El factor que más afecta el rendimiento de los sistemas de procesamiento de agua por membrana es el ensuciamiento, que causa reducciones tanto en calidad y flujo de agua producto. La microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa, que son sistemas de procesamiento de agua por membrana, separan materiales suspendidos y disueltos de soluciones de agua en numerosas aplicaciones desde industriales, comerciales y residenciales.
El funcionamiento de la tecnología de filtración se basa en el bombeo de una corriente líquida a través de cierto material filtrante. Un desarrollo reciente conocido como filtración de flujo cruzado o flujo tangencial permite procesar continuamente corrientes de fluido. En este proceso, la solución completa fluye por encima de y paralela a la superficie del filtro, y debido a que este filtro se encuentra presurizado (desde la bomba), el agua es forzada a través del filtro. El flujo turbulento de la solución completa sobre la superficie minimiza la acumulación de partículas en el filtro y facilita la operación continua del sistema. El factor que más daña el rendimiento de los sistemas de membrana es el ensuciamiento de la membrana: materiales no solubles que cubren la superficie de la membrana causando una caída en calidad y/o flujo de agua producto.
Materiales que causan deterioro
Existe una gran cantidad de materiales que dañan o ensucian los sistemas de membranas, afortunadamente existen también para cada tipo de contaminante un pretratamiento especifico. En general, la mayoría de materiales que ensucian y sus pretratamiento pueden ser clasificados de la siguiente manera:
Sólidos suspendidos: resulta de una acumulación de partículas en la superficie de la membrana. Las partículas ingresan al sistema de la membrana a través de agua de fresca o de alimentación. Debido a una prefiltración inadecuada o al mal diseño del sistema e incluso ambos, se depositan sobre la superficie de la membrana sólidos en suspensión. Pretratamiento: filtración, filtros de distintos materiales seguidos por filtros de cartucho.
Incrustaciones: se debe a la precipitación de ciertas sales solubles, cuyos límites de solubilidad son excedidos durante el proceso de concentración del sistema de membranas. Éstas incluyen el carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio, carbonato de magnesio y fluoruro de calcio. Este fenómeno ocurre únicamente en los sistemas de ósmosis inversa donde se encuentran materiales iónicos que se concentran. Pretratamiento: ajuste del suavizador y/o pH, adición de dispersante.
Materia coloidal: sólidos suspendidos muy pequeños (relativamente) que no se separan de la solución, tienen carga negativa y resisten la aglomeración. Si hay una alta concentración debida al proceso de la membrana los coloides se depositan en la superficie de la membrana. Los coloides tienden a agruparse, o dicho de otra forma se aglomeran, y precipitan. Pretratamiento: coagulación seguida por filtración.
Óxidos de metal: La deposición de óxido de metal ocurre comúnmente en forma de oxido de hierro, aluminio y, en un menor grado, manganeso. El hidróxido de hierro insoluble puede ser el resultado de hierro coloidal, oxidación de hierro ferroso en la corriente de alimentación, que se forman por la corrosión del hierro en el agua de alimentación, o de otros componentes del sistema. El hidróxido de aluminio tiene una solubilidad pequeña a un pH de 6.6, y su presencia en suministros de agua se debe a la adición de sulfato de aluminio que es añadido en plantas de tratamiento municipal. El hidróxido de manganeso se encuentra a frecuentemente en concentraciones muy pequeñas en suministros de agua de alimentación. Pretratamiento: oxidación seguida por filtración, adición de dispersante.
Aceite/grasa: son sustancias insolubles en agua pero solubles en solvente TF de hexano, cloroformo o freón. Estos contaminantes se encuentran en el agua, en la mayoría de los casos, como emulsión. Algunos materiales activos en la superficie reaccionan con aceite o grasa y forman gotitas de tamaño de coloides que son demasiado estables en agua. De esta forma, los materiales de aceite/grasa cubren la superficie de la membrana. Frecuentemente la permeabilidad selectiva de ultrafiltración UF y de membranas de OI rompe la emulsión aceite/agua y el aceite libre es atraído hacia la superficie de la membrana. Pretratamiento: separación aceite/grasa, coagulación seguida por filtración.
Materiales biológicos: El ensuciamiento biológico resulta del crecimiento de microorganismos en la superficie de la membrana que forman una biocapa o biopelícula. Las biocapas son capas discretas que se forman por microorganismos como al llevar a cabo su actividad metabólica. La capa es una matriz de glicocalix, un material capsular de polisacáridos extracelulares formados durante el crecimiento y la reproducción de microorganismos. La matriz se pega a una superficie y los microorganismos colonizan en la biocapa. Las biocapas sirven como estructuras que estabilizan las colonias, las protegen de desinfectantes y también los protegen de ser eliminados por el agua en que fluye, ayudan a depositar alimento de la corriente. En los sistemas de membrana, el crecimiento de la biocapa crea estructuras propias que atrapan las sales y previene que el flujo turbulento mezcle totalmente los solutos en la corriente. Pretratamiento: adición de desinfectante (tal como cloro u ozono) seguida por filtración, desinfección por luz ultravioleta.
CausasTodos los procesos de membrana (MF, UF, NF y OI) llevan acabo la separación de contaminantes de una solución por la acción del bombeo continuo de agua a través de una membrana (más técnicamente una diferencia de presión: presión alta en la alimentación y presión baja en las salidas o productos), una mayor concentración de contaminantes aumenta la probabilidad de que estos contaminantes se depositen sobre la superficie de la membrana. Aunque el principio de filtración por flujo tangencial está basado en el movimiento de la corriente de alimentación sobre la superficie de la membrana a velocidades lo suficientemente altas para evitar que los materiales insolubles se depositen, frecuentemente el ensuciamiento puede ocurrir, y de hecho ocurre. Cuando los contaminantes se depositan en la superficie de la membrana tapan sus microporos, reduciendo el flujo o caudal de agua producto que pasa a través de la membrana. También ocurre otro suceso que se conoce como polarización de la concentración. Mientras se acumula la capa de elementos dañinos en la membrana, los materiales disueltos quedan atrapados en la capa sin dispersarse fácilmente en la corriente de alimentación. Mientras aumenta su concentración, se hacen no solubles o pasan en su mayoría a través de la membrana. El resultado neto es una mala calidad de agua producto, cualquiera de los materiales descritos líneas arriba puede producir una capa de ensuciamiento, causando la polarización de la concentración.
Prevención y controlEs muy importante conocer en primer lugar las características del agua a tratar, para lo cual se deben realizar los correspondientes análisis fisicoquímicos y microbiológicos, seguidamente se deben establecer los pretratamiento adecuados para disminuir el potencial de ensuciamiento de las membranas. Debido a que cada tipo de material que ensucia tiene sus propias características particulares, ninguna característica en particular del diseño del sistema reducirá el potencial para todos los tipos de ensuciamiento. Sin embargo, en general, mantener la recuperación del sistema a un nivel relativamente bajo ayudará a minimizar el ensuciamiento. Recuperación se define como aquel porcentaje de la corriente de alimentación que pasa a través de la membrana y sale como agua de producto. Obviamente, mientras más alto sea el porcentaje de agua de alimentación que es forzado a través de la membrana, mayor será el peligro de que los materiales suspendidos o aquellos contaminantes que se hagan insolubles a mayores concentraciones ensucien la superficie de la membrana.
