Aún que las técnicas convencionales mecánicas dominan las separaciones liquido sólido, la filtración por membranas esta ganando aceptación en un gran número de aplicaciones. La tecnología ha sido aplicada en campos desde biotecnología y electrónica hasta en procesos de comida y papel. Por ejemplo en el pulido del efluente de fotoacabado, contéo de microbios, intermediarios farmacéuticos, recuperación de ácidos carboxílicos, y clarificación de aldehídos metálicos. Paradójicamente la filtración por membrana ha encontrado su uso más amplio en las aplicaciones más demandantes, procesos como desalinización, que requiere el poro de membrana más pequeño y la mayor diferencial de presión. Aún así en los 20 años pasados se ha visto un aumento lento pero constante en el uso de membranas. Esta aceptación se debe a un número de factores. Primero a diferencia de los sistemas mecánicos de separación como la centrifugación, mallas o filtración tradicional. Las membranas pueden trabajar en continuo, ahorrar energía, son fácilmente escalables y combinables con otros procesos. Además las unidades trabajan en condiciones medias de proceso sin aditivos, mientras que sus propiedades pueden acercarse a las especificaciones de los usuarios finales. La filtración por membranas demostró un gran potencial en lo que se conoce como descarga cero y al ir minimizando el desperdicio en las compañías de la rama química. Limitando su aceptación existen unas deficiencias inherentes en le rango de Microfiltración, por ejemplo cuando se filtran partículas de 0.10 a 10 micras de diámetro. En este rango de operación, y en el rango de Ultrafiltración donde los rangos de diámetros van de 0.01 a 0.1 micras, las partículas tienden a bloquear la superficie de la membrana, causando contaminación de los materiales de soporte y disminuyendo la eficiencia. En estas circunstancias será necesario un prefiltro. Cuando las partículas de menos de 0.01 micra de diámetro deben ser retenidas, se puede aumentar la presión de la unidad de filtración para aumentar la retención, o el flux. Sin embargo cuando las partículas son, mayores de 0.01 micras el aumentar la presión causa que la calidad de salida disminuya. Esta caída en el desempeño ocurre porque una vez que la caída de presión del sistema pasa un cierto valor, generalmente un bar (0.9807 kg/cm2), se forma una capa polarizada en la superficie de la membrana. La capa es como un gel que impide el flujo de permeado a través de los poros y contamina los canales que pasan a través del soporte de la membrana al ir aumentando la caída de presión a través de la membrana, el flux disminuye. Solo manteniendo una baja caída de presión a través de la membrana es posible limitar la formación del gel polarizador y mantener el mayor flujo de flux posible sin añadir unidades. Muchos sistemas usan bombas de presión para generar una caída de presión a través de la membrana. En estos sistemas la presión a la entrada puede ser de 6 a 8 bars, mientras que la salida es de 1 a 2 bars. La alta presión en la entrada asegura que habrá una fuerza suficiente generada a través de la longitud completa del módulo tubular o filtro en espiral. Sin embargo el gel polarizador puede ocurrir aún en estos sistemas. Un retrolavado periódico y el añadir áreas de filtración son estrategias usadas para prevenir el fallo del sistema. Otra estrategia es generar la fuerza no por bomba, si no físicamente empujando el material de alimentación lateralmente a través de la superficie de la membrana.
*CA- acetato de celulosa; *PSO-fluoruto de polivinil diseño, *PP-polipropileno; *HMWC- (compuestos de alto peso molecular); 100,000 a 1 millones de moles/g; LMWC (compuestos de bajo peso molecular): 1,000 a 100,000 moles/g; Macromoléculas: 1 millón moles/g
Alto flux a baja presión Especialmente en la Microfiltración, la investigación se ha enfocado en el agotamiento de los sistemas de membranas que permitirá la filtración a baja presión para mantener los orificios de las membranas limpios. Como resultado, la filtración de membranas de altos fluxes se ha desarrollado para manejar altos volúmenes que generalmente son encontrados en las industrias de procesos químicos. En este método la fuerza se distribuye equitativamente a través de la superficie de la membrana completa, y la presión a través de la membrana es mantenida entre 0.8 y 1 bar. Uno de estos sistemas son las membranas de rotación cruzada, ahora usadas para tratar agua en papel, comida, químicos y procesos de aguas residuales, que mejora los costos de la Microfiltración. Es buena para la clarificación, concentración y recuperación de agua de proceso, la unidad también puede recuperar coproductos o subproductos En una variedad de aplicaciones, la filtración con membranas de rotación cruzada puede alcanzar reducciones de volúmenes de hasta 1,000 a 1. En este reporte, comparamos los sistemas de filtración con membrana en los rangos de micro y Ultrafiltración, y se subrayan las capacidades de los sistemas de rotación cruzada. Separación líquidos-sólidos Se usan una gran variedad de técnicas para separar sólidos de líquidos dependiendo del proceso individual. Algunas veces tanto el líquido filtrado o permeado como el sólido retenido o concentrado son de gran valor para ser reutilizados o procesados En otros casos uno u otro es el punto a recuperar. El tratamiento de residuales representa el caso donde ninguno de los efluentes es valioso, pero la separación es necesaria para cumplir con las regulaciones La mayoría de los métodos de separación involucran equipos mecánicos como las centrifugas, aditamentos térmicos de desecación, flotación, clarificación y