Análisis de procesos de membranas de ultrafiltración en aplicaciones de tratamiento de agua (I)
La permeabilidad de las membranas de ultrafiltración aumenta con la temperatura. Generalmente, la viscosidad de las soluciones acuosas disminuye con la temperatura, reduciendo así la resistencia al flujo y, en consecuencia, aumentando la permeabilidad. La temperatura real de la solución de suministro en el lugar de trabajo debe considerarse en el diseño de ingeniería. Anteriormente, la ultrafiltración se utilizaba en el tratamiento de agua y otros procesos industriales de purificación, concentración y separación como método de pretratamiento o tratamiento avanzado. En aplicaciones ampliamente utilizadas Proceso de tratamiento de aguaSí, se utiliza frecuentemente como método de purificación avanzada. Debido a las características de las membranas de ultrafiltración de fibra hueca, el suministro de agua requiere un pretratamiento específico. Los sólidos en suspensión, coloides, microorganismos y otras impurezas presentes en el agua pueden adherirse a la superficie de la membrana, provocando su ensuciamiento.
Debido a que las membranas de ultrafiltración tienen un flujo de agua relativamente alto, la concentración de impurezas atrapadas en la superficie de la membrana aumenta rápidamente, lo que provoca una polarización de concentración. Más grave aún, algunas partículas muy finas pueden entrar en los poros de la membrana y obstruir los canales de agua. Además, las sustancias viscosas generadas por los microorganismos y sus productos metabólicos en el agua también se adhieren a la superficie de la membrana. Todos estos factores conducen a una disminución de la permeabilidad de la membrana de ultrafiltración y a cambios en su rendimiento de separación. Simultáneamente, existen ciertas limitaciones en cuanto a la temperatura, el valor de pH y la concentración de las partículas ultrafinas.Agua filtrada suministrar.
Por lo tanto, es necesario un pretratamiento adecuado y un ajuste de la calidad del agua para que el suministro de agua mediante ultrafiltración cumpla con los requisitos de suministro, prolongue la vida útil de la membrana de ultrafiltración y reduzca los costos del tratamiento del agua.
Eliminación microbiana (bacterias, algas)
Cuando el agua contiene microorganismos, algunos de los microorganismos atrapados pueden adherirse al sistema de pretratamiento, como la superficie de los filtros multimedia, tras su entrada en dicho sistema. Al adherirse a la superficie de la membrana de ultrafiltración, estos microorganismos crecen y se multiplican, pudiendo obstruir por completo los microporos e incluso el lumen de la fibra hueca.
La presencia de microorganismos es extremadamente perjudicial para las membranas de ultrafiltración de fibra hueca. Eliminar las bacterias y las algas del agua cruda es fundamental. En los proyectos de tratamiento de agua, se suelen añadir oxidantes como NaClO y O3 en concentraciones de 1 a 5 mg/L. También se puede utilizar la esterilización ultravioleta. En el laboratorio, los módulos de membrana de ultrafiltración de fibra hueca se pueden esterilizar haciendo circular una solución acuosa de peróxido de hidrógeno (H2O2) o permanganato de potasio durante 30 a 60 minutos.
El tratamiento microbiano solo puede matar los microorganismos, pero no puede eliminarlos del agua; solo impide su crecimiento.
Reducción de la turbidez del agua de entrada
Cuando el agua contiene sólidos en suspensión, coloides, microorganismos y otras impurezas, produce cierto grado de turbidez. Esta turbidez dificulta el paso de la luz, y este efecto óptico está relacionado con la cantidad, el tamaño y la forma de las impurezas. La turbidez se mide generalmente en grados, donde 1 mg/L de SiO₂ produce 1 grado de turbidez. Un grado más alto indica un mayor contenido de impurezas.
Los requisitos de turbidez del agua varían según el sector. Por ejemplo, para el agua potable, la turbidez no debe superar los 5 grados. Dado que la medición de la turbidez implica hacer pasar luz a través del agua cruda y medir la cantidad, el color y la opacidad de la luz reflejada por las partículas, el tamaño, la cantidad y la forma de estas partículas influyen en la medición. La relación entre la turbidez y los sólidos en suspensión es aleatoria. La turbidez no puede reflejar partículas de tamaño inferior a unos pocos micrómetros.
En el tratamiento con membranas, la microestructura precisa de los filtros de agua atrapa las partículas a nivel molecular e incluso iónico, lo que convierte la turbidez en un indicador impreciso de la calidad del agua. Para predecir la tendencia a la contaminación del agua bruta, se desarrolló la prueba SDI (Self-Containing Dissolved Intake).
