Las membranas de ultrafiltración (UF) son una tecnología ampliamente utilizada en el tratamiento y reutilización del agua. Permiten retener sólidos suspendidos, coloides, microorganismos y otras sustancias de mayor tamaño, proporcionando un agua de calidad estable y, en muchas instalaciones, actuando como pretratamiento de procesos posteriores como la ósmosis inversa.
Pero una membrana de UF no mantiene indefinidamente su rendimiento inicial. Durante la operación, los contaminantes presentes en el agua pueden acumularse sobre la superficie de la membrana o afectar a su estructura, provocando una pérdida progresiva de permeabilidad.
Para el responsable de explotación es importante saber cuándo esa pérdida de rendimiento requiere una limpieza química de las membranas de UF y cuándo puede solucionarse mediante las operaciones normales de limpieza física.
La respuesta no está únicamente en un valor de presión. Es necesario analizar la evolución del TMP, la permeabilidad, la calidad del agua de alimentación y las condiciones de operación.
¿Qué es la ultrafiltración?
La ultrafiltración es un proceso de separación mediante membranas en el que una diferencia de presión permite que el agua atraviese una barrera semipermeable, mientras determinados contaminantes quedan retenidos.
En función de la membrana y de la aplicación, la UF puede retener:
- sólidos suspendidos;
- coloides;
- bacterias y otros microorganismos;
- macromoléculas;
- determinadas sustancias orgánicas de mayor tamaño.
Las membranas de UF se utilizan tanto para producir agua de calidad adecuada para determinados usos como para proteger procesos posteriores, especialmente la ósmosis inversa.
En este último caso, una UF correctamente operada puede reducir la carga de sólidos y coloides que llega a las membranas de RO y contribuir a reducir su ensuciamiento y sus necesidades de limpieza.
¿Por qué se ensucia una membrana UF?
Durante la filtración, las sustancias presentes en el agua de alimentación pueden acumularse sobre la superficie de la membrana o afectar a su estructura.
Este fenómeno se conoce como fouling o ensuciamiento y provoca una pérdida progresiva de permeabilidad.
El ensuciamiento puede tener diferentes orígenes.
Formación de una capa sobre la membrana
Los sólidos y coloides pueden acumularse sobre la superficie y formar una capa que dificulta el paso del agua.
Cuando este es el principal mecanismo de ensuciamiento, una limpieza física correctamente diseñada puede recuperar buena parte del rendimiento.
Bloqueo de poros
Algunas partículas pueden introducirse o bloquear parcialmente la estructura porosa de la membrana.
Este tipo de ensuciamiento puede ser más difícil de eliminar mediante un simple retrolavado y puede requerir una limpieza química.
Adsorción de materia orgánica
Determinados compuestos orgánicos pueden adherirse a la superficie o a la estructura de la membrana, aumentando su resistencia al paso del agua.
Biofouling
La acumulación y proliferación de microorganismos puede generar una capa biológica sobre la membrana y afectar tanto a la permeabilidad como a la estabilidad de la operación.
Por eso, identificar el tipo de ensuciamiento es fundamental antes de decidir cómo limpiar una membrana UF.
El TMP: un parámetro fundamental para controlar una membrana UF
Uno de los principales parámetros de control de una instalación de ultrafiltración es el TMP (Transmembrane Pressure o presión transmembrana).
De forma simplificada, en una configuración de flujo tangencial puede expresarse como:
TMP = [(P entrada + P salida) / 2] − P permeado
El TMP representa la presión efectiva necesaria para conseguir que el agua atraviese la membrana.
Si, manteniendo unas condiciones de operación comparables, el TMP aumenta progresivamente para obtener el mismo caudal de permeado, puede existir una pérdida de permeabilidad asociada al ensuciamiento.
Sin embargo, un aumento del TMP no significa automáticamente que sea necesario realizar una limpieza química.
También puede estar relacionado con:
- cambios en el caudal de filtración;
- variaciones de temperatura;
- cambios en la calidad del agua de alimentación;
- modificaciones en los ciclos de retrolavado;
- problemas hidráulicos;
- cambios en las condiciones de operación.
Por este motivo, es mucho más útil analizar la evolución del TMP que considerar únicamente un valor puntual.
