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Unidad 5. Nuevas Tecnologías

5.1 Separación por membranas

Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Elaboró: M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda (yenissei@gmail.com)

Competencia específica a desarrollar:

•  Aplicar los conocimientos de los métodos modernos de separación en problemas reales.

•  Conocer e identificar procesos que involucren la fluidización.

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5.1 Separación por membranas •  Es un término genérico para una serie de procesos de separación

diferentes y muy característicos. •  Todos ellos se utiliza una membrana. •  Trabaja sin la adición de productos químicos, con un uso relativamente

bajo de la energía y conducciones de proceso fáciles y bien dispuestas. •  Una membrana actúa como una barrera semipermeable. •  La separación ocurre porque la membrana controla la cantidad de

movimiento de varias moléculas entre dos fases líquidas, dos fases gaseosas o una fase líquida y una gaseosa.

•  Las dos fases suelen ser miscibles. •  La membrana impide el flujo hidrodinámico normal.

5.1 Separación por membranas •  Es un proceso que puede ocurrir a baja temperatura. Esto es

principalmente importante porque permite el tratamiento de los materiales sensible al calor (alimentos).

•  ·Es un proceso de bajo coste energético. La mayor parte de la energía requerida es la necesaria para bombear los líquidos a través de la membrana. La cantidad total de energía utilizada es mínima comparada con las técnicas alternativas, tales como evaporación.

•  ·El proceso puede ser fácilmente ampliado.

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Membrana semipermeable •  Membrana: estructura con dimensiones laterales mucho mayores que su

espesor, a través de la cual la transferencia de masa puede ocurrir debido a fuerzas directoras.

•  Membrana Semipermeable: membrana que permite que el transporte de especies moleculares diferentes ocurra a distintas velocidades.

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Un poco de historia… •  Los primeros estudios relacionados con

membranas se remontan al siglo XVIII. •  El físico francés Jean Antoine Nollet

(1700-1770) fue el primero en acuñar la palabra “ósmosis” para describir el permeado del agua a través de un diafragma, estableciendo los principios básicos de dicho proceso en 1748.

Un poco de historia… •  Las primeras membranas comerciales fueron desarrolladas en Alemania en

1920 con vistas a su utilización en la descontaminación bacteriológica •  Éstas presentaban una estructura porosa, cercana a las actuales

membranas de ultrafiltración, y estaban compuestas fundamentalmente por nitrato y acetato de celulosa.

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Clasificación 1.  Difusión de gas en un sólido. 2.  Permeación de gas a través de una

membrana. 3.  Permeación de un líquido (diálisis) 4.  Ósmosis inversa. 5.  Ultrafiltración. 6.  Cromatografía por permeación en

gel.

1. Difusión de gas en un sólido poroso

•  Una fase gaseosa está presente en ambos lados de la membrana, que es un sólido microporoso.

•  Las velocidades de difusión molecular de las numerosas moléculas de gas dependen del tamaño de los poros y de los pesos moleculares.

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2. Permeación de gas a través de una membrana.

•  La membrana generalmente es un polímero (caucho, poliamida u otro) y no es un sólido poroso.

•  El gas soluto primero se disuelve en la membrana y luego se difunde en el sólido hacia la otra fase gaseosa.

•  Algunos ejemplos son la difusión de hidrógeno a través de caucho y el helio que se separa de gas natural por permeación a través de un polímero de fluorocarbono.

•  La separación de una mezcla gaseosa ocurre porque cada tipo de molécula se difunde a una rapidez diferente a través de la membrana.

2. Permeación de gas a través de una membrana.

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3. Permeación de un líquido o diálisis

•  Los solutos pequeños de una fase líquida se difunden fácilmente debido a las diferencias de concentración a través de una membrana porosa hacia la segunda fase líquida (o fase gaseosa).

•  El paso de las moléculas grandes a través de la membrana es más difícil. •  Este proceso de membrana se ha aplicado en separaciones de procesos

químicos como en la separación del H2SO4 de los sulfatos de níquel y cobre en solución acuosa, en el procesamiento de alimentos y en los riñones artificiales.

•  En la electrodiálisis, la separación de iones ocurre al imponer una diferencia de fem (fuerza electromotriz) a través de la membrana.

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4. Ósmosis Inversa.

•  Entre la solución de soluto y disolvente y un disolvente puro se coloca una membrana que impide el paso del soluto de bajo peso molecular. El disolvente se difunde hacia la solución por ósmosis.

•  En la ósmosis inversa se impone una diferencia de presión inversa que ocasiona que el flujo del disolvente se invierta como en la desalinización del agua de mar.

•  Este proceso también se usa para separar otros solutos de bajo peso molecular, como sales, azucares y ácidos simples de un disolvente (generalmente agua).

5. Procesos de membrana de ultrafiltración

•  En este proceso se utiliza la presión para lograr una separación de moléculas mediante una membrana polimérica semipermeable.

•  La membrana distingue los diferentes tamaños moleculares, formas o estructuras químicas y separa los solutos de peso molecular relativamente alto, como proteínas, polímeros, materiales coloidales como minerales, etc.

•  La presión osmótica suele ser despreciable debido a los altos pesos moleculares.

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6. Cromatografía por permeación en gel

•  El gel poroso retarda la difusión de los solutos de alto peso molecular. La fuerza impulsora es la concentración. Este proceso es sumamente útil para analizar soluciones químicas comp le j a s y pur i f i c a r c o m p o n e n t e s m u y especializados o valiosos.

