La destilación por membrana ( MD ) es un proceso de separación impulsado térmicamente en el que la separación es impulsada por el cambio de fase. Una membrana hidrófoba presenta una barrera para la fase líquida , permitiendo que la fase de vapor (por ejemplo, vapor de agua) pase a través de los poros de la membrana. [1] La fuerza impulsora del proceso es una diferencia de presión de vapor parcial que generalmente se desencadena por una diferencia de temperatura. [2] [3]
La mayoría de los procesos que utilizan una membrana para separar materiales se basan en la diferencia de presión estática como fuerza impulsora entre las dos superficies delimitadoras (por ejemplo, ósmosis inversa - RO), o una diferencia en la concentración ( diálisis ), o un campo eléctrico (ED). [4] La selectividad de una membrana puede deberse a la relación del tamaño de poro con el tamaño de la sustancia que se retiene, o su coeficiente de difusión , o su polaridad eléctrica . Las membranas utilizadas para la destilación por membrana (MD) inhiben el paso de agua líquida al tiempo que permiten la permeabilidad para las moléculas de agua libre y, por lo tanto, para el vapor de agua. [1] Estas membranas están hechas de material sintético hidrófobo (por ejemplo, PTFE, PVDF o PP) y ofrecen poros con un diámetro estándar entre 0,1 y 0,5 μm (3,9 × 10 −6 y 1,97 × 10 −5 pulgadas). Como el agua tiene fuertes características dipolares , mientras que el tejido de la membrana es no polar, el material de la membrana no se humedece con el líquido. [5] Aunque los poros son considerablemente más grandes que las moléculas, la alta tensión superficial del agua impide que la fase líquida entre en los poros. Se desarrolla un menisco convexo en el poro. [6] Este efecto se llama acción capilar. Entre otros factores, la profundidad de impresión puede depender de la carga de presión externa sobre el líquido. Una dimensión para la infiltración de los poros por el líquido es el ángulo de contacto Θ = 90 – Θ'. Mientras Θ < 90° y, en consecuencia, Θ' > 0°, no se producirá ninguna humectación de los poros. Si la presión externa aumenta por encima de la denominada presión de entrada del líquido , entonces Θ = 90°, lo que da como resultado una derivación del poro. La fuerza impulsora que entrega el vapor a través de la membrana, para recogerlo en el lado del permeado como agua de producto, es la diferencia de presión parcial de vapor de agua entre las dos superficies limítrofes. Esta diferencia de presión parcial es el resultado de una diferencia de temperatura entre las dos superficies limítrofes. Como se puede ver en la imagen, la membrana está cargada con un flujo de alimentación caliente en un lado y un flujo de permeado enfriado en el otro lado. La diferencia de temperatura a través de la membrana, generalmente entre 5 y 20 K, transmite una diferencia de presión parcial que garantiza que el vapor que se desarrolla en la superficie de la membrana siga la caída de presión, permeabilizándose a través de los poros y condensándose en el lado más frío. [7]
Existen muchas técnicas de destilación por membrana diferentes. Las cuatro técnicas básicas se diferencian principalmente por la disposición del canal de destilado o por la forma en que se opera dicho canal. Las tecnologías siguientes son las más comunes:
En el DCMD, ambos lados de la membrana se cargan con agua de alimentación líquida caliente en el lado del evaporador y permeado enfriado en el lado del permeado. La condensación del vapor que pasa a través de la membrana ocurre directamente dentro de la fase líquida en la superficie límite de la membrana. Dado que la membrana es la única barrera que bloquea el transporte de masa, se pueden lograr flujos de permeado relacionados con la superficie relativamente altos con el DCMD. [8] Una desventaja es la alta pérdida de calor sensible, ya que las propiedades aislantes de la capa de membrana única son bajas. Sin embargo, una alta pérdida de calor entre el evaporador y el condensador también es el resultado de la capa de membrana única. Este calor perdido no está disponible para el proceso de destilación, lo que reduce la eficiencia. [9] A diferencia de otras configuraciones de destilación de membrana, en el DCMD, el enfriamiento a través de la membrana lo proporciona el flujo de permeado en lugar del precalentamiento de la alimentación. Por lo tanto, también se necesita un intercambiador de calor externo para recuperar calor del permeado, y el alto caudal de la alimentación debe optimizarse cuidadosamente. [10]
