INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS. Raúl Moliner Salvador. Unidad de Medio Ambiente. 15 Octubre 2009, Castellón de la Plana.

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS Raúl Moliner Salvador. Unidad de Medio Ambiente. 15 Octubre 2009, Castellón de la Plana.

2 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

3 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

4 MATERIAL Y CLASIFICACIÓN DE LAS MEMBRANAS Qué es una membrana? Barrera semipermeable entre dos fases que evita su contacto directo

5 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS MEMBRANAS Existen diferentes clasificaciones, según: Material de fabricación Porosidad de la membrana Estructura Geometría Fuerza impulsora Proceso de separación del que forma parte

6 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS MEMBRANAS Clasificación según el proceso de separación:

7 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

8 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE Microfiltración y Ultrafiltración Ambas técnicas tienen un mecanismo de transporte similar. Principio: La fuerza impulsora es la presión El mecanismo de transporte está principalmente basado en efectos estéricos. Las partículas y solutos que tienen un tamaño mayor que el de los poros de la membrana son retenidos. Las partículas y solutos que tienen una talla menor no son retenidas y son transportadas en el permeado.

9 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE MICROFILTRACIÓN Es un proceso de membranas de baja presión. La presión aplicada varía en el rango de 0,5-2 bares y el flujo de permeado varía entre L/h/m 2. Retención: Partículas coloidales y suspendidas mayores que el diámetro de poro de las membranas. Membranas caracterizadas por valores de tamaño de poro que oscila entre 0,1 y 10 μm).

10 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE ULTRAFILTRACIÓN Es un proceso de membranas de baja-media presión. La presión aplicada varía en el rango de 1-10 bares y el flujo de permeado varía entre L/h/m 2. Retención: Macromoléculas y solutos de peso molecular superior a El permeado contendrá moléculas de bajo peso molecular y sales. Membranas caracterizadas por valores de tamaño de poro que oscila entre nm

11 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE NANOFILTRACIÓN La nanofiltración es una técnica de separación a través de membranas intermedia entre la UF y la OI. Inicialmente fue considerada como OI. Pero hoy en día es considerada como una técnica diferente debido a que los mecanismos de transporte através de la membrana son diferentes. Principio: La fuerza impulsora de la filtración es la presión La presión osmótica alta influye en el tratamiento Las membranas de NF tienen poros <2 nm y la superficie cargada El mecanismo de trasporte se basa no solamente en los efectos estéricos, sino también en la carga. Efecto estérico: moléculas neutras Efecto estérico + carga: moléculas cargadas Los iones polivalentes son más retenidos que los iones monovalentes y las moléculas orgánicas de bajo peso molecular.

12 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE NANOFILTRACIÓN Requiere elevada presión pero menor que la OI. La presión aplicada varía en el rango de 5-20 bares y el flujo de permeado varía entre L/h/m 2. Retención: Iones monovalentes y compuestos de peso molecular bajo son parcialmente retenidos.

13 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE ÓSMOSIS INVERSA Ósmosis es un fenómeno fisico-químico en el cual hay un movimiento espontáneo del agua como disolvente a través de una membrana semipermeable desde la fase menos concentrada a la fase más concentradas, para reducir la diferencia de concentración entre ambas fases. Ósmosis inversa es el proceso en el cual se fuerza a pasar a través de la membrana al disolvente desde una fase concentrada hasta una de menor concentración mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica. La fuerza impulsora de la filtración es la presión Las membranas de OI son membranas poliméricas densas El mecanismo de transporte se basa en solución-difusión, solamente puede pasar el agua a través de la capa densa y quedan retenidos los solutos

14 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE ÓSMOSIS INVERSA Requiere una presión elevada. La presión aplicada varía en el rango de bares y el flujo de permeado varía entre L/h/m 2. Retención: Solamente el agua y los solventes de bajo peso molecular pueden atravesar la membrana

15 PROCESOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS Y MECANISMOS DE TRANSPORTE ELECTRODIÁLISIS Principio: La electrodiálisis es un proceso en el cual los iones son transportados a través de una membrana permeable a determinados iones desde una disolución a otra bajo la influencia de una diferencia de potencial.