Cuando sea posible, también resulta recomendable controlar la permeabilidad normalizada, teniendo en cuenta especialmente el efecto de la temperatura.
¿Qué debemos comprobar antes de realizar una limpieza química?
Antes de iniciar una limpieza química conviene realizar un diagnóstico básico de la instalación.
1. Comprobar la calidad del agua de alimentación
Un incremento de turbidez, sólidos suspendidos, materia orgánica, hierro, manganeso u otros contaminantes puede aumentar considerablemente la carga sobre las membranas.
Si el origen del problema está en un cambio de la calidad del agua, realizar una limpieza sin corregir la causa puede proporcionar únicamente una recuperación temporal.
2. Revisar el caudal de filtración
El flujo aplicado sobre la membrana debe mantenerse dentro de las condiciones previstas para el sistema y para el modelo concreto de membrana.
Trabajar a flujos superiores a los adecuados puede favorecer la acumulación de contaminantes y acelerar el ensuciamiento.
3. Analizar la evolución del TMP y de la permeabilidad
No basta con conocer el TMP actual.
Es mucho más útil disponer de un histórico que permita comprobar:
- cuándo comenzó a aumentar;
- a qué velocidad lo hace;
- qué ocurre después de cada limpieza;
- cuánto tiempo tarda en volver a aumentar.
Una tendencia progresiva y repetitiva puede indicar que la estrategia de limpieza existente ya no está controlando adecuadamente el ensuciamiento.
4. Revisar los retrolavados
Conviene comprobar:
- frecuencia;
- duración;
- caudal;
- secuencia;
- funcionamiento de bombas y válvulas;
- calidad del agua utilizada para el retrolavado.
Una alteración en cualquiera de estos parámetros puede provocar un aumento progresivo del ensuciamiento.
5. Revisar la limpieza química de mantenimiento
Si la instalación dispone de una estrategia de limpieza química de mantenimiento, debe comprobarse que su frecuencia y condiciones siguen siendo adecuadas para la calidad del agua y las condiciones reales de explotación.
Retrolavado, CEB y CIP: ¿cuál es la diferencia?
No todas las operaciones de limpieza tienen el mismo objetivo ni la misma intensidad.
Una estrategia adecuada debe utilizar cada una de ellas en el momento apropiado.
Retrolavado: limpieza física
El retrolavado consiste en invertir temporalmente el sentido del flujo para desprender y evacuar los contaminantes acumulados sobre la membrana.
Es una operación habitual en sistemas de UF y constituye una primera barrera frente al ensuciamiento.
Cuando el problema es principalmente superficial, un retrolavado correctamente ejecutado puede recuperar una parte importante de la permeabilidad.
CEB: limpieza química de mantenimiento
El CEB (Chemical Enhanced Backwash) combina el retrolavado con la utilización de un producto químico adecuado.
Su objetivo es eliminar contaminantes que no se eliminan suficientemente mediante la limpieza física convencional.
Podemos considerar el CEB como una limpieza de mantenimiento integrada en la operación, utilizando concentraciones relativamente bajas de productos químicos. También contemplamos el EFM (Enhanced Flux Maintenance), basado igualmente en la aplicación de productos químicos como parte de la estrategia de mantenimiento.
La frecuencia y las condiciones de estas operaciones deben determinarse en función de la calidad del agua, el tipo de membrana y las condiciones de operación.
CIP: limpieza química intensiva
Cuando las operaciones de limpieza física y las limpiezas químicas de mantenimiento dejan de ser suficientes, puede ser necesario realizar una CIP (Cleaning-In-Place).
La CIP es una limpieza más intensiva, normalmente realizada con el módulo fuera del ciclo normal de filtración y mediante una solución química seleccionada de acuerdo con el tipo de ensuciamiento y las características de la membrana.
Es importante diferenciar entre las limpiezas de mantenimiento, como CEB y EFM, y la CIP, que utiliza condiciones químicas más intensivas.
¿Qué producto químico debe utilizarse?
No existe una única receta válida para todas las membranas UF.
