PROCESOS DEFILTRACIÓN POR MEMBRANAS: MICROFILTRACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO CURSO: TRATAMIENTO DE AGUAS PROCESOS PROFESOR: DE FILTRACIÓN POR ENRIQUE MEMBRANAS ESCUELA: VILLAREAL INGENIERIA ALVITRES QUIMICA Microfiltración 1. INTRODUCCIÓN LAMBAY EQUE,DI CIEMBRE -2015 La filtración de los líquidos es una técnica que se ha utilizado desde el principio de la humanidad. El concepto de membrana y de selectividad en permeación (permselectividad) se ha utilizado en el siglo 18; particularmente fue el fraile NOLLET quien en 1748 había estudiado el transporte selectivo de ciertas especies a través de membranas naturales tales como pergaminos, vejiga de cochino, piel de manzana, etc. La asociación entre membranas y filtración permitió en adelante desarrollar técnicas de filtración de líquidos tales como las que conocemos hoy en día. Aquí trataremos de las técnicas en las cuales la transferencia de materia se produce bajo el efecto de un gradiente de presión. Se trata de la Microfiltración, de la Ultrafiltración, de la Nanofiltración y de la Osmosis Inversa. La microfiltración y la ósmosis inversa fueron las primeras técnicas desarrolladas a nivel industrial con membranas artificiales. La ultrafiltración y luego la nanofiltración se desarrollaron gracias a los adelantos recientes en la fabricación de nuevas membranas. Estas cuatro técnicas se llevan a cabo en un modo de filtración tangencial, es decir, cuando el líquido a filtrar circula de manera permanente y con cierta velocidad a lo largo de la superficie de la membrana. La velocidad de circulación es por lo tanto, junto con la presión a través de la membrana, uno de los dos parámetros importantes en la operación de una planta de filtración por membrana. ALUMNA: MERLY MEDALY NIQUEN CHIMOY 1 2. Membranas 2.1 Definición: Las membranas pueden definirse como un film delgado que separa dos fases y actúa como una barrera selectiva al transporte de materia. Esta definición incluye la membrana permeselectiva e implica que existe una diferencia de potencial químico entre las dos fases. Es muy importante puntualizar aquí que la membrana no se define como un material “pasivo”, sino como un material funcional. En otras palabras, el rendimiento de las membranas en términos de caudales y selectividades depende principalmente de la naturaleza de los elementos contenidos en las dos fases y de la fuerza directora que se aplica. 2.2 Materiales de membranas: En general los materiales de las membranas se dividen en orgánicos (poliméricos) e inorgánicos (cerámicos y metálicos). Los materiales poliméricos se utilizan en el área de tratamiento de agua debido al bajo costo de fabricación en comparación con los materiales cerámicos. Los materiales inorgánicos ofrecen la ventaja de ser menos propensos al ensuciamiento, así como una tolerancia mayor a la adición de reactivos químicos para su limpieza, por lo que se utilizan generalmente en aplicaciones industriales específicas. Los materiales de fabricación de las membranas pueden ser clasificados como hidrofílicos o hidrofóbicos y se encuentran relacionados a la tensión superficial del material. Los materiales hidrofílicos son aquellos que adsorben agua permitiendo formar una capa húmeda en su superficie, en cambio, los materiales hidrofóbicos no muestran tendencia alguna en adsorber agua y forman pequeñas gotas en la superficie de la membrana. Mientras mayor sea el valor de tensión superficial del material, éste será más hidrofílicos. Las membranas con características hidrofóbicas (PAN, PSU, PVDF PP, etc.) tienden más al ensuciamiento que las de características hidrofílicas (CA, PA, PES, etc.), debido a que en el caso de las hidrofóbicas, los enlaces químicos involucrados en el proceso de adsorción son de mayor energía, y su rompimiento es más complicado. Comercialmente existe una gran variedad de materiales de fabricación de membranas en general, así como un gran número de proveedores de estos sistemas. Los materiales de fabricación de las membranas varían ampliamente sus propiedades químicas y mecánicas incluyendo resistencia mecánica, tolerancia a agentes oxidantes, tolerancia a COV´s, rangos de pH de operación, entre otros. 2 12) Altamente Hidrofílica Estabilidad química muy alta Alta resistencia a oxidantes Alta estabilidad química Alta estabilidad térmica Buena resistencia mecánica Bajo costo Amplio rango de pH (2 . Fuente: tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración 3 . Rango moderado de pH (2 – 10.5) Altamente Hidrofóbica Hidrofóbica Menor resistente a solventes que el PVDF Menor estabilidad que PSU o PAN Hidrofóbica Intolerantes a oxidantes Ventajas y desventajas de los materiales poliméricos utilizados en la fabricación de membranas.14) Buena resistencia química Susceptible a pH>6 Estabilidad térmica y química limitada Baja permeabilidad Limitada tolerancia al cloro (<0.13) Buena resistencia a oxidantes Gran resistencia mecánica Tolerante a oxidantes Amplio rango de pH (2 .1 mg/L) Hidrofóbi ca Necesita un copolímero para reducir su fragilidad Hidrofóbica Susceptible al ataque de solventes orgánicos como el benceno.Polímeros Acetato de Celulosa (AC) Poliamina (PA) Poliacrilonitrilo (PAN) Polisulfona (PSU) Polietersulfona (PES) Polivinilofloruro (PVDF) Polieterimida (PEI) Polipropileno (PP) Ventajas Desventajas Resistente al cloro Altamente utilizado en clarificación/Bajo costo Más resistente al ensuciamiento que la PA Más estable que el AC Mayor selectividad a la del AC Hidrofílica Resistente a la hidrólisis Resistente a la oxidación Amplio rango de pH (2 – 10) Muy estable Amplio rango de pH (1 . por lo que la coagulación se hace más lenta. Se ha reportado que para la coagulación con sales de aluminio el intervalo óptimo de pH va de 6. limpieza.0. mientras que la variación de diferentes grados afecta la energía cinética de las partículas en suspensión. Particularmente. si la coagulación se realiza fuera del intervalo óptimo de pH entonces se debe aumentar la cantidad de coagulante.1. como las condiciones de operación (ensuciamiento.2. y es muy complicado predecir su comportamiento general ya que sus especies complejas varían con el tipo de producción.SELECCIÓN DEL MATERIAL DE UNA MEMBRANA Para la selección del material de una membrana se toman en cuenta factores de influencia. 