ULTRAFILTRACIÓN

INTRODUCCIÓN

 La ultrafiltración es un tipo de filtración por membrana en la cual la presión fuerza un líquido contra una membrana semipermeable. Los sólidos suspendidos y los solutos de alto peso molecular son retenidos, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan la membrana. Este proceso de separación fisíca es usado en industria e investigación para purificar y concentrar soluciones macromoleculares (103 – 106 Da).

Es el tamaño de poro de la membrana lo que determina hasta qué punto son eliminados los sólidos disueltos, la turbidez y los microorganismos. Las sustancias de mayor tamaño que los poros de la membrana son retenidas totalmente. Las sustancias que son más pequeñas que los poros de la membrana son retenidas parcialmente, dependiendo de la construcción de una capa de rechazo en la membrana.

Debido al tamaño de poro en la membrana que se utiliza en la ultrafiltración, se pueden remover partículas entre 0,001 – 0,1 um de espesor.

cuadro ultrafil

 

  APLICACIONES

  • Diálisis y otros tratamientos de la leche
  • Concentración de la leche antes hacer queso
  • Procesos médicos de concentración de derivados biotecnológicos, 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

  

MATERIALES CONSTRUCTIVOS DE LAS MEMBRANAS

 Existen dos grandes grupos de materiales:

  • Orgánicas: polipropileno, carbono, etc.
  • Inorgánicas: metálicas, cerámicas, etc.

 Las cerámicas, unas de las más usadas, aportan ventajas en cuanto a resistencia química y operatividad (ausencia de hidrofobia o problemas de polarización) que las hacen especialmente atractivas para el trabajo con aguas residuales industriales.

Al trabajar con aguas residuales y materia orgánica, nos encontraremos con situaciones en que la instalación deberá:

– Ser resistente a los valores extremos de pH

– Resistente a temperaturas elevadas

– Resistente a los oxidantes (p.e. cloro)

– Evitar el ensuciamiento

La diversidad en las calidades de las aguas residuales industriales lleva consigo problemas importantes de ensuciamiento de las membranas que en ocasiones se resuelven solamente con agresivos lavados químicos que permiten la continuidad del proceso en el tiempo. Por lo tanto es fundamental que los materiales de construcción de la membrana y de la planta resistan las condiciones a las que se le somete, aunque sea temporalmente.

 

FUNCIONAMIENTO

 Filtración tangencial

En el modo de filtración tangencial, clásica en las operaciones de filtración con membranas, el flujo de permeado viene condicionado básicamente por la velocidad de circulación del fluido a través de los canales de filtración que son de 5 ó 6 m/s en las membranas de cerámica. Ello conlleva una relación muy alta entre el caudal recirculado y el caudal de permeado efectivo, lo cual se traduce en un consumo energético importante y una elevación de la temperatura de trabajo. No obstante tiene la ventaja de mantener en suspensión los sólidos que van quedando en el concentrado y los que se desprenden de la pared filtrante después de cada lavado en contracorriente. Este modo de operación es el más adecuado para el tratamiento de aguas residuales industriales.

Existen varios tipos de membranas de Ultrafiltración para aplicaciones diferentes, entre ellas podemos encontrar:

• Membranas Espirales que permiten que el agua a filtrar recorra toda la membrana y sea recogida en un canal central. Reduce costos de energía al reducir requerimientos de bombeo. Se puede operar a altas presiones y altas temperaturas.
• Membranas Tubulares (de ½” o 1″ de diámetro). Trabajan muy bien en altas concentraciones de contaminantes. Su limpieza puede ser tanto química como mecánica y su taponamiento es mínimo. Soporta altas temperaturas y altos rangos de pH.
• Membranas Fibra Hueca (Hollow Fiber) Son como pequeños fideos, lo que nos da una cantidad de área de filtración muy amplia comparado con el mínimo espacio.

 Sistemas de alimentación

Los sistemas de alimentación generalmente se basan en bombas centrífugas que además, de proporcionar el flujo de entrada a la planta se ocupan de mantener la presión de proceso en el circuito de recirculación.

