Evaluación del impacto del ensuciamiento en membranas de

EVALUACION DEL IMPACTO DEL ENSUCIAMIENTO EN MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA.
F. del Vigo, N. Peña. Genesys Membrane Products S.L. España.
J. Sepúlveda. Genesys Latinoamérica Ltda. Chile.
Ponente y persona de contacto: Fernando del Vigo, Genesys Membrane Products SL,
C/ Londres 38, 28232, Madrid, España. e-mail: [email protected]
ABSTRACT
El ensuciamiento de las plantas de ósmosis inversa es descrito como una formación indeseable de depósitos
orgánicos en la superficie de las membranas, considerándose el principal problema en la mayoría de plantas
de agua salobre, de mar o de recuperación de aguas residuales.
En función de la naturaleza de la incrustación o depósito, el proceso de ensuciamiento conducirá a una
reducción el los caudales de producción, incremento en las presiones de operación necesarias y/o presiones
diferenciales, así como aumento en el paso de sales. En algunos casos puede ocurrir un daño irreversible en el
rechazo de sales de la poliamida. Este ensuciamiento siempre afectará de forma negativa a la eficiencia de la
instalación y como resultado tendremos un incremento en los costes de operación y consumo energético.
A pesar de las muchas investigaciones realizadas en éste campo, los procesos de ensuciamiento de las
membranas son unos procesos extremadamente complejos y a día de hoy no totalmente comprendidos.
Históricamente los principales estudios de investigación realizados sobre tecnología de membranas se han
dedicado a entender el mecanismo de ensuciamiento mediante experimentos que comparan los efectos de
distintas variables frente a un contaminante específico (materia orgánica, coloidal, etc.). Están publicados sólo
un pequeño número de trabajos referente al ensuciamiento de las membranas de plantas reales, considerando
el aporte de múltiples contaminantes.
Este documento presenta y analiza resultados de más de 500 autopsias de membranas realizas durante la
última década en los laboratorios de Genesys Membrane Products S.L. Se utiliza un análisis estadístico con el
fin de establecer relaciones entre diferentes tipos de contaminantes y los factores que afectan los procesos de
formación de depósitos. En particular se analiza el posicionamiento de la membrana, tipo de agua de
alimentación y diferentes tipos de ensuciamiento. Los autores reportan el efecto del ensuciamiento sobre las
propiedades de las membranas y resultados del procedimiento de autopsia. Se recomienda el uso de ésta
técnica para obtener datos claves que permitan mejorar el funcionamiento de las instalaciones.
1
1. INTRODUCCIÓN
La osmosis inversa (OI) es, actualmente, una de las tecnologías de desalación más extendidas que, además,
también se ha convertido en una tecnología perfectamente viable para la recuperación de aguas residuales (1).
El interés comercial en la tecnología de OI está aumentando a nivel mundial debido a las continuas mejoras
que conllevan una reducción significativa de costes. Estos avances incluyen principalmente el desarrollo de las
propiedades de las membranas, diseño de los elementos y del proceso, dispositivos de recuperación de
energía y estrategias de operación enfocadas a la reducción del consumo de energía. Sin embargo, el
ensuciamiento de las membranas de OI es todavía considerado como uno de los principales retos para
conseguir una operación eficiente de las instalaciones de OI, incluyendo plantas desalinizadoras de agua de
mar, agua salobre, aguas de proceso y plantas de tratamientos terciarios o reutilización de aguas residuales
(1,2, 3). La principal consecuencia de los procesos de ensuciamiento de las membranas, es un aumento en los
costes de operación, principalmente relacionados con el aumento de demanda de energía, labores de
mantenimiento adicionales, limpiezas químicas y reducción del tiempo de vida de las membranas (4). Por esta
razón, son continuos los esfuerzos que se llevan a cabo en el desarrollo de nuevas membranas,
fundamentalmente en cuanto a la resistencia a procesos de ensuciamiento (5).
El ensuciamiento puede definirse como una formación indeseable de depósitos en una superficie. Desde un
punto de vista práctico, el ensuciamiento en este tipo de sistemas es una acumulación de materiales extraños
procedentes del agua de alimentación, en la superficie activa de la membrana y/o del material espaciador hasta
el punto de causar problemas de operación (6). Aunque esta descripción no es muy ortodoxa, explica
claramente lo importante que es conocer como los diferentes componentes que coexisten en el agua, pueden
afectar el funcionamiento de las membranas de OI.
Existen diferentes clasificaciones de los distintos tipos de ensuciamiento, fundamentalmente basadas en su
naturaleza química. Las más simples establecen simplemente dos categorías principales: ensuciamiento
biótico y abiótico (7) y las más complejas llegan a tener en cuenta otros procesos adicionales al propio
ensuciamiento (8). La clasificación más común, se basa en cuatro categorías principales: biológica, orgánica,
inorgánica y materia/partículas coloidales (9), aunque dependiendo del alcance del estudio, se pueden llegar a
establecer otras subcategorías.
Los diferentes tipos de ensuciamiento que pueden afectar los sistemas de OI, son bien conocidos (10):
- Ensuciamiento biológico: Una biopelícula se describe como un agregado bacteriano unido a una
superficie, la estructura de la biopelícula incluye una matriz de sustancias poliméricas extracelulares
(SPE) producidas por bacterias. Estas SPE están compuestas por polisacáridos, proteínas y ácidos
nucleicos que juegan un papel fundamental en la formación de la biopelícula y su comportamiento,
alteración de la porosidad, densidad, contenido en agua, carga y propiedades de sorción (11).
- Partículas/materia coloidal: La deposición de materia coloidal en la superficie de las membranas es una
consecuencia de un pretratamiento deficiente. La naturaleza más común de estos coloides es de
aluminosilicatos (arcillas), que son subproductos de rocas erosionadas y son omnipresentes en las
aguas de todo el mundo (12). También se pueden encontrar otros componentes, como sílice coloidal.
- Ensuciamiento inorgánico/incrustación: La principal causa de una incrustación es por supersaturación.
Cuando se excede la solubilidad de una sal, esta precipita y forma una incrustación, produciendo
cristales sólidos directamente en la superficie de la membrana. Una vez que se forman zonas activas
en la superficie de la membrana, se originan núcleos de precipitación que hacen que la precipitación
sea incluso mayor (13).
- Ensuciamiento orgánico: Las sustancias de alto peso molecular y cadenas lineales como los ácidos
húmicos y fúlvicos, son un ensuciamiento común en el tratamiento de aguas superficiales. Estos
ensuciamientos orgánicos, suelen cegar secciones de la membrana y el agua no puede permear. Por
otro lado, los compuestos orgánicos proporcionan nutrientes, que mantienen las poblaciones
microbianas (14).
2
-
Metales: Los elementos como hierro y manganeso pueden oxidarse desde una forma soluble a una
forma insoluble y precipitar en la membrana. Aunque podrían incluirse en la categoría de
ensuciamiento inorgánico, su origen está más relacionado con problemas prácticos de operación. El
hierro y el aluminio pueden ser un problema cuando se utilizan coagulantes basados en estos metales
para el pretratamiento del agua. Ambos el cloruro férrico y aluminio se sobredosifican y pueden dar
lugar a post-precipitaciones y ensuciar la membrana como un sólido en suspensión (14).
Una autopsia de membrana puede considerarse como la principal herramienta para identificar la naturaleza de
un ensuciamiento de membrana y determinar la causa de los fallos que presente un elemento de OI. El
siguiente diagrama muestra las diferentes etapas y técnicas analíticas que suelen realizarse en un proceso de
autopsia y que ya están extensamente explicados en publicaciones anteriores (12).
Tests integridad:
- Test azul de metileno
- Test Fujiwara / ATR-FTIR/XPS-ESCA
- Methylene blue test
Inspección
externa
Inspección
interna
Test caracterización (célula de flujo):
- Permeate flow rate
- Salt rejection
Análisis membrana / ensuciamiento:
- SEM-EDX
- FRX
- AFM
- ATR-FTIR
- DRX
- LC-OCD
Diagrama 1.- Descripción esquemática de los principales análisis realizados en las autopsias de membrana.
Una autopsia de membrana es una técnica desctructiva que implica elevados costes relacionados tanto con el
trabajo analítico, como con la sustitución de una membrana en la planta. En la mayoría de los casos, las
autopsias de membrana se utilizan como la última opción para resolver los problemas que se detectan en las
instalaciones. Normalmente, las autopsias se utilizan cuando hay problemas severos relacionados con la
disminución del caudal de permeado, una mala retención de sales o aumentos de presión diferencial, que no
se pueden solucionar por remedios convencionales.
De todas formas, algunas autopsias se realizan también para monitorizar el funcionamiento de una planta, para
optimizar los procedimientos de limpieza o evaluar pilotajes, principalmente en proyectos de desalinización de
gran escala. Mediante estos procesos de análisis se obtienen evaluaciones realmente objetivas sobre las
prácticas de operación y las condiciones en las que se encuentran las membranas.
Este trabajo incluye datos obtenidos en 500 autopsias, por lo que es una fuente muy valiosa de información de
datos reales y objetivos. Aunque ya hay publicaciones que recopilan resultados de autopsias (12, 15), este
trabajo incluye datos de un número de estudios tan elevado, que puede considerarse una base de datos real
sobre los tipos de ensuciamiento más importantes y los fallos más comunes que se dan en las plantas de OI en
todo el mundo.
3
2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las principales causas de los fallos de las membranas de ósmosis, pueden clasificarse en tres categorías:
ensuciamiento, daño físico/abrasión y daño químico, en el que se incluyen procesos de oxidación. Como ya se
ha explicado anteriormente, el ensuciamiento es considerado tanto por los operadores de plantas de OI, como
por investigadores, como una de las principales razones por las que las membranas presentan fallos y
desviaciones en su funcionamiento. Los datos obtenidos a partir de las 500 autopsias realizadas en los
laboratorios de Genesys, indican que los procesos severos de ensuciamiento pueden considerarse como la
principal causa de los fallos de operación en casi el 60 % de los casos (ver figura 1). Por otro lado, los daños
físicos y químicos aparecen más frecuentemente como fallos moderados o leves.
