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MATERIA: LABORATORIO INTEGRAL III
ING. BLAS ERNESTO GALVÁN LÓPEZ
INTEGRANTES:
Nombre No. Control
Hernández Bolaños Juan Daniel 17070781
Hernández Lara Rosa Iris C
Hernández Santiago María Guadalupe C
Hernández Tavera José Roberto 17070771
Juárez Vázquez Jonathan Gerardo C
Martínez Del Angel María Monserrat C
Martínez Salas Isaac Gabriel 16070596
Niño Del Angel Arantza C
Ortiz González Jorge de Jesús C
Pérez Hernández Nidia Denisse 15071906
INTRODUCCIÓN
El proceso de la separación por membrana se basa en la utilización de membranas semi- permeables. El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay varios métodos para permitir que las sustancias atraviesen una membrana. Ejemplos de estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial eléctrico. La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana, mientras que otras quedan atrapadas en ella. La filtración de membrana se puede utilizar como una alternativa a la floculación, las técnicas de purificación de sedimentos, la adsorción (filtros de arena y filtros de carbón activado, intercambiadores iónicos), extracción y destilación. Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de membrana: selectividad y productividad. La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención o de separación (expresado en l/m^2 h). La productividad se expresa mediante un parámetro llamado flujo (expresado en l/m^2 h). La selectividad y la productividad dependen de la membrana. La filtración de membrana se puede dividir en micro y ultra filtración por una parte y en nanofiltración y ósmosis inversa (RO o hiperfiltración) por la otra. Cuando la filtración de membrana se utiliza para retirar partículas más grandes, se aplican la microfiltración y la ultrafiltración. Debido al carácter abierto de las membranas su productividad es alta mientras que las diferencias de presión son bajas.Cuando se necesita desalinizar el agua, se aplican la nanofiltración y la ósmosis inversa. La nanofiltración y las membranas de RO no actúan según el principio de porosidad; la separación ocurre por difusión a través de la membrana. La presión requerida para realizar la nanofiltración y la ósmosis inversa es mucho más alta que la requerida para la micro y ultra filtración, mientras que la productividad es mucho más baja.
Las membranas líquidas representan una especialidad, tanto adsorbidas en capilares como emulsionadas, aunque encuentran una aplicación práctica pequeña. Las membranas poliméricas dominan el campo de separación por membranas porque están muy desarrolladas y son muy competitivas desde el punto de vista económico y de comportamiento. Su forma usual es la del tipo de fibras con huecos, o capilares o como lámina plana, incorporadas a un módulo grande. TIPO DE FILTRACION POR MEMBRANA Hay cuatro tipos de membranas generalmente aceptados. Se definen en función del tamaño de las sustancias que separan del líquido de entrada. Por orden del tamaño de sus poros (de menor a mayor), existen membranas de ósmosis inversa, de nanofiltración, de ultrafiltración y de microfiltración. ➢ La ósmosis inversa utiliza la membrana con los poros más diminutos posible en la separación de líquidos. En principio, la única sustancia que puede atravesar esta membrana es el agua. Ninguna otra sustancia podrá hacerlo, ni bacterias, esporas, grasas, proteínas, gomas, sales, azúcares, minerales, etc. ➢ La nanofiltración permite el paso de iones pequeños (p. ej., minerales) y bloquea tanto los iones más grandes como la mayoría de los componentes orgánicos (p. ej., bacterias, esporas, grasas, proteínas, gomas y azúcares).
Diferencia entre la nanofiltración (NF) y la ósmosis inversa (OI) La nanofiltración no es un proceso de separación tan estricto como la ósmosis inversa, ya que utiliza membranas con poros un poco más grandes. ➢ En la ultrafiltración se utilizan membranas con poros más grandes y una presión relativamente baja. La membrana permite el paso de sales, azúcares, ácidos orgánicos y péptidos pequeños, pero no de proteínas, grasas y polisacáridos. ➢ En la microfiltración, las únicas sustancias a las que no se les permite el paso suelen ser los sólidos en suspensión, las bacterias y los glóbulos grasos.
En la mayoría de los casos, los coeficientes de actividad están próximos a 1, y la primera ley de Fick se escribe como: Considerando Di constante e independiente de Ci, y que las concentraciones en las fases fluidas están en equilibrio con la membrana, la ley de Fick puede escribirse como: donde z es el espesor de la capa activa de la membrana y Cf y Cp son las concentraciones de la alimentación y del filtrado, respectivamente. La concentración de un componente en la fase de membrana será extremadamente diferente de su concentración en la fase de fluido aunque estén en equilibrio Tipos de membrana Las membranas se pueden fabricar con materiales poliméricos, cerámicos o metálicos. Atendiendo a su estructura física se pueden clasificar en: Membranas microporosas Estructuras porosas con una estrecha distribución de tamaño de poros. Las membranas que se encuadran en este grupo tienen una de distribución de diámetros de poro de 0.001mm – 10mm. Los procesos de depuración de aguas que utilizan estas membranas, microfiltración y ultrafiltración, se basan en impedir por exclusión el paso a través de la membrana de aquellos contaminantes de mayor tamaño que el mayor diámetro de poro de la membrana, siendo parcialmente rechazadas aquellas sustancias cuyo tamaño está comprendido entre el mayor y el menor de los diámetros del poro. En este tipo de membranas la fuerza impulsora responsable del flujo de permeado a través de la membrana es una diferencia de presión. Los filtros profundos actúan reteniendo en su interior, bien por adsorción en las paredes de los poros o por su captura en los estrechamientos de los canales de los poros, las sustancias contaminantes que se quieren excluir del agua. Son membranas isotrópicas y habitualmente se utilizan en microfiltración.
Los filtros tipo tamiz son membranas con una estrecha distribución de tamaños de poros. Capturan y acumulan en su superficie las sustancias contaminantes de mayor tamaño que los poros. Las sustancias de menor tamaño que pasan la membrana no son retenidas en su interior, sino que salen formando parte del permeado. Suelen ser membranas anisótropas y se utilizan en ultrafiltración. Membranas densas Estructuras sin poros donde el paso de las sustancias a través de la membrana sigue un modelo de solución- difusión, en el que los componentes de la solución se disuelven en la membrana y posteriormente se difunden a través de ella. La diferente solubilidad y difusividad de los componentes de la solución en la membrana permiten la separación de sustancia del tamaño de moléculas e iones. Debido a las fuertes presiones a las que tienen lugar estos procesos las membranas son de tipo anisótropo. La ósmosis inversa y la nanofiltración son procesos que utilizan este tipo de membranas. Membranas cargadas eléctricamente Pueden ser porosas o densas, con restos aniónicos o catiónicos fijos en la estructura de la membrana. La separación es consecuencia de la carga de la membrana, siendo excluidos aquellos componentes cuya carga sea la misma que la de la membrana. La separación también depende de la carga y concentración de los iones de la solución: los iones monovalentes son excluidos menos eficazmente que los divalentes, así mismo, el proceso de separación es menos efectivo en soluciones de elevada fuerza iónica. Estas membranas se utilizan en los procesos de electrodiálisis. Membranas anisótropas Las membranas anisótropas son estructuras laminares o tubulares donde el tamaño de poro, la porosidad o la composición de la membrana cambia a lo largo de su espesor. Están constituidas por una delgada película (densa o con poros muy finos) soportada en otra más gruesa y porosa, de tal forma que la primera es la responsable del proceso de separación y la segunda aporta al sistema la suficiente resistencia mecánica para soportar las condiciones de trabajo. La película responsable del proceso de separación y la que aporta la resistencia mecánica pueden estar fabricadas con el mismo material (membranas de Loeb-Sourirajan) o con materiales diferentes (membranas de tipo composite). Debido a que la velocidad de paso de las sustancias a través de la membrana es inversamente proporcional a su espesor, las membranas deberán ser tan delgadas como sea posible. Mediante la fabricación de membranas ansótropas (asimétricas) es posible conseguir espesores de membranas inferiores a 20 mm, que son los espesores de las membranas convencionales (isótropas o simétricas).