En el MD con entrehierro, el canal del evaporador se asemeja al del DCMD, mientras que el entrehierro del permeado se encuentra entre la membrana y una pared enfriada y está lleno de aire. El vapor que pasa a través de la membrana debe superar adicionalmente este entrehierro antes de condensarse en la superficie más fría. La ventaja de este método es el alto aislamiento térmico hacia el canal del condensador, minimizando así las pérdidas por conducción de calor. Sin embargo, la desventaja es que el entrehierro representa una barrera adicional para el transporte de masa, reduciendo la salida de permeado relacionada con la superficie en comparación con el DCMD. [12] Otra ventaja sobre el DCMD es que las sustancias volátiles con una tensión superficial baja, como el alcohol u otros disolventes, se pueden separar de las soluciones diluidas, debido al hecho de que no hay contacto entre el permeado líquido y la membrana con AGMD. El AGMD es especialmente ventajoso en comparación con las alternativas a mayor salinidad. [13] Las variaciones del AGMD pueden incluir superficies de condensación hidrófobas [14] o condensadores porosos [15] para mejorar el flujo y la eficiencia energética . En AGMD, las características de diseño de importancia única incluyen el espesor del espacio, la hidrofobicidad de la superficie de condensación, el diseño del espaciador del espacio y el ángulo de inclinación. [16]
El MD de gas de barrido, también conocido como despojo por aire, utiliza una configuración de canal con un espacio vacío en el lado del permeado. Esta configuración es la misma que en AGMD. La condensación del vapor se lleva a cabo fuera del módulo MD en un condensador externo. Al igual que con AGMD, las sustancias volátiles con una tensión superficial baja se pueden destilar con este proceso. [17] La ventaja de SWGMD sobre AGMD es la reducción significativa de la barrera para el transporte de masa a través del flujo forzado. De este modo, se pueden lograr mayores flujos de masa de agua de producto relacionados con la superficie que con AGMD. Una desventaja de SWGMD causada por el componente de gas y, por lo tanto, el mayor flujo de masa total, es la necesidad de una mayor capacidad del condensador. Cuando se utilizan flujos de masa de gas más pequeños, existe el riesgo de que el gas se caliente en la superficie caliente de la membrana, lo que reduce la diferencia de presión de vapor y, por lo tanto, la fuerza impulsora. Una solución de este problema para SWGMD y para AGMD es el uso de una pared enfriada para el canal de permeado y el mantenimiento de la temperatura mediante la limpieza con gas. [18]
El método MD al vacío contiene una configuración de canal de espacio de aire. Una vez que ha pasado a través de la membrana, el vapor es succionado fuera del canal de permeado y se condensa fuera del módulo como con SWGMD. El VCMD y el SWGMD se pueden aplicar para la separación de sustancias volátiles de una solución acuosa o para la generación de agua pura a partir de agua salada concentrada. Una ventaja de este método es que los gases inertes no disueltos que bloquean los poros de la membrana son succionados por el vacío, dejando una superficie de membrana efectiva más grande activa. [19] Además, una reducción del punto de ebullición da como resultado una cantidad comparable de producto a temperaturas generales más bajas y diferencias de temperatura más bajas a través de la membrana. Una diferencia de temperatura requerida más baja deja una demanda de energía térmica total y específica más baja . Sin embargo, la generación de un vacío, que debe ajustarse a la temperatura del agua salada, requiere un equipo técnico complejo y, por lo tanto, es una desventaja para este método. La demanda de energía eléctrica es mucho mayor que con DCMD y AGMD. Un problema adicional es el aumento del valor de pH debido a la eliminación de CO2 del agua de alimentación. Para que la destilación por membrana al vacío sea eficiente, a menudo se realiza en configuraciones de múltiples etapas. [20]
A continuación se explicará la configuración básica de los canales y el modo de funcionamiento de un módulo DCMD estándar, así como de un módulo DCMD con un espacio de permeado separado. El diseño de la imagen adyacente muestra una configuración de canal plano, pero también puede entenderse como un esquema para módulos de fibra plana, hueca o en espiral.
