Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental TEMA 6.SEPARACIÓN POR MEMBRANAS. ÓSMOSIS INVERSA...
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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
TEMA 6. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS.ÓSMOSIS INVERSA
1. Introducción
2. Ósmosis y ósmosis inversa
3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa
4. Membranas de ósmosis inversa
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
5.1 Agua potable
5.2 Agua para procesos industriales
5.3 Tratamiento de efluentes
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. Introducción
1. No se fundamentan en el equilibrio termodinámico entre fases, sino en fenómenos cinéticos.
2. Existe un medio ajeno al sistema (membrana) que actúa como barrera de separación entre la corriente alimento y la corriente producto.
- Coste inferior
- Mayor selectividad y menor cantidad de subproductos no deseables, ya que no se requieren aditivos
- En general, los procesos son más sencillos
- Las separaciones pueden realizarse de forma continua
- Los requerimientos energéticos suelen ser inferiores, ya que, en la mayoría de los casos, no se producen cambios de fase
- Pueden combinarse fácilmente con otros procesos de separación
- Las características de las membranas pueden diseñarse prácticamente para cada caso particular
Diferencias entre los procesos de separación con membranas y los clásicos:
VENTAJAS
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. Introducción
Fuerza impulsora Procesos
Presión MicrofiltraciónUltrafiltraciónNanofiltraciónÓsmosis inversa
Presión parcial Separación de gasesPermeación
Concentración Diálisis
Potencial eléctrico ElectrodiálisisElectrolisis con membranas
Clasificación de las operaciones de separación conmembranas en función de la fuerza impulsora
INCONVENIENTES
- Problemas de saturación de las membranas
- Vida útil corta
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. IntroducciónOperaciones de separación por membranas basadas en la presión
Es la operación más parecida a la filtración convencional. Se utiliza para retener sólidos en suspensión y como una etapa de clarificación, limpieza o concentración.
Microfiltración (partículas de 10 a 0,05 µm, 0,5 a 3 bares).
Se retienen moléculas relativamente grandes, como proteínas y partículas como coloides y emulsiones. Las moléculas pequeñas pasan libremente.
Ultrafiltración (partículas de 0,1 a 0,001 µm, 1 a 10 bares).
Se emplea para la retención de moléculas orgánicas de bajo peso molecular e iones multivalentes, como el calcio. Frente a la ósmosis inversa, la presión aplicada es pequeña, mientras que los flujos son altos.
Nanofiltración (partículas de 0,005 a 0,0005 µm, 5 a 30 bares).
Permite la retención de moléculas de pequeño peso molecular, como las sales. Las principales aplicaciones se encuentran en la desalinización del agua del mar, en la producción de agua ultrapura, la concentración de zumos, azúcar y leche y en el tratamiento de aguas residuales.
Ósmosis inversa (partículas <0,0005 µm, 10 a 50 bares).
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2. Ósmosis y ósmosis inversa
Z O N A 1 Z O N A 2
A g u a+
A z ú c a r
A g u a+
A z ú c a r
C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2
Figura 6.1 Difusión sin barreras
C o m p a rtim e n to 1 C o m p a rtim e n to 2
A g u a+
A z ú c a r
A g u a+
A z ú c a r
C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2
M e m b ra n a se m ip e rm e a b le
Figura 6.2 Difusión a través de una membrana
C o m p artim en to 1 C o m p artim en to 2
A g u a+
A zú ca r
A g u a+
A zú ca r
C o n c en tra c ió n C 1 C o n c en trac ió n C 2
M em b ran a se m ip e rm eab le
D ife ren c ia s d en iv e l = d ife ren c ia d ep re s io n es o sm ó tica s
Figura 6.3 Ósmosis
C o m p a rtim e n to 1 C o m p a rtim e n to 2
A g u a+
A z ú c a r
A g u a+
A z ú c a r
C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2
M e m b ra n a se m ip e rm e a b le
Figura 6.4 Ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Disolución Presión osmótica
Sacarosa, 20 % ~ 15 atm
Agua de mar ~ 25 atm
C2 > C1
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
C o m p a rtim e n tod e a lta p re s ió n
C o m p a rtim e n tod e b a ja p re s ió n
M e m b ra n ase m ip e rm e a b le
