Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Química Separación por membranas selectivas Sección “N”
DESTILACIÓN DESTILACIÓN POR MEMBRANAS
Gino ittorio !resti !lvarado "#$"$"%%&
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INDICE
IN'ICE(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((($ IN)*+'UCCI,N((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((.!*C+ )E,*IC+(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((& C+NC/USI+NES((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((("$ *EFENCI!S(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((""
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INTRODUCCIÓN
Un m0todo alternativo e1iciente de separación de sustancias en e2uilibrio lí2uido3lí2uido o lí2uido3vapor es la “'ES)I/!CI,N 4+* .E.5*!N!S”6 la cual es es una operación relativamente nueva en comparación con otras operaciones unitarias como lo es la destilación6 evaporación6 cristali7ación6 etc( !lgunas de las venta8as 2ue presenta sobre los m0todos de separación convencionales son9 su ba8o coste energ0tico6 su rec:a7o considerable de las especies no vol;tiles disueltas6 se producen menos incrustaciones en comparación con la micro1iltración6 ultra1iltración < osmosis inversa6 adem;s su menor volumen de operación respecto de la destilación convencional < por ultimo un mane8o de presión < temperatura menores a las operaciones de evaporación < con otras membranas con 1uer7a impulsora de presión( 'e modo 2ue por todo lo anterior6 se presenta solución alternativa para algunos problemas con estas características6 así como la reducción de los costes de operación(
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MARCO TEÓRICO
'ES)I/!CI,N EN .E.5*!N!S ='.> El termino procede de la similitud con la destilación convencional( !mbos se basan en el e2uilibrio lí2uido3vapor6 < ambos re2uieren 2ue se les suministre calor latente para 2ue ocurra el cambio de 1ase( Se distingue de otros procesos de evaporación6 debido a 2ue la membrana no 1orma parte activa en la separación( Su 1unción es de separar mec;nicamente dos lí2uidos 2ue se encuentran a temperaturas distintas6 sin verse alterada por el cambio de 1ase(
4*+CES+ 'E 'ES)I/!CI,N 4+* .E.5*!N! 4ara 2ue ocurra el cambio de 1ase de lí2uido a vapor6 se calienta la solución de alimentación6 por lo 2ue la 1uer7a conductora del proceso destilación por membrana se obtiene por el gradiente de presión de vapor6 el cual es generado por una di1erencia de temperatura a trav0s de la membrana( Como la 1uer7a conductora no es completamente t0rmica6 la destilación por membranas puede llevarse a cabo a una temperatura muc:o m;s ba8a 2ue la destilación t0rmica convencional( /a naturale7a :idro1óbica de la membrana previene la penetración de la solución acuosa a trav0s de los poros6 debido a las tensiones super1iciales6 a menos 2ue se apli2ue una presión transmembranal superior a la presión de entrada del lí2uido en la membrana( 4or lo tanto6 el inter1a7 lí2uido?vapor se 1orman en las entradas de cada poro(
&
El transporte de agua a trav0s de la membrana se puede resumir en tres pasos9 $( Formación de un espacio de vapor en la parte de la membrana en contacto con la alimentación calentada( "( )ransporte de la 1ase de vapor a trav0s del sistema microporoso( -( Condensación del vapor en la parte 1ría de la membrana6 en contacto con la solución del permeato(
)I4+S 'E .E.5*!N!S U)I/I@!'!S
!ctualmente las membranas utili7adas en destilación en membranas son de 4)FE =politetra1luoretileno>6 44 =polipropileno> < 4'F =di31luoruro de polivinilideno>6 cu
( H
