Ensuciamiento de membranas
Ensuciamiento de una membrana en diferentes pasos 1–5. 1) membrana virgen 2) estrechamiento de poros 3) bloqueo de poros 4) formación de capa de torta 5) membrana limpia

El ensuciamiento de la membrana es un proceso por el cual una solución o una partícula se deposita en una superficie de membrana o en poros de membrana en procesos como en un biorreactor de membrana , [1] ósmosis inversa , [2] ósmosis directa , [ 3] destilación de membrana , [4] ultrafiltración , microfiltración o nanofiltración [5] de modo que el rendimiento de la membrana se degrada. Es un obstáculo importante para el uso generalizado de esta tecnología . El ensuciamiento de la membrana puede causar una disminución grave del flujo y afectar la calidad del agua producida. El ensuciamiento grave puede requerir una limpieza química intensa o el reemplazo de la membrana. Esto aumenta los costos operativos de una planta de tratamiento . Existen varios tipos de ensuciadores: coloidales (arcillas, flóculos ), biológicos ( bacterias , hongos ), orgánicos ( aceites , polielectrolitos , húmicos ) e incrustaciones (precipitados minerales). [6]

Las incrustaciones pueden dividirse en incrustaciones reversibles e irreversibles en función de la fuerza de adhesión de las partículas a la superficie de la membrana. Las incrustaciones reversibles pueden eliminarse mediante una fuerte fuerza de corte o un lavado a contracorriente . La formación de una fuerte matriz de capa de incrustaciones con el soluto durante un proceso de filtración continua dará como resultado que las incrustaciones reversibles se transformen en una capa de incrustaciones irreversibles. Las incrustaciones irreversibles son la fuerte adhesión de partículas que no se pueden eliminar mediante una limpieza física. [7]

Factores influyentes

Factores que afectan la incrustación de la membrana:

Estudios fundamentales recientes indican que el ensuciamiento de la membrana está influenciado por numerosos factores como la hidrodinámica del sistema, las condiciones de operación, [8] las propiedades de la membrana y las propiedades del material (soluto). A baja presión, baja concentración de alimentación y alta velocidad de alimentación, los efectos de polarización de la concentración son mínimos y el flujo es casi proporcional a la diferencia de presión transmembrana. Sin embargo, en el rango de alta presión, el flujo se vuelve casi independiente de la presión aplicada. [9] La desviación de la relación lineal flujo-presión se debe a la polarización de la concentración . A bajo caudal de alimentación o con alta concentración de alimentación, la situación de flujo limitante se observa incluso a presiones relativamente bajas.

Medición

El flujo, [3] la presión transmembrana (TMP), la permeabilidad y la resistencia son los mejores indicadores de ensuciamiento de la membrana. En condiciones de funcionamiento con flujo constante, la TMP aumenta para compensar el ensuciamiento. Por otro lado, en condiciones de funcionamiento con presión constante, el flujo disminuye debido al ensuciamiento de la membrana. En algunas tecnologías, como la destilación por membrana , el ensuciamiento reduce el rechazo de la membrana y, por lo tanto, la calidad del permeado (por ejemplo, medida por la conductividad eléctrica) es una medición primaria del ensuciamiento. [8]

Control de incrustaciones

Sedimento acumulado en la membrana de ósmosis inversa.

Si bien el ensuciamiento de la membrana es un fenómeno inevitable durante la filtración por membrana , se puede minimizar mediante estrategias como la limpieza, la selección adecuada de la membrana y la elección de las condiciones de operación.

Las membranas se pueden limpiar de forma física, biológica o química. La limpieza física incluye el lavado con gas, esponjas, chorros de agua o retrolavado con permeado [10] o aire presurizado. [11] La limpieza biológica utiliza biocidas para eliminar todos los microorganismos viables , mientras que la limpieza química implica el uso de ácidos y bases para eliminar los contaminantes y las impurezas.

Además, los investigadores han estudiado el impacto que tienen los distintos recubrimientos en la resistencia al desgaste. Un estudio de 2018 del Centro Global de Innovación Acuática de Japón informó que las propiedades de rugosidad superficial de las membranas de PA mejoraron al recubrirlas con nanotubos de carbono de paredes múltiples. [12]

Otra estrategia para minimizar el ensuciamiento de la membrana es el uso de la membrana adecuada para una operación específica. Primero se debe conocer la naturaleza del agua de alimentación; luego se elige una membrana que sea menos propensa a ensuciarse con esa solución. Para la filtración acuosa , se prefiere una membrana hidrófila . [13] Para la destilación por membrana , se prefiere una membrana hidrófoba. [14]

Las condiciones de funcionamiento durante la filtración por membrana también son vitales, ya que pueden afectar las condiciones de ensuciamiento durante la filtración. Por ejemplo, la filtración de flujo cruzado suele preferirse a la filtración de punto muerto , porque la turbulencia generada durante la filtración implica una capa de depósito más delgada y, por lo tanto, minimiza el ensuciamiento (por ejemplo, el efecto de pinzamiento tubular ). En algunas aplicaciones, como en muchas aplicaciones MBR, se utiliza aire de socavación para promover la turbulencia en la superficie de la membrana.

