Transcript Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa TEMA 6.

Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
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
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
1. Introducción
Diferencias entre los procesos de separación con membranas
y los clásicos:
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.
VENTAJAS
- 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
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
1. Introducción
INCONVENIENTES
-
Problemas de saturación de las membranas
Vida útil corta
Clasificación de las operaciones de separación con
membranas en función de la fuerza impulsora
Fuerza impulsora
Procesos
Presión
Microfiltración
Ultrafiltración
Nanofiltración
Ósmosis inversa
Presión parcial
Separación de gases
Permeación
Concentración
Diálisis
Potencial eléctrico
Electrodiálisis
Electrolisis con membranas
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
1. Introducción
Operaciones de separación por membranas basadas
en la presión
Microfiltración (partículas de 10 a 0,05 µm, 0,5 a 3 bares).
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.
Ultrafiltración (partículas de 0,1 a 0,001 µm, 1 a 10 bares).
Se retienen moléculas relativamente grandes, como proteínas
y partículas como coloides y emulsiones. Las moléculas
pequeñas pasan libremente.
Nanofiltración (partículas de 0,005 a 0,0005 µm, 5 a 30 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.
Ósmosis inversa (partículas <0,0005 µm, 10 a 50 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.
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
2. Ósmosis y ósmosis inversa
C2 > C1
ZONA 1
Concentración C1
Compartimento 1
Concentración C1
ZONA 2
Concentración C 2
Agua
+
Azúcar
Compartimento 2
Concentración C 2
Agua
+
Azúcar
Agua
+
Azúcar
Agua
+
Azúcar
Membrana semipermeable
Figura 6.1 Difusión sin barreras
Figura 6.2 Difusión a través de una membrana
Diferencias de
nivel = diferencia de
presiones osmóticas
Compartimento 1
Concentración C1
Compartimento 2
Concentración C 2
Agua
+
Azúcar
Agua
+
Azúcar
Membrana semipermeable
Figura 6.3 Ósmosis
Compartimento 1
Concentración C1
Agua
+
Azúcar
Compartimento 2
Concentración C 2
Agua
+
Azúcar
Membrana semipermeable
Figura 6.4 Ósmosis inversa
Disolución
Presión osmótica
Sacarosa, 20 %
~ 15 atm
Agua de mar
~ 25 atm
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
2. Ósmosis y ósmosis inversa
Disolución
a tratar
Qa, Ca, Pa, a
Compartimento
de alta presión
Membrana
semipermeable
Bomba
Permeado
Qp, Cp, Pp, p
Compartimento
de baja presión
Válvula de
regulación
Qr, Cr, Pr, r Rechazo o
concentrado
Proceso industrial de ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
3. Definiciones y ecuaciones básicas en
ósmosis inversa
Compartimento
Disolución
a tratar
Qa, Ca, Pa, a
de alta presión
Membrana
semipermeable
Bomba
Compartimento
de baja presión
Válvula de
regulación
Qr, Cr, Pr, r Rechazo o
concentrado
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):
BM (sales):
Qa=Qp+Qr
Qa·Ca=Qp·Cp+Qr·Cr
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Permeado
Qp, Cp, Pp, p
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
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:
j:
R:
T:
ΔC :
presión osmótica, Pa
coeficiente adimensional de presión osmótica
cte de los gases, 8,316 J/(K·mol)
temperatura, K
diferencia de concentraciones entre los dos
compartimentos, mol/m3
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
3. Definiciones y ecuaciones básicas en
ósmosis inversa
Flujo de disolvente
Jv=Av·(ΔP-Δπ)
Jv :
Av :
ΔP :
Δπ :
flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)
permeabilidad volumétrica o coeficiente de
permeabilidad de la membrana, m3/(m2·s·Pa)
diferencia de presiones a ambos lados de la
membrana, Pa
diferencia de presiones osmóticas a ambos
lados de la membrana, Pa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
3. Definiciones y ecuaciones básicas en
ósmosis inversa
Flujo de soluto
Js = Jv· Cp = B(Cm-Cp) + M ·Jv· Cm
flujo de soluto a través de la membrana, kg/(m2·s)
flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)
concentración de soluto en el permeado, kg/m3
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
Js :
Jv :
Cp :
B:
Js B(Cm -Cp )
Cp = =
+M·Cm
Jv A v (ΔP-Δπ)
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
4. Membranas de ósmosis inversa
Clasificación de las membranas de ósmosis inversa
Parámetro
Tipos
Estructura
Asimétricas
Simétricas
Naturaleza
Integrales
Compuestas de capa fina
Forma
Planas
Tubulares
Fibra hueca
Composición química
Orgánicas
Inorgánicas
Morfología de la
superficie
Lisas
Rugosas
Presión de trabajo
Muy baja
Baja
Media
Alta
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
Estructura
Cara en contacto con la disolución de aporte
(lado de alta)
Capa activa
Lecho poroso
Sección transversal de una membrana asimétrica
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
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
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
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.
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
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
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Proceso de tratamiento de los baños de pintura
Lavado por
pulverización
Lavado por
pulverización
Lavado final
Baño de
electropintado
Agua de
aporte
desmineralizada
Rechazo
Ultrafiltración
Permeado
Permeado
Ósmosis inversa
Rechazo
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Purga del sistema
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
5. Aplicaciones de la ósmosis inversa
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental