Adsorción de compuestos orgánicos en membranas poliméricas de nanofiltración y ósmosis inversa: cinética y equilibrio

Abstract

Este proyecto forma parte de una línea de investigación que se desarrolla en la actualidad en el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos sobre tratamientos Avanzados de Depuración de Aguas Residuales. Actualmente, el tratamiento de aguas con membranas se presenta como una alternativa factible al tratamiento de contaminantes orgánicos por oxidación catalítica, ya que algunos de ellos, como los ácidos carboxílicos, presentan un fuerte carácter refractario. El uso de este tipo de tecnología en el estudio de la retención de determinados solutos, reconocidos como contaminantes prioritarios, encierra una gran relevancia social y científica, debido a las posibles aplicaciones que se pueden derivar del mismo. En la presente investigación se seleccionaron para su estudio dos membranas comerciales, una para tratamientos de nanofiltración (NF-90), y otra para tratamientos de ósmosis inversa (BW-30). La elección de las mismas estuvo basada en su reconocida aplicación al tratamiento de disoluciones acuosas orgánicas. El uso de las mismas en nuestro caso se justifica por el rango pesos moleculares y otras propiedades fisicoquímicas de los compuestos orgánicos que son objeto de interés en el grupo de investigación. Por su parte, se escogieron dos solutos orgánicos fenólicos, 2-Nitrofenol y 2-Clorofenol, como representantes de este conjunto de contaminantes reales. La caracterización tanto física como química es muy importante para alcanzar el máximo rendimiento de las membranas. Por ello, se realizó un estudio detallado mediante espectroscopia ATR-FTIR y microscopía electrónica de barrido para obtener la rugosidad superficial, así como medidas del ángulo de contacto para determinar el carácter hidrofóbico de la capa activa. Se observó que la membrana más hidrófoba, BW-30, presentaba una tipología más rugosa. Otro aspecto determinante, es la velocidad de adsorción de los solutos sobre las membranas. Debido a esto, se hizo un estudio para obtener las curvas cinéticas correspondientes y compararlas con las previsiones de los modelos cinéticos de pseudo-orden 1 y 2. Sistemáticamente se encontró que los datos cinéticos experimentales se ajustaban adecuadamente a cinéticas de pseudo-orden 2, las cuales predicen valores teóricos de cantidad de soluto adsorbido en el equilibrio, bastante cercanos a los obtenidos de forma experimental. Para completar el estudio de la adsorción, se determinaron las isotermas de equilibrio lo que permitió llevar a cabo una modelización de las curvas obtenidas. Se utilizaron como isotermas modelo las ecuaciones de Freundlich y Langmuir. Por último, se evaluó el comportamiento de las membranas de NF/OI mediante ensayos con una instalación experimental basada en la tecnología de flujo cruzado en continuo, que permite obtener la evolución temporal tanto del flujo de permeado como del rechazo de soluto. Ha resultado evidente, a la vista de los resultados experimentales, una correlación directa entre el rechazo de un soluto y su capacidad de adsorción sobre las membranas. Igualmente, se determinaron experimentalmente algunos aspectos prácticos relevantes de cara al uso futuro de la membrana a escala industrial, tales como la eficiencia en la producción de permeado por medio de la caída de flujo relativa al agua pura o la reversibilidad de la membrana para su reutilización mediante el porcentaje de pérdida originado.