La tecnología de separación por membranas se puede clasificar de diferentes formas según el método de medición.
(1) Clasificación por extractante
Según los diferentes productos a separar, los procesos de separación por membranas se pueden dividir en cuatro categorías: purificación, concentración, separación y extracción. Los procesos de separación por membranas en el tratamiento de agua, donde el producto es el permeado, se denominan purificación; aquellos donde el retenido es el producto se llaman concentración; aquellos en los que tanto el permeado como el retenido son productos se denominan separación; y aquellos que utilizan una combinación de procesos de separación por membrana con dos límites de retenido diferentes para obtener sustancias entre los dos límites de corte se denominan extracción.
(2) Clasificación por material de membrana
Según el material de la membrana, las membranas semipermeables se pueden dividir en membranas orgánicas e inorgánicas. Los materiales de membrana orgánica incluyen principalmente diversos materiales poliméricos tales como polisulfona, polipropileno, poliacrilonitrilo, fluoruro de polivinilideno, polietersulfona, acetato de celulosa, polisulfona sulfonada y poliamida aromática;
Los materiales de membranas inorgánicas se dividen a su vez en membranas inorgánicas a base de metal-, como metales y óxidos metálicos, y membranas inorgánicas a base de silicato-, como cerámica y vidrio.
Las membranas orgánicas son fáciles de preparar, tienen altas proporciones de volumen de elementos de membrana, son económicas y funcionan a bajas presiones, pero adolecen de mala estabilidad química, resistencia a la temperatura, resistencia mecánica y resistencia a la limpieza; Las membranas inorgánicas, en cambio, son todo lo contrario.
Tanto las tecnologías de membranas orgánicas como las inorgánicas mejoran continuamente su rendimiento en función de sus respectivas ventajas, esforzándose por superar las fortalezas de cada una. Actualmente, entre los materiales de membranas de ósmosis inversa, sólo las poliamidas aromáticas han alcanzado una escala de producción industrial, mientras que los materiales de membranas de ultrafiltración tienen una variedad considerable.
(3) Clasificación por precisión de separación
Según las diferentes precisiones de separación, los procesos de separación por membranas de tratamiento de agua se pueden clasificar en filtración fina, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, electrodiálisis, ósmosis inversa, electrodiálisis en lecho de resina (también conocida como EDI o electrodosionización) y destilación por membrana. La microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración y la ósmosis inversa están impulsadas por la diferencia de presión a través de la membrana, mientras que la electrodiálisis y la electrodiálisis en lecho de resina están impulsadas por la diferencia de potencial. Las membranas de microfiltración tienen un límite de peso molecular de 0,1 a 1,0 μm y una presión de funcionamiento de 0,1 a 0,2 MPa; las membranas de ultrafiltración tienen un límite de peso molecular de 5000 a 200 000 Da y una presión de funcionamiento de 0,1 a 0,3 MPa; las membranas de nanofiltración tienen una tasa de desalinización del 0 al 95% y una presión de funcionamiento de 0,3 a 0,6 MPa; Las membranas de ósmosis inversa tienen una tasa de desalinización del 95,0 % al 99,9 %, una salinidad mínima del permeado de aproximadamente 1 mg/l y una presión de funcionamiento de 0,7 a 7,0 MPa.
La electrodiálisis produce agua desalinizada que no atraviesa la membrana. La salinidad mínima del permeado es cercana a la de la ósmosis inversa y la presión de funcionamiento es de 0,1 a 0,2 MPa. La tasa de desalinización se puede ajustar dentro del rango de 0 a 98% dependiendo de la longitud del recorrido del flujo y la intensidad de la corriente operativa.
Llenar el recorrido del flujo de agua desalinizada de la electrodiálisis con resinas de intercambio aniónico y catiónico forma un sistema de electrodiálisis con lecho de resina. Cuando la salinidad del afluente está en el rango de 2 a 5 mg/L, la conductividad del permeado de la electrodiálisis en lecho de resina se puede mantener en un nivel de 10 a 15 MΩ.
(4) Clasificación por estructura de membrana
Según la diferencia entre estructuras de membranas porosas y no-porosas, las membranas de separación se pueden dividir en membranas porosas y membranas densas. Las membranas porosas tienen una gran cantidad de poros permeables, mientras que las membranas densas no tienen poros permeables.
Según la uniformidad de la estructura de la membrana, las membranas porosas y las membranas densas se pueden dividir en membranas homogéneas y membranas heterogéneas. La estructura de la membrana de una membrana homogénea es uniforme en la dirección vertical de la superficie de la membrana, mientras que la estructura de la membrana de una membrana heterogénea no es uniforme en la dirección vertical de la superficie de la membrana.
Las membranas de microfiltración son membranas porosas heterogéneas. El tamaño de los poros cambia irregularmente al penetrar la membrana, y la eficiencia de retención está determinada principalmente por el tamaño promedio de los poros y la porosidad.
Las membranas de ultrafiltración son membranas porosas y heterogéneas. El lado del agua de alimentación de la membrana tiene una capa densa, lo que da como resultado tamaños de poros más pequeños en el lado del agua de alimentación y tamaños de poros más grandes en el lado del agua purificada, lo que facilita la permeabilidad del agua. Una membrana homogénea densa típica es una membrana de intercambio iónico utilizada en electrodiálisis, con permeabilidad al agua limitada pero permeabilidad extremadamente alta para iones positivos o negativos.
