Resumen

El proceso de coagulación-ultrafiltración de flujo corto reduce eficazmente los costos de infraestructura de sedimentación, sin embargo, los residuos de poliacrilamida aniónica (APAM) con materia orgánica disuelta plantean desafíos para el control de la contaminación de membranas UF y la estabilidad del proceso. Durante este estudio, se investigó el mecanismo por el cual los residuos de coagulante APAM influyen en el comportamiento de contaminación de las membranas UF durante el proceso de coagulación-ultrafiltración a través de la cinética de contaminación, el análisis morfológico y simulaciones preliminares de dinámica molecular. Para la albúmina sérica bovina (BSA, Mw: 133.3 kDa), las concentraciones de APAM inferiores a 5 mg/L aliviaron la contaminación a través de la neutralización de carga entre los grupos aniónicos de APAM y los residuos catiónicos de BSA. La mitigación de la contaminación se invirtió más allá de 5 mg/L de APAM, con una contaminación mínima observada en este umbral. Las dinámicas moleculares preliminares revelaron que APAM puede inducir una reorientación estructural de BSA, exponiendo grupos hidrofílicos hacia afuera para ralentizar la cinética de contaminación mientras aumenta el taponamiento irreversible de poros. Para el ácido húmico (HA, Mw: 4 kDa), las transiciones morfológicas causaron una inflexión de contaminación a 10 mg/L de APAM, logrando una contaminación mínima con un 53.41 % de irreversibilidad. Los agregados de HA evolucionaron a través de estructuras particuladas, floculentas y de núcleo-cáscara a medida que aumentaba el APAM. Los datos de simulación demostraron que las concentraciones de APAM alteraron las fuerzas intermoleculares, provocando cambios abruptos en el tamaño de los flóculos de HA y transformaciones estructurales. Los resultados sugieren que controlar la concentración residual de APAM en el proceso de flujo corto es esencial para gestionar mejor la contaminación de membranas, ofreciendo perspectivas técnicas para optimizar la operación estable del proceso de coagulación-ultrafiltración.

Introducción

A medida que la escasez global de agua se intensifica y la contaminación de las fuentes de agua potable se vuelve más frecuente, la demanda de agua limpia continúa en aumento [1]. En consecuencia, el desarrollo de tecnologías avanzadas de tratamiento de agua superficial para asegurar un suministro de agua potable seguro y confiable se ha vuelto cada vez más urgente [2,3]. El proceso de coagulación-sedimentación-ultrafiltración (C–S–UF) se emplea ampliamente en proyectos de tratamiento de agua superficial tanto nacionales como internacionales. Este proceso elimina de manera eficiente los sólidos suspendidos y las bacterias, asegurando la seguridad del suministro de agua [4]. Sin embargo, la inclusión de tanques de sedimentación en este proceso no solo aumenta los costos de construcción, sino que también extiende el tiempo de tratamiento.

Para abordar estas limitaciones, los investigadores se han centrado cada vez más en la coagulación-ultrafiltración (C–UF) como una alternativa de proceso corto para mitigar los altos costos de construcción asociados con los tanques de sedimentación [5]. Aunque la coagulación elimina eficazmente los sólidos suspendidos, su capacidad para eliminar materia orgánica disuelta (DOM) del agua es limitada. La tecnología de ultrafiltración ha atraído una atención significativa debido a sus ventajas, que incluyen calidad de efluente estable, alta eficiencia en la eliminación de turbidez y eliminación efectiva de patógenos. La ultrafiltración puede eliminar parcialmente grandes moléculas de DOM; sin embargo, como fuente principal de ensuciamiento de membranas, los DOM comprometen la estabilidad de la ultrafiltración [6]. Cuando se integra en una configuración de flujo corto, el proceso C–UF elimina la necesidad de sedimentación, simplificando la operación y permitiendo una reducción sustancial de las concentraciones de turbidez y sólidos suspendidos a través de la coagulación acoplada con filtración por membrana [7]. A diferencia de los sistemas convencionales C–S–UF, las configuraciones de flujo corto exponen las membranas a coagulantes residuales y DOM no sedimentables en un corto período después de la dosificación, introduciendo riesgos de ensuciamiento de membranas distintos. Aunque el término "flujo corto" sigue siendo informal, tales configuraciones se están adoptando cada vez más en sistemas compactos o descentralizados, particularmente en regiones con limitaciones de espacio como Singapur y Japón. Por ejemplo, la Planta de Agua Tuas de Singapur ha empleado con éxito C–UF de flujo corto desde 2018 para tratar 300,000 m3 de agua por día [8]. Esta creciente adopción subraya la necesidad de comprender mejor las interacciones coagulante–DOM–membrana bajo estas condiciones únicas. Los coagulantes tienen un efecto limitado en la eliminación de DOM, y los coagulantes residuales inducen un cambio en las propiedades de DOM, lo que altera la tendencia al ensuciamiento de membranas y, por lo tanto, afecta la operación estable del proceso en un flujo corto.

