taller de elaboración de membranas por ultra filtración

“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


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



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


University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 9

Introducción


En 1960 Sidney Loed empezó los procesos de desalación por osmosis inversa en la Universidad de California en los Ángeles, USA (UCLA).

10

Introducción



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



Introducción



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



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



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


15


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




Sistema hibrido para desalar agua

Permeado

OI

Salmuera

Condensador

Destilación

Agua purificada

Fondos




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.




Recuperación de solventes orgánicos en procesos de extracción

Aceites pesados

Solventes

pesados Condensador

Vapor

Aceite purificado

Permeado

Columna de extracción

Asfáltenos

Concentrado

Agua fría




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.



Producción de antibióticos (cefalosporina)


Separación y

purificación de células

Proteína y

remoción de

color

Separación de

antibiótico Purificación de

antibiótico

Bioreactor

OI




Biotecnología




Obtención de glucosa a partir de almidón

Enzima

Almidón

Filtro de

tambor

Glucosa

Reciclado de polisacárido

Bioreactor Bioreactor Bioreactor




Medicina

Aire y agua limpia.

Riñón artificial.

Pulmones artificiales.

Piel artificial.

Páncreas artificial.

Liberación controlada de

fármacos.

Bombas osmóticas.



Riñones artificiales


Agua

Mezclador

estático

Solución salina

fisiológica

Desgasificador

Unidad de diálisis

(UF)

Circulación de sangre



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

Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14 26


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.


Características que indican que una membrana necesita mantenimiento.


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.



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.

Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service

bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14

Ácido cítrico

29

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Zitronens%C3%A4ure_-_Citric_acid.svg

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Zitronens%C3%A4ure_-_Citric_acid.svg


Tratamientos

Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14

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

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/Sodium_tripolyphosphate.svg


//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/09/Metal-EDTA.svg

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/09/Metal-EDTA.svg


Tratamientos


bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14

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.


Tratamientos


bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14 32

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.


Tratamientos



Hidrosulfito de sodio

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Sodium-dithionite-2D.png

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Sodium-dithionite-2D.png

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.


Tratamientos




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



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


38


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.


40

Flujo de permeado

Volumen

Δt

=

Rechazo de sales (R)

R= (1-Cp/Cf)*100

Cp = Na2SO4 del permeado

Cf = Na2SO4 de alimentación


ATR-FTIRFTIR

Espectroscopia de Infrarrojo por ATR

41

Espectro de espectroscopia de infrarrojo


Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)

Principio básico

42


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


Figura 1. Diatomea observada en la

modalidad de bajo vacío del SEM.

Microscopia electrónica de Barrido (SEM)

44


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


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



Agitación en rodillos por 24 h mínimo.

La polisulfona se agrega por partes

50



Se puede usar una lámpara para solubilizar mas rápido y agitación manual

51



Medidas del papel

68.5 cm

30.6 cm

1.3 cm

Material para recortar el papel

52



Se pega el papel y calibración de la navaja (espesor= 7 milipulgadas)

Limpieza de la maquina53



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.



Dejar por 5 minutos

Lavado con agua desionizada 55



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