Disminución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo

En los procesos de membranas se puede observar un descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo de operación debido a diversos factores, como son el ensuciamiento de las membranas, la concentración por polarización y el aumento del gradiente de presión osmótica entre ambos lados de la membrana.

El ensuciamiento experimentado por las membranas es uno de los principales problemas que dificulta la aplicación de estas tecnologías. Como se ha mencionado, el ensuciamiento reduce el flujo de permeado, disminuyendo la productividad e incrementando los costes de mantenimiento (Cheryan y Alvarez, 1995). Estudiar el ensuciamiento de las membranas es clave a la hora de reducir sus efectos.

El fenómeno de ensuciamiento, también conocido como fouling, está determinado por las interacciones que se producen entre las moléculas que causan el ensuciamiento y la superficie de la membrana. Por tanto, las causas que influyen sobre esta interacción son (Wang et al., 2012):

 Características del efluente a tratar, tales como su composición y su temperatura. A la hora de tener en cuenta las características del efluente, también se deben considerar las interacciones existentes

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entre las distintas moléculas que lo conforman. Estas interacciones se deben a la existencia de fuerzas electrostáticas que generan distintos grados de repulsión entre los diferentes tipos de moléculas. Por tanto, adquiere gran importancia el pH del efluente y las fuerzas de repulsión y atracción entre las moléculas (Fersi et al., 2009).

 Tipo de membrana utilizada, su configuración, sus características y el material que la conforma. Asimismo, las membranas también tienen carga electrostática, por lo que es un parámetro a tener en cuenta.

 Condiciones de operación de los procesos de membrana, tales como la

presión transmembranal (PTM) y la velocidad de flujo tangencial (VFT).

De acuerdo con los modelos de ensuciamiento de Hermia, durante el proceso de ensuciamiento de una membrana porosa, varios mecanismos pueden darse de manera individual o combinada (Hermia, 1982). Dependiendo de estos mecanismos de ensuciamiento se pueden producir las siguientes situaciones (Figura 4.13):

 Ensuciamiento por formación de torta: Si las partículas o moléculas tienen un tamaño mucho mayor que el diámetro de los poros de la membrana. En este caso, se pueden formar depósitos sobre la superficie de la membrana, sin que se produzca penetración en los poros (De Barros et al., 2003).

 Ensuciamiento por bloqueo completo de poros: Si las partículas tienen un tamaño similar al diámetro de poro de la membrana. En este caso, se produce un taponamiento total a la entrada de los poros de la membrana, sin penetrar en ellos y sin formar acumulación de partículas.

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 Ensuciamiento por bloqueo intermedio de poros: Si las partículas tienen un tamaño similar al diámetro de poro de la membrana. Sin embargo, este mecanismo considera que no todas las moléculas o partículas tienden a bloquear los poros de la membrana, pudiendo producirse una deposición de moléculas sobre algunas de las otras moléculas o partículas sedimentadas (R W Field et al., 1995).

 Ensuciamiento por adsorción o bloqueo estándar de poros: Si las partículas tienen un tamaño inferior al diámetro de poro de la membrana. En este caso, las partículas pueden penetrar bloqueando los poros de la membrana en su interior y reduciendo gradualmente su diámetro efectivo. Además, una afinidad química entre la membrana y las partículas favorecerá este tipo de ensuciamiento.

Figura 4.13. Mecanismos de ensuciamiento de una membrana porosa de acuerdo con los modelos de ensuciamiento descritos por Hermia.

Otros fenómenos que también pueden contribuir a la disminución del flujo de permeado con el tiempo son la polarización por concentración y el efecto de la presión osmótica.

El fenómeno de la polarización por concentración consiste en el incremento de la concentración de soluto, que no es capaz de atravesar la membrana, en las inmediaciones de su superficie. Dicho incremento provoca

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un gradiente de concentración entre esta zona y el seno de la disolución. El flujo difusivo generado por dicho gradiente de concentración se opone al flujo convectivo creado por la diferencia de presión transmembranal, comportándose como una resistencia adicional que contribuye a disminuir el flujo de permeado (Figura 4.14). Además, este fenómeno puede contribuir a los mecanismos de ensuciamiento, especialmente a la formación de la capa gel.

