CTM – TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS
Los procesos de membranas son una tecnología emergente que está siendo cada vez más
importante en nuestra sociedad.
Después de más de 60 años de rápido crecimiento y desarrollo, podemos encontrar la tecnología de
membranas en numerosas aplicaciones industriales, como por ejemplo:
Purificación del agua
Desalación de agua marina y salobre
Recuperación de aguas residuales
Procesos industriales del campo de la alimentación y bebidas
Separación de gases y vapores
Conversión y almacenaje de energía
En la Fundació CTM Centre Tecnològic, se han desarrollado varios métodos para el estudio de la
tecnología de membranas para poder ofrecer al cliente un amplio conocimiento en el campo y poder
resolver satisfactoriamente sus dudas y problemas.
LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
1. Estudio de membranas planas de Nanofiltración y Osmosis Inversa:
Celda SEPA CFII (GE Osmonics)
Aplicaciones:
- Estudios comparativos de distintas membranas con el objetivo de seleccionar la
membrana más adecuada para una aplicación concreta.
- Variación y estudio de las principales condiciones de operación de los procesos de
membranas: presión, velocidad lineal y permeabilidad.
- Estudio del rechazo de cualquier ion inorgánico y/o moléculas orgánicas.
- Filtración de muestras reales y sintéticas. Comparación del rendimiento de las
membranas con distintas disoluciones de alimentación.
-Estudio del ensuciamiento de las membranas; fouling inorgánico y fouling orgánico.
-Diseño de procesos a escala real
2. Estudio de membranas de Intercambio iónico:
Celda PCCell ED 64002 (opción de EDR)
Aplicaciones:
- Caracterización de membranas de intercambio iónico: medidas de
selectividad, permselectividad y de resistencia eléctrica.
- Estudio del rendimiento de las membranas a distintas condiciones de operación.
-Filtración de muestras reales y sintéticas. Comparación del rendimiento de las membranas
con distintas disoluciones de alimentación.
-Escalado y diseño del proceso
LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
ENSAYO DE MEMBRANAS DE OSMOSIS
INVERSA I NANOFILTRACIÓN
ENSAYO DE MEMBRANAS DE
INTERCAMBIO IÓNICO
P
Celda plana
Baño termoregulador
pH y conductividad
Muestras
Agua problema
3. Estudio membranas de microfiltración y ultrafiltración:
Mecanizado de las celdas experimentales adecuadas según cada aplicación.
Aplicaciones:
- Estudio de la capacidad de depuración de aguas provenientes de un tratamiento
secundario
- Evaluación de las calidad del agua filtrada para su posible reutilización
- Evaluación de la necesidad de UF como pretratamientos para sistemas de NF y/o OI
- Disminución del fouling orgánico y biológico modificando la superficie de las membranas
LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
QUF
QUF
CAPACIDADES PLANTA PILOTO:
Versatilidad: estudio de membranas de UF, NF (4”) y OI (4”)
Comparación simultanea de membranas comerciales
Autómata y SCADA para su control y monitorización
Evaluación de las limpiezas y dosificaciones químicas
Toma de muestras para el agua de entrada, filtrada y concentrada en los distintos puntos
Aplicación de distintas condiciones operacionales para estudiar el rendimiento del proceso
air
HClO NaOH acid
acid Na2SO4 antiscalant
BackwashTank
UF Tank
Intermediate Tank Pump Stage 2
Pumps Stage 1
Sand-Filteredwater Tank UF Pump
BackwashPump
UF TankUF
membrane
waste
Concentrate
Permeate
Cartridgefilters
F
F
F
F
F
F
F Flowmeter
Pressure gauge
Valve
Stage 1.2
Stage 1.1
Stage 2
NFmembranes
1. Ultrafiltración como pretratamiento opcional
2. Limpieza de la UF
3. Addición productos químicos
4. Nanofiltración o Osmosis Inversa 4”
PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
1. Estudio de los módulos de membranas de UF
Aplicaciones:
-Evaluación de la productividad de las membranas de UF:
* Disminución del caudal o flujo transmembrana
* Aumento de la Presión de entrada
- Eficacia de las limpiezas con aire i químicas a contracorriente y su frecuencia optima
- Necesidad de la UF como pretratamiento de la NF o de la OI para aguas de calidad variable
- Calidad del agua UF: parámetros químicos, físicos y biológicos
- Depuración de agua residual con elevada coloración, contenido orgánico y microbiológico
- Estudios para la reutilización de aguas
PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
2. Estudio de los módulos en espiral
Aplicaciones:
- Comparación de distintas membranas comerciales en las mismas condiciones
operacionales en función de su rendimiento:
* Productividad
* Resistencia al ensuciamiento durante el proceso de filtración
* Eficacia de la limpiezas
* Evaluación de la calidad del agua permeada
- Necesidad y tipo de pretratamiento en función de la calidad de agua
- Escalado desde nivel de laboratorio a planta real (planta piloto con dos etapas)
- Evaluación del proceso por etapas y por vasos presurizados (PV) de dos módulos en espiral
CALIDAD
DEL AGUA
DE ENTRADA
PRETRATAMIENTO ?
PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
Para poder disminuir el
FOULING en los procesos
de membranas
Condiciones de operación óptimas
Pretratamiento adecuado
Limpiezas adecuadas
Es necesario conocer el tipo de fouling que se producirá y su origen
REALIZACIÓN DE UNA AUTOPSIA
ETAPAS BASICAS
Selección del módulo de membrana
Inspección visual externa
Inspección visual interna
Toma de muestras
Pruebas de caracterización del fouling
ETAPA 1. SELECCIÓN DEL MÓDULO
En función de la posición en la que se
encuentre el módulo, va a ser más probable
encontrar un tipo u otro de fouling.
ETAPA 2. INSPECCIÓN VISUAL
EXTERNA
INTERNA
Integridad física del elemento
Estado de la entrada i la salida
Existencia de fisuras
Existencia de efecto telescopio
Integridad de las hojas de
membrana, feed spacers i
permeate carriers
Estudio del tipo de fouling y su
distribución
EFECTO TELESCOPIO
BARRA ESPECIAL PARA REALIZAR AUTOPSIAS
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
1 2 3
4 5 6
7 8 9
ETAPA 3. TOMA DE MUESTRA
La membrana se divide en nueve partes para
poder estudiar bien la distribución del fouling.
Es muy importante coger la muestra con un
bisturí estéril y cogerla siempre con pinzas.
ETAPA 4. ANÁLISIS
En CTM, se han puesto a punto varias técnicas de análisis para la realización de autopsias:
RECUENTO DE MICROORGANISMOS HETERÓTROFOS
DYE TEST
TEST DE FUJIWARA
EXPERIMENTOS DE RECHAZO
SEM-EDX
ATR-FTIR
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
RECUENTO DE MICROORGANISMOS HETERÓTROFOS
Los microorganismos heterótrofos son aquellos que se alimentan de materia
orgánica, y son presentes a la mayoría de aguas residuales.
Para su análisis, se realiza un recuento en placa utilizando el Agar R2A como medio de
cultivo.
Un análisis de microorganismos heterótrofos positivo, indicará la presencia de materia
orgánica en el depósito analizado.
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
DYE TEST
Soporte de una membrana nueva está limpio
Soporte de una membrana dañada está teñido de colorante
El Dye Test permite comprobar si una membrana ha perdido su capacidad de filtración.
Utilizando el sistema de filtración para membranas planas, se filtra una disolución de
colorante a una concentración del 0.1%. Si la membrana está en buenas condiciones, el
colorante no debería pasar la membrana, de modo que en el soporte quedará limpio.
Por otra parte, si la membrana está dañada, las moléculas de colorante van a pasar por
la membrana y el soporte quedará teñido.
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
TEST DE FUJIWARA
El test de Fujiwara permite saber si la membrana ha sido oxidada debido al contacto
con compuestos halógenos.
Para la realización del test de Fujiwara, se pone un trozo de membrana en una solución
de piridina i NaOH. Si la capa orgánica se vuelve de color rojizo, indica que el test ha
dado positivo.
Test de Fujiwara negativo:
la membrana no está oxidada
Test de Fujiwara positivo:
la membrana está oxidada
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
EXPERIMENTOS DE RECHAZO
A escala de laboratorio Celda para membranas
planas
A escala de planta piloto Módulos en espiral de 4”
ANÁLISIS SEM - EDX
ANÁLISIS ATR - FTIR
Permite obtener imágenes de elevada resolución de la superficie de las membranas a partir de un
haz de electrones de alta energía.
El SEM puede ir incorporado con un analizador de energía dispersiva de rayos X (EDX) que permite
realizar un análisis de los elementos presentes a la superficie de la muestra.
De ese modo, mediante el análisis de SEM-EDX se puede visualizar y determinar la composición
atómica del ensuciamiento y diseñar medidas paliativas.
Comparando las bandas de absorción presentes en los espectros de infrarojo de una membrana
limpia y una membrana sucia, se puede obtener información de la química de los depósitos
formados.
AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)
La Microscopia de Fuerza Atómica se utiliza para la determinación de la
rugosidad de la superficie de las membranas. El parámetro de la
rugosidad, es útil porque está relacionado con el ensuciamiento de las
membranas. Como más rugosa es una membrana, más tendencia tendrá a
ensuciarse.Otro parámetro que se puede determinar a partir de los resultados de AFM es
el diámetro de poro de una membrana.
Se dispone de dos AFM:
- AFM Multimode: scans de 10x10 micras aprox.
- AFM Dimension (Nanoman). scans de hasta 100x100 micras aprox.
MEDIDAS DE POTENCIAL ZETA
La carga superficial tiene una gran influencia en el rechazo i el ensuciamiento de una membrana. Un
parámetro clave para la descripción de la carga superficial de una membrana es el potencial zeta.
Mediante las medidas de potencial zeta se va a poder determinar si una membrana está cargada
negativamente o positivamente en función del pH de la disolución. Además, se va a poder conocer
cual es el punto isoeléctrico de la membrana, pH en el que la membrana tiene carga neutra.
Se dispone del Analizador Electrocinético SurPASS de Anton Paar, que permite medir el potencial
zeta de una superficie mediante medidas de corriente tangencial a la membrana.
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 6 8 10
po
ten
cial
ze
ta (
mV
)
pH
0.01M
0.03 M
0.05M
0.1M
SEM – EDX
La microscopia electrónica de barrido (SEM), permite obtener imágenes de
elevada resolución de las superficies de las membranas.
Mediante el análisis de Energía Dispersiva de Rayos X, se puede determinar la
composición atómica de la superficie analizada.
En CTM se dispone del SEM ZEISS UltraPlus, equipado con un compensador
de carga que hace que se puedan obtener buenas imágenes de muestras no
conductoras, como es el caso de las membranas.
ATR – FTIR
La técnica de ATR-FTIR permite caracterizar los principales
grupos funcionales presentes en la superficie de la membrana.
Es una técnica muy útil cuando una membrana se ha
ensuciado, ya que se puede predecir la naturaleza química del
fouling.
En CTM se dispone del Espectrofotómetro Infra Rojo Perkin
Elmer Spectrum BX, juntamente con el accesorio HATR para el
análisis de muestras sólidas.