Impacto de las incrustaciones en las propiedades mecánicas de las membranas

El rendimiento de la membrana puede verse afectado por la degradación mecánica inducida por la suciedad. Esto puede dar lugar a gradientes de presión y flujo no deseados, tanto del soluto como del disolvente. El mecanismo de falla de la membrana puede ser consecuencia directa de la suciedad por medio de alteraciones físicas de la membrana, o por medios indirectos, en los que los procesos de eliminación de suciedad producen daños en la membrana.

Impactos directos de las incrustaciones

Es importante destacar que la mayoría de las membranas utilizadas comercialmente son polímeros como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), poliacrilonitrilo (PAN), polietersulfona (PES) y poliamida (PA), que son materiales que ofrecen propiedades deseables (elasticidad y resistencia) para soportar presiones osmóticas constantes. [15] La acumulación de contaminantes, sin embargo, degrada estas propiedades a través de alteraciones físicas en la estructura de la membrana.

La acumulación de contaminantes puede provocar la formación de grietas, rugosidad de la superficie y cambios en la distribución del tamaño de los poros. [15] Estos cambios físicos son el resultado de los impactos de un material duro con una membrana de polímero blanda, lo que debilita su integridad estructural. La degradación de la estructura mecánica hace que las membranas sean más susceptibles a daños mecánicos, lo que podría reducir su vida útil general. Un estudio de 2006 observó esta degradación al tensar uniaxialmente fibras huecas que estaban limpias y sucias. Los investigadores informaron sobre la fragilización relativa de las fibras sucias. [16]

Impactos indirectos de las incrustaciones

Más allá del daño físico directo, el ensuciamiento también puede inducir efectos indirectos en las propiedades mecánicas de la membrana debido a las estrategias utilizadas para combatirlo. El retrolavado somete no solo las partículas, sino también la membrana a fuertes fuerzas de corte. Por lo tanto, una mayor frecuencia de ensuciamiento expone la membrana a una carga cíclica que puede provocar una falla por fatiga . Este es un proceso por el cual las imperfecciones existentes en la membrana (como las microfisuras) pueden crecer y propagarse debido a la compleja dinámica del estado de tensión. Estos impactos no son desconocidos; un estudio de 2007 simuló el envejecimiento mediante pulsos cíclicos de retrolavado y reportó una fragilización similar debido a los efectos. [17]

Además, el tratamiento químico repetido de las incrustaciones somete las membranas a cantidades excesivas de cloro u otros productos químicos de tratamiento que pueden causar degradación. [18] Esta degradación química puede provocar la delaminación de los componentes de la membrana, lo que en última instancia conduce a su falla.