La configuración completa del canal consta de un canal de condensador con entrada y salida y un canal de evaporador con entrada y salida. Estos dos canales están separados por la membrana microporosa hidrófoba. Para enfriar, el canal de condensador se inunda con agua dulce y el evaporador, por ejemplo, con agua de alimentación salada. El refrigerante ingresa al canal de condensador a una temperatura de 20 °C (68 °F). Después de pasar a través de la membrana, el vapor se condensa en el agua de refrigeración, liberando su calor latente y provocando un aumento de temperatura en el refrigerante. La conducción de calor sensible también calienta el agua de refrigeración a través de la superficie de la membrana. Debido al transporte de masa a través de la membrana, el flujo de masa en el evaporador disminuye mientras que el canal de condensador aumenta en la misma cantidad. El flujo de masa de refrigerante precalentado sale del canal de condensador a una temperatura de aproximadamente 72 °C (162 °F) y entra en un intercambiador de calor, precalentando así el agua de alimentación. El agua de alimentación se envía a continuación a otra fuente de calor y, finalmente, entra en el canal del evaporador del módulo MD a una temperatura de 80 °C (176 °F). El proceso de evaporación extrae calor latente del flujo de alimentación, que enfría cada vez más el alimento en la dirección del flujo. Se produce una reducción de calor adicional debido al calor sensible que pasa a través de la membrana. El agua de alimentación enfriada sale del canal del evaporador a aproximadamente 28 °C. Las diferencias de temperatura totales entre la entrada del condensador y la salida del evaporador y entre la entrada del condensador y la salida del evaporador son aproximadamente iguales. En un módulo PGMD, el canal de permeado está separado del canal del condensador por una superficie de condensación. Esto permite el uso directo de una alimentación de agua salada como refrigerante, ya que no entra en contacto con el permeado. Teniendo en cuenta esto, el agua de refrigeración o de alimentación que entra en el canal del condensador a una temperatura T1 ahora también se puede utilizar para enfriar el permeado. La condensación del vapor se produce dentro del permeado líquido. El agua de alimentación precalentada que se utilizó para enfriar el condensador se puede conducir directamente a una fuente de calor para el calentamiento final, después de salir del condensador a una temperatura T2. Una vez que ha alcanzado la temperatura T3, se conduce al evaporador. El permeado se extrae a la temperatura T5 y la salmuera enfriada se descarga a la temperatura T4.