Bandas de Absorción Longitudes de onda (cm-1)
Hidroxilo 3000-3400
Carbonos alifáticos 2900
Ácidos carboxílicos 1725
Carboxilatos, carbonilo i amida I 1600-1660
Amida II 1550
Carboxilatos 1400
Bandas de absorción de interés en las membranas:
AGUAS POTABLES AGUAS RESIDUALES
CAPACIDADES ANALÍTICAS
PREOXIDACIÓN
PRETRATAMIENTO
MEMBRANAS DE NF O OI
PRIMARIO
SECUNDARIO
TERCIARIO
APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS ANALÍTICAS EN AGUAS
OTRAS MUESTRAS
MUESTRAS SINTÉTICAS
RESIDUOS LÍQUIDOS
TOMA DE MUESTRA EN LAS DISTINTAS
ETAPAS
ANÁLISIS
- Cationes y aniones por Cromatografía Iónica (IC):
DIONEX ICS-2000
- Carbono orgánico e inorgánico (TOC, NPOC y TIC)
Nitrógeno Total (NT)
Analytikjena Multi N/C 3100
- Metales (ICP-MS, ICP-OES y por Absorción atómica):
Agilent Technologies 7500CX
Thermo Fischer Scientific ICAP 6300MCF DUO
AA Schimadzu AA-6200
- Compuestos volátiles y semivolátiles por cromatografía de gases (GC-MS y GC-ECD)
Inyector Head Space HS Agilent Technologies 7694E SERIES PLUS –
GC Agilent Technologies 7890A
Detectores: - MS Agilent Technologies 5975C
- ECD Agilent Technologies G2397-65505
CAPACIDADES ANALÍTICAS
Determinación de Parámetros Químicos
Capacidad de separación de las membranas para componentes específicos:
i. Caracterización inicial de aguas y disoluciones problema
ii. Estudio del rechazo de membranas para distintas disoluciones/aguas problema
- Otros compuestos orgánicos a estudiar según el caso (HPLC)HPLC Agilent Technologies 1100
- Equipo analizador de orgánicos halogenados adsorbibles (AOX)Euroglass ECS 1200
- Caracterización de compuestos orgánicos (espectrometría infraroja IR)IR Perkin Elmer Spectrum Bx
- Determinación de compuestos y metales por colorimetría (Espectofotómetro UV-VIS)UV-VIS Schimadzu UV-2540
- Determinación de compuestos despositados en superfícies por termogravimetría (TGA)Mettler Toledo 91.0000.61 Stare System + GC-MS
- Determinación de elementos despositados en superfícies por Espectroscopía de Escaneo Electrónicoacoplado a un detector de Dispersión de Energía de Rayos X (SEM- EDX)
SEM ZEISS Ultraplus
Determinación de Parámetros Químicos
CAPACIDADES ANALÍTICAS
- pH - AFM
- Conductividad - Potencial Z
- Potencial REDOX - SEM-EDX
- SDI/MFI - ATR-FIR
- Alcalinidad
- Turbidez
- Color
- Materias en suspensión y sólidos volátiles
- Sólidos totales disueltos
- Granulometrías
Determinación de Parámetros físico-químicos
CAPACIDADES ANALÍTICAS
i. Caracterización inicial de aguas y disoluciones problema
ii. Estudio del rechazo de membranas para distintas disoluciones/aguas problema
Control on-line del proceso
Caracterización de membranas
- Microorganismos heterotrofos totales
recuento en placamediante cultivos comerciales
- Respirometrías para la determinación de actividades aerobeas y anaerobeas
Surcis S.L. 12.0100.00
- Recuento microorganismos específicos mediante PCR cuantitativa: a estudiar según especie de
microorganismo.
Agilent Technologies Stratogene MX3000P
- Estudio de la diversidad microbiológica mediante PCR-DGGE
Agilent Technologies Stratogene MX3000P
- Observación al microscopio de lodos activos
ZEISS AXIOSTAR PLUS
- Observación de contaminaciones microbiológicas sobre superfícies mediante Espectroscopía de
Escaneo Electrónico (SEM)
SEM ZEISS Ultraplus
Determinación de Parámetros biológicos
CAPACIDADES ANALÍTICAS
i. Caracterización de fouling biológico
ii. Evaluación de la tecnología de membranas para la desinfección de aguas
iii. Detección de contaminaciones microbiológicas dentro del un proceso