4*INCI4I+S 'E /! 'ES)I/!CI,N EN .E.5*!N!S 'ebe ser aplicado a los procesos en membranas con las siguientes características9 a> /a membrana debe ser porosa6 con elevada porosidad( 'ebe tener una ba8a conductividad t0rmica a 1in de minimi7ar las p0rdidas de calor por conducción a trav0s de la membrana6 < una buena resistencia 2uímica6 t0rmica < mec;nica 2ue aumente su tiempo de vida( b> /os poros de la membrana no deben “mo8arse” por los lí2uidos( c> 'entro de los poros de la membrana no debe producirse condensación capilar( d> /a membrana no debe alterar el e2uilibrio lí2uido3vapor de los di1erentes componentes( e> !l menos un lado de la membrana debe estar en contacto directo con el lí2uido( 1> 4ara cada componente6 la 1uer7a motri7 de este proceso es la di1erencia de presiones parciales de vapor entre los lados de la membrana(
C+NFIGU*!CI+NES .S C+.UNES US!'!S EN E/ 4*+CES+ .' /as descripciones son las siguientes9 $( En la destilación con membranas por contacto directo ='C.'>6 2ue el agua tenga una temperatura menor 2ue el lí2uido en la “ feed side” =parte de la membrana en contacto con la solución de alimentado> es usado para condensar el 1luido en el lado del permeato( En este proceso6 el lí2uido en las dos partes de la membrana est; en contacto directo con la membrana :idro1óbica microporosa( 'C.' es la con1iguración m;s usada por su 1;cil instalación en el laboratorio6 aun2ue el contacto directo entre la membrana < la parte 1ría < la ba8a conductividad del polímero da lugar a la p0rdida de calor a trav0s de la membrana( 4or otro lado6 en el proceso 'C.' la de1iciencia t0rmica6 de1inida como la 1racción de calor usado para la evaporación6 es menor 2ue en las otras tres con1iguraciones(
"( En la destilación por membranas mediante “ air gap” =“air gap membrane distillation”6 !G.'>6 el vapor de agua es condensado en la super1icie 1ría
2ue est; separada de la membrana mediante este “ gap” =espacio>( El calor perdido se reduce en este tipo de proceso con la adición del “ air gap” entre la membrana < la super1icie donde condensa el lí2uido(
J
-( En la destilación por membranas con gas de barrido =“ sweeping gas membrane distillation” SG.'>6 un gas 1río inerte es usado en el
“ permeate side ” para barrer < llevar las mol0culas de vapor :acia 1uera del módulo de la membrana donde tiene lugar la condensación( Es la con1iguración menos usada en los procesos de membrana por el coste 2ue re2uiere un sistema de condensación eterno(
&( En la destilación por membranas con vacío “ vacuum membrane distillation ”6 =.'>6 la 1uer7a conductora se consigue aplicando un vacío en el lado del permeato( /a presión de vacío aplicada es menor 2ue la presión de vapor en e2uilibrio( /a condensación tiene lugar 1uera del módulo donde se encuentra la membrana(
%
*E!S 'E !4/IC!CI,N
D
En las aplicaciones siguientes se :a implementado con 0ito la destilación por membranas9
Desalación 'esalación de agua marina para la producción de agua potable o de
•
proceso( Concentración de salmueras para incrementar la capacidad de plantas
•
desalini7adoras eistentes( •
'esalación de aguas salobres de acuí1eros contaminados(
•
'esalación con elevada recuperación de agua6 como paso intermedio :acia la implantación del sistema de vertido cero( 'esalación con energía solar(
•
Extracción de petróleo •
*educción del volumen del agua producida en la etracción de petróleo(
•
)ratamiento del agua producida en sistemas de etracción convencionales < no convencionales =1racKing6 etc(>( )ratamiento de aguas residuales de las re1inerías(
•
Minera ! procesos ind"striales •
Concentración de mela7as(
•