Aunque estos datos demuestran que el ensuciamiento es el principal problema detectado en las membranas,
esto no demuestra que sea la peor situación a la que enfrentarse cuando un sistema de OI falla. Si bien en la
mayoría de los casos, el ensuciamiento puede eliminarse de la superficie de las membranas con limpiezas
químicas, tanto los procesos de abrasión como los de oxidación, provocan daños irreversibles que hacen
imposible recuperar los parámetros de operación de referencia. En cualquier caso, una eliminación efectiva del
ensuciamiento, depende principalmente de una identificación exacta y de una aplicación rápida del
procedimiento de limpieza.
60,0
% de membranas
50,0
40,0
SEVERO
30,0
MODERADO
20,0
LEVE
10,0
0,0
ENSUCIAMIENTO ABRASIÓN /DAÑO
FÍSICO
OXIDACION /
DAÑO QUÍMICO
Figura 1. Principales fallos de membrana detectados en autopsias
2.1. TIPOS DE ENSUCIAMIENTO
El tratamiento de agua con membranas de OI es un proceso ampliamente conocido y desarrollado. Teniendo
en cuenta la clasificación de ensuciamiento descrita anteriormente, las cinco categorías principales de
ensuciamiento (biopelícula, partículas/materia coloidal, incrustaciones, metales y compuestos orgánicos),
fueron identificadas durante las autopsias de membrana incluidas en este estudio. En la figura 2 se han
representado gráficamente los distintos tipos de ensuciamiento identificados como componente principal en las
autopsias estudiadas para este trabajo.
4
Principales tipos de ensuciamiento detectados en membranas de
OI (n=500)
BIOPELÍCULA/MATERIA
ORGÁNICA
31,3
MATERIA/PARTÍCULAS
COLOIDALES
29,0
22,1
INCRUSTACIONES
10,0
METALES
7,7
OTROS ORGÁNICOS
Figura 2.- Principal ensuciamiento detectado en las autopsias de membrana
Según los datos recogidos en esta figura, el ensuciamiento biológico y coloidal fue detectado como el principal
componente del ensuciamiento en el 60% de los casos estudiados. Este hecho muestra la importancia de la
optimización del pretratamiento para minimizar problemas de operación. Los procesos de ensuciamiento
inorgánico/incrustación, fueron identificados como el principal problema en el 22% de los casos. Las
incrustaciones más comunes detectadas fueron las de sílice y carbonato cálcico (datos incluidos en Tabla 1).
En cuanto a los metales detectados en las membranas, el más común es el hierro, que suele aparecer como
óxido cuando está como principal componente, pero que también es muy habitual que aparezca como arrastre
metálico/corrosión en forma de traza. Además del hierro, es muy común detectar aluminosilicatos (arcillas) en
la mayoría de las membranas analizadas.
50,0
% de membranas
Para revisar el efecto de la posición de
las membranas en la tendencia del tipo
de ensuciamiento, los datos se
analizaron teniendo en cuenta las
membranas localizadas en primera y
última posición. Los datos resultantes,
están incluidos en la Figura 3, que
verifica que la mayoría de los
ensuciamientos detectados aparecen
con más frecuencia en las primeras
posiciones, excepto cuando se trata de
una incrustación, que son más
frecuentes en las últimas posiciones.
Sin embargo, esta figura también
demuestra que en algunos casos, los
ensuciamientos pueden ser detectados
en posiciones diferentes a las
esperadas.
Primera posición
Última posición
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
BIOPELÍCULA
MATERIA INCRUSTACIÓN
COLOIDAL
METALES
OTROS
ORGÁNICOS
Figura 3.- Porcentaje de membranas detectadas en diferentes
posiciones en planta según el tipo de ensuciamiento
5
Para identificar la naturaleza del ensuciamiento de las membranas, se pueden utilizar diferentes técnicas
analíticas, que ya han sido descritas en el capítulo anterior. Las técnicas analíticas de superficies, juegan un
papel decisivo en la caracterización de estos ensuciamientos. Entre todas ellas, la técnica más utilizada es la
microscopía electrónica de barrido con análisis por energía dispersiva de Rayos-X (Scanning Electron
Microscopy with Energy Dispersive X-ray Analysis: SEM-EDX). Esta técnica se utiliza comúnmente para
estudiar la superficie de la membrana e identificar la composición elemental de su ensuciamiento. La
determinación elemental con este sistema está basado en el análisis de los rayos X producidos a través de la
excitación producida por el haz de electrones de un área de la muestra. La profundidad limitada del análisis
(unos pocos µm) y la posibilidad de seleccionar el área de análisis de interés bajo el haz de electrones, permite
realizar análisis locales que pueden llegar a relevar diferencias de composición. En la tabla 1 se incluye una
descripción de las principales características de los distintos ensuciamientos detectados en las autopsias
realizadas, los fallos más comunes de acuerdo con la experiencia en las instalaciones y la relación relevante
obtenida a partir de las autopsias. Como complemento, se han incluido imágenes características de cada tipo
de ensuciamiento obtenidas por SEM-EDX. Datos adicionales sobre la frecuencia a la que se ha detectado
cada ensuciamiento, están también incluidos en la tabla 1.
6
Tabla 1.- Principal composición del ensuciamiento detectado en las autopsias de membrana
TIPO DE
ENSUCIAMIENTO
Biopelícula
31%
Composición química
Características
Derivados proteicos /
polisacáridos
Alto nivel de microorganismos
Depósito gelatinoso y
pegajoso
en
la
superficie
de
la
membrana.
En SEM-EDX es
común
encontrar
partículas
y
microrganismos
embebidos
(microfotografías 1 y
2).
Fallos de membrana observados
↑∆P, ↓Caudal, Paso de sales
Ambos ensuciamientos afectan
gradualmente la membrana en las
primeras posiciones.
La
elevada
presencia
de
microrganismos puede dificultar la
eliminación del ensuciamiento.
La materia orgánica es fácil de
eliminar y se puede recuperar la
condición inicial de la membrana.
En casos extremos de biopelícula,
puede producirse degradación de la
membrana (16).
Organico
Algunos componentes orgánicos Recubrimiento fino de Acción preventiva: control de la
8%
detectados:
la superficie de la presencia de microrganismos en el
agua de alimentación y deficiencias
Aceites minerales, celulosa, membrana.
en el pretratamiento.
compuestos
clorados, (microfotografía 3)
poliacrilamida / poliacrilatos,
siliconas, ….
Materia coloidal
Conglomerado de
↑∆P, ↓Caudal
29%
>90% casos: Aluminosilicatos
partículas
muy Afecta gradualmente todas las
pequeñas.
membranas, pero el efecto comienza
(Microfotografías 4 a en las primeras posiciones.
6)
La principal consecuencia en las
membranas es un aumento en la
resistencia hidráulica que resulta en
un aumento de las necesidades
energéticas (17).
Principal causa: Deficiencias en el
pretratamiento.
Incrustación
Carbonato
35 %
Estructuras cristalinas, ↓Retención sales, ↓Caudal
22%
cálcico
15 %
excepto para sílice, Las
incrustaciones
afectan
Fosfato cálcico
10 %
que
se
detecta principalmente los elementos en las
Sulfato cálcico
4%
también
como últimas posiciones y afectan de forma
Sulfato bario
36 %
estructura
amorfa negativa las propiedades de la
Sílice*
(microfotografías 7 a membrana si no se actúa con
12).
rapidez.
Acción
preventiva:
dosificación
exacta de antiincrustante.
Metales
Hierro
67,7 %
Depósito amorfo
↓Caudal
10%
Manganeso
12.9 %
(microfotografías 13 a Principal causa: deficiencias en
Aluminio
19.4 %
15)
pretratamiento
*Se ha incluido sílice en la categoría de incrustación, ya que a partir de los análisis realizados para la autopsia
no es posible distinguir entre sílice coloidal (depósito) y sílice precipitada.
7
Imágenes de los principales grupos de ensuciamiento detectados en las autopsias de membrana
Microfotografía 1.- Biopelícula
Microfotografía 2.-Biopelícula
Microfotografía 3.-Organico
(poliacrilamida)
Microfotografía 4.-Aluminosilicatos
Microfotografía 5.-Aluminosilicatos
con diatomeas
Microfotografía 6.-Silice con
diatomeas
Microfotografía 7.-Carbonato cálcico
Microfotografía 8.-Sulfato cálcico
Microfotografía 9.-Fosfato cálcico
Microfotografía 10.-Sulfato bario
Microfotografía 11.-Silice
Microfotografía 12.-Silice
Microfotografía 13.-Hierro
Microfotografía 14.-Aluminio
Microfotografía 15.-Manganeso
8
Las membranas autopsiadas incluidas en este estudio proceden de muy diferentes tipos de instalaciones y
aplicaciones. Teniendo en cuenta el tipo de agua de alimentación, la mayoría de los elementos de membranas
se utilizaron en el tratamiento de agua de mar y salobre, pudiendo considerar despreciable el resto de aguas
de alimentación como superficiales, proceso, etc.
En la figura 4 se muestra la distribución de los diferentes tipos de ensuciamiento detectados para los dos
principales tipos de membranas/aguas. Para proporcionar conclusiones objetivas, los datos incluidos en esta
figura solo consideraron aquellos elementos en los que el ensuciamiento fue considerado como la principal
causa del fallo detectado en el elemento y el tipo de ensuciamiento, como el componente principal identificado.
Como puede observarse, los dos principales grupos de ensuciamiento (biopelícula y materia coloidal), fueron
detectados en ambos tipos de agua en un similar porcentaje. Por otro lado, las incrustaciones se detectan
mayoritariamente en las membranas de agua salobre como problema principal y el ensuciamiento parece estar
más relacionado con depósitos orgánicos y metales en las membranas de agua de mar. Estos resultados
concuerdan con los datos que tradicionalmente se detectan en planta.
