano 46 
4.4 Reuso para consumo agrícola 47 
4.5 Reuso en México 48 
4.5.1 Reuso agrícola en México 48 
4.5.2 Reuso Industrial en México 48 
4.6 Reuso en el Distrito Federal 49 
4.7 El papel de los procesos de membrana en el proceso de 
recuperación y reuso de las aguas residuales municipales 
51 
4.7.1 Recuperación y reuso de las aguas residuales municipales 51 
4.7.2 Los requisitos de calidad para las aplicaciones particulares para 
las membranas 
54 
4.7.3 Uso de los procesos de la membrana en esquemas de 
recuperación 
56 
4.7.3.1 Descripción 56 
4.8 Casos de reuso en el mundo 59 
4.8.1Proyecto de Administración y recuperación de agua (WRAMS) en 
el parque olímpico de Sydney, Australia. 
59 
4.8.2 Estrategia del agua residual de IIIawarra en Wollongong, 
Australia 
59 
4.8.3Reuso potable indirecta en Wulpen, Bélgica 60 
4.8.4 Proyecto del relleno del acuífero en el Condado Orange, los E.U 60 
4.8.5 Bioreactores de membrana para el agua interna que recicla el 
Japón 
60 
4.8.6 Reutilización potable directa en Windhoek, Namibia 61 
4.8.7 Reutilización indirecta proyecto Newater, Singapur 63 
4.9 Tendencias del futuro 63 
 
5. Metodología 64 
5.1 Muestreo 64 
5.2 Principales técnicas analíticas 65 
5.2.1 Volumétricas 66 
 Í N D I C E 
 
 IV
 Pág 
 
5.2.2 Colorimétricas 66 
5.2.3 Espectrométricas 66 
5.2.4 Cromatografía 67 
5.2.5 Composición física 68 
5.2.5.1 Color 68 
5.2.5.2 Olor 68 
5.2.5.3 Temperatura 68 
5.2.5.4 Turbiedad 69 
5.2.5.5 Sólidos 69 
5.2.5.5.1 Sólidos Suspendidos Totales 70 
5.2.5.6 Conductividad71 
5.2.5.7 Alcalinidad 71 
5.2.5.8 Dureza 72 
5.2.5.9 pH 73 
5.2.6 Materia Orgánica 73 
5.2.6.1Carbón orgánico total (COT) 74 
5.2.7 Parámetros biológicos 74 
5.3 Lugar de muestreo 76 
5.3.1 Localización 76 
5.4 Clima 78 
5.5 Descripción del manantial 78 
5.6 Metodología experimental 80 
5.6.1 Muestreo de agua 80 
5.6.2 Diseño del sistema de filtración 82 
5.6.3 Pruebas 84 
5.6.4 Parámetros 86 
 
6. Resultados 87 
6.1 Caracterización del efluente 87 
6.2 Producción 88 
6.2.1 Flujo 88 
6.2.2 Flux 89 
 Í N D I C E 
 
 V
 Pág 
 
6.3 Compuestos inorgánicos 90 
6.3.1 Sólidos Disueltos totales 90 
6.3.2 Dureza 91 
6.3.3 Alcalinidad 92 
6.3.4 Turbiedad 93 
6.3.5 Conductividad 94 
6.3.6 pH 95 
6.4 Compuestos Orgánicos 96 
6.4.1 Resultados de la absorbancia de luz ultravioleta a una longitud de 
onda de 254 nm (AUV254) 
96 
6.4.2 Carbón Orgánico Total (COT) 97 
6.5 Resultados de Coliformes Fecales y Coliformes Totales. 98 
7. Conclusiones 99 
8. Bibliografía 100 
9. Anexos 
Anexo A Plantas de agua potable en México 109 
Anexo B Norma oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994. 116 
Anexo C Datos estadísticos de la experimentación 126 
Anexo D Tablas y mapa de reuso en México 139 
Anexo E Caracterización del manantial 143 
Anexo F Informe de la calibración de termómetro 151 
Glosario 155 
 
 ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 VI
Fig. Descripción Pág.
2.1 Esquemas comunes de potabilización 3 
2.2 Obra hidráulica para aprovechar fuentes naturales de agua 5 
3.1 Membrana 11 
3.1 Membrana plana 20 
3.3 Módulo experimental de membrana plana 20 
3.4 Módulo de membrana plana 20 
3.5 Membrana espiral 21 
3.6 Estructura de la membrana 21 
3.7 Módulos de membrana espiral 21 
3.8 Módulos de membrana tubular 22 
3.9 Membranas capilares 23 
3.10 Módulos de membrana de fibra hueca 24 
3.11 Módulos de membrana de disco rotatorio y cilíndrico 25 
3.12 Módulos de membrana almohadiforme 26 
3.13 Esquema de un proceso de separación basado en membrana 28 
3.14 Flujo de material a través de la membrana 28 
3.15 Filtración de flujo directo 29 
3.16 Filtración de flujo cruzado 30 
3.17 Diagrama de corrientes en la membrana 31 
 
 
 
 
 
 ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 VII
Fig. Descripción Pág.
3.18 Balance de masas en la membrana 31 
3.19 Operación con PTM (a) y operación con flujo constante (b) 33 
3.20 Ensuciamiento 34 
3.21 Concentración polarización 35 
3.22 Procesos de membrana que funcionan con presión 36 
3.23 Clasificación de procesos de membrana por tamaño de partícula 37 
4.1 Aplicación de los principales procesos de tratamiento 52 
4.2 Reuso de agua y diversas aplicaciones en diferentes regiones del 
mundo 
53 
4.3 Diagrama de flujo de proceso 62 
4.4 Racks de membrana de filtración en Windhoek Namibia 62 
5.1 Nueve formas en que se miden los sólidos contenidos en agua 
por el método gravimétrico 
70 
5.2 Ubicación del Valle del Mezquital 76 
5.3 Ubicación del DR 003 y sus entradas actuales de agua negra 77 
5.4 Manantial “Cerro Colorado” 78 
5.5 (a) Preservación de la muestra, (b) toma de muestra, (c) 
mediciones de campo, (d) almacenamiento 4° C . 
80 
5.6 Diagrama de flujo del proceso de membrana NF 82 
5.7 Sistema de membrana 83 
5.8 Ensamblado de los empaques, espaciadores y membrana 84 
6.1 Gráfica de resultados Flujo 88 
6.2 Gráfica de resultados Flux 89 
6.3 Gráfica de resultados SDT 90 
 
 ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 VIII
Fig. Descripción Pág.
6.4 Gráfica de resultados Dureza 91 
6.5 Gráfica de resultados Alcalinidad 92 
6.6 Gráfica de resultados Turbiedad 93 
6.7 Gráfica de resultados Conductividad 94 
6.9 Gráfica de resultados pH 95 
6.10 Gráfica de resultados AUV254 96 
6.11 Gráfica de resultados COT 97 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 X 
Tabla Descripción Pág.
3.1 Clasificación de las membranas 13 
3.2 Comparación de diferentes tipos de módulos 27 
3.1 
 
Procesos de membrana resumen 42 
3.4 Resumen de los diferentes tipos de membrana 43 
4.1 Categoría Reuso de agua residual 54 
5.1 Técnicas analíticas de agua potable 75 
5.2 Calendario de muestras 81 
5.3 Condiciones de operación del sistema de membrana 
 
83 
5.4 Características de las membranas 85 
5.5 Parámetros monitoreados 86 
6.1 Calidad del agua del manantial 87 
6.2 Resultados de Flujo 88 
6.3 Resultados de Flux 89 
6.4 Resultados de SDT 90 
 ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 X 
 
 
 
 
 
 
Tabla Descripción Pág.
6.5 Resultados de Dureza 91 
6.6 Resultados de Alcalinidad 92 
6.7 Resultados de turbiedad 93 
6.8 Resultados de Conductividad 94 
6.9 Resultados de pH 95 
6.10 Resultados de AUV254 96 
6.11 Resultados de COT 97 
6.12 Resultados de CT 98 
6.13 Resultados de CF 98 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ABREVIATURAS 
 
 XI
 
APHA American Public Health Association 
AWWA American Water Works Association 
C Carbón 
CEPIS Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente
CECA Criterios Ecológicos de calidad del agua 
CNA Comisión Nacional del Agua 
CI Carbono Inorgánico 
COT Carbono Orgánico Total 
COS Carbón Orgánico Disuelto 
COVs Compuestos Orgánicos Volátiles 
CT Carbono Total 
DBO Demanda Bioquímica de Oxigeno 
DIA Diálisis 
DQO Demanda Química de Oxigeno 
DR003 Distrito de riego 003 
DTP Distribución del Tamaño de Partícula 
ED Electrodiálisis 
EDTA Acido Etilen-Diamin-Tetracético 
EPA Environmental Protection Agency 
HPLC High Performance Liquid Cromatography 
ICP Métodos de inducción 
INE Instituto Nacional de Ecología 
INEGI Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática 
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry 
LAN Ley de Aguas Nacionales 
LFDA Ley Federal de Derechos en Materia de Agua 
LGEEPA Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al ambiente 
MBR Reactor Biológico de Membrana 
MF Microfiltración 
MOD Materia Orgánica Disuelta 
MNO Materia Orgánica Natural 
NF Nanofiltración 
 