2. Si no se tiene la especie química que mejor La carga catiónica de los polímeros depende del pH. Los principales factores de influencia o importancia en el proceso de filtración con membranas de microfiltración implican tanto las características del agua de alimentación (tratamiento previo). el rango de pH en el agua controla la especie de hidróxido de aluminio que se produce. Durante la coagulación con sulfato de aluminio. por lo que es necesario tenerlos en cuenta con la finalidad de optimizarlo. 4 . mientras que para coagulantes poliméricos el rango va desde 4 hasta 9. la Poliamina presenta su mayor carga catiónica en pH<6. Realiza la coagulación-floculación. TEMPERATURA La variación de 1°C en la temperatura del agua conduce a la formación de corrientes de densidad. dificultando la sedimentación de los flóculos.2 PH Y RESISTENCIA A LA TEMPERATURA PH Para cada tipo de coagulante existe un intervalo óptimo de pH para el cual la coagulación tiene lugar rápidamente.5 a 8.2. diseño y operación). entonces bajará la eficiencia del proceso. La interacción entre cada uno de ellos permite predecir cuáles serán las condiciones del proceso. incrementando la dosis requerida y por lo tanto los costos de operación. Una disminución drástica de la temperatura del agua conlleva al aumento de su viscosidad.2. Estos tubos tienen diámetros de 6 a 25 nm. 2005).2 SISTEMA DE MARCO Y PLACA Las membranas de hoja plana se utilizan en módulos de placa y bastidor. Las unidades pueden desmontarse para permitir el acceso para la limpieza manual. sin embargo es más sensible a la obstrucción debido al espaciador. atravesando los conjuntos de membranas que puedan ensamblarse a partir de las membranas individuales intercambiables o paquetes de membranas intercambiables. conformando una especie de bolsillo. pero los costes de trabajo de reemplazo son altos. La construcción tiene ciertas ventajas. 2. Los costes de reemplazo de membrana son bajos. No pueden utilizarse directamente con agua turbia sin pre tratamiento. El diámetro de un elemento puede ser como mucho de 300 mm y su longitud hasta de 1.2.3.3. La membrana tubular es en alguna forma la configuración más simple en que la membrana se moldea sobre la pared o cara inferior del tubo o soporte de poros. La solución de alimentación fluye a lo largo de estrechos pasajes. Son menos propensas 5 . siendo de 13 nm la membrana más usada comúnmente en el tratamiento de aguas residuales. 2.5 m (MWH.3. produce una pérdida de carga baja y la relación entre el área de membrana efectiva y el volumen del módulo es alta (8001200 m2/m3).3 .3 Estructura 2. En comparación con los módulos de placa y bastidor este tipo de módulo es mucho más compacto.1 Sistema de elementos enrollados tipo espiral Se construyen usando láminas de membrana plana que se enrollan en espiral en torno a un tubo central de plástico. 3. 3. 2. se limpian mecánicamente de una manera más sencilla. PROCESOS DE MEMBRANA Fuente: tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración 6 . aunque la resistencia de las membranas cerámicas de MF es algo mejor que las de las membranas de UF. A causa de que proporcionan un camino hidrodinámico simple al flujo.a ensuciarse que las membranas en otras configuraciones.4 SISTEMA CERAMICOS Generalmente esta base de membranas no muestra algunos defectos como los defectos de las membranas hechas de materiales sintéticos. 1. canola y avena y la desalcoholización de vino y cerveza. Las membranas de MF principalmente eliminan contaminantes basados estrictamente en el tamaño de poro de la membrana. la Concentración de proteínas de vegetales y plantas tales como soja. sin embargo en ciertas ocasiones una capa de torta consistente en los materiales presentes en el agua de alimentación puede formarse sobre la superficie de la membrana y suministrar capacidades adicionales de eliminación actuando como una segunda barrera selectiva. la Clarificación y pre concentración de jugos de frutas.3. Entre los más comunes se pueden citar la concentración de clara de huevo.15 a 1 bar. Se utilizan cada vez más en el campo de tratamiento de agua potable.1 – 1 µm. 3.1. vacuna o de hueso. los de MF son de 0.1. Las presiones son similares a la de la UF. Microfiltración (MF) Una diferencia fundamental entre MF y UF es el tamaño del poro de la membrana.1. la clarificación de la salmuera de carne para la remoción de bacterias y re-uso de la salmuera. APLICACIONES INDUSTRIALES La aplicación de las diversas técnicas de filtración por membranas en la industria alimentaria abarca infinidad de campos. la concentración y extracción de cenizas de gelatina porcina. La aplicación primaria de este tipo d operaciones es la remoción de partículas (clarificación). y pueden ser aplicadas como etapa de pulimento posterior a un tratamiento de clarificación.1 um o mayores.1. 3.1. 7 . Estas membranas son porosas y como se muestra en la Figura 4-7 solo permiten el rechazo de las macromoléculas con un intervalo de tamaño de 0. o como tratamiento previo a NF u OI.MEMBRANAS PARA MICROFILTRACION Las membranas de microfiltración son barreras físicas permeables que se operan bajo condiciones de presión bastante bajas que van de 0. la concentración de agua de lavado del almidón. dióxido de titanio y carbonato de calcio. la producción de polímeros o la recuperación de metales. Inglaterra y Australia en la producción de agua que puede ser utilizada para reúso en industrias que necesitan el agua para procesos de enfriamiento. fraccionar y concentrar varias soluciones de azúcar en el proceso de producción.U. aplicaciones a suero y otras aplicaciones como el clarificado de salmuera de queso. especialmente al manufacturar productos como los antibióticos. limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado. Algunos de los factores que han causado la expansión de la tecnología de membranas hacia el tratamiento de agua de diferentes niveles de calidad son la disminución notable de los costos. entre otros. Industria química: muchos procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar. especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Industria farmacéutica: la cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en un proceso de fermentación.Industria láctea: la filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción. generación de energía. Las membranas también pueden clarificar. Industria de almidones y edulcorantes: el beneficio principal es el incremento en el rendimiento de los productos. entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz como dextrosa y fructosa. di filtrar y purificar tintes. el enriquecimiento de dextrosa. eliminando así muchos problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos tradicionales. pigmentos y abrillantadores ópticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario y el costo de mantenimiento.. el tratamiento del efluente de agua tratada mediante membranas de MF con ayuda post-tratamientos como la OI y la desinfección por UV ha sido utilizado en varios lugares del mundo como E. Singapur. Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche. la concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolinita. Tratamiento de aguas: Actualmente. mejora de 8 . Las membranas son también una parte estándar de las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas previamente a otros procesos. la de-pirogenación del jarabe de dextrosa y el fraccionamiento/concentración de agua de maceración. la clarificación de cáusticos. Industria del azúcar: la filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no procesado sin utilizar clarificadores primarios. Ultrafiltración (UF) En el tratamiento de aguas la UF puede definirse como la operación de clarificación y desinfección por membrana.1. así como fiabilidad en comparación con los procesos de tratamiento convencional.1.2. Fuente: Tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltració n 3.De acuerdo a la Figura 4-12.2. 3. desinfección y SPD. facilidad en la instalación.los materiales y de los módulos. el uso de esta tecnología en el campo del tratamiento de agua potable se ha vuelto muy popular en los últimos años debido a las nuevas reglamentaciones sobre filtración. MEMBRANAS PARA ULTRAFILTRACION 9 .1. el solvente de una solución se transfiere a través de una densa membrana fabricada expresamente para retener sales solutos de bajo peso molecular. todo tipo de microorganismos como virus y bacterias (aunque no la totalidad de ellos) y otros tipos de partículas. y la presión de trabajo se mantiene baja (50 a 500 KPa).2.3. Si una solución salina concentrada está separada del 10 .1. Debido a que los solutos de bajo peso molecular no son retenidos por UF. como concentración de proteínas Fraccionamiento de proteínas Clarificación de zumo de frutas Recuperación de antibióticos en la industria farmacéutica Purificación de agua en laboratorio Depuración de aguas Tratamiento de agua potable 3.Las membranas empleadas en la UF son porosas y permiten solo el rechazo de solutos gruesos (macromoléculas). APLICACIONES Diálisis y otros tratamientos de la leche Concentración de la leche antes hacer queso Procesos médicos de concentración de derivados biotecnológicos. la contrapresión osmótica puede ser despreciada.2. 3. por medio de una presión.1.OSMOSIS INVERSA Y NANOFILTRACION OSMOSIS INVERSA (OI) La OI es una operación de membrana en la que. agua pura por este tipo de membrana. Para producir agua pura de una solución salina. En el equilibrio. para obtener flujos o caudales económicamente viables. Los costes de operación de este tipo de plantas de tratamiento se estiman en 1 – 1. Del mismo modo. la diferencia de potencial químico tiende a promover la difusión del agua desde el compartimiento diluido al compartimiento concentrado para igualar las concentraciones. Aplicaciones Desalinización de aguas salobres La salinidad de este tipo de aguas es de 2000 mg/L – 10000 mg/L. Producción de agua ultra pura La RO permite obtener a partir del agua de consumo (concentración de sólidos disueltos < 200 mg/L) agua de la calidad exigida en la industria electrónica. al menos debe ejercerse el doble de la presión osmótica. Se estima que los costes de capital de este tipo de plantas son del orden de 0. la salinidad de este tipo de aguas es de 30000 mg/L – 40000 mg/L. la diferencia de niveles entre los dos compartimientos corresponde a la presión osmótica de la solución salina.25 $US/L de agua tratada/día. si las necesidades de agua superan los 40000 m3 de agua tratada/día.25$US/ L de agua tratada/día. lo que hace que este sistema de tratamiento no sea competitivo.3 % con presiones de trabajo de 50 bar – 70 bar. Las plantas de tratamiento utilizan módulos de membranas enrolladas en espiral. Para conseguir condiciones de potabilidad se utilizan membranas de poliamida de tipo fibra hueca que permiten conseguir coeficientes de rechazo superiores al 99. En su tratamiento se utilizan presiones de 14 bar – 21 bar para conseguir coeficientes de rechazo superiores al 90 % y obtener aguas con concentraciones salinas menores de 500 mg/L. por lo que es 11 . siendo los costes de operación del mismo orden. frente a otros sistemas como los procesos de evaporación multietapa. que son los valores recomendados por WHO como condición de potabilidad. Desalinización de agua de mar Dependiendo de la zona geográfica. El principal problema en este tipo de instalaciones es el bioensuciamiento de las membranas. debe aplicarse una presión que sea mayor a la presión osmótica de la solución. El principal problema para la consolidación de este tipo de tratamiento es la contestación social. En el caso de las aguas urbanas. con un coste de 0. magnesio) en operaciones de 12 . o donde la reutilización del agua tratada signifique una reducción importante del consumo de agua: industria textil.necesaria la instalación de sistemas de esterilización mediante radiación UV. también llamada osmosis inversa a baja presión o des endurecimiento por membranas. la RO es un tratamiento que estaría indicado como tratamiento terciario. relaciona la OI y la UF en términos de selectividad de la membrana. empleándose el agua tratada por RO para la recarga de acuíferos. la cual está diseñada para eliminar iones polivalentes (calcio. se comparan las características exigidas al agua de consumo y al agua ultrapura. En el caso de las aguas residuales industriales.75 $US/m3. Sin embargo. se están utilizando plantas de RO para tratar el agua procedente del tratamiento biológico de las aguas domésticas. donde existen limitaciones extremas de agua.5 – 0. la RO se utiliza en aquellas industrias donde es posible mejorar la economía del proceso mediante la recuperación de componentes valiosos que puedan volver a reciclarse en el proceso de producción: industrias de galvanoplastia y de pintura de estructuras metálicas. Tratamiento de aguas residuales Esta aplicación de la RO está limitada por los altos costes de operación debido a los problemas de ensuciamiento de las membranas. NANOFILTRACION (NF) La NF. en zonas de Japón y California. siendo posible obtener agua con una calidad que la hiciese apta para el consumo. Sin embargo. 13 . En esta técnica los iones monovalentes son rechazados débilmente por la membrana. Eso es equivalente a una columna de agua (energía hidráulica) de 270 m de altura. pero no las sales.OSMOSIS RETARDADO POR LA PRESION La ósmosis por presión retardada. Concentración y separación de azucares.1. Desmineralización del suero lácteo / concentración de lactosa y proteínas. 3. Purificación / Concentración de productos. Esto genera una diferencia de presión que puede aprovecharse en una turbina. diferiendo fundamentalmente en el tipo de membrana a utilizar genera 4 kW/h. Reducción / eliminación de color / materia orgánica. La eliminación de metales pesados de las aguas residuales. Eliminación de nitratos.1. que tiene la ventaja de basarse en tecnologías similares a las de Ósmosis Inversa. desarrollada por Statkraft. demostrando el potencial de esta fuente de energía renovable.4.CLASIFICACION DE LAS MEMBRANAS Clasificación de acuerdo a la morfología Para las operaciones de membranas conducidas por presión y permeado. Aplicaciones La eliminación de pesticidas de las aguas subterráneas. OPR es la energía del gradiente de salinidad obtenida por diferencia en la concentración salina entre el agua de mar y agua de río.5 MPa). Más recientemente. Ablandamiento del agua. Su fuerza es de 26. Recuperación de subproductos (salmueras).000 KPa (ex 26 bares). Reciclaje de aguas residuales en lavanderías.5. la presión de trabajo óptima es solo la mitad de eso: 11 a 15 bares. Recuperación de lavados CIP. Filtración de CO2 3. el flujo de permeado es inversamente proporcional al espesor de la membrana. la NF ha sido empleada para eliminar o separar materia orgánica. Una planta prototipo funciona desde el año 2009 en Tofte (Noruega). La OPR utiliza tecnologías basadas en poner en contacto los dos fluidos (agua de río y agua de mar) a través de una membrana específica que permite pasar el agua. Esto explica por qué la NF permite una contrapresión osmótica mucho menos que la experimente por la OI (normalmente 0.5 a 1.ablandamiento. Estos polímeros hidrófilos tienen bajo coste. soportada por otra capa subyacente más espesa y más porosa. ya que el flujo y selectividad solo dependen de la estructura de esta capa. las membranas de esteres de la celulosa (principalmente el di y triacetato) tiene la ventaja de ser espacialmente resistentes al cloro y. lo cual corresponde al 1% del espesor de la capa porosa subyacente. a la temperatura y al degradación biológica. aproximadamente.5 um. pero por necesidades del proceso y l vida de la membrana. fue el desarrollo de las membranas anisitrópicas el que permitió su introducción en aplicaciones industriales. ya que imparte tensión mecánica a esta. Estas membranas consisten en una capa muy fina. cerámica. Las poliamidas aromáticas fueron el segundo tipo de polímero. con diámetros exteriores entre 80 y 500 um. Las membranas de este tipo se producen normalmente sobre un substrato poroso (frecuentemente un poliéster filamentoso trabado y no tejido). pueden distinguirse los siguientes tipos de membranas cilíndricas: Membranas tubulares con diámetro interno mayor de 3mm. La capa peculiar es responsable de las funciones principales principales de la membrana. Otra clase importante de membranas poliméricas hidrófilas son las realizadas con poliamidas. solo se utiliza en la práctica un número limitado. a pesar de su sensibilidad a los ácidos.De hecho. desenduramiento. En base a las diferencias dimensionales. Se utilizan en OI. Los usados más ampliamente son celulosa y sus derivados. después del di 14 . sino también en hemodiálisis y permeado gaseoso. Se pueden distinguir dos tipos de membranas anisitrópicas: asimétricas y mixtas (“composite”). PG y MF. Las membranas orgánicas pueden ser prácticamente de cualquier polímero. se utiliza ampliamente para desalación.1 a 0. La capa soportante presenta una resistencia despreciable la transferencia de masa y está presente solo como soporte mecánico. en cuyo caso también se denominan membranas capilares. El material portante forma parte integral de la membrana. Clasificación de acuerdo con su naturaleza química Las membranas sintéticas pueden realizarse a partir de un gran número de diferentes materiales: orgánicos (polímeros) o inorgánicos (metales. la hidrolisis alcalina. llamada película. desinfección y clarificación. Clasificación según su geometría Las membranas pueden prepararse en dos forma geométricas: plana y cilíndrica.). Las primeras están preparadas a base de un mismo material mientras que las otras tienen diferentes materiales en la capa superior y en la subcapa. etc. Su espesor está en el rango de 0. En el tratamiento de agua. Las fibras huecas son geométricamente las membranas tubulares más pequeñas disponibles. Membranas tubulares de fibra hueca con diámetro interno menor de 3mm. vidrio. poca tendencia a la absorción y se utilizan no solo en todos los procesos de presión. En el tratamiento de agua. A causa de su excelente estabilidad química y térmica. titanio o zirconio. las 15 . Se usan normalmente como membranas de UF. El grupo amida. Las materias inorgánicas generalmente poseen mayor estabilidad química. policarbonato o isopropileno.acetato de celulosa. se ha vuelto posible mediante el desarrollo de membranas micro porosas. Según la naturaleza de su estructura La eliminación de partículas contaminantes de dimensión inferior a la micra presentes en los líquidos. usado en desalación a causa de su propiedad de selectividad al permeado y por una mejor estabilidad térmica. tiene gran sensibilidad a la degradación oxidativa no puede tolerar exposición de cloro ni siquiera en trazas. pero tienen muy buena estabilidad química. Los materiales cerámicos son óxidos. Estos polímeros no son hidrófilos y tiene una tendencia relativamente alta a la adsorción. Esto explica por qué su principal campo de aplicación está limitado a la industria química. los siguientes polímeros hidrófobos se utilizan a menudo como membranas macroporosas: politetrafluoretileno. Las membranas cerámicas representan el tipo principal de membranas inorgánica. no tiene la propiedad de permeabilidad selectiva y no se utiliza en OI. nitruros o carburos de metales. Menos hidrófilo que los dos polímeros anteriores. mecánica y térmica. polifluoruro de vinilideno. tales como el aluminio. polietileno. química e Hidrofílica. La mayor parte de estas membranas se modifican mezclándolas con polímeros hidrófilos para dotarlas de mejores propiedades anti ensuciamiento. sin embargo. como soporte para membranas mixtas o como membranas de hemodiálisis. para tratamiento de fluidos agresivos o de alta temperatura y a las industrias farmacéuticas y lácteas donde se precisa esterilización térmica. este último se usa como una membrana de microfiltración a pesar de su sensibilidad al cloro. El Poliacrilonitrilo se utiliza también comúnmente en las membranas de UF y hemodiálisis. mecánica y térmica en comparación con los polímeros orgánicos. son las Polisulfona y las Polietersulfona. Sin embrago tienen la desventaja de ser muy frágiles y más caras que las membranas orgánica. Otra clase ampliamente utilizada de polímeros. Las Membranas Termoplásticas: Estas membranas están constituidas de polvo más o menos calibrado cuyos granos se pegan o sinterizan por calentamiento o se ligan con agentes de tipo pega. Se puede también utilizar algunos otros materiales que posean una mejor resistencia química. y que pueden ser reutilizados tales como los copolímeros acrílicos o el polipropileno.2 micras. Esta membrana se presentan a menudo bajo la forma de películas delgadas de espesor de un centenar de micras. Su poder de filtración no puede en general ser inferior a 0. 16 . o trama de filamentos de poliamidas unidos dentro de un copolímero.cuales pueden clasificarse de acuerdo a la naturaleza de su estructura en cuatro grandes familias: Las Membranas poliméricas: Esas membranas están principalmente constituidas de nitrato o de acetato de celulosa o de ésteres mixtos de celulosa. y por tanto necesitan un soporte mecánico asociado: fieltro (tejido o no) que le da entonces una estructura simétrica. como en el caso anterior. La soldadura que une los extremos de la chapa doblada cierra el cilindro. se dobla la placa a los diámetros que se requiera. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador.1Tuberías Una tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Tubos o conductos de chapa galvanizada Son conductos utilizados para aire (instalaciones de climatización) que se pueden hacer de dos modos: De sección circular: suelen construirse de chapa arrollada helicoidalmente y engatillada. Por tanto. con la salvedad de que la soldadura no es recta sino que recorre la tubería siguiendo la tubería como si fuese roscada. También es posible transportar mediante tuberías materiales que.4. 3 Con soldadura helicoidal (o en espiral). Materiales Tubos de acero Hay tres métodos de fabricación de tuberías de acero: 1 Acero estirado o Sin costura (sin soldadura). Se parte de una lámina de chapa. Tubos de acero galvanizado La tubería de acero galvanizado es una tubería de acero (estirado o con soldadura). etcétera. La metodología es la misma que el punto anterior. Además. El galvanizado se aplica después de formado el tubo. 2 Con costura longitudinal. gases o aceites. se adecuan a este sistema: hormigón. para darle mayor rigidez. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión máxima admisible. Cuando el líquido transportado es petróleo. Al igual que la de acero al carbón. Tubos de hierro fundido Una tubería de hierro fundido se fabrica mediante una colada en un molde o mediante . es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. si bien no son un fluido. De sección rectangular: se construyen de cualquier dimensión mediante la suma de chapas planas embutidas someramente. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería. es la forma más común de fabricación y por tanto la más comercial. se utiliza el término gasoducto. cereales. Cuando el fluido transportado es gas. pero a la que se ha sometido a un proceso de galvanizado interior y exteriormente. La tubería es un lingote cilíndrico que se calienta en un horno antes de la extrusión. Se suele elaborar con materiales muy diversos. la cual se dobla para darle forma a la tubería. generalmente en punta de diamante. La tubería sin costura es la mejor para la contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus direcciones. cemento. documentos encapsulados. se utiliza el término oleoducto. COMPONENETES DEL SISTEMA 4. Existen con costura y sin costura y se utiliza para transportar agua potable. también llegan a extraer sustancias no deseadas en el producto. etcétera Vacío central para clínicas médicas o laboratorios Termo formado de termoplásticos . jaleas. La ventaja de este sistema es que las tuberías tienen gran durabilidad y resistencia al uso. en el cual la tubería sale sin costura. dulces. 4. Usos y aplicaciones de las bombas Algunas de las aplicaciones y usos más comunes son: Cocción y/o concentrado a baja temperatura de: mosto.2 Bombas Las bombas son aquellos dispositivos que se encargan de extraer moléculas de gas de un volumen sellado.inyección del hierro fundido en un proceso llamado fundición. formando un vacío parcial. sistema o proceso. jarabes. Por contra son más frágiles ante los golpes. también llamada presión mínima de entrada. planchado) Desodorizado (eliminando gases indeseables en sustancias químicas. producción de alimentos. etcétera) Aceleración de filtrado. verduras. reduciendo la presión en la descarga del filtro (ej. etcétera) Destilación a baja temperatura (extracción en vacío de fracciones volátiles) Eviscerado (eliminación de vísceras en aves. Ambos factores no dependen necesariamente del tipo de bomba sino del recipiente a evacuar.) Industria textil (tratamiento de diferentes fibras. pescados.: filtros rotativos) Construcciones varias en fibrocemento 4.2. Fuente: tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración . El tiempo necesario para alcanzar dicha presión. Dos características esenciales de las bombas de vacio son: La presión limite.1 Funcionamiento de una bomba El funcionamiento se define por la velocidad de bombeo y la cantidad de gas evacuado por una unidad de tiempo de las bombas de vacío. lográndose un veloz descenso de la temperatura. Calibración de tubos de termoplásticos extrusados Máquinas para la industria cárnica Desgasificado y deshidratado para la impregnación de madera u otro material poroso Enfriamiento rápido (evaporación rápida de la humedad en frutas. 5. una mezcla de componentes químicos llega a la superficie de una membrana y bajo la acción de una gradiente de presión. La aplicación primaria es la clarificación. .1 tiempos y velocidades de agitación utilizadas en la ppmd Fuente: tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración 5.5. OPERACIONES EN LA PLANTA Fuente: tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración Las condiciones de operación de los procesos de coagulación-floculación-sedimentación del tren de tratamiento de la PPMD. algunas especies la atraviesan.2 rangos de filtración En estos procesos. Estos valores se utilizaron durante la experimentación realizada a nivel de laboratorio. mientras que otras son retenidas. Fuente: eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas universidad politécnica de Madrid 6. La unidad de operación en la que se disponen las membranas para su utilización se conoce como módulo.2 Enrollamiento en espiral . por lo que rápidamente se han convertido en el estándar de la industria para aplicarlas al área de agua potable. Representación esquemática de los principales componentes de un proceso de separación por membrana Fuente: eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas universidad politécnica de Madrid 6.1Tipos de módulos Dentro del proceso de filtración con membranas una corriente de alimentación ingresa al sistema de filtración para ser dividida en dos. Su principal ventaja es que su relación entre el área de membrana efectiva y el volumen del módulo es muy alta (10.00020. un permeado conteniendo el material que ha pasado a través de la membrana y un rechazo o concentrado con los solutos y partículas separadas que no la atraviesan. Esta unidad de trabajo sostiene las membranas. LIMITES 6. salida de concentrado y de puntos de extracción del permeado.000 m2/m3).1. Un módulo de membrana es la unidad básica en un dispositivo de filtración y es construido para soportar las presiones de operación.1. Las velocidades de trabajo y presión en módulos de fibra hueca son normalmente bajas y los módulos pueden operar incluso sin recirculación. 6. las conexiones de entrada de alimentación.1 Fibra hueca Usualmente constan de varios cientos a varios miles de fibras huecas encajadas en un módulo sujetadas en cada final con una resina epoxy. produce una pérdida de carga baja y la relación entre el área de membrana efectiva y el volumen del módulo es alta (800-1200 m2/m3). El diámetro de un elemento puede ser como mucho de 300 mm y su longitud hasta de 1.1 Agua de alimentación La procedencia del agua de alimentación es muy importante. etc.5 m (MWH. Los tratamientos acoplados a la filtración con membranas retrasan el ensuciamiento al incrementar el nivel de eliminación de constituyentes específicos del agua. limpieza. ya que de sus características físicas y químicas dependerá el tipo y grado de ensuciamiento generado en la membrana. Las membranas con características hidrofobias (PAN. así como una tolerancia mayor a la adición de reactivos químicos para su limpieza. y su rompimiento es más complicado. PA.). los materiales hidrofílicos no muestran tendencia alguna en adsorber agua y forman pequeñas gotas en la superficie de la membrana. PVDF PP. como las condiciones de operación (ensuciamiento. 6. Los materiales de fabricación de las membranas pueden ser clasificados como hidrofílicos o hidrofílicos y se encuentran relacionados a la tensión superficial del material.Se construyen usando láminas de membrana plana que se enrollan en espiral en torno a un tubo central de plástico. 6. éste será más hidrofílicos. Mientras mayor sea el valor de tensión superficial del material. La interacción entre cada uno de ellos permite predecir cuáles serán las condiciones del proceso. Los materiales hidrofílicos son aquellos que adsorben agua permitiendo formar una capa húmeda en su superficie. en cambio. manteniendo constante el flux a través de la membrana o suministrando algún tratamiento adicional. los enlaces químicos involucrados en el proceso de adsorción son de mayor energía. etc. la remoción de contaminantes mediante un adecuado tratamiento previo a la MF incrementa el rendimiento de la membrana. además de que los .) tienden más al ensuciamiento que las de características hidrofílicos (CA.2 Materiales de fabricación En general los materiales de las membranas se dividen en orgánicos (poliméricos) e inorgánicos (cerámicos y metálicos). En comparación con los módulos de placa y bastidor este tipo de módulo es mucho más compacto. PSU. diseño y operación). sin embargo es más sensible a la obstrucción debido al espaciado. Los materiales poliméricos se utilizan en el área de tratamiento de agua debido al bajo costo de fabricación en comparación con los materiales cerámicos. por lo que se utilizan generalmente en aplicaciones industriales específicas. debido a que en el caso de las hidrofóbicas. 6. Debido a lo anterior.3. No pueden utilizarse directamente con agua turbia sin pre tratamiento. Los materiales inorgánicos ofrecen la ventaja de ser menos propensos al ensuciamiento. por lo que es necesario tenerlos en cuenta con la finalidad de optimizarlo.3 Factores de influencia Los principales factores de influencia o importancia en el proceso de filtración con membranas de microfiltración implican tanto las características del agua de alimentación (tratamiento previo). PES. conformando una especie de bolsillo. 2005). y materia orgánica y algas durante época de estiaje. al momento de diseñar un sistema de filtración con membranas. particularmente debido a la presencia de turbiedad y color durante época de lluvias. Durante el tiempo de operación. debido a que el valor de la resistencia hidráulica de la membrana (R) incrementa y el flux disminuye. Mecanismos. La reducción de la permeabilidad de la membrana a través del tiempo significa que progresivamente una menor cantidad de agua podrá ser filtrada a cierta presión.2 Ensuciamiento El ensuciamiento o “fouling” es el fenómeno responsable y más limitante para la utilización de los procesos con membranas para la potabilización de agua superficial a lo largo de todo el año.3. así como también para incrementar la remoción de ciertos contaminantes (MWH. o que será necesario aumentar la PTM para mantener el flujo deseado. Cualquiera de estos efectos es indeseable para un uso sustentable de los sistemas de membranas para la potabilización de aguas superficiales.costos de operación se reducen significativamente. la productividad de la membrana son temas importantes para tener en cuenta. El proceso químico de coagulación-floculación ha sido ampliamente utilizado en pruebas a nivel de laboratorio. el control del ensuciamiento y por ende. plantas piloto y en plantas a gran escala para reducir el ensuciamiento de la membrana. el ensuciamiento se verá reflejado en la reducción de la permeabilidad de la membrana a través del tiempo. 2005). Adicionalmente contribuye a resolver la mayoría de los problemas causados por ensuciamiento debido a las altas concentraciones de sólidos suspendidos y MON presentes en aguas superficiales. Debido a ello. 6. efectos y aplicaciones de los principales tratamientos previos a la filtración con membranas . 3 Limpieza La limpieza de una membrana se define como un proceso en el cual el material es liberado de sustancias que no forman parte integral de éste. .3.Fuente: eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas universidad politécnica de Madrid 6. ácidos. el más utilizado en el tratamiento de agua potable. En este tipo de limpieza se utilizan agentes químicos que se clasifican en seis categorías. y encontraron que el retrolavado hidráulico resultaba ineficaz para la reducción del ensuciamiento. Existen dos tipos de limpieza en la filtración con membranas. químicamente (libre de residuos que puedan contaminar el producto a procesar) y biológicamente (donde se haya alcanzado una adecuada reducción de la carga microbiana) (MWH. ya que debilitarán las fuerzas de cohesión entre los incrustantes y la superficie de la membrana. 2005). el retrolavado se realiza sometiendo el permeado a una presión mayor que la de alimentación. dosificación posterior de CO2 y retrolavado hidráulico. Actualmente no se ha desarrollado la información necesaria acerca de la reversibilidad del ensuciamiento debido a la MON mediante retrolavado. Los métodos de limpieza física para las membranas de MF dependen de la fuerza mecánica necesaria para desalojar y remover los contaminantes de la superficie de la membrana. Durante la continua operación del sistema de filtración con membranas. el retrolavado tiene lugar después de entre 20 y 90 min de operación continúa con duración de 1 a 5 min. Algunos métodos físicos de limpieza son: vibración. álcalis. En las membranas de MF del tipo fibra hueca. la física y la química. El retrolavado hidráulico se realiza cotidianamente para prevenir la continua acumulación de sólidos sobre la superficie de las membranas de MF.El objetivo de la limpieza en los procesos con membranas es obtener una estructura limpia físicamente (que ofrezca un desempeño de flujo y separación adecuados). el retrolavado puede iniciar cuando la presión de operación alcance un cierto nivel establecido. agentes quelantes metálicos. en la mayoría de los casos se utiliza agua potable y alta velocidad de flujo. Huang investigaron el ensuciamiento de una membrana de PVDF por MON a partir de un cuerpo de agua superficial enriquecido con ácidos fúlvicos. por lo que el cambio de la dirección de flujo a través de la pared de la fibra hace posible desprender la capa de partículas o torta depositada en la superficie. Además de las seis categorías básicas. muchas combinaciones comerciales están disponibles comercialmente. agentes oxidantes y enzimas. La selección y uso de dichos agentes dependerá de las reacciones presentadas. después de un período preprogramado de operación o después del tratamiento de un cierto volumen de permeado predeterminado. y . siendo este último el más económico y por lo tanto. aspersión de aire. Para mantener la permeabilidad de la membrana a través del tiempo eventualmente se requiere la interrupción de la operación para proceder con la limpieza química. Para la mayoría de los