*ecuperación de substancias re valori7ables de las aguas residuales(
•
Concentración de e1luentes org;nicos(
•
)ratamiento de e1luentes :alogenados alcalinos(
•
Concentración de los drena8es ;cidos de la minería próima al vertido cero(
•
Concentración de +C(
$#
Ind"stria ali#entaria •
)ratamiento de las aguas residuales de la industria alimentaria(
•
Concentración < separación de las aguas residuales en la producción de aceite de oliva( Separación de substancias valori7ables < concentración del suero
•
l;cteo( •
'estilación de agua para agricultura :idropónica(
•
Concentración de 7umos < procesado de lec:e( FUN'!.EN)+ )E,*IC+ /as membranas porosas :idró1obas no permiten la trans1erencia de masa en 1orma de lí2uido :asta 2ue no se ecede de una di1erencia de presión crítica( Esta di1erencia de presión crítica6 o presión de entrada de lí2uido =/E4>6 depende de la tensión inter1acial6 del ;ngulo de contacto del lí2uido sobre la super1icie < del tamaAo < 1orma de los poros de la membrana( /a ecuación 2ue determina la di1erencia de presiones a trav0s de una inter1ase para di1erentes geometrías de poro viene dada por la ecuación de /aplace9
siendo R $ < R " los radios de curvatura de la super1icie de la inter1ase( Si suponemos poros cilíndricos uni1ormes su1icientemente pe2ueAos para suponer radio de curvatura constante6 la di1erencia de presiones en la inter1ase6 segLn el modelo capilar6 se epresa de acuerdo con la ecuación de /aplace3Moung como9
$$
donde L es la tensión super1icial del lí2uido6 O es el ;ngulo de contacto < r es el radio del poro cilíndrico( El ;ngulo de contacto se mide desde el seno del
lí2uido Sin embargo6 la ma6 por tanto6 la di1erencia de presiones en la inter1ase se puede escribir como
$"
donde r max es el radio de poro m;imo6 L es la tensión super1icial del lí2uido6 O es el ;ngulo de contacto < B es el coe1iciente de geometría del poro6 2ue siempre es ma
donde Oef es el ;ngulo de contacto e1ectivo < r es la mitad de la distancia media entre 1ibras( Oef se puede poner como 1unción de O < se observa 2ue siempre Oef T O(
Si se supone 2ue la geometría del poro es irregular6 tanto aial como radialmente6 se puede de1inir6 en la dirección aial6 un ;ngulo de estructura6 6 como el ;ngulo 2ue un elemento di1erencial de la pared del poro 1orma con la normal a la super1icie de la membrana6 tal como se muestra en el es2uema(
'espreciando la 1uer7a gravitatoria del 1luido en el poro6 la 1uer7a :idrost;tica debida a la di1erencia de presión a trav0s de la inter1ase ser; igual $-
a la 1uer7a super1icial( Como varía a lo largo del poro6 se puede de1inir un valor promedio del ;ngulo de estructura6 6 de tal modo 2ue la di1erencia de presión en la inter1ase se puede escribir como9
donde r es el radio medio de poro6 O A es el ;ngulo de contacto en avance < R es el radio de curvatura promedio de las paredes del poro irregular(
/a presión de entrada de lí2uido =/E4>6 o presión crítica6 es el valor m;imo de V4( Si se deriva la ecuación respecto de 6 < se iguala a cero6 para calcular el valor m;imo de la di1erencia de presiones6 se obtiene
<6 por tanto6 la presión de entrada de lí2uido ser;
'onde9
$&
!8ustando esta ecuación por regresión no lineal o determinando el menor valor de una cierta 1unción W"6 como se indicar; m;s adelante6 a los di1erentes pares de datos eperimentales =/E43O !>6 se obtienen los valores de r < R/r ( ! partir de 0stos6 se puede determinar el ;ngulo de estructura m;imo utili7ando la ecuación( 4or otro lado6 una gota de agua destilada en una super1icie :idró1oba =446 4'F o 4)FE> tiene un ;ngulo de contacto ma la gota penetrar; dentro de los poros de la membrana( El valor del ;ngulo de contacto O de una gota sobre una super1icie lisa ideal se describe por la ecuación de Moung
