UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS FARMACEUTICAS, BIOQUIMICAS Y BIOTECNOLOGICAS

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA BIOTECNOLÓGICA

OPERACIONES DE MEMBRANA

DOCENTE: ING. JAVIER ROQUE RODRIGUEZ

CURSO : OPERACIONES UNITARIAS

FECHA DE ENTREGA: 29 DE MAYO DEL 2012

ALUMNOS : CRUZ ZÚÑIGA KARLA ALEJANDRA

EIZAGUIRRE ROJAS ENRIQUE

GUZMAN PONCE KATHERINE

VERA LLAMOCA NATALY

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INDICE

OPERACIONES DE MEMBRANA MF UF NF OR 3

CARACTERIZACION DE LAS MEMBRANAS 3

OPERACIONES DE MEMBRANA 5

MICROFILTRACION EN TRATAMIENTO DE AGUA SUPERFICIALES 7

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS MEMBRANAS TUBUAR Y FIBRA HUECA PARA MICROFILTRACION 9

ULTRAFILTRACION 12

APLICACIÓN DE LA ULTRAFILTRACION EN BIOTECNOLOGIA 13

MEMBRANAS DE ULTRAFILTRACION 14

NANOFILTRACION 17

APLICACIÓN DE LA NF REVERSA EN BIOTECNOLOGÍA 19

OSMOSIS REVERSA 19

MODELO DE SOLUCION-DIFUSIÓN EN MEMBRANAS DE OSMOSIS 20INVERSA

SELECTIVIDAD DE MEMBRANA 21

CONCLUIONES 21

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OPERACIONES DE MEMBRANA MF UF NF OR

TAREA: La tarea de esta operación unitaria es la separación solido líquido, líquido líquido y liquido gas.

DEFINICION DE MEMBRANA: Es una barrera que puede ser solida o no que separa en dos fases en función al tamaño de partícula.

CLASIFICACION DE LAS MEMBRANAS

POR SU NATURALEZA

Integrales Compuesta de capa fina

POR SU FORMA

Planas TubularesFibra hueca

POR SU COMPOSICION QUIMICA

NaturalesSintéticas

CARGA SUPERFICIALNeutras CatiónicasAniónicas

MORFOLOGIALisas Rugosas

CARACTERIZACION DE LAS MEMBRANAS

Podemos considerar algunas características como:

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Tamaño del poro Distribución del poro Volumen libre Cristalinidad

Y también encontramos algunos factores:

Rechazo Factor de separación Factor de enriquecimiento

La membrana ideal para la filtración con flujo transversal debe tener una porosidad alta y poca distribución de tamaño de poro, con los poros mas grandes se retienen las partículas ligeramente más pequeñas.

Los poros de las membranas podemos clasificarlos en:

Macroporos: diámetro mayor a 50 nm Mesoporos: diámetro entre 2nm y 50nm Microporos: diámetro menor a 2nm

Operación Fuerza motriz Poro Principio

Microfiltración Dif. presión (0.1 - 1 bar) Macroporo Filtración

Ultrafiltración Dif. presión (0.5 - 10 bar) Mesoporo Filtración

Nanofiltración Dif. presión (5 - 20) Microporo Filtración/Interacción Solución difusión

Tabla 1: Clasificación de los poros de membrana

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Figura 1: Diámetro del poro de membranas para cada operación unitaria

OPERACIONES DE MEMBRANA

Podemos definir las operaciones de membrana como aquella en la que existe una corriente de alimentación que al hacer contacto con la membrana se divide en dos que son el permeado que atraviesa la membrana y el retentato concentrado o retenido que contiene la materia que no atraviesa la membrana.

