1. Los procesos de membrana son técnicas que permiten la separación de impurezas con tamaños de partículas a nivel molecular o iónico. Estos son procesos nuevos y su rápido desarrollo se ha observado en los últimos años. Los avances en la investigación y el desarrollo de técnicas de membrana hacen que su aplicación en la protección del medio ambiente sea técnicamente factible y económicamente beneficiosa. Los procesos de separación de membrana y los reactores de membrana son hoy técnicas con una amplia gama de aplicaciones. La integración de las operaciones de membrana con tecnologías tradicionales o el diseño de nuevos ciclos de producción basados en técnicas de membrana se está convirtiendo en un campo atractivo de investigación de ingeniería. Actualmente, cada vez con mayor frecuencia se utilizan membranas de polímeros e inorgánicas, con alta selectividad y eficiencia y un alto grado de resistencia térmica, química y mecánica, para la desalinización del agua de mar, el tratamiento de aguas residuales, la recuperación de componentes valiosos de las aguas residuales, así como para la separación de mezclas de compuestos orgánicos.
En general, cada membrana es un filtro y, como en la filtración normal, al menos uno de los componentes de la mezcla separada puede pasar sin obstáculos a través de la membrana mientras que otros están retenidos.
Fig. 1. Comparación de los métodos de presión de los procesos de membrana en términos de partículas retenidas.
2. División de técnicas de membrana de presión.
a) Microfiltración – MF
El término microfiltración se refiere a un proceso en el cual las partículas con diámetros de 10-50 μm se separan del solvente y de los componentes de bajo peso molecular de la solución. El mecanismo de separación se basa en un mecanismo de tamiz y se produce solo por diámetros de partículas. En el proceso de microfiltración, generalmente se usan membranas microporosas sintéticas con un diámetro de poro de 10 μm a 50 μm. Este proceso permite la separación de soluciones acuosas de azúcares, sales, así como algunas proteínas como un filtrado, dejando las partículas y coloides más pequeños en el concentrado. La fuerza impulsora del proceso es la diferencia de presión de 0.01 a 0.1 MPa. En general, se acepta que la microfiltración se usa en la industria y en el laboratorio para eliminar, concentrar y purificar partículas con un diámetro mayor de 0.1 μm.
Las membranas de microfiltración pueden prepararse a partir de polímeros orgánicos y materiales inorgánicos (cerámica, metales, vidrio) utilizando las siguientes técnicas de fabricación:
– modelización y sinterización,
– estirar películas de polímero,
– bombardeo de películas de polímeros en el reactor nuclear,
– inversión de fase.
Las membranas poliméricas están hechas de polímeros hidrofóbicos e hidrofílicos. Las membranas cerámicas se preparan principalmente de alúmina y dióxido circonio. Para la producción de membranas inorgánicas, se utilizan vidrio, metales (paladio, tungsteno) y materiales sinterizados con carbono.
b) Ultrafiltración – UF
La ultrafiltración es un proceso de presión relativamente baja que utiliza membranas porosas simétricas o asimétricas con diámetros de poro de 1 μm a 10 μm, lo que permite el flujo a través de la membrana de, por ejemplo, azúcares, sales, agua, separando proteínas y partículas más grandes. No hay contrapresión osmótica en el proceso de ultrafiltración, y la separación se basa, como en la microfiltración, en la detección física de sustancias disueltas o partículas coloidales a través de una membrana con una porosidad adecuada.
