La nanofiltración es un proceso de filtración por membrana que utiliza poros de tamaño nanométrico a través de los cuales pasan partículas más pequeñas que aproximadamente 1 a 10 nanómetros. Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de aproximadamente 1 a 10 nanómetros, más pequeños que los utilizados en microfiltración y ultrafiltración , pero un poco más grandes que los de ósmosis inversa . Las membranas utilizadas son predominantemente películas delgadas de polímero. [1] Se utiliza para ablandar, desinfectar y eliminar impurezas del agua, y para purificar o separar productos químicos como los farmacéuticos.
Los materiales de membrana que se utilizan comúnmente son películas delgadas de polímeros como el tereftalato de polietileno o metales como el aluminio . [2] Las dimensiones de los poros se controlan mediante el pH , la temperatura y el tiempo durante el desarrollo, con densidades de poros que varían de 1 a 106 poros por cm2 . Las membranas hechas de tereftalato de polietileno (PET) y otros materiales similares se conocen como membranas de "grabado de pistas", llamadas así por la forma en que se forman los poros en las membranas. [3] El "grabado" implica bombardear la película delgada de polímero con partículas de alta energía. Esto da como resultado la creación de pistas que se desarrollan químicamente en la membrana, o se "graban" en la membrana, que son los poros. Las membranas creadas a partir de metal, como las membranas de alúmina, se fabrican mediante el crecimiento electroquímico de una capa delgada de óxido de aluminio a partir de aluminio en un medio ácido. [ cita requerida ]
Históricamente, la nanofiltración y otras tecnologías de membrana utilizadas para la separación molecular se aplicaban exclusivamente en sistemas acuosos . Los usos originales de la nanofiltración eran el tratamiento del agua y, en particular, su ablandamiento . [4] Los nanofiltros "ablandan" el agua al retener iones divalentes formadores de incrustaciones (p. ej., Ca 2+ , Mg 2+ ). [5] [6]
La nanofiltración se ha extendido a otras industrias, como la producción de leche y jugos, así como a las industrias farmacéutica , química fina y de sabores y fragancias. [5]
Una de las principales ventajas de la nanofiltración como método de ablandamiento de agua es que durante el proceso de retención de iones de calcio y magnesio mientras pasan iones monovalentes hidratados más pequeños, la filtración se realiza sin agregar iones de sodio adicionales , como se usa en los intercambiadores de iones. [7] Muchos procesos de separación no funcionan a temperatura ambiente (por ejemplo, destilación ), lo que aumenta en gran medida el costo del proceso cuando se aplica calentamiento o enfriamiento continuo. La realización de una separación molecular suave está vinculada con la nanofiltración que a menudo no se incluye con otras formas de procesos de separación ( centrifugación ). Estos son dos de los principales beneficios que se asocian con la nanofiltración. La nanofiltración tiene el beneficio muy favorable de poder procesar grandes volúmenes y producir continuamente corrientes de productos. Aún así, la nanofiltración es el método de filtración de membrana menos utilizado en la industria, ya que los tamaños de poros de la membrana están limitados a solo unos pocos nanómetros. Cualquier cosa más pequeña, se utiliza ósmosis inversa y cualquier cosa más grande se utiliza para ultrafiltración. La ultrafiltración también se puede utilizar en casos en los que se puede utilizar la nanofiltración, debido a que es más convencional. Una desventaja principal asociada con la nanotecnología, como con toda la tecnología de filtros de membrana, es el costo y el mantenimiento de las membranas utilizadas. [8] Las membranas de nanofiltración son una parte costosa del proceso. Las reparaciones y el reemplazo de las membranas dependen de los sólidos disueltos totales, el caudal y los componentes de la alimentación. Como la nanofiltración se utiliza en varias industrias, solo se puede utilizar una estimación de la frecuencia de reemplazo. Esto hace que los nanofiltros se reemplacen poco tiempo antes o después de que se complete su uso principal. [ cita requerida ]