Se puede clasificar las operaciones de membrana de la siguiente manera:

1. MICROFILTRACION2. ULTRAFILTRACION3. NANOFILTRACION4. OSMOSIS REVERSA

Para que estas operaciones se lleven a cabo se necesita de un fuerza motriz o DRIVING FORCE cada una de las operaciones tiene un mecanismo

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  DRIVING FORCE

MECANISMO

MICROFILTRACION: AP EXCLUSIONULTRAFILTRACION AP EXCLUSIONNANOFILTRACION AP SOLUCION

DIFUSIONOSMOSIS REVERSA AP DISOLUCION

DIFUSION

Tabla 2: Mecanismos de operaciones de membrana

MICROFILTRACION

La microfiltración consigue la eliminación de contaminantes de la alimentación de un proceso de separación basado en la retención de contaminantes sobre la superficie de la membrana-poro eliminan partículas y microbios.

Las membranas empleadas en este proceso son de estructura simétrica y microporosa con tamaño de poro entre 0.1 µm a 10 µm. La diferencia de presión varía entre 0.1 y 2 atm de pesos moleculares mayores a 100.000 daltons.

Se utiliza para la remoción de partículas, bacterias, coloides y las macromóleculas orgánicas de una solución acuosa en las plantas de tratamiento de aguas.Una parte de la contaminación viral es atrapada en este proceso ya que, a pesar de que los virus son de menor tamaño que los poros de la membrana, éstos se pueden acoplar a las bacterias.

Este proceso presenta los poros más amplios en la categoría de las membranas, por lo tanto el gasto energético para bombear la solución no es muy elevado y al mismo tiempo se tiene un caudal mayor que atraviesa la membrana.

El proceso se realiza a baja presión, la membrana es semipermeable permitiendo separar sólidos suspendidos del agua, dejando pasar sales y macromoléculas.

Este proceso de membrana está dirigido a reemplazar cuatro procesos unitarios en el tratamiento convencional del agua: mezcla rápida, coagulación, floculación y medios filtrantes. En comparación con el tratamiento convencional, la MF es un proceso físico que elimina contaminantes por cribado.

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Para realizar procesos de micro filtración de manera óptima es muy importante seguir una serie de normas que nos facilitarán las tareas y mejorarán los resultados:

1.- El volumen de la muestra a filtrar: Es importante tener en cuenta cual será el volumen de la muestra que queremos filtrar.

2.- El poro de la membrana: Según la finalidad de la filtración, necesitamos un diámetro de poro concreto.

3.- El material del filtro: En primer lugar es importante conocer la naturaleza de la muestra fluído (gas o líquido). En caso de gas, la membrana debe ser de PTFE.

La micro filtración puede ser aplicada a muchos tipos diferentes de tratamientos de agua cuando se necesita retirar de un líquido las partículas de un diámetro superior a 0.1 mm.

Figura2: Sistema de fitrado por Membrana

MICROFILTRACION EN TRATAMIENTO DE AGUA SUPERFICIALES

Hay varias aplicaciones de la MF en la industria del agua potable, su uso se debió principalmente a una mejor eliminación de partículas y microorganismos de los suministros de agua potable. Además de disminuir la cantidad y concentración de productos químicos utilizados. Otra aplicación de esta técnica es la eliminación de materia orgánica natural o sintética de la siguiente manera precribado, pretratamiento, MF y desinfección. Los dos pretratamientos más comunes son adición de coagulante metálico y carbón activo en polvo. Ambos han conseguido una mejor eliminación de la materia orgánica natural o sintética. Otra aplicación de MF incluye la deshidratación de los lodos y la eliminación de materia

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coloidal en corrientes de rechazo antes del tratamiento por OI.

Figura 3. Planta de tratamiento de aguas

1. Selección del modulo de MF

Geometría del módulo

Hay varias tecnologías geometrías disponibles comercialmente:

Arrollada en espiral. Tubular. Fibra hueca. Capilar. Disco tubo. Plato y bastidor.

La arrollada en espiral no es muy empleada en esta configuración debido a la naturaleza de la membrana de hoja plana, que presenta dificultades para mantener la superficie de la membrana limpia. Sin embargo las de fibra hueca y la tubular permiten a la membrana ser retrolavadas, para controlar el ensuciamiento debido a partículas y materiales orgánicos.