Las membranas de OI están expuestas a diferentes tipos de ensuciamiento. Debido a la naturaleza compleja
del ensuciamiento, la mayoría de los estudios sobre ensuciamiento de membrana se centran en un único tipo
para simplificar. Sin embargo, es muy importante entender los efectos de los diferentes tipos de mecanismos
que pueden tener lugar por la interacción de diferentes ensuciamientos (15). La mayoría de los trabajos
publicados sobre ensuciamientos se concentran en un ensuciamiento único, pero es imprescindible tener en
cuenta la naturaleza composita del ensuciamiento de las membranas (18).
En la superficie de las membranas, los procesos de ensuciamiento son muy complicados y están influidos por
muchos factores. Además, la presencia de un ensuciamiento preliminar, provoca que con frecuencia otros
componentes presentes en el agua se depositen. Por lo tanto, un estudio exhaustivo del ensuciamiento de las
membranas debe considerar su naturaleza composita, por lo que es necesario tener en cuenta sus
componentes secundarios. La mayoría de las autopsias estudiadas para este trabajo, mostró trazas de
diferentes componentes, pero en el 35% de las membranas analizadas se detectó una presencia relevante de
un componente secundario en el ensuciamiento. La presencia de estos componentes secundarios, en función
del tipo de agua de alimentación, se han representado gráficamente en la figura 5. Esta figura verifica que,
aunque algunos componentes característicos no se detectan como principales ensuciamientos (por ejemplo
incrustaciones en membranas de agua de mar), pueden estar presentes como componentes secundarios.
Como esta figura muestra, los componentes secundarios en las membranas son principalmente inorgánicos y
presentan porcentajes muy similares en ambos tipos de membranas. En membranas de agua de mar, hay que
prestar especial atención a la presencia de metales, ya que es una consecuencia de procesos de corrosión.
Según estas figuras, para un buen funcionamiento de las plantas de OI, es necesario tener en cuenta el riesgo
de ensuciamiento de las membranas independientemente del tipo de agua de alimentación (4)
Ensuciamiento principal en membranas de agua
salobre/mar (%)
40,5
26,3
Ensuciamiento secundario en membranas de agua
salobre/mar (%)
38,0
24,8
21,4 1,3
20,3
32,5
15,2
7,5
BIOPELÍCULA
MATERIA
COLOIDAL
AGUA SALOBRE
5,6
INCRUST.
METALES
4,1
32,9
30,0
33,6
27,5
6,2
2,5
11,6
OTROS
ORGÁNICOS
AGUA MAR
Figura 4.- Principal ensuciamiento detectado en
autopsias de membranas
BIOPELÍCULA
MATERIA
COLOIDAL
AGUA SALOBRE
0,0
INCRUST.
METALES
AGUA MAR
OTROS
ORGÁNICOS
Figure 5.- Principal ensuciamiento secundario detectado
en autopsias de membranas
9
Como ya se ha explicado anteriormente, los principales componentes de un ensuciamiento son bien conocidos,
pero es mucho más complicado encontrar información sobre posibles componentes secundarios que permitan
anticipar y prevenir su presencia. Por ello, los datos experimentales obtenidos a partir de las 500 autopsias
evaluadas para este estudio, son una valiosa fuente de este tipo de información.
En la figura 6 se han incluido los porcentajes de membranas en los que se han detectado componentes
secundarios relevantes, para cada tipo de ensuciamiento principal.
Según esta figura, los ensuciamientos orgánicos (biopelícula y otros componentes orgánicos), están
normalmente acompañados por partículas/materia coloidal (aluminosilicatos). Por otro lado, cuando la materia
coloidal es el principal componente del ensuciamiento, es más común encontrar incrustación como
componente secundario. Cuando el ensuciamiento principal es una incrustación o un metal, es más común
encontrar un componente secundario inorgánico que orgánico.
Finalmente, la figura 6 demuestra que es más común encontrar componentes secundarios relevantes en
ensuciamientos de carácter orgánico, probablemente debido a su habilidad para retener componentes del agua
mientras se forma en depósito en la superficie de las membranas. Esta última figura, verifica también que la
materia coloidal es el componente secundario más común encontrado en las membranas. Teniendo en cuenta
que, como ensuciamiento principal, los aluminosilicatos son el segundo tipo detectado como principal problema
en las membranas, el pretratamiento aparece en las instalaciones como uno de los principales fallos en las
instalaciones de OI.
Porcentaje de membranas con
ensuciamiento secundario relevante, %
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
OTROS ORGÁNICOS
METALES
INCRUSTACIONES
MATERIA/PARTÍCULAS BIOPELÍCULA/MATERIA
COLOIDALES
BIOPELÍCULA
MATERIA COLOIDAL
INCRUSTACIÓN
METALES
ORGÁNICA
OTROS ORGÁNICOS
Figura 6. Principales componentes secundarios detectados para cada tipo de ensuciamiento
principal
10
2.2. IMPACTO DEL ENSUCIAMIENTO EN LAS MEMBRANAS
En la tabla 1, se han revisado los fallos más comunes que pueden esperarse de cada tipo de ensuciamiento y,
por otro lado, se ha demostrado en este trabajo que es más común encontrar un ensuciamiento secundario que
uno puro. Una vez más, la mejor forma de evaluar la influencia de estos factores en el funcionamiento de una
membrana, es a partir de datos experimentales.
