La tecnología de membranas cubre todos los enfoques de ingeniería para el transporte de sustancias entre dos fracciones con la ayuda de membranas permeables . En general, los procesos de separación mecánica para separar corrientes gaseosas o líquidas utilizan tecnología de membrana.
Aplicaciones
Los procesos de separación por membranas funcionan sin calentamiento y, por lo tanto, utilizan menos energía que los procesos de separación térmica convencionales, como la destilación , la sublimación o la cristalización . El proceso de separación es puramente físico y se pueden utilizar ambas fracciones ( permeado y retenido ). La separación en frío mediante tecnología de membranas se utiliza ampliamente en las industrias de tecnología alimentaria , biotecnología y farmacéutica . Además, el uso de membranas permite que se produzcan separaciones que serían imposibles con métodos de separación térmica. Por ejemplo, es imposible separar los constituyentes de líquidos azeotrópicos o solutos que forman cristales isomorfos por destilación o recristalización, pero tales separaciones se pueden lograr usando tecnología de membranas. Dependiendo del tipo de membrana, es posible la separación selectiva de determinadas sustancias individuales o mezclas de sustancias. Las aplicaciones técnicas importantes incluyen la producción de agua potable por ósmosis inversa . La planta desalinizadora de ósmosis inversa más grande se encuentra en Sorek, Israel, y tiene una producción de 624.000 metros cúbicos (137.000.000 imp gal) por día. [1] Otros usos incluyen filtraciones en la industria alimentaria , la recuperación de los vapores orgánicos, tales como petro-química de vapor de recuperación y la electrólisis para la producción de cloro.
En el tratamiento de aguas residuales, la tecnología de membranas es cada vez más importante. Con la ayuda de la ultra / microfiltración es posible eliminar partículas, coloides y macromoléculas, de modo que las aguas residuales se puedan desinfectar de esta manera. Esto es necesario si las aguas residuales se vierten en aguas sensibles, especialmente aquellas designadas para deportes acuáticos de contacto y recreación.
Aproximadamente la mitad del mercado se encuentra en aplicaciones médicas, como el uso en riñones artificiales para eliminar sustancias tóxicas mediante hemodiálisis y como pulmón artificial para el suministro de oxígeno sin burbujas en la sangre .
La importancia de la tecnología de membranas está creciendo en el campo de la protección del medio ambiente ( Base de datos NanoMemPro IPPC ). Incluso en las técnicas modernas de recuperación de energía , las membranas se utilizan cada vez más, por ejemplo, en pilas de combustible y en plantas de energía osmótica .
Transferencia de masa
Se pueden distinguir dos modelos básicos para la transferencia de masa a través de la membrana:
- el modelo de solución-difusión y
- el modelo hidrodinámico .
En las membranas reales, estos dos mecanismos de transporte ciertamente ocurren uno al lado del otro, especialmente durante la ultrafiltración.
Modelo de difusión de soluciones
En el modelo de solución-difusión, el transporte se produce solo por difusión . El componente que debe transportarse primero debe disolverse en la membrana. El enfoque general del modelo de difusión de solución es asumir que el potencial químico de los fluidos de alimentación y permeado están en equilibrio con las superficies de las membranas adyacentes, de modo que las expresiones apropiadas para el potencial químico en las fases de fluido y membrana se pueden equiparar en la solución. -Interfaz de membrana. Este principio es más importante para las membranas densas sin poros naturales , como las que se utilizan para la ósmosis inversa y las pilas de combustible. Durante el proceso de filtración se forma una capa límite en la membrana. Este gradiente de concentración es creado por moléculas que no pueden atravesar la membrana. El efecto se denomina polarización de concentración y, que se produce durante la filtración, conduce a un flujo transmembrana reducido ( flujo ). La polarización de la concentración es, en principio, reversible limpiando la membrana, lo que da como resultado la restauración casi total del flujo inicial. El uso de un flujo tangencial a la membrana (filtración de flujo cruzado) también puede minimizar la polarización de la concentración.