El valor SDI se utiliza principalmente para detectar la cantidad de coloides y sólidos en suspensión en el agua, y es un indicador importante de la calidad del afluente del sistema. El valor SDI se determina generalmente utilizando una membrana microporosa de 0,45 μm bajo una presión de flujo de agua constante de 0,21 MPa. Primero, se registra el tiempo t0 necesario para filtrar 500 ml de muestra de agua. Luego, en las mismas condiciones, se hace fluir el agua durante otros 15 minutos y se registra el tiempo t15 necesario para filtrar otros 500 ml de muestra de agua. El valor se calcula utilizando la siguiente fórmula: SDI = (1 - t0/t15) × 100/15. La magnitud del valor SDI en el agua refleja aproximadamente el grado de contaminación coloidal. El agua de pozo tiene un SDI
La tecnología de ultrafiltración es muy eficaz para reducir el Índice de Densidad de Sólidos (IDS). El agua tratada con membranas de ultrafiltración de fibra hueca alcanza un IDS de 0. Sin embargo, cuando el IDS es demasiado alto, especialmente cuando las partículas de mayor tamaño obstruyen gravemente la membrana, es necesario un pretratamiento durante el proceso de ultrafiltración. Este pretratamiento puede realizarse con arena de cuarzo, carbón activado o filtros con múltiples materiales. No existe una fórmula fija para el método de pretratamiento específico, ya que las diferentes fuentes de agua requieren enfoques distintos.
Por ejemplo, para agua del grifo o subterránea con baja turbidez, el uso de un filtro de precisión de 5 a 10 μm (como filtros de panal, de soplado en fusión o de tubería sinterizada de PE) generalmente reduce la turbidez a alrededor de 5. Antes del filtro de precisión, se deben agregar floculantes y utilizar filtros de doble o multicapa. En general, la velocidad de filtración no debe exceder los 10 m/h, siendo ideal entre 7 y 8 m/h. Cuanto menor sea la velocidad de filtración, mejor será la calidad del agua filtrada.
Eliminación de sólidos en suspensión y materia coloidal
Para impurezas con un tamaño de partícula superior a 5 μm, se pueden utilizar filtros con una precisión de filtración de 5 μm. Sin embargo, para partículas finas y coloides de entre 0,3 y 5 μm, las técnicas de filtración convencionales resultan difíciles de aplicar. Si bien la ultrafiltración elimina por completo estas partículas y coloides, es extremadamente perjudicial para las membranas de ultrafiltración de fibra hueca. En particular, las partículas coloidales poseen carga eléctrica y son agregados de moléculas e iones. La estabilidad de los coloides en el agua se debe principalmente a la repulsión mutua entre partículas coloidales con la misma carga.
La adición de una sustancia cargada (floculante) con carga opuesta a la de las partículas coloidales al agua bruta rompe la estabilidad de estas, neutralizándolas y provocando que se agrupen en grandes grumos, que luego pueden eliminarse fácilmente mediante filtración o sedimentación. Entre los floculantes más comunes se encuentran los electrolitos inorgánicos como el sulfato de aluminio, el cloruro de polialuminio, el sulfato ferroso y el cloruro férrico. Los floculantes orgánicos incluyen la poliacrilamida, el poliacrilato de sodio y la poliimida. Gracias a que estos polímeros de alto peso molecular pueden neutralizar la carga superficial de las partículas coloidales, formando enlaces de hidrógeno y creando puentes, la coagulación y la sedimentación se completan rápidamente, lo que resulta en una mejora significativa de la calidad del agua. Por lo tanto, en los últimos años, los floculantes poliméricos han mostrado una tendencia a reemplazar a los floculantes inorgánicos.
Al añadir floculantes, se pueden incorporar coadyuvantes de coagulación, como reguladores de pH (cal y carbonato de sodio), oxidantes (cloro y polvo blanqueador), agentes estabilizadores (fibra soluble en agua) y adsorbentes (poliacrilamida), para mejorar el efecto de coagulación.
Los floculantes suelen prepararse en forma de soluciones acuosas y se añaden mediante bombas dosificadoras, o bien pueden introducirse directamente en el sistema de tratamiento de agua mediante inyectores instalados en la tubería de suministro de agua.
Eliminación de materia orgánica soluble
La materia orgánica soluble no puede eliminarse por completo mediante floculación, sedimentación, filtración multimedia o ultrafiltración. Actualmente, se suelen utilizar métodos de oxidación o adsorción.
(1) Método de oxidación: La oxidación con cloro o hipoclorito de sodio (NaClO) es eficaz para eliminar la materia orgánica soluble. El ozono (O3) y el permanganato de potasio (KMnO4) también son buenos oxidantes, pero su costo es ligeramente mayor.
(2) Método de adsorción: El carbón activado o las resinas de adsorción macroporosas pueden eliminar eficazmente la materia orgánica soluble. Sin embargo, para los alcoholes y fenoles que son difíciles de adsorber, la oxidación sigue siendo necesaria.