Modificación superficial de membrana de nanofiltración para incrementar su productividad en la desalinización de agua de mar.

Abstract

Como consecuencia de la creciente escasez de agua dulce, la implementación de plantas de desalinización ha aumentado a gran escala llegando incluso a 21000 plantas instaladas en el mundo al 2022, aumentando en casi al doble en una década. Dentro de los procesos de desalinización mediante membranas operadas por presión el más masivo es la ósmosis inversa, seguido por la nanofiltración. Una de las desventajas que presenta la nanofiltración frente a ósmosis inversa es la baja retención de iones monovalentes, sin embargo, presenta mayores flujos de permeado trabajando a menores presiones de operación. Otro de los problemas que presenta junto a las otras membranas manejadas por presión, es el ensuciamiento. El ensuciamiento provoca una disminución en el rendimiento de la operación, un acortamiento de la vida útil de las membranas y mayores costos operacionales. La modificación superficial de las membranas ha sido altamente considerada con el fin de encontrar una solución a los problemas referidos. La modificación superficial a diferencia de la creación de nuevas membranas posee la ventaja de poder lograr variadas combinaciones de soluciones partiendo de una matriz inicial, adicionalmente es más económico. Existen diversas metodologías de modificación que están siendo utilizadas actualmente, pero los objetivos son principalmente los mismos: aumentar el desempeño de las membranas en la operación, es decir, aumentar permeabilidad, aumentar la retención de sales y aumentar la resistencia al ensuciamiento. Las propiedades que se deben caracterizar y que influyen los objetivos de las modificaciones son: grupos funcionales en la superficie, rugosidad, ángulo de contacto (hidrofilicidad) y carga superficial. En este estudio se analizan tres tipos distintos de modificaciones a membranas de nanofiltración: interpenetración de redes poliméricas (INPs) con una mezcla de monómeros (ClAPTA, APSA y GMA-NMG), crecimiento in situ de nanotubos de carbono mediante metodología PopTube (asistido por microondas) y Sputtering de ZnO (depósitos de metales y óxido de metal mediante campo magnético en atmósfera de gas inerte Argón). Las membranas comerciales de nanofiltración seleccionadas (NF90 y NF270, Dow chemical) mostraron buena resistencia a todas las modificaciones realizadas. Los resultados obtenidos de las modificaciones con INPs mostraron cambios más importantes, específicamente la mezcla de 0,13 M ClAPTA - 0,07 M GMA-NMG presentó un mejor rendimiento como resultado de un mayor aumento de la permeabilidad en un 84,3 %, manteniéndose estables los rechazos iónicos en comparación con las membranas comerciales originales (~90 %). Para modificaciones PopTube, se observa mejores resultados en el caso de la membrana NF270 aumentando ligeramente el rendimiento de rechazo del NaCl en un 14 %, sin sacrificar excesivamente la permeabilidad de la membrana. Por último, para la modificación mediante Sputtering, el depósito de ZnO sobre la membrana le puede otorgar un aumento en el rechazo de iones monovalentes hasta del 10 %, sin embargo, este aumento es en desmedro de la densidad de flujo de permeado la cual puede caer en un 40 %. Finalmente, los resultados obtenidos en estas modificaciones permiten avalar la hipótesis planteada de que, por medio de modificaciones químicas y físicas, es posible aumentar la permeabilidad y el rechazo de iones monovalentes de una membrana de nanofiltración de poliaramida en la desalinización de agua de mar. Los resultados generados en este trabajo dan lugar a otras interrogantes a ser abarcadas en futuros estudios, como lo son, la modificación de variables que en este estudio se mantuvieron fijas, desarrollar todas las modificaciones a una escala de sobremesa para poder estudiar la transferencia de masa y que éstos resultados sean escalables a una escala industrial y estudiar las cargas superficiales de las membranas modificadas y cómo estas se comportan/varían con las modificaciones incorporadas.