En los siguientes capítulos, trataremos de estudiar los principales fallos detectados en las autopsias de
membrana para cada tipo de ensuciamiento.
2.2.1. Aumento en la presión diferencial (∆P)
La mayoría de las células de flujo utilizadas a escala de laboratorio, no disponen de la instrumentación
necesaria para medir ∆P, ya que utilizan cupones de membrana con una superficie reducida (normalmente 520 cm2), y no es posible determinar este parámetro durante las autopsias. De todas formas, un aumento en la
presión diferencial está normalmente asociado a un desplazamiento del material espaciador y a daños/fisuras
provocadas por este material en la superficie de la membrana. Ya que las marcas que se provocan en la
superficie de la membrana son difíciles de cuantificar y verificar (la presencia de ensuciamiento puede
enmascararlas), en este estudio solo se ha tenido en cuenta el desplazamiento del vexar para cada tipo de
ensuciamiento.
La tabla 2 incluye el porcentaje de membranas con Tabla 2.- Desplazamiento del vexar para cada tipo
desplazamiento del vexar para cada tipo de ensuciamiento
de ensuciamiento
detectado. Tal y como demuestran estos resultados, en todos
Ensuciamiento % de membranes con
los tipos de ensuciamiento se detectó desplazamiento del
desplazamiento de
espaciador, aunque las membranas con biopelícula son las que
vexar
presentan el mayor porcentaje. En membranas con biopelícula,
Biopelícula
30,3
es muy común encontrar una presencia significativa de
Orgánico
13,3
ensuciamiento en el material espaciador, lo que contribuye a un
Materia coloidal
19,5
aumento de ∆P y desplazamiento del vexar (ver fotografías 16 y
Incrustación
10,5
17).
Metales
17,9
También se detecta presencia de ensuciamiento en el material
espaciador en procesos de incrustación (fotografía 18).
Fotografía 16.- Desplazamiento
espaciador
Fotografía 17.- Biopelícula en el
espaciador
Fotografía 18.- Incrustación de
sulfato cálcico en el espaciador
2.2.2. Cambios en el caudal y retención de sales
La figura 7 representa la variación del caudal de permeado dependiendo del tipo de ensuciamiento detectado
en la superficie de la membrana y la figura 8 corresponde al porcentaje de membranas con bajos valores de
retención de sales, también para cada grupo. De nuevo, para evaluar solo la influencia del ensuciamiento en
estos parámetros de operación, en esta figura solo se han incluido las membranas en las que se detectó
ensuciamiento como el problema principal.
11
El ensuciamiento por incrustación es el grupo que presenta el mayor porcentaje de membranas con bajo
caudal (40%) y, por otro lado, es también el grupo que muestra un mayor número de membranas con una mala
retención de sales. En el resto de ensuciamientos, solo las categorías de carácter orgánico (biopelícula y otros
ensuciamientos orgánicos), muestran un mayor porcentaje de membranas con bajo caudal, ya que en las
membranas con materia coloidal y metales es más común obtener mayores caudales de los esperados.
Cuando hay una presencia relevante de ensuciamiento, el comportamiento esperado en la membrana es una
disminución del caudal de permeado, pero entre los elementos autopsiados que presentaron ensuciamiento
como principal problema, el 22,7% dio un caudal superior al de diseño en contraposición a los principios
teóricos de transporte y ensuciamiento en la superficie de las membranas. La obtención de caudales de
producción superiores a lo establecido, implican daños en la capa de poliamida.
En cuanto a la retención de sales, el 59% de las membranes analizadas con un problema severo de
ensuciamiento, dieron bajos valores de retención. La Figura 8, muestra que todos los tipos de ensuciamiento
presentan esta pérdida en las propiedad es de retención. Una mala retención de sales, puede deberse tanto a
la presencia de ensuciamiento, como a daños en la capa de poliamida. Si la razón es el ensuciamiento, la
retención de sales de diseño podría recuperarse tras procedimientos efectivos de limpieza, pero cuando la
causa son daños en la poliamida, es imposible alcanzar los valores de referencia.
Caudal permeado vs tipo de ensuciamiento
Caudal inferior diseño
36,9
MATERIA COLOIDAL
41,9
15,1
INCRUST.
METALES
15,4
6,7
46,7
BIOPELÍCULA
16,8
21,2
MATERIA COLOIDAL
OTROS ORGÁNICOS
Caudal superior diseño
13,1
BIOPELÍCULA
Bad salt rejection vs different fouling
23,1
26,7
36,3
53,5
INCRUST.
43,6
METALES
OTROS ORGÁNICOS
26,7
Retención inferior diseño
Figura 7. Caudal de permeado vs tipo de ensuciamiento
Figura 8. Retención de sales vs tipo de
ensuciamiento
Los fallos de integridad en la capa de poliamida, pueden deberse a daños químicos (fundamentalmente
procesos de oxidación) y físicos o mecánicos (procesos de abrasión). Ya que en este trabajo solo se está
evaluando el impacto del ensuciamiento en las membranas, nos centraremos en la integridad física de la capa
de poliamida y dejaremos los procesos de oxidación para futuros estudios.
