taller de elaboración de membranas por ultra filtración
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“ELABORACIÓN DE MEMBRANAS DE ULTRAFILTRACIÓN”
Taller:
Presenta
Dr. Jesús Álvarez Sánchez
Obregón, Sonora 24 de Abril de 2013
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA
Índice
Tema Página
I. Introducción 1
II. Tipos de membranas 13
III. Aplicación de membranas 14
IV. Factores que afectan a las membranas y cuidados
26
V. Caracterización de membranas 37
VI. Métodos de preparación de membranas 47
VII. El método de inversión de fase 49
VIII. Agradecimientos 57
2
Introducción
¿Que es una membrana?
Es una barrera que impide el paso de ciertassustancias u organismos dependiendo de sutamaño de poro.
Se pueden preparar de distintos materiales como: Metales, cristales, cerámica y polímeros.
3
Introducción
Analogía de la formación de una membrana
Microporos de una membrana preparada por inversión de fase
Palillos chinos dispersados al azar
4
¿Qué es una membrana polimérica?
La barrera esta hecha por medio de cadenaspoliméricas o copoliméricas
Introducción
PolímeroCorte transversal
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164
Microporos de una membrana preparada por inversión de fase
5
Introducción
Estructura de membranas
Simétrica Asimétrica
Mark C. Porter. Handbook of Industrial Membrane Technology. Editorial: Noyes
Publications, pp. 1-23. 6
Introducción
Historia de las membranas
Abbe Nollet en 1748 descubrió elfenómeno de las ósmosis conmembranas naturales.
J.A. Nollet, Lecons de physique experimentale, Hippolyte-Louis Guerin and Louis-Francios Delatour, Paris, 1748. 7
Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Abbet Nollet 1748 Descubrimiento de la osmosis inversa con membranas naturales
Matteucci 1845 Investigaciones sobre anisotropía con membranas naturales
Graham 1866 Investigaciones sobre diálisis
Fick 1865 Primera membrana sintética a partir de nitrocelulosa
Graham 1866 Investigaciones para separar gases con membranas de caucho
Traube 1867 Investigaciones en ósmosis inversa con membranas sintéticas
Pfeffer 1877 Investigaciones en ósmosis inversa con membranas cerámicas
Gibbs y Van hoff
1877 Teoría del fenómeno de la osmosis
Donnan 1911 Ley de distribuciones
Abel 1926 Investigaciones sobre diálisis (prueba con animales)
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.8
Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Michaels,Manegold, McBain
1926-31 Investigaciones en osmosis inversa
Elder 1934 Investigaciones en electrodiálisis
Kammermeyer 1957 Separación de gases con silicona de caucho
Kammermeyer 1957 Pervaporación de mezclas azeotrópicas
Londsdale 1960 Investigaciones en membranas compuestas
Loeb y Surirayan
1962 Preparación de membranas asimétricas
Loeb y Surirayan
1962 Control del tamaño de poro en membranas
Mahon 1963 Membranas capilares
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 9
Introducción
Historia de las membranas
En 1960 Sidney Loed empezó los procesos de desalación por osmosis inversa en la Universidad de California en los Ángeles, USA (UCLA).
10
Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Michaels,Manegold, McBain
1926-31 Investigaciones en osmosis inversa
Elder 1934 Investigaciones en electrodiálisis
Kammermeyer 1957 Separación de gases con silicona de caucho
Kammermeyer 1957 Pervaporación de mezclas azeotrópicas
Londsdale 1960 Investigaciones en membranas compuestas
Loeb y Surirayan
1962 Preparación de membranas asimétricas
Loeb y Surirayan
1962 Control del tamaño de poro en membranas
Mahon 1963 Membranas capilares
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Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Goddard 1977 Modelos de transporte simple
Leblanc 1980 Membranas con cargadores inmovilizados
Yoshikawa 1986 Membranas con centros activos
Cussler, Aris, Brown
1989 Modelo de la cadena de transporte simple
Rautenbach 1990 Membranas en procesos híbridos
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Clasificadas en base a su tamaño de poro
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology. Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21.
Tipos de membranas
H2O
(0.2 nm)
Na+
(0.37 nm)
Diámetro de poro
Almidón
(10 µ)
Osmosis Inversa (OI)
Ultrafiltración (UF)
Microfiltración (MF)
Filtros
Bacteria
estafilococos
(1 µ)
Diminuta
pseudónima
(0.28 µ)
Virus de la
influenza
(100 nm)
Hemoglobina
( 7 nm) Sucrosa
( 1 nm)
13
Aplicación de las membranas
Separación Contacto
Funciones de la membranas
InmovilizaciónLiberación controlada
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AGRICULTURA
INDUSTRIA
MEMBRANAS
ENERGIA
CIENCIA
PROTECCIÓNDEL AIRE
PROTECCIÓNDEL SUELO
PROTECCIÓNDEL AGUA
DEFENSAFARMACIA
MEDICINA
REPRODUCCIÓN
SILVICULTURA
SEGURIDAD
LIMPIEZA
TECNOLOGÍA
ECONOMÍASALUD
ALIMENTOS
MEDIO AMBIENTE
PROTECCIÓN
SALUD
PROTECCIÓN
Aplicación de las membranas
15
Aplicación de las membranas
Tratamiento de aguas con Osmosis Inversa (O I)
Alimentación
de agua
Pretratamiento
-Aeración
-Filtración
-Coagulación
-Ajuste de pH
Energía
recobrada
OI
Concentrado
Mineralización
y desinfección
Postratamiento
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Aplicación de las membranas
Sistema hibrido para desalar agua
Permeado
OI
Salmuera
Condensador
Destilación
Agua purificada
Fondos
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Aplicación de las membranas
Industria Química
Purificación de agua y sustratos. Recuperación y concentrado de sustratos. Recirculación de catalizadores. Recirculación de solventes. Recuperación de solventes a partir de desechos. Recuperación de limpiadores de cristal. Purificación y recuperación de ácidos. Filtración de aminas y glicoles.