donde Oef es el ;ngulo de contacto e1ectivo en el sistema sólido3lí2uido3aire6 L < S son las tensiones super1iciales de la 1ase lí2uida < de la 1ase sólida6 respectivamente6 < SL es la tensión inter1acial lí2uido3sólido( Sin embargo6 las disoluciones acuosas de alco:oles son disoluciones polares < las 1uer7as dispersivas de an der Yaals actLan entre las dos 1ases sólido3 lí2uido contribu
'onde9
$H
Son las componentes dispersivas de la tensión super1icial del sólido < del lí2uido6 < S 6 L < SL son las tensiones super1iciales del sólido6 del lí2uido < de la inter1ase sólido3lí2uido6 respectivamente( Esta ecuación es similar a la de Good3Gira1alco3Fo\Kes3Moung despreciando las energías super1iciales6 6 como 446 4'F6 4)FE6 las energías super1iciales son ba8as < es de esperar 2ue eista una 1uerte interacción entre el lí2uido < el sólido de tal modo 2ue ] S RR ]SL ^ ]L(
/a componente dispersiva de la tensión super1icial del sólido a S6 siendo S pr;cticamente constante6 mientras 2ue
d L
dS
es igual
varía con la
concentración de alco:ol :asta un cierto valor de la concentración de 0ste6 a partir del cual la componente dispersiva de la tensión super1icial de la disolución d L permanece pr;cticamente constante(
!4/IC!CI+NES /a separación de a7eótropos de las me7clas de alco:ol3agua es de gran importancia para la industria( Una me7cla a7eotrópica es a2u0lla cu
$
Si esta di1erencia es signi1icativa6 la separación de a7eótropos mediante destilación en membranas puede lograrse6 aun2ue no se consigue una separación total sino 2ue se separa las me7clas en dos 1racciones9 una :ipoa7eotrópica < otra :ipera7eotrópico( /a separación de a7eótropos6 basada en las di1erentes velocidades de di1usión en una película gaseosa6 1ue propuesta por Fullarton6 posteriormente por .c'o\ell( En estos procesos6 llamados destilación por di1usión6 una película lí2uida calentada a temperatura por deba8o del punto de ebullición est; separada6 de una película lí2uida en1riada6 por un :ueco 2ue contiene un gas inerte a trav0s del cual aparece un 1enómeno de di1usión( En destilación en membranas6 ese :ueco se reduce a la anc:ura de los poros de la membrana :idró1oba6 permitiendo una optimi7ación de la longitud del camino de di1usión con respecto a los 1lu8os < al 1actor de separación( )ambi0n6 otros investigadores :an utili7ado la destilación en membranas para separar gases( 4or e8emplo6 @aKr7e\sKa3)r7nade6 estudiaron la separación de isótopos del oígeno =oígeno$?oígeno$%> a trav0s de membranas microporosas e :idró1obas( 4or Lltimo6 si la di1erencia de presiones de vapor se produce por una di1erencia de concentraciones se le llama destilación osmótica( En estos casos6 el sistema se mantiene en condiciones isot0rmicas < la di1erencia de concentraciones es producida6 normalmente6 por solutos no vol;tiles( 4or tanto6 la destilación en membranas es un proceso de transporte en membranas 2ue6 complementado con di1erentes t0cnicas de ingeniería6 permite bien elevar el rendimiento industrial de los procesos en membranas6 o bien incrementar la calidad de los productos(
4*INCI4!/ES 'IS4+SI)I+S
$J
/a parte 1undamental del dispositivo eperimental utili7ado es la c0lula de medida( Se :an empleado dos tipos de c0lulas6 dependiendo de la modalidad de destilación en membranas usada( 'ic:os aparatos 1ueron construidos en el taller mec;nico de la Universidad Complutense6 salvo el soporte de la c0lula < los distribuidores de metacrilato 2ue se emplearon los de la c0lula de 1iltración tangencial 4ellicon Cassette Standard6 1abricada por .illipore6 modi1ic;ndola para adaptarla a nuestras necesidades(
