tecnología de membranas

Tecnología en Ingeniería de Abastecimientos

PROCESO DE MEMBRANA

Capítulo 2:

Capítulo 2:

Hidráulica de filtros

Procesos de Membrana

Aplicaciones de procesos de membrana

Estructura y configuraciones de las membranas sintéticas.

INTRODUCCIÓN

• La separación, concentración y eliminación de especies químicas presentes en aguas de abastecimiento o en aguas residuales es un problema fundamental en la Ingeniería Sanitaria

• Finales de la década de los 70 se han desarrollado una serie de procesos que utilizan membranas semipermeables como barreras artificiales de separación.

• Los recientes avances tecnológicos en la fabricación de estas membranas han conseguido que estos procesos de separación fundamentalmente ósmosis inversa, electrodiálisis y ultrafiltración resulten ser en muchos casos más seguros, eficientes y económicos que los procesos convencionales como evaporación, extracción con disolventes, etc.

INTRODUCCIÓN

• Los diferentes procesos de separación se pueden clasificar atendiendo, por una parte, a la fuerza que provoca el transporte de materia a través de la membrana y por otra, al tamaño de las sustancias que se quiere separar.

INTRODUCCIÓN

Separación por aplicación de presión.

• La microfiltración (MF), la ultrafiltración (UF) y la ósmosis inversa (OI) son procesos prácticamente idénticos y difieren básicamente en el tamaño de las partículas que separan y las membranas empleadas.

• El término microfiltración se aplica a la separación de partículas con diámetro en el rango de 0.2 a 10 µm (macropartículas). El mecanismo de separación es de tamizado. Las membranas empleadas son estructuras simétricas micro porosas con tamaño de poro entre 0.1 y 10 µm. La diferencia de presión empleada varía entre 0.1 y 2 atm.


• El proceso se llama ultrafiltración cuando los componentes que se separan tienen un diámetro 0.001-0.2 µm (rango

macromolecular). La diferencia de presión aplicada varía entre 1 y 5 atm


• La nanofiltración es considerada como la Osmosis Inversa Pérdida ya que esta rechaza algunos contaminantes iónicos pero en menor grado que la Osmosis Inversa, la nanofiltración rechaza un alto porcentaje de las sales multivalentes en comparación con las sales monovalentes (Por ejemplo 99% VS 20 %), las membranas tienen un MWCO menor a 1000 Daltons para sólidos no iónicos



Microfiltración

Ultrafiltración

• Cuando las moléculas a separar son muy pequeñas (diámetro menor que 0.002 µm) el proceso se llama Osmosis inversa. La presión osmótica de la disolución suele ser bastante alta, siendo necesario emplear presiones en el rango 7 a 70 atm. Las membranas a utilizar en ultrafiltración y osmosis inversa son tipo asimétrico.


Separación por gradiente de concentración

• Si las fases en contacto con la membrana son liquidas a igual presión hidrostática, los componentes pueden transferirse a través de la membrana bajo la acción de las diferencias de concentración en ambos lados. Este proceso se denomina diálisis (D) y tiene hoy una gran importancia técnica y económica, particularmente en laboratorios bioquímicos y en el “riñón artificial”. El tamaño de los componentes que se separan están en el rango 0.0005 a 0.2 µm

Separación por gradiente de concentración

Separación por diferencia de potencial eléctrico

• La electrodiálisis (ED) es el único proceso de separación de este tipo que tiene relevancia y se usa para separar un electrolito del disolvente. En este proceso las especies iónicas en el seno de una disolución (normalmente acuosa) pueden separarse del disolvente haciéndoles pasar a través de membranas intercambiadoras que son impermeables al disolvente.

Aplicación de los procesos de membrana

• - Microfiltración.

- Estabilización de vinos, cervezas y otras bebidas.

- Eliminación de sulfuros metálicos precipitados.

-Etapa de afinado, después de una sedimentación

Ultrafiltración. – Tratamiento de efluentes industriales.

Eliminación de aceites y moléculas orgánicas de gran tamaño.

– Concentración, purificación y separación de disoluciones de moléculas en industrias químicas, de alimentos y farmacéuticas.

– Purificación de agua ultrapura.

– Pretratamiento del agua de mar para los procesos de Osmosis inversa.



• Osmosis inversa.

– Desalación de aguas salobres y de mar, en la obtención de agua potable.

– Obtención de agua ultrapura para la industria de componentes electrónicos.

– Tratamiento terciario de aguas residuales.

– Eliminación de solidos disueltos y contaminantes orgánicos de vertederos.

• Diálisis.

– Técnica del riñón artificial (hemodiálisis).

– Separaciones concretas en la industria textil


Electrodiálisis.

– Producción de agua potable a partir de aguas salobres

– Recuperación de metales en disoluciones acuosas de procesos de galvanizado.

– Tratamiento de efluentes industriales.


