La tecnología de membranas abarca los procesos científicos utilizados en la construcción y aplicación de membranas. Las membranas se utilizan para facilitar el transporte o rechazo de sustancias entre medios y la separación mecánica de corrientes de gas y líquido. En el caso más sencillo, la filtración se consigue cuando los poros de la membrana son más pequeños que el diámetro de la sustancia no deseada, como por ejemplo un microorganismo nocivo. La tecnología de membranas se utiliza comúnmente en industrias como la de tratamiento de agua, procesamiento de metales y productos químicos, farmacéutica, biotecnología, industria alimentaria, así como en la eliminación de contaminantes ambientales.
Después de la construcción de la membrana, existe la necesidad de caracterizar la membrana preparada para saber más sobre sus parámetros, como el tamaño de los poros, el grupo funcional, las propiedades del material, etc., que son difíciles de determinar de antemano. En este proceso se utilizan instrumentos como el Microscopio Electrónico de Barrido , el Microscopio Electrónico de Transmisión , la Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier , la Difracción de Rayos X y la Porosimetría por Desplazamiento Líquido-Líquido.
La tecnología de membranas cubre todos los enfoques de ingeniería para el transporte de sustancias entre dos fracciones con la ayuda de membranas semipermeables . En general, los procesos de separación mecánica para separar corrientes gaseosas o líquidas utilizan tecnología de membranas. En los últimos años se han utilizado diferentes métodos para eliminar contaminantes ambientales, como la adsorción , la oxidación y la separación por membranas. Se producen diferentes tipos de contaminación en el medio ambiente , como la contaminación del aire, la contaminación de las aguas residuales , etc. [1] Según el requisito de la industria de prevenir la contaminación industrial porque más del 70% de la contaminación ambiental se produce debido a las industrias. Es su responsabilidad seguir las normas gubernamentales de la Ley de Prevención y Control de la Contaminación del Aire de 1981 para mantener y prevenir la liberación de sustancias químicas nocivas al medio ambiente. [2] Asegúrese de realizar procesos de prevención y seguridad después de que las industrias puedan liberar sus desechos al medio ambiente. [3]
La tecnología de membranas basada en biomasa es una de las tecnologías más prometedoras para su uso como arma de eliminación de contaminantes porque tiene un bajo costo, más eficiencia y falta de contaminantes secundarios . [1]
Normalmente se utilizan polisulfona , fluoruro de polivinilideno y polipropileno en el proceso de preparación de membranas. Estos materiales de membrana no son renovables ni biodegradables , lo que genera una contaminación ambiental dañina. [4] Los investigadores están tratando de encontrar una solución para sintetizar una membrana ecológica que evite la contaminación ambiental. La síntesis de material biodegradable con la ayuda de material disponible de forma natural, como la síntesis de membranas a base de biomasa, se puede utilizar para eliminar contaminantes. [5]
Los procesos de separación por membranas funcionan sin calentamiento y, por tanto, utilizan menos energía que los procesos de separación térmica convencionales, como la destilación , la sublimación o la cristalización . El proceso de separación es puramente físico y ambas fracciones ( permeado y retenido) pueden obtenerse como productos útiles. La separación en frío mediante tecnología de membranas se utiliza ampliamente en las industrias de tecnología alimentaria , biotecnología y farmacéutica . Además, el uso de membranas permite realizar separaciones que serían imposibles mediante métodos de separación térmica. Por ejemplo, es imposible separar los constituyentes de líquidos o solutos azeotrópicos que forman cristales isomórficos mediante destilación o recristalización , pero dichas separaciones se pueden lograr utilizando tecnología de membranas. Dependiendo del tipo de membrana es posible la separación selectiva de determinadas sustancias individuales o mezclas de sustancias. Entre las aplicaciones técnicas importantes se encuentra la producción de agua potable mediante ósmosis inversa . En el tratamiento de aguas residuales , la tecnología de membranas está adquiriendo cada vez más importancia. La ultra / microfiltración puede ser muy eficaz para eliminar coloides y macromoléculas de las aguas residuales. Esto es necesario si las aguas residuales se vierten en aguas sensibles, especialmente aquellas designadas para deportes acuáticos de contacto y recreación.
