Este documento describe la tecnología de membranas y sus aplicaciones. Explica que los procesos de membranas se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales como la purificación de agua, desalación y procesos alimentarios. También describe las capacidades del laboratorio para realizar ensayos de membranas planas y en espiral para estudiar el rendimiento y limpieza de membranas.

1. TECNOLOGÍA DE
MEMBRANAS

2. CTM – TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS
Los procesos de membranas son una tecnología emergente que está siendo cada vez más
importante en nuestra sociedad.
Después de más de 60 años de rápido crecimiento y desarrollo, podemos encontrar la tecnología de
membranas en numerosas aplicaciones industriales, como por ejemplo:
Purificación del agua
Desalación de agua marina y salobre
Recuperación de aguas residuales
Procesos industriales del campo de la alimentación y bebidas
Separación de gases y vapores
Conversión y almacenaje de energía
En la Fundació CTM Centre Tecnològic, se han desarrollado varios métodos para el estudio de la
tecnología de membranas para poder ofrecer al cliente un amplio conocimiento en el campo y poder
resolver satisfactoriamente sus dudas y problemas.

3. ENSAYO DE MEMBRANAS

4. LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
1. Estudio de membranas planas de Nanofiltración y Osmosis Inversa:
 Celda SEPA CFII (GE Osmonics)
Aplicaciones:
- Estudios comparativos de distintas membranas con el objetivo de seleccionar la
membrana más adecuada para una aplicación concreta.
- Variación y estudio de las principales condiciones de operación de los procesos de
membranas: presión, velocidad lineal y permeabilidad.
- Estudio del rechazo de cualquier ion inorgánico y/o moléculas orgánicas.
- Filtración de muestras reales y sintéticas. Comparación del rendimiento de las
membranas con distintas disoluciones de alimentación.
-Estudio del ensuciamiento de las membranas; fouling inorgánico y fouling orgánico.
-Diseño de procesos a escala real

5. LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
2. Estudio de membranas de Intercambio iónico:
 Celda PCCell ED 64002 (opción de EDR)
Aplicaciones:
- Caracterización de membranas de intercambio iónico: medidas de
selectividad, permselectividad y de resistencia eléctrica.
- Estudio del rendimiento de las membranas a distintas condiciones de operación.
-Filtración de muestras reales y sintéticas. Comparación del rendimiento de las membranas
con distintas disoluciones de alimentación.
-Escalado y diseño del proceso

6. LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
ENSAYO DE MEMBRANAS DE OSMOSIS
INVERSA I NANOFILTRACIÓN
Celda plana
P
ENSAYO DE MEMBRANAS DE
INTERCAMBIO IÓNICO
Muestras
pH y conductividad
Baño termoregulador
Agua problema

7. LABORATORIO – ENSAYO DE MEMBRANAS PLANAS
3. Estudio membranas de microfiltración y ultrafiltración:
 Mecanizado de las celdas experimentales adecuadas según cada aplicación.
Aplicaciones:
- Estudio de la capacidad de depuración de aguas provenientes de un tratamiento
secundario
- Evaluación de las calidad del agua filtrada para su posible reutilización
- Evaluación de la necesidad de UF como pretratamientos para sistemas de NF y/o OI
- Disminución del fouling orgánico y biológico modificando la superficie de las membranas

8. PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
QUF
QUF
CAPACIDADES PLANTA PILOTO:
 Versatilidad: estudio de membranas de UF, NF (4”) y OI (4”)
 Comparación simultanea de membranas comerciales
 Autómata y SCADA para su control y monitorización
 Evaluación de las limpiezas y dosificaciones químicas
 Toma de muestras para el agua de entrada, filtrada y concentrada en los distintos puntos
 Aplicación de distintas condiciones operacionales para estudiar el rendimiento del proceso

9. PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
1. Ultrafiltración como pretratamiento opcional
waste
air
Sand-Filtered UF Backwash Backwash
UF Pump membrane HClO NaOH acid UF Tank
water Tank Pump Tank
F
Stage 1.2
F Stage 2 F
Pumps Stage 1 F
Stage 1.1
F
Cartridge
2. Limpieza de la UF filters
NF F
acid Na2SO4 antiscalant membranes
UF Tank Concentrate
F Flowmeter Permeate
Intermediate Tank Pump Stage 2
Pressure gauge
Valve
3. Addición productos químicos
4. Nanofiltración o Osmosis Inversa 4”

10. PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
1. Estudio de los módulos de membranas de UF
Aplicaciones:
-Evaluación de la productividad de las membranas de UF:
* Disminución del caudal o flujo transmembrana
* Aumento de la Presión de entrada
- Eficacia de las limpiezas con aire i químicas a contracorriente y su frecuencia optima
- Necesidad de la UF como pretratamiento de la NF o de la OI para aguas de calidad variable
- Calidad del agua UF: parámetros químicos, físicos y biológicos
- Depuración de agua residual con elevada coloración, contenido orgánico y microbiológico
- Estudios para la reutilización de aguas

11. PLANTA PILOTO – ENSAYO DE MEMBRANAS EN ESPIRAL
2. Estudio de los módulos en espiral
CALIDAD
DEL AGUA PRETRATAMIENTO ?
DE ENTRADA
Aplicaciones:
- Comparación de distintas membranas comerciales en las mismas condiciones
operacionales en función de su rendimiento:
* Productividad
* Resistencia al ensuciamiento durante el proceso de filtración
* Eficacia de la limpiezas
* Evaluación de la calidad del agua permeada
- Necesidad y tipo de pretratamiento en función de la calidad de agua
- Escalado desde nivel de laboratorio a planta real (planta piloto con dos etapas)
- Evaluación del proceso por etapas y por vasos presurizados (PV) de dos módulos en espiral

12. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS

13. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
 Condiciones de operación óptimas
Para poder disminuir el
FOULING en los procesos  Pretratamiento adecuado Es necesario conocer el
de membranas tipo de fouling que se
 Limpiezas adecuadas producirá y su origen
REALIZACIÓN DE
UNA AUTOPSIA
 Selección del módulo de membrana
 Inspección visual externa
ETAPAS BASICAS  Inspección visual interna
 Toma de muestras
 Pruebas de caracterización del fouling

14. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
ETAPA 1. SELECCIÓN DEL MÓDULO ETAPA 2. INSPECCIÓN VISUAL
En función de la posición en la que se  Integridad física del elemento
encuentre el módulo, va a ser más probable  Estado de la entrada i la salida
EXTERNA  Existencia de fisuras
encontrar un tipo u otro de fouling.
 Existencia de efecto telescopio
 Integridad de las hojas de
membrana, feed spacers i
INTERNA permeate carriers
 Estudio del tipo de fouling y su
distribución
BARRA ESPECIAL PARA
REALIZAR AUTOPSIAS
EFECTO TELESCOPIO

15. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
ETAPA 3. TOMA DE MUESTRA
La membrana se divide en nueve partes para 1 2 3
poder estudiar bien la distribución del fouling.
4 5 6
Es muy importante coger la muestra con un
bisturí estéril y cogerla siempre con pinzas. 7 8 9
ETAPA 4. ANÁLISIS
En CTM, se han puesto a punto varias técnicas de análisis para la realización de autopsias:
 RECUENTO DE MICROORGANISMOS HETERÓTROFOS
 DYE TEST
 TEST DE FUJIWARA
 EXPERIMENTOS DE RECHAZO
 SEM-EDX
 ATR-FTIR

16. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
RECUENTO DE MICROORGANISMOS HETERÓTROFOS
Los microorganismos heterótrofos son aquellos que se alimentan de materia
orgánica, y son presentes a la mayoría de aguas residuales.
Para su análisis, se realiza un recuento en placa utilizando el Agar R2A como medio de
cultivo.
Un análisis de microorganismos heterótrofos positivo, indicará la presencia de materia
orgánica en el depósito analizado.

17. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
DYE TEST
El Dye Test permite comprobar si una membrana ha perdido su capacidad de filtración.
Utilizando el sistema de filtración para membranas planas, se filtra una disolución de
colorante a una concentración del 0.1%. Si la membrana está en buenas condiciones, el
colorante no debería pasar la membrana, de modo que en el soporte quedará limpio.
Por otra parte, si la membrana está dañada, las moléculas de colorante van a pasar por
la membrana y el soporte quedará teñido.
Soporte de una membrana nueva
 está limpio
Soporte de una membrana dañada
 está teñido de colorante

18. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
TEST DE FUJIWARA
El test de Fujiwara permite saber si la membrana ha sido oxidada debido al contacto
con compuestos halógenos.
Para la realización del test de Fujiwara, se pone un trozo de membrana en una solución
de piridina i NaOH. Si la capa orgánica se vuelve de color rojizo, indica que el test ha
dado positivo.
Test de Fujiwara positivo:
la membrana está oxidada Test de Fujiwara negativo:
la membrana no está oxidada

19. AUTOPSIAS DE MEMBRANAS
A escala de laboratorio  Celda para membranas
planas
EXPERIMENTOS DE RECHAZO
A escala de planta piloto  Módulos en espiral de 4”
ANÁLISIS SEM - EDX
Permite obtener imágenes de elevada resolución de la superficie de las membranas a partir de un
haz de electrones de alta energía.
El SEM puede ir incorporado con un analizador de energía dispersiva de rayos X (EDX) que permite
realizar un análisis de los elementos presentes a la superficie de la muestra.
De ese modo, mediante el análisis de SEM-EDX se puede visualizar y determinar la composición
atómica del ensuciamiento y diseñar medidas paliativas.
ANÁLISIS ATR - FTIR
Comparando las bandas de absorción presentes en los espectros de infrarojo de una membrana
limpia y una membrana sucia, se puede obtener información de la química de los depósitos
formados.

20. CARACTERIZACIÓN DE
MEMBRANAS

21. MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)
La Microscopia de Fuerza Atómica se utiliza para la determinación de la
rugosidad de la superficie de las membranas. El parámetro de la
rugosidad, es útil porque está relacionado con el ensuciamiento de las
membranas. Como más rugosa es una membrana, más tendencia tendrá a
ensuciarse.
Otro parámetro que se puede determinar a partir de los resultados de AFM es
el diámetro de poro de una membrana.
Se dispone de dos AFM:
- AFM Multimode: scans de 10x10 micras aprox.
- AFM Dimension (Nanoman). scans de hasta 100x100 micras aprox.

22. MEDIDAS DE POTENCIAL ZETA
La carga superficial tiene una gran influencia en el rechazo i el ensuciamiento de una membrana. Un
parámetro clave para la descripción de la carga superficial de una membrana es el potencial zeta.
Mediante las medidas de potencial zeta se va a poder determinar si una membrana está cargada
negativamente o positivamente en función del pH de la disolución. Además, se va a poder conocer
cual es el punto isoeléctrico de la membrana, pH en el que la membrana tiene carga neutra.
Se dispone del Analizador Electrocinético SurPASS de Anton Paar, que permite medir el potencial
zeta de una superficie mediante medidas de corriente tangencial a la membrana.
0
-5 0 2 4 6 8 10
-10
potencial zeta (mV)
-15 0.01M
-20 0.03 M
-25 0.05M
0.1M
-30
-35
-40
pH

23. SEM – EDX
 La microscopia electrónica de barrido (SEM), permite obtener imágenes de
elevada resolución de las superficies de las membranas.
 Mediante el análisis de Energía Dispersiva de Rayos X, se puede determinar la
composición atómica de la superficie analizada.
 En CTM se dispone del SEM ZEISS UltraPlus, equipado con un compensador
de carga que hace que se puedan obtener buenas imágenes de muestras no
conductoras, como es el caso de las membranas.

24. ATR – FTIR
La técnica de ATR-FTIR permite caracterizar los principales
grupos funcionales presentes en la superficie de la membrana.
Es una técnica muy útil cuando una membrana se ha
ensuciado, ya que se puede predecir la naturaleza química del
fouling.
En CTM se dispone del Espectrofotómetro Infra Rojo Perkin
Elmer Spectrum BX, juntamente con el accesorio HATR para el
análisis de muestras sólidas.
Bandas de absorción de interés en las membranas:
Bandas de Absorción Longitudes de onda (cm-1)
Hidroxilo 3000-3400
Carbonos alifáticos 2900
Ácidos carboxílicos 1725
Carboxilatos, carbonilo i amida I 1600-1660
Amida II 1550
Carboxilatos 1400

