En el anterior artículo de nuestro blog explicamos cómo la tecnología de membranas para el tratamiento de agua es básica en la actualidad y conocimos cuáles son los procesos de membranas más utilizados son cinco:
- Microfiltración (MF)
- Ultrafiltración (UF)
- Nanofiltración (NF)
- Ósmosis Inversa (OI)
- Electrodiálisis (ED)
Estos cinco procesos podemos a su vez subdividirlos en dos grupos: por un lado estaría la electrodiálisis cuya fuerza motriz no es de presión sino de potencial eléctrico y, por tanto las membranas que se utilizan en la electrodiálisis cuentan con grupos con cargas eléctricas diferentes, concretamente aniónicas y catiónicas. Y, por otro lado, estarían los cuatro primeros (microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa) que son procesos de membrana caracterizados por el hecho que la fuerza impulsora que facilita el paso de sustancias a través de la membrana es por gradiente de presión.
Vamos a analizar en este artículo, en qué consisten los cuatro procesos de membranas por gradiente de presión y qué diferencias existen entre ellos, ya que si bien el principio básico de todos ellos es la separación física, las diferencias entre ellos son evidentes.
Microfiltración y Ultrafiltración
Por un lado, tenemos la microfiltración y la ultrafiltración que permite la separación mecánica de sólidos suspendidos o disueltos mediante un tamiz. La principal diferencia entre ambos procesos es el tamaño de poro de la membrana, que determina qué solutos pueden ser eliminados en el proceso de filtración. Las sustancias de mayor tamaño que los poros de la membrana son retenidas totalmente, e incluso algunas sustancias más pequeñas que los poros también pueden ser retenidas parcial o totalmente dependiendo de la selectividad de la membrana.
Además de la influencia del tamaño de los poros, la distribución de éstos en la estructura de la membrana también es importante en ambos procesos. La microfiltración es capaz de separar pequeñas partículas y la ultrafiltración macromoléculas.
En concreto las membranas de microfiltración tienen un tamaño de poro que permite separar tamaños de partículas de distinta naturaleza (sólidos en suspensión, partículas finas, coloides, algas y microorganismos como bacterias) dentro del rango: 0.1 μm – 10 μm, y las membranas de ultrafiltración entre 0,04 y 0,1 μm.
Además la productividad de ambos procesos es alta, aunque la permeabilidad es mayor en las membranas de microfiltración y las presiones de trabajo de este proceso son también las más bajas, la ultrafiltración también se caracteriza por unas diferencias de presión requeridas bastante bajas, ya que apenas existen diferencias osmóticas.
Las membranas de ultrafiltración son generalmente membranas porosas y se clasifican por el peso de corte molecular, que equivale al peso molecular de la molécula más pequeña que pueden retener sus poros al 90%, y que oscila entre 1.000 y 500.000, es decir, moléculas y macromoléculas.
La microfiltración se utiliza para la esterilización en frío de alimentos líquidos y productos farmacéuticos, para la reducción de microorganismos del agua y es común como pretratamiento del agua para nanofiltración y ósmosis inversa.
Por su parte, la ultrafiltración se aplica para la eliminación de sustancias orgánicas, en la eliminación de trihalometanos del agua, en el tratamiento de aguas residuales y en la industria textil.
Nanofiltración
La nanofiltración es un proceso intermedio entre la ósmosis inversa y la ultrafiltración por los niveles de separación que permite y por las presiones de aplicación que requiere.
La membranas de nanofiltración son de estructura microporosa y pueden retener partículas con un tamaño de 0,1 nm-0,001 µm, lo que permite separar del agua la mayoría de moléculas, aunque las de peso molecular más bajo queden retenidas en la membrana parcialmente. Por lo que este proceso permite la separación de sustancias orgánicas (proteínas, azúcares), microrganismos y algunas sales multivalentes.
Además, en este proceso la separación de sustancias se lleva a cabo de manera combinada tanto por el tamaño de los poros, como por los mecanismos de disolución-difusión que caracterizan el proceso de ósmosis inversa y que explicamos más en profundidad en el siguiente punto.
La nanofiltración se utiliza para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales, para descontaminación de las aguas residuales, para la eliminación de nitratos, para la eliminación del color y también como pretratamiento antes de la ósmosis inversa.
Ósmosis Inversa
Este proceso de membranas retiene prácticamente todas las moléculas más pequeñas de partículas y sales, incluidas las sales monovalentes, mientras que las moléculas de agua pueden pasar libremente a través de la membrana.
La característica principal de este proceso es que con las membranas de ósmosis inversa el rechazo de solutos no ocurre mediante filtración, sino que el mecanismo de transporte característico es el de disolución-difusión a través de la membrana, es decir que el proceso de separación se debe a la diferente solubilidad y difusividad en la membrana de los distintos componentes de la solución acuosa y por tanto se trata de un proceso físico-químico, ya que las interacciones que existen entre las moléculas de agua, la membrana y los solutos son las responsables de la separación. Las membranas de OI son hidrófilas para que las moléculas de agua sean atraídas fácilmente y por difusión son transportadas a través de la estructura polimérica de la membrana.
Por lo tanto los componentes que constituyen el permeado, es decir, los que consiguen atravesar la membrana, deben tener cierta afinidad con el material de la membrana ya que es un factor decisivo para que se puedan disolver en su estructura y posteriormente difundirse a través de ella. De ahí que en ósmosis inversa cobre mucha más importancia el material de la membrana que en los procesos de microfiltración y ultrafiltración.
Además las membranas de ósmosis inversa al ser densas, y no porosas, presentan unos valores inferiores de permeabilidad, debiéndose trabajar a valores superiores de presión que permitan superar la presión osmótica para lograr que exista un flux razonable de fluido desde la fase concentrada al permeado.
La ósmosis inversa es la técnica que más se utiliza en la actualidad para la desalación de agua, ya que permite la eliminación de sales, así como de compuestos orgánicos de bajo peso molecular, permitiendo producir un agua potable de una gran calidad.
Alejandro Zarzuela López