Figura 4.14. Proceso de polarización por concentración y formación de capa gel.

El ensuciamiento por formación de capa gel es un fenómeno asociado a la polarización por concentración. Este fenómeno se debe a una acumulación de macromoléculas en forma de red tridimensional sobre la superficie de la membrana que llega a una concentración crítica a partir de la cual se forma un gel. La concentración de partículas en la capa gel varía con la concentración de partículas en el alimento (Figura 4.14) y es constante para unas determinadas condiciones de operación (VFT y PTM). Sin embargo, el aumento de la presión acaba generando la compactación de la capa gel dando lugar a una presión máxima a partir de la cual el flujo de permeado ya no puede seguir aumentando.

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En cuanto al efecto de la presión osmótica, este se produce por la acumulación de moléculas o partículas, que pueden ser orgánicas o inorgánicas, sobre la superficie de la membrana. La diferencia de concentración que existe entre el permeado y el rechazo hace que se genere un gradiente de presión osmótica entre ambos lados de la membrana que se opone al flujo a su través. La presión osmótica es inversamente proporcional al peso molecular del soluto. Por lo tanto, generalmente, este término es muy pequeño en los procesos de MF y UF, por lo que se suele despreciar, siendo más importante en los procesos de NF y OI. Un aumento en el gradiente de presión osmótica (∆π) produce una disminución de la densidad de flujo de permeado de acuerdo con el modelo de Kedem-Spiegler (Spiegler y Kedem, 1966):

Donde  es el coeficiente de reflexión.

En la Figura 4.15, se muestra una curva típica de la evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo para un proceso de membranas.

Figura 4.15. Evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo en un proceso de membranas.

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En la zona (I) se observa, al inicio del proceso, un rápido descenso de la densidad de flujo de permeado. En la zona (II) se observa un descenso gradual que se prolonga durante un tiempo significativamente más largo que la zona (I), hasta alcanzar finalmente un flujo de permeado estacionario que se corresponde con la zona (III).

La zona (II) existe en todos los procesos de ensuciamiento de membranas; mientras que las zonas (I) y (III) puede que en ocasiones no se observen debido a varias razones. Por ejemplo, si la presión transmembranal (PTM) es suficientemente elevada y la concentración del alimento es suficientemente baja, la densidad de flujo de permeado estacionaria sólo puede alcanzarse después de un largo periodo de operación.

A continuación, se explican las causas que provocan la evolución de la densidad de flujo de permeado en cada zona.

Como ya se ha comentado, los poros que tiene la capa activa de la membrana pueden obstruirse parcial o totalmente en función del tamaño de los mismos y del tamaño y forma de las moléculas de soluto, siendo mayor la obstrucción cuanto más similar sea el tamaño de las moléculas de soluto y el de los poros.

El rápido descenso inicial de la densidad de flujo de permeado se debe al taponamiento repentino de los poros de la membrana. Al principio del proceso, la densidad de flujo de permeado es máxima, porque ningún poro de la membrana está obstruido, pero comienza a descender cuando los poros de la membrana empiezan a taponarse por las moléculas de soluto contenidas en la alimentación.

El taponamiento de poros es un proceso mucho más rápido que la formación de capa gel, debido a que para lograr el taponamiento máximo alcanzable basta con tener una capa muy fina de moléculas de soluto sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, la formación de la capa gel en la

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superficie de la membrana sucede con posterioridad a la obstrucción de los poros. Esta capa se va formando conforme aumenta la cantidad de moléculas de soluto retenidas y la resistencia que dicha capa ofrece al paso de permeado aumenta al aumentar su espesor.

La densidad de flujo de permeado en el estado estacionario se alcanzará cuando el espesor de la capa gel adquiere su espesor máximo. Dicho espesor viene determinado por los parámetros de operación y aumenta con la PTM, al haber mayor aporte de moléculas de soluto hacia la membrana.

4.4. Modelos matemáticos de predicción de la densidad de flujo de