C$l"las con %&ap' de aire /a c0lula empleada en los eperimentos de destilación en membranas con “gap” de aire 1ue diseAada la Universidad complutense de madrid( Como
%$ soporte de la c0lula se utili7ó el soporte del sistema de 1iltración tangencial 4ellicon Cassette Standard6 cu son de acero inoidable de J mm de espesor < de inmensiones $J $DJ mm( Estas placas llevan incorporados tres tubos6 tambi0n de acero inoidable6 de di;metro interior & mm < de di;metro eterior mm6 dos de ellos =e> comunicados entre sí por un canal =1> para la recogida del permeado6 < el otro para la entrada de aire( !dem;s6 se le :a :ec:o un taladro interno6 de di;metro H mm6 :asta el centro de la placa para introducir una sonda termom0trica 4t3$##6 2ue permite conocer la temperatura en el lado del permeado( 4ara en1riar las placas de condensación se emplean las dos placas de metacrilato del sistema de 1iltración comercial =:>( Estas pie7as de metacrilato tienen dos tubos con varios ori1icios 2ue permiten el paso de un 1lu8o vertical de agua termostati7ada6 si se coloca una 8unta de te1lón de espesor " mm entre la pie7a de metacrilato < la placa de condensación(
$D
El marco tiene las mismas dimensiones eternas 2ue las placas de condensación < unas dimensiones internas de $&J $JJ mm6 de modo 2ue el ;rea e1ectiva de la membrana epuesta al 1lu8o es de ="HD( _ #(J> cm "(
En contacto directo Se muestra un es2uema del dispositivo utili7ado en los eperimentos de destilación a trav0s de membranas en contacto directo( En 0l ciertas partes de la c0lula son algunas de las 2ue se utili7an en el dispositivo con “gap” de aire( /a c0lula est; 1ormada por los soportes de metal del sistema de 1iltración comercial6 las pie7as de metacrilato6 colocadas al rev0s actuando como tapas de los marcos6 dos marcos de acero inoidable de % mm espesor < dos "#
soportes6 colocados a ambos lados de la membrana6 de malla de acero inoidable de $ mm " de lu7 construidos de igual 1orma 2ue los del dispositivo con “gap” de aire( /os marcos se colocan despu0s de los soportes6 sim0tricamente6 1ormando con las pie7as de metacrilato dos c;maras iguales a ambos lados de la membrana6 circulando por una el alimento < por otra el permeado(
CONCLUSIONES
$( /os ba8os valores de p0rdidas de calor por conducción < convección respecto al trans1erido por vapori7ación son debido a el arrastre por aire 2ue se :ace del permeado(
"(
El diseAo de la celda debe ser cambiado para permitir un uso
e1iciente del ;rea de membrana pues los valores de presión de 1lu8o 2ue se mane8an :acen esto posible al estar dentro de los límites de tolerancia del polímero(
-(
/a implementación o sustitución de un proceso de separación de
un vapor por medio de la destilación por membranas da como resultado un producto con un menor costo( "$
&(
4er1ecto m0todo de separación cuando se dispone en el sistema
a7eotropos(
RE(ENCIAS
$( PA)O* MAR+A DEL CARMEN ,ARC+A- :ttp9??eprints(ucm(es?( ZEn línea[ $DD%( ZCitado el9 $H de octubre de "#$([ :ttp9??eprints(ucm(es?HDD&?$?tesis(pd1( "( MA.AS* MARINA CELIA CAMPOS- :ttp9??repositorio(ual(es?( ZEn línea[ septiembre de "#$&( ZCitado el9 $H de octubre de "#$([ :ttp9??repositorio(ual(es9%#%#?8spui?bitstream?$#%-H?-H-H?$?-&J%`)FG`.!*IN! CE/I!C!.4+S(pd1( -( Molero* Lo"is Pe/a- eolss(net( ZEn línea[ ZCitado el9 $H de octubre de "#$([ :ttp9??\\\(eolss(net?sample3c:apters?c#J?e3$&&3"J(pd1(
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