filtros de vacío o filtros de presión. Los filtros convencionales de presión como los filtros prensa, operan en un diferencial de presión de hasta 30 bars. Los sistemas de vació incluyen disco unidades de tambor horizontales o verticales. Los sistemas filtración de membranas se clasifican de acuerdo a la configuración de la membrana, que se relaciona con la técnica para prevenir que la superficie de la membrana se tape. Los filtros de membrana se han vendido por casi 50 años. El 80% de los sistemas usados hoy, basados en aplicaciones de área superficial, con encontrados en plantas de desalinización de agua. La mitad del restante 20% se usa en procesos diarios y el restante se usa en aplicaciones especiales, de valor añadido en producción farmacéutica, biotecnología, manufactura de electrónicos y procesos químicos. Recientemente las presiones para minimizar el rechazo han dado la pauta para examinar las membranas, que permitan que los procesos sean virtualmente aislados del ambiente. La meta de cero descarga en procesos esta incrementando los estándares de la calidad del agua para procesos que genera contaminación por recubrimiento, lubricantes, y otros tratamientos de superficie. Las membranas prometen jugar un papel muy importante en ayudar a alcanzar estas metas, pero la contaminación y su prevención en las membranas es algo muy importante y crítico que hay que tomar en cuenta para cumplir con estas metas.
Base de las membranas Las membranas son capas de hojas muy delgadas microporosas sujetas a una estructura de soporte más gruesas y porosa, generalmente hecha de polipropileno, poliéster o hasta de politetrafluoretileno. A diferencia del papel o la tela, el material de las membranas que varia desde acetato de celulosa o cerámicos y otros polímeros como polisulfonatos, polivinildieno, funcionan como filtros asimétricos. En general, la resistencia al flujo y la caída de presión depende del lado de la membrana que de al flujo de proceso. En la filtración por membrana, las capas, superiores son las que tienen contacto directo con el agua o fluido a tratar, y la estructura de soporte tiene poros que generalmente se hacen más grandes al irse alejando de la superficie. Al aplicar diferencias de presión moderadas se provoca que la membrana actúe como una malla. El tamaño físico de las moléculas de soluto o partículas determina si se permean o se quedan en el lado de la superficie como concentrado. Dependiendo de la composición de la membrana y el tamaño de poro de su capa delgada, los procesos pueden diseñarse para separar moléculas o partículas de tamaños cada vez más pequeños, a un punto donde en esencia todos los sólidos disueltos y suspendido sean rechazados. Otro modo de entender cómo funciona una separación por membranas es relacionar los rangos de separación con el tipo de material retenido. Por ejemplo la filtración convencional captura partículas suspendidas solo mayores de 1-10 micras. La Microfiltración por membrana rechaza partículas 10 veces debajo de un micrómetro. La Ultrafiltración rechaza macromoléculas como las proteínas; la Nanofiltración rechaza sales divalentes, azúcares y ácidos disociados; la ósmosis inversa rechaza sales monovalentes y ácidos no disociados.
Aplicaciones de filtración En general se pueden decir que los procesos de membranas usan una barrera permeable para filtrar componentes seleccionados de mezclas. Los sistemas de procesamiento con membranas pueden disminuir los costos de energía, eliminar emisiones y mejorar la calidad del producto en alguna aplicación. Al irse entendiendo mejor el uso de separación por membranas, habrá mayores aplicaciones que quieran mayores fluxes. Definimos el flux como el volumen de permeado por unidad de área y tiempo. El flux varía de acuerdo al rango de separación de la membrana, y el modo en que varía es diferente en cada rango La relación lineal entre el flux y la presión con la ósmosis inversa se hace más problemática en el rango de Microfiltración. A presiones mayores de 1 bar; el flux decrece. Para mantener los fluxes cuando se usa una membrana en el rango de Microfiltración es esencial prevenir incrustaciones de los rechazos en la superficie de la membrana o dentro del soporte de la membrana. Esta acumulación de material aumenta la resistencia al flujo de permeado. Las membranas de filtración original se hacían de acetato de celulosa. Sin embargo el material no soporta niveles de pH que salgan de 2 a 9 y en temperaturas arriba de 35°C. Además las membranas de acetato de celulosa tienen una resistencia química limitada. Para resolver estas limitantes se han desarrollado cerámicos y membranas poliméricas, incluyendo polisulfonatos fluoruro de polivildieno y poliacrilonitrilos. Comparadas con las de acetato de celulosa, las membranas de polisulfonatos están hechas para desempeño en un rango de pH entre 1 a14, a una temperatura máxima de 110°C, con buena resistencia química. Los cerámicos se usan en sistemas tubulares, generalmente en aplicaciones donde se necesita resistencia a pH extremos y niveles de temperatura extremos. Muchos de estos materiales han sido combinados en estructuras de composita como los metales cerámicos o en estructuras multipoliméricas, en donde una membrana delgada de un material, por ejemplo, polisulfonato es añadido a la superficie de un material de soporte diferente como el poliéster. El arreglo de membranas y el método de colección de fluido en módulos individuales afecta el desempeño de la membrana Existen ahora 4 configuraciones genéricas para la Ultrafiltración y Microfiltración por membranas industrial, tubular, hollow-fiber, plate and frame, spiral wound.