 
 
 
 ABREVIATURAS 
 
 XII
 
OI Ósmosis Inversa 
OMS (WHO) Organización Mundial de la Salud 
ONU Organización de las Naciones Unidas 
PAAD Fotodiodo 
PAN Poliacrilonitrilo 
PC Policarbonato 
PE Polietileno 
PES Polietersulfonas 
PSF Polisulfonas 
PG Permeado Gaseoso 
PP Isopropileno 
PSF Polisulfonas 
PTFE Politetrafluoretileno 
PV Pervaporación 
PVC Policloruro de Vinilo 
PVDF Polifluoruro de Vinilideno 
SAAM Sustancias Activas al Azul de Metileno 
SPP Subproductos de Desinfección 
SST Sólidos Suspendidos totales 
ST Sólidos Totales 
TMH Trihalometanos 
UF Ultrafiltración 
UTN Unidades de Turbidez Nafelométricas 
WEF Water Environment Foundation 
WPCF Water Pollution Control Federation 
ZMCM Zona Metropolitana de la Ciudad de México 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 NOMENCLATURA 
 
 XIII
 
Am Área de filtración m
2
At Área de transferencia m
2
a Superficie total de los poros por unidad de volumen de membrana m
-1
av Superficie específica de la membrana m
-1
c Concentración del soluto A kg/m
3
cb Concentración del soluto A enel seno de la solución kg/m
3
cp Concentración del soluto A en el permeado kg/m
3
cr Concentración del soluto A en el retenido kg/m
3
cs Concentración del soluto A en la superficie de la membrana kg/m
3
c1, c2, c3, c4 Constantes para calcular el coeficiente km - 
D Diámetro de un poro ideal m
Dc Diámetro del canal m 
Dm Diámetro de la membrana m 
Ds Coeficiente de difusión del soluto en la fase dispersora m
2
/s 
dH Diámetro hidráulico m 
d1 Constante empírica de ensuciamiento - 
f(V) Función del volumen de permeado - 
h Altura del canal m 
J Densidad de flujo del disolvente kg/m
2 
s, m
3
/m
2 
s 
Jm Densidad de flujo del disolvente a través de la membrana kg/m
2 
s 
Jp Densidad de flujo del disolvente en poros kg/m
2 
s 
L Longitud del canal m 
Lm Espesor de la membrana m 
km Coeficiente de transferencia de masa m/s, m
3
/m
2 
s 
n Velocidad de transferencia de masa kg/s 
np Número de poros en la membrana - 
P0, PL Presión a ambos lados de la membrana N/m
2
Pm Permeabilidad de la membrana s/m 
QO Caudal de entrada a un proceso continuo m
3
/s 
 
QR Caudal recirculado en un proceso continuo m
3
/s 
R Coeficiente de retención o rechazo real o intrínseco - 
RO Coeficiente de retención o rechazo observado - 
RT Término que define las resistencias en la ecuación de Darcy m/s 
Rs Resistencia del soluto m/kg 
s Indice de decline - 
t Tiempo de proceso s 
V Volumen de permeado m
3
VR Volumen de retenido m
3
v Velocidad del fluido m/s 
w Ancho del canal m 
∆P Diferencia de presión transmembranal N/m
2
α Resistencia específica de la torta 
δ Espesor de la capa de líquido estancada junto a la membrana m 
ε Porosidad de la membrana - 
µ Viscosidad del fluido kg/m s 
ρ Densidad del fluido kg/m
3
ρs Densidad del soluto kg/m
3
τ Tortuosidad - 
 
 
 
 XIV 
 RESUMEN 
 
 XV
 
En el Valle de Tula se lleva acabo una recarga no intencional del acuífero local 
por el uso de agua residual en la agricultura. Dicha recarga ha ocasionado el 
surgimiento de varios manantiales. Uno de ellos es el manantial Cerro Colorado 
que abastece de agua a cinco poblaciones. De acuerdo con los estudios 
realizados sobre la calidad del agua del acuífero local, el agua del manantial 
Cerro Colorado contiene compuestos orgánicos que pueden proceder del agua 
residual. Estos contaminantes orgánicos no pueden ser removidos mediante 
procesos convencionales de potabilización (coagulación-floculación, 
sedimentación y filtración) debido a que son contaminantes disueltos y se 
presentan en bajas concentraciones. Para ello, se utilizan tratamientos 
avanzados como la filtración con membranas, en particular, la nanofiltración y 
ósmosis inversa pues se ha visto que son la tecnología apropiada para 
enfrentar este tipo de problemas de contaminación. 
 
La nanofiltración ha mostrado ser efectiva en la remoción de pesticidas, materia 
orgánica natural, precursores de trihalometanos y otras sustancias persistentes 
procedentes del agua residual que se han detectado en fuentes de 
abastecimiento público contaminadas. 
 
En este trabajo se evaluaron tres tipos comerciales de membranas con la 
aplicación de 0.35, 0.52 y 0.69 MPa de presión de operación. Los parámetros 
para evaluar la efectividad de las membranas fueron: pH, conductividad, 
dureza, alcalinidad, turbiedad, sólidos disueltos totales (SDT), carbono orgánico 
total (COT) y absorbancia de luz ultravioleta a una longitud de onda de 254 nm 
(AUV254 ) (APHA, 1998). 
 
Se encontró que las membranas presentan efectividades semejantes en la 
remoción de sustancias orgánicas. Sin embargo, en cuanto a separación de 
sustancias inorgánicas, se observaron diferencias importantes que están 
ligadas a la capacidad de producir cierto volumen de agua por unidad de área 
de membrana (flux). Entonces, puesto que el problema de contaminación es de 
naturaleza orgánica y no es necesario quitar del agua los minerales, la 
membrana más efectiva en la reducción de orgánicos, preservación de la 
naturaleza mineral del agua y mayor flux fue la membrana NF 270 compuesta 
de capa delgada de poliamida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 INTRODUCCIÓN 
 
 XVI
El agua es un recurso vital para la vida y soporte del desarrollo económico y 
social de cualquier país del mundo. La distribución natural de agua en el ámbito 
mundial y regional es desigual. Mientras en algunas regiones es abundante, en 
otras es escasa o inexistente, la disponibilidad del líquido depende de la 
dinámica del ciclo hidrológico en el cual los procesos de evaporación, 
precipitación e infiltración dependen del clima, las características del suelo y la 
ubicación geográfica (INEGI, 2005). 
 
En las últimas décadas el agua se ha convertido en un recurso estratégico para 
el desarrollo económico y la supervivencia de los países debido a la escasez 
del agua para consumo humano y la pérdida de la calidad original (INEGI, 
2005). 
 
 Por este motivo, la Organización de las Naciones Unidas (ONU) lo ha 
catalogado como un recurso finito. En el 2005 en México, existe una 
disponibilidad natural promedio de 472 mil 194 hectómetros cúbicos (hm3) de 
agua al año, que lo ubica en el mundo como uno de los países con 
disponibilidad media (CNA, 2005). 
 
La importancia de la calidad del agua ha tenido un desarrollo. Hasta finales del 
siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades 
infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad 
del agua esta fuera de toda duda (INEGI, 2005). 
 
 Más del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras 
masas salinas, y no están disponibles en su forma natural para casi ningún 
propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, 
hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, para el hombre y sus 
actividades industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62 % que se encuentra en 
lagos, ríos y aguas subterráneas. 
 
El agua es fundamental para la vida humana no sólo porque la requerimos para 
beber sino también porque es necesaria para la higiene, producción de 
alimentos, las actividades industriales, pesca, generación de energía 
hidroeléctrica, y un sin número de otras actividades. 
 
Para que el agua sustente efectivamente la salud humana y se convierta en la 
mejor aliada estratégica para la vida, se requiere que sea de buena calidad. 
Es decir, que sea un agua segura, libre de contaminantes o elementos extraños 
que puedan afectar la salud. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 INTRODUCCIÓN 
 
 XVII
 
Los contaminantes delagua se dividen básicamente en cuatro grupos: 
 
• Compuestos naturales orgánicos biodegradables, como la materia 
orgánica, las aguas residuales de poblaciones, y algunos residuos 
industriales, que al llegar al agua se descomponen por la acción de 
microorganismos, lo que produce una disminución del oxígeno disuelto 
en el agua y la proliferación de microorganismos patógenos. 
 
• Sustancias y elementos naturales inorgánicos, como los nitratos, los 
fosfatos, el mercurio, el plomo, el cobre, el zinc y otros metales y 
compuestos inorgánicos, que se originan en las actividades 
agropecuarias, industriales, así como en la descomposición de la 
materia orgánica. 
 
• Contaminantes orgánicos, entre los que destacan los detergentes y los 
pesticidas, cuyos efectos presentan diversos grados de toxicidad. 
 