Aproximadamente la mitad del mercado se dedica a aplicaciones médicas, como riñones artificiales para eliminar sustancias tóxicas mediante hemodiálisis y pulmones artificiales para el suministro de oxígeno a la sangre sin burbujas .
La importancia de la tecnología de membranas está creciendo en el campo de la protección ambiental ( Base de datos Nano-Mem-Pro IPPC ). Incluso en las técnicas modernas de recuperación de energía , las membranas se utilizan cada vez más, por ejemplo en pilas de combustible y en centrales eléctricas osmóticas .
Se pueden distinguir dos modelos básicos de transferencia de masa a través de la membrana:
En las membranas reales, estos dos mecanismos de transporte ciertamente ocurren uno al lado del otro, especialmente durante la ultrafiltración.
En el modelo de difusión de solución, el transporte se produce únicamente por difusión . El componente a transportar primero debe disolverse en la membrana. El enfoque general del modelo de difusión de solución es suponer que el potencial químico de los fluidos de alimentación y permeado están en equilibrio con las superficies de membrana adyacentes, de manera que las expresiones apropiadas para el potencial químico en las fases de fluido y membrana se pueden igualar en la solución. -interfaz de membrana. Este principio es más importante para membranas densas sin poros naturales, como las que se utilizan para la ósmosis inversa y las pilas de combustible. Durante el proceso de filtración se forma una capa límite sobre la membrana. Este gradiente de concentración es creado por moléculas que no pueden atravesar la membrana. El efecto se denomina polarización de la concentración y, al producirse durante la filtración, conduce a una reducción del flujo transmembrana ( flujo ). La polarización por concentración es, en principio, reversible limpiando la membrana, lo que da como resultado que el flujo inicial se restablezca casi por completo. El uso de un flujo tangencial a la membrana (filtración de flujo cruzado) también puede minimizar la polarización de la concentración.
El transporte a través de los poros -en el caso más sencillo- se realiza de forma convectiva . Esto requiere que el tamaño de los poros sea menor que el diámetro de los dos componentes separados. Las membranas que funcionan según este principio se utilizan principalmente en micro y ultrafiltración. Se utilizan para separar macromoléculas de soluciones , coloides de una dispersión o eliminar bacterias. Durante este proceso, las partículas o moléculas retenidas forman una masa pulposa ( torta de filtración ) sobre la membrana, y este bloqueo de la membrana dificulta la filtración. Este bloqueo se puede reducir mediante el uso del método de flujo cruzado ( filtración de flujo cruzado ). Aquí, el líquido a filtrar fluye a lo largo del frente de la membrana y es separado por la diferencia de presión entre el frente y la parte posterior de la membrana en retenido (el concentrado que fluye) en el frente y permeado (filtrado) en la parte posterior. El flujo tangencial en el frente crea un esfuerzo cortante que agrieta la torta del filtro y reduce la contaminación .
