Acerca de la UF

Por GK Dhawan, presidente de Applied Membranes, Inc.

La ultrafiltración es un proceso de separación que utiliza membranas con tamaños de poro en el rango de 0,1 a 0,001 micras. Típicamente, la ultrafiltración elimina sustancias de alto peso molecular, materiales coloidales y moléculas poliméricas orgánicas e inorgánicas. Los compuestos orgánicos e iones de bajo peso molecular, como el sodio, el calcio, el cloruro de magnesio y el sulfato, no se eliminan. Debido a que solo se eliminan las especies de alto peso molecular, la diferencia de presión osmótica a través de la superficie de la membrana es insignificante. Por lo tanto, presiones bajas aplicadas son suficientes para lograr altas tasas de flujo de una membrana de ultrafiltración. El flujo de una membrana se define como la cantidad de permeado producido por unidad de área de superficie de la membrana por unidad de tiempo. Generalmente, el flujo se expresa en galones por pie cuadrado por día (GFD) o en metros cúbicos por metro cuadrado por día.

Las membranas de ultrafiltración pueden tener flujos extremadamente altos, pero en la mayoría de las aplicaciones prácticas el flujo varía entre 50 y 200 GFD a una presión de operación de aproximadamente 50 psig; en contraste, las membranas de ósmosis inversa solo producen entre 10 y 30 GFD a 200 a 400 psig.

Ultrafiltro vs. filtro convencional

La ultrafiltración, al igual que la ósmosis inversa, es un proceso de separación por flujo cruzado. En este proceso, la corriente líquida a tratar (alimentación) fluye tangencialmente a lo largo de la superficie de la membrana, generando así dos corrientes. La corriente líquida que atraviesa la membrana se denomina permeado. El tipo y la cantidad de especies que quedan en el permeado dependerán de las características de la membrana, las condiciones de operación y la calidad de la alimentación. La otra corriente líquida se denomina concentrado y se concentra progresivamente en las especies eliminadas por la membrana. Por lo tanto, en la separación por flujo cruzado, la membrana en sí no actúa como un colector de iones, moléculas o coloides, sino simplemente como una barrera para estas especies.

Por otro lado, los filtros convencionales, como los de media filtrante o los de cartucho, solo eliminan los sólidos en suspensión atrapándolos en los poros del medio filtrante. Por lo tanto, estos filtros actúan como depósitos de sólidos en suspensión y deben limpiarse o reemplazarse con frecuencia. Los filtros convencionales se utilizan aguas arriba del sistema de membranas para eliminar sólidos en suspensión relativamente grandes y permitir que la membrana elimine las partículas finas y los sólidos disueltos. En la ultrafiltración, en muchas aplicaciones, no se utilizan prefiltros y los módulos de ultrafiltración concentran todos los materiales en suspensión y emulsionados.

Polarización por concentración

Cuando se utiliza una membrana para una separación, la concentración de cualquier especie que se elimina es mayor cerca de la superficie de la membrana que en la mayor parte de la corriente. Esta condición se conoce como polarización de la concentración y existe en todas las separaciones por ultrafiltración y ósmosis inversa. El resultado de la polarización de la concentración es la formación de una capa límite con una concentración sustancialmente alta de sustancias que son eliminadas por la membrana. El espesor de la capa y su concentración dependen de las condiciones de transferencia de masa existentes en el sistema de membrana. El flujo de la membrana y la velocidad del flujo de alimentación son importantes para controlar el espesor y la concentración en la capa límite. La capa límite impide el flujo de agua a través de la membrana y la alta concentración de especies en la capa límite produce un permeado de calidad inferior. En aplicaciones de ultrafiltración, se mantienen velocidades de fluido relativamente altas a lo largo de la superficie de la membrana para reducir el efecto de polarización de la concentración.

Recuperación

La recuperación de un sistema de ultrafiltración se define como el porcentaje del agua de alimentación que se convierte en permeado, o:

Membranas de ultrafiltración

Los módulos de membrana de ultrafiltración vienen en configuraciones de placa y marco, espiral y tubular. Todas las configuraciones se han utilizado con éxito en diferentes aplicaciones de proceso. Cada configuración es especialmente adecuada para aplicaciones específicas, y existen muchas aplicaciones donde más de una configuración es apropiada. Para agua de alta pureza, generalmente se utilizan configuraciones espiral y capilar. La configuración seleccionada depende del tipo y la concentración del material coloidal o la emulsión. Para soluciones más concentradas, se utilizan configuraciones más abiertas, como la de placa y marco y la tubular. En todas las configuraciones, el diseño óptimo del sistema debe considerar la velocidad del flujo, la caída de presión, el consumo de energía, la contaminación de la membrana y el costo del módulo.

Materiales de membrana

Se han utilizado diversos materiales para las membranas de ultrafiltración comerciales, pero la polisulfona y el acetato de celulosa son los más comunes. Recientemente se han comercializado membranas de ultrafiltración compuestas de película delgada. Para aplicaciones de agua de alta pureza, los materiales del módulo de membrana deben ser compatibles con productos químicos como el peróxido de hidrógeno, que se utilizan para la desinfección periódica de las membranas.