Cuando en la superficie de las membranas se detectan estructuras cristalinas, la causa de los daños por
abrasión que se provocan en la poliamida es obvia. Sin embargo, para otro tipo de ensuciamientos, estos
daños pueden provocarse de diferentes maneras. Las membranas con ensuciamiento en la superficie
producen menos caudal, por lo que es común que en las instalaciones se tienda a aumentar la presión de
alimentación para aumentar el volumen de producto. Como ya hemos comentado antes, la operación bajo
estas condiciones, puede provocar un impacto del espaciador en la superficie de la membrana. Por otro lado,
ya hemos visto también que los ensuciamientos con tendencia a adherirse al material espaciador, producen un
aumento en la presión diferencial y, como consecuencia, se puede provocar un efecto telescopio o
desplazamiento del vexar con el consiguiente daño de la membrana. En cuanto a la materia coloidal, ésta suele
provocar la abrasión de las membranas durante los procedimientos de limpieza.
12
Una forma rápida de detectar daños físicos en la superficie de las membranas, es el test del azul de metileno.
En este ensayo, se hace circular una solución de azul de metileno a través de una sección de la membrana en
célula de flujo. El azul de metileno es una molécula de alto peso molecular que debería ser retenida por la capa
de poliamida si no está dañada. Por ello, si la membrana está dañada, se detectará presencia del colorante en
el lado de producción/permeado de la membrana. Las fotografías 19 a 21 muestran algunos ejemplos de
cupones de membrana tras la realización de este ensayo.
Alimentación
Cara permeado
Cara permeado
Fotografía 19.- Resultado negativo
del test del azul de metileno
Cara permeado
Fotografía 20.- Resultado positivo
del test del azul de metileno
Fotografía 21.- Resultado positivo masivo
del test del azul de metileno
A continuación, la tabla 3 incluye los porcentajes de las membranas que dieron un resultado positivo en el test
del azul de metileno. Como se puede observar, excepto para las membranas con ensuciamiento orgánico
diferente de biopelícula, en el resto de ensuciamientos es común encontrar algún tipo de daño en la capa de
poliamida. Como cabría esperar, las membranas con incrustación son las que muestran un mayor número de
elementos dañados.
El efecto de los daños detectados en este test, en los parámetros de operación de la membrana, depende de lo
relevantes que sean, por lo que es importante tener en cuenta si son resultados puntuales o masivos. Por ello,
en la figura 9 se han distinguido los resultados leves y masivos para cada tipo de ensuciamiento, y se ha
demostrado que en las membranas con ensuciamiento orgánico (biopelícula y otros orgánicos), es más
frecuente que los daños sean leves, mientras que en las membranas con incrustación y metales, hay un
porcentaje más elevado de membranas en las que el resultado del test es masivo.
Teniendo en cuenta el nivel de daño detectado, las membranas con biopelícula son las que presentan el mayor
porcentaje de membranas con daños ligeros, por lo que tienen más posibilidad de recuperar sus parámetros de
diseño con limpiezas químicas. Por otro lado, las membranas con incrustación muestran con mucha mayor
frecuencia daños masivos, por lo que se verifica que este tipo de ensuciamiento provoca consecuencias
irreversibles y las propiedades de retención de sales no se pueden recuperar aunque la eliminación del
ensuciamiento a través de limpiezas sea efectiva.
Estos resultados indican que el principal impacto del ensuciamiento en las membranas es el daño que puede
producirse en la capa de poliamida y en las propiedades de retención de sales. Las fotografías 22 a 24 ilustran
algunos de estos fenómenos (microfotografías SEM de marcas en la superficie de la membrana).
Tabla 3.- Porcentaje de membranas
con daños en la capa de poliamida
Ensuciamiento % de membranas con
resultado positivo en
el test del azul de
metileno
Biopelícula
87,1
Orgánico
8,3
Materia coloidal
83,7
Incrustación
95,8
Metales
78,1
BIOPELÍCULA
MATERIA COLOIDAL
3,3
17,2
1,8
INCRUST.
8,0
15,1
5,8
10,3
METALES
15,4
6,7
OTROS ORGÁNICOS
0,0
Ligero positivo
Positivo masivo
Figura 9. Porcentaje de membranas con daños ligeros y
severos en la capa de poliamida vs tipo de ensuciamiento
13
Fotografía 22.- Marcas de abrasión
Fotografía 23.- Marcas de
abrasión
Fotografía 24.- Marcas de abrasión
3. CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en las autopsias de membrana estudiadas en este trabajo, verifican la mayoría de los
puntos establecidos en el tratamiento de agua por ósmosis inversa en lo que concierne al impacto del
ensuciamiento en los parámetros de operación: bajo caudal, mala retención de sales, daños en la capa de
poliamida, etc. Además, todos los resultados aquí recogidos, indican que es prácticamente imposible encontrar
ensuciamientos puros y que su naturaleza compuesta, implica que el funcionamiento de la membrana, no
siempre se corresponda con la naturaleza del ensuciamiento principal. Esta situación hace imprescindible
utilizar como herramienta las autopsias de membrana, para poder obtener una identificación lo más exacta
posible, que permita realizar una limpieza efectiva.
