Filtración por membrana

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Ultrafiltración ( UF ). Las membranas de UF cubren una amplia gama de MWCO y tamaños
de poro. Las presiones operativas oscilan entre 70 y 700 kPa, dependiendo de la aplicación.
Las membranas de UF "apretadas" (MWCO 1.000 daltons* ) pueden emplearse para
eliminar algunos materiales orgánicos del agua dulce, mientras que el objetivo de las
membranas "sueltas" (MWCO 50.000 daltons, 70 a 200 kPa) es principalmente la
separación líquido/sólido, es decir, la eliminación de partículas y microbios.
Microfiltración ( MF ). Una diferencia importante entre la MF y la UF suelta es el tamaño de
los poros de la membrana; los poros de la MF ( 0,1 m o más) son aproximadamente un
orden de magnitud mayores que los de la UF. La principal aplicación de este proceso de
membrana es la eliminación de partículas y microbios.
Flujo. El transporte de agua pura a través de una membrana porosa limpia es directamente
proporcional a la presión transmembrana (PTM) e inversamente proporcional a la viscosidad
dinámica. El flujo volumétrico (m3 /h - m2 de superficie de la membrana) se modela
utilizando una forma modificada de la ley de Darcy.
El caudal es directamente proporcional a la densidad de los poros e inversamente
proporcional a la viscosidad del agua, la tortuosidad y el espesor de la membrana.
viscosidad del agua, la tortuosidad y el grosor de la membrana. El factor más importante
que afecta al caudal es el tamaño de los poros, ya que el caudal es directamente
proporcional a la 4ª potencia del radio de los poros. Por lo tanto pequeños aumentos del
radio de los poros pueden dar lugar a grandes aumentos del caudal de agua filtrada. Y lo
que es importante, dado que las membranas comerciales empleadas en el tratamiento del
agua tienen una distribución de poros, los poros más grandes transportarán una cantidad
desproporcionada de agua y partículas.
Material de la membrana
Los materiales más comunes de las membranas de MF y UF son polímeros orgánicos. Las
características de de los polímeros se resumen en la Tabla 12-3 de la página 12-9.
La mayoría de las membranas sintéticas son hidrófobas. Deben almacenarse húmedas o
rellenarse con un agente humectante. Si se dejan secar, experimentarán un cambio de
estructura que provocará una reducción del flujo potencial. Las membranas de polisulfona
son unas de las más utilizadas por su gran tolerancia al pH y su resistencia a los oxidantes.
pH y resistencia a los oxidantes. Pueden soportar temperaturas de hasta unos 75 C.
Además, a la polisulfona (PS), la polietersulfona (PES) y el difluoruro de polivinilideno
(PVDF) también son de uso común (AWWA, 2005).
Configuración de la membrana
Las membranas de fibra hueca ( Figura 12-5 ) son la configuración más común para
aplicaciones de filtración MF y UF (U.S. EPA, 2005). Las fibras tienen un diámetro exterior
que oscila entre 0,5 y 2 mm, y un grosor de pared que oscila entre 0,07 y 0,6 mm. A
diferencia de las membranas NF y RO, los funcionan mediante un ciclo de filtración
repetitivo, como los filtros granulares. Después de filtrar durante un tiempo determinado, los
sólidos acumulados se eliminan mediante lavado a contracorriente con aire y/o agua.
Una vez limpio, el filtro se vuelve a poner en servicio. Todas las membranas de fibra hueca
se dividen en dos categorías: las que funcionan por presión positiva y las que funcionan por
presión negativa (vacío). . Los sistemas de presión positiva se configuran en recipientes a
presión. Los sistemas de vacío se sumergen en cubas que contienen el agua de
alimentación.
Las membranas de fibra hueca pueden configurarse en uno de los cuatro modos siguientes:
(1) exterior-interior, (2) fuera-dentro (flujo cruzado), (3) dentro-fuera (sin salida), o (4)
dentro-fuera (flujo cruzado). En el sistema exterior-interior, el patrón de flujo es contra el
exterior de la fibra y el permeado se encuentra en el lumen o dentro de la fibra. La
disposición dentro-fuera puede ser en el modo sin salida o en el modo de flujo cruzado. Las
ventajas y desventajas de cada modo se resumen en la Tabla 12-4 .
Los sistemas de presión positiva utilizan los modos exterior-interior o interior-exterior. Los
sistemas de vacío sólo utilizan el modo exterior-interior.