Según el motivo de la operación se puede distinguir:
Hay dos configuraciones de flujo principales en los procesos de membrana: flujo cruzado (o flujo tangencial) y filtraciones sin salida. En la filtración de flujo cruzado, el flujo de alimentación es tangencial a la superficie de la membrana, el retenido se elimina del mismo lado aguas abajo, mientras que el flujo de permeado se rastrea en el otro lado. En la filtración sin salida, la dirección del flujo de fluido es normal a la superficie de la membrana. Ambas geometrías de flujo ofrecen algunas ventajas y desventajas. Generalmente, la filtración sin salida se utiliza para estudios de viabilidad a escala de laboratorio. Las membranas sin salida son relativamente fáciles de fabricar, lo que reduce el coste del proceso de separación. El proceso de separación por membrana sin salida es fácil de implementar y suele ser más económico que la filtración por membrana de flujo cruzado. El proceso de filtración sin salida suele ser un proceso de tipo discontinuo , en el que la solución filtrante se carga (o se alimenta lentamente) en el dispositivo de membrana, lo que luego permite el paso de algunas partículas sujetas a la fuerza impulsora. La principal desventaja de la filtración sin salida es la gran contaminación de la membrana y la polarización de la concentración . La incrustación suele inducirse más rápidamente con fuerzas impulsoras más elevadas. La contaminación de la membrana y la retención de partículas en una solución de alimentación también generan gradientes de concentración y reflujo de partículas (polarización de concentración). Los dispositivos de flujo tangencial son más costosos y requieren más mano de obra, pero son menos susceptibles a la contaminación debido a los efectos de barrido y las altas tasas de cizallamiento del flujo que pasa. Los dispositivos (módulos) de membranas sintéticas más comúnmente utilizados son láminas/placas planas, bobinas en espiral y fibras huecas .
Las placas planas generalmente se construyen como superficies de membrana planas delgadas circulares para usarse en módulos de geometría sin salida. Las heridas en espiral se construyen a partir de membranas planas similares pero en forma de "bolsillo" que contiene dos láminas de membrana separadas por una placa de soporte muy porosa. [6] Luego se enrollan varias bolsas de este tipo alrededor de un tubo para crear una geometría de flujo tangencial y reducir la contaminación de la membrana. Los módulos de fibra hueca consisten en un conjunto de fibras autoportantes con capas densas de separación de piel y una matriz más abierta que ayuda a soportar gradientes de presión y mantener la integridad estructural. [6] Los módulos de fibra hueca pueden contener hasta 10.000 fibras con un diámetro de 200 a 2500 μm; La principal ventaja de los módulos de fibra hueca es la gran superficie dentro de un volumen cerrado, lo que aumenta la eficiencia del proceso de separación.
El módulo de tubo de disco utiliza una geometría de flujo cruzado y consta de un tubo de presión y discos hidráulicos, que se sujetan mediante una barra de tensión central, y cojines de membrana que se encuentran entre dos discos. [7]
La selección de membranas sintéticas para un proceso de separación específico suele basarse en unos pocos requisitos. Las membranas deben proporcionar suficiente área de transferencia de masa para procesar grandes cantidades de corriente de alimentación. La membrana seleccionada debe tener propiedades de alta selectividad (rechazo) para determinadas partículas; tiene que resistir la incrustación y tener una alta estabilidad mecánica. También debe ser reproducible y tener bajos costes de fabricación. La principal ecuación de modelado para la filtración sin salida con una caída de presión constante está representada por la ley de Darcy: [6]
donde V p y Q son el volumen del permeado y su caudal volumétrico respectivamente (proporcional a las mismas características del flujo de alimentación), μ es la viscosidad dinámica del fluido permeante, A es el área de la membrana, R m y R son las resistencias respectivas de membrana y depósito creciente de incrustaciones. R m puede interpretarse como la resistencia de la membrana a la permeación del disolvente (agua). Esta resistencia es una propiedad intrínseca de la membrana y se espera que sea bastante constante e independiente de la fuerza impulsora, Δp. R está relacionado con el tipo de incrustante de la membrana, su concentración en la solución filtrante y la naturaleza de las interacciones entre el incrustante y la membrana. La ley de Darcy permite calcular el área de la membrana para una separación específica en condiciones dadas. El coeficiente de tamizado del soluto está definido por la ecuación: [6]
donde C f y C p son las concentraciones de soluto en la alimentación y el permeado, respectivamente. La permeabilidad hidráulica se define como la inversa de la resistencia y está representada por la ecuación: [6]
donde J es el flujo de permeado , que es el caudal volumétrico por unidad de área de membrana. El coeficiente de tamizado de solutos y la permeabilidad hidráulica permiten una evaluación rápida del desempeño de la membrana sintética.