Las aplicaciones industriales de las membranas requieren cientos o miles de metros cuadrados de membranas y, por lo tanto, se requiere una forma eficiente de reducir el espacio ocupado por ellas mediante el empaquetamiento de las mismas. Las membranas se volvieron comercialmente viables por primera vez cuando se lograron métodos de bajo costo de alojamiento en "módulos". [9] Las membranas no son autoportantes. Deben estar sostenidas por un soporte poroso que pueda soportar las presiones requeridas para operar la membrana NF sin obstaculizar el rendimiento de la membrana. Para hacer esto de manera efectiva, el módulo debe proporcionar un canal para eliminar la permeación de la membrana y proporcionar una condición de flujo adecuada que reduzca los fenómenos de polarización de la concentración. Un buen diseño minimiza las pérdidas de presión tanto en el lado de alimentación como en el lado de permeación y, por lo tanto, los requisitos de energía. [10]
La polarización de la concentración describe la acumulación de especies retenidas cerca de la superficie de la membrana, lo que reduce las capacidades de separación. Se produce porque las partículas son transportadas por convección hacia la membrana con el disolvente y su magnitud es el equilibrio entre esta convección causada por el flujo de disolvente y el transporte de partículas fuera de la membrana debido al gradiente de concentración (causado predominantemente por la difusión ). Aunque la polarización de la concentración es fácilmente reversible, puede provocar el ensuciamiento de la membrana. [10] [11]
Los módulos de bobinado en espiral son el estilo de módulo más comúnmente utilizado y tienen un diseño "estandarizado", disponibles en una variedad de diámetros estándar (2,5", 4" y 8") para adaptarse a un recipiente de presión estándar que puede contener varios módulos en serie conectados por juntas tóricas. El módulo utiliza láminas planas envueltas alrededor de un tubo central. Las membranas se pegan a lo largo de tres bordes sobre un espaciador de permeado para formar "hojas". El espaciador de permeado sostiene la membrana y conduce el permeado al tubo de permeado central. Entre cada hoja, se inserta un espaciador de alimentación similar a una malla. [11] [12] La razón de la dimensión similar a la malla del espaciador es proporcionar un entorno hidrodinámico cerca de la superficie de la membrana que desaliente la polarización de la concentración. Una vez que las hojas se han enrollado alrededor del tubo central, el módulo se envuelve en una capa de revestimiento y se colocan tapas en el extremo del cilindro para evitar el "telescopaje" que puede ocurrir en condiciones de alta presión y caudal [13]
Los módulos tubulares se parecen a los intercambiadores de calor de carcasa y tubo con haces de tubos con la superficie activa de la membrana en el interior. El flujo a través de los tubos normalmente es turbulento , lo que garantiza una baja polarización de la concentración pero también aumenta los costos de energía. Los tubos pueden ser autoportantes o estar sostenidos por inserción en tubos de metal perforados. Este diseño de módulo está limitado para la nanofiltración por la presión que pueden soportar antes de estallar, lo que limita el flujo máximo posible. [9] [10] Debido a los altos costos operativos de energía del flujo turbulento y la presión de estallido limitante, los módulos tubulares son más adecuados para aplicaciones "sucias" donde las alimentaciones tienen partículas, como filtrar agua cruda para obtener agua potable en el proceso Fyne. Las membranas se pueden limpiar fácilmente a través de una técnica de " pigging " con bolas de espuma que se aprietan a través de los tubos, fregando los depósitos apelmazados. [14]
Estas estrategias funcionan para reducir la magnitud de la polarización de la concentración y la contaminación. Existe una variedad de técnicas disponibles, sin embargo, la más común son los espaciadores de canal de alimentación, como se describe en los módulos de bobinado en espiral. Todas las estrategias funcionan al aumentar los remolinos y generar un alto esfuerzo cortante en el flujo cerca de la superficie de la membrana. Algunas de estas estrategias incluyen la vibración de la membrana, la rotación de la membrana, tener un disco de rotor sobre la membrana, pulsar el caudal de alimentación e introducir burbujeo de gas cerca de la superficie de la membrana. [10] [11] [12]