Los procesos de difusión juegan un pequeño papel en el mecanismo de separación. Las presiones aplicadas generalmente no exceden 1 MPa. A diferencia de la microfiltración, las membranas asimétricas se utilizan en el proceso de ultrafiltración. Las membranas de ultrafiltración también forman la base, el esqueleto, llamado suport, con membranas compuestas utilizadas en otras técnicas de membrana, como la ósmosis inversa, la pervaporación y la separación de gases. La ultrafiltración se usa principalmente para eliminar, concentrar, purificar sustancias coloidales y de alto peso molecular.
c) Nanofiltración – NF
En la nanofiltración se utiliza las membranas que permiten que fluyan algunos iones, especialmente las monovalentes, por ejemplo, sodio o potasio. La nanofiltración es un proceso relativamente nuevo que se ha vuelto factible después de desarrollar métodos adecuados de producción de membranas. Las presiones utilizadas para la nanofiltración varían de 1 a 3 MPa. La nanofiltración generalmente se usa cuando, por ejemplo, se eliminan proteínas, azúcares y otras partículas grandes de la solución, dejando sales en el filtrado. Hasta ahora, la nanofiltración se ha utilizado con éxito a escala técnica en el tratamiento de aguas subterráneas y superficiales, en el proceso de ablandamiento del agua.
d) Ósmosis inversa (ang. Reverse Osmosis)
La ósmosis inversa se usa para separar compuestos de bajo peso molecular (compuestos orgánicos inorgánicos de bajo peso molecular) del disolvente. Es necesario usar presiones transmembranas más altas que en el caso de ultra y microfiltración, porque los compuestos de moléculas pequeñas se caracterizan por presiones osmóticas más altas. Estas presiones dependen de la concentración mucho más que en el caso de soluciones de compuestos de alto peso molecular.
La ósmosis natural es la base del proceso de ósmosis inversa. En un sistema donde la membrana separa la solución del solvente o dos soluciones de diferente concentración, ocurre una penetración espontánea del solvente a través de la membrana hacia la solución con una concentración más alta. La presión externa que equilibra el flujo osmótico se denomina presión osmótica, y es característica de una solución dada.
Si se crea una presión hidrostática que excede la presión osmótica en el lado de la solución, el solvente penetrará de la solución más concentrada a la diluida, es decir, en la dirección opuesta que en el proceso de ósmosis natural. Se propuso el nombre ósmosis inversa para este proceso. El nombre hiperfiltración a veces se usa en paralelo. La ósmosis inversa permite que el solvente (agua) se separe de los solutos, incluso con un peso molecular relativamente bajo, por ejemplo, sales y azúcares. El mecanismo de separación es difusivo. Las presiones de trabajo utilizadas en el proceso de ósmosis inversa debido al alto valor de las presiones osmóticas de las soluciones separadas, son altas y varían de 1 a 10 MPa. La ósmosis inversa se utilizó por primera vez en 1953 para la desalinización del agua de mar. Se introdujo en la industria solo en la década de 1960 después de que Loeb y Sourirajan desarrollaran la tecnología para fabricar membranas asimétricas selectivas y de alto rendimiento a escala industrial. Es un proceso de separación de componentes de bajo peso molecular (M <300). Los diámetros de partículas separadas pueden ser de unos pocos a varios angstroms (Ǻ). Las partículas retenidas por la membrana conducen a un aumento de la concentración en este lado de la membrana, lo que a su vez provoca un aumento de la presión osmótica, lo que reduce la fuerza impulsora del proceso.
El flujo de filtrado (permeado) es posible cuando la presión externa (Δp) excede la presión osmótica (π).
π = C·RG·T
donde:
π – presión osmótica, Pa,
RG – constante de gas, Pa·dm3/mol·K,
T – temperatura absoluta, K,
C – concentración del soluto en la solución, mol/dm3.
Dependiendo de la concentración de la solución en ambos lados de la membrana, el rango de presiones utilizado varia de 0.3 a 10 MPa. A diferencia de un filtro tradicional, la ósmosis inversa puede separar los componentes de la solución en una gama de tamaños moleculares, lo que lo hace competitivo con otros métodos de purificación de agua. Es posible combinar unidades de membrana con procesos clásicos de ingeniería química, por ejemplo, intercambio iónico, destilación, cristalización.
La esencia de la ósmosis inversa se muestra en la Figura 2:
Fig. 2 Sistemas osmóticos: ósmosis y ósmosis inversa.
