Membrana (objeto) para niños
Una membrana es como una barrera especial que decide qué puede pasar y qué no. Imagina una puerta que solo se abre para ciertas personas. Las membranas permiten el paso de algunas cosas pequeñas, como moléculas o iones, pero detienen a otras.
Existen dos tipos principales de membranas:
- Membranas biológicas: Son las que se encuentran en los seres vivos. Por ejemplo, la membrana celular que rodea cada célula, o las membranas que cubren el núcleo de una célula. También hay membranas en nuestros tejidos, como las que recubren el interior de la boca o los pulmones.
- Membranas sintéticas: Son creadas por los humanos. Se usan en laboratorios y en la industria, por ejemplo, en plantas químicas para purificar líquidos.
El concepto de membrana existe desde hace mucho tiempo, pero su uso a gran escala comenzó después de la Segunda Guerra Mundial. En ese momento, se necesitaban formas de purificar el agua. Al principio, las membranas no eran perfectas, pero con el tiempo mejoraron mucho. Hoy en día, son muy importantes en muchos procesos de separación.
La capacidad de una membrana para dejar pasar o detener cosas depende del tamaño de sus "poros" (pequeños agujeros). Según el tamaño de estos poros, las membranas se clasifican en diferentes tipos. También pueden tener distintos grosores y estructuras, y pueden ser neutras o tener carga eléctrica. El paso de partículas a través de ellas puede ser activo (con gasto de energía) o pasivo (sin gasto de energía), ayudado por la presión o la concentración.
Contenido
¿Cómo se clasifican los procesos de membrana?
Las membranas se usan en diferentes procesos de filtración, cada uno diseñado para separar partículas de distintos tamaños.
Microfiltración (MF): ¿Qué partículas elimina?
La microfiltración es un proceso que elimina partículas de un tamaño entre 0.08 y 2 micrómetros (µm). Un micrómetro es una medida muy pequeña, ¡mil veces más pequeña que un milímetro! Este proceso se usa para quitar sólidos que están flotando en el agua y para eliminar bacterias. También es un paso importante antes de otros tratamientos de agua, como la ósmosis inversa.
Una aplicación moderna de la microfiltración son los biorreactores de membrana (MBR). Estos combinan la microfiltración con un proceso biológico para limpiar el agua.
Ultrafiltración (UF): ¿Qué tan pequeñas son las partículas que filtra?
La ultrafiltración es un paso más allá de la microfiltración. Elimina partículas aún más pequeñas, de 0.005 a 2 micrómetros. Se usa para muchas de las mismas cosas que la microfiltración. Además, las membranas de ultrafiltración pueden quitar sustancias disueltas de gran tamaño, como proteínas y carbohidratos. También son capaces de eliminar virus y algunas toxinas.
Nanofiltración (NF): ¿Para qué se usa la nanofiltración?
La nanofiltración es un tipo de filtración muy fina, a veces llamada ósmosis inversa "suave". Puede filtrar partículas de menos de 0.002 micrómetros. Se usa para quitar componentes específicos que están disueltos en el agua, especialmente en aguas residuales. Es una buena alternativa para ablandar el agua, es decir, para quitar minerales que la hacen "dura".
La nanofiltración también se usa como un paso previo antes de la ósmosis inversa. Sus objetivos principales son:
- Reducir la suciedad y las bacterias para proteger las membranas de ósmosis inversa.
- Evitar que se formen incrustaciones (depósitos de minerales) al eliminar los iones que causan la dureza del agua.
- Disminuir la presión necesaria para la ósmosis inversa, al reducir la cantidad total de sólidos disueltos en el agua.
Ósmosis inversa (RO): ¿Cómo purifica el agua?
La ósmosis inversa es un proceso muy potente que se usa comúnmente para la desalinización, es decir, para quitar la sal del agua de mar y hacerla potable. También se utiliza para eliminar componentes disueltos de las aguas residuales después de otros tratamientos. La ósmosis inversa es tan efectiva que puede quitar iones, pero para lograrlo, necesita presiones muy altas.
Membranas nanoestructuradas: ¿Qué son y para qué sirven?
Una nueva clase de membranas se basa en canales muy pequeños, a escala molecular. Estas incluyen membranas hechas de nanotubos de carbono, grafeno o polímeros especiales. También pueden incorporar estructuras llamadas MOF (estructuras orgánicas metálicas).
Estas membranas se pueden usar para separaciones muy precisas, como las de nanofiltración y ósmosis inversa. Pero también son útiles para separar sustancias que son difíciles de dividir, como ciertos gases o alcoholes del agua, procesos que antes requerían métodos más costosos y que gastaban mucha energía, como la destilación.
¿Cómo se presentan las membranas?
En el mundo de las membranas, un "módulo" es una unidad completa que incluye las membranas, su soporte, las entradas y salidas de líquidos, y una estructura general. Los tipos principales de módulos de membrana son:
- Membrana de fibra hueca: Consiste en un grupo de cientos o miles de fibras muy delgadas y huecas. Todo el conjunto se coloca dentro de un recipiente a presión. El líquido puede pasar por dentro o por fuera de las fibras.
- Enrollado en espiral: Aquí, una capa flexible se coloca entre dos láminas planas de membranas. Luego se añade otra capa para el líquido a tratar, y todo se enrolla en forma de espiral.
- Placa y marco: Se compone de varias láminas planas de membrana y placas de soporte. El agua a tratar pasa entre las membranas. Las placas sostienen las membranas y permiten que el agua filtrada salga del módulo.
- Módulos y membranas planas cerámicas y poliméricas: Las membranas planas se usan a menudo en sistemas de filtración sumergidos que funcionan con vacío. El agua pasa a través de la membrana y se recoge en canales. Se pueden limpiar con aire, lavados a contracorriente o limpieza química.
¿Cómo funciona un proceso de membrana?
Para que un sistema de membranas funcione bien, hay tres cosas clave:
- La capacidad de la membrana para dejar pasar cosas (su permeabilidad).
- La fuerza que empuja el líquido a través de la membrana (la presión).
- La limpieza de la superficie de la membrana, ya que puede ensuciarse.
Flujo, presión y permeabilidad: ¿Cómo se miden?
El flujo total de agua que pasa a través de un sistema de membranas se calcula multiplicando el flujo de agua por metro cuadrado por el área total de la membrana.
La permeabilidad de una membrana indica qué tan fácil es que el agua pase a través de ella. Se calcula dividiendo el flujo de agua por la presión que se aplica.
La presión transmembrana (TMP) es la diferencia de presión a través de la membrana. Se calcula con las presiones de entrada, salida y la presión del agua filtrada.
El rechazo (r) es el porcentaje de partículas que la membrana ha logrado eliminar del agua.
Para controlar cómo funciona un proceso de membrana, se pueden usar dos modos: mantener la presión constante o mantener el flujo constante.
Un problema común es que los materiales que la membrana rechaza pueden acumularse en su superficie. Esto hace que el flujo de agua disminuya o que se necesite más presión para mantener el mismo flujo. Este problema se llama ensuciamiento y es el principal desafío en la operación de membranas.
Modos de operación: ¿Flujo cruzado o callejón sin salida?
Hay dos formas principales de operar las membranas:
- Filtración sin salida: Todo el líquido que entra pasa a través de la membrana. Como no hay salida para las partículas rechazadas, todas se quedan en la membrana. A veces se usa agua limpia para quitar el material acumulado.
- Filtración de flujo cruzado: El líquido se bombea de forma que fluye tangencialmente (de lado) a la membrana. Esto crea dos corrientes: una de agua filtrada y otra de concentrado (con las partículas rechazadas). En este modo, solo una parte del líquido se convierte en producto filtrado. Este método ayuda a que la membrana se ensucie menos, ya que el flujo constante arrastra parte de las partículas.
La filtración sin salida hace que la resistencia aumente rápidamente a medida que se forma una capa de suciedad en la membrana, lo que requiere limpiezas frecuentes. En cambio, la filtración de flujo cruzado alcanza un punto de equilibrio donde el flujo se mantiene más constante, necesitando menos limpieza.
Ensuciamiento: ¿Por qué se ensucian las membranas?
El ensuciamiento es cuando los componentes del agua que se está filtrando se depositan y acumulan en la membrana. Esto puede ocurrir de varias maneras:
- Acumulación de componentes: Las partículas del agua se pegan a la membrana, creando una resistencia al flujo. Esto puede ser:
* Estrechamiento de poros: Material sólido se pega dentro de los pequeños agujeros de la membrana. * Bloqueo de poros: Partículas se quedan atascadas en los poros. * Formación de capa de gel/torta: Cuando las partículas son más grandes que los poros, forman una capa sobre la superficie de la membrana.
- Formación de precipitados químicos: Conocido como incrustación, ocurre cuando los minerales disueltos se solidifican y se pegan a la membrana.
- Colonización de la membrana (bioincrustación): Sucede cuando microorganismos crecen en la superficie de la membrana.
Control y prevención del ensuciamiento: ¿Cómo se limpian las membranas?
El ensuciamiento es un factor muy importante en el diseño y funcionamiento de los sistemas de membranas, ya que afecta la necesidad de pretratamiento, la limpieza, los costos y el rendimiento. Por eso, es crucial prevenirlo y, si ocurre, eliminarlo.
Las técnicas de limpieza física incluyen:
- Lavado a contracorriente (back-washing): Consiste en bombear el agua filtrada en dirección opuesta a través de la membrana. Esto ayuda a quitar la suciedad que bloquea los poros. Se puede mejorar pasando aire.
- Relajación de la membrana: Se detiene la filtración por un tiempo. Esto permite que la suciedad se desprenda sin necesidad de invertir el flujo.
- Pulso inverso de alta frecuencia: Se usa principalmente para membranas cerámicas y ayuda a quitar la capa de suciedad de manera eficiente.
Con el tiempo, la limpieza física puede no ser suficiente. Entonces se recurre a la limpieza química:
- Lavado a contracorriente mejorado con productos químicos: Se añade una pequeña cantidad de un agente de limpieza químico durante el lavado a contracorriente.
- Limpieza química: Se usan agentes limpiadores más fuertes, como hipoclorito de sodio para suciedad orgánica o ácido cítrico para incrustaciones minerales. Cada fabricante de membranas tiene sus propias "recetas" de limpieza.
Además de la limpieza, se pueden optimizar las condiciones de funcionamiento para evitar el ensuciamiento:
- Reducir el flujo: Trabajar a un flujo más bajo disminuye el ensuciamiento, aunque puede requerir más área de membrana.
- Usar filtración de flujo cruzado: Como se explicó antes, este método ayuda a que la suciedad no se acumule tanto.
- Pretratamiento del agua: Se eliminan sólidos y bacterias del agua antes de que llegue a la membrana. También se pueden usar sustancias que ayudan a que las partículas se agrupen y sean más fáciles de quitar.
Aplicaciones: ¿Para qué se usan las membranas?
Las membranas son muy útiles en la industria para separar diferentes sustancias. Algunas de sus ventajas son:
- Gastan menos energía, ya que no necesitan grandes cambios de estado (como hervir el agua).
- No requieren el uso de sustancias adicionales que pueden ser costosas o difíciles de manejar.
- Son equipos sencillos y modulares, lo que facilita su mejora.
Las membranas se usan en procesos donde la presión es la fuerza principal, como la filtración de membranas y la ósmosis inversa. En otros procesos, como la diálisis, la fuerza impulsora es la diferencia de concentración de las sustancias.
A pesar de su éxito en sistemas biológicos, su aplicación industrial ha tenido algunos desafíos:
- Ensuciamiento: La disminución de su función con el uso.
- Costo: Pueden ser caras por metro cuadrado de membrana.
- Materiales: Falta de materiales que resistan ciertos líquidos.
- Escala: Dificultades al aumentar el tamaño de los sistemas.
Galería de imágenes
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Operaciones de TMP constante y flujo constante
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Proceso esquemático de filtración sin salida y de flujo cruzado
Véase también
En inglés: Membrane Facts for Kids
