Universidad Central de VenezuelaFacultad de Ingeniería

Escuela de Procesos Industriales

Procesos de separación por Membranas

Bachilleres: Ramírez Dana Zacarias Carlos

Curso: Aplicaciones de la Química a la actividad industrial.

Procesos de Separación por Membranas

Representan un conjunto de tecnologías basadas en el transporte selectivo de uno o más componentes de una mezcla líquida o gaseosa, a través de una membrana semipermeable. Tales procesos se aplican tanto en la concentración como en el fraccionamiento de iones, moléculas y macrosolutos.

Las Membranas

Una membrana se concibe como una fase semipermeable que restringe el paso de determinadas especies. Esto es, esencialmente, una barrera interpuesta entre la corriente alimentada y la corriente producto de esta interposición (Figura 1).

Tipos de Membranas

Membrana en Espiral: a causa de su diseño compacto y su magnitud de área de membrana por elemento, los espirales se utilizan típicamente para aplicaciones de alto flujo con cantidades mínimas de sólidos es suspensión. Su ventaja reside en su bajo material y costo operativo.

Membrana Cerámica: Ideal para productos de valor agregado o productos sanitarios, al igual que para aplicaciones que requieran separaciones selectivas de fluidos conteniendo componentes agresivos como pueden ser los solventes.

Membrana de Acero Inoxidable: Diseño rugoso, especialmente efectivo para aplicaciones que demanden condiciones de procesamiento extremas o productos con elevadas partículas sólidas y/o alta viscosidad.

Membrana Tubular: Altamente resistentes a taponarse al procesar corrientes con grandes cantidades de sólidos en suspensión o componentes fibrosos.

Membrana Plate and Frame: Diseño de canales abierto permite utilizarla para productos de alta viscosidad, adecuada para aplicaciones alimenticias y farmacéuticas altas en sólidos.

.Membrana de Fibra Hueca: Con densidad extremadamente alta de empaquetamiento y diseño de canales abiertos; ofrece la posibilidad de limpieza a contracorriente desde el permeado. Particularmente adecuada para flujos líquidos con bajos sólidos.

Separación de gases y líquidos por medio de membranas

La filtración por membrana puede ser utilizada en separaciones líquidas o gaseosas variadas. Su clasificación más común viene determinada por las siguientes estructuras según el tipo de medio:

Medio Gas-Gas:

• Difusión gaseosa o efusión:  las moléculas de una sustancia se esparcen por la región ocupada por otras moléculas, colisionando y moviéndose aleatoriamente. La efusión es la fuga de un gas hacia el vacío por medio de un pequeño orificio o de una membrana porosa, si hay una concentración mayor de partículas en un punto, habrá más choques entre sí y dichas partículas se moverán hacia las regiones de menor número. En la difusión gaseosa o efusión, la membrana es microporosa.

Separación difusiva del U 235 de una mezcla con U 238

Purificación de un gas o separación de una mezcla de gases, por medio de un flujo de

contracorriente usando membranas. 

Medio líquido-vapor

• Destilación en membranas: procede de la similitud con la destilación convencional. Ambos se basan en el equilibrio líquido vapor, y ambos procesos requiere que se le suministre el calor latente de vaporización para que se realice el cambio de fase.

La diferencia de temperaturas de los fluidos, generan una diferencia de presión de vapor, la cual, obliga al vapor a que pase a través de los poros de la membrana.

Diálisis: Proceso en el cual una sustancia que se encuentra mezclada con otra se separa por medio de membranas de manera que dicha sustancia vuelve a ser útil para el proceso en el que estaba implicado. Un ejemplo claro es la diálisis de lubricantes donde al final del proceso de diálisis, el aceite queda en óptimas condiciones para ser utilizado en la misma aplicación donde se venía utilizando y con un porcentaje de vida igual ó mayor al que tenía al iniciar el proceso de diálisis.

Electrodiálisis: es una técnica separativa de concentración y descontaminación en la que especies iónicas son transportadas a través de membranas iónicas con permeabilidad selectiva (aniones, cationes) bajo la acción de un campo eléctrico. Esta técnica aprovecha las propiedades especiales de la electrólisis, que se llevan a cabo en los electrodos, permitiendo la eliminación de compuestos indeseables por deposición sobre los electrodos o la transformación de los mismos en otras especies favorables para el proceso de fabricación.

Medio Líquido-Líquido

• Tratamiento de la dureza del agua, el desalado del suero de quesos, recuperación de ácido tánico de los vinos y recuperación de ácido cítrico de los jugos de frutas.