Membranas capilares de fibra hueca

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Esta configuración permite ser retrolavada. Hay dos diferentes regímenes de flujo en la MF por fibra hueca: Interior - exterior y exterior-interior. Como el agua esta fluyendo a través de un canal el interior-exterior permite un buen control hidrodinámico del módulo. Por otro lado es más difícil controlar el flujo exterior-interior(si es flujo cruzado) ya que se crean zonas muertas, sin embargo una ventaja de esta distribución es que hay menos pérdidas de carga.

Membranas tubulares

En MF estas membranas tiene mayores diámetros (1 a 2,5 cm), aquí algunas veces se suelen utilizar ayudantes de filtración (caolín o caliza) para formar una torta y mejorar la filtrabilidad del agua.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS MEMBRANAS TUBUAR Y FIBRA HUECA PARA MICROFILTRACION

VentajasBajas velocidades de flujo cruzado, en el rango de 0 a 2,5 m/s.Modelo de flujo interior-exterior, las tasas de restricción son altas debido a las pequeñas luces del interior de la fibra.Elevada área superficial/volumen o densidad de compactación de membranasSe puede retrolavar.Bajas presiones transmembrana, normalmente de 0,2 a 1 bar.Baja caída de presión a través del módulo, en el rango de 0,1 a 1 bar.

DesventajasMembranas de diámetro pequeño se pueden taponar, a no ser que se aplique un precribado.Dificultad de detectar fugas de la membrana en las grandes plantas.

2.- Postratamiento

Las membranas de MF parecen seleccionar bacterias, quistes y ovoquistes protozoarios. De modo distinto a la UF, sin embargo la MF no elimina densidades apreciables de virus bajo las condiciones de sedimentación. Por lo tanto es necesario complementar la MF con una desinfección postmembrana.

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3.- Calidad del agua permeada

Eliminación de microorganismos

Una de las aplicaciones principales de la MF es la eliminación de microorganismos. Para un mejor uso de la MF es útil identificar los organismos y su tamaño. En el tratamiento de agua, los organismos patógenos principales son: virus, bacterias y protozoos. El tamaño de los poros de MF es de 0.05-5 m. Se ha demostrado que la formación de la capa de torta sobre la superficie de la membrana puede incrementar la eliminación de virus, sin embargo estudios de laboratorio arrojaron mejores resultados para la membrana de UF que la de MF para la remoción de virus. Para bacterias las de UF y MF reportaron iguales resultados.

Eliminación de partículas

Esta es una de las aplicaciones de la MF. El sistema de MF de fibra hueca de polipropileno redujo la turbidez de un agua superficial y la eliminación de partículas. Al usar membranas tubulares cerámicas, se encontró que la turbidez del permeado depende del tamaño del poro.

4.- Operación y mantenimiento de la MF

Los sistemas son operados básicamente de dos maneras:

A caudal constante de agua a través de la membrana con presión variable. A presión constante a través de membrana con un caudal de agua transmembrana

variable.

Estos dos modos se utilizan para asegurar una tasa constante de producción, el inconveniente más común es la disminución del caudal transmembrana por ensuciamiento. Hay varias formas de restablecer el caudal permeado

1. Retrolavado de membranas.2. Pretratamiento de membranas.3. Limpieza de membranas.

Retrolavado de membranas

Para prevenir la acumulación de sólidos sobre la superficie de la membrana, ser usa el retrolavado, el cual dura solo unos minutos. Ambos, líquido y gas de retrolavado, se emplean con la MF. El retrolavado líquido que se lleva a cabo de dentro hacia a fuera de las membranas, puede realizarse automáticamente ya sea cuando la presión alcanza un valor o cada cierto tiempo.

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Pretratamiento de MF

Este se emplea para incrementar la eliminación de ciertos constituyentes presentes en el agua, también se utiliza para incrementar o mantener el caudal a través de la membrana y/o retrasar el ensuciamiento. Los dos tipos más comunes de pretratamiento son adición de coagulantes o de carbón activado en polvo. Los coagulantes que se han utilizado son sulfato de aluminio o sulfato férrico en concentraciones de 5 a 50 mg/L. Los coagulantes metálicos son inyectados normalmente a través de la línea de alimentación de agua bruta.

