Análisis de procesos de membranas de ultrafiltración en aplicaciones de tratamiento de agua (II)

Calidad del suministro de agua Ajuste

【Ajuste de la temperatura del suministro de agua】

La permeabilidad de Membrana de ultrafiltraciónLa permeabilidad está directamente relacionada con la temperatura. Generalmente, la tasa de permeación de los módulos de membrana de ultrafiltración se prueba con agua pura a 25 °C. Esta tasa es directamente proporcional a la temperatura, con un coeficiente de temperatura de aproximadamente 0,02/1 °C. Es decir, por cada grado Celsius de aumento en la temperatura, la tasa de permeación aumenta aproximadamente un 2 %. Por lo tanto, cuando la temperatura del agua de suministro es baja (p. ej.,

【Ajuste del pH del suministro de agua】

Las membranas de ultrafiltración fabricadas con diferentes materiales presentan distintos rangos de pH. Por ejemplo, las membranas de acetato de celulosa son adecuadas para un pH de 4 a 6, mientras que las de PAN y PVDF pueden utilizarse en un rango de pH de 2 a 12. Si el afluente supera este rango, es necesario realizar ajustes. Los reguladores de pH más comunes incluyen ácidos (HCl y H₂SO₄) y álcalis (NaOH). Dado que las sales inorgánicas presentes en la solución pueden permear a través de la membrana de ultrafiltración, no se presentan problemas de polarización de concentración ni de incrustaciones causadas por estas. Por lo tanto, su impacto en la membrana generalmente no se considera durante el proceso de ajuste de la calidad del agua de pretratamiento. El objetivo principal es prevenir la formación de la capa coloidal, la obstrucción y el ensuciamiento de la membrana.

Dominio y ejecución correctos de los parámetros operativos Los parámetros operativos son extremadamente importantes para el funcionamiento estable y a largo plazo del sistema.Sistema de filtraciónEstos parámetros generalmente incluyen: caudal, presión, caída de presión, tasa de descarga del concentrado, índice de recuperación y temperatura.

A.

Caudal: El caudal se refiere a la velocidad lineal de la solución de alimentación (agua de suministro) que fluye sobre la superficie de la membrana. Es un parámetro operativo crucial en los sistemas de ultrafiltración. Un caudal elevado no solo supone un desperdicio de energía y genera una caída de presión excesiva, sino que también acelera la degradación de la resistencia a la rotura de la membrana de ultrafiltración. Por el contrario, un caudal bajo aumenta el espesor de la capa límite formada en la superficie de la membrana, provocando polarización por concentración, lo que afecta tanto al caudal como a la calidad del permeado. El caudal óptimo se determina experimentalmente.

Las membranas de ultrafiltración de fibra hueca, cuando la presión del agua de entrada se mantiene por debajo de 0,2 MPa, presentan una velocidad de flujo de tan solo 0,1 m/s a presión interna, lo que indica un flujo completamente laminar. Las membranas de presión externa pueden alcanzar velocidades de flujo mayores. En el caso de las membranas de ultrafiltración capilar, cuando el diámetro del capilar alcanza los 3 mm, la velocidad de flujo puede incrementarse adecuadamente, lo que resulta beneficioso para reducir la capa límite de concentración.

Cabe destacar dos aspectos: Primero, la velocidad de flujo no puede determinarse arbitrariamente, ya que depende de la presión de entrada y del caudal del líquido de alimentación. Segundo, en el caso de membranas de fibra hueca o capilares, la velocidad de flujo es inconsistente en la entrada. Cuando el caudal del concentrado es el 10 % del caudal del líquido de alimentación, la velocidad de salida es aproximadamente el 10 % de la velocidad de entrada. Además, aumentar la presión incrementa el caudal de permeado, pero contribuye muy poco a aumentar la velocidad de flujo. Por lo tanto, aumentar el diámetro del capilar y, de forma adecuada, el caudal de descarga del concentrado (caudal de recirculación) puede mejorar la velocidad de flujo, especialmente durante los procesos de concentración por ultrafiltración, como la recuperación de pintura electroforética, lo que permite aumentar eficazmente la tasa de ultrafiltración.

Dentro del rango de presión permitido, aumentar el suministro de agua y seleccionar el caudal más alto resulta beneficioso para garantizar el rendimiento de las membranas de ultrafiltración de fibra hueca.

B.

Presión y caída de presión: El rango de presión de operación de las membranas de ultrafiltración de fibra hueca es de 0,1 a 0,6 MPa, que generalmente se refiere a la presión de operación utilizada típicamente para tratar soluciones dentro del dominio definido de ultrafiltración. La separación de sustancias de diferentes pesos moleculares requiere la selección de membranas de ultrafiltración con límites de peso molecular correspondientes, por lo que la presión de operación también variará. Generalmente, para las membranas de fibra hueca de presión interna con carcasas de plástico, la resistencia a la presión de la carcasa es menor a 0,3 MPa, y la resistencia a la presión de la fibra hueca generalmente también es menor a 0,3 MPa. Por lo tanto, la presión de operación debe ser menor a 0,2 MPa, y la diferencia de presión a través de la membrana no debe exceder los 0,1 MPa. Las membranas de ultrafiltración de fibra hueca de presión externa pueden soportar presiones de hasta 0,6 MPa, pero para los módulos de membrana de presión externa con carcasa de plástico, la presión de operación también es de 0,2 MPa. Cabe señalar que, debido a que la membrana de presión interna tiene un diámetro mayor, al utilizarse como membrana de presión externa, se aplana y se corta fácilmente en el punto de unión, lo que provoca daños. Por lo tanto, las membranas de presión interna y externa no son intercambiables.

