La membrana de filtración se refiere a un medio que separa dos fases diferentes de sustancias bajo ciertas fuerzas impulsoras. Bajo la acción de una fuerza impulsora, la permeabilidad de la membrana puede separar iones, moléculas y algunas partículas de la solución mezclada.
Según el tipo de material, las membranas se clasifican en membranas orgánicas y membranas inorgánicas. Las membranas orgánicas se introdujeron por primera vez y se utilizaron ampliamente en el tratamiento de agua debido a su alta eficiencia de separación, equipo simple y proceso de formación sencillo. Sin embargo, todavía tienen inconvenientes inherentes, como una vida útil corta, una estabilidad química deficiente, una resistencia débil a los microorganismos y una estabilidad térmica deficiente.
Las membranas inorgánicas, en particular las cerámicas, han ido atrayendo gradualmente la atención. Desde la década de 1990, la tasa de crecimiento anual de las membranas inorgánicas ha alcanzado el 30%-35%, y las membranas cerámicas representan aproximadamente el 80% de este crecimiento.
Características de rendimiento de las membranas cerámicas inorgánicas
Las membranas cerámicas son un tipo de membrana de estado sólido, con su soporte formado por materiales cerámicos porosos y la capa filtrante compuesta por membranas cerámicas microporosas. Pueden tener forma tubular, plana o multicanal. La superficie de las membranas cerámicas presenta microporos dispuestos uniformemente con tamaños de poro que suelen oscilar entre 0,004 y 15 μm. Preparadas a partir de materiales como Al2O3, TiO2, ZrO2 y SiO2, las membranas cerámicas son bien conocidas por su excelente estabilidad química, resistencia a altas temperaturas y larga vida útil.
1. Resistencia a altas temperaturas
Las membranas cerámicas inorgánicas tienen una excelente resistencia al calor, y la mayoría de las membranas cerámicas son capaces de funcionar a temperaturas que oscilan entre 1000 y 1300 ℃. Son adecuados para la separación de fluidos de alta temperatura y alta viscosidad. En escenarios en los que la limpieza química no es factible, como en las industrias alimentaria, láctea y farmacéutica, o cuando es necesario reducir la viscosidad del material aumentando la temperatura,
2. Buena estabilidad química
Las membranas cerámicas inorgánicas son resistentes a la corrosión ácida, alcalina y biológica, superando al metal y otros materiales de membranas orgánicas en términos de resistencia a la corrosión. Se pueden utilizar para manipular materiales con valores de pH extremos, particularmente materiales alcalinos, además tienen excelentes propiedades antibacterianas y resistencia a la biodegradación.
3. Alta selectividad de permeación
Debido al pequeño tamaño de los poros de las membranas cerámicas porosas, tienen una alta selectividad de permeación y pueden aplicarse para ultrafiltración y microfiltración. Además, las membranas cerámicas de nanofiltración tienen diferentes características de separación de iones, por lo que el material cerámico podría seleccionarse de acuerdo con los iones específicos que se van a separar.
4. Sin contaminación, fácil de limpiar, larga vida útil
Las membranas cerámicas tienen una excelente estabilidad química, sin cambios de fase ni reacciones químicas durante el proceso de separación, por lo que no hay contaminación del líquido.
La limpieza de la membrana cerámica es bastante fácil, se pueden usar limpiadores ácidos, alcalinos y enzimáticos para eliminar precipitados insolubles, sustancias aceitosas y proteínas en la superficie de la membrana, se puede usar vapor y agua hirviendo para la esterilización, y se puede aplicar el método de retrolavado para eliminar los contaminantes de la membrana. poros de la membrana, ya que las membranas cerámicas tienen una estructura asimétrica.
Las membranas cerámicas tienen una durabilidad excelente, su vida útil típica es de 3 a 5 años y algunas pueden incluso alcanzar hasta 8 a 10 años con un mantenimiento adecuado.
5. Fotocatálisis
Ciertos tipos de membranas cerámicas, como las membranas de TiO2, poseen fuertes propiedades fotocatalíticas. Bajo luz ultravioleta, pueden matar bacterias y otros microorganismos en el material de alimentación, lo que los hace adecuados para aplicaciones de tratamiento de agua, purificación de aire y esterilización.
Aplicación de membranas cerámicas en el tratamiento de aguas residuales.
1. Las membranas cerámicas para aguas residuales de la industria alimentaria
tienen resistencia a altas temperaturas, estabilidad química y resistencia a la corrosión ácida, alcalina y biológica, por lo que tienen una amplia gama de aplicaciones en el tratamiento de filtración de aguas residuales de la industria alimentaria, principalmente para fábricas de fabricación de jugos de frutas. También se pueden utilizar cerveza, salsa de soja, vinagre, agua de ginkgo, té, etc. para filtrar medicinas a base de hierbas.
2. Aguas residuales de la industria textil y de la fabricación de papel
Las aguas residuales de la fabricación de textiles y papel se caracterizan por su gran volumen, alta coloración y composición compleja, ya que contienen colorantes, pulpa, impurezas de fibras, metales pesados y otras sustancias, tienen una alta toxicidad biológica y causan una contaminación grave. Las membranas cerámicas son particularmente efectivas para tratar tintes insolubles y, en el caso de tintes solubles, la tasa de eliminación se puede mejorar significativamente agregando surfactante.