La retención de solutos cargados y no cargados y las mediciones de permeación se pueden clasificar en parámetros de rendimiento, ya que el rendimiento en condiciones naturales de una membrana se basa en la relación entre soluto retenido y permeado a través de la membrana. [ cita requerida ]
En el caso de los solutos cargados, la distribución iónica de las sales cerca de la interfase membrana-solución desempeña un papel importante a la hora de determinar las características de retención de una membrana. Si se conoce la carga de la membrana y la composición y concentración de la solución que se va a filtrar, se puede determinar la distribución de las distintas sales. Esto, a su vez, se puede combinar con la carga conocida de la membrana y el efecto Gibbs-Donnan para predecir las características de retención de esa membrana. [10]
Los solutos sin carga no se pueden caracterizar simplemente por el valor de corte de peso molecular (MWCO), aunque en general un aumento del peso molecular o del tamaño del soluto conduce a un aumento de la retención. La carga y la estructura, así como el pH del soluto, influyen en las características de retención. [1]
La morfología de una membrana se suele determinar mediante microscopía. La microscopía de fuerza atómica (AFM) es un método utilizado para caracterizar la rugosidad de la superficie de una membrana pasando una punta pequeña y afilada (<100 Å) por la superficie de una membrana y midiendo la fuerza de Van der Waals resultante entre los átomos en el extremo de la punta y la superficie. [10] Esto es útil ya que se ha desarrollado una correlación directa entre la rugosidad de la superficie y la suciedad coloidal. También existen correlaciones entre la suciedad y otros parámetros morfológicos, como la hidrófoba , que muestran que cuanto más hidrófoba es una membrana, menos propensa es a ensuciarse. Consulte la sección sobre suciedad de la membrana para obtener más información. [ cita requerida ]
También se han encontrado métodos para determinar la porosidad de las membranas porosas mediante permporometría , haciendo uso de diferentes presiones de vapor para caracterizar el tamaño de los poros y la distribución del tamaño de los poros dentro de la membrana. Inicialmente, todos los poros de la membrana están completamente llenos de un líquido y, como tal, no se produce la permeación de un gas, pero después de reducir la presión de vapor relativa, comenzarán a formarse algunos huecos dentro de los poros según lo dicta la ecuación de Kelvin . Las membranas poliméricas (no porosas) no pueden someterse a esta metodología ya que el vapor condensable debería tener una interacción insignificante dentro de la membrana. [10]
A diferencia de las membranas con tamaños de poro más grandes y más pequeños, el paso de solutos a través de la nanofiltración es significativamente más complejo. [ cita requerida ]
Debido al tamaño de los poros, existen tres modos de transporte de solutos a través de la membrana. Estos incluyen 1) difusión (viaje de moléculas debido a gradientes de potencial de concentración, como se observa a través de membranas de ósmosis inversa), 2) convección (viaje con flujo, como en la filtración con poros de mayor tamaño, como la microfiltración) y 3) electromigración (atracción o repulsión de cargas dentro y cerca de la membrana). [ cita requerida ]
Además, los mecanismos de exclusión en la nanofiltración son más complejos que en otras formas de filtración. La mayoría de los sistemas de filtración funcionan únicamente por exclusión de tamaño (estéreos), pero en las pequeñas escalas de longitud observadas en la nanofiltración, los efectos importantes incluyen la carga superficial y la hidratación ( capa de solvatación ). La exclusión debido a la hidratación se conoce como exclusión dieléctrica, una referencia a las constantes dieléctricas (energía) asociadas con la presencia de partículas en solución versus dentro de un sustrato de membrana. El pH de la solución impacta fuertemente en la carga superficial, [15] proporcionando un método para entender y controlar mejor el rechazo.