• Agentes de contaminación física, que cambian la temperatura del agua 
(como las plantas termoeléctricas y algunas industrias que enfrían sus 
maquinarias y luego retornan el agua a su cauce con mayor 
temperatura) o introducen elementos suspendidos en ella (por procesos 
de erosión o explotación de canteras, construcción de carreteras y otras 
actividades). 
 
Por ese motivo, para contar con un agua segura que actúe efectivamente a 
favor de la salud y que sustente la vida, se requiere tomar decisiones que 
garanticen la calidad y el adecuado suministro del agua, desde diversos 
sectores y con diferentes medios de prevención, protección y desinfección. 
Esos medios se relacionan estrechamente con la protección ambiental y la 
gestión integral del agua, así como con el funcionamiento eficaz de sistemas de 
agua potable y saneamiento de amplia cobertura (CEPIS, 2001). 
 
El objetivo del trabajo es evaluar la efectividad de tres membranas de 
nanofiltración para el agua de un manantial por lo cual se escriben en los 
siguientes capítulos. 
En el capítulo II se describe las fuentes de abastecimiento para potabilización, 
la disponibilidad en México y la Normatividad. 
En el capítulo III trata de las membranas su definición, la clasificación. Los tipos 
de módulos, los tipos de procesos entre estos se describe el proceso que se 
evalúa en este estudio (Nanofiltración). 
 En capítulo IV contiene casos en el mundo de reuso del agua por procesos de 
membranas. 
En capítulo V se describe la metodología, la descripción del módulo de prueba 
y los parámetros evaluados. 
En el capítulo VI se analiza los resultados de todos los parámetros 
monitoreados. 
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 1
FUNDAMENTO TEÓRICO 
2 POTABILIZACIÓN 
2.1 Fuentes de abastecimiento 
Las fuentes de abastecimiento que se encuentran disponibles en la naturaleza 
son las siguientes: 
 
• Convencionales 
• No convencionales 
 
2.1.1 Convencionales 
 
Las dos principales fuentes de abastecimiento convencional son: las 
superficiales y las subterráneas. Es importante destacar que el abastecimiento 
de agua potable no depende solamente de qué la fuente esté disponible sino 
también de su cantidad y calidad. 
 
Las aguas superficiales incluyen ríos, lagos y acuíferos someros. Algunas 
ventajas obvias de las aguas superficiales son su disponibilidad y que están 
visibles; son por lo tanto visibles; por tanto accesibles a su contaminación, si es 
natural puede ser removida. Generalmente las fuentes superficiales son blandas 
tienen un alto contenido de oxigeno y están libres de sulfuro de hidrógeno. Por 
otra parte, las aguas superficiales son variables en cantidad y se contaminan 
fácilmente por descargas de aguas residuales (contaminación no natural). 
 
Su alta actividad biológica puede producir sabor y olor. Las aguas superficiales 
pueden tener alta turbiedad y color, sobre todo en época de lluvia, lo cual 
requiere un tratamiento adicional. 
 
Las fuentes subterráneas están mejor protegidas de la contaminación humana, 
por lo que su calidad es más elevada y uniforme. El color y la materia orgánica 
son más bajos, es menos probable que tenga sabor, olor y contaminación 
producida por actividad biológica. Las aguas subterráneas son corrosivas, por la 
presencia de gases como el sulfuro de hidrógeno (H2S) y la presencia de fierro 
manganeso, así como de algunos metales. 
 
2.1.2 No convencionales 
 
Las Aguas atmosféricas, las marinas y las residuales muy raras veces son 
utilizadas como fuentes abastecimiento ya que por su calidad poco aceptable 
requieren ser recuperadas o tratadas para poder ser utilizadas. Se recurre a 
ellas cuando no existe otra posibilidad de abastecimiento. 
 
 2
 
Los objetivos de la potabilización son proporcionar agua segura para el consumo 
humano, con buen aspecto y costo razonable. Los procesos que se aplican para 
la potabilización están determinados por el origen del agua (superficial o 
subterránea) ya que de esto depende su calidad Fig. 2.1. 
La Norma Oficial Mexicana define potabilización como el conjunto de 
operaciones unitarias y procesos físicos y/o químicos y que se aplican al agua 
en los sistemas de abastecimiento públicos o privados, a fin de hacerla apta para 
uso humano (NOM, 2000). 
Este termino se refiere a los procesos empleados para modificar favorablemente 
la calidad del agua de manera que sea apta para consumo humano. La 
potabilización en general, no está constituida por un solo proceso, sino que 
abarca una serie de procesos y operaciones unitarias denominadas en conjunto 
“tren de tratamiento” (Jiménez, 1996). 
2.3 Proceso de potabilización 
La Organización Mundial de la Salud (OMS) la define como: toda aquella 
adecuada para el consumo humano, y para uso doméstico habitual, incluida la 
higiene personal. 
2.2 Definición del agua potable 
La OMS define un sistema de abastecimiento al conjunto intercomunicado o 
interconectado de fuentes, obras de captación, plantas cloradoras, plantas 
potabilizadoras, tanques de almacenamiento y regulación, cárcamos de bombeo, 
líneas de conducción y red de distribución (OMS, 1998). 
 POTABILIZACIÓN
Para las aguas marinas, se han desarrollado nuevas tecnologías que permiten 
desalar para ser utilizada como fuente de abastecimiento de agua potable pero, 
por su alto costo de inversión operación y mantenimiento, sólo se aplican en 
casos específicos. 
 
En cuanto al uso de agua residual doméstica sólo se conoce un caso en 
Windhoeke, África del Sur, en donde esta agua es tratada y usada como agua 
potable. Todas las demás experiencias son escasas y a nivel experimental 
(Jiménez, 1996). 
 
 
 
 
 POTABILIZACIÓN
3
 
 
 
FIG. 2.1 Esquemas comunes de potabilización: subterránea y superficial (Jiménez, 2001)
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 4
2.4 Calidad del agua 
El término "calidad del agua potable", expresa el conjunto de características físicas, 
químicas y biológicas que se deben satisfacer con el fin de que el agua que se 
suministra sea segura para el consumo humano y para todo uso doméstico habitual. 
Ésta es la definición que se expresa en las guías sanitarias y es empleada para 
efectos normativos. Sin embargo, se complementa la definición de calidad en 
términos de la percepción sensorial de los consumidores, quienes lejos de poder 
identificar los componentes del agua, la califican en función de su aspecto físico. De 
tal forma la responsabilidad en el suministro del agua potable debe de atender los dos 
aspectos: que el agua sea libre de patógenos y además que sea aceptada por el 
consumidor. 
Una exigencia de la calidad del agua es que reúna las condiciones físicas, químicas y 
bacteriológicas requeridas para ser de consumo humano. Se vigila el cumplimiento de 
los requisitos necesarios tendientes a evitar la presencia de organismos patógenos y 
sustancias contaminantes que puedan ser nocivas a la población, monitoreando 
puntos estratégicos de las fuentes de abastecimiento, tanquesde almacenamiento, 
estaciones de rebombeo, plantas de potabilización y la red de distribución, y 
efectuando la inspección sanitaria de esas instalaciones (Guasch, 2002). 
2.5 Disponibilidad del agua en México 
La Comisión Nacional del Agua (CNA) institución que norma el aprovechamiento y 
uso del agua y verificación de la Ley de Aguas Nacionales (LAN), tiene definidas en el 
país 37 regiones hidrológicas, las cuales controla por medio de 13 regiones 
administrativas. En la tabla A.2 del anexo A se presenta el número de plantas 
potabilizadoras por entidad federativa. 
 
En 2005, la infraestructura para la potabilización del agua suministrada en el país 
estaba constituida por 526 plantas; 465 se encuentran en operación, con una 
capacidad para tratar 83.66 m3/seg. El mayor número de plantas en operación se 
encuentra en Sinaloa (131), aunque su capacidad conjunta no es muy importante; 
Jalisco (19) y el estado de México (11), cuyas plantas tienen una capacidad conjunta 
de tratamiento de 14 mil 711 y 26 mil 159 l/seg., respectivamente (CNA, 2005). 
 
En la tabla A.3 del anexo A se presenta la ubicación de las plantas potabilizadoras 
por estado y tipo de proceso. El proceso más utilizado es el de clarificación 
convencional, aplicado en 231 plantas, 49.7% del total. El segundo proceso más 
utilizado es el de clarificación de patente que se aplica en 76 plantas y el tercer lugar 
el de membrana en 59 plantas (CNA, 2005). 
 
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 5
Para el caso particular del sistema de agua potable de la ciudad cuenta con 12 mil 
kilómetros de redes de tubería para lograr la distribución y el abastecimiento a la 
población. Del caudal que se suministra, el 69 por ciento se obtiene de fuentes 
subterráneas, 55 por ciento del acuífero de Valle de México y el 14 por ciento del de 
Lerma, en tanto que el 31 por ciento proviene de fuentes superficiales, principalmente 
de la cuenca del río Cutzamala. De ahí, el agua tiene que conducirse a través de 127 
kilómetros de longitud y se eleva mil 200 metros por medio de equipos de bombeo, 
para hacerla llegar a la ciudad (Guasch, 2002). 
 
