La filtración con membranas ha revolucionado en los últimos veinte años el tratamiento de agua, y ello se debe a la disminución espectacular en costes de esta tecnología. Los niveles de separación alcanzables con la tecnología de membranas son extremadamente finos y ello posibilita la aparición de nuevas aplicaciones en el escenario industrial. En este artículo revisamos las últimas tecnologías disponibles y sus aplicaciones.
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La revolución de la filtración con membranas se debe al muy amplio rango de materiales de los que las membranas se fabrican hoy en día. Disponemos hoy en día de muchos materiales con propiedades específicas que pueden utilizarse para hacer membranas con características de rendimiento mejoradas.
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En los primeros años de utilización de las membranas como medio de separación, la membrana era una lámina flexible y delgada de tubos flexibles de pared delgada, que se volvía semi-permeable por su proceso de producción. Esta característica de flexibilidad ha quedado asociada con las membranas, pero la amplia existencia de membranas cerámicas rígidas hace muy difícil proporcionar una simple definición para una membrana.
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Podemos definir una membrana como un material semi-permeable capaz de retener sustancias suspendidas o disueltas a niveles que se encuentran en la región de varios micrómetros a unas décimas de nanómetros.
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Las primeras aplicaciones de la tecnología de membrana fueron la ósmosis inversa, utilizada fundamentalmente para la desalinización de agua (en el rango de tamaño de hasta unos 400 Dalton o aproximadamente 1,5 nm), y la ultrafiltración, ampliamente usada para la retirada de orgánicos disueltos e iones inorgánicos (en el rango de tamaños de 0,3 a 500 kD o de 1 a 200 nm). Los dos principales cambios en el procesado de líquidos que han tenido lugar en los últimos años ha sido la aparición de la nanofiltración solapándose en la parte superior de la ósmosis inversa y la más baja de la ultrafiltración (cubriendo así de 50 D a 5 nm), y la extensión de las separaciones de membrana en el rango de la microfiltración (de aproximadamente 50 nm a 2 µm o más). Este último movimiento, en microfiltración, ha incrementado la aplicabilidad del medio de membrana en los procesos de separación, y el uso de la microfiltración se está aproximando al mercado de la membrana.
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Otra aplicación emergente de la tecnología de membrana es su uso para separar gas y vapor. La aplicación más interesante es la separación de componentes del aire, lo cual permite construir pequeñas plantas de oxígeno o nitrógeno. Otras aplicaciones novedosas de esta tecnología son la obtención de hidrógeno o la captura de CO2.
EL NEGOCIO DE LA MEMBRANA
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La fabricación de módulos de membrana y diferentes sistemas de separación son hoy en día un negocio de un tamaño importante. Actualmente la tecnología de membrana supone ya un 35-40 % del mercado de medios de filtración. El negocio total ascendió a 8.000 millones de dólares en 2009. Entre los fabricantes que participan en este mercado mencionamos como tecnología emergente los fabricantes de membranas cerámicas y bioreactores de membrana.
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PROBLEMAS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO
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Algunos problemas de diseño deben ser considerados al trabajar con membranas, aunque los recientes desarrollos en sistemas y medios de membranas han sido diseñados para reducir el impacto de estos problemas.
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Fouling
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La acumulación de suciedad es el principal problema de cualquier sistema de filtración pues aumenta la resistencia al paso del fluido. En los sistemas de membrana se produce un proceso de obstrucción progresiva debido a las sustancias existentes con anterioridad a la separación.
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La solución al fouling se ha conseguido parcialmente haciendo pasar el caudal paralelo a la membrana en vez de perpendicular. El método consecuente de flujo cruzado ha sido uno de los más importantes desarrollos de equipos en la industria de la filtración, especialmente cuando se acoplan a sistemas de vibración rotatorios o vibrantes.
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Costes
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Las primeras membranas eran muy caras y duraban un periodo corto de tiempo. Además de membranas satisfactorias desde el punto de vista operacional eran necesarias membranas resistentes a la presión. Pero los nuevos sistemas de diseño consiguieron abaratamientos importantes y ello conlleva que una pequeña planta de ósmosis inversa totalmente automática cueste hoy en día tan solo unos 20.000 euros. La reducción de costes se ha acelerado con el desarrollo de materiales que inicialmente eran caros, tanto orgánicos como inorgánicos.
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Rendimiento
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El rendimiento de un sistema de filtración baja conforme aumenta la resistencia al flujo. Es por ello que la tecnología de desarrollo de materiales de filtración se ha centrado especialmente en reducir esta resistencia al flujo, primero en las membranas de difusión desde ósmosis inversa a ultrafiltración, y posteriormente con los materiales microporosos de microfiltración.
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Resistencia mecánica
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Las primeras membranas eran materiales relativamente débiles, y en el desarrollo de nuevos materiales la resistencia no se consideró una prioridad, por lo que las membranas modernas pueden ser muy finas y con bajo límite elástico. Más recientemente se han desarrollado otras membranas más resistentes en las que la capa de separación está soportada por una o más capas de sustratos, lo cual da la resistencia necesaria a las membranas acabadas.
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Resistencia a la corrosión
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La mayoría de las membranas están pensadas para aplicaciones donde las condiciones son relativamente suaves. Pero nuevo materiales permiten la utilización de la tecnología de membrana en aplicaciones más exigentes como la industria química o farmacéutica, incluyendo también ambientes corrosivos. Las membranas cerámicas y otros materiales inorgánicos han sustituido a las menos resistentes membranas poliméricas. En tiempos más recientes se han desarrollado también membranas a partir de polímeros fluorados, como PTFE o PVDF, que muestran una marcada resistencia a la corrosión.
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Resistencia a la temperatura
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Las membranas poliméricas no son adecuadas para trabajar en ambientes corrosivos (altamente alcalinos o ácidos) y tampoco son apropiadas para su uso en aplicaciones a temperaturas elevadas. Incluso los polímeros fluorados trabajan mal por encima de 150 ºC. Para aplicaciones que requieren resistir altas temperaturas las membranas cerámicas han sido encontradas como las más convenientes.
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Manejo de sólidos
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La mayoría de las membranas no resisten los sólidos en suspensión, aunque algunos formatos pueden aceptar sólidos más concentrados.
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Bibliografía: What´s new in membrane filtration. Filtration + Separation. September/October 2009
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Palabras clave: Rigid ceramic membrane
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