¿Qué son las membranas y cuántos tipos hay?

Los sistemas de tratamiento de aguas residuales son fundamentales para hacer frente a los retos que rodean la escasez de agua en el contexto actual de cambio climático.

1 . ¿Qué es una membrana?

Una membrana puede definirse como una película delgada que separa dos fases y que actúa como una barrera selectiva al transporte de materia.

Así, la tecnología de membranas es el término genérico con el que se engloba una serie de procesos de separación diferentes, pero que tienen en común el uso de una membrana que actúa como filtro específico, dejando pasar unos componentes mientras retiene otros.

2 . Funcionamiento de una membrana

Para que una membrana funcione y la separación pueda llevarse a cabo, la membrana debe ser sensible a una o varias propiedades moleculares o físico-químicas de los componentes. No obstante, todos los procesos de membranas cuentan con una corriente de alimentación, dividida en dos partes:

• El permeado: fluido que ha pasado a través de la membrana.
• El rechazo o concentrado: fluido en el que se recogen todas las sustancias que no atraviesan la membrana.

3 . Tipos de membranas

Si bien no existe una única clasificación de los distintos tipos de membrana, sí existen distintos tipos de criterios para poder clasificarlas, lo que ayuda a comprender mejor el funcionamiento de los procesos de membranas para el tratamiento de agua.

Según su naturaleza:

• Membranas naturales:
  
  • Biológicas.
  • No biológicas.
• Membranas sintéticas:
  
  • Inorgánicas: metálicas o cerámicas.
  • Poliméricas.
  • Líquidas: de volumen, emulsión.
  • Compuestas: por capas, por inclusión o por mezcla de polímeros.

Según su estructura:

• Estructura microscópica:
  
  • Según su porosidad:
    • Porosas: muy similar en estructura y función a un filtro convencional. Tiene una estructura rígida y muy ligera, una distribución aleatoria y poros interconectados. La separación es principalmente en función del tamaño molecular y la distribución de tamaño de poro. La fuerza impulsora responsable del flujo de permeado es una diferencia de presión. Se utilizan habitualmente en microfiltración y ultrafiltración.
    • Densas/no porosas: Estructuras sin poros que están formadas por una película densa a través de la que las sustancias permeantes son transportadas por difusión bajo un gradiente de presión, concentración o eléctrico. Los procesos que utilizan este tipo de membranas son la ósmosis inversa y la nanofiltración.
  • Según su configuración:
    • Simétricas: muestran una composición y estructura física uniformes en el corte transversal y se caracterizan porque presentan la misma resistencia al flujo a lo largo de toda la membrana. Este tipo de membrana puede ser porosa, densa y cargada eléctricamente (esta se usa en electrodiálisis).
    • Asimétricas (o anisotrópicas): constituidas por estructuras laminares o tubulares donde el tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo de su espesor. La ventaja principal es que se obtienen mayores flujos.
• Estructura macroscópica (o configuración de membranas): se refiere a la geometría de la membrana y su posición en el espacio en relación con el flujo del fluido de alimentación y del permeado.
  
  • Laminares o de lámina plana: se colocan en capas horizontales, en placas similares a un filtro prensa, separadas por espaciadores permeables que dirigen el flujo. Presentan una baja relación superficie/volumen de filtrado. Se requiere una filtración preliminar para eliminar los sólidos en suspensión y la membrana debe estar sujeta.

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• Tubulares: se colocan en el interior de carcasas cilíndricas que actúan como soporte y que contienen un número variable de membranas. Estos módulos no requieren filtración previa y pueden regenerarse químicamente, mecánicamente o con agua a presión.

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• De arrollamiento en espiral: consiste en enrollar un conjunto de membranas planas separadas entre sí por capas de tejidos de distinta naturaleza que funcionan como transportadores y generadores de turbulencia de las disoluciones de alimentación y permeado. Consigue aumentar la superficie de trabajo y reducir el coste energético, pero son más difíciles de limpiar. Es la más establecida en plantas desaladoras de ósmosis inversa.

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• De fibras huecas: consiste en una unidad integrada en la que fibras, muy delgadas, se insertan por ambos extremos de un soporte. Son muy sensibles al ensuciamiento y que la manipulación de los haces de fibras resulta muy delicada.

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4 . Características de la configuración de membranas

Las propiedades ideales de las configuraciones de membrana de tratamiento de agua son:

• Compacidad.
• Baja resistencia al flujo tangencial.
• Distribución uniforme de la velocidad sin regiones muertas.
• Alto grado de turbulencia del lado retenido para minimizar el ensuciamiento y ayudar a la transferencia de masa.
• Fácil limpieza y mantenimiento.
• Bajo costo unitario.

5 . Procesos de membranas para el tratamiento de aguas residuales

Los procesos de membranas más utilizados en la actualidad son:

• Electrodiálisis (ED): la fuerza impulsora no es la presión, sino una diferencia de potencial eléctrico. Las membranas deben llevar grupo deben llevar grupos cargados, aniónicos o catiónicos (nunca de ambos), distribuidos uniformemente o no dentro de su estructura.
• Microfiltración (MF): se basa en el principio de la filtración clásica. Se puede realizar en línea y tangencialmente. La primera tiene altos costes de operación, pero bajos de
• inmovilizado, y viceversa. Son aplicables para eliminar partículas coloidales y
• macromoléculas.
• Nanofiltración (NF): 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. Las membranas son de estructura microporosa y pueden retener partículas con un tamaño de 0,1 nm-0,001 µm.
• Ósmosis Inversa (OI): retiene prácticamente todas las moléculas más pequeñas de partículas y sales. La separación se produce por las diferentes solubilidades y difusividades que tienen en la membrana los componentes de la solución acuosa.
• Ultrafiltración (UF): 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.