2.6 Suministro 
 
Una cantidad considerable del agua para suministro proviene de fuentes subterráneas 
que es una fuente convencional cuya extracción requiere la perforación de pozos. 
Normalmente el agua se extrae con una bomba centrífuga, existe una variedad de 
procesos para darle este tratamiento. Los más importantes son el almacenamiento, la 
aereación, la coagulación-floculación, la sedimentación, el ablandamiento, la filtración 
y la desinfección. 
 
Otros procesos físicos y químicos se emplean con el fin de tratar aguas contaminadas 
con sustancias más difíciles de eliminar. 
 
 
FIG 2.2 Obra hidráulica para aprovechar fuentes naturales de agua Fuente 
(Guerrero, 1991). 
 
El proceso de potabilización comienza con la aereación del agua, esto es, se mezcla 
con aire por medio de agitadores, cascadas en tanques o por aspersión a través de 
boquillas. El propósito de este proceso es eliminar el bióxido de carbono disuelto, que 
causa corrosión, eliminar malos olores y sabores. 
 
El siguiente paso es someter el agua a la coagulación-floculación, es decir, a un 
proceso en el que se provoca que las partículas en forma de coloides se aglutinan y 
sedimenten. Esto se logra por la adición de productos químicos como: sulfato de 
aluminio, cloruro férrico, hidróxido de sodio, sulfato férrico, sílice activada y los 
polielectrólitos catiónicos y aniónicos (Hurtado, 1996). 
 POTABILIZACIÓN 
 
 6
La coagulación- floculación en conjunto con la filtración lenta reduce el contenido de 
bacterias en el agua, eliminan el color y la turbiedad e indirectamente también 
reducen los olores y sabores. 
El calcio, magnesio y otros metales normalmente presentes en el agua debido a su 
incorporación en su paso por las rocas son perjudiciales en exceso. Para reducir 
estos minerales el agua se somete a un ablandamiento, que opera por precipitación al 
añadir productos químicos (hidróxido de sodio, hidróxido de calcio y carbonato de 
sodio) o por el proceso de intercambio iónico. 
 
Después el agua se filtra con arena que elimina la materia suspendida. La arena está 
compuesta de sílice, cuarzo molido o antracita (carbón). 
Para desinfectar el agua, el compuesto más común que se emplea es el cloro, 
aunque puede también recurrirse al ozono o a la radiación ultravioleta. 
El cloro se aplica antes de la filtración (preclorinación) así como antes de la 
distribución (posclorinación). La mayor parte de las plantas de tratamiento emplean 
cloro que asegura la cantidad suficiente de cloro libre para actuar sobre las bacterias, 
a las que mata, y los virus, a los que inactiva. Sin embargo, cuando el agua tiene 
olores intensos el cloro puede reaccionar con la materia orgánica disuelta causando 
un sabor desagradable y la formación de trihalometanos que son tóxicos. 
 
Otros procesos adicionales se emplean en casos especiales, como la adición de 
sulfato de cobre que elimina el exceso de algas, la filtración con carbón activado para 
suprimir los olores penetrantes y el uso de amoniaco y cloro (cloroamina) con los que 
se obtiene la desinfección profunda y el control del olor (Guerrero, 1991). 
 
2.7 Legislación del agua en México 
 
En México, los derechos sobre los recursos hídricos quedan asentados dentro del 
Artículo 27 de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos, donde 
establece la propiedad de las tierras y aguas comprendidas dentro del territorio 
nacional de prácticamente todas las aguas superficiales y subterráneas. A si mismo, 
se fundamenta las leyes sobre protección y manejo de los recursos hídricos, que 
incluyen, entre otros aspectos: 
 
(1) Regular la extracción y el uso de las aguas nacionales. 
(2) Establecer las áreas donde el agua no podrá ser extraída 
(3) Asentar las reglas para la expedición de permisos del uso del agua bajo las 
leyes que dicta el Congreso. 
(4) Definir la calidad del agua para los diferentes usos a los que se le destina 
(5) Reglamentar la calidad de las descargas de aguas residuales (industriales, 
municipales, entre otras). 
 
 
 
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 7
Las actividades arriba mencionadas se lleva acabo por medio de diversas Leyes y 
Mandatos que promueven, dependiendo de la función entre otras la Secretaria del 
Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (SEMARNAP) y la Secretaria de Salud 
(SS). 
 
a) Ley de aguas Nacionales (LAN) 
 
Expedida en el año de 1992; proporciona un régimen legal integral que de sustento 
de las disposiciones más generales de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la 
Protección del Ambiente (LGEEPA) obligación de todos los usuarios al pago de 
derechos uso de aguas nacionales, incluyendo derechos de descarga de aguas 
residuales para evitar la contaminación de ríos y mantos acuíferos. 
Adicionalmente, la LAN se complementa con las Normas Oficiales Mexicanas en 
materia en materia de protección a la salud y al ambiente. 
 
b) Ley Federal de Derechos en Materia de Agua (LFDA) 
 
Reconoce le valor económico del recurso hídrico y el costo de la contaminación del 
mismo, por lo que regula el pago de derechos por su uso en dos ramas: (1) el uso del 
agua (2) y el uso de los cuerpos de agua propiedad de la nación como cuerpos 
receptores de las descargas de aguas residuales; considerando para ello zonas de 
disponibilidad y concentración de contaminantes. Los derechos se actualizan 
anualmente. 
 
c) Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente (LGEEPA). 
 
Promulgada en 1987 y revisada en 1996, establece los criterios generales para la 
prevención y control de la contaminación de las aguas refiriéndose a su importancia 
ambiental, la responsabilidad del estado sobre ella y la necesidad de tratar descargas 
residuales. Conforme a esta ley,los criterios se deben considerar por medio de la 
expedición de normas para el control de la contaminación de las aguas nacionales a 
través de dos organismos descentralizados y dependientes de la SEMARNAP. 
 
La Comisión Nacional del agua (CNA), creada en 1989, y encargada de la 
administración, custodia y programación de las aguas nacionales. La CNA expide las 
Condiciones Particulares de Descarga (CPD), que se fijan de acuerdo con la 
naturaleza, capacidad de carga y tipo de uso de los cuerpos de agua. 
 
El Instituto Nacional de Ecología (INE), que diseña la política ecológica general y 
vigila la aplicación de sus diversos instrumentos de regulación y gestión ambiental. 
Tiene a su cargo la publicación de las Normas Oficiales Mexicanas (NOM´s) en 
materia de protección de al ambiente. 
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 8
2.7.1 Criterios de calidad del agua 
Los criterios representan características del agua que son necesarias o deseables 
para usos específicos. Son expresados numéricamente por lo que son más 
específicos que los objetivos. Con base en los criterios se puede definir si cierta agua 
es apropiada para cierto uso. Los criterios no son obligatorios. 
Para definir los criterios de calidad se consideró la variación, en cantidad y calidad, de 
los cuerpos de agua del país el grado de deterioro que pueden tener y las 
condiciones necesarias para la existencia y el desarrollo de un ecosistema. 
 
En particular, los CECA definidos para una fuente de abastecimiento de agua potable, 
se enfocan a la protección de la salud humana, basándose en las propiedades 
carcinogénicas, tóxicas u organolépticas de las sustancias. 
 
En este caso, los criterios no se refieren a la calidad del agua que va ser ingerida, 
sino a los límites permisibles del cuerpo de agua que se pretende utilizar para proveer 
agua para el consumo humano; es decir, que el agua de la fuente de abastecimiento 
debe ser sometida a tratamiento cuando no se ajusta a las disposiciones sanitarias 
sobre agua potable. 
 
Sin embargo, la calidad para las fuentes de abastecimiento de agua potable debe ser 
tal que por medio de un tratamiento convencional se logre la calidad del agua que 
exige la norma para el abastecimiento de agua para uso y consumo humano NOM-
127-SSA1-1994. 
 
Aunados a los instrumentos regulatorios mencionados anteriormente se encuentran 
los Criterios Ecológicos de Calidad del Agua (CECA) publicadas por la secretaria de 
Desarrollo Urbano y Ecología (SEDUE) el 13 de diciembre de 1989 en el Diario Oficial 
de la Federación. 
 
El aparato regulatorio del uso y descargas del agua en el control de la contaminación 
considera que antes de dar una aplicación a un cuerpo de agua, es necesario 
conocer su calidad para poderlo clasificar y destinarlo al uso adecuado. Con el fin, se 
establecieron en los CECA 5 tipos de usos del agua: 
 
1. Fuentes de abastecimiento de agua potable 
2. Uso recreativo, Contacto primario 
3. Riego agrícola 
4. Pecuario 
5. Protección a la vida acuática. Agua dulce 
6. Protección a la vida acuática. Agua marina 
 
 
 
 POTABILIZACIÓN 
 
 9
En la tabla A.3 del anexo A se describen los parámetros regulados por la CECA de 
las fuentes de abastecimiento de acuerdo a su uso. 
Dentro de las metas que persiguen los CECA se manifiestan las siguientes 
 
• Tener un aprovechamiento racional del agua por medio de la prevención y 
control de la contaminación del agua, así como la protección de la flora y 
fauna acuáticas. 
 