A – ósmosis natural
Cuando una membrana perfectamente semipermeable divide dos soluciones con diferentes concentraciones (C1, C2), surge una diferencia de potencial químico Δμ en ambos lados de la membrana. Se produce un flujo espontáneo de disolvente desde la solución de concentración más baja a la solución de concentración más alta (C1 ↑, C2 ↓), (Δp <Δπ)
B – equilibrio
En el equilibrio entre estas soluciones, se determina la diferencia de presión, igual a la diferencia en la presión osmótica de ambas soluciones (C1, C2 = constante), (Δp = Δπ).
C – ósmosis inversa
Si se ejerce una presión Δp mayor que Δπ en una solución con una concentración más alta, el agua fluirá a una solución con una concentración más baja, es decir, en la dirección opuesta de la corriente osmótica. Luego tiene lugar un proceso de ósmosis inversa, que conduce a la concentración de esta solución y a la dilución de la solución en el lado opuesto de la membrana (C1 ↓, C2 ↑), (Δp> Δπ). La fuerza impulsora de este proceso es la diferencia de presión igual a: Δp – Δπ.
3. Concepto de membrana
Una característica común de todas las técnicas de membrana es que el proceso de separación se lleva a cabo debido a la presencia de la membrana. Según el concepto de membranas, según la European Membrane Society, nos referimos a una fase que separa otras dos fases, que actúa como una barrera pasiva o activa para el transporte de masa entre ellas. Según otra definición más general, una membrana es un borde que permite el transporte controlado de uno o más componentes de mezclas de sólidos, líquidos o gaseosos. 
Fig. 3. Diagrama de separación de componentes con una membrana.
El transporte a través de la membrana ocurre debido al uso de una fuerza motriz apropiada. La fuerza impulsora para el transporte de masa a través de la membrana es la diferencia en el potencial químico Δμ en ambos lados de la membrana. Esta diferencia (Δμ) puede ser causada por: la diferencia de presión (ΔP), concentración (ΔC), temperatura (ΔT), potencial eléctrico (ΔE) en ambos lados de la membrana. Por lo tanto, en las técnicas de membrana, el transporte de moléculas es causado por la diferencia en los potenciales químicos en ambos lados de la membrana, y la separación se produce debido a la diferencia en la velocidad de transporte de diversas sustancias (componentes de soluciones o mezclas).
Fig. 4. Diagrama de separación de corrientes en la técnica de separación de membrana.
4. Parámetros básicos de los procesos de membrana
Las técnicas de membrana, a pesar de su corta historia de uso, ocupan una posición alta entre los métodos de separación conocidos actualmente. La eficiencia de los módulos de membrana generalmente está determinada por uno de dos parámetros: factor de retención o selectividad. Una característica común de todas las membranas semipermeables utilizadas en los procesos de permeación es la diversidad de la velocidad de transporte de masa, que depende del tipo y el valor de las fuerzas impulsoras que actúan sobre los componentes individuales de la fase separada, así como de las propiedades físicas y químicas de la membrana. El flujo volumétrico de la solución jp [dm3 / min * m2 ] de lo contrario, la tasa de filtración ( tasa de flujo ) es una medida de la intensidad del proceso membrana. Está determinado por el volumen de solución que pasa a través de la membrana bajo la influencia de la fuerza motriz a través de una unidad de superficie de trabajo de membrana y unidad de tiempo.
donde:
VP – volumen de solución,, m3,
t – tiempo, s lub d,
S – superficie de la membrana, m2.
La tasa de filtración [jP] y la cantidad de soluto que pasa pueden estar relacionados por la ecuación en la que la superficie de la membrana y el tiempo de trabajo son constantes:
ds=jP*CsP
donde:
ds – flujo de soluto, mol/(m2*s),
CsP – concentración del soluto en el permeado, mol/m3
El efecto de la separación de los componentes que fluyen a través de la membrana resulta de la diferenciación de su velocidad de transporte y la diferente solubilidad en el material de la membrana.