16 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

17 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y FENÓMENOS LIMITANTES MODOS DE FILTRACIÓN Filtración Frontal Filtración tangencial

18 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y FENÓMENOS LIMITANTES FENOMENOS LIMITANTES Concentración de polarización El soluto es retenido mientras el disolvente pasa a través de la membrana, esto hace que dependiendo de la movilidad del soluto tienda a acumularse en la superficie Membrana Consecuencias: Decrecimiento de flujo de permeado Retención de molécula grandes aumenta pero disminuye la de moléculas pequeñas Hace menos efectivo el proceso económicamente

19 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y FENÓMENOS LIMITANTES FENOMENOS LIMITANTES Fouling o ensuciamiento Como fouling se denomina a todos los fenómenos relacionados con el ensuciamiento de las membranas. Causas: Deposición de coloides y suspensiones retenidas Precipitación en la superficie de la membrana debida a la elevada concentración en la interfase Adsorción de macromoléculas sobre la membrana Consecuencias: Decrecimiento de flujo de permeado: Bloqueo de poros Formación de una torta en la superficie de la membrana

20 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y FENÓMENOS LIMITANTES FENOMENOS LIMITANTES Variación del flujo frente al tiempo para membranas de MF y UF Concentración de polarización Flujo constante después de un cierto tiempo Fenómeno reversible Fouling El flujo desciende paulatinamente Fenómeno más o menos irreversible

21 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y FENÓMENOS LIMITANTES FENOMENOS LIMITANTES Prevención del fouling Pretratamiento de la corriente alimentación: Para bajar la concentración de las especies responsables de este fenómeno Químicos: ajuste del ph, adición de aditivos, Físicos: prefiltración ( secuencia de MF, UF y OI) Pretratamiento de la interfase de la membrana: Para disminuir la interacción entre la superficie de la membrana y las especies responsables del fouling Moléculas adsorbidas en la superficie Modificación de la superficie con grupos hidrofílicos o polímeros Limpieza: Retrolavado (sólo en MF). La dirección de la filtración es invertida para eliminar todos los elementos que obstruyen la membrana Lavado químico: ácidos, bases, detergentes, desinfectantes, Tomar las precauciones indicadas para cada membrana

22 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

23 APLICACIONES MICROFILTRACIÓN Desinfección y esterilización (gran cantidad de bacterias y virus son retenidos) Clarificación Separación de mezclas agua/aceite Pretratamiento de otros procesos de membranas (UF, NF y OI)

24 APLICACIONES ULTRAFILTRACIÓN Esterilización (todos los microorganismos son retenidos) Fraccionamiento de la leche y suero Fraccionamiento y purificación de proteínas (eliminación de sales) Tratamiento de aguas residuales Pretratamiento de otros procesos de membranas (NF y OI)

25 APLICACIONES NANOFILTRACIÓN Ablandamiento del agua (reducción de su dureza) Pretratamiento de la OI Desalinización de agua de mar ( 2 etapas) Tratamiento de aguas residuales industriales y municipales Recuperación de compuestos de valor añadido de una mezcla

26 APLICACIONES ÓSMOSIS INVERSA Producción de agua potable por desalinización de agua de mar y de aguas salobres Concentración de solutos en soluciones acuosas Purificación de agua

27 Estructura de la presentación 1. Definición y clasificación de las membranas. 2. Procesos a través de membranas y mecanismos de transporte. 3. Condiciones de operación y fenómenos limitantes. 4. Aplicaciones. 5. Caso practico.

28 CASO PRÁCTICO INSATALACIÓN PILOTO DE LABORATORIO PARA EL TRATAMIENTO DE LÍQUIDOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS

29 Gracias por su atención UNIÓN EUROPEA Fondos Estructurales I n v e r t i m o s e n s u F u t u r o