• Definir para cada uso niveles permisibles de los parámetros y sustancias que 
se encuentran en el agua, dicha definición constituye la calidad mínima 
requerida para cada uso o aprovechamiento, considerando que en el país las 
condiciones de los cuerpos varían ampliamente en cantidad y calidad. 
 
• Identificar la bioacumulación y transmisión de sustancias tóxicas en 
organismos a través de la cadena alimenticia y la correlación existente entre 
su presencia y sus efectos en los usuarios y las actividades que dependen del 
cuerpo de agua. 
 
• Identificar los cuerpos deteriorados y los que se encuentren en buenas 
condiciones, comparando su calidad actual con la propuesta en los CECA, 
para establecer programas de prevención y control de la contaminación 
(Quezada 2000). 
 
2.7.2 Norma del agua potable. 
La Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA-1994 "Salud ambiental”, agua para uso y 
consumo humano. Límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe 
someterse el agua para su potabilización" fue publicada en 1996. El agua que cumple 
con los requisitos de esta norma se considera apta para consumo humano. 
El objetivo de la NOM-127-SSA1-1994 es abastecer el agua para uso y consumo 
humano con la calidad adecuada para prevenir y evitar la transmisión de 
enfermedades gastrointestinales, entre otras, por lo que establece límites permisibles 
en cuanto a las características bacteriológicas, físicas, organolépticas, químicas y 
radiactivas que aseguren dicha calidad. 
La norma establece los límites máximos para 42 parámetros que comprenden las 
características físicas y químicas del agua así como la presencia de bacterias del tipo 
coliforme identificadas como responsables de enfermedades gastroinstestinales. 
Sanciona también elementos procedentes de actividades humanas, como 
compuestos orgánicos sintéticos y el cloro residual libre que debe de contener el agua 
en los sistemas de distribución para prevenirla de contaminantes (Jiménez, 1996). 
 POTABILIZACIÓN 
 
 10
El cumplimiento de esta norma asegura que el agua no provocará ningún efecto 
nocivo en la salud del consumidor. Sin embargo, no califica el agua en términos de 
aceptación por sus características organolépticas. En este sentido, el agua puede ser 
de mala calidad y estar dentro de norma. 
Existen estudios que establecen criterios para medir la calidad del agua con base en 
índices que se formulan con los parámetros relacionados al sabor, color y olor del 
líquido, de tal forma que en los sistemas de abastecimiento que cuentan con diversas 
fuentes, la calidad puede variar desde mala hasta excelente. 
De acuerdo con este concepto, el control de la calidad del agua debe enfocarse 
primeramente a establecer las medidas preventivas para que no represente un riesgo 
a la salud. Una vez cumplido el requisito de norma, mejorar las características de 
calidad para satisfacer los requerimientos de aceptación por parte de los 
consumidores (Guasch, 2002). 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 11
3 PROCESOS CON MEMBRANAS 
3.1 Membranas 
 
Una membrana semipermeable es un elemento que, situado en un medio, permite 
separar todos o algunos de sus componentes Fig. 3.1. 
 
 
Fig. 3.1 Membrana. Fuente: (Lenntech, 2005) 
La tecnología de membrana se ha convertido en una parte importante de la 
tecnología de la separación en los últimos decenios. La fuerza principal de la 
tecnología de membrana es el hecho de que trabaja sin la adición de productos 
químicos, con un uso relativamente bajo de energía y conducciones de proceso 
fáciles. La tecnología de membrana es un término genérico para una serie de 
procesos de separación diferentes y característicos. Las membranas se utilizan cada 
vez más para acondicionar agua procedente de aguas subterráneas, superficiales o 
residuales en función de su uso posterior. 
El principio básico es que la membrana actúa como un filtro específico que deja pasar 
el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay varios 
métodos para permitir que las sustancias atraviesen una membrana. Ejemplos de 
estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de 
concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial 
eléctrico (Lenntech, 2005).PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 12
La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias 
pueden atravesar la membrana, mientras que otras quedan atrapadas en ella. 
La filtración de membrana se puede utilizar como una alternativa a la floculación, las 
técnicas de purificación de sedimentos, la adsorción, filtros de arena y filtros de 
carbón activado, intercambiadores iónicos, extracción y destilación. 
Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de 
membrana: selectividad y productividad. 
 La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención 
o de separación (expresado en L/m2 h). 
 La productividad se expresa mediante un parámetro llamado flux (expresado 
en L/m2 h). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 13
3.2 Clasificación de las membranas 
 
Con base en su naturaleza las membranas se pueden clasificar en: 
 
 Biológicas 
 Sintéticas. 
 
En la tabla 3.1 Se observa la clasificación de las membranas. 
 
Tabla 3.1 Clasificación de las membranas 
Biológicas 
Metálicas 
De vidrio Inorgánicas 
Cerámicas 
Porosas 
 
NATURALEZA Sintéticas 
Orgánicas 
Densas 
Densas 
Porosidad Porosas (homo y heteroporosas) 
Simétricas 
 
Configuración Asimétricas 
Soportadas 
 
Estructura 
Microscópico
Líquidas 
No soportadas 
Laminares 
Tubulares 
ESTRUCTURA 
Estructura 
Macroscópica
Fibras huecas 
Tipo Knudsen 
 Flujo fase gaseosa 
De flujo viscoso 
Flujo fase líquida 
Porosas 
Difusión 
Densas 
Catiónico 
 
TRANSPORTE 
De cambio 
iónico 
Aniónico 
Fuente: (Palacio, 1999) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 14
3.2.1 Membranas biológicas. 
 
Son aquellas que forman parte de los seres vivos. Dentro de éstos podemos 
encontrarlas a muchos niveles: 
 
 Nivel celular: como barreras de intercambio o aislamiento de la célula con el 
exterior. 
 
 Nivel pluricelular: Delimitando órganos funcionales o como recubrimiento que 
permite la interacción con el exterior. 
 
El comportamiento y funciones son muy variados, como consecuencia de la variedad 
de órganos y niveles en los que están presentes. 
 
3.2.2 Membranas sintéticas. 
 
 En la actualidad, existen una gran variedad de membranas sintéticas que han ido 
evolucionando en función de los materiales y las técnicas utilizadas en su fabricación, 
con el fin de ir mejorando su comportamiento para una determinada operación de 
separación. 
 
Las membranas sintéticas se clasifican en varias categorías: 
 
 Composición: inorgánica, orgánica, o polimérica y mixta. 
 
 Función separación de gases, destilación de agua, diálisis, ultrafiltración, 
microfiltración, electrodiálisis, osmosis inversa, nanofiltración, etc. 
 
 Estructura (referido a la microestructura en su corte transversal): homogénea, 
asimétrica o compuesta. 
 
 Forma: laminar, fibra hueca, tubular o un revestimiento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 15
3.3 Clasificación de acuerdo a mecanismos de transporte. 
 
Fundamentalmente hay tres mecanismos de transporte que dependen de una 
propiedad específica de los componentes que serán removidos o retenidos 
selectivamente por la membrana. 
 
La clasificación basada en mecanismos de transporte reduce a tres las clases 
principales: membranas porosas, membranas no porosas o densas y membranas 
cargadas eléctricamente, también llamadas membranas de intercambio iónico 
(Palacio, 1999). 
 
3.3.1 Membranas porosas 
 
En las membranas porosas se presentan poros finos. Utilizando la definición de 
tamaño de poros adoptada por la IUPAC (1985) tendremos: 
• Macroporos, mayores de 50nm. 
• Mesoporos, en el rango de 2 a 50 nm. 
• MIcroporos, menores de 2 nm. 
 
3.3.2 Membranas no porosas 
 
Estas membranas pueden considerarse como medios densos. La difusión de 
especies tiene lugar en el volumen libre que esta presente entre las cadenas 
macromoleculares del material de la membrana. Las membranas Permeación 
gaseosa (PG), Permeación por vapor (PV) y de Osmosis Inversa (OI) son de este 
tipo. 
 
3.3.3 Membranas de intercambio iónico 
 
Las membranas de intercambio iónico son un tipo especial de membranas no 
porosas. Consisten en geles muy hinchados portadores de cargas positivas o 
negativas. Una membrana con cargas positivas fijadas (por ejemplo –NR3+) se 
denomina membrana de intercambio aniónico, mientras que una de intercambio 
catiónico es aquella que posee cargas negativas (por ejemplo, -SO3-) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 16
3.4 Clasificación de acuerdo a la estructura 
 
Para las operaciones con membrana conducidas por presión y permeado, el flujo del 
permeado es inversamente proporcional al espesor de la membrana. De hecho, fue el 
desarrollo de las membranas anisotrópicas el que permitió su introducción en 
aplicaciones industriales. 
 