Limpieza química

Se utiliza cuando los materiales ensuciadores no pueden ser retirados de la membrana por retrolavado. Las variables que se deben tener en cuenta son:

Frecuencia de limpieza. Duración de la limpieza. Productos químicos. Volúmenes de limpieza y detergente. Temperatura de limpieza. Recuperación y reutilización de los productos químicos. Neutralización y puesta a disposición de los productos químicos de limpieza.

5.- Prueba de integridad de la membrana

Uno de los aspectos más críticos al utilizar tecnologías de membrana es asegurar que están intactas y continúan suministrando una barrera entre el agua de alimentación y el permeado. Los métodos más utilizados para evaluar las condiciones de la membrana son:

Monitorización de la turbidez. Conteo de partículas (contaje multicanal). Monitorización de partículas (contaje de canal único). Prueba de presión de aire. Prueba del punto de burbuja. Onda sonora sensible. Monitorización biológica.

6.-Aplicación de la microfiltración en la Biotecnología

Esterilización por frío de bebidas y productos farmacéuticos.

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Aclaramiento de zumos de frutas, vinos y cerveza. Separación de bacterias del agua (tratamiento biológico de aguas residuales). Tratamiento de efluentes. Separación de emulsiones de agua y aceite. Pre-tratamiento del agua para nano filtración y ósmosis inversa. Separación sólido-líquido para farmacias e industrias alimentarias.

ULTRAFILTRACION

La ultrafiltración es el tipo de Filtración que utiliza membranas para separar diferentes tipos de sólidos y líquidos. El tamaño de poro no es tan fino como en la Nanofiltración y tampoco requiere tanta energía para efectuar la separación, y es más pequeño que el de las membranas de microfiltración. Es una operación que emplea membranas especiales en diferentes tipos de arreglos para separar macromoléculas en solución de contaminantes más pequeños, por medio de un gradiente de presión

La Ultrafiltración es capaz de concentrar sólidos suspendidos, bacterias, algunas proteínas, algunos colorantes y compuestos con un peso molecular mayor a 150,000 Daltons.

Los campos en los que se aplica la ultrafiltración son: La industria de productos lácteos (leche, queso), la industria alimentaria (proteínas), la industria del metal (separación de emulsiones agua / aceite, tratamiento de pinturas), la industria textil.

Figura 4: Procesos de membrana - Ultrafiltración

• Objetivo de la Ultrafiltracion

Concentración de una solución diluida Diafiltracion de una solución con solutos indeseables pequeños

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Purificación de una solución que contiene solutos indeseables grandes

Parámetros de Operación

Presión Temperatura Concentración de la solución Velocidad tangencial

Ventajas de la Ultrafiltracion

Este proceso tiene la ventaja de retener las sales minerales beneficiosas que se encuentran en el agua.

Mejoran el gusto natural del agua ya que solo remueve impurezas y mantiene el agua filtrada dentro de los estándares de la purificación microbiológicas.

APLICACIÓN DE LA ULTRAFILTRACION EN BIOTECNOLOGIA

Las membranas y los procedimientos de separación tienen un campo importante de aplicación en los procesos bioquímicos de separación y purificación, así como en las técnicas de control de procesos. Las principales aplicaciones actuales se refieren al cultivo y separación de microorganismos y enzimas, a los reactores de membranas y a la producción de agua ultrapura.

La primera dificultad que se presenta, en la recuperación de la mayoría de los productos biológicos, es su elevado grado de dilución y la variedad y complejidad de los diferentes componentes que resultan de interés, así como sus diferencias de tamaño y los diversos medios en que se encuentra. La centrifugación y la filtración bajo vacio han sido las técnicas generalmente utilizadas, pero presentan en muchos casos serios inconvenientes, debido a que la densidad de los productos que interesan difieren poco de la del medio que los contiene. Además, suele tratarse de sustancias gelatinosas y compresibles, lo que favorece la formación de depósitos, lo cual dificultad el filtrado. Precisamente estos factores no tienen tanta influencia en la ultrafiltración o e la microfiltración tangencial, por lo cual, la utilización de estos procesos se encuentra muy extendida

Cuando se trata de separación y purificación de productos de bajo peso molecular, se puede utilizar la osmosis inversa. Esta tiene la ventaja de que puede realizarse a temperatura ambiente, e incluso inferior si fuera necesario; dado que los productos que se

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presentan en biotecnología suelen ser termolábiles, el interés de la osmosis inversa es evidente. Sin embargo hay que tener en cuenta los condicionamientos lógicos en este tipo de proceso, como son: las gradientes de presión osmótica presentes y el elevado costo de instalación.