Entre varios coagulantes, el poliacrilamida (PAM) demuestra un rendimiento superior en la eliminación de DOMs [9]. Como el coagulante de polímero orgánico sintético más utilizado, el PAM juega un papel clave en la mejora de la calidad del agua de efluente. Los estudios han demostrado que el PAM no solo mejora la agregación de partículas finas, sino que también reduce eficazmente la concentración de DOMs. Sin embargo, el PAM residual en el agua puede contribuir a la contaminación de membranas en el posterior proceso de ultrafiltración de flujo corto, afectando así la eficiencia del sistema de ultrafiltración [10]. El uso combinado de poliacrilamida no iónica (NPAM) y cloruro de aluminio polimérico (PAC) en un proceso corto de coagulación-ultrafiltración para el tratamiento de agua potable ha demostrado reducir significativamente la contaminación de membranas de ultrafiltración y microfiltración [[11], [12], [13]]. En contraste, otros estudios han mostrado que la poliacrilamida catiónica (CPAM) puede agravar la contaminación de membranas debido a la fuerte atracción electrostática entre el polímero cargado positivamente y la superficie de la membrana cargada negativamente, lo que lleva a la formación de una capa de pastel de PAM residual en la membrana [14]. Por el contrario, se ha demostrado que la capa de pastel formada por la deposición directa de coagulante puede ayudar a mitigar la contaminación de membranas [15,16]. Diferentes tipos de PAM ejercen efectos variados sobre la contaminación de membranas, siendo el CPAM el que agrava la contaminación. Debido a la versatilidad y toxicidad del CPAM, la poliacrilamida aniónica (APAM) se utiliza comúnmente para la floculación en la purificación del agua [17]. Sin embargo, los estudios sistemáticos sobre los mecanismos por los cuales el APAM residual afecta la contaminación de membranas causada por diferentes tipos de DOMs siguen siendo escasos.

Además, las transformaciones reversibles e irreversibles de la contaminación de membranas impactan significativamente en el rendimiento de la membrana. Los estudios han demostrado que el tipo de DOMs influye en la naturaleza de la contaminación de membranas, siendo ciertos tipos de DOM más propensos a inducir contaminación irreversible, acelerando así la degradación de la membrana [18,19]. Mientras tanto, se ha sugerido que las interacciones entre coagulantes, como el PAM, y ciertos DOMs pueden alterar el comportamiento de la contaminación de membranas, haciendo que la contaminación sea más difícil de revertir y aumentando significativamente la probabilidad de contaminación irreversible [20]. Sin embargo, pocos estudios han investigado las transformaciones reversibles/irreversibles de la contaminación de membranas inducidas por concentraciones de APAM con DOMs típicos.

Este estudio tiene como objetivo abordar esta brecha investigando el impacto del APAM residual en un proceso de coagulación-ultrafiltración de flujo corto sobre el comportamiento posterior de filtración de membranas. Se investigó el efecto de los cambios en la concentración de APAM sobre el potencial y el tamaño de las partículas utilizando DOMs típicos, incluyendo BSA (Mw: 133.3 kDa) y HA (Mw: 4 kDa), que indujeron cambios en la obstrucción de la membrana y en la morfología microscópica. En primer lugar, se investigaron los efectos de las variaciones en la concentración de APAM residual sobre el rendimiento de filtración de membranas y sobre las características de la capa de obstrucción de la membrana. Además, se analizaron la morfología microscópica y las características de la capa de obstrucción utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). Para investigar más a fondo la transformación reversible/irreversible de la obstrucción de la membrana, se realizaron simulaciones preliminares de MD para explorar los mecanismos subyacentes. Este estudio elucida la influencia de la concentración de APAM en la transformación reversible/irreversible de la obstrucción de la membrana, proporcionando una base teórica para comprender el mecanismo de la obstrucción de la membrana inducida por coagulantes residuales. Estos hallazgos pueden ayudar a optimizar la operación estable del proceso de coagulación-ultrafiltración de flujo corto.

El efecto de la concentración de APMA en el tamaño de las partículas de DOM y el potencial

Las variaciones en el potencial zeta y el tamaño de las partículas de BSA y HA con el aumento de las concentraciones de APAM se presentan en la Fig. 2. Para la macromolécula típica BSA, el potencial zeta de la solución disminuyó drásticamente de −11.0 a −27.2 mV, mientras que el tamaño de las partículas aumentó significativamente de 248.7 a 292.8 nm a medida que la concentración de APAM aumentó de 0 a 5 mg/L. El valor absoluto del potencial zeta aumentó con la concentración de APAM, lo que se puede atribuir a la mayor carga negativa.

Conclusión

Este estudio investigó sistemáticamente cómo las concentraciones residuales de APAM modulan el comportamiento de ensuciamiento de membranas en un proceso corto de C–UF utilizando dos contaminantes modelo: BSA y HA. Las conclusiones clave son las siguientes:

La filtración, los resultados de adsorción-desorción QCM-D y la morfología AFM demostraron que los coagulantes residuales pueden inducir cambios en el comportamiento de ensuciamiento de membranas inducido por DOM. El ensuciamiento de membranas mostró una reversibilidad dependiente de la concentración y una transformación estructural.