3.4.1 Membranas anisotrópicas. 
 
Estas membranas constan de una capa fina, llamada película, soportada por otra 
capa subyacente más espesa y más porosa. La capa pelicular es responsable de las 
funciones principales de la membrana, ya que el flujo y la selectividad sólo dependen 
de la estructura de la capa. 
 
Su espesor está en el rango de 0.1 a 0.5 µm, aproximadamente, lo cual corresponde 
al 1 por 100 del espesor de la capa porosa subyacente. La capa soportante presenta 
una resistencia despreciable a la transferencia de masa y está presente sólo como 
soporte mecánico. 
 
Las membranas de este tipo se producen normalmente sobre un sustrato poroso 
(frecuentemente de poliéster filamentoso trabado y no tejido). El material portante 
forma parte integral de la membrana, ya que imparte tensión mecánica a está. 
Hay dos tipos de membranas anisotrópicas: 
 
• Asimétricas 
 
• Mixtas 
 
3.4.1.1 Membranas Asimétricas. 
 
Éstas son membranas anisotrópicas preparadas con base en un mismo material. 
 
3.4.1.2 Membranas mixtas. 
 
Son membranas anisotrópicas donde la capa superior y la subcapa son materiales 
diferentes. Generalmente la capa porosa es una membrana asimétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 17
3.5 Clasificación según su geometría. 
 
Las membranas pueden prepararse en dos formas geométricas: 
 
• Planas 
• Cilíndricas 
 
Con base en las diferencias dimensiónales, puede distinguirse los siguientes tipos de 
membranas cilíndricas: 
 
• Membranas tubulares con diámetro interno mayor de 3mm. 
• Membranas tubulares de fibra hueca con diámetro interno menor de 3mm. 
 
Las fibras huecas son geométricamente las membranas tubulares más pequeñas 
disponibles, con diámetro exteriores entre 80 y 500 µm. 
 
3.6 Clasificación de acuerdo a su naturaleza química 
 
Las membranas sintéticas pueden realizarse a partir de un gran número de 
diferentes materiales: 
 
• Orgánicos (polímeros). 
 
• Inorgánicos (metales, cerámica, vidrio, etc.) 
 
3.6.1 Membranas orgánicas 
 
Básicamente todos los polímeros pueden ser utilizados, pero por las necesidades del 
proceso y vida de las membranas, sólo se utilizan un número limitado de polímeros 
por lo general las membranas son de celulosa y los derivados. 
 
Estos polímeros hidrófilos tienen bajo costo, poca tendencia a la absorción y se 
utilizan no sólo en todos los procesos de presión, sino también en hemodiálisis y 
permeado gaseoso. 
 
En el tratamiento de agua, las membranas de ésteres de celulosa (principalmente el 
di y triacetato) tienen la ventaja de ser relativamente resistentes al cloro y, a pesar de 
su sensibilidad a los ácidos, a la hidrólisis alcalina, a la temperatura y a la 
degradación biológica, se utilizan ampliamente para la desalación, eliminación de 
dureza,desinfección y clarificación. 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 18
Otra clase importante de membranas poliméricas hidrófilas son las realizadas con 
poliamidas aromáticas fueron el segundo tipo de polímero, después del diacetato de 
celulosa, usado en desalación a causa de su propiedad de selectividad de permeado 
y por una mejor estabilidad térmica, química e hidrofílica. 
 
El grupo amida (-CO-NH-) tiene gran sensibilidad a la degradación oxidativa y no 
puede tolerar exposición al cloro ni siquiera en trazas. 
 
El poliacrilonitrilo (PAN) se utiliza también comúnmente en las membranas de UF y 
hemodiálisis. Menos hidrófilo que los dos polímeros anteriores, no tiene la propiedad 
de permeabilidad selectiva y no se utiliza en Ósmosis Inversa (OI). 
 
Otra clase ampliamente utilizada de polímeros, son las polisulfonas (PSF) y las 
polietersulfonas (PES). Estos polímeros no son hidrófilos y tienen una tendencia 
relativamente alta a la absorción, pero también buena estabilidad química, mecánica 
y térmica. 
 
Se usan normalmente como membranas de UF, como soporte de membranas mixtas 
(composite) o como membranas de hemodiálisis. La mayor parte de las membranas 
PES y PSF se modifican mezclándolas con polímeros hidrófilos para dotarlas de 
mejores propiedades antiensuciamiento. 
 
A causa de su excelente estabilidad química y térmica; los siguientes polímeros 
hidrófobos se utilizan a menudo como membranas macro porosas: 
politetrafluoretileno (PTFE), polifluoruro de vinilideno (PVDF), polietileno (PE), 
policarbonato (PC) o isopolipropileno (PP). En el tratamiento de agua, el PP se usa 
como membrana de microfiltración a pesar de su sensibilidad al cloro. 
 
3.6.2 Membranas inorgánicas 
 
Los materiales inorgánicos generalmente poseen mayor estabilidad química, 
mecánica y térmica en comparación con los polímeros orgánicos. Sin embargo, tienen 
la desventaja de ser muy frágiles y más caros que las membranas orgánicas. Esto 
explica por qué su principal campo de aplicación esta limitado a la industria química, 
para tratamiento de fluidos agresivos o de alta temperatura y a las industrias 
farmacéuticas y lácteas donde se precisa esterilización térmica. 
Las membranas cerámicas representan el tipo principal de membranas inorgánicas. 
Los materiales cerámicos son óxidos, nitruros o carburos de metales, tales como el 
aluminio o titanio. 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 19
3.7 Configuración del módulo 
 
La unidad de operación en la que disponen las membranas para su utilización se 
denomina o conoce como módulo. 
 
Esta unidad de trabajo consta de las membranas, las estructuras de los soportes de 
la presión, las puertas de entrada de alimentación y salida del concentrado y de 
puntos de extracción de permeado. 
 
Los módulos se diseñan para alcanzar tres objetivos esenciales: 
 
• Asegurar a nivel de membrana una circulación suficiente del fluido que va a 
ser tratado para limitar los fenómenos de concentración, polarización y 
depósito de partículas. 
• Producir un modulo compacto; por ejemplo uno que provea máxima superficie 
de intercambio por unidad de volumen (máxima densidad del compacto). 
• Evitar cualquier fuga entre los compartimentos de alimentación y permeado. 
 
Los dos primeros objetivos tienden a reducir el costo del módulo para producir un 
volumen determinado de fluido tratado, pero también tienden a aumentar el costo 
energético de la separación: alta velocidad de circulación y pequeñas secciones de 
paso producirían una gran pérdida de carga. 
El tercer objetivo puede parecer trivial pero en la práctica la mayoría de los problemas 
que ocurren provienen de una fuga debida a un ensamblaje defectuoso y no a 
defectos en las membranas. 
 
El módulo también debe satisfacer otros requerimientos, tales como: 
 
• Facilidad de limpieza (hidráulica, química, esterilización) 
• Facilidad de ensamblaje y desmontaje. 
• Volumen pequeño a montar. 
 
Los cuatro tipos principales de módulos que se encuentran en el mercado son: 
 
• Placa y bastidor. 
• Enrrollamiento espiral. 
• Tubular. 
• Fibra hueca. 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 20
3.7.1 Placa y bastidor 
 
Estos módulos están hechos de membranas de cara plana y placas de soporte su 
diseño se deriva de filtros prensa. Fig. 3.4. La alimentación circula entre las 
membranas de dos placas adyacentes. El espesor de la lámina liquida esta en el 
rango entre 0.5 y 3 mm. La densidad del compacto de las unidades de placa y 
bastidor es de cerca de 100 a 400 m2/m3. 
Las placas aseguran soporte mecánico de la membrana y, al mismo tiempo, el 
drenaje del permeado. Las placas deben de ser corrugadas en el lado de la 
alimentación para aumentar la transferencia de masa. 
Su disposición hace posible disponer la circulación en serie o en paralelo. Los 
grandes conjuntos unitarios pueden formarse así con una superficie de hasta 100 m2. 
Las unidades pueden desmontarse fácilmente para ganar accesibilidad para la 
limpieza o cambio manual de las membranas. 
En algunos diseños el permeado es recogido de las placas de soporte individuales, lo 
que hace que la localización de las membranas defectuosas sea un asunto sencillo 
de resolver. Fig. 3.3, 3.2. 
 
 
Fig. 3.2 Membrana plana 
Fuente: Moskaluk 2005 
 Fig. 3.3 Módulo experimental de membrana plana Fuente: Osmonics 2005 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
B
A
 
Fig. 3.4 Módulos de membrana plana. Fuente: A Hdrinc 2005 B, C Fuente Prep-tec 2005. 
 