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Aplicación de las membranas
Recuperación de solventes orgánicos en procesos de extracción
Aceites pesados
Solventes
pesados Condensador
Vapor
Aceite purificado
Permeado
Columna de extracción
Asfáltenos
Concentrado
Agua fría
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Aplicación de las membranas
Industria farmacéutica
Agua para inyecciones e infusiones. Purificación y concentrado de enzimas. Digestión continua en birreactores. Producción de anticuerpos monoclonales. Esterilización de productos y sustratos. Producción de ácidos orgánicos. producción de enzimas. Agua para diálisis. Cultivo de tejidos.
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Producción de antibióticos (cefalosporina)
Aplicación de las membranas
Separación y
purificación de células
Proteína y
remoción de
color
Separación de
antibiótico Purificación de
antibiótico
Bioreactor
OI
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Aplicación de las membranas
Biotecnología
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Aplicación de las membranas
Obtención de glucosa a partir de almidón
Enzima
Almidón
Filtro de
tambor
Glucosa
Reciclado de polisacárido
Bioreactor Bioreactor Bioreactor
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Aplicación de las membranas
Medicina
Aire y agua limpia.
Riñón artificial.
Pulmones artificiales.
Piel artificial.
Páncreas artificial.
Liberación controlada de
fármacos.
Bombas osmóticas.
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Riñones artificiales
Aplicación de las membranas
Agua
Mezclador
estático
Solución salina
fisiológica
Desgasificador
Unidad de diálisis
(UF)
Circulación de sangre
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Factores que afectan a las membranas y cuidados
Carbonato de calcio (CaCO3).
Sulfatos de calcio, bario o estroncio (CaSO4, BaSO4 y SrSO4) .
Óxidos metálicos (hierro, manganeso, cobre, níquel, aluminio, etc.).
Sílice polimerizada (SiO3n).
Deposito de coloides inorgánicos.
Deposito de mezclas coloidales orgánicas e inorgánicas.
Incrustantes
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Factores que afectan a las membranas y cuidados
Incrustantes
Materia orgánica natural (NOM).
Materia orgánica hecha por el hombre
(antiincrustantes/dispersantes, polielectrolitos cationicos).
Biológicos (crecimiento bacterial, algas, moho u hongos).
La cloración.
Compactación.
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Características que indican que una membrana necesita mantenimiento.
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Decremento del 10-15 % en el flujo de permeado normalizado. Decremento del 10-15 % en la calidad del permeado. Incremento 10-15 % en la caída de presión normalizada.
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Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 1: Solución acuosa a un pH bajo (pH= 4) 2 % en peso
de ácido cítrico, elimina incrustantes como: carbonato de calcio,
sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio, óxidos
metálicos e hidróxidos (Fe, Mg, Ni, Cu y Zn). Mejor desempeño
ajustando pH mas elevado con hidróxido de amonio.
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Ácido cítrico
29
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
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Solución 2: Solución acuosa a un pH alto (pH= 10) 2 % en
peso de trisfosfato de sodio (Na5P3O10, STPP) y 0.8 % de sal
de sodio del ácido etilendiaminotetraacético (Na-EDTA),
elimina incrustantes como: sulfato de calcio, orgánicos, iones
metálicos, cationes divalentes y trivalentes.
30
Trisfosfato de sodio
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
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Solución 3: Solución acuosa a un pH alto (pH= 10) 2 % en
peso de trisfosfato de sodio (Na5P3O10, STPP) y 0.25 % sal
sódica del dodecilbenceno sulfonato (Na-DDBS), elimina altos
niveles de incrustantes orgánicos de origen natural.
31
Trisfosfato de sodio
Solución 4: Solución acuosa a un pH bajo (pH= 2.5) 0.5 % en
peso de ácido clorhídrico (HCl) elimina incrustantes como:
carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato
de estroncio, óxidos metálicos e hidróxidos (Fe, Mg, Ni, Cu y
Zn).
Solución mas agresiva que la solución 1.
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
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Solución 5: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 1 % en
peso de hidrosulfito de sodio (Na2S2O4) elimina incrustantes
como: óxidos metálicos e hidróxidos y en menor medida
Sulfatos de calcio, bario y estroncio.
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
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Hidrosulfito de sodio
Solución 6: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 0.1 % en
peso de hidróxido de sodio (NaOH) y 0.03 % dodecilsulfato de
sodio, elimina incrustantes como: crecimiento bacterial, algas,
moho u hongos, mezclas coloidales orgánicas/inorganicas .
Régimen agresivo de limpieza.
Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
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Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14
Solución 7: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 0.1 % en
peso de hidróxido de sodio (NaOH) se emplea para remover
sílice polimerizada.
Régimen agresivo de limpieza.
35
Incrustante Solución limpiadora ligera
Solución limpiadora agresiva
Carbonato de calcio 1 4
Sulfato de calcio, bario y estroncio 2 4
Óxidos metálicos e hidróxidos ( Fe, Mn, Zn y Al)
1 5
Coloides orgánicos 1 4
Mezcla de coloides orgánicos/inorganicos
2 6
Sílice polimerizada - 7
Materia biológica 2 3 o 6
Materia Orgánica (NOM) 2 3 o 6
Resumen de los tratamiento
Factores que afectan a las membranas y cuidados
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Caracterización de membranas
• Angulo de contacto.
• Rechazo de sales.
• Flujo de permeado.
• Valor A.
• Microscopia electrónica de Barrido (SEM).
• Microscopia de Fuerza Atómica (AFM).
• Espectroscopia de Infrarrojo por ATR.
• Espesor de membranas.
37
Angulo de contacto
Caracterización de membranas
38
Caracterización de membranas
Valor A.
39
Valor A = Flujo volumétrico
Área*Presión
Se emplea agua desionizada
Área= 3.43 in2
Presión = 20 Psia
Rechazo de sales y Flujo de permeado.
Caracterización de membranas
40
Flujo de permeado
Volumen
Δt
=
Rechazo de sales (R)
R= (1-Cp/Cf)*100
Cp = Na2SO4 del permeado
Cf = Na2SO4 de alimentación
Caracterización de membranas
ATR-FTIRFTIR
Espectroscopia de Infrarrojo por ATR
41
Espectro de espectroscopia de infrarrojo
Caracterización de membranas
Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)
Principio básico
42
Caracterización de membranas
Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164 43
SEM
Caracterización de membranas
Figura 1. Diatomea observada en la
modalidad de bajo vacío del SEM.
Microscopia electrónica de Barrido (SEM)
44
Caracterización de membranas
Microscopia electrónica de Barrido (SEM)
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164 45
Espesor de membranas
Caracterización de membranas
Micrómetro
46
Métodos de preparación de membranas
Membranas
simétricas Extrusión
Expansión de películas
Lixiviado en plantillas
Inversión de fase
Vía nucleación
Sinterizado
Fundición
Poro
Difusión
Selección de
iones
Microfiltración
Ultrafiltración
Diálisis
Permeación de
gases
Poro
Electrodiálisis
Estructura de la
membrana
Método de
elaboración
Método de
separaciónAplicación
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology. Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21. 47
Métodos de preparación de membranas
Membranas
asimétricas
Inversión
de fase
Recubrimientos
compuestos
Polimerización
interfacial
Polimerización por
plasma
Técnica de pre-
recubrimiento
Poro
Difusión
Microfiltración
Ultrafiltración
Permeación de gases
Estructura de la
membrana
Método de
elaboración
Método de
separaciónAplicación
Difusión
Poro
Pervaporación
Osmosis Inversa
Ultrafiltración
Permeación de gases
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology. Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21. 48
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
La polisulfona (PS) es disuelta en N-Metil-Pirrolidona
(NMP), para formar una solución que contenga una
concentración del 20 % en peso de PS (puede ser 10 al 30%).
Polisulfona
Pesar 20 g de polisulfona
Pesar 80 g de NMP (solvente)
49
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Agitación en rodillos por 24 h mínimo.
La polisulfona se agrega por partes
50
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Se puede usar una lámpara para solubilizar mas rápido y agitación manual
51
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Medidas del papel
68.5 cm
30.6 cm
1.3 cm
Material para recortar el papel
52
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Se pega el papel y calibración de la navaja (espesor= 7 milipulgadas)
Limpieza de la maquina53
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
La solución de PS es distribuida en un soporte, con un
grosor de película que mide entre 6-7 milipulgadas.
Calibrador
Navaja de distribución
Distribución de la solución
54
Para que la película pase a la fase sólida, es
sumergida en agua desionizada.
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Dejar por 5 minutos
Lavado con agua desionizada 55
El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Conservación de la membranas con solución acuosa de EDTA 0.5 Molar. Depositar 10 gotas en una bolsa que contenga 40 mL de agua desionizada y sellar la bolsa. Regular pH a 6 con hidróxido de sodio o potasio.
Ácido etilendiaminotetraacético (EDTA)
Mantener a 5 °C
56
Agradecimientos
PROFAPI
Cuerpo Académico de
Ingeniería de Procesos
(CAIP)
57
¡¡¡Gracias por haber
asistido!!!
Ubicación del taller práctico: LV-
900 lab. de Ing. Química, interior
LV-912 Equipos Especiales.
58
68.5 cm
1.3 cm
59
60
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