Véase también

Referencias

  1. ^ Meng, Fangang; Yang, Fenglin; Shi, Baoqiang; Zhang, Hanmin (febrero de 2008). "Un estudio exhaustivo sobre el ensuciamiento de las membranas en biorreactores de membrana sumergidos que funcionan con diferentes intensidades de aireación". Tecnología de separación y purificación . 59 (1): 91–100. doi :10.1016/j.seppur.2007.05.040.
  2. ^ Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Maswadeh, Laith A.; Connors, Grace B.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2018). "Mitigación de la contaminación inorgánica mediante ciclos de salinidad en ósmosis inversa por lotes". Investigación del agua . 137 : 384–394. Bibcode :2018WatRe.137..384W. doi : 10.1016/j.watres.2018.01.060 . hdl : 1721.1/114637 . ISSN  0043-1354. PMID  29573825.
  3. ^ ab Tow, Emily W.; Warsinger, David M.; Trueworthy, Ali M.; Swaminathan, Jaichander; Thiel, Gregory P.; Zubair, Syed M.; Myerson, Allan S.; Lienhard V, John H. (2018). "Comparación de la propensión a la suciedad entre la ósmosis inversa, la ósmosis directa y la destilación por membrana". Revista de ciencia de membranas . 556 : 352–364. doi :10.1016/j.memsci.2018.03.065. hdl : 1721.1/115270 . ISSN  0376-7388.
  4. ^ Warsinger, David M.; Swaminathan, Jaichander; Guillen-Burrieza, Elena; Arafat, Hassan A.; Lienhard V, John H. (2015). "Incrustación y ensuciamiento en la destilación por membrana para aplicaciones de desalinización: una revisión" (PDF) . Desalination . 356 : 294–313. Bibcode :2015Desal.356..294W. doi :10.1016/j.desal.2014.06.031. hdl : 1721.1/102497 . ISSN  0011-9164.
  5. ^ Hong, Seungkwan; Elimelech, Menachem (1997). "Aspectos químicos y físicos de la contaminación por materia orgánica natural (NOM) de las membranas de nanofiltración". Journal of Membrane Science . 132 (2): 159–181. doi :10.1016/s0376-7388(97)00060-4. ISSN  0376-7388.
  6. ^ Baker, RW (2004). Tecnología y aplicaciones de membranas, Inglaterra: John Wiley & Sons Ltd
  7. ^ Choi, H., Zhang, K., Dionysiou, DD, Oerther, DB y Sorial, GA (2005) Efecto del flujo de permeado y del flujo tangencial en la contaminación de las membranas para el tratamiento de aguas residuales. J. Separation and Purification Technology 45: 68-78.
  8. ^ ab Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2017). "Marco teórico para predecir el ensuciamiento inorgánico en la destilación por membrana y validación experimental con sulfato de calcio" (PDF) . Journal of Membrane Science . 528 : 381–390. doi : 10.1016/j.memsci.2017.01.031 . hdl :1721.1/107916. ISSN  0376-7388.
  9. ^ Ghosh, R., 2006, Principios de ingeniería de bioseparación, World Scientific Publishing Pvt Ltd.
  10. ^ Liberman, Boris (2018). "Tres métodos de limpieza por ósmosis directa para membranas de ósmosis inversa". Desalación . 431 : 22–26. Bibcode :2018Desal.431...22L. doi :10.1016/j.desal.2017.11.023. ISSN  0011-9164.
  11. ^ Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Connors, Grace B.; Mavukkandy, Musthafa O.; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (2017). "Reversión de la humectación de la membrana en la destilación por membrana: comparación del secado con el retrolavado con aire presurizado". Ciencias ambientales: investigación y tecnología del agua . 3 (5): 930–939. doi :10.1039/c7ew00085e. hdl : 1721.1/118392 . ISSN  2053-1400.
  12. ^ Ortiz-Medina, J.; Inukai, S.; Araki, T.; Morelos-Gomez, A.; Cruz-Silva, R.; Takeuchi, K.; Noguchi, T.; Kawaguchi, T.; Terrones, M.; Endo, M. (9 de febrero de 2018). "Membranas de desalinización de agua robustas contra la degradación utilizando altas cargas de nanotubos de carbono". Scientific Reports . 8 (1): 2748. Bibcode :2018NatSR...8.2748O. doi :10.1038/s41598-018-21192-5. ISSN  2045-2322. PMC 5807517 . PMID  29426871. 
  13. ^ Goosen, MFA; Sablani, SS; Al-Hinai, H.; Al-Obeidani, S.; Al-Belushi, R.; Jackson, D. (2 de enero de 2005). "Ensuciamiento de membranas de ósmosis inversa y ultrafiltración: una revisión crítica". Ciencia y tecnología de la separación . 39 (10): 2261–2297. doi :10.1081/ss-120039343. ISSN  0149-6395.
  14. ^ Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Van Belleghem, Sarah; Gonzalez, Jocelyn; Swaminathan, Jaichander; Kharraz, Jehad; Chung, Hyung Won; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (2016). "Combinación de recarga de aire y superhidrofobicidad de membrana para prevención de ensuciamiento en destilación de membrana" (PDF) . Revista de ciencia de membranas . 505 : 241–252. doi :10.1016/j.memsci.2016.01.018. hdl : 1721.1/105438 . ISSN  0376-7388.
  15. ^ ab Wang, Kui; Abdalla, Ahmed A.; Khaleel, Mohammad A.; Hilal, Nidal; Khraisheh, Marwan K. (2017-01-02). "Propiedades mecánicas de las membranas para desalinización de agua y tratamiento de aguas residuales". Desalación . 50 aniversario de la Desalación. 401 : 190–205. Bibcode :2017Desal.401..190W. doi :10.1016/j.desal.2016.06.032. ISSN  0011-9164.
  16. ^ Nghiem, Long D.; Schäfer, Andrea I. (5 de febrero de 2006). "Autopsia de incrustaciones en membranas de fibra hueca de microfiltración en la recuperación de aguas residuales". Desalación . Conceptos integrados en el reciclaje del agua. 188 (1): 113–121. Bibcode :2006Desal.188..113N. doi :10.1016/j.desal.2005.04.108. hdl : 1842/4122 . ISSN  0011-9164.
  17. ^ Zondervan, Edwin; Zwijnenburg, Arie; Roffel, Brian (15 de agosto de 2007). "Análisis estadístico de datos de pruebas de envejecimiento acelerado de membranas PES UF". Journal of Membrane Science . 300 (1): 111–116. doi :10.1016/j.memsci.2007.05.015. ISSN  0376-7388.
  18. ^ Kawaguchi, Takeyuki; Tamura, Hiroki (noviembre de 1984). "Membrana resistente al cloro para ósmosis inversa. I. Correlación entre las estructuras químicas y la resistencia al cloro de las poliamidas". Journal of Applied Polymer Science . 29 (11): 3359–3367. doi :10.1002/app.1984.070291113.
Obtenido de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ensuciamiento_de_membranas&oldid=1241613604"