Por otro lado, la información obtenida a partir de las 500 autopsias incluidas en este estudio, permite llegar a
las siguientes conclusiones:
-
-
-
El ensuciamiento más común encontrado en la superficie de las membranas es la biopelícula que, por
otro lado, es el que menos daño puede llegar a producir en la capa de poliamida, siempre que la
biopelícula no llegue a estar muy desarrollada. En ese caso, una elevada presencia de
microorganismos y la presencia de ensuciamientos secundarios, puede dificultar la efectividad de los
procesos de limpieza y que se produzcan aumentos de presión diferencial con su correspondiente
daño de la membrana.
Otro de los problemas más importantes encontrados en las membranas es la materia coloidal, que
aparece como uno de los más frecuentes, tanto como componente principal, como componente
secundario del ensuciamiento. Los aluminosilicatos llegan a dañar irreversiblemente las membranas
tanto por abrasión como por aumentos de presión diferencial, por lo que el pretratamiento en las
plantas de OI es uno de los principales problemas a los que se debe enfrentar una instalación para
preservar el buen funcionamiento e integridad de las membranas.
Los proceso s de incrustación son probablemente el problema más sencillo de controlar a través del
uso de antiincrustantes adecuados y dosis ajustadas, pero una vez comienza el proceso de
incrustación en la superficie de la membrana, los fallos de operación que llegan a ocasionarse son
prácticamente irreversibles. Estos procesos de incrustación, pueden detectarse tanto en membranas
de tratamiento de agua salobre, como de agua de mar.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo, agradecen a Silvia Gallego, Victoria Velasco, Oscar Salmerón y Javier Rodriguez,
de Genesys Membrane Products S.L., su implicación en el trabajo experimental realizado para la composición
de este trabajo.
14
Referencias
(1) Zhao Y., Song L. & Ong A. L. (2010). Fouling behaviour and foulant characteristics of reverse osmosis
membranes for treated secondary effluent reclamation. Journal of Membrane Science 349, 65-74.
(2) Yang J., Lee S., Lee E., Lee J. & Hong S. (2009). Effect of solution chemistry on the surface properties of
reverse osmosis membranes under seawater conditions. Desalination 247, 148-161.
(3) Kumar M., Adham S. S. & Pearce W. R. (2006). Investigation of Seawater Reverse Osmosis Fouling and Its
Relationship to Pretreatment Type. Environ. Sci. Technol. 40, 2037-2044.
(4) Al-Amoudi A. S. (2010) Factors affecting natural organic matter (NOM) and scaling fouling in NF
membranes: A review. Desalination 259 (2010) 1-10
(5) Lee K. P., Arnot T. C. & Mattia D. (2011). A review or reverse osmosis membrane materials for desalination
- Development to date and future potential. Journal of Membrane Science 370, 1-22.
(6) Technical Manual of Dow Filmtec, 2004 edition
(7) Fernández-Álvarez, G., Garralón G., Plaza F., Garralón A., Pérez J.& Gómez M. A. (2010). Autopsy of
SWRO membranes from a desalination plant in Ceuta after 8 years in operation. Desalination 263, 264-270,
(8) Hoek E, M. V., Allred J., Knoell T. & Jeong B. (2008). Modeling the effects of fouling on full-scale reverse
osmosis processes. Journal of Membrane Science 314, 33-49.
(9) Speth, T.F., Gusses, A.M., Summers, R.S., (2000). Evaluation of nanofiltration pretreatments for flux loss
control. Desalination 130, 31–44.
(10) T. Darton, U. Annunziata, F. del Vigo Pisano, S. Gallego, Membrane autopsy helps to provide solutions to
operational problems, Desalination 167 (2004) 239-245).
(11) H. Liu and H.H.P. Fang, Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) of sludges, Journal of
Biotechnology, 92 (2005) 249-256.
(12) S.P. Chesters, N.Pena, S. Gallego, M.Fazel, M.W. Armstrong, F del Vigo, Results from 99 seawater RO
membrane autopsies. IDA World Congress, Perth, Western Australia, September 2011).
(13) S. Shirazi, C. Lin, D. Chen, Inorganic fouling of pressure-driven membrane processes-A critical review.
Desalination 250 (2010) 236-248.
(14) The Science and Technology of Industry Water Treatment. CRC Press Taylor & Francis Group. Ed. by Z.
Amjad, 2010.
(15) E.G. Darton and M. Fazell, A statistical review of 150 membrane autopsies, Presented at the 62nd Annual
International Water Conference, Pittsburgh, October 2001.
(16) M.W. Armstrong, S.Gallego, S.P. Chesters, Removing biofilm from membranes-a practical approach, CDA
Qingdao, June 26-29 2011.
(17) M.W. Armstrong, S. Gallego, S.P. Chesters, Cleaning Clay from fouled membranes. Desalination and
Water Treatment 10 (2009), 108-114.
15