Tecnología de membranas aplicada al tratamiento de aguas, dopadas con contaminantes prioritarios

Abstract

El presente trabajo se enmarca dentro de la línea de investigación ¿tratamiento de aguas¿ del grupo GIQA, del departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos. Las operaciones con membranas, tales como la ósmosis inversa (OI), ósmosis inversa a muy bajas presiones (ULPRO) y nanofiltración (NF), están extendiéndose cada día más en el tratamiento de aguas en los que se desea obtener una alta calidad de producto, debido a que permiten conseguir altos porcentajes de retenciones de elementos como sólidos disueltos, carbono orgánico, iones inorgánicos y compuestos orgánicos regulados y no regulados. El presente trabajo se ha centrado en el empleo de tecnologías de membrana de nanofiltración, en concreto las membranas comerciales NF-90 y NF-270 para la eliminación de contaminantes prioritarios. Para ello, se ha empleado un equipo experimental de nanofiltración a escala de laboratorio con circulación tangencial de alimentación. Este equipo permite el control de variables de operación tales como presión transmembrana, temperatura y flujo de alimentación. Se ha realizado una caracterización físico-química de las membranas, en la que se ha determinado mediante la medida del ángulo de contacto, que la membrana NF-90 presenta mayor hidrofobicidad, prácticamente el doble, que la membrana NF-270. También se ha realizado una caracterización funcional de las membranas en la que se ha apreciado que la NF-270 muestra una menor resistencia mecánica al flujo del agua, por lo que su permeabilidad es mayor que la de la membrana NF-90. Este hecho se debe a que el tamaño medio de poro de la membrana NF-270 es mayor. Se han estudiado los mecanismos de retención de sales por las membranas NF-90 y NF-270, para ello se han utilizado sales tanto divalentes como monovalentes. A partir de las secuencias de rechazo para las tres sales se ha determinado que para la membrana NF-270 se puede afirmar que el mecanismo de separación predominante en el rechazo de solutos cargados es la repulsión electrostática (según la exclusión de Donnan). Para la membrana NF-90 el mecanismo de rechazo es de tipo estérico ya que está condicionado por el radio de hidratación de los iones. A continuación, se ha estudiado el rechazo de una sal de plomo, en particular del Pb(NO3)2. Se ha determinado la evolución del flujo de la disolución de Pb(NO3)2, la evolución de las concentraciones de permeado y concentrado y su rechazo por las membranas NF-90 y NF- 270. Los resultados obtenidos indican que, al ser estables la evolución del flujo y de las concentraciones de permeado y concentrado las membranas no sufren un ensuciamiento temporal. Por otro lado, se ha determinado que el rechazo es mayor para la membrana NF-90, algo coherente con su menor tamaño medio de poro, siendo el mecanismo de retención de tipo estérico. Se ha comparado el rechazo del Pb(NO3)2 con el rechazo del PbCl2 para verificar si el ión rector en el rechazo de Pb(NO3)2 es el Pb2+. De este modo, fijando el catión Pb2+ y variando los aniones Cl- y NO3- se pretende observar si el rechazo de ambos compuestos es similar. De los resultados obtenidos se puede concluir que el ión rector en el rechazo de ambos compuestos es el Pb2+ al ser los rechazos prácticamente iguales. Se ha estudiado el rechazo de tres sales inorgánicas como son el Pb(NO3)2, AgNO3 y NaNO3, especies que tienen el anión común y diferentes cationes. Los resultados obtenidos indican que el Pb(NO3)2 tiene menor rechazo, lo que puede explicarse considerando que, al tener el ión Pb2+ el doble de carga que el resto de cationes, se produce una mayor atracción electrostática (efecto Donnan) entre la superficie de la membrana cargada negativamente y el Pb2+. Si se compara el rechazo del NaNO3 y AgNO3, se obtiene un resultado similar, aunque el rechazo es mayor para el NaNO3, ya que el radio iónico hidratado del ión Na+ es mayor que el del ión Ag+, y por lo tanto su retención es mayor. Se ha analizado además la influencia del pH en el rechazo de Pb(NO3)2 en las membranas de nanofiltración NF-90 y NF-270 para comprobar si variando el pH de la disolución de aporte se puede optimizar el rechazo. De los resultados obtenidos, se puede concluir que variando el pH de la disolución de estudio es posible optimizar la retención de Pb(NO3)2. Por último, se ha estudiado el rechazo en una mezcla de contaminantes prioritarios de tipo orgánico e inorgánico, como son la atrazina y el plomo. Se ha estudiado la evolución del flujo de una mezcla de Pb(NO3)2 y atrazina y de una disolución de Pb(NO3)2 y se ha apreciado una caída de flujo de la disolución de Pb(NO3)2 y atrazina en comparación con la de Pb(NO3)2 en ambas membranas. Este resultado es debido a fenómenos de ensuciamiento y por lo tanto nos indica que se produce adsorción de atrazina por parte de la membrana ya que la atrazina es hidrófoba. También, se ha estudiado el rechazo de Pb2+ y de atrazina en una mezcla de Pb(NO3)2 y atrazina y en una disolución de Pb(NO3)2 o atrazina y se ha obtenido en ambos casos que el rechazo tanto de Pb2+ como de atrazina es mayor en una mezcla de Pb(NO3)2 y atrazina que en una disolución de Pb(NO3)2 o de atrazina. Esto puede ser debido a que al tener una mezcla de ambos compuestos éstos interaccionen entre sí dando lugar a un compuesto de mayor tamaño que el Pb(NO3)2 y la atrazina por separado. Por lo tanto, al tener mayor tamaño el compuesto su retención será mayor por un efecto estérico.