Modelo hidrodinámico
El transporte a través de los poros, en el caso más simple, se realiza por convección . Esto requiere que el tamaño de los poros sea menor que el diámetro de los dos componentes separados. Las membranas que funcionan según este principio se utilizan principalmente en micro y ultrafiltración. Se utilizan para separar macromoléculas de soluciones , coloides de una dispersión o eliminar bacterias. Durante este proceso, las partículas o moléculas retenidas forman una masa pulposa ( torta de filtración ) en la membrana, y este bloqueo de la membrana dificulta la filtración. Este bloqueo se puede reducir mediante el uso del método de flujo cruzado ( filtración de flujo cruzado ). Aquí, el líquido a filtrar fluye a lo largo del frente de la membrana y se separa por la diferencia de presión entre el frente y la parte posterior de la membrana en retenido (el concentrado que fluye) en el frente y permeado (filtrado) en la parte posterior. El flujo tangencial en el frente crea un esfuerzo cortante que agrieta la torta de filtración y reduce el ensuciamiento .
Operaciones de membrana
Según la fuerza motriz de la operación es posible distinguir:
- Operaciones impulsadas por presión
- microfiltración
- ultrafiltración
- nanofiltración
- osmosis inversa
- separación de gas
- Operaciones impulsadas por concentración
- diálisis
- pervaporación
- ósmosis directa
- pulmón artificial
- Operaciones en un gradiente de potencial eléctrico
- electrodiálisis
- electrólisis de membrana, por ejemplo, proceso cloro-álcali
- electrodesionización
- electrofiltración
- pila de combustible
- Operaciones en un gradiente de temperatura
- destilación por membrana
Formas de membrana y geometrías de flujo
Hay dos configuraciones de flujo principales de los procesos de membrana: flujo cruzado (o) flujo tangencial y filtraciones sin salida. En la filtración de flujo cruzado, el flujo de alimentación es tangencial a la superficie de la membrana, el retenido se elimina del mismo lado aguas abajo, mientras que el flujo de permeado se rastrea en el otro lado. En la filtración sin salida, la dirección del flujo de fluido es normal a la superficie de la membrana. Ambas geometrías de flujo ofrecen algunas ventajas y desventajas. Generalmente, la filtración sin salida se utiliza para estudios de viabilidad a escala de laboratorio. Las membranas sin salida son relativamente fáciles de fabricar, lo que reduce el costo del proceso de separación. El proceso de separación por membrana sin salida es fácil de implementar y el proceso suele ser más económico que la filtración por membrana de flujo cruzado. El proceso de filtración sin salida suele ser un proceso de tipo discontinuo , en el que la solución de filtrado se carga (o se introduce lentamente) en el dispositivo de membrana, que luego permite el paso de algunas partículas sujetas a la fuerza impulsora. La principal desventaja de una filtración sin salida es el ensuciamiento extenso de la membrana y la polarización de la concentración . El ensuciamiento generalmente se induce más rápido con fuerzas impulsoras más altas. El ensuciamiento de la membrana y la retención de partículas en una solución de alimentación también acumulan gradientes de concentración y reflujo de partículas (polarización de concentración). Los dispositivos de flujo tangencial son más costosos y laboriosos, pero son menos susceptibles a ensuciarse debido a los efectos de barrido y las altas tasas de cizallamiento del flujo que pasa. Los dispositivos (módulos) de membrana sintética más comúnmente utilizados son láminas / placas planas, heridas en espiral y fibras huecas .
Las placas planas se construyen generalmente como superficies de membrana planas delgadas circulares para ser utilizadas en módulos de geometría sin salida. Las heridas en espiral se construyen a partir de membranas planas similares pero en forma de una "bolsa" que contiene dos láminas de membrana separadas por una placa de soporte muy porosa. [2] A continuación, se enrollan varias bolsas de este tipo alrededor de un tubo para crear una geometría de flujo tangencial y reducir el ensuciamiento de la membrana. Los módulos de fibra hueca consisten en un conjunto de fibras autoportantes con densas capas de separación de piel y una matriz más abierta que ayuda a soportar gradientes de presión y mantener la integridad estructural. [2] Los módulos de fibra hueca pueden contener hasta 10.000 fibras con un diámetro de 200 a 2500 μm; La principal ventaja de los módulos de fibra hueca es un área de superficie muy grande dentro de un volumen cerrado, lo que aumenta la eficiencia del proceso de separación.