Otra clasificación (filtración)

1.  Microfiltración 2.  Ultrafiltración 3.  Nanofiltración 4.  Ósmosis Inversa

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5.2 ÓSMOSIS INVERSA

Ósmosis

•  En la ósmosis ocurre un transporte espontáneo de disolvente desde un soluto diluido o solución salina hacia un soluto concentrado o solución salina a través de una membrana semipermeable que permite el paso del disolvente pero impide el paso de los solutos salinos.

La diferencia de altura se

conoce como PRESIÓN

OSMÓTICA

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Ósmosis Inversa

•  Si se utiliza una presión superior a la presión osmótica, se produce el efecto contrario. Los fluidos se presionan a través de la membrana, mientras que los sólidos disueltos quedan atrás.

Ósmosis Inversa •  Una aplicación importante comercial es la desalinización del agua de mar o

agua salobre para producir agua potable. •  A diferencia de los procesos de destilación y congelamiento utilizados para

eliminar disolventes, la ósmosis inversa se efectúa a temperatura ambiente sin cambiar de fase.

•  Este proceso es sumamente útil para el procesamiento de productos térmica y químicamente inestables.

•  Entre las aplicaciones se encuentran la concentración de jugos de frutas y leche, la recuperación de proteínas y azúcar del suero del queso y la concentración de enzimas.

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Tipo de membranas 1.  Acetato de celulosa: muy utilizada en la desalinización. Los solutos que

la membrana de acetato de celulosa excluye más eficientemente son las sales NaCl, NaBr, CaCl2 y Na2SO4; sacarosa y sales de amonio tetralquílicas. Las limitaciones principales de la membrana de acetato de celulosa son que prácticamente sólo se puede usar en soluciones acuosas y que se debe usar a menos de unos 60 ºC.

2.  Poliamida: agua de mar, aguas de desecho, soluciones de enjuague de

electrodeposición de níquel y otros solutos. Soporta una operación continua a pH de 10 a ll.

Ósmosis Inversa •  Es un proceso continuo que cuenta con una corriente de entrada y dos de

salida : Producto o permeado, Concentrado o rechazo. 1.  Alimentación de Osmosis Inversa: Agua que entra al sistema de

ósmosis inversa de Pozo, Rio, Mar o agua Salubre luego del pre-tratamiento acondicionamiento el cuál varia acorde al tipo de agua.

2.  Producto de Osmosis Inversa (Permeado): Agua permeada a través

de la membrana la cuál es baja en Sales y que puede ser utilizada desde para una caldera hasta para fines farmacéuticos con el tratamiento correspondiente.

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Ósmosis Inversa 3.  Concentrado de Osmosis Inversa (Rechazo): Agua de arrastre a la

salida del sistema, que contiene las sales que han sido separadas por las membranas.

•  Recuperación de Osmosis Inversa: Eficiencia del sistema, medida

como el porcentaje de la alimentación que se transforma en producto.

% de Recuperación = Flujo de producto/ Flujo de alimentación x 100

Clasificación de membranas

1.  De placa y marco.

2.  Tubulares.

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Membrana de espiral •  Consisten en dos capas de membrana situadas en un tejido colector de

permeados. Esta funda de membrana envuelve a un desagüe de permeados situado en posición central.

•  Esto hace que la densidad de embalaje de las membranas sea mayor. El canal de entrada del agua se sitúa a una altura moderada, para prevenir la obstrucción de la unidad de membrana.

•  Las membranas de espiral son usadas solamente para aplicaciones de nanofiltración y ósmosis inversa (RO).

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Membrana tubular •  Están situadas dentro de un tubo, hechas de un tipo especial de material.

Este material es la capa que sostiene a la membrana. •  Debido a que las membranas tubulares se localizan dentro de un tubo, el

flujo en una membrana tubular es generalmente del revés. La causa principal de esto es que la unión de la membrana a la capa que la sostiene es muy débil.

•  Las membranas tubulares tienen un diámetro de 5 a 15 mm. •  Debido al tamaño de la superficie de la membrana, no es probable que las

membranas tubulares se obstruyan. Un inconveniente de las membranas tubulares es que la densidad del empaquetamiento es baja, lo que resulta en un mayor precio por módulo.

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Parámetros de operación •  Presión de operación: al aumentar la presión,

disminuye la permeabilidad. •  Temperatura de operación: al incrementarse la

temperatura se favorece la separación. •  Velocidad de flujo de alimentación: mejora la

permeabilidad, se favorece la separación. •  Concentración de la solución: aumenta la presión

osmótica y la viscosidad. •  pH: para membranas de acetato de celulosa va de 4 a

7.5 y para las de poliamida es de 2 a 11.

Pretratamiento de Ósmosis inversa (acondicionamiento de agua)

MEMBRANAS FILTRACION INTERCAMBIO IONICO

DOSIFICACION QUIMICA OTROS

Microfiltración (MF) Ultrafiltración (UF)

Camas Múltiples Cartuchos Arenas verdes Carbón activado Intercambio Iónico

Suavización Camas separadas Camas mezcladas

Anti-incrustante Dispersante Suavización con Cal Ajuste de pH Cloración/Decloración

Intercambio de calor Desgasificadores UV

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Ventajas de la ósmosis inversa •  La separación puede llevarse a cabo continuamente. •  El consumo de energía es bajo (por ejemplo:

destilación). •  Los procesos de membranas pueden combinarse

fácilmente con otros procesos de separación. •  La separación se puede producir en condiciones

moderadas. •  Las propiedades de las membranas son variables y se

pueden ajustar. •  No se necesitan aditivos*.

Desventajas de la ósmosis inversa •  La polarización por concentración y el ensuciamiento de la membrana. •  Baja selectividad o bajo flujo obtenido. •  El factor de incrustación es más o menos lineal. •  Vida útil de la membrana (2 a 3 años). •  Limpiezas frecuentes.