3. Aguas residuales bioquímicas
La aplicación de membranas cerámicas en el campo de la ingeniería bioquímica ha atraído recientemente mucha atención, involucrando áreas de eliminación de células, producción de agua estéril, clarificación de compuestos orgánicos de bajo peso molecular y membranas de biorreactores. El uso de membranas cerámicas para separar las bacterias del caldo de fermentación ha dado lugar a múltiples instalaciones a escala industrial, lo que no hace más que mejorar la productividad del producto, reducir la carga del equipo, pero también reducir significativamente la descarga de aguas residuales.
4. Aguas residuales que contienen petróleo
Las aguas residuales que contienen petróleo provienen de diversas fuentes, incluidas petroquímicas, extracción de petróleo, transporte, mecanizado, cuero, textiles, alimentos y productos farmacéuticos. Tiene una gran demanda química de oxígeno y contiene grandes cantidades de petróleo, lo que provoca una grave contaminación ambiental. La separación eficaz de las aguas residuales que contienen petróleo es crucial para la remediación ambiental, la recuperación de petróleo y la reutilización del agua. La tecnología de filtración por membrana cerámica se ha convertido en un punto de investigación debido a su excelente efecto de separación y a su ausencia de contaminación secundaria.
5. Aguas residuales domésticas y urbanas
Las membranas de alúmina se pueden utilizar para tratar aguas residuales domésticas y urbanas, los microporos no son fáciles de bloquear, son fáciles de limpiar y los contaminantes atrapados simplemente permanecen en la superficie de la capa de control. Después de la limpieza, la relación de retención y el caudal disponible se pueden recuperar casi al 100%. Los tubos de membrana de alúmina con un tamaño de poro de la capa de control que oscila entre 0,1 y 0,35 μm tienen una tasa de eliminación del 83 % para DBO5, del 67 % para DQOcr y del 100 % para materia sólida suspendida de más de 0,1 μm.
Aplicación de biorreactores de membrana cerámica en el tratamiento de agua.
La aplicación de membranas cerámicas en el tratamiento de agua está particularmente extendida en el tratamiento de aguas residuales, principalmente aguas residuales industriales; la investigación y la aplicación de membranas cerámicas en el tratamiento de aguas residuales domésticas son todavía relativamente raras. Las principales aplicaciones de las membranas cerámicas en el tratamiento de aguas residuales domésticas se pueden clasificar en dos tipos: separación por membrana y biorreactores de membrana cerámica (CMBR) que combinan la separación por membrana con la tecnología de biorreactor. Actualmente, la separación por membranas se ve con menos frecuencia en la investigación aplicada, y la mayoría de los esfuerzos se centran en biorreactores de membranas cerámicas, predominantemente procesos anaeróbicos.
El biorreactor de membrana (MBR) es una tecnología innovadora de tratamiento de agua que combina unidades de separación de membrana con unidades de tratamiento biológico. El tanque de sedimentación secundario que se utiliza en el método tradicional de lodo activado se reemplaza por un módulo de membrana, que es de separación de alta eficiencia, se logra una separación de lodo y agua sin precedentes y se logran efectos de concentración de lodo. Además, la membrana retiene eficientemente sólidos en suspensión, materia orgánica, patógenos y virus del agua residual, mejorando significativamente la calidad del agua tratada.
En comparación con las técnicas tradicionales de tratamiento bioquímico, MBR tiene importantes ventajas de alta eficiencia de tratamiento, excelente calidad del agua, equipo compacto, espacio reducido, fácil automatización y operación y gestión simplificadas. Desde la década de 1980, esta tecnología ha atraído cada vez más atención y se ha convertido en un tema candente en la investigación sobre el tratamiento del agua. Actualmente, los biorreactores de membrana se han aplicado en más de diez países, incluidos Estados Unidos, Alemania, Francia, Japón y Egipto.
Para el tratamiento centralizado de aguas residuales municipales, el gran volumen de agua a tratar y la concentración relativamente baja de contaminantes hacen que la filtración por membrana consuma mucha energía y sea económicamente menos viable. Sin embargo, los biorreactores de membrana cerámica se pueden utilizar para el tratamiento distribuido de aguas residuales domésticas, como la reutilización de aguas residuales en un complejo residencial. Los biorreactores de membrana cerámica ofrecen un funcionamiento estable, requisitos mínimos de mantenimiento, alta resistencia mecánica, larga vida útil y resistencia a la corrosión química, lo que los hace altamente competitivos en comparación con las membranas orgánicas.
En resumen, los biorreactores de membrana cerámica han ganado grandes elogios en el tratamiento de agua industrial debido a su larga vida útil, alta confiabilidad, efecto de tratamiento consistente, menores requisitos operativos y de mantenimiento, y tienen grandes perspectivas de aplicación en el tratamiento distribuido de aguas residuales domésticas.