La carcasa tiene los dispositivos adecuados para recoger los flujos de permeado y concentrado. Las membranas tubulares están constituidas por un soporte poroso de papel o fibra de vidrio sobre el que se deposita la superficie filtrante. También se construyen en materiales cerámicos. Los módulos tubulares suelen tener longitudes de 13 cm – 20 cm, con 4 – 6 membranas de 0.5 cm – 1 cm de diámetro, dispuestas en su interior. La velocidad de circulación de la alimentación por el interior de las membranas es de 2 m/s – 6 m/s, lo que se traduce en pérdidas de carga de 14 – 21 kPa por módulo. El consumo de energía de las plantas que utilizan este tipo de módulos es del orden de 0.8 – 2.5 kWh/100 L permeado. Módulos de membranas enrolladas en espiral Estructura compleja donde una membrana en forma de “bolsa plana”, con un separador interno de las paredes de la membrana, se enrolla en espiral alrededor del tubo colector de permeado, con el que se une por la parte abierta de la “bolsa”. Las paredes exteriores de la membrana, que forman las espirales, se encuentran separadas por estructuras huecas que permiten que la alimentación discurra a través de ellas y que el permeado fluya, lateralmente, a través de las paredes de las membranas. Estos módulos suelen tener 20 cm de diámetro y 100 cm de largo con varias membranas enrolladas que proporcionan una superficie de membrana de 1–2 m2. Módulos de membranas tipo fibra hueca Estructuras semejantes a los intercambiadores de calor multitubulares, de 70 cm de longitud y 8 cm de diámetro donde se alojan 500 – 2000 membranas del tipo fibra hueca. Básicamente existen dos configuraciones, atendiendo a que la alimentación circule por el interior o el exterior de las fibras. La caída de presión en este tipo de módulos es de 0.7 bar – 70 bar, según el tipo de aplicación. Módulos de membranas Vibratorias VR Para subsanar el problema común de las tecnologías de membranas, la obturación provocada por las capas de residuos que se acumulan en su superficie, se han desarrollado las membranas vibratorias VR. La gran diferencia respecto a las membranas tradicionales es que el diseño básico es vertical en vez de horizontal, por lo que el espacio necesario por unidad es menor que en otros sistemas de separación. Estas membranas son capaces de filtrar cualquier tipo de aguas residuales y permiten tratar efluentes con una alta carga de sólidos. Se trata además de una tecnología que no requiere de químicos para operar, a excepción de los necesarios para a limpieza periódica de la membrana. En un Sistema VR, el líquido a tratar está prácticamente inmóvil, circulando lentamente entre los elementos de membranas paralelas. La acción de limpieza del esquileo se crea vibrando vigorosamente los elementos de la membrana en una dirección tangente a la superficie de las membranas.
Crédito: VSEP Las ondas de esquileo producidas por la vibración de la membrana hacen que se levanten los sólidos de la superficie de la membrana y que se vuelvan a mezclar con el material o efluente que se mueve por el interior de la membrana. Este esquileo intenso permite que los poros de la membrana estén más limpios, logrando un rendimiento más alto que las membranas convencionales Las membranas vibratorias VR permiten recuperar entorno al 90% de las aguas tratadas como agua limpia que pueden ser vertida o reutilizada. El tipo de membrana que se utilice en los Sistemas VR varía en función del efluente a tratar. Una clasificación muy general sería la siguiente: Membranas de Osmosis Inversa para la separación de materiales. Membranas de Nanofiltración para el tratamiento de aguas residuales y para la concentración. Membranas de Ultrafiltración para separaciones aceitosas y concentración. Membranas de Microfiltración para separar las partículas más grandes de una fase líquida. Otros parámetros importantes son presión, temperatura, amplitud de la vibración y el tiempo de residencia del material dentro de la membrana. Todos estos parámetros se optimizan durante pruebas iniciales y luego se registran en un PLC que controla el sistema automáticamente.