• El uso de esta tecnología de membranas garantiza la eliminación de los agentes contaminantes que producen enfermedades como la enteritis bacteriana (diarrea), Shigelosis (disentería bacilar), cólera, paratifoidea que son de transmisión fecal –oral, entre otros.

Análisis comparativo Contaminante Coagulación

/sedimentaci

ón/filtración

Ablanda

miento

con cal

Osmosis

Inversa

Ultrafiltra

ción

Oxidación

química,

desinfección

Coliformes totales

Giardia Lambia

Virus

Legionella

Turbidez Orgánica

VOCs

SOCs

Pesticidas

THMs

THM precursores

Color

Hierro

Manganeso

Sabor y Olor

B-E

B

B-E

B-E

E

P

P

P

B

P

M-B

M-E

M-E

P-F

B-E

B

B-E

B-E

B

P-M

P-M

P-M

P

M-B

M-B

E

E

P-M

E

E

E

E

E

M-B

M-E

M-B

B-E

B-E

B-E

B-E

B-E

-

E

E

E

E

E

P

P

P

P

P-M

M

B

B

-

E

B

E

B

E

P-B

P-B

P-B

P

P

M-E

B-E

M-E

M-E

P: pobre (0-20%); M: Medio (20-60%); B: Bueno (60-90%); E: Excelente (90- 100% remoción); -

datos insuficientes

Estructura y configuraciones de las membranas sintéticas

• El término “membrana” incluye una gran variedad de materiales y estructuras, pudiendo ser clasificadas atendiendo a distintos criterios.

• En base a su espesor se clasifican en gruesas y delgadas.

• En cuanto a su estructura pueden ser porosas (el trasporte tiene lugar a través de los poros) y compactas.


• A su vez una membrana puede ser homogénea o heterogénea, simétrica o asimétrica y neutra o cargada.

• Homogénea: cuando todo ella participa en el proceso de permeación de una sustancia .

• Heterogénea: cuando el componente activo que propicia el trasporte está anclado sobre un soporte adecuado.


• Simétricas: aquellas que exhiben las mismas características físico-químicas en cualquier punto de ella.

• Asimétricas: están constituidas por la yuxtaposición de dos o más membranas diferentes. se emplean fundamentalmente en procesos que involucran gradientes de presión elevados como es el caso de la ósmosis inversa


o Su estructura consiste en una capa polimétrica muy delgada (de 100 a 200 nm) situada sobre una capa gruesa (100 a 200um) altamente porosa, actuando esta última exclusivamente como soporte.


• La separación de las moléculas grandes se realiza principalmente por tamizado .


• Los iones más pequeños, tales como Na y Cl se eliminan por adsorción de agua sobre la superficie de la membrana. La capa adsorbida tiene un espesor de más o menos una molécula (6 a 7 A) (1 Å= 1 x 10-10 m = 0,1 nm) y si el tamaño del poro es menor que dos veces el diámetro de una molécula de agua (= 13 A), los iones de sales serán eliminados casi totalmente. Las partículas retenidas sobre la superficie pueden ser eliminadas mediante desplazamiento de disolución tangencialmente a la membrana.

Eliminación de grandes moléculas mediante tamizado

• Las primeras membranas fueron de acetato de celulosa, pero estas membranas tienen dos limitaciones importantes. Por una parte es susceptible de ataque biológico y por otra el pH del sistema debe estar fuertemente controlado (4.5 a 7.5) para minimizar la hidrólisis del acetato de celulosa a celulosa.

• Esta hidrólisis limita el periodo de vida útil de la membrana ya que el paso de sal aumenta con el grado de hidrolisis de la misma.

Rechazo de iones de pequeño diámetro mediante adsorción de capa de agua.

Eliminación de grandes moléculas mediante tamizado

• Posteriormente aparecieron las membranas de poliamidas aromáticas, que pueden ser utilizadas en un intervalo de pH de 4 a 11 y no son susceptibles de ataque biológico.

• Sin embargo estas membranas se degradan en presencia de cloro, por lo que el alimento debe ser previamente desclorado

• Actualmente, se usan cuatro tipos de configuraciones para el soporte de las membranas:

– Arrollamiento en espiral.

– Fibra hueca.

– Tubular.

– Plana

CONFIGURACIONES Y MATERIALES DE LOS PROCESOS DE MEMBRANA.

Proceso MF UF OI ED/EDI

Configuraciones

Espiral si si

Fibra Hueca si si si

Tubular si si si

Plana si si si si

Material de membrana

Acetato de celulosa si si

Poliamida si

Acrílica si si

Polisulfónica si si si

Polipropileno si

Poliestereno si

Cerámica si si si

Arrollamiento en espiral

• Las de tipo de arrollamiento en espiral consisten en dos capas de membranas semipermeables, separadas por un tejido poroso. Los extremos de la membrana van cerrados por tres de sus lados, formando una envolvente flexible.