C
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 
 
.6.3 Tubular 
3.7.2 Enrollamiento en espiral 
 
 Una envolvente de dos membranas planas encerrando una hoja flexible porosa 
(colector de permeado) está sellada por tres de sus bordes. El borde abierto está 
conectado y enrollado sobre un tubo perforado que transporta el permeado. 
Varias capas ensambladas y separadas una de otra por un espaciador del lado de la 
alimentación. Este espaciador no sólo mantiene abierto un canal de flujo para 
alimentación, sino que también cumple con la muy importante función de inducir 
turbulencias y reducir así la concentración de polarización. El espaciador puede ser 
una malla o bien un separador corrugado. La alimentación fluye paralela al eje del 
tubo de permeado. Fig. 3.6. 
El diámetro de un elemento puede ser como mucho 300 mm y su longitud puede ser 
de hasta 1.5m. Las membranas de espiral consisten en dos capas de membrana, 
situadas en un tejido colector de permeados. Esta funda de membrana envuelve a un 
desagüe de permeados situado en posición central (ver figura de abajo). Esto hace 
que la densidad de embalaje de las membranas sea mayor. El canal de entrada del 
agua se sitúa a una altura moderada, para prevenir la obstrucción de la unidad de 
membrana. Las membranas de espiral son usadas solamente para aplicaciones de 
nanofiltración y ósmosis inversa (OI). Fig. 3.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3
 
 
 
 
Fig. 3.5 Membrana espira (MMsiberia, 2005) 
I
 
Fig. 3.7 Módulos de membrana espiral. Fuente: A, D, E, L Dow 2005, B Esemag 2005, C, G 
Hyflux 2005, F Chimica 2005. H, I Qualityfiltrations 2005, J Osmosistemi 2005, K Norit 2005. 
 
B A C ED F 
G H J K I L
Fig 3.6 Estructura de la 
membrana (Dow, 2005). 
 21
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 22
 
l módulo tubular es la configuración más simple en que la membrana se moldea 
obre la pared de un tubo soporte poroso. Estos tubos tienen diámetros interiores que 
40 mm. Los tubos individuales pueden colocarse en el interior de 
angas de acero inoxidable o de PVC para las unidades a pequeña escala o 
dulos de membranas con un área superficial total 
o necesitan una prefiltración fina de alimentación y sonde fácil 
mpieza. Están adaptados para el tratamiento de fluidos viscosos. 
e obstruyan. Un 
conveniente de las membranas tubulares es que la densidad del empaquetamiento 
 
 
3.7.3 Tubular 
 
E
s
están entre 6 a 
m
agrupadas juntamente en haces de 3 a 151 tubos en un alojamiento cilíndrico con 
placas finales adecuadas. Fig. 3.8. 
Las membranas inorgánicas pueden disponerse sobre soportes cerámicos 
multicanales conteniendo hasta 19 canales de flujo en paralelo. Cada elemento, de 
membrana multicanal está alojado individualmente o bien en haces paralelos (hasta 
de 99 elementos), formando así mó
de 0.2 a 7.4 m2. 
 
La hidrodinámica del flujo esta perfectamente definida y pueden conseguir 
velocidades de circulación de hasta 6 m/s si se necesita un flujo de alta turbulencia. 
Estos módulos n
li
 
Su desventaja principal es que tienen una baja densidad de compactación, y de esta 
manera incrementan el costo de inversión. Debido al tamaño de la superficie de la 
membrana, no es probable que las membranas tubulares s
in
es baja, lo que resulta en un mayor precio por módulo (AWWA, 1998). 
 
3.8 Módulos de membrana tubular Fuente: A Baumpub 2005 B,D,E Norit 2005 C Geafiltración 
2005 G,F Koch 2005 H Matrix 2005. 
A B
E
C
F
D
G H
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 
Con las membranas capilares la membrana sirve de barrera selectiva, que es 
suficientemente grande para resistir las presiones de filtración. Debido a esto, el flujo 
a través de las membranas capilares puede ser tanto de dentro hacia afuera como de 
afuera hacia adentro. Fig. 3.9. 
El diámetro de las membranas capilares es mucho más pequeño que el de las 
membranas tubulares concretamente de 0 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las 
probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores. Una 
ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor (Lenntech, 2005). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
oncretamente de 0 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las 
probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores. Una 
ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor (Lenntech, 2005). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.7.4 Membranas capilares 
, .5 .5 
 23
 
 
 
 
 
 
B A
E F
G 
D
H
C
Fig. 3.9 Membranas capilares. Fuente: A, Pall 2005. B, .Ntu.edu 2005 C , Pharmaceutical 
2005 E,F .Norit 2005. G,H, Wetsus 2005 H,D, Wate 2005 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 24
.7.5 Membranas de fibras huecas 
 
as fibras están reunidas en un haz de varios miles incluso millones. El flujo de 
limentación tiene lugar por dentro de las fibras (configuración de dentro afuera) o 
ien por fuera de las fibras (configuración exterior-interior ). En el primer caso, la 
ermeticidad de agua entre flujos de alimentación y permeado viene asegurado por 
na resina de alfarería que forma un plato en cada final del haz o mazo. Después del 
ndurecimiento de la resina, el mazo se corta de tal manera que los extremos de las 
bras aparecen abiertas. En muchos diseños, el alojamiento a presión se sella en la 
isma operación, evitando la necesidad de arandelas que son las fuentes principales 
e perdida en los módulos. En la configuración exterior-interior, el haz tubular o 
azo se dispone a menudo en forma de U; las fibras se sellan y hermetizan sólo por 
n lado o final. Fig. 3.10. 
as velocidades de trabajo en módulos de fibra hueca son normalmente bajas y 
ueden operar incluso sin circulación, así las fibras huecas trabajan en la zona de 
ujo laminar pero incluso en este régimen, los empujes pueden ser altos debido al 
ujo muy pequeño en los canales. 
l cambio de dirección del flujo (o caudal) a través de la pared de la fibra, hace 
osible desprender la capa de partículas (o torta) depositado en la superficie (AWWA, 
998). 
 
 
 
 
Fig.
D T
3
L
a
b
h
u
e
fi
m
d
m
u
L
p
fl
fl
E
p
1
 
 
 
 
C
 A B
D
E
 
 
 
 3.10 Módulos de membrana de fibra hueca. Fuente: A,E .Elixa 2005. B .Fire 2005 E .Norit 2005, 
ifac 2005. 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
3.7.6 Módulos de disco rotatorio y cilíndrico 
 
Se han desarrollado diferentes dispositivos basados en un disco o cilindro rotativo 
(Belfort et., al 1994). Dichos módulos tienen la ventaja de que promueven unos flujos 
o caudales secundarios, que ayudan a despolarizar el soluto y las partículas en las 
interfaces solución-membrana. Esto produce un aumento del rendimiento en términos 
de caudal para el filtrado por presión. Las limitaciones son: un alto consumo 
energético para rotar el equipo, dificultades en el mantenimiento, formación de 
depósitos mayores y ensuciamiento y por tanto, disminución de la capacidad de los 
módulos. Fig. 3.11. 
 
 
 
 
 
 25
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
C
A B
 Fig. 3.11 Módulos de membrana de disco rotatorio y cilíndrico Fuente A , B, C, AEDyR 2005. 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 26
.7.7 Membranas almohadiformes 
as membranas que constan de placas planas se llaman membranas 
lmohadiformes. El nombre de almohadiforme viene de la forma de almohada que 
enen dos membranas cuando son empaquetadas juntas en una unidad de 
embrana. Dentro de la “almohada” hay una placa de apoyo, que se ocupa de la 
olidez. Fig. 3.12. 
entro del módulo se encuentran muchas almohadas con un cierto espacio de 
eparación entre ellas que depende del contenido en sólidos disueltos del agua 
sidual. El agua fluye de dentro hacia afuera a través de las membranas. Cuando el 
atamiento ha sido realizado, el permeado se recoge en el espacio entre las 
embranas, desde donde es sacado a través de tubos (Lenntech, 2005). 
3
 
L
a
ti
m
s
D
s
re
tr
m
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 3.12 Módulos de membrana Almohadiforme 
 Fuente: Fitsepbuyersguide 2005. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 27
 