25. CAPACIDADES ANALÍTICAS

26. CAPACIDADES ANALÍTICAS
APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS ANALÍTICAS EN AGUAS
AGUAS POTABLES AGUAS RESIDUALES OTRAS MUESTRAS
PREOXIDACIÓN PRIMARIO
MUESTRAS SINTÉTICAS
PRETRATAMIENTO SECUNDARIO
RESIDUOS LÍQUIDOS
MEMBRANAS DE TERCIARIO
NF O OI
TOMA DE
MUESTRA EN
LAS DISTINTAS
ANÁLISIS
ETAPAS

27. CAPACIDADES ANALÍTICAS
Determinación de Parámetros Químicos
Capacidad de separación de las membranas para componentes específicos:
i. Caracterización inicial de aguas y disoluciones problema
ii. Estudio del rechazo de membranas para distintas disoluciones/aguas problema
- Cationes y aniones por Cromatografía Iónica (IC):
DIONEX ICS-2000
- Carbono orgánico e inorgánico (TOC, NPOC y TIC)
Nitrógeno Total (NT)
Analytikjena Multi N/C 3100
- Metales (ICP-MS, ICP-OES y por Absorción atómica):
Agilent Technologies 7500CX
Thermo Fischer Scientific ICAP 6300MCF DUO
AA Schimadzu AA-6200
- Compuestos volátiles y semivolátiles por cromatografía de gases (GC-MS y GC-ECD)
Inyector Head Space HS Agilent Technologies 7694E SERIES PLUS –
GC Agilent Technologies 7890A
Detectores: - MS Agilent Technologies 5975C
- ECD Agilent Technologies G2397-65505

28. CAPACIDADES ANALÍTICAS
Determinación de Parámetros Químicos
- Otros compuestos orgánicos a estudiar según el caso (HPLC)
HPLC Agilent Technologies 1100
- Equipo analizador de orgánicos halogenados adsorbibles (AOX)
Euroglass ECS 1200
- Caracterización de compuestos orgánicos (espectrometría infraroja IR)
IR Perkin Elmer Spectrum Bx
- Determinación de compuestos y metales por colorimetría (Espectofotómetro UV-VIS)
UV-VIS Schimadzu UV-2540
- Determinación de compuestos despositados en superfícies por termogravimetría (TGA)
Mettler Toledo 91.0000.61 Stare System + GC-MS
- Determinación de elementos despositados en superfícies por Espectroscopía de Escaneo Electrónico
acoplado a un detector de Dispersión de Energía de Rayos X (SEM- EDX)
SEM ZEISS Ultraplus

29. CAPACIDADES ANALÍTICAS
Determinación de Parámetros físico-químicos
i. Caracterización inicial de aguas y disoluciones problema
ii. Estudio del rechazo de membranas para distintas disoluciones/aguas problema
Control on-line del proceso
- pH - AFM
- Conductividad - Potencial Z
- Potencial REDOX - SEM-EDX
- SDI/MFI - ATR-FIR
- Alcalinidad
- Turbidez Caracterización de membranas
- Color
- Materias en suspensión y sólidos volátiles
- Sólidos totales disueltos
- Granulometrías

30. CAPACIDADES ANALÍTICAS
Determinación de Parámetros biológicos
i. Caracterización de fouling biológico
ii. Evaluación de la tecnología de membranas para la desinfección de aguas
iii. Detección de contaminaciones microbiológicas dentro del un proceso
- Microorganismos heterotrofos totales
recuento en placamediante cultivos comerciales
- Respirometrías para la determinación de actividades aerobeas y anaerobeas
Surcis S.L. 12.0100.00
- Recuento microorganismos específicos mediante PCR cuantitativa: a estudiar según especie de
microorganismo.
Agilent Technologies Stratogene MX3000P
- Estudio de la diversidad microbiológica mediante PCR-DGGE
Agilent Technologies Stratogene MX3000P
- Observación al microscopio de lodos activos
ZEISS AXIOSTAR PLUS
- Observación de contaminaciones microbiológicas sobre superfícies mediante Espectroscopía de
Escaneo Electrónico (SEM)
SEM ZEISS Ultraplus