• Los extremos de la membrana van cerrados por tres de sus lados, formando una envolvente flexible. El extremo abierto de la envolvente se une a un tubo central perforado.

• Entre dos envolventes flexibles se coloca una malla de material plástico, cuya misión es separar las capas de la membrana durante su montaje y provocar una turbulencia en la corriente de alimentación durante el funcionamiento.

• Las envolventes en varias capas se enrollan alrededor de un tubo central, formando la configuración en espiral.



El elemento así obtenido se coloca en un recipiente previsto para soportar la presión a la que ha de ser sometido durante su empleo. La configuración en espiral presenta una gran superficie de membrana por unidad de volumen, un reducido costo de fabricación y cierta facilidad de limpieza, tanto por vía química como hidráulica.

• Inconveniente de no poder utilizarse para el tratamiento de líquidos de elevada turbiedad, al ser la sección de paso entre las membranas muy pequeña, y, por consiguiente, susceptible de obstrucciones.

• Membranas de UF y MF con esta configuración han sido ampliamente utilizadas para el tratamiento de residuos peligrosos, así como en la eliminación de hidróxidos metálicos y bacterias.


• Las membranas de fibra hueca consisten en minúsculos tubos huecos del tamaño de un cabello humano (84 µm)

• Las fibras de membranas se agrupan, en forma de “U”, en un haz cilíndrico, convenientemente espaciadas alrededor de un tubo central que distribuye uniformemente el agua de aporte.

Fibra hueca

• Los extremos de las fibras se insertan en una lámina de epoxy, de forma que queden expuestos todos los orificios. Este haz cilíndrico se introduce, a su vez, en un contenedor resistente a la presión.

• El flujo dentro de la caja de presión se reparte de forma radial, a través del conjunto de fibras, de modo que el permeado penetra a través de las paredes de la fibra y fluye por el hueco recogiéndose a través del extremo opuesto de la caja de presión.

Fibra hueca

Fibra hueca

• La configuración de fibra hueca presenta la máxima superficie por unidad de volumen. Su costo de fabricación es superior a las de arrollamiento en espiral. Debido a que las fibras están muy poco espaciadas en el haz, esta configuración es igualmente propensa al ensuciamiento, cuando se trabaja con aguas cargadas.

Fibra hueca Fibra hueca

• No obstante, esta alta densidad de empaquetado

deja poco espacio entre las fibras, por ello en

este caso las partículas o sólidos en suspensión

fluyen con mayor dificultad a través de las fibras

provocando problemas de ensuciamiento que

son difíciles de solucionar y provocan la

consiguiente disminución de rendimiento.

Fibra hueca Fibra hueca

Fibra hueca

• La configuración tubular es, en lo que a su diseño se refiere, la más simple de todas.

• La membrana se moldea en la superficie interior de un tubo poroso, o bien se coloca dentro del mismo.

• Durante el funcionamiento, el agua a presión circula por el interior de los tubos que contienen la membrana. El agua purificada pasa a través de la membrana y del tubo poroso, cayendo a un depósito de recogida, para su retirada del sistema.

Tubular

Tubular

• El sistema tubular una superficie de membrana por unidad de volumen reducida. Suele utilizarse con aguas o líquidos de elevada turbiedad, ya que puede limpiarse fácilmente, tanto por medios mecánicos como hidráulicos. Así mismo se utilizan en el tratamiento de residuos con alto contenido de aceites y grasas. Presenta el inconveniente de requerir unos gastos de inversión elevados, frente a las dos configuraciones anteriores.

Tubular

Plana

• En la configuración plana, las membranas son láminas unidas a una placa rígida de plástico, con canales ranurados en la superficie, o bien de fibra de vidrio poroso, o de papel poroso reforzado. Los conjuntos placa/membrana se colocan en un recipiente a presión, que permite el contacto del agua de proceso con todos los lados de las placas.

• Este diseño se utiliza en procesos químicos y para el tratamiento de productos alimenticios (cerveza, zumos, etc.)

• Debido a su complejidad, los gastos de explotación y operación a gran escala resultan elevados.

Plana

• Las ventajas del uso de esta tecnología es la factibilidad de que se instalen en las zonas donde la construcción de un tratamiento convencional de agua potable en que la inversión en la construcción civil, mantenimiento de infraestructuras o no disponibilidad de los productos químicos hacen que sea muy poco probable debido a su alto coste (Arnal et al 2010).

• La tecnología de membranas como la UF que es un proceso que se puede aplicar al tratamiento de agua para consumo humano y que se ha convertido en una tecnología apropiada dadas las ventajas que posee frente a los tratamientos convencionales que requieren de mayor espacio físico y productos químicos que en ocasiones se vuelven inaccesibles para las comunidades rurales especialmente por los altos costes que estos tienen para su adquisición. Adicionalmente se puede utilizar desinfección por UV o según requerimiento de las Normas locales con Cloración

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