V álv u la d ereg u lac ió n
D iso lu c ió na tra ta r
B o m b aP e rm e a d o
R e c h a z o oc o n c e n tra d o
Q a , C a , P a , a
Q p , C p , P p , p
Q r, C r, P r, r
2. Ósmosis y ósmosis inversa
Proceso industrial de ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa
Aportación
Permeado
Rechazo
Coeficiente de permeabilidad: A
Porcentaje de recuperación o factor de conversión: Y
Porcentaje de rechazo de sales: R
Porcentaje de paso de sales: Ps
Factor de concentración: Fc
Balances de materia en una unidad de ósmosis inversa
BM (total): Qa=Qp+Qr
BM (sales): Qa·Ca=Qp·Cp+Qr·Cr
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
C o m p a rtim e n tod e a lta p re s ió n
C o m p a rtim e n tod e b a ja p re s ió n
M e m b ra n ase m ip e rm e a b le
V álv u la d ereg u lac ió n
D iso lu c ió na tra ta r
B o m b aP e rm e a d o
R e c h a z o oc o n c e n tra d o
Q a , C a , P a , a
Q p , C p , P p , p
Q r, C r, P r, r
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa
La presión osmótica puede estimarse mediante la ecuación de van’t Hoff
π = j · R · T · ΔC
π : presión osmótica, Pa
j : coeficiente adimensional de presión osmótica
R : cte de los gases, 8,316 J/(K·mol)
T : temperatura, K
ΔC : diferencia de concentraciones entre los dos compartimentos, mol/m3
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa
Flujo de disolvente
Jv=Av·(ΔP-Δπ)
Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)
Av : permeabilidad volumétrica o coeficiente de permeabilidad de la membrana, m3/(m2·s·Pa)
ΔP : diferencia de presiones a ambos lados de la membrana, Pa
Δπ : diferencia de presiones osmóticas a ambos lados de la membrana, Pa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa
Flujo de soluto
Js = Jv· Cp = B(Cm-Cp) + M ·Jv· Cm
Js : flujo de soluto a través de la membrana, kg/(m2·s)
Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)
Cp : concentración de soluto en el permeado, kg/m3
B : Coeficiente de permeabilidad de la membrana al soluto, m3/(m2·s)
Cm : concentración de soluto en la superficie de la membrana, kg/m3
M: Coeficiente de acoplamiento (adimensional); tiene un valor próximo a 0,005 para la mayoría de las membranas
m psp m
v v
B(C -C )JC = = +M·C
J A (ΔP-Δπ)
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
4. Membranas de ósmosis inversa
Parámetro Tipos
Estructura AsimétricasSimétricas
Naturaleza Integrales Compuestas de capa fina
Forma PlanasTubularesFibra hueca
Composición química OrgánicasInorgánicas
Morfología de la superficie
LisasRugosas
Presión de trabajo Muy bajaBajaMediaAlta
Clasificación de las membranas de ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
C a p a a c tiv a
L e c h o p o ro so
C a ra e n c o n ta c to c o n la d iso lu c ió n d e a p o rte(la d o d e a lta )
Sección transversal de una membrana asimétrica
Estructura
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
Presión de trabajo
Presión
bar
Salinidad ppm
Aplicaciones
Muy baja
5-10 500-1500 Agua ultrapura
Baja 10-20 1500-4000 Eliminación de nitratos y sustancias orgánicas
Media 20-40 4000-10000 Procesos de separación y concentración
Alta 50-80 >10000 Desalación de agua del mar
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
Efectos producidos por la polarización de la membrana
• Reduce el flujo de disolvente y, por tanto, el caudal de permeado.
• Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y, por tanto, la concentración del permeado.
• Aumenta el riesgo de precipitación de sales sobre la superficie de la membrana.
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Técnica de separación Agua potable
• Desalación• Reducción de la dureza: Ca2+ y Mg2+
Agua para procesos industriales
Técnica de concentración Tratamiento de efluentes
• Concentración de la contaminación en un volumen reducido
• Recuperación de productos de alto valor
• Recirculación del agua
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
B añ o d ee lec tro p in tad o
U ltra filtra c ió n
Ó sm o sis in v e rsa
L av ad o fin a lL av ad o p o r
p u lv e riza c ió nL av ad o p o r
p u lv e riza c ió n
P e rm e ad o
R e ch azo
R e ch az o
P u rg a d e l s is tem a
P e rm ead o
A g u a d ea p o rte
d e sm in e ra liz ad a
Proceso de tratamiento de los baños de pintura
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa