Filtrando contaminantes, incluso a escala nanométrica, las membranas son un pilar de los tratamientos de agua y efluentes

En el tratamiento de agua, las membranas son barreras que permiten el paso del agua pero impiden el paso de sustancias no deseadas. Al funcionar de manera muy similar a las paredes celulares de nuestros cuerpos, las membranas técnicas filtran sales, impurezas, virus y otras partículas del agua.

Un proceso de membrana es cualquier método que se basa en una barrera de membrana para filtrar o eliminar partículas del agua. El fluido pasa a través de la membrana debido a la diferencia de presión entre un lado de la membrana y el otro. Los contaminantes permanecen en un lado. Aunque se utilizan muchos tipos de medios de filtración para el tratamiento del agua, por ejemplo, arcilla, limo y arena, una de las propiedades que distingue a las membranas es su capacidad para separar sustancias más pequeñas de un líquido, como por ejemplo sales e iones.

MLas membranas se aplicaron por primera vez a los procesos de tratamiento de agua en la década de 1960, pero en la siguiente década, se utilizaron cada vez más para la desalinización. Ahora, la lista de procesos de membrana utilizados en el tratamiento del agua se ha ampliado para incluir los siguientes:

• Ósmosis Directa
• Ósmosis Inversa
• Microfiltración
• Ultrafiltración
• Nanofiltración

Diferentes procesos requieren diferentes tipos de membrana, en términos generales, ya sea funcionando como un tamiz o separando el agua de las impurezas a nivel molecular. Las membranas están hechas de capas a base de polímeros, cerámica y otros materiales. Se están realizando investigaciones sobre los materiales polímeros de bloque, óxido de aluminio, grafeno, y otros nanomateriales como nanotubos de carbono. Las membranas tienen diversos grados de permeabilidad: Las membranas MF tienen el mayor tamaño de poro a 0,1 a 10 micrones, seguidas de UF a 0,1-0,01 micrones, NF a 0,01-0,035 micrones y membranas OI, que efectivamente no son porosas a 0,0001 de un micrón.

Tipos de Membrana y Configuraciones

Las membranas generalmente se clasifican como isotrópicas o anisotrópicas. Las membranas isotrópicas muestran una composición y estructura física uniformes en el corte transversal, mientras que las membranas anisotrópicas no son uniformes en el corte transversal. Generalmente están formados por capas estructuradas de manera diferente y materiales diferentes.

Los tipos de membranas en uso general incluyen tubular, fibra hueca y lámina plana. Estos tipos se aplican en diferentes configuraciones, como dentro de un marco, como las membranas de láminas planas utilizadas en la solución Paquetizada Inteligente NIROBOX™ de Fluence,o enrolladas en espiral, tales como las que se utilizan en el reactor de biofilm de membrana aireada (MABR) como las plantas de tratamiento de efluentes Paquetizadas Inteligentes Aspiral™ de Fluence.

Las propiedades ideales de las configuraciones de membrana de tratamiento de agua son:

• Realmente compacto
• Baja resistencia al flujo tangencial
• Distribución uniforme de la velocidad sin regiones muertas
• Alta turbulencia del lado retenido para minimizar el ensuciamiento y ayudar a la transferencia de masa
• Fácil mantenimiento y limpieza
• Bajo costo unitario

David C. Sammon explica las capacidades de las membranas en su artículo Procesos de la Membrana::

Por lo general, los procesos de membrana ofrecen la posibilidad de separar agua de varios tipos de solutos y de separar solutos ya sea por su tamaño o porque algunos están ionizados y otros no. Además de estos casos en los que se logra un alto grado de separación, hay muchos casos en los que se altera la composición del material disuelto. Un ejemplo es la ósmosis inversa, donde el permeado tiene un contenido de sal considerablemente reducido.

Osmosis Directa e Inversa

La ósmosis directa, o simplemente ósmosis, es un proceso físico en el cual un solvente se mueve a través de una membrana semipermeable. Es más conocido como el proceso que usan las células para transportar agua. El agua está presente en ambos lados de la membrana, con diferentes niveles de minerales disueltos en ambos lados. El agua con la mayor concentración de solutos se diluye de manera natural. Jean-Antoine Nollet, un científico y clérigo francés, observó por primera vez la ósmosis en 1748 y acuñó el término basado en las palabras griegas, endosmose y exosmose.