Punto de corte de peso molecular

El tamaño de poro de las membranas de ultrafiltración oscila entre 0,001 y 0,1 micras. Sin embargo, es más habitual clasificar las membranas según el límite de corte de peso molecular. Por ejemplo, una membrana que elimina sólidos disueltos con pesos moleculares de 10 000 o superiores tiene un límite de corte de peso molecular de 10 000. Obviamente, diferentes membranas, incluso con el mismo límite de corte de peso molecular, tendrán una distribución de tamaño de poro diferente. En otras palabras, diferentes membranas pueden eliminar especies de distintos pesos moleculares en distintos grados. No obstante, el límite de corte de peso molecular sirve como guía útil al seleccionar una membrana para una aplicación específica.

Factores que afectan el rendimiento de la ultrafiltración

Existen varios factores que pueden afectar el rendimiento de un sistema de ultrafiltración. A continuación, se presenta una breve descripción de estos. FLUJO A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE DE LA MEMBRANA: El caudal de permeado aumenta con la velocidad del líquido a través de la superficie de la membrana. La velocidad de flujo es especialmente crítica para líquidos que contienen emulsiones o suspensiones. Un mayor caudal también implica un mayor consumo de energía y bombas más grandes. Aumentar la velocidad de flujo también reduce la contaminación de la superficie de la membrana. Generalmente, la velocidad de flujo óptima se alcanza mediante un equilibrio entre la potencia de la bomba y el aumento del caudal de permeado.

Presión de operación

La tasa de permeado es directamente proporcional a la presión aplicada sobre la superficie de la membrana. Sin embargo, debido al aumento de la incrustación y la compactación, las presiones de operación rara vez superan los 100 psig y generalmente rondan los 50 psig. En algunos módulos de membrana de ultrafiltración de tipo capilar, las presiones de operación son incluso inferiores debido a la limitación de resistencia física impuesta por el módulo de membrana.

Temperatura de funcionamiento

Las tasas de permeado aumentan con el aumento de la temperatura. Sin embargo, la temperatura generalmente no es una variable controlada. Es importante conocer el efecto de la temperatura en el flujo de la membrana para distinguir entre una disminución del permeado debida a una disminución de la temperatura y el efecto de otros parámetros.

Rendimiento de los sistemas de ultrafiltración

En los sistemas de agua de alta pureza, la ultrafiltración está reemplazando gradualmente a los filtros de cartucho tradicionales de 0,2 micras. En Japón, prácticamente toda la industria de semiconductores sigue esta práctica. Una membrana de ultrafiltración con un límite de peso molecular de 10 000 tiene un tamaño de poro nominal de 0,003 micras. Al utilizar una membrana de ultrafiltración en lugar de un filtro de cartucho de 0,2 micras, la eficiencia de eliminación de partículas mejora considerablemente. Además, las membranas de ultrafiltración no son susceptibles al crecimiento bacteriano, como ocurre con los filtros de 0,2 micras. En un estudio reciente (1), se comparó el rendimiento de un ultrafiltro con el de un filtro de cartucho de 0,2 micras. Algunos de estos resultados se presentan en la Tabla A. El ultrafiltro utilizado en el estudio tenía un límite de peso molecular de 100 000 (tamaño de poro de 0,006 micras). A medida que los requisitos de calidad del agua de alta pureza se vuelven más estrictos, es previsible un aumento en el uso de la ultrafiltración como filtro final.

Tabla A - Efectividad del conteo de partículas de ultrafiltración en aguas

*La plomería después de UF no se actualizó

Operación y mantenimiento de sistemas de UF

El funcionamiento y el mantenimiento de los sistemas de ultrafiltración son similares a los de los sistemas de ósmosis inversa. Se deben registrar diariamente el caudal de alimentación y permeado, la presión y temperatura de alimentación, y la caída de presión en todo el sistema. Las membranas deben limpiarse cuando el caudal de permeado del sistema disminuya en un 10 % o más. El caudal de alimentación es fundamental para el funcionamiento de los sistemas de ultrafiltración. Una disminución del caudal de alimentación puede deberse a un problema en el prefiltro (si lo hay), en la válvula de control de caudal o en la propia bomba. Cuando el sistema permanece apagado durante más de dos días, se debe hacer circular un bactericida por las membranas. Al reiniciar, el permeado debe desviarse al drenaje hasta que se haya eliminado todo el bactericida.

Conclusiones

La ultrafiltración se aplicará cada vez más en la producción de agua de alta pureza. Los principios básicos que se describen aquí ayudarán a comprender y utilizar esta tecnología.

Referencia:

¹ Gaudet, PW "Ultrafiltración de agua desionizada en el punto de uso y efectos en la calidad de los dispositivos microelectrónicos, Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales", 1984.

Glosario de términos

• Alimentación - Líquido a tratar por el sistema de ultrafiltración.
• Permeado: Corriente líquida que pasa a través de la membrana.
• Concentrado - Porción restante de la corriente líquida después de que se ha filtrado el permeado.
• Recuperación: Expresada como porcentaje, define la tasa de permeado como una fracción de la tasa de alimentación. La recuperación proporciona una medición inmediata de las concentraciones máximas en el sistema y afecta la calidad del permeado, el tamaño de la bomba, el consumo de energía y la contaminación de la membrana.
• Flujo: flujo de permeado por unidad de área de membrana por unidad de tiempo (galones/pie²/día)
• Rechazo: Porcentaje de eliminación de una especie específica por la membrana. Se expresa como 1-CP CF, donde CP es la concentración en el permeado y CF es la concentración en la alimentación.
• Velocidad de flujo: velocidad a la que el líquido pasa a lo largo de la superficie de la membrana, expresada en longitud por unidad de tiempo (pies/seg).