sistemas de MF. surfactantes. La limpieza química se utiliza cuando no es posible retirar los materiales que se acumulan sobre la superficie de la membrana mediante la limpieza física. En la mayoría de los casos se requerirá más de un tipo de agente químico para lograr el objetivo de la limpieza química. mientras que un agente limpiador alcalino servirá para remover sustancias orgánicas. pero serán requeridos un mayor número de equipos de MF.3. Wachinski et al. de tal forma que será necesario evaluar la posible combinación de los mismos . por ejemplo. ácido cítrico. Diversos estudios han indicado que un flujo bajo proporcionará una menor tasa de ensuciamiento en la membrana. éstas tienen la ventaja de ser dosificadas en menores concentraciones. un agente limpiador ácido se usará para remover sales precipitadas. . (2007) mencionan que las membranas de MF que potabilizan agua proveniente del proceso de clarificación a gran escala se lavan químicamente aproximadamente después de dos meses de operación.4 Diseño y operación del proceso Después de entender el mecanismo de ensuciamiento en la membrana será posible aplicar estrategias de operación y mantenimiento. lo que se verá reflejado en un incremento de los costos de operación. alcanzando un porcentaje de recuperación mínimo de 97% del flux inicial. así como combinaciones de éstos.aunque muchos agentes químicos son más baratos que las combinaciones comerciales. ésta no será capaz de eliminar el ensuciamiento irreversible ni de recuperar por completo el rendimiento de la membrana. 6. Las características de operación y el diseño del sistema influirán tanto en la velocidad como en el grado de ensuciamiento. NaClO. Sin importar el tipo o estrategia de limpieza química utilizada. Los reactivos más utilizados para la limpieza química en la potabilización de agua superficial son: NaOH. La elección óptima del agente químico o solución depende tanto del material de la membrana como de las sustancias causantes del ensuciamiento. un estudio realizado por Lux Research. en la industria electrónica se utiliza como filtro para la producción de agua ultrapura.U. la MF se utiliza ampliamente en la industria farmacéutica para producir soluciones de medicamentos inyectables debido a las regulaciones establecidas para asegurar la producción de materiales estériles. entre otros. facilidad en la instalación. Singapur. Inglaterra y Australia en la producción de agua que puede ser utilizada para reúso en industrias que necesitan el agua para procesos de enfriamiento. el tratamiento del efluente de agua tratada mediante membranas de MF con ayuda posttratamientos como la OI y la desinfección por UV ha sido utilizado en varios lugares del mundo como E. la demanda de materiales para membranas tuvo un incremento anual de ventas del 7. Hasta el año 2004. 1998). Actualmente. los procesos con membranas han llegado a ser un producto industrial de importancia sustancial.8. Algunos de los factores que han causado la expansión de la tecnología de membranas hacia el tratamiento de agua de diferentes niveles de calidad son la disminución notable de los costos.Fuente: eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas universidad politécnica de Madrid 6.3. tanto desde el punto de vista de la técnica como del aspecto comercial. así como fiabilidad en comparación con los procesos de tratamiento convencional.5 aplicaciones En la última década. desinfección y SPD. En lo que respecta a su aplicación industrial.. . por mencionar algunos ejemplos. (2010) menciona que a partir del año 2009 se estima que la venta de equipos con membranas tendrá un crecimiento de hasta el 86% para el 2020. mejora de los materiales y de los módulos. A pesar de que el rápido desarrollo de nuevos materiales y procesos dificulta la predicción de la tasa de crecimiento del mercado con precisión razonable (AWWA. el uso de esta tecnología en el campo del tratamiento de agua potable se ha vuelto muy popular en los últimos años debido a las nuevas reglamentaciones sobre filtración. generación de energía. en la industria del vino y cerveza se utiliza para remover la levadura con la finalidad de obtener un producto claro y brillante. De acuerdo a la Figura 4-12. un gran número de estudios mencionan que algunos contaminantes pueden ser adsorbidos por la superficie de la membrana aun con este tratamiento previo. por lo que es necesario estudiar los aspectos relevantes del proceso global. así como la aplicación de sedimentación previa a la filtración con membranas. mientras que con dicho tratamiento previo se ha encontrado que la retención de virus es similar al valor obtenido con las membranas de UF. . que son las condiciones de operación de la coagulación-floculación.6 Acoplamiento de la clarificación al proceso de MF En general el acoplamiento de los procesos de coagulación-floculación-sedimentación y MF presenta buenas eficiencias en la remoción de turbiedad. Sin embargo. por lo que ha resultado ser la mejor solución para la reducción del ensuciamiento en la producción de agua potable. relación entre el reactivo coagulante y la membrana de MF. se han desarrollado un gran número de estudios para analizar las diversas variables de influencia. color y materia orgánica.3.Principales aplicaciones de las plantas de MF/UF instaladas mundialmente Fuente: eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas universidad politécnica de Madrid 6. Varios estudios han llegado a la conclusión de que al utilizar MF sin coagulación-floculación no existe remoción de virus. Debido al interés que ha surgido por el acoplamiento de la clarificación al proceso de MF. ua.es/dspace/bitstream/10045/20299/11/tema5_operaciones %20separacion.pdf .pdf http://www.cl/1292/articles-49990_26. (JULIO CÉSAR DE REGIL GONZÁLEZ).Referencias bibliográficas Eliminación de nutrientes mediante procesos de membranas.sinia.tesis doctorado – JAIME ANDRES LARA BORRERO (universidad politécnica de Madrid) Tratamiento de agua de presa mediante clarificación con polímeros y microfiltración. http://rua.