Los procesos de separación por membranas tienen un papel muy importante en la industria de la separación. Sin embargo, no se consideraron técnicamente importantes hasta mediados de los años setenta. Los procesos de separación por membranas difieren según los mecanismos de separación y el tamaño de las partículas separadas. Los procesos de membrana ampliamente utilizados incluyen microfiltración , ultrafiltración , nanofiltración , ósmosis inversa , electrólisis , diálisis , electrodiálisis , separación de gases , permeación de vapor, pervaporación , destilación de membrana y contactores de membrana. [8] Todos los procesos, excepto la pervaporación, no implican cambio de fase. Todos los procesos, excepto la electrodiálisis, son impulsados por presión. La microfiltración y ultrafiltración se utilizan ampliamente en el procesamiento de alimentos y bebidas (microfiltración de cerveza, ultrafiltración de jugo de manzana), aplicaciones biotecnológicas y en la industria farmacéutica ( producción de antibióticos , purificación de proteínas), purificación de agua y tratamiento de aguas residuales , industria microelectrónica y otros. Las membranas de nanofiltración y ósmosis inversa se utilizan principalmente para fines de purificación de agua. Las membranas densas se utilizan para separaciones de gases (eliminación de CO 2 del gas natural, separación de N 2 del aire, eliminación de vapores orgánicos del aire o una corriente de nitrógeno) y, a veces, en destilación por membrana. Este último proceso ayuda a la separación de composiciones azeotrópicas reduciendo los costos de los procesos de destilación.
Los tamaños de poro de las membranas técnicas se especifican de forma diferente según el fabricante. Una distinción común es por el tamaño nominal de los poros . Describe la distribución máxima del tamaño de poro [9] y solo proporciona información vaga sobre la capacidad de retención de una membrana. El límite de exclusión o "corte" de la membrana suele especificarse en forma de NMWC (corte de peso molecular nominal, o MWCO , corte de peso molecular , con unidades en Dalton ). Se define como el peso molecular mínimo de una molécula globular que es retenido en un 90% por la membrana. El límite, según el método, se puede convertir al llamado D 90 , que luego se expresa en una unidad métrica. En la práctica, el MWCO de la membrana debe ser al menos un 20% menor que el peso molecular de la molécula que se va a separar.
Utilizando membranas de mica grabadas con pistas [10], Beck y Schultz [11] demostraron que la difusión obstaculizada de moléculas en los poros puede describirse mediante la ecuación de Rankin [12] .
Las membranas filtrantes se dividen en cuatro clases según el tamaño de los poros:
La forma de los poros de la membrana depende en gran medida del proceso de fabricación y, a menudo, son difíciles de especificar. Por tanto, para la caracterización se realizan filtraciones de prueba y el diámetro de poro se refiere al diámetro de las partículas más pequeñas que no pudieron atravesar la membrana.
El rechazo se puede determinar de varias maneras y proporciona una medición indirecta del tamaño de los poros. Una posibilidad es la filtración de macromoléculas (a menudo dextrano , polietilenglicol o albúmina ), otra es la medición del límite mediante cromatografía de permeación en gel . Estos métodos se utilizan principalmente para medir membranas para aplicaciones de ultrafiltración. Otro método de prueba es la filtración de partículas con un tamaño definido y su medición con un medidor de partículas o mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS). Una caracterización vívida es medir el rechazo del azul de dextrano u otras moléculas coloreadas. La retención de bacteriófagos y bacterias , la llamada "prueba de provocación de bacterias", también puede proporcionar información sobre el tamaño de los poros.
Para determinar el diámetro de los poros también se utilizan métodos físicos como el porosímetro (mercurio, porosímetro líquido-líquido y prueba del punto de burbuja), pero se supone una determinada forma de los poros (como agujeros cilíndricos o esféricos concatenados). Estos métodos se utilizan para membranas cuya geometría de poros no coincide con la ideal, y obtenemos un diámetro de poro "nominal", que caracteriza a la membrana, pero no refleja necesariamente su comportamiento de filtración ni su selectividad reales.
