osmosis osmosis

TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS

DE APLICACIÓN INDUSTRIAL


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



Procesos de separación mediante membranas.

ÓSMOSIS INVERSA

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

- Transporte de masa

ÓSMOSIS INVERSA

AGUA DE MAR

- Presión Osmótica = 24 atm

- Contenido Salino ≈ 30 – 40 g/L

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 atraviesan la membrana.

ÓSMOSIS INVERSA

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.

-No se necesitan aditivos.

ÓSMOSIS INVERSA

Desventajas:

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

- Baja selectividad o bajo flujo obtenido.

- El factor de incrustación es más o menos lineal.

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/QfDonde:

Qp: caudal de permeadoQf: 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 / CfCr: 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 permeadoCf : concentración del agua de alimentación

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 alimentaciónCond(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 (ΔPtm): Es la diferencia existente entre la presión en el conducto de alimentación y la presión en el conducto de filtrado.

( )pp

2rpfp

TMp −+

=Δ

Donde: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)]/ttDonde: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 mLdespués del tiempo de prueba (tt).

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 laOI.

- 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 ÓptimaPolicarbonato (PC) Hongos, bacterias, levaduras ÓptimaPolisulfona/Polietersulfona(PS/PES) Pirógenos No confiable

Poliamida/Polieterimida PI/PEI Coloides DiscretaPoliamidas alifáticas Iones NulaPoliesteretercetone (PEEC) Sustancias orgánicas NulaPolipropileno (PP)Celulósicas Partículas ÓptimaPS/PES Hongos, bacterias, levaduras ÓptimaPI/PEI Pirógenos ÓptimaPoliamidas alifáticas Coloides ÓptimaPEEC Iones Insuficiente

Poliacrilonitrilos Sustancias orgánicas Función grado de retención

Celulósicas Partículas ÓptimaPolisulfonas Hongos, bacterias, levaduras ÓptimaPoliamidas aromáticas y alifáticas Pirógenos Óptima

Policarbonatos Coloides ÓptimaIones BuenaSustancias orgánicas Buena

5 – 100

NF/OI

2 - 10UF

< 2MF

ÓSMOSIS INVERSA

Recuperación (R):

R = Qp/QfDonde:

Qp: caudal de permeadoQf: Caudal de alimentación

Productividad (GFD):

GFD= )(pie cartucho del lsuperficia Áreacartuchos. de #

díapor galones2

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

Ejemplo: 87,5% de recuperación; flujo de entrada de 144 m3/día

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

ÓSMOSIS INVERSA

Presión Osmótica del Rechazo

Vida Útil de la Membrana: 2 – 3 años

Limpiezas Regulares

Aspectos a considerar:

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 - poliamida 2 - 11

ÓSMOSIS INVERSA

Ensuciamiento de la Membrana

- Sustancias suspendidas

- Sustancias disueltas

Resistencias:Rm = Resistencia de membranaRa = adsorción, bioobstrucciónRpb = obstrucción de los porosRc = partículas suspendidas

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

1 – Lavado en cocorriente

ÓSMOSIS INVERSA


2 – Lavado en contra corriente

ÓSMOSIS INVERSA


3 – Lavado con chorro de aire

ÓSMOSIS INVERSALimpieza 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

Biofilm, mat. orgánica NaClO 100ppm pH = 5 – 10

ÓSMOSIS INVERSASanitización

- Cloro

- Formaldehído

- Peróxido de Hidrógeno

- Ácido Peracético

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