Introducción/Objetivos

El creciente desafío global de la escasez de agua potable requiere soluciones innovadoras y sostenibles. La recolección y tratamiento del agua de lluvia representan una opción prometedora, especialmente en regiones con recursos limitados. En un artículo recientemente publicado en la revista Journal of Environmental Management (Elsevier) por los autores Yang y colaboradores se investigan, utilizando COMSOL Multiphysics® las membranas cerámicas impulsadas por gravedad (GDCM) como un método eficiente para purificar agua de lluvia debido a su bajo consumo energético y capacidad de exclusión de partículas. Sin embargo, la formación de biopelículas en la superficie de estas membranas afecta negativamente su eficiencia y longevidad. Este estudio tiene como objetivo analizar el impacto de las biopelículas en las propiedades de flujo de las GDCM, utilizando una combinación de visualización por Micro-CT y simulaciones en COMSOL Multiphysics®.

Modelización/Simulación

Para analizar el comportamiento de las GDCM, se integraron datos experimentales, obtenidos a partir del sistema experimental que se muestra en la Figura 1, y simulaciones numéricas. Las estructuras de los poros de las membranas antes y después del crecimiento de las biopelículas se reconstruyeron en 3D mediante técnicas de Micro-CT. Los datos obtenidos se procesaron en el software AVIZO para generar redes tetraédricas no estructuradas, las cuales se importaron a COMSOL Multiphysics® para realizar simulaciones a escala de poros.

Las simulaciones emplearon las ecuaciones de Navier-Stokes para modelar el flujo de agua como un fluido incompresible bajo condiciones de flujo laminar. Se consideraron efectos como la contracción de los poros debido a las biopelículas y la redistribución de las trayectorias de flujo.

Figura 1. Esquema que describe el (a) sistema de filtración GDCM, (b) visualización de la celda de filtración.

Resultados/Conclusiones

Las simulaciones permitieron visualizar la formación de áreas de alta presión en las superficies de las membranas (Figura 2), que contribuyen al bloqueo de poros y a la disminución del flujo de agua.

Figura 2. Contornos de presión obtenidos de las simulaciones en COMSOL Multiphysics®.

Por otra parte, los resultados mostraron que el crecimiento de las biopelículas modifica significativamente la estructura de los poros en la superficie de las GDCM, creando zonas de alta heterogeneidad y reduciendo el tamaño promedio de los poros. Esto provoca un aumento en la resistencia al flujo y una disminución del caudal. Las simulaciones en COMSOL confirmaron que las biopelículas generan áreas de alta presión (menos del 5% de la superficie de la membrana), obligando al agua a encontrar rutas de flujo más largas y menos eficientes. La figura 3 muestra los contornos de velocidad obtenidos a partir de las simulaciones numéricas.

Figura 3. Contornos de velocidad calculados en las simulaciones numéricas de COMSOL Multiphysics®.

La combinación de técnicas de visualización avanzadas y simulaciones en COMSOL Multiphysics ofrece una herramienta poderosa para comprender y mejorar el rendimiento de las membranas cerámicas en la purificación de agua. Este enfoque tiene el potencial de ser aplicado en otros sistemas de tratamiento de agua, contribuyendo así a la gestión sostenible de los recursos hídricos.

Referencias

[1] Yang et al. Purification of harvested rainwater using gravity-driven ceramic membrane: A visualization study combining Micro-CT and COMSOL simulations. Journal of Environmental Management (2024), 373, 123333.