SEPARACIONES CON MEMBRANAS

Universidad Simón BolívarUniversidad Simón BolívarDpto. Termodinámica y Fenómenos de TransferenciaPrograma de Ingeniería QuímicaTF6332 Procesos de SeparaciónProf. MSc. Ing. Rainier Maldonado

� Membrana� Definición� Materiales

� Procesos de Separación con Membranas� Aplicaciones

Separación por Membranas (I) TF-6332

� Aplicaciones

� Módulos de Membranas� Patrones de Flujos

� MEMBRANA

Película sólida o líquida semi-permeable que permite el paso selectivo de diferentes especies a través de ella por influencia sobre el transporte de masa.

Separación por Membranas (II) TF-6332

La Selectividad se debe alguna de las siguientes propiedades de las moléculas de las especies químicas que se separan (o a combinación de ellas):

- Tamaño (Peso molecular) / Forma

- Adsorción / Solubilidad

- Difusividad

- Carga electrostática / Polaridad

� Agente de Separación

Separación por Membranas (III) TF-6332

Fase I

Por BarreraFase I

Por Barrera

Alimentación

Fase I

Fase II

Alimentación

Fase I

Fase II

Separación por Membranas (IV)

� Esquema General

TF-6332

Alimentación

Corriente de Barrido

(Opcional)

Permeado

RetenidoMembrana

(Opcional)

� Fuerza Impulsora

Gradientes: dF/dX

• Presión• Potencial Químico

ConcentraciónPresión OsmóticaPresión Parcial

• Potencial Eléctrico

Membranas - Materiales (I)

� Membranas Orgánicas (Polímeros)Acetato de celulosa,

Poliamidas,

Poliacrilonitrilos, polifloruro de vinilos…

TF-6332

Polímero soportado sobre metal

Membranas - Materiales (II)

� Membranas Orgánicas (Polímeros)

TF-6332

Figura 3.3. a) Aquivion y b) Nafion.

Membranas - Materiales (III) TF-6332

Combustible hidrógeno

Ánodo: H2(g)---� 2H+ + 2e-Cátodo: ½ O2(g) + 2H+ +2e- --� H2O(l)

Celda: H2 + ½ O2 --� H2O(l)

� Membranas Orgánicas (Polímeros)

Electrodos (ánodo y cátodo): Grafito

Están recubiertos por el catalizador (Pt o Pt-Ru) donde se llevan a cabo las reacciones químicas.

Membranas - Materiales (IV)

� Membranas Orgánicas (Polímeros)

TF-6332

Figura 3.3. a) Aquivion y b) Nafion.

Membranas - Materiales (V)

� Membranas inorgánicas:

Metales: Paladio, Plata

TF-6332

PlataPaladio

Membranas - Materiales (VI)

� Membranas inorgánicas:Cerámicas: Alúmina, Sílicas, Zeolitas, Vidrio de Borosilicato

TF-6332

Cerámica soportada sobre cerámica

Adsorbentes (I)

Adsorbentes Comerciales

Desecante, Purificación de

200-3000.510-75Alúmina Activada

AplicaciónÁrea Superficial Especifica (m2/m3)

Porosidad de Partícula

Diámetro de Poro (A)

Adsorbente

Desecante, Purificación de

200-3000.510-75Alúmina Activada

AplicaciónÁrea Superficial Especifica (m2/m3)

Porosidad de Partícula

Diámetro de Poro (A)

Adsorbente

TF-6332

Desecante, Separación de Hidrocarburos

600 - 7000.2 – 0.53 – 10Zeolitas

Remoción de Orgánicos, Purificación de Agua

750 – 8500.4 – 0.610 – 25Carbón ActivadoMicroporoso

Desecante de Gases

300 - 8500.47 - .7122 – 150Silica Gel

Purificación de Aceites

Activada

Desecante, Separación de Hidrocarburos

600 - 7000.2 – 0.53 – 10Zeolitas

Remoción de Orgánicos, Purificación de Agua

750 – 8500.4 – 0.610 – 25Carbón ActivadoMicroporoso

Desecante de Gases

300 - 8500.47 - .7122 – 150Silica Gel

Purificación de Aceites

Activada

Membranas Porosas (I)

Difusión tipo Knudsen

TF-6332

� Mecanismos de Transporte en Poros

Difusión tipo Knudsen

Difusión Superficial

Difusión Molecular (Flujo Viscoso)

Separación por Membranas (I)

� FLUX

� PERMEABILIDAD

i i iN P µ∝ ⋅∇

TF-6332

: Potencial Químicoi

µ

� PERMEABILIDAD

,i i i MP H D∝ ⋅

,i i i MP q D∝ ⋅

,i i MP D∝

: Constante de Solubilidad de Henryi

H

: Cantidad Adsorbidaiq

: Coeficiente de DifusióniD

Separación por Membranas (II) TF-6332

Coeficiente de Difusión vs Solubilidad

Membranas – Aplicaciones (I) TF-6332

Proceso Tamaño de material retenido

Fuerza Motriz

Aplicación/ Proceso Alternativo

Micro-filtración

0.1 – 10 µmMicro-partículas

Gradiente de Presión(0.5 – 2 bar)

- Purificación de Antibióticos- Clarificación de Bebidas/ Sedimentación - Centrifugación/ Sedimentación - Centrifugación

Ultra-filtración

1 – 100 nmMacro-moléculas

Gradiente de Presión(1 – 10 bar)

- Clarificación de jugos de frutas- Preconcentración de la leche- Recuperación de antibióticos de cultivos de fermentación/ Centrifugación

Ósmosis Inversa

< 1 nmmoléculas

Gradiente de Presión(10 – 100 bar)

- Desalinización de agua*- Remoción de alcohol del vino- Remoción de impurezas de aguas residuales/ Destilación – Evaporación

(*) Mayor aplicación industrial con 46% de la capacidad total mundial de la producción de agua potable.