Módulo de membrana de fibra hueca
Separación de aire en oxígeno y nitrógeno a través de una membrana.
El módulo de tubo de disco utiliza una geometría de flujo cruzado y consta de un tubo de presión y discos hidráulicos, que se sujetan mediante una barra de tensión central, y cojines de membrana que se encuentran entre dos discos. [3]
Rendimiento de la membrana y ecuaciones de gobierno
La selección de membranas sintéticas para un proceso de separación específico generalmente se basa en pocos requisitos. Las membranas deben proporcionar suficiente área de transferencia de masa para procesar grandes cantidades de corriente de alimentación. La membrana seleccionada debe tener propiedades de alta selectividad ( rechazo ) para ciertas partículas; tiene que resistir las incrustaciones y tener una alta estabilidad mecánica. También debe ser reproducible y tener bajos costos de fabricación. La principal ecuación de modelado para la filtración sin salida a una caída de presión constante está representada por la ley de Darcy: [2]
donde V p y Q son el volumen del permeado y su caudal volumétrico respectivamente (proporcional a las mismas características del flujo de alimentación), μ es la viscosidad dinámica del fluido que permea, A es el área de la membrana, R my R son las resistencias respectivas de membrana y depósito creciente de las incrustaciones. R m puede interpretarse como una resistencia de la membrana a la permeación del disolvente (agua). Esta resistencia es una propiedad intrínseca de la membrana y se espera que sea bastante constante e independiente de la fuerza impulsora, Δp. R está relacionado con el tipo de ensuciamiento de la membrana, su concentración en la solución filtrante y la naturaleza de las interacciones entre el ensuciador y la membrana. La ley de Darcy permite el cálculo del área de la membrana para una separación específica en determinadas condiciones. El coeficiente de tamizado de solutos se define mediante la ecuación: [2]
donde C f y C p son las concentraciones de solutos en el alimento y el permeado, respectivamente. La permeabilidad hidráulica se define como la inversa de la resistencia y está representada por la ecuación: [2]
donde J es el flujo de permeado, que es el caudal volumétrico por unidad de área de la membrana. El coeficiente de tamizado de solutos y la permeabilidad hidráulica permiten una evaluación rápida del rendimiento de la membrana sintética.
Procesos de separación de membranas
Los procesos de separación de membranas tienen un papel muy importante en la industria de la separación. Sin embargo, no se consideraron técnicamente importantes hasta mediados de la década de 1970. Los procesos de separación de membranas difieren según los mecanismos de separación y el tamaño de las partículas separadas. Los procesos de membrana ampliamente utilizados incluyen microfiltración , ultrafiltración , nanofiltración , ósmosis inversa , electrólisis , diálisis , electrodiálisis , separación de gases , permeación de vapor, pervaporación , destilación de membrana y contactores de membrana. [4] Todos los procesos, excepto la pervaporación, no implican cambio de fase. Todos los procesos, excepto la electrodiálisis, son impulsados por presión. La microfiltración y ultrafiltración se utilizan ampliamente en el procesamiento de alimentos y bebidas (microfiltración de cerveza, ultrafiltración de jugo de manzana), aplicaciones biotecnológicas e industria farmacéutica ( producción de antibióticos , purificación de proteínas), purificación de agua y tratamiento de aguas residuales , la industria microelectrónica y otros. Las membranas de nanofiltración y ósmosis inversa se utilizan principalmente para la purificación de agua. Las membranas densas se utilizan para separaciones de gases (eliminación de CO 2 del gas natural, separación de N 2 del aire, eliminación de vapores orgánicos del aire o una corriente de nitrógeno) y, a veces, en la destilación por membrana. El último proceso ayuda en la separación de las composiciones azeotrópicas reduciendo los costos de los procesos de destilación.
