TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL

TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS

DE APLICACIÓN INDUSTRIAL

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.

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.

-

Microfiltración

- Ultrafiltración

- Nanofiltración

- Ósmosis Inversa

TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS

PROCESOS DE DESALACIÓN

- DESTILACIÓN

- No requiere energía térmica (sólo energía

mecánica)

- Opera en una única fase

- Opera a temperatura ambiente

- ÓSMOSIS INVERSA

ÓSMOSIS INVERSA

FUNDAMENTOS

- Ciencia de los materiales de membranas

- Principios físico-químicos de separación

ÓSMOSIS INVERSA

AGUA DE MAR

- Presión Osmótica = 24 atm

ÓSMOSIS INVERSA

MEMBRANAS

- Poliméricas

- Cerámicas

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.

ÓSMOSIS INVERSA

Rechazo: Corriente que contiene los componentes que no

ÓSMOSIS INVERSA

-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.

ÓSMOSIS INVERSA

Desventajas:

- La polarización por concentración y el ensuciamiento de la membrana.

- Baja selectividad o bajo flujo obtenido.

ÓSMOSIS INVERSA

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.

Recuperación (R):

Se define como el porcentaje del agua de alimentación que se convierte en permeado.

R = Qp/Qf

Donde:

Qp: caudal de permeado Qf: caudal de alimentación

Los sistemas de ósmosis inversa operan a conversiones de 15 a 80 %.

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

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

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.

Presión Transmembrana (ΔP_tm): Es la diferencia existente entre la

presión en el conducto de alimentación y la presión en el conducto

de filtrado.

(

)

p

p

2

r

p

f

p

TM

p

=

+

−

Δ

Pf, Pr y Pp son las presiones correspondientes al flujo de alimentación, rechazo y permeado respectivamente.

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.

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.

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

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.

Proceso Tipo de membrana Presión de

trabajo (bar) Remoción de: Eficiencia

Ésteres de celulosa 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 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 Buena

Sustancias orgánicas Buena

5 – 100 NF/OI 2 - 10 UF < 2 MF

ÓSMOSIS INVERSA

)

(pie

cartucho

del

l

superficia

Área

cartuchos.

de

#

día

por

galones

ÓSMOSIS INVERSA

GFD TIPOS DE AGUA

8 - 10 Aguas negras

10 - 20 Aguas de mar superficial

20 - 25 Agua salobre de pozo.

25 - 30 Se acerca al límite práctico.

> 30 Implica alto mantenimiento y corta vida de la membrana.

ÓSMOSIS INVERSA

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

ÓSMOSIS INVERSA

ÓSMOSIS INVERSA

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

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Presión Osmótica del Rechazo

Vida Útil de la Membrana: 2 – 3 años

Limpiezas Regulares

ÓSMOSIS INVERSA

Parámetros del Proceso

Presión de Operación: al aumentar la presión disminuye la permeabilidad

al aumentar la temperatura se favorece la separación

Temperatura de Operación:

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 4 – 7.5

ÓSMOSIS INVERSA

ÓSMOSIS INVERSA

Polarización y Ensuciamiento

- Polarización: situación inicial que se estabiliza

- Ensuciamiento: se va agravando con la operación

Tiempo

Ensuciamiento

Polarización-concentración (fenómeno reversible) Flux

ÓSMOSIS INVERSA

Métodos de Limpieza

ÓSMOSIS INVERSA

Métodos de Limpieza

ÓSMOSIS INVERSA

Métodos de Limpieza

ÓSMOSIS INVERSA

Limpieza Química

Impureza Presente Agente Condiciones Incrustaciones de Ca,

Mg, metales EDTA, EDTA-Na 700 – 2500ppm _{pH = 6} Incrust. de Ca, Mg,

biofilm, coloides HCl pH = 2 Mat. Orgánica,

coloides, biofilm 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 NaHSO₃ 1 %, pH = 5 – 6

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