Se ha comprobado que la aplicación de una presión pulsante en el interior del circuito de recirculación, en determinadas circunstancias favorece un incremento de caudal de permeado.

Temperaturas de trabajo

La temperatura que adquiere el concentrado durante la operación de filtración está en función del rendimiento de la operación, o sea de la renovación se agua que se produce en el circuito.

Las membranas cerámicas requieren mayores velocidades de flujo y ello comporta una elevación de la temperatura en el circuito de recirculación, para lo cual la instalación debe estar preparada. Por otra parte la producción de permeado aumenta a medida que aumenta la temperatura y se convierte en un factor de interés para la filtración.

ENSUCIAMIENTO DE LAS MEMBRANAS DE ULTRAFILTRACIÓN

Uno de los mayores obstáculos que dificulta la aplicación de los procesos de ultrafiltración es el fenómeno de descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo. Este fenómeno se denomina comunmente ensuciamiento, haciendo referencia a una serie de mecanismos que representan una resistencia adicional al paso de líquido a través de la membrana.

El ensuciamiento, al disminuir la velocidad de producción de permeado, incrementa la complejidad de las operaciones con membranas, dado que el sistema ha de ser detenido frecuentemente para someterlo a operaciones de limpieza que reestablezcan la densidad de flujo de permeado. El elevado coste de estas operaciones hace que la ultrafiltración sea, algunas veces, menos viable económicamente para muchos de los problemas de separación.

El ensuciamiento de membranas de ultrafiltración se debe a varios mecanismos que pueden actuar juntos o separados en las distintas etapas de ultrafiltración.

  • Taponamiento de los poros de la membrana tanto a nivel superficial como en el interior de los mismos, debido a que el tamaño de las partículas presentes en el soluto son del mismo diámetro que las del poro.
  • Formación de la capa gel debido al establecimiento de una red tridimensional entre las macromoléculas de soluto y disolvente. La concentración en la capa gel es constante para unas determinadas condiciones experimentales, pero varía con la velocidad tangencial y la concentración de la alimentación para un mismo soluto.
  • Adsorción de moléculas sobre la superficie de membrana, debido a afinidades químicas entre la membrana y el soluto. La adsorción puede producirse también en el interior de los poros, reduciendo así el diámetro efectivo de los mismos.
  • Formación de depósitos sobre la superficie de la membrana o en el interior de la misma por precipitación de las moléculas de soluto o sedimentación de materia en suspensión.

De todos estos mecanismos, los dos primeros, taponamiento de los poros de la membrana y formación de capa gel, son los mecanismos esenciales que explican el ensuciamiento de las membranas de ultrafiltración. Los dos restantes pueden afectar a uno o ambos de los mecanismos esenciales.

Lavado químico

Después de un número de horas de funcionamiento de la filtración, variable según las condiciones de trabajo, las membranas llegan a un grado de colmatación elevado y el caudal de permeado disminuye a valores inferiores a la producción mínima aceptable. El retrolavado ya no es suficiente para mantener el sistema en valores de caudal medio.

Cuando esto ocurre, la filtración deberá ser detenida y se procederá a efectuar un lavado intenso de las membranas, que consiste en vaciar el circuito y cargarlo nuevamente con solución de reactivo en recirculación durante un tiempo que suele oscilar en una hora.

El tipo de reactivo a utilizar varía en función de las aguas que se vienen filtrando, no obstante podemos indicar que los reactivos más comúnmente utilizados son de carácter:

Ácido fuerte o ácido débil

– Alcalino fuerte

– Oxidante fuerte

– Desengrasante

Existen productos comercializados cuya mezcla de componentes está estudiada para conseguir la mayor efectividad según el tipo de ensuciamiento que se presenta en la membrana. No obstante el tratamiento de aguas residuales industriales lleva consigo una variabilidad tan grande en su composición que a menudo ello comporta la realización de un estudio de lavado químico a partir de la mezcla de diferentes reactivos con el fin de conseguir la mayor eficacia.

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