TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL

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Alejandro Escobar Figueroa
hace 8 años
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1 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL

2 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS

3 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS Presión Osmótica (π): Es el exceso de presión que debe aplicarse a una solución para impedir el paso del solvente hacia ella, cuando los líquidos están separados por una membrana semipermeable. Es proporcional a la actividad del soluto y por tanto a la concentración de sal. Una aproximación para la presión osmótica es que 100 ppm de sólidos totales disueltos (TDS) generan 1 psi de presión osmótica.

semipermeable. Es proporcional a la actividad del soluto y por tanto a la concentración de sal.

4 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS Membrana: Estructura con dimensiones laterales mucho mayores que su espesor, a través de la cual la transferencia de masa puede ocurrir debido a fuerzas directoras. Membrana Semipermeable: Membrana que, bajo condiciones idénticas, permite que el transporte de especies moleculares diferentes ocurra a distintas velocidades.

5 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS - Microfiltración - Ultrafiltración - Nanofiltración - Ósmosis Inversa

6 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS Procesos de separación mediante membranas.

9 PROCESOS DE DESALACIÓN - DESTILACIÓN - ÓSMOSIS INVERSA - No requiere energía térmica (sólo energía mecánica) - Opera en una única fase - Opera a temperatura ambiente

10 FUNDAMENTOS - Principios físico-químicos de separación - Ciencia de los materiales de membranas - Transporte de masa

11 AGUA DE MAR - Contenido Salino g/l - Presión Osmótica = 24 atm

12 MEMBRANAS - Cerámicas - Poliméricas

13 En los procesos de membrana la corriente alimentación se divide en dos corrientes: Permeado: Corriente que contiene, fundamentalmente, los componentes de una disolución que salen de una membrana. Rechazo: Corriente que contiene los componentes que no atraviesan la membrana.

los componentes de una disolución que salen de una membrana.

17 -La separación puede llevarse a cabo continuamente. -El consumo de energía es bajo. -Los procesos de membranas pueden combinarse fácilmente con otros procesos de separación. -La separación se puede producir en condiciones moderadas. -Las propiedades de las membranas son variables y se pueden ajustar. -No se necesitan aditivos.

-Los procesos de membranas pueden combinarse fácilmente con otros procesos de

18 Desventajas: - La polarización por concentración y el ensuciamiento de la membrana. - Baja selectividad o bajo flujo obtenido. - El factor de incrustación es más o menos lineal.

19 Valor de Corte de la membrana (Cut-Off): Es el peso molecular mínimo de soluto que puede ser retenido por la membrana. Se utiliza el término NMWCO (Nominal Molecular Weight Cut Off) que es el peso molecular en el cual el 90% de todas las moléculas esféricas no cargadas, son retenidas.

Se utiliza el término NMWCO (Nominal Molecular Weight Cut Off) que es

20 Recuperación (R): Se define como el porcentaje del agua de alimentación que se convierte en permeado. Donde: R = Qp/Qf Qp: caudal de permeado Qf: caudal de alimentación Los sistemas de ósmosis inversa operan a conversiones de 15 a 80 %.

Donde: R = Qp/Qf Qp: caudal de permeado Qf: caudal de

21 Factor de Concentración (CF): Indica el grado de aumento de la concentración de un componente en una operación con membrana. Se define como: CF= Cr / Cf Cr: Concentración en el rechazo (salmuera) Cf: Concentración de la alimentación Rechazo de Sal (RS): Indica la capacidad para rechazar componentes inorgánicos disueltos. Generalmente aumenta con la presión de operación: %RS= (1- Cp / Cf) 100 Cp: concentración del permeado Cf : concentración del agua de alimentación

22 Rechazo Iónico (RI): Es la relación de conductividad entre la corriente de permeado o producto y la alimentación. %RI = {[Cond(A) - Cond (P)]/ Cond (A)}100 Donde: Cond(A): Conductividad en la alimentación Cond(P): Conductividad en el permeado

23 Flux, Ji (kmol m-2 s-1): Número de moles, volumen, o masa de un componente específico i, que pasa por unidad de tiempo a través de una unidad de área superficial de membrana, perpendicular a la dirección del espesor. Otras unidades pueden ser: m3. m-2.s-1 o kg m-2 s-1. Velocidad de Flujo Cruzado: Se refiere a la velocidad de fluido por encima de la membrana. Puede ser expresada en cm/s o en términos de volumen por unidad de tiempo.

24 Presión Transmembrana (ΔP tm ): Es la diferencia existente entre la presión en el conducto de alimentación y la presión en el conducto de filtrado. Δp TM = ( + ) p f 2 p r p p Donde: Pf, Pr y Pp son las presiones correspondientes al flujo de alimentación, rechazo y permeado respectivamente.

25 Polarización por Concentración: Perfil de concentración que tiene un nivel mayor de soluto más cerca de la superficie exterior de la membrana, comparado con el fluido más alejado de la superficie de la membrana. Ensuciamiento: Proceso que provoca la pérdida de producción de una membrana, debido a la deposición de sustancias suspendidas o disueltas sobre su superficie externa, en las aberturas de los poros o dentro de los mismos.