En la industria química, farmacéutica y de productos alimenticios, se emplean, con frecuencia, enzimas y microorganismos con el fin de mantener o acelerar los procesos de trasformación química y biológica necesarios. En tales procesos es interesante conseguir la inmovilización, o al menos la recuperación, de dichas sustancias. Con ese fin, una posibilidad es usar membranas semipermeables sintéticas, de naturaleza y propiedades adecuadas, para que puedan servir de medio de separación entre los productos de la reacción y el biocatalizador.

Se consiguen diversas ventajas con la utilización de los biorreactores de membrana, destacando su mayor eficiencia, puesto que el proceso se realiza en continuo y permitiendo concentraciones mas elevadas del biocatalizador, que se recupera y se reutiliza. El mejor control del medio, una producción mas aséptica y la facilidad para la extracción de los productos inhibidores y de finalización, son otras ventajas frente a los reactores tradicionales o de funcionamiento discontinuo, en los que las enzimas o cultivos microbianos se emplean en forma libre o en disolución.

MEMBRANAS DE ULTRAFILTRACION

Una membrana de UF puede tener un diámetro de poro de 20 - 1000 Angstrom, sin embargo su habilidad para separar moléculas disueltas en el agua es medida por el peso molecular más bajo de macromoléculas que separa, tales como proteínas y orgánicos mayores. La mayoría de las membranas de ultrafiltración tienen un corte molecular entre 1.000 y 100.000, con presiones de operación recomendadas entre 1,4 y 14 bar. Este método de medición es denominado Corte de Peso Molecular (MWCO).

Las membranas de ultrafiltración se fabrican con diseños diferentes. Las membranas enrolladas en espiral están compuestas con varias láminas de membrana plana alrededor de una tubería central que suministra el agua que recibirá el tratamiento. Las configuraciones de fibra fina hueca utilizan un grupo de miles de tubos huecos que están construidos con material de la membrana. Los ultrafiltros, como los microfiltros usualmente se encuentran en una configuración de fibra hueca.

Debido a que las membranas de ultrafiltración son una tecnología de tratamiento físico, están sujetas a limitaciones físicas. El agua que contiene abundantes particulados o materiales orgánicos puede obstruir las membranas. Algunas aguas, particularmente el agua superficial, quizá necesite tratamiento previo antes de pasar por un sistema de

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membrana. Estos sistemas producen también pequeños volúmenes de solución altamente concentrada que debe ser eliminada apropiadamente.

Las membranas se clasifican según el tamaño de las moléculas que ellas pueden filtrar —Límite nominal de peso molecular o NMWC. La ultrafiltración utiliza tamaños de poro desde 0,01 hasta 0,03 micras y es eficaz para tamaños NMWC de 10.000 Daltons o más.

Las membranas se construyen con diferentes materiales, los cuales tienen sus pros y contras. La selección de la membrana correcta para las condiciones existentes puede ser un desafío para los administradores de sistemas de tratamiento de agua.

A menudo se utiliza para eliminar arena, limo, arcilla, algas, bacterias, Giardia, Criptosporidium, y virus. Todas las sales disueltas y pequeños pesos moleculares pasan a través de la membrana de ultrafiltración.

Configuración Tubular

La membrana tubular es en alguna forma la configuración mas simple en que la membrana se moldea sobre la pared o cara interior del tubo soporte poroso, Estos tubos tienen diámetros de 6 a 25 nm, siendo la de 13 nm. la membrana mas usada comúnmente en el tratamiento de aguas residuales. Son menos propensas a ensuciarse que las membranas en otras configuraciones. A causa de que proporcionan un camino hidrodinámico simple al flujo; se limpian mecánicamente de una manera mas sencilla.