La selectividad depende en gran medida del proceso de separación, la composición de la membrana y sus propiedades electroquímicas, además del tamaño de los poros. Con una alta selectividad, se pueden enriquecer isótopos (enriquecimiento de uranio) en la ingeniería nuclear o recuperar gases industriales como el nitrógeno ( separación de gases ). Idealmente, incluso los racémicos pueden enriquecerse con una membrana adecuada.
A la hora de elegir membranas, la selectividad tiene prioridad sobre una alta permeabilidad, ya que los flujos bajos pueden compensarse fácilmente aumentando la superficie del filtro con una estructura modular. En la filtración en fase gaseosa funcionan diferentes mecanismos de deposición, de modo que también se pueden retener partículas que tienen tamaños inferiores al tamaño de poro de la membrana.
La biomembrana se clasifica en dos categorías, membrana sintética y membrana natural. Membranas sintéticas clasificadas además en membranas orgánicas e inorgánicas. Membranas poliméricas subclasificadas de membrana orgánica y polímeros cerámicos subclasificados de membrana inorgánica. [14]
La síntesis de membrana verde o biomembrana es la solución para entornos protegidos que tienen un rendimiento en gran medida integral. La biomasa se utiliza en forma de nanopartículas de carbón activado , como el uso de biomasa a base de celulosa , cáscara de coco , cáscara de avellana, cáscara de nuez, desechos agrícolas de tallos de maíz, etc. [4] que mejoran la hidrofilia de la superficie , un mayor tamaño de poro y, por lo tanto, una mayor y menor rugosidad de la superficie. , la separación y el rendimiento antiincrustante de las membranas también mejoran simultáneamente. [15]
Una membrana a base de biomasa es una membrana hecha de materiales orgánicos como fibras vegetales. [4] Estas membranas se utilizan a menudo en aplicaciones de filtración de agua y tratamiento de aguas residuales . La fabricación de una membrana pura a base de biomasa es un proceso complejo que implica varios pasos. El primer paso es crear una suspensión de materiales orgánicos . Luego, esta suspensión se vierte sobre un sustrato, como una placa de vidrio o metal. [16] Luego se seca el molde y la membrana resultante se somete a una serie de tratamientos, como tratamientos químicos o térmicos, para mejorar sus propiedades. Uno de los desafíos en la fabricación de membranas a base de biomasa es crear una membrana con las propiedades deseadas. [17]
Lista de instrumentos utilizados en los procedimientos de síntesis de membranas:
Después del moldeado y síntesis de la membrana, es necesario caracterizar la membrana preparada para conocer más detalles sobre los parámetros de la membrana, como el tamaño de los poros, los grupos funcionales, la humectabilidad, la carga superficial, etc. Es importante conocer las propiedades de la membrana para que podamos eliminar y tratar un contaminante particulado, que causa contaminación en el medio ambiente. [18] Para la caracterización se utilizan los siguientes instrumentos:
El tratamiento del agua es cualquier proceso que mejora la calidad del agua para hacerla más aceptable para un uso final específico. Se pueden utilizar membranas para eliminar partículas del agua mediante exclusión de tamaño o separación de carga. [19] En la exclusión por tamaño , los poros de la membrana tienen un tamaño tal que sólo pueden pasar partículas más pequeñas que los poros. Los poros de la membrana tienen un tamaño tal que sólo pueden pasar moléculas de agua, dejando atrás los contaminantes disueltos. [20]
Utilización de membranas en la separación de gases, como dióxido de carbono ( CO 2 ), óxidos de nitrógeno ( NO
X), Óxidos de azufre ( SO
X), se pueden eliminar gases nocivos para proteger el medio ambiente. [21] Biomasa La separación de gases por membrana es más eficaz que la membrana comercial. [22]
La aplicación de membranas en hemodiálisis es un proceso que consiste en utilizar una membrana semipermeable para eliminar los productos de desecho y el exceso de líquido de la sangre. [23]
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