Las membranas compuestas de ósmosis inversa de poliamida aromática son membranas densas heterogéneas típicas. Esta membrana consiste en una membrana de soporte porosa, de alta-velocidad más gruesa, laminada con una capa compuesta extremadamente delgada de permeabilidad de alta-velocidad, logrando simultáneamente una alta permeabilidad y una alta relación de permeabilidad.
Las membranas densas y homogéneas tienen una estructura uniforme en todas las direcciones y poseen altos índices de permeabilidad, pero debido a su baja permeabilidad, generalmente no se forman de forma independiente y, a menudo, constituyen la capa densa de membranas compuestas.
(5) Clasificación por estructura de elementos
Un elemento de membrana es una unidad de trabajo de membrana formada combinando membranas laminares o filamentosas con los componentes estructurales correspondientes. Según las diferencias estructurales, los elementos de membrana se pueden clasificar en diferentes formas estructurales, como placa, plisado, tubular, hueco y enrollado en espiral.
Varias estructuras de membranas tienen sus propias ventajas y desventajas en términos de área volumétrica, patrón de flujo, soporte de presión y condiciones de limpieza.
Las membranas de filtración fina, microfiltración y ultrafiltración se pueden disponer en estructuras de placas para su uso en filtros de placas y de marco. Aunque los filtros de placa y marco tienen un área volumétrica pequeña y requieren un reemplazo frecuente del material de la membrana, lo que permite solo un funcionamiento intermitente, los materiales estructurales para el soporte de la membrana y la conducción de agua no son desechables, lo que resulta en el menor costo de material al reemplazar las membranas.
También se pueden disponer membranas de filtración fina y microfiltración en estructuras plisadas para formar filtros plisados. Estos se basan en la estructura plisada para aumentar el área volumétrica y utilizan la propia membrana para formar canales de conducción de agua y soporte de contrapresión. Sin embargo, reemplazar las membranas plisadas aumenta el costo de los materiales estructurales.
Tanto las membranas de placa como las plisadas comparten la característica de operación de flujo completo-. Sus inconvenientes comunes incluyen la imposibilidad de producirlos continuamente a gran escala y la imposibilidad de limpiarlos. Debido a su equipo simple y operación conveniente, se utilizan principalmente en entornos terminales de tratamiento de agua de procesos de pequeña-escala y baja-contaminación.
Las membranas tubulares pueden ser microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración o incluso membranas de ósmosis inversa, que funcionan bajo presión interna con un diámetro interior de 10 a 15 mm. Las membranas tubulares no se pueden lavar a contracorriente, tienen un área volumétrica pequeña, un alto costo de equipo y una baja eficiencia del equipo; sin embargo, se pueden lavar a fondo-, lo que los hace adecuados para tratar líquidos de alta-viscosidad y alta-turbidez y una excelente estructura de membrana para concentraciones especiales de alimento y tratamiento de aguas residuales industriales.
Las membranas de filtración huecas pueden ser de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración u ósmosis inversa, con diámetros internos que varían de 25 a 1200 μm y diámetros externos de 50 a 2000 μm.
Las membranas de filtración huecas se pueden clasificar en tipos de presión interna y presión externa según la dirección de la presión. Las membranas de presión interna tienen un área volumétrica más pequeña y una menor capacidad de retención de suciedad-, son fáciles de lavar hidráulicamente y tienen altos requisitos de calidad del agua de alimentación. Pueden funcionar en modos de flujo-cruzado o de flujo completo-. Las membranas de presión externa tienen un área volumétrica más grande y una mayor capacidad de retención de suciedad-, no son fáciles de lavar hidráulicamente, tienen requisitos más bajos para la calidad del agua de alimentación y en su mayoría funcionan en modo de flujo completo-, lo que dificulta la formación de flujo cruzado-.
Las membranas de filtración huecas pueden tener áreas volumétricas extremadamente altas, incomparables con otras estructuras de membranas, y poseen un excelente rendimiento de lavado hacia adelante y hacia atrás.
Debido a la resistencia mecánica limitada de las fibras de las membranas huecas, la rotura de las fibras es un problema importante y la tasa de rotura de las fibras dentro de un período operativo específico se convierte en un indicador importante de la vida útil de la membrana.
Las estructuras de membranas enrolladas-se utilizan principalmente para membranas de nanofiltración y ósmosis inversa, y en los últimos años también han surgido membranas de ultrafiltración en espiral-. Esta estructura tiene un área volumétrica moderada y ventajas como alta resistencia a la presión operativa, bajos requisitos de calidad del agua de alimentación, gran capacidad de ensuciamiento, flujo cruzado-fácil y la capacidad de realizar un lavado directo.
La sección transversal-del canal de flujo de agua de alimentación en una membrana-en espiral puede considerarse como un canal recto de altura uniforme. Esta estructura permite el ensuciamiento localizado y tiene una alta capacidad de ensuciamiento; sin embargo, no es fácil lograr buenos efectos de lavado en todas las áreas, lo que las hace propensas a incrustaciones localizadas.
Además, las membranas compuestas-en espiral no se pueden lavar a contracorriente, lo que produce efectos de limpieza deficientes. La degradación del rendimiento debido al ensuciamiento de la membrana es un problema importante para las estructuras en espiral-y el grado de degradación del rendimiento dentro de un período operativo específico se convierte en un indicador importante de la vida útil de la membrana.