• Desalinización de aguas salobres y la producción de salmueras.

Aplicaciones de la Electrodiálisis

Un equipo de electrodiálisis está formado por un conjunto de membranas aniónicas y catiónicas dispuestas en forma alterna y separadas por espaciadores o placas, en una configuración semejante a los filtros prensa (configuración de placas y bastidores). Los espaciadores provocan turbulencias que evitan las deposiciones de materiales en la superficie de las membranas y homogeneizan la concentración.

Ultrafiltración (UF) es un tipo de filtración por membranas en la cual la presión hidrostática fuerza un líquido contra una membrana semipermeable. Los sólidos suspendidos y los solutos de alto peso molecular son retenidos, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan la membrana.

Microfiltración (MF): Es un proceso de flujo de baja presión a través de membrana para la separación de coloides y partículas suspendidas en el rango de 0.05 a 10 micras. La microfiltración se utiliza para fermentaciones, clarificación de caldo y

clarificación y recuperación de biomasa.

En la Tabla 1 se muestra una clasificación de los procesos de membranas de acuerdo al potencial de separación empleado.

En la Tabla 2 se enumeran diversas aplicaciones de membranas en la industria alimentaria, con especial referencia a la microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), osmosis inversa (OI) y pervaporación (PV).

PERVAPORACIÓN

Es un proceso de separación con membranas aplicado a mezclas líquidas de compuestos miscibles, en el que a partir de una corriente de alimentación se obtienen dos corrientes líquidas, cada una de ellas más concentrada en sus componentes que la alimentación inicial. Las membranas utilizadas son no porosas. La separación se consigue mediante la aplicación de vacío en el lado de la membrana donde se recoge el permeado en forma de vapor, mientras por el otro lado circula el líquido de alimentación cuya separación se busca. Posteriormente se procede a condensar este vapor, generando como producto un líquido permeado.

Las principales aplicaciones de la pervaporación se centran en;

Deshidratación de compuestos orgánicos.

Eliminación de compuestos orgánicos en disoluciones acuosas.

Separación de mezclas homogéneas.

Recuperación de compuestos aromáticos.

Deshidratación de productos de fermentación.

Disminución en la concentración de alcohol en vinos, cervezas y licores.

ÓSMOSIS

El fenómeno de la Ósmosis está basado en la búsqueda del equilibrio. Cuando se ponen en contacto dos fluidos con diferentes concentraciones de sólidos disueltos se mezclarán hasta que la concentración sea uniforme. Si estos fluidos están separados por una membrana permeable (la cual permite el paso a su través de uno de los fluidos), el fluido que se moverá a través de la membrana será el de menor concentración de tal forma que pasa al fluido de mayor concentración

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.

Ejemplo de ósmosis inversa.

Para poder purificar el agua necesitamos llevar a cabo el proceso contrario al de la ósmosis convencional, es lo que se conoce como Ósmosis Inversa. Se trata de un proceso con membranas. Para poder forzar el paso del agua que se encuentra en la corriente de salmuera a la corriente de agua con baja concentración de sal, es necesario presurizar el agua a un valor superior al de la presión osmótica. Como consecuencia a este proceso, la salmuera se concentrará más..

MECANISMO DE LA PERVAPORACIÓN

La pervaporación funciona mediante ósmosis inversa, es decir que se produce un paso solamente del solvente desde una zona de alta concentración hacia una zona de baja concentración. Esto se logra aumentando la presión del lado de mayor concentración. En la pervaporación se tienen tres etapas fundamentales: adsorción de los componentes de la mezcla líquida en la membrana, difusión de los compuestos adsorbidos a través de la membrana y desorción en el lado del permeado.

Una mezcla líquida se pone en contacto con una membrana selectiva y uno de los componentes de la mezcla se transporta mediante permeación preferencial a través de la membrana, saliendo en fase vapor del otro lado de la misma, como se muestra en la Figura.

Conclusión

La implementación de las tecnologías de membranas ha sido de gran importancia en distintos ámbitos del conocimiento y de las aplicaciones a escala industrial. Estas técnicas de separación por membranas han experimentado recientemente un desarrollo importante con la fabricación de nuevos mecanismos de separación. Debemos hacer especial mención en las aplicaciones de las membranas, la recuperación de sustancias valiosas en aguas o gases de desechos industriales y que como desperdicio simplemente son causa de una severa contaminación ambiental.