Cuando se requiere una presión específica para el ultrafiltrado que se utilizará en el siguiente proceso, se debe emplear un módulo de membrana de ultrafiltración con carcasa de acero inoxidable. Este módulo de membrana de fibra hueca puede operar a una presión de 0,6 MPa, suministrando ultrafiltrado a una presión de 30 m de columna de agua, o 0,3 MPa. Sin embargo, la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la membrana de fibra hueca no debe superar los 0,3 MPa.

Al seleccionar la presión de operación, además de considerar la resistencia a la presión de la membrana y la carcasa, es necesario tener en cuenta la compresibilidad y la resistencia al ensuciamiento de la membrana. Una mayor presión resulta en un mayor flujo de permeado, pero también en una mayor acumulación de sustancias atrapadas en la superficie de la membrana, lo que incrementa la resistencia y disminuye la tasa de permeado. Además, las partículas que ingresan a los microporos de la membrana tienen mayor probabilidad de obstruir los canales. En resumen, elegir una presión de operación más baja siempre que sea posible es beneficioso para aprovechar al máximo el rendimiento de la membrana.

La caída de presión de un módulo de membrana de ultrafiltración de fibra hueca se refiere a la diferencia entre la presión en la entrada de alimentación y la presión en la salida del concentrado. Esta caída de presión está estrechamente relacionada con el caudal de agua, el flujo y la descarga del concentrado. En particular, para las membranas de ultrafiltración capilar o de fibra hueca con presión interna, la velocidad del flujo y la presión en la superficie de la membrana varían gradualmente en la dirección del flujo de agua. Cuanto mayor sea el volumen de agua de alimentación, la velocidad del flujo y la descarga del concentrado, mayor será la caída de presión, lo que provoca que la presión en la superficie de la membrana aguas abajo no alcance la presión de operación requerida. Esto afectará la producción total de agua del módulo de membrana. En aplicaciones prácticas, la caída de presión debe controlarse para evitar niveles excesivos. A medida que aumenta el tiempo de operación, la obstrucción incrementa la resistencia al flujo, lo que conlleva una mayor caída de presión. Cuando la caída de presión supera el valor inicial en 0,05 MPa, es necesario limpiar y desatascar el circuito de agua.

DO.

Relación de recuperación y descarga de concentrado: En un sistema de ultrafiltración, la relación de recuperación y la descarga de concentrado son factores que se influyen mutuamente. La relación de recuperación se refiere a la proporción entre el permeado y el agua de suministro, mientras que la descarga de concentrado se refiere a la cantidad de agua descargada antes de la permeación. Dado que el volumen de agua de suministro es igual a la suma de los volúmenes de agua de concentrado y permeado, una descarga de concentrado elevada resulta en una relación de recuperación baja. Para garantizar el funcionamiento normal del sistema de ultrafiltración, se deben especificar la descarga mínima de concentrado y la relación de recuperación máxima del módulo.

En proyectos de tratamiento de agua en general, la tasa de recuperación de los módulos de membrana de ultrafiltración de fibra hueca oscila entre el 50 % y el 90 %. La selección depende de diversos factores, como la composición y el estado de la solución de alimentación, la cantidad de sustancias que se pueden retener, el espesor de la capa de ensuciamiento que se forma en la superficie de la membrana y su impacto en el caudal de permeado. En muchos casos, se puede utilizar una tasa de recuperación menor, devolviendo el concentrado al sistema de alimentación. Esto aumenta el volumen de circulación, reduciendo el espesor de la capa de ensuciamiento y, por lo tanto, mejorando el caudal de permeado, a veces sin aumentar el consumo de energía por unidad de permeado producido.

D.

Temperatura de funcionamiento: 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, por consiguiente, aumentando la tasa de permeado. La temperatura real de la solución de suministro en el lugar de trabajo debe tenerse en cuenta en el diseño de ingeniería.

Especialmente con los cambios estacionales, es importante regular la temperatura cuando esta es demasiado baja; de lo contrario, la tasa de permeación puede variar hasta un 50 % con las fluctuaciones de temperatura. Además, las temperaturas excesivamente altas también afectarán el rendimiento de la membrana. En condiciones normales, la temperatura de trabajo de las membranas de ultrafiltración de fibra hueca debe ser de 25 ± 5 °C. Si se requieren temperaturas más elevadas, se pueden seleccionar materiales de membrana y de carcasa resistentes a altas temperaturas.