Membranas – Aplicaciones (II) TF-6332

Proceso Tamaño de material retenido

Fuerza Motriz

Aplicación/ Proceso Alternativo

Diálisis < 1 nmmoléculas

Gradiente de Concentración

- Separación de sulfato de níquel de ácido sulfúrico-Hemodiálisis (Remoción de desechos metabólicos, exceso desechos metabólicos, exceso de agua de la sangre)

Electrodiálisis < 1 nmmoléculas

Gradiente de Potencial Eléctrico

- Producción de sal de mesa de agua de mar-Producción de agua ultrapura/ Cristalización

Membranas – Aplicaciones (III) TF-6332

Proceso Tamaño de material retenido

Fuerza Motriz

Aplicación/ Proceso Alternativo

Permeación de Gases

< 1 nmmoléculas

Gradiente de Presión Parcial

- Separación de CO2 o H2 de metano y otros hidrocarburos-Ajuste de la relación H2/CO en el gas de síntesisgas de síntesis/ Absorción – Adsorción

Pervaporación < 1 nmmoléculas

Gradiente de Potencial Químico

- Deshidratación del azeótropo etanol/agua- Remoción de orgánicos del agua/ Destilación Asistida

Membranas – Aplicaciones (IV) TF-6332

� Filtración

Membranas – Aplicaciones (V) TF-6332

� Ósmosis Inversa

Membranas – Aplicaciones (VI) TF-6332

� Electrodiálisis

Membranas -Permeación de Gases (I) TF-6332

� Evolución Histórica

Membranas -Permeación de Gases (II) TF-6332

� Coeficiente de Difusión

Membranas –Permeación de Gases (III) TF-6332

� Solubilidad

Membranas -Permeación de Gases (IV) TF-6332

� Permeabilidad

MembranasPermeación de Gases (V) TF-6332

� Permeabilidad para Separación de Aire

MembranasPermeación de Gases (VI) TF-6332

� Esquemas de Operación para Separación de Aire

Membranas –Pervaporación (I) TF-6332

� Evolución Histórica

Membranas -Pervaporación (II) TF-6332

� Esquemas de Operación para Pervaporación

Membranas -Pervaporación (III) TF-6332

� Esquemas de Operación Sistemas Híbridos de Destilación y Pervaporación (Separación de Azeótropos)

Membranas -Pervaporación (IV) TF-6332

Feed Side

Liquid Phase

PPPV (T) PP*

Selective Membrane

� Perfil de Potencial Químico – Sustancia Pura

Liquid Phase (T)

Permeate Side

Gas Phase (T, PP)

qδ (T,PP*)q0 (T,Pv)

Membrane Support Layer

Membranas -Pervaporación (V) TF-6332

Feed Side

PPPV (T, Xi,S) PP*

Selective Membrane Boundary

� Perfil de Potencial Químico – Mezclas

Liquid Phase (T, Xi,B) Permeate Side

Gas Phase (T, PP)

qδ (T,PP*)

q0 (T,Pv)

Selective Membrane

Membrane Support LayerLayer

(Xi,ms )

Polarización de la Concentración TF-6332

� Reducción del efecto de la Polarización

Membranas – Módulos (I) TF-6332

� Fibra Hueca

Membranas – Módulos (II) TF-6332

� Espiral

Membranas – Módulos (III) TF-6332

� Monolitos

Membranas – Módulos (IV) TF-6332

� Tubo - Carcasa

Membranas – Módulos (V) TF-6332

� Placa-Marco

Membranas - Módulos (VI)

� Membranas Líquidas

TF-6332

Membrana Emulsión Membrana Soportada

Membranas –Patrones de Flujo (I) TF-6332

� Mezcla Completa – Perfil de Concentración

Alimentación RetenidoC C

CAR

Corriente de Barrido Permeado

CAF CAR

CAB -> 0 CAP

CAP

Membranas –Patrones de Flujo (II) TF-6332

� Flujo Co-corriente – Perfil de Concentración

Alimentación RetenidoC C

Corriente de Barrido Permeado

CAF CAR

CAPCAB -> 0

Membranas –Patrones de Flujo (III) TF-6332

� Flujo Contra-corriente – Perfil de Concentración

Alimentación RetenidoC C

Corriente de BarridoPermeado

CAF CAR

CAP CAB -> 0

Membranas –Patrones de Flujo (IV) TF-6332

� Flujo Cruzado – Perfil de Concentración

Alimentación RetenidoC C

Corriente de Barrido PermeadoCAP

CAF CAR

CAPCAB -> 0