Tratamiento Físicoquímico [ICH3374]

Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile

Informe Final: “Filtración por membranas”

Integrantes:

Natalia Sofía Castillo Ziller

Rodrigo Andrés Gana Pérez

Índice

Índice de ilustraciones........................................................................................................................1

Introducción:......................................................................................................................................2

1. Marco General...........................................................................................................................3

1.1 Tipos de membranas................................................................................................................3

1.2 Mecanismos de transferencia a través de membranas............................................................5

1.3 Membranas de desalinización y clarificación...........................................................................5

2. Membranas de Desalinización....................................................................................................7

2.1 Osmosis Inversa:.......................................................................................................................8

2.2 Nanofiltración...........................................................................................................................9

3. Membranas Clarificadoras.......................................................................................................10

3.1 Ultrafiltración.........................................................................................................................10

3.2 Microfiltración........................................................................................................................10

3.3 Retrolavado............................................................................................................................10

4. Aplicaciones.............................................................................................................................12

5. Conclusiones............................................................................................................................14

6. Bibliografía...............................................................................................................................15

Índice de ilustraciones

Ilustración 1: Esquema membrana homogénea y asimétrica.............................................................4Ilustración 2: Esquema membrana compuesta..................................................................................4Ilustración 3: Tipos de filtración.........................................................................................................6Ilustración 4: Esquema ósmosis Inversa.............................................................................................7Ilustración 5: Variación de flujo durante la filtración y retrolavado.................................................11Ilustración 6: Aplicación celulosa Kraft.............................................................................................13

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Introducción:

El siguiente informe tiene por objetivo mostrar los distintos tipos de membranas y sus respectivas aplicaciones al tratamiento de aguas. Por ello, se explicarán cuáles son y de qué están hechas las membranas utilizadas en los procesos de filtrado. Luego se introducirá al lector en las principales ecuaciones que dominan estos procesos (Ley de Van´t Hoff, balances de energía, entre otros) y cómo se utilizan a la hora de diseñar un mecanismo determinado de tratamiento de aguas.

Dado que la aplicación de las membranas varía según sea el propósito del filtrado (desalinizar o clarificar por ejemplo), se abordarán los distintos tipos de filtrado por separado: osmosis inversa, nanofiltración, microfiltración y ultrafiltración; intentando abarcar las características específicas de cada uno así como sus aplicaciones en la industria.

Para finalizar, se dará una pincelada de la situación actual del filtrado por membranas a nivel mundial, sus aplicaciones más utilizadas, sus proyecciones y la viabilidad de implementar en nuestro país.

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1. Marco General

Definición de membrana: Se entiende por membrana cualquier material en forma de pequeñas capas (entre 0,5 y 2 mm), que posee la propiedad de separar selectivamente la transferencia de distintos componentes presentes en un fluido (líquido o gas) según se requiera (por ejemplo remoción de algunas partículas, solutos o solventes).

1.1 Tipos de membranasMembrana Homogénea: Estas membranas tienes las características de una microestructura que es homogénea a lo largo de su grosor. Pueden ser porosas o densas.

Membrana Asimétrica: Consistes en dos capas sobrepuestas: una muy delgada (0.1 a 1 μm), y otra mucho más gruesa y porosa (100 a 300 μm) frecuentemente reforzada con otro material textil. Las características de separación de este tipo de membrana, generalmente se relacionan con las de la capa delgada, ya que la capa más porosa está encargada de proveer fuerza mecánica pero no de resistirse a la transferencia de materia.

Membranas de Material Compuesto: Derivan de técnicas relativamente modernas de tratamiento de aguas, y permiten que una capa extremadamente delgada se forme en un soporte poroso ya existente, el cual por lo general es asimétrico. Como los dos materiales usados son distintos, se aprovechan las capacidades de cada uno de mejor manera.

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Ilustración 1: Esquema membrana homogénea y asimétricaFuente: Elaboración propia

Ilustración 2: Esquema membrana compuestaFuente: Elaboración Propia

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1.2 Mecanismos de transferencia a través de membranasFiltración: Se permite circular una solución a través de la membrana de forma selectiva, dejando a los componentes indeseados retenidos en la superficie porosa de ésta de acuerdo a su tamaño.

Solubilización – difusión: Solventes y solutos se adhieren químicamente a la membrana y difunden (migran) a tasas variables, según el efecto del gradiente de presión y el potencial químico. La separación es producto de las diferencias de velocidad observadas.

Permeación (gaseosa): Cuando una mezcla es fraccionada por medio de una transferencia selectiva a través de la membrana, con uno de sus constituyentes en estado gaseoso.

Diálisis: Los solutos cruzan a través de la membrana de forma más o menos selectiva; el agua no atraviesa la membrana. Los solutos pueden estar cargados o neutros. Si están cargados, son seleccionados en la medida en que se requiera el transporte de iones con signo opuesto. No obstante, podemos tener membranas catiónicas que sólo transfieran cationes, o membranas aniónicas que sólo transfieran aniones.

1.3 Membranas de desalinización y clarificaciónLas membranas son utilizadas en los procesos de filtración de aguas a través de un gradiente de presión. Según el tamaño de lo que se requiere remover del agua podemos distinguir distintos tipos de filtración:

Osmosis inversa: Las membranas son de capa densa, asimétricas o compuestas, que dejan circular el agua al mismo tiempo que le eliminan todas las sales (idealmente).

Nanofiltración: Las membranas de este tipo de filtración rechazan (no dejan circular) iones multivalentes y solutos orgánicos mayores a 1 nanómetro (aproximadamente 300 g/mol).

Ultrafiltración: Las membranas pueden ser asimétricas o compuestas; poseen un tamaño de poro entre 1 a 50 nanómetros. En este tipo de filtración permite el paso de sales minerales y moléculas orgánicas, pero rechaza las macromoléculas.

Microfiltración: Las membranas son porosas, generalmente homogéneas o levemente asimétricas. El tamaño del poro varía entre 0.1 a 10 μm. La microfiltración permite el paso de casi todas las especies disueltas y sólo retiene a las partículas sólidas.

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Ilustración 3: Tipos de filtraciónFuente: Water quality and treatment: a handbook of community water supplies (1999)

Para efectos de tratamientos de aguas, se sugiere una distinción más simple en cuanto a los tipos de filtración, distinguiendo las membranas que rechazan todos los tipos de sales, membranas de desalinización, de aquellas que sólo eliminan los sólidos suspendidos causantes de la turbidez de las aguas (pero no alteran su composición salina), membranas de clarificación.

Las membranas de desalinización varían de 0.0001 a 0.01 μm, y las membranas de clarificación van desde 0.01 a 1 μm.

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2. Membranas de Desalinización

La principal característica de este tipo de membranas es que rechazan los iones (sales) o solutos orgánicos.

La membrana ideal para una osmosis inversa sólo dejará pasar el agua, rechazando todos los solutos, excepto algunas pocas moléculas orgánicas cuya estructura es muy similar a ala del agua (ej: etanol, metanol).

Mecanismo: Al separar una solución salina de una diluida utilizando este tipo de membranas, la diferencia de potencial químico tiende a hacer circular el agua de un menor potencial a uno mayor (osmosis directa). Cuando el sistema alcanza un equilibrio, la diferencia de presión generada entre ambas soluciones se denomina presión osmótica del sistema. Para prevenir que ocurra esta difusión, se necesita aplicar una presión al fluido con sales que sea igual a la presión osmótica. Si se desea “invertir” la dirección del flujo, entonces la presión aplicada debe ser mayor.