Sistemas de membranas tubulares En este sistema la membrana esta en el interior de tubo. Los diámetros de tubo van de 0.25 a 1 pulgada, y son fácilmente limpiados y tiene menor contaminación. Un ejemplo sería tener un módulo que consista en 18 tubos de 14.1 mm de diámetro encerrados en un tubo cilíndrico, 114 mm de diámetro y 1.3 metros de longitud, éste nominal de membranas de 1 metro cuadrado. Estas membranas son usadas en tratamiento de aguas residuales, recuperación de pinturas y clarificación de jugos, entre otras aplicaciones. La ventaja principal de los sistemas tubulares es que sus orificios permiten manejar partículas más grandes y procesar afluentes con grandes concentraciones de partículas. Su mayor desventaja es su costo asociado con el reemplazo de los tubos de membrana. Los tubos porosos de soporte generalmente se fabrican de fibra de vidrio, y el tubo completo y su membrana deben reemplazarse una vez que se ha dañado con contaminación irreversible. Son menos costosas que las membranas de Hollow-fiber, spiral o plate-and frame. Koch Membrane Systems Inc comercializa membranas tubulares para altura y Microfiltración
Sistema de membrana hollow-fiber Generalmente se utiliza en aplicaciones de purificación de agua de muy bajos sólidos, por ejemplo en las que la concentración de sólidos es menor de 1%. Los elementos de filtración consisten en fibras que pueden ser presurizadas en el interior, La alimentación se introduce en la terminal de la fibra. El permeado se filtra a través de la fibra. El permeado se filtra a través de la fibra y es colectado y fluye hacia fuera del contenedor. El material retenido pasa a través del final de la fibra. Estas membranas son las más susceptibles de contaminar y tapar. Debido al diámetro interior muy pequeño de las fibras de la membrana que están entro 05 y 1 mm, las partículas grandes y concentraciones de altos sólidos no pueden procesarse eficientemente en éstas membranas. SI son fabricadas de poliestersulfona las unidades de membrana pueden esterilizarse con agua calentada por arriba de 100°C a presión. Para compensar el ensuciamiento las membranas pueden retrolavarse periódicamente, sin embargo el fluido de retrolavado debe estas filtrado para remover las partículas que tapen o dañen la pared de la fibra porosa.
Sistema de Spiral –Wound Estos elementos consisten en dos hojas de membrana separadas por un polímero de textil de refuerzo. Esta tela soporta la membrana para las altas presiones de operación y provee un canal de flujo por donde el agua clarificada puede salir. El material de la membrana esta pegado en espiral en un cartucho cilíndrico. La envoltura de la membrana es sellada con adhesivo en tres lados para prevenir contaminación del agua limpia. El cuarto lado es pegado a un tubo de permeado que tiene perforaciones en cada extremo para que el agua producida pueda salir por un tubo central. Los tamaños de los cartuchos pueden variar entre 2 pulgadas de diámetro con 6 pulgadas de longitud hasta 8 pulgadas de diámetro y 40 pulgadas de longitud, generalmente. Esto factores de diseño permiten operar con una gran variedad de materiales de proceso hasta caídas de presión de 3 bars y temperaturas de operación de aproximadamente 70°C. Entre los fabricantes de estas membranas esta Nitto Denko Corp. y Desalination System, Inc Hay dos desventajas mayores con estas membranas, primero la membrana completa y su contenedor deben reemplazarse una vez que se ha contaminado, y tiene dificultad en manejar materiales viscosos o aquellos que tengan gran cantidad o concentraciones de sólidos.
Sistema de Plate and Frame Estas utilizan hojas de membrana planas y ofrece flexibilidad. Las unidades típicas consisten en una serie de platos con membranas de Ultrafiltración o Microfiltración pegadas a ambos lados del plato. Los platos de forma de disco están arreglados de modo que forme una especie de filtro cilíndrico. El número de platos en un módulo esta limita al volumen de flujo que pueda manejar la entrada y salida del sistema y la velocidad mínima de entre cruzamiento requerida a través de cada superficie de membrana. En estos sistemas el ensuciamiento de la superficie de membrana se previene introduciendo energía mecánica en el sistema para prevenir que las partículas se adhieran a los poros, por ejemplo inducir vibración en el sistema. Otro método es combinar membranas de cerámica con rotación. Muchas de las aplicaciones de este tipo de membranas esta en el rango de Microfiltración.
High-shear membrane separation
for process and wastewater treatment
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