Una ventaja de la PGMD frente a la DCMD es el uso directo del agua de alimentación como líquido refrigerante dentro del módulo y, por tanto, la necesidad de un único intercambiador de calor para calentar la alimentación antes de entrar en el evaporador. De este modo, se reducen las pérdidas por conducción de calor y se pueden prescindir de componentes costosos. Otra ventaja es la separación del permeado del refrigerante. Por tanto, el permeado no tiene que extraerse más tarde en el proceso y el caudal másico del refrigerante en el canal del condensador permanece constante. La baja velocidad de flujo del permeado en el hueco del permeado es una desventaja de esta configuración, ya que conduce a una mala conducción del calor desde la superficie de la membrana hasta las paredes del condensador. Las altas temperaturas en la superficie que limita la membrana del lado del permeado son el resultado de este efecto (polarización de la temperatura), que reduce la diferencia de presión de vapor y, por tanto, la fuerza impulsora del proceso. Sin embargo, es beneficioso que las pérdidas por conducción de calor a través de la membrana también se reduzcan por este efecto. Este problema de mala conducción de calor en los espacios se elimina en gran medida con una variante de PGMD llamada CGMD, o destilación por membrana de espacio conductor, que agrega espaciadores térmicamente conductores a los espacios. [21] En comparación con AGMD, en PGMD o CGMD, se logra una mayor salida de permeado relacionada con la superficie, ya que el flujo de masa no se inhibe adicionalmente por la resistencia a la difusión de una capa de aire. [7]
El módulo típico de destilación por membrana de múltiples efectos al vacío (por ejemplo, la marca memsys [ aclaración necesaria ] V-MEMD) consta de un generador de vapor, etapas de evaporación-condensación y un condensador. Cada etapa recupera el calor de condensación, lo que proporciona un diseño de múltiples efectos. El destilado se produce en cada etapa de evaporación-condensación y en el condensador. [22]
Generador de vapor: El calor producido por la fuente de calor externa (p. ej., energía solar térmica o calor residual) se intercambia en el generador de vapor. El agua en el generador de vapor se encuentra a una presión menor (p. ej., 400 hPa) en comparación con la presión ambiente. El vapor caliente fluye hacia la primera etapa de evaporación-condensación (etapa 1).
Etapas de evaporación-condensación: Las etapas están compuestas por marcos alternativos de membranas hidrófobas y láminas (polipropileno, PP). La alimentación (por ejemplo, agua de mar) se introduce en la etapa 1 del módulo. La alimentación fluye en serie a través de las etapas de evaporación-condensación. Al final de la última etapa, se expulsa como salmuera.
Etapa 1: El vapor del evaporador se condensa en una lámina de PP a un nivel de presión P1 y una temperatura correspondiente T1. La combinación de una lámina y una membrana hidrófoba crea un canal para la alimentación, donde la alimentación se calienta mediante el calor de condensación del vapor del elevador de vapor. La alimentación se evapora bajo la presión negativa P2. El vacío siempre se aplica al lado del permeado de las membranas.
Etapa [2, 3, 4, x]: Este proceso se replica en etapas posteriores y cada etapa se realiza a menor presión y temperatura.
Condensador: El vapor producido en la etapa final de evaporación-condensación se condensa en el condensador, utilizando el flujo de refrigerante (por ejemplo, agua de mar).
Producción de destilado: El destilado condensado se transporta a través de la parte inferior de cada etapa mediante la diferencia de presión entre etapas.
Diseño del módulo memsys: Dentro de cada marco memsys, y entre los marcos, se crean canales. Los marcos de láminas son los "canales de destilado". Los marcos de membrana son los "canales de vapor". Entre los marcos de láminas y de membrana, se crean "canales de alimentación". El vapor entra en la etapa y fluye hacia marcos de láminas paralelos. La única opción para el vapor que entra en los marcos de láminas es condensarse, es decir, el vapor entra en un marco de láminas de "extremo muerto". Aunque se lo llama marco de "extremo muerto", contiene un pequeño canal para eliminar los gases no condensables y aplicar el vacío.
El vapor condensado fluye hacia un canal de destilado. El calor de condensación se transporta a través de la lámina y se convierte inmediatamente en energía de evaporación, generando nuevo vapor en el canal de alimentación de agua de mar. El canal de alimentación está limitado por una lámina de condensación y una membrana. El vapor sale de los canales de membrana y se recoge en un canal de vapor principal. El vapor sale de la etapa a través de este canal y entra en la siguiente etapa. Memsys ha desarrollado una línea de producción altamente automatizada para los módulos y podría ampliarse fácilmente. [ aclaración necesaria ] Como el proceso de memsys funciona a temperaturas moderadamente bajas (menos