En la tabla 3.2 se describe la comparación de diferent
 
Tabla 3.2 Comparación de di
 
 
Criterios b
 
Fibra hueca 
 
es tipos de módulos con base en diversos criterios. 
ferentes tipos de módulos 
 
Placa y bastidor 
 
Enrrollamiento en 
espiral 
 
Tu ular 
 Fibra Capilar 
 (OI) (UF/MF) 
Densidad compacta + ++ - +++ +++ 
Facilidad limpieza 
In situ + - ++ - - 
De barrido - - -(1) - +++ 
Costo del módulo + +++ - ++++ +++ 
Caída de presión - ++ +++ ++ ++ 
Volumen extraído + + - +++ ++ 
Calidad 
pretratamiento 
+ - +++ - ++ 
Fuente: (Cuartas, 1999) 
- Clara desventaja 
+++ Clara ventaja 
(1) Con la excepción de ciertos módulos cerámicos, donde la capa que forma la membrana está químicamente 
limitada por su soporte. 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
e se 
 
 
a 
 
 28
3.8 Procesos de membrana 
 
Los procesos basados en membrana consisten en el paso selectivo de materiales a 
través de una barrera física (membrana) con el objeto de separar o incrementar la 
concentración de componentes. La membrana es una película polimérica que separa 
las dos fases o corrientes en las que ocurre el aislamiento o la concentración de 
compuestos. Fig. 3.13. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Un proceso de separación por membranas tiene lugar en un módulo al qu
alimenta una mezcla de la que se busca ya sea concentrar los componentes o bien 
separar un compuesto de interés. Fig. 3.14. Dentro del módulo, la alimentación entra 
en contacto con una membrana selectiva que permite el paso sólo de ciertos 
materiales. Si únicamente el disolvente puede atravesar la membrana, los
componentes de la mezcla se concentrarán. Si la membrana es permeable al 
disolvente y a uno de los componentes de la mezcla,se obtendrá del proceso una 
separación del componente buscado. A la salida del módulo pueden distinguirse dos
corrientes, el retenido y el permeado. El retenido está formado por todos los 
materiales que no atravesaron la membrana. El permeado se constituye con los 
compuestos a los que la membrana es permeable. El flujo de materia a través de l
membrana es resultado de una diferencia de la presión establecida entre ambos
lados de esta (Aranda, 2005). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.13 Esquema de un proceso de separación basado en membrana (Aranda, 2005). 
Fig. 3.14 Flujo de material a través de una membrana (Aranda, 2005). 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 29
3.8.1 Requerimientos de la Membrana 
 
Los criterios para obtener un rendimiento óptimo de la mem a son los siguientes: 
 
1. D ser inert o dab
 
2. Deben ser fácil de limpiar y de regenerar y debe ser resistente a los agentes 
quí s y a las si temperaturas elevadas. 
 
3. Para limitar el ens ento, la distribución de tamaños de poros debe tener la 
mínima interferencia posible con la distribución de tamaños de las partículas o 
moléculas a filtrar. 
 
4. Debe tener los poros distribuidos uniformemente y de e
así se consigue un mejor rendimiento de filtración. 
 
5. Es preferible que la membrana sea hidrófila y esté cargada negativamente, o 
neutra con el fin de limitar la adsorción de contaminantes orgánicos. 
 
3.8.2 Bases del proceso de Filtración 
 
Desde el punto de vista de la dirección relativa del flujo de alimentación respecto al 
medio filtrante, la filtración puede ser: 
 
i ión flujo directo: el flujo de alimentación atraviesa la membrana 
del medio, tal y como se observa 
n Figu 
 
Cuando se realiza una filtración frontal, toda el agua que entra en la superficie de la 
membrana es presionada. Algunos sólidos y componentes permanecerán en la 
membrana mientras que el agua fluye. 
 
Esto depende del tamaño del poro de la membrana. E onsecuencia, el agua 
experimentará mayor resistencia a pasar a través de la membrana. Cuando la presión 
del agua entrante es continua, esto resultará en un decrecimiento del flujo. Después 
de e el f habrá d e m rana sita limpiarse. 
bran
levada porosidad, ya que 
n c
 nece
ebe
mico
 F
quedando las partículas sobre la superficie 
e
un ti
e y n
pre
 b
one
uci
iod
s y
ami
egra le 
ltrac
 la 
mpo
de 
ra 3.15
lujo ecr cido tanto que la emb
 
ACSmFig. 3 Filtraci lu , 2005). .15 ón de f jo directo ( edioambiente
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 30
do: Es cuando la diferencia de presión ejercida hace 
que parte del flujo de la alimentación atraviese la membrana, y el resto de 
 Filtración de flujo cruza
dicho flujo fluya tangencialmente a la superficie de esta, arrastrando 
continuamente las partículas que pudieran depositarse, reincorporándolas a la 
alimentación. Este tipo de filtración se observa en la Figura 3.16 
 
 
 
Figura 3.16 Filtración de flujo cruzado (ACSmedioambiente, 2005). 
Las limitaciones de un filtrado directo provocan que la membrana se tape con mayor 
rapidez que en el caso de la filtración de flujo cruzado. Al aplicar el flujo cruzado 
 
obre la superficie filtrante se provoca una autolimpieza en la superficie de la 
emb
 la membrana 
 
 
 
s
m rana, disminuyendo la frecuencia y los costos de limpieza. 
 
Existen dos aspectos esenciales en el funcionamiento de las membranas: el estado 
estático y el dinámico. Muchos procesos con membranas son diseñados para lograr 
condiciones estables de filtración y reducir la limpieza de las membranas. Sin 
embargo, esto no siempre es posible debido a que se debe tener en cuenta que al 
cabo del tiempo las membranas se deterioran disminuyendo el rendimiento del 
proceso. 
 
3.8.2.1 Flujo de filtrado 
 
Para el control del proceso de filtración, un aspecto clave es determinar la influencia 
de los siguientes parámetros en el flujo total que atraviesa la membrana: 
 
 Resistencia intrínseca de
Fuerza operacional por unidad de área. 
 Condiciones hidrodinámicas 
Ensuciamiento y limpieza de la membrana 
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 31
sa a través de una unidad de área de la 
embrana por unidad de tiempo, también es llamado velocidad de permeado y se 
en tres tipos de corrientes: la alimentación, el 
aterial o partículas retenidas o concentrado y el permeado. 
El flux es la cantidad de agua que pa
m
mide en m3/m2s. 
 
En la operación de membrana coexist
m
 
 
Figura 3.17 Diagrama de corrientes en la membrana 
 
 
Figura 3.18 Balance de masas en la membrana 
 
Balance de masas a la unidad de membrana: 
 
 rp QQQ += 
 rrpp CQCQCQ ··· +=
Donde: 
 
3• Q: caudal de la alimentación (m /s) 
• Qp: caudal de permeado (m3/s) 
• Qr: caudal del concentrado (m3/s) 
• C: concentración de la alimentación (Kg/m3) 
• Cp: concentración de permeado (Kg/m3) 
• Cr: concentración del c 3
 
 
oncentrado(Kg/m ) 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 32
A p
conoce
 
 
ismo, es el 
cociente, expresado en tanto por ciento, entre el caudal de permeado y el 
caudal de aportación que llega a las membranas. Se representa por Y. 
 
 
 
 Porcentaje de rechazo: La membrana realiza un barrido selectivo, permite 
pa sa 
no
artir de estas dos ecuaciones pueden determinarse dos porcentajes que permiten 
r la capacidad de filtración de la membrana. Estos son: 
El porcentaje de conversión: La conversión es la cantidad de agua de 
alimentación que es recuperada como permeado o lo que es lo m
Q
Q
Y p·100=
sar a algunas sustancias y rechaza a otras. Esta propiedad se expre
rmalmente como: 
 
C
C
R p
−
=
1
·100 
 
3.8.3 Transporte de masa 
a convección es el resultado del conocimiento del flujo que permite que algunos 
an o disuelvan en él, este flujo depende de la velocidad. Si 
xiste una velocidad alta se habla de flujo turbulento, por el contrario a bajas 
 de un flujo 
rbulento. 
 
La ividual de iones, átomos o moléculas 
deb ley básica del transporte por difusión define que 
est iente de concentraciones (Alcarria, 
005). 
 
Para que haya un paso de flujo a través de la membrana es necesario aplicar una 
fuerza que conduzca la materia a través de ella, esta fuerza puede ser natural o 
artificial. Los dos mecanismos de transporte más importantes en una operación de 
membrana para el tratamiento de las aguas son la difusión y la convección. 
 
L
componentes se suspend
e
velocidades se llama flujo laminar. Velocidades elevadas producen mayor eficacia en 
el transporte de masas por lo que es deseable promover la existencia
tu
difusión es el resultado del transporte ind
ido a movimientos cinéticos. La 
a velocidad o flujo es dependiente del grad
2
 
 
 
 
 
 
 
 
 PROCESOS CON MEMBRANAS 
 
 33
da para filtrar el agua a través de las membranas, es un gradiente 
e presión conocido como presión transmembrana (PTM). 
modo de flujo cruzado y 
ujo directo, la presión media transmembrana se determina por: 
 
3.8.4 Fuerza de filtración 
 
La fuerza emplea
d
Esta PTM puede definirse, por lo tanto, como la presión necesaria para hacer pasar el 
agua a través de la membrana. Cuando el sistema opera en 
fl
pm P
PP
PTM −
+
=
2
01 
Donde: 
• PTMm:= presión media a través de la membrana (Mpa) 
• P1:= presión a la entrada del módulo de membrana (Mpa) 
• Po:= presión a la salida del módulo de membrana (Mpa) 
• Pp:= presión de permeado (Mpa) 
 
ado que el fluj de fijarse cada 
no de ellos según los objetivos de diseño (Figura 3.19). 
 
D
u
o y la fuerza conductora están interrelacionados pue
 
Figura 3.19 Operación con PTM constante (a) y operación con flujo constante (b) 
Chang, 2002) 
Tra j de partículas en la membrana causa una 
dis e rápida pero poco a poco se va volviendo