Membranas

1. Membranas

2. Membranas semipermeables: barreras entre 2 fluidos Medio físico Temperatura ambiente Sin cambio de fase Sin alteración química Continuo/discontinuo. Versatil Bajos costes fijos y operación Farmacia, alimentación, bioproductos, etc. Membranas Factores para la selección: Componentes de la mezcla, volumen de fluido, grado de separación

3. Microfiltración: Separación en líquidos por tamaños. 0.1-10 mm Membranas simétricas Fuerza impulsora : DPresión hidrostática 0.1-1 bar Esterilización, clarificación, separación celular, separación de fangos, etc Ultrafiltración: Separación en líquidos por tamaños. 1-10 nm Membranas asimétricas Fuerza impulsora : DPresión hidrostática 0.5-5 bar Separación de macromoléculas: leche, zumos, vacunas, antibióticos Membranas

4. Ósmosis inversa: Separación en líquidos por mecanismo de difusión Membranas asimétricas tipo “skin” Fuerza impulsora : DPresión hidrostática 20-100 bar Separación de sales y microsolutos: Desalinización de aguas Tratamiento de aguas residuales Potabilización de aguas Eliminación de alcohol de cerveza y vino Membranas

5. Membranas

6. Diálisis: Separación en líquidos por mecanismo de difusión Membranas simétricas 0.1-10 mm Fuerza impulsora : Gradiente de concentración Separación de sales y microsolutos de macromoléculas Electrodiálisis: Separación en líquidos por carga eléctrica y tamaño Membranas de intercambio iónico Fuerza impulsora: gradiente de potencial eléctrico Desalinización de disoluciones iónicas y concentración de disoluciones salinas Membranas

7. Separación de gases: Separación en gases por solubilidad y difusión Membranas asimétricas poliméricas homogéneas Fuerza impulsora : Gradiente de concentración y de presión CO2 y H2 de CH4 e hidrocarburos y de H2 y O2 del aire Pervaporación: Separación en gases por solubilidad y difusión Membranas asimétricas poliméricas homogéneas Fuerza impulsora : Gradiente de presión de vapor Separación de mezclas azeotrópicase Membranas

8. Separación: diferente velocidad de transporte Fuerzas impulsoras Movilidad: tamaño molecular y estructura membrana Concentración interfase: compatibilidad química Tratamiento de corrientes líquidas en industria: Fuerza impulsora: diferencia de presión hidrostática Microfiltración (MF): 0.1-10 mm. 01-1 bar Ultrafiltración (UF): 1-10 nm. 0.5-5 bar Ósmosis Inversa (RO): 20-100 bar Membranas

9. Concentrado Disolvente Membranas Permeado

10. Membranas Asimétrica: UF+RO Capa fina (0.1-1 mm) exclusión Soporte poroso (100-200 mm) Elevados flujos de paso Simétrica: microfiltración. Poros en toda la membrana

11. Membranas

12. VENTAJAS Bajos costes de operación Buen control de flujo Baja retención Escasa caída de presión INCONVENIENTES Elevados costes fijos Ensuciamiento con sólidos Elevado tiempo desmontar Membranas

13. Membranas

14. VENTAJAS Bajos costes fijos y de operación Área elevada / Volumen pequeño Fácil cambio de membranas INCONVENIENTES Ensuciamiento con sólidos Pobre control de flujo Membranas

15. Membranas

16. Membranas VENTAJAS Bajos costes fijos Escasa caída de presión Área elevada / Volumen pequeño Escasa retención INCONVENIENTES En caso de rotura debe cambiarse toda la unidad

17. Membranas

18. Tubular VENTAJAS Buen control de flujo Fácil limpieza Inorgánicas: temperatura elevada Resistencia química Esterilizable Membranas INCONVENIENTES Elevados costes fijos y operación Alta retención Caída de presión elevada Escasa área superficial

19. Mezcla perfecta en alimentación. Fibra hueca RO Mezcla perfecta Peores resultados Valor límite Membranas Mezcla perfecta en permeado. Fibra hueca UF Flujo cruzado. Espiral o placas Corrientes paralelas Contracorriente Espiral o placas

20. Serie: Aumento concentración Paralelo: Aumento capacidad Recirculación Membranas e y f: Membranas poco selectivas Discontinuo, numerosos lavados

21. B: soluto no transferido, CB en permeado↓↓ CB en superficie de membrana↑, gradiente de concentración Membranas Polarización: Aumento de presión osmótica, menor fuerza impulsora Aumenta CB en permeado Aumenta ensuciamiento de membrana, reduce flujo

22. Balance de materia unidimensional, del lado de la alimentación Rechazo total, Cp =0: Membranas Modulo de polarización Coeficiente de transferencia • aumenta con el flujo de disolvente: permeabilidad • aumenta con el espesor de la capa límite: turbulencia • aumenta al disminuir la difusividad: moléculas de soluto grandes, como UF

23. Balance de materia unidimensional, del lado de la alimentación Rechazo Cp ≠0: Jsoluto = J cp = Jdis cp / 1-cp ≈ Jdis cp Membranas R0 = 1 - (cp/cw) rechazo intrínseco de la membrana.

24. Formación de torta o capa de gel Resistencia adicional al flujo Cg = constante Membranas Flujo independiente de la presión Única variable sobre el flujo

25. Membranas Ósmosis Flujo disolvente hacia el lado concentrado Equilibrio m1, dis = m2, dis Ósmosis inversa Flujo disolvente hacia el lado diluido DP > p

26. Presión osmótica: propiedad termodinámica de la disolución • Determinación experimental • Ecuación de van’t Hoff • P = CRT , C[=]moles·L-1, importante para pequeñas moléculas Membranas Volumen molar parcial disolvente

27. Expresiones para el flujo: RO sin polarización Como Jsoluto = Jsolución  cp  Jdis  cp, operando resulta: R= coeficiente de rechazo; a= selectividad Membrana semipermeable R = 1, α =∞ Membranas

28. Expresiones para el flujo. ROCONPolarización Si π = ac → Δπ = π(cw) - π(cp) = M π(cb) - π(cp) Como cw > cb , Δπ aumenta y el flujo de disolvente disminuye a consecuencia de la polarización Operando se obtiene para el coeficiente de rechazo: Membranas

29. PRESIÓN Si P↑ J↑ / Resistencia de la membrana • Operación 400-600 lb/in2 (27-41 atm) • TEMPERATURA Si T↑ J↑ / Deterioro de la membrana • Operación 20ºC • DENSIDAD MEMBRANA: área/volumen Si r↑ J↑ • Valores típicos 50-500 ft2/ft3 (configuración) • FLUJO Reducción 10-50% en 1 ó 2 años • Placas 15-25 gal/d·ft2, fibra hueca 0.15-0.25 gal/d·ft2 • Flujo de alimentación turbulento para evitar polarización Membranas

30. Tratamiento de aguas • Agua potable • Desalación de agua de mar o de aguas salobres • Producción de agua ultrapura • Plantas de potencia convencionales Calderas • Plantas de potencia nucleares Circuitos • Componentes electrónicos • Laboratorios: Farmacéuticos/Bioquímicos/Médicos • Efluentes industriales o municipales (terciario) • Industrias específicas • Petroquímica • Recuperación de disolventes o agua de proceso. • Alimentaria • Concentración de zumos • Eliminación de virus, bacterias, pirógenos, etc. • Papel y pulpa • Concentración de licor negro • Eliminación DBO y DQO • Recubrimiento de superficies • Recuperación de metales pesados o nobles Membranas

31. Expresiones para el flujo • Sin considerar polarización de concentración Al aplicar la ecuación general se obtendrá para el flujo de disolvente (Δπ es muy pequeña en UF, macromoléculas): para región controlada por la presión: P↓, cb↓, velocidad de alimentación↑ Considerando polarización de conc. y formación de gel Control de transferencia de materia J independiente de la presión J↑ si T↑ y D↑ Agitación↑d↓ Membranas

32. Membranas

33. Tratamiento de aguas • Tratamiento biológico de aguas residuales • Materia coloidal, virus, hongos, bacterias, DQO, DBO5 • Biorreactores • Retorno constante de materia activa Industrias específicas • Automóvil • Pinturas cataforéticas • Tratamiento de aceites • Alimentaria • Ultrafiltración de proteínas • Fabricación de quesos • Textil • Recuperación de tintes • Recuperación de PVA y CMC Membranas