Vida útil
Con el tiempo, la limpieza a contracorriente no es suficiente y se requiere una limpieza más
rigurosa. Esto se consigue por medio de limpieza química ( Figura 12-4 ). Durante largos
periodos de tiempo (de 5 a 10 años), las membranas se degradan y deben ser sustituidas
(MWH, 2005).
Descripción del proceso
El sistema de recipientes a presión consiste en un conjunto de recipientes a presión
(módulos) en un bastidor ( Figura 12-6 ). Todos los módulos de un bastidor funcionan en
paralelo. Los bastidores también funcionan en en paralelo. Los módulos suelen tener entre
100 y 300 mm de diámetro y entre 1 y 6 m de longitud. Los bastidores pueden contener
entre 2 y 300 módulos. Un módulo suele contener entre 8 y 70 m2 de superficie de
superficie filtrante.
Los sistemas de vacío están abiertos a la atmósfera ( Figura 12-7 ). Se emplean múltiples
depósitos para para permitir un funcionamiento flexible según varíe la demanda, así como la
puesta fuera de servicio de las unidades para su mantenimiento.
En la Figura 12-8 se muestra un esquema de una instalación típica de MF o UF de presión
positiva.
Pretratamiento
Si la turbidez del agua bruta y/o la concentración de NOM son elevadas, el pretratamiento
incluirá coagulación, floculación y sedimentación. La experiencia con la coagulación es
variada, con algunos investigadores que informan de un mejor rendimiento (mayor
producción de agua y mayor flujo, no mejores resultados de eficiencia de eliminación de
partículas) y otros que informan de un aumento de las incrustaciones. Parece que si el
diseño del sistema de coagulación (incluida la sedimentación) es eliminar una fracción
significativa del NOM (del 15 al 50%), el rendimiento de las membranas de MF mejorará,
pero puede esperarse poca mejora en el caso de las membranas de UF. (Howe y Clark,
2006). El efecto de la coagulación es específico debido a las interacciones entre los
coagulantes, los componentes del agua bruta y los materiales de la membrana. En algunos
casos, las dosis bajas pueden causar un mayor ensuciamiento que la no coagulación, pero
las dosis más altas de coagulante para mejorar la coagulación (por ejemplo, de 25 a 50
mg/L de alumbre) suelen reducir el ensuciamiento. En cualquier caso, se recomienda
realizar estudios en plantas piloto durante un periodo de tiempo para examinar una variedad
de condiciones del agua bruta (Bergman, 1999).
(Bergman, 2005; MWH, 2005).
Cuando el hierro y el manganeso prevalecen en el agua bruta, puede realizarse una
oxidación para formar un precipitado que pueda eliminarse antes de la etapa de tratamiento
de membrana. Los oxidantes habituales son el cloro, el dióxido de cloro, el ozono y el
permanganato potásico. El uso de oxidantes requiere una selección cuidadosa del material
de la membrana, así como precauciones para eliminar el exceso de oxidante residual antes
de la fase de tratamiento de la membrana. Los requisitos mínimos de pretratamiento los
establece el fabricante de la membrana. En general, incluirán tamices o filtros de bolsa de
50 a 500 m de tamaño para proteger la membrana de una carga excesiva de sólidos.
Proceso de selección de la membrana
Al seleccionar la membrana y el proceso de membrana deben tenerse en cuenta los
siguientes factores (Bergman, 2005):
- Agua de origen.
- Requisitos de pretratamiento.
- Requisitos de calidad del agua de producto.
- Requisitos de cantidad de agua de producto.
- Eliminación de residuos.
- Costes de capital y funcionamiento.
Las membranas de UF son preferibles a las de MF si el objetivo de calidad del agua de
producto es la eliminación de virus o compuestos orgánicos disueltos sin pretratamiento del
agua bruta.
Dado que, en el momento de redactar este documento (2009), el uso de sistemas de MF y
UF es relativamente nuevo en el sector del tratamiento de aguas municipales,es muy
recomendable consultar a los fabricantes y realizar pruebas piloto. Esto es especialmente
cierto debido a la naturaleza patentada de los equipos. El diseño de las instalaciones suele
ir precedido de una "preselección" del proveedor del equipo, ya que las instalación se
construye en torno a los requisitos especiales del diseño patentado.
21-25 Other Primary Treatment Alternatives
Clean Water Plant Process Selection and Integration 28-1