Ilustración 4: Esquema ósmosis InversaFuente: www.hidrosalud.cl

Existe una ecuación para soluciones diluidas que conecta la presión osmótica con la concentración, conocida como la Ley de Van´t Hoff:

π = CRT

π: presión osmótica del sistema en Pa

C: concentración en mol/m3

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C=

Concentración [ Kgm3 ]Peso molecular [ Kgmol ]

R: constante gases ideales = 8.314 JK/mol

T: temperatura en Kelvin

Es posible observar que, mientras menor sea la molécula (menor peso molecular), mayor será la presión osmótica generada para una igual concentración.

Cuando existen varios compuestos iónicos y no iónicos que contribuyen a la presión osmótica, la ecuación queda:

π=RT∑1

N

Ci

Y cuando ambos lados de la membrana están en contacto con soluciones salinas, la diferencia de presión osmótica se calcula según:

∆ π=πmembranaarriba−πmembranaabajo

En contextos más reales se observa que la Ley de Van´t Hoff sólo aplica a pequeñas concentraciones, y a medida que estas aumentan la presión osmótica debe ser superada en mayor cantidad. Por ejemplo, para generar agua pura a partir de agua de mar (35 a 45 g/L) necesitamos presiones entre 50 y 80 bar.

2.1 Osmosis Inversa:Este tipo de membranas es capaz de descargar sales ionizadas, con mayor dificultad moléculas no iónicas y muy pocos (casi ninguno) gases disueltos; O2, CO2…

Las membranas de osmosis inversa se utilizan en todos los sistemas de desalinización como por ejemplo:

-Desalinización de agua de mar para hacerla potable

-Desalinización de agua salobre

-Desalinización de agua fresca para obtener agua desmineralizada o pura, etc…

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Ahora bien, como la presión osmótica es muy variable, se utilizan muchos tipos de membranas y equipos cuya principal diferencia deriva en las presiones de funcionamiento (entre 5 a 80 bar) y en el flujo de filtrado (entre 10 y 40 L/m2h). Esto inevitablemente tiene consecuencias en los costos y factibilidad de aplicación.

2.2 NanofiltraciónLas membranas utilizadas en este proceso se caracterizan por:

- Relativamente alto paso de sales monovalentes (entre el 10 y el 80%)

- Mucho menor paso de sales bivalentes (entre el 1 y el 10%)

- Igual paso de solutos orgánicos que la osmosis inversa

El principal beneficio de este tipo de filtración, es que tolera un alto paso de sales monovalentes (las cuales son el mayor aporte a la presión osmótica), limitando así el Δπ y por ende la energía requerida para alcanzar una desalinización parcial y un agua purificada de su contaminación orgánica.

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3. Membranas Clarificadoras

Este tipo de membranas poseen poros visibles bajo microscopios electrónicos. El agua se mueve a través de estos poros por convección, arrastrando solutos y partículas que son más pequeñas que los poros.

3.1 UltrafiltraciónEn este tipo de filtración se permite el paso de sales y sólo se rechazan los solutos mayores (macromoléculas) y elementos particulares como virus, bacterias, coloides, etc.

Se caracterizan comúnmente por su tamaño “de corte”: tamaño de la proteína con el menor peso molecular de la cual más del 90% es retenido por la membrana. Bajo este contexto, podemos encontrar membranas industriales que poseen un tamaño de corte de 2 ∙103 a 4 ∙105 Daltons.

Sus principales aplicaciones se encuentran en el tratamiento de la leche antes de hacer queso, clarificación de jugo de frutas, procesos médicos de concentración de derivados biotecnológicos, entre otros.

3.2 MicrofiltraciónLas membranas de microfiltración son gruesas y se caracterizan por sus poros de 0.1 a 0.45 μm, que les permiten eliminar bacterias gruesas, protozoos y coloides, pero no virus (excepto aquellos que están unidos a sólidos suspendidos) ni los colides más finos. Por otro lado, sus poros de mayor tamaño permiten pasar el gas, lo cual significa que el aire puede ser usado para limpiarla.

Sus principales aplicaciones se encuentran en el aclaramiento de jugos de fruta, vinos y cervezas; separación de bacterias del agua y esperilización por frío de bebidas y productos farmacéuticos.

3.3 RetrolavadoLas membranas clarificadoras que son generalmente utilizadas para remover partículas, tienden a acumular estas partículas en su superficie formando una especie

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de “torta”, la cual va aumentando la resistencia de la membrana al paso del fluido. Con el tiempo, este efecto puede hacerse de magnitudes importantes, declinando la permeabilidad de la membrana y haciendo necesario un retrolavado que le devuelva sus condiciones iniciales.

El retrolavado puede hacerse utilizando agua (membrana de ultrafiltración) o aire (membrana de microfiltración).

Para realizarlo, es necesario revertir el flujo de agua a través de la membrana presionando el lado permeable. El retrolavado soltará la torta de la superficie de la membrana devolviendo, en el caso ideal, sus condiciones iniciales.

Se ha observado que:

-Dependiendo el tipo de membrana, mientras más hidrofílica sea, será más fácil remover la torta (de hecho podrá ser removida en unos pocos segundos)

-Incluso cuando las membranas tienen buenas propiedades hidrofílicas, no necesariamente se podrán recuperar sus condiciones iniciales, ya que un tapado gradual se va generando con el tiempo. Entonces se necesitará realizar un limpiado químico que sea más efectivo.

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Ilustración 5: Variación de flujo durante la filtración y retrolavadoFuente: Water quality and treatment: a handbook of community water supplies (1999)

4. Aplicaciones

Llevando a un contexto más tangible las técnicas de filtración de membranas, podemos encontrar distintas aplicaciones con respecto al tratamiento de aguas.

En las islas de Zhangzhi y Dachangshan, ubicadas en China, la única fuente de agua disponible es el agua de mar, por lo que se hizo imperante la instalación de plantas desalinizadoras, las cuales se basan en el proceso de filtración de membranas mediante ósmosis inversa. El proceso completo consiste en:

1. Extracción de agua de mar2. Desinfección3. Floculación4. Filtración de múltiples medios5. Acondicionamiento químico6. Desalinización mediante la ósmosis inversa7. Corrección del valor del pH8. Desinfección del agua potable lista

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Estas instalaciones desalinizadoras, hacen posible un suministro de 2.700 m3 de agua potable por día para las islas (página web ProMinent).

A nivel nacional, un ejemplo del uso de filtración por membranas es la instalación de una planta utilizada para remover partículas finas en los efluentes de la planta de celulosa Kraft, ubicada en las cercanías de Valdivia, evitando así adicionar agentes químicos para hacerlo (en este caso Sulfato de Aluminio).

Ilustración 6: Aplicación celulosa KraftFuente: www.arauco.cl

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5. Conclusiones

La filtración por membranas tiene muchas aplicaciones, dentro de las cuales, las más importantes tienen que ver con el tratamiento de aguas, específicamente la clarificación y desalinización de esta.

Mediante la clarificación, es posible remover la turbidez, color, olor y alcalinidad del agua, mientras que la desalinización consiste en remover la sal de agua de mar, para dejarla apta para consumo humano u su usa en procesos industriales.

Si bien potabilizar el agua de mar no es una de las soluciones más utilizadas para evitar la escasez de esta, cuando no existe otra fuente, la filtración por membranas se convierte en la técnica más conveniente (económicamente) para hacerlo.

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6. Bibliografía Water quality and treatment: a handbook of community water supplies/

American water works association; Raymond D. Letterman, Ed Mc Graw Hill, 1999.

Water treatment handbook/ Degrèmont Suez, Seventh edition, 2007. http://vedyadhara.ignou.ac.in/wiki/images/6/63/Unit_11_Membrane.DOC_1.pdf http://www.rustore.info/en/maku/index.html www.prominent.cl , Página web empresa ProMinent. www.arauco.cl , Página web empresa Arauco.

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