Tamaño de poro y selectividad
Los tamaños de poro de las membranas técnicas se especifican de forma diferente según el fabricante. Una distinción común es el tamaño de poro nominal . Describe la distribución máxima del tamaño de poro [5] y proporciona sólo información vaga sobre la capacidad de retención de una membrana. El límite de exclusión o "corte" de la membrana generalmente se especifica en forma de NMWC (corte de peso molecular nominal, o MWCO , corte de peso molecular , con unidades en Dalton ). Se define como el peso molecular mínimo de una molécula globular que es retenido en un 90% por la membrana. El corte, dependiendo del método, se puede convertir al llamado D 90 , que luego se expresa en una unidad métrica. En la práctica, el MWCO de la membrana debería ser al menos un 20% menor que el peso molecular de la molécula que se va a separar.
Utilizando membranas de mica grabadas con huellas [6] Beck y Schultz [7] demostraron que la difusión obstaculizada de moléculas en los poros puede describirse mediante la ecuación de Renkin [8] .
Las membranas filtrantes se dividen en cuatro clases según el tamaño de los poros:
Tamaño de poro | Masa molecular | Proceso | Filtración | Eliminación de |
---|---|---|---|---|
> 10 | Filtro "clásico" | |||
> 0,1 μm | > 5000 kDa | microfiltración | <2 bares | bacterias más grandes, levadura, partículas |
100-2 nanómetro | 5-5000 kDa | ultrafiltración | 1-10 bares | bacterias, macromoléculas, proteínas, virus más grandes |
2-1 nm | 0,1-5 kDa | nanofiltración | 3-20 bares | virus, iones 2-valentes [9] |
<1 nm | <100 Da | osmosis inversa | 10-80 bares | sales, pequeñas moléculas orgánicas |
La forma y la forma de los poros de la membrana dependen en gran medida del proceso de fabricación y, a menudo, son difíciles de especificar. Por lo tanto, para la caracterización, se realizan filtraciones de prueba y el diámetro de poro se refiere al diámetro de las partículas más pequeñas que no pudieron atravesar la membrana.
El rechazo se puede determinar de varias formas y proporciona una medida indirecta del tamaño de los poros. Una posibilidad es la filtración de macromoléculas (a menudo dextrano , polietilenglicol o albúmina ), otra es la medición del corte mediante cromatografía de permeación en gel . Estos métodos se utilizan principalmente para medir membranas para aplicaciones de ultrafiltración. Otro método de prueba es la filtración de partículas de tamaño definido y su medición con un calibrador de partículas o mediante espectroscopia de degradación inducida por láser (LIBS). Una caracterización vívida es medir el rechazo del azul de dextrano u otras moléculas coloreadas. La retención de bacteriófagos y bacterias , la llamada "prueba de desafío bacteriano", también puede proporcionar información sobre el tamaño de los poros.
Tamaño de poro nominal | microorganismo | Número raíz ATCC |
---|---|---|
0,1 micras | Acholeplasma laylawii | 23206 |
0,3 micras | Esporas de Bacillus subtilis | 82 |
0,5 micras | Pseudomonas diminuta | 19146 |
0,45 micras | Serratia marcescens | 14756 |
0,65 micras | Lactobacillus brevis |
Para determinar el diámetro de los poros, también se utilizan métodos físicos como la porosimetría (mercurio, porosimetría líquido-líquido y prueba del punto de burbuja), pero se asume una determinada forma de los poros (como agujeros cilíndricos o esféricos concatenados ). Estos métodos se utilizan para membranas cuya geometría de poros no coincide con la ideal, y obtenemos un diámetro de poro "nominal", que caracteriza a la membrana, pero no refleja necesariamente su comportamiento de filtración y selectividad reales.
La selectividad depende en gran medida del proceso de separación, la composición de la membrana y sus propiedades electroquímicas, además del tamaño de los poros. Con una alta selectividad, los isótopos se pueden enriquecer ( enriquecimiento de uranio) en la ingeniería nuclear o se pueden recuperar gases industriales como el nitrógeno ( separación de gases ). Idealmente, incluso los racémicos pueden enriquecerse con una membrana adecuada.
Al elegir las membranas, la selectividad tiene prioridad sobre una alta permeabilidad, ya que los flujos bajos se pueden compensar fácilmente aumentando la superficie del filtro con una estructura modular. En la filtración en fase gaseosa operan diferentes mecanismos de deposición, de modo que también se pueden retener partículas que tienen tamaños por debajo del tamaño de poro de la membrana.
Ver también
- Deposición de partículas
- Membrana sintética
Notas
- ^ "Próximo gran futuro: Israel aumenta la desalinización por ósmosis inversa para reducir los costos con una cuarta parte de la tubería" . nextbigfuture.com. 19 de febrero de 2015.
- ^ a b c d e Osada, Y., Nakagawa, T., Membrane Science and Technology , Nueva York: Marcel Dekker, Inc, 1992.
- ^ "Módulo RCDT - Módulo de tubo de disco de canal radial (RCDT)" . Módulo de tubo de disco de canal radial (RCDT) . Consultado el 11 de mayo de 2016 .
- ^ Pinnau, I., Freeman, BD, Formación y modificación de membranas , ACS, 1999.
- ^ Guión de TU Berlin - 2 principios de procesos de membrana ( "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de abril de 2014 . Consultado el 6 de septiembre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ); PDF-Datei; 6,85 MB) Página 6 (alemán)
- ^ Fleischer, RL; Precio, PB; Walker, RM (mayo de 1963). "Método de formación de finos agujeros de dimensiones atómicas cercanas". Revisión de instrumentos científicos . 34 (5): 510–512. Código Bibliográfico : 1963RScI ... 34..510F . doi : 10.1063 / 1.1718419 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Beck, RE; Schultz, JS (18 de diciembre de 1970). "Difusión obstaculizada en membranas microporosas con geometría de poro conocida". Ciencia . 170 (3964): 1302–1305. Código Bibliográfico : 1970Sci ... 170.1302B . doi : 10.1126 / science.170.3964.1302 . ISSN 0036-8075 . PMID 17829429 .
- ^ Renkin, Eugene M. (20 de noviembre de 1954). "Filtración, difusión y tamizado molecular a través de membranas de celulosa porosa" . La Revista de Fisiología General . 38 (2): 225–243. ISSN 0022-1295 . PMC 2147404 . PMID 13211998 .
- ^ Experiencia y aplicación potencial de la nanofiltración - Universidad de Linz (alemán) ( PDF archivado el 5 de abril de 2013 en la Wayback Machine )
Referencias
- Osada, Y., Nakagawa, T., Membrane Science and Technology , Nueva York: Marcel Dekker, Inc, 1992.
- Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Microfiltration and Ultrafitration , Principles and Applications., Nueva York: Marcel Dekker, Inc, 1996.
- Mulder M., Principios básicos de la tecnología de membranas , Kluwer Academic Publishers, Países Bajos, 1996.
- Jornitz, Maik W., Filtración estéril , Springer, Alemania, 2006
- Van Reis R., Zydney A. Tecnología de membranas de bioprocesos. J Mem Sci . 297 (2007): 16 a 50.
- Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson ME, Belyea RL Rausch KD Separación por membrana de sólidos de corrientes de procesamiento de maíz. Biores Tech . 97 (2006): 1536-1545.
- Ripperger S., Schulz G. Membranas microporosas en aplicaciones biotecnológicas. Ing . Bioprocesos . 1 (1986): 43-49.
- Thomas Melin, Robert Rautenbach, Membranverfahren , Springer, Alemania, 2007, ISBN 3-540-00071-2 .
- Munir Cheryan, Ultrafiltración Handbuch , Behr, 1990, ISBN 3-925673-87-3 .
- Eberhard Staude, Membranen und Membranprozesse , VCH, 1992, ISBN 3-527-28041-3 .