26 Índice de Ensuciamiento (SDI): Mide la tendencia del agua de alimentación para ensuciar la membrana. Se calcula con una prueba de flujo usando un filtro de 0,45μm de poros. SDI= %P30/tt = 100[1-(ti/tf)]/tt Donde: P30: atascamiento a presión de alimentación de 30 psi. tt: tiempo de prueba total en minutos (usualmente 15 min.) pero puede ser menor si ocurre un 75% de atascamiento en 15 minutos. ti: tiempo inicial en segundos para una muestra de 500mL. tf: tiempo en segundos para recoger una muestra de 500 ml después del tiempo de prueba (tt).

27 COMPOSICIÓN DE MEMBRANAS Una membrana puede estar formada por tres capas, por ejemplo: - Una ultrafina de poliamida en el tope, es la responsable de la selectividad dando excelentes flux de agua, alto rechazo a las sales y la sílice y excelente resistencia química - Una intermedia micro porosa de polisulfona que sirve de soporte y ofrece la porosidad y la fortaleza física necesaria, es resistente a la compactación bajo las presiones de trabajo de la OI. - Una tercera capa de poliéster muy fuerte que proporciona un soporte estructural subyacente constituido por un tejido no trenzado.

28 Proceso MF UF NF/OI Tipo de membrana Presión de trabajo (bar) Remoción de: Eficiencia Ésteres de celulosa < 2 Partículas Óptima Policarbonato (PC) Hongos, bacterias, levaduras Óptima Polisulfona/Polietersulfona (PS/PES) Pirógenos No confiable Poliamida/Polieterimida PI/PEI Coloides Discreta Poliamidas alifáticas Iones Nula Poliesteretercetone (PEEC) Sustancias orgánicas Nula Polipropileno (PP) Celulósicas 2-10 Partículas Óptima PS/PES Hongos, bacterias, levaduras Óptima PI/PEI Pirógenos Óptima Poliamidas alifáticas Coloides Óptima PEEC Iones Insuficiente Poliacrilonitrilos Sustancias orgánicas Función grado de retención Celulósicas Partículas Óptima Polisulfonas Hongos, bacterias, levaduras Óptima Poliamidas aromáticas y alifáticas Pirógenos Óptima Policarbonatos Coloides Óptima Iones Sustancias orgánicas Buena Buena

33 Recuperación (R): Donde: R = Qp/Qf Qp: caudal de permeado Qf: Caudal de alimentación Productividad (GFD): GFD= galones por día # de cartuchos. Área superficial del cartucho(pie 2 )

34 GFD TIPOS DE AGUA 8-10 Aguas negras Aguas de mar superficial Agua salobre de pozo Se acerca al límite práctico. > 30 Implica alto mantenimiento y corta vida de la membrana.

35 Debe tenerse en cuenta los límites hidráulicos internos de los elementos que componen el sistema Caudal adecuado para extraer continuamente del sistema de concentrado con el flujo y la velocidad suficiente para remover toda la suciedad y las sales. Para conseguir una alta recuperación la operación debe realizarse en etapas sucesivas

36 Ejemplo: 87,5% de recuperación; flujo de entrada de 144 m 3 /día

37 A mayor recuperación, mayor concentración de sales en el agua de rechazo: Factor de Conversión Concentración en R 50 % 2C 67 % 3C 75 % 4C 80 % 5C 90 % 10C 95 % 20C

38 Aspectos a considerar: Presión Osmótica del Rechazo Vida Útil de la Membrana: 2 3 años Limpiezas Regulares

39 Parámetros del Proceso Presión de Operación: al aumentar la presión disminuye la permeabilidad Temperatura de Operación: al aumentar la temperatura se favorece la separación Velocidad de Flujo de Alimentación: mejora la permeabilidad se favorece la separación Concentración de la solución: aumenta la presión osmótica y la viscosidad ph: - acetato de celulosa poliamida 2-11

40 Ensuciamiento de la Membrana - Sustancias suspendidas - Sustancias disueltas Resistencias: Rm = Resistencia de membrana Ra = adsorción, bioobstrucción Rpb = obstrucción de los poros Rc = partículas suspendidas

41 Polarización y Ensuciamiento - Polarización: situación inicial que se estabiliza - Ensuciamiento: se va agravando con la operación Flux Polarización-concentración (fenómeno reversible) Ensuciamiento Tiempo

42 Métodos de Limpieza 1 Lavado en cocorriente

43 Métodos de Limpieza 2 Lavado en contra corriente

44 Métodos de Limpieza 3 Lavado con chorro de aire

45 Limpieza Química Impureza Presente Agente Condiciones Incrustaciones de Ca, Mg, metales Incrust. de Ca, Mg, biofilm, coloides Mat. Orgánica, coloides, biofilm EDTA, EDTA-Na ppm ph = 6 HCl ph = 2 NaOH ph = 12 Limpieza general NaCl 1 % Fe, Mn, coloides Ác. oxálico 1 %, ph = 2 4 Fe, Mn, coloides Ác. cítrico 1 %, ph = 3 5 Fe, Mn NaHSO 3 1 %, ph = 5 6 Biofilm, mat. orgánica NaClO 100ppm ph = 5 10

46 Sanitización -Cloro -Formaldehído - Peróxido de Hidrógeno - Ácido Peracético

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