Osmosis inversa (OI), por el contrario, depende de la presión para forzar el agua a través de una membrana, separando así el agua de las impurezas. Una encuesta del 2018 realizada a profesionales de la industria sobre la eficacia de las tecnologías de reúso del agua colocó a la OI entre los mejores clasificados. Si bien la OI se utiliza con frecuencia para la desalinización, también se utiliza para el tratamiento de efluentes y el reúso de agua, así como para la eliminación de trazas de fosfatos, calcio, metales pesados y otras sustancias.

Microfiltración y Ultrafiltración

En las tecnologías de membrana basadas en partículas de bloqueo, incluida la microfiltración y la ultrafiltración, el tamaño del poro es importante porque determina el tamaño de las partículas y microorganismos que pueden atravesar la barrera. Las membranas de poros pequeños utilizados en la ultrafiltración bloquean proteínas, ácidos grasos, macromoléculas, bacterias, protozoos, virus y sólidos en suspensión.

Desafíos del Proceso de Membrana

La efectividad del tratamiento de membrana a menudo depende de la condición de la membrana. Por ejemplo, para que las tecnologías de ósmosis inversa funcionen de manera eficiente, el mantenimiento de la membrana debe ser impecable o puede ensuciarse con incrustaciones o biofilms, un problema perenne. Las impurezas pueden reducir la efectividad y aumentar el consumo de energía. Se dedica mucha investigación a diseñar membranas para resistir el ensuciamiento a través de recubrimientos especializados y otros tratamientos, como cambiar la carga del material de la membrana.

A mediados de la década del 2010, los investigadores en Israel desarrollaron un importante proceso libre de químicos para prevenir impurezas en la membrana en el proceso de desalinización de la OI. El proceso evita el ensuciamiento de la membrana, reduce los costos químicos y hace que la desalinización sea más ecológica. El pretratamiento con un filtro de biofloculación rápida granular (RBF, por sus siglas en inglés) de dos etapas, un biofloculador (BF) de primera etapa y un filtro de lecho de medios mixtos (MBF, por sus siglas en inglés), evita que los agentes sucios lleguen a la membrana.

Esta y otras mejoras a la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) han hecho que el proceso sea mucho más rentable, lo que a su vez ha llevado a un crecimiento global explosivo en SWRO.

Aprovechamiento de las Propiedades de los Biofilms

Las membranas utilizadas en el tratamiento y el reúso de efluentes también son vulnerables al ensuciamiento de biofilms. La formación de biofilms en las membranas de filtración y la obstrucción resultante de los poros (incrustación biológica) es uno de los problemas más difíciles que enfrentan estas operaciones.

En algunas aplicaciones, la desinfección de membranas a 85ºC se utiliza para el mantenimiento sin productos químicos. Sin embargo, en un reactor de biofilm de membrana aireada (MABR), el biofilm en realidad se aprovecha para hacer el trabajo pesado en el proceso de tratamiento. Las membranas utilizadas en MABR, un tratamiento biológico, son semipermeables a escala molecular para ayudar en la aireación sin burbujas, lo que permite el crecimiento robusto de microorganismos útiles.

La membrana de aireación en espiral vertical simplemente se descarga desde el fondo con burbujas de manera periódica, lo cual es suficiente para evitar el crecimiento excesivo de un biofilm obstruido sin mezcla mecánica.

Tratamientos Combinados

Los procesos de membrana se combinan con frecuencia con otros procesos para proporcionar soluciones integrales de tratamiento de agua. Por ejemplo, la instalación de Puerto Central en Buenos Aires, Argentina, necesitaba tratar el agua del río antes de su uso en equipos industriales. La ultrafiltración se usó en combinación con ósmosis inversa para crear agua desmineralizada para la caldera de alta presión de la planta. El proceso de ultrafiltración ayudó a los problemas de ensuciamiento de la membrana.

El tratamiento del agua de mina es otro ejemplo de procesos combinados. Típicamente, los efluentes de las operaciones mineras son extremadamente altos en sólidos suspendidos totales y coloides. La ultrafiltración puede eliminar estas partículas para prepararlas para el tratamiento con ósmosis inversa. En algunos casos, el agua pasa por ósmosis inversa dos veces para alcanzar las especificaciones finales para lograr el tratamiento completo del agua.

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