Los mecanismos de transporte y exclusión están fuertemente influenciados por el tamaño de poro de la membrana, la viscosidad del solvente, el espesor de la membrana, la difusividad del soluto, la temperatura de la solución, el pH de la solución y la constante dieléctrica de la membrana. La distribución del tamaño de poro también es importante. Modelar con precisión el rechazo para NF es un gran desafío. Se puede hacer con aplicaciones de la ecuación de Nernst-Planck , aunque generalmente se requiere una gran dependencia de los parámetros de ajuste a los datos experimentales. [1]
En general, los solutos cargados se rechazan mucho más eficazmente en la NF que los solutos no cargados y los solutos multivalentes como el SO2−
4(valencia de 2) experimenta un rechazo muy alto. [ cita requerida ]
Teniendo en cuenta que la NF suele ser parte de un sistema compuesto de purificación, se elige una sola unidad en función de las especificaciones de diseño de la unidad NF. Para la purificación de agua potable existen muchas membranas comerciales, que provienen de familias químicas con estructuras, tolerancias químicas y rechazos de sal diversos. [ cita requerida ]
Las unidades NF en la purificación de agua potable varían desde un rechazo de sal extremadamente bajo (<5% en membranas 1001A) hasta un rechazo casi completo (99% en membranas 8040-TS80-TSA). Los caudales varían de 25 a 60 m 3 /día para cada unidad, por lo que la filtración comercial requiere múltiples unidades NF en paralelo para procesar grandes cantidades de agua de alimentación. Las presiones requeridas en estas unidades generalmente están entre 4,5 y 7,5 bar. [10]
A continuación se muestra un proceso típico para la desalinización de agua de mar mediante un sistema NF-RO. [ cita requerida ]
Debido a que el permeado de NF rara vez está lo suficientemente limpio para ser utilizado como producto final para agua potable y otros procesos de purificación de agua, se utiliza comúnmente como un paso de pretratamiento para la ósmosis inversa (RO) [8] como se muestra arriba.
Al igual que con otras separaciones basadas en membranas, como la ultrafiltración , la microfiltración y la ósmosis inversa , el postratamiento de las corrientes de flujo de permeado o retenido (según la aplicación) es una etapa necesaria en la separación industrial de NF antes de la distribución comercial del producto. La elección y el orden de las operaciones unitarias empleadas en el postratamiento dependen de las regulaciones de calidad del agua y del diseño del sistema de NF. Las etapas típicas de postratamiento de purificación de agua de NF incluyen aireación, desinfección y estabilización. [ cita requerida ]
Se utiliza un desgasificador de cloruro de polivinilo (PVC) o plástico reforzado con fibra (FRP) para eliminar los gases disueltos, como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, de la corriente de permeado. [16] Esto se logra soplando aire en dirección contraria a la corriente de agua que cae a través del material de relleno en el desgasificador. El aire elimina eficazmente los gases no deseados del agua. [ cita requerida ]
El agua de permeado de una separación NF está desmineralizada y puede estar expuesta a grandes cambios de pH, lo que genera un riesgo sustancial de corrosión en las tuberías y otros componentes del equipo. Para aumentar la estabilidad del agua, se emplea la adición química de soluciones alcalinas como cal y soda cáustica. Además, se añaden al permeado desinfectantes como cloro o cloramina, así como inhibidores de corrosión de fosfato o fluoruro en algunos casos. [16]
Los desafíos de la tecnología de nanofiltración (NF) incluyen minimizar la suciedad de las membranas y reducir los requisitos de energía. Las membranas compuestas de película delgada (TFC), que consisten en una serie de capas selectivas extremadamente delgadas polimerizadas interfacialmente sobre un sustrato microporoso, han tenido éxito comercial en aplicaciones de membranas industriales. [17] Las capas de membrana electrohiladas no fibrosas (ENM) mejoran el flujo de permeado. [18] Las alternativas energéticamente eficientes a la disposición espiral comúnmente utilizada son las membranas de fibra hueca, que requieren menos pretratamiento. [19] Se han utilizado nanopartículas de dióxido de titanio para minimizar la suciedad de las membranas. [20]