La desventaja del diseño tubular es su costo y la baja densidad de empaquetado de los módulos de las membranas. Una ventaja opcional importante de las membranas es que estas pueden tolerar cargas mucho mayores de materias en suspensión que cualquier otra configuración y que pueden, por otra parte, ser operadas con un pretatramiento del agua de alimentación relativamente sencillo

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Figura 5: Modulo de Configuración Tubular

Configuración Arrollada en Espiral

La membrana es esencialmente una hoja plana arrollada en una configuración de rollo de gelatina o rollo Suizo. Una envolvente de dos membranas incluyendo o encerrando un espaciador de permeado que esta sellado a lo largo de 3 lados y el cuarto lado esta conectado y laminado dentro de un tubo perforado que lleva el agua producto. El espaciador o separadora no solo mantiene abierto un canal de corriente de alimentación, sino que también cumple la importante función de mezclado inducido, para reducir la concentración de polarización y aumentar la transferencia de masa con baja energía de entrada.

El líquido de alimentación fluye longitudinalmente, en tato que el permeado discurre entre las membranas hacia el tubo perforado, en el que es recogido. Pueden disponerse en serie. Sin embrago estos elementos tienden mas al ensuciamiento que los de soporte tubular, pero son mas resistentes que as membranas capilares

Figura 6: Modulo de Configuración Espiral

Configuración de Placa y Marco

Las membranas de hoja plana se usan en módulos de placa y bastidor. La solución de alimentación fluye a lo largo de estrechos pasajes, atravesando los conjuntos de

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membranas que puedan ensamblarse a partir de las membranas individuales intercambiables o paquetes de membrana intercambiables.

Los costes de membrana son bajos, pero los costos de trabajo de reemplazo son altos. Las unidades pueden desmontarse para permitir el acceso para limpieza manual.

Figura 7: Modulo de Configuración Placa y Marco

Confección de Membranas de Ultrafiltración

Los polímeros más empleados en la confección de membranas de ultrafiltración es la polisulfona. La polisulfona que proviene de la reacción entre la sal sódica de bisfenol A y di-p-diclorodifenilsulfona. Esta presenta una notable estabilidad térmica, resistencia a condiciones extremas de pH (entre 1 y 13), buena resistencia a agentes oxidantes y capacidad de ser configurada en diferentes geometrías.

Las membranas se fabrican de acuerdo al método de inversión de fases, cuyo procedimiento comienza típicamente con una solución polimérica que se convierte en gel, preparado en forma de películas delgadas para ser usadas posteriormente como capas en las membranas (lo que las define como asimétricas); esto ya sea como proceso batch o continuo, permitiendo obtener material de diferentes características de selectividad y permeabilidad, modificando la formulación química y las condiciones de síntesis del filtro.

NANOFILTRACION

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Es el proceso de filtración por membranas operadas bajo presión (0.5 – 1.5 Mpa) en la que los solutos de bajo peso molecular (1000 daltons) y tamaño 0.5 a 1.5 nm son retenidos son permeados los iones monovalentes.

La nanofiltración utiliza dos mecanismos:

1. Permeación a través de un microporo

2. La solución de difusión en la matriz de membrana

Se utilizan membranas microporosas entre los principales polímeros sintéticos utilizados tenemos:

- Celulosa y derivados

- Poliacrilo nitrilo

- Poliamida modificada

- Polisulfona

- Oxido de polifenilo

- Polibenzo imidazol.

La estructura microporosa con un diámetro inferior a 2nm de las membranas de nanofiltración es muy difícil de caracterizar no existen métodos directos para medir los microporos entre las técnicas utilizadas están la adsorción de nitrógeno, la RMN de Xenón o la aniquilación de positrones.

La nanofiltración es usada comúnmente para separar metales pesados, tiene ventajas frente a la osmosis inversa por usar membranas menos finas, la velocidad con la que se acumula la suciedad es menor y utiliza menos presión que la osmosis inversa.

Aplicaciones

Desalinización de agua salobre y agua de mar para producir agua potable.

Producción de agua ultrapura para la industria de los semiconductores.

Ablandamiento retención de iones bivalentes tales como Ca2 +, CO32-.

Separación especifica de metales pesados.

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Retención de microcontaminantes y microsolutos tales como: herbicidas, insecticidas, pesticidas, tintes, azúcar.

APLICACIÓN DE LA NANOFILTRACION EN BIOTECNOLOGÍA

En biotecnología interesa la retención de iones bivalentes que dan la dureza al agua, y que trae como consecuencia la formación de incrustaciones en las calderas. Estas membranas pueden alcanzar una retención de los iones de calcio y magnesio en un intervalo de58 a 95%.

Además la retención es alta para microsolutos y se pueden retener componentes que tienen bajo peso molecular como tintas , con esto se podría ayudar a una limpieza biológica.

Figura 8: Retención en la Nanofiltración.

OSMOSIS REVERSA

La osmosis es el fenómeno natural del paso del agua a través de una membrana semipermeable desde una zona de menor concentración de solutos a otra más concentrada, debido a la diferencia de Potencial químico entre ambas fases líquidas. Esto provocará una presión diferencial a través de la membrana conocida como diferencia de presión osmótica. Si se aplica una presión superior a tal, se produce una inversión del fenómeno natural. Bajo tales condiciones, el agua fluye de la solución concentrada a la solución diluida. En osmosis inversa el agua (solvente) permea preferentemente a través de la membrana. Esto ocasiona un aumento creciente en la concentración de solutos y en la presión osmótica de la solución por el lado del concentrado, frenando el proceso. Los solutos pueden ser de naturaleza orgánica (azúcares, péptidos, etc.) o inorgánica (cloruro de sodio, carbonato de calcio, etc.) con dimensiones entre 1 y 50 Å.

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Dependiendo del tipo de membrana y de las condiciones de operación, la osmosis inversa puede retener entre 90 y 99.9% de los compuestos en solución, valores que dependen de la dimensión molecular, diferencia de solubilidad y difusividad relativa de los compuestos en solución. Las membranas de osmosis inversa no tienen poros, por lo que el transporte de materiales se verifica mediante mecanismos de disolución en el polímero constituyente de la membrana.

Figura 9: Osmosis inversa

MODELO DE SOLUCION-DIFUSIÓN EN MEMBRANAS DE OSMOSIS INVERSA

Para describir el transporte de materia en membranas de osmosis inversa se emplea usualmente el modelo de Solución-Difusión. Este modelo asume tres etapas: sorción , difusión y desorción. Las moléculas de solvente (agua) que están en contacto con la membrana se disuelven en el polímero constituyente, luego difunden a través de la misma como moléculas individuales, y finalmente se desorben para formar la corriente de permeado.

Los solutos disueltos (sales) se desplazan a través de la membrana a una velocidad menor que la del agua, porque tanto su solubilidad como difusividad es menor. Esto determina la separación neta entre solvente y solutos. La etapa controlante es la de difusión a través del polímero por lo que las ecuaciones del modelo son similares a la ley de Fick para difusión molecular:

D: Coeficiente de difusividad de materia del componente “i” en la membranaCi: concentración del componente “i”

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Una fracción importante de la energía utilizada en osmosis inversa se ocupa en contrarrestar la presión osmótica de la alimentación, π, la cual se describe mediante la siguiente relación:

SELECTIVIDAD DE MEMBRANA

La selectividad de la membrana se cuantifica a través del rechazo, ξ, cuya expresión es:

Donde:

Cb: concentración de solutos en la alimentación Cp: concentración de solutos en el permeado.

Figura 10: Modulo de membrana de Osmosis inversaDebido a que la concentración por el lado de la alimentación se incrementa debido a la permeación preferencial de solvente, variando desde Cb hasta Cc, con Cb < Cc, suele definirse el coeficiente de rechazo ξ de acuerdo a la siguiente ecuación:

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