La selección del tratamiento químico depende de:
- material de la membrana;
- modelo concreto;
- naturaleza del contaminante;
- concentración del producto;
- temperatura;
- tiempo de contacto;
- frecuencia de las limpiezas;
- límites establecidos por el fabricante.
De forma general, determinados depósitos inorgánicos pueden requerir tratamientos ácidos, mientras que determinados contaminantes orgánicos pueden responder mejor a tratamientos alcalinos. En otros casos pueden utilizarse agentes oxidantes.
Pero estas relaciones deben considerarse únicamente como una orientación.
La selección del producto, concentración, temperatura y tiempo de contacto debe realizarse de acuerdo con la documentación técnica del fabricante y con el diagnóstico del ensuciamiento.
Por ello, no es recomendable trasladar automáticamente las condiciones de limpieza de una membrana a otra, aunque ambas sean de ultrafiltración.
¿Cómo saber si una limpieza ha funcionado?
Una limpieza no debería evaluarse únicamente observando si «ha bajado el TMP».
Para conocer su eficacia conviene comparar las condiciones de funcionamiento antes y después de la limpieza, bajo condiciones lo más equivalentes posible.
Algunos parámetros que deberían registrarse son:
- TMP;
- caudal de permeado;
- temperatura;
- permeabilidad;
- calidad del agua producida;
- diferencial de presión;
- frecuencia necesaria de las limpiezas.
La recuperación de la permeabilidad es especialmente importante.
Si después de una limpieza se recupera una parte significativa del rendimiento, el procedimiento ha conseguido eliminar una parte del ensuciamiento.
Pero si cada limpieza consigue una recuperación progresivamente menor, es necesario investigar la causa.
Puede existir:
- ensuciamiento irreversible;
- bloqueo persistente;
- deterioro de la membrana;
- daños en las fibras;
- problemas hidráulicos;
- condiciones de operación inadecuadas.
¿Cuándo debemos plantearnos sustituir una membrana UF?
Una disminución del rendimiento no significa automáticamente que la membrana haya llegado al final de su vida útil.
Antes de sustituirla conviene determinar si el problema puede corregirse mediante una modificación de las condiciones de operación o mediante una limpieza adecuadamente diseñada.
Sin embargo, si después de realizar correctamente las operaciones de limpieza la recuperación obtenida es cada vez menor, puede ser necesario estudiar el estado de la membrana y del módulo.
El análisis de una membrana usada puede aportar información sobre su permeabilidad, el estado de las fibras, posibles bloqueos, fugas o deterioro y ayudar a determinar si procede continuar con la limpieza, modificar las condiciones de operación o plantear la sustitución.
Un método sencillo para diagnosticar una pérdida de rendimiento
Ante una disminución del rendimiento de una instalación UF, podemos seguir esta secuencia:
La limpieza adecuada puede prolongar la vida útil de una membrana
El objetivo del mantenimiento de una instalación UF no debería ser simplemente conseguir que la planta vuelva a funcionar después de una pérdida de rendimiento.
Una estrategia adecuada debe buscar mantener la permeabilidad, controlar el ensuciamiento y minimizar el deterioro de las membranas.
Una limpieza demasiado tardía puede hacer que el ensuciamiento sea más difícil de eliminar. Por el contrario, una limpieza innecesaria o realizada con unas condiciones químicas inadecuadas puede contribuir al deterioro de la membrana.
Por eso, entre ambos extremos, existe una estrategia mucho más eficaz:
Antes de limpiar, diagnosticar.
Conocer la evolución del TMP, controlar la permeabilidad, revisar la calidad del agua y analizar la eficacia de las limpiezas permite tomar decisiones de mantenimiento basadas en datos y no únicamente en la aparición de una alarma o en una pérdida puntual de producción.
¿Necesitas evaluar el estado de tus membranas UF?
Si una instalación ha perdido rendimiento, presenta un aumento progresivo del TMP o requiere limpiezas cada vez más frecuentes, analizar la evolución de sus parámetros de operación puede ayudar a determinar la causa y definir la actuación más adecuada.
En STSETA somos especialistas en tratamiento de agua industrial y ofrecemos mantenimiento, suministro de membranas de ultrafiltración, repuestos y soporte técnico para instalaciones de tratamiento de agua.