La selectividad de la separación α AB de dos componentes A y B transportados a través de la membrana expresa el coeficiente de separación definido por la relación de la relación de concentración (A) y (B) en el permeado y el retenido:
donde:
CPA, CPB – CPA, CPB – concentraciones de componente A y B en permeado, mol / m3
CRA, CRB – concentraciones de componente A y B en el retenido, mol / m <t0 /> 3
El efecto de separación también puede determinarse por el factor de retención R, es decir, el grado de retención (rechazo de sal):
donde:
CZ – concentración de soluto en la solución separada, mol / m3,
CP – concentración de soluto en el filtrado, mol / m3.
Para evaluar la efectividad del proceso de permeación, el llamado grado de conversión (recuperación) Y, definido de la siguiente manera:
donde:
QP – caudal de permeado, m 3 / s,3/s,
QZ – caudal de solución de alimentación, m3/s
5. Ósmosis inversa (ing. Reverse Osmosis)
El mecanismo de transporte masivo a través de la membrana en el proceso de RO
El mecanismo de separación en ósmosis inversa describe el modelo de disolución – difusión. Este modelo supone que el flujo de componentes específicos a través de membranas poliméricas compactas está determinado por su disolución en el polímero y su difusión. El modelo ignora la interacción entre el polímero de membrana y el componente difusor. Los componentes se difunden a través de la membrana bajo la influencia de un “estímulo termodinámico”, es decir, un gradiente negativo del potencial químico de este componente. p> La ósmosis inversa, sin embargo, es definitivamente diferente de otras técnicas de este tipo, como la ultra y microfiltración. En los procesos MF y UF, la base de la separación es el efecto de tamiz, mientras que en RO este efecto es prácticamente inexistente.
Membranas en el proceso de RO
En el proceso de ósmosis inversa, se utilizan membranas asimétricas hechas de un polímero y membranas compuestas. El espesor de la capa activa suele ser de £ 1 mm, con la permeabilidad determinada por la capa activa. Los ésteres de celulosa, principalmente el di y el triacetato de celulosa, se usan generalmente para la producción de membranas de RO porque tienen propiedades hidrofílicas. El acetato de celulosa tiene baja resistencia térmica y microbiológica y se hidroliza a pH bajo y alto de la solución. Las poliamidas aromáticas, que no son muy resistentes al cloro libre, son otro material para fabricar membranas. La nueva generación de membranas RO son membranas compuestas en las que la capa activa y el soporte inferior están hechos de varios polímeros. El soporte suele ser una membrana normal de ultrafiltración (polisulfona) y la capa activa está hecha de polímeros tales como poliimidas, polibencimidazol, polibencimidazolato, poliamida hidrazina.
El polímero del que está hecha la membrana y la capa epidérmica de la membrana para RO para garantizar una alta selectividad:
– debe estar en estado vítreo,
– debe ser mecánicamente fuerte,
– la masa molar del polímero debe ser lo suficientemente alta y la distribución de la masa molar lo más baja posible,
– debe tener una alta resistencia hidrolítica (es decir, resistencia a la hidrólisis), de modo que la durabilidad de la membrana sea de 3-5 años,
– no debe ser biodegradable,
– debe ser resistente al cloro y otros oxidantes.
El uso de ósmosis inversa:
Del rango de aplicaciones potenciales de la ósmosis inversa, que son un desarrollo detallado de las instrucciones mencionadas anteriormente, las siguientes áreas parecen ser las más importantes:
– desalinización de agua de mar y agua salobre,
– concentración de aguas minas,
– concentrar el agua de enjuague en la fotografía para recuperar plata,
– recuperación de refrescos del agua de drenaje de una mina de carbón,
– tratamiento de aguas residuales de plantas de tintura textil,
– concentración de enjuagues de pulpa,
– concentración de agua de vertederos,
– ablandamiento del agua,
– concentración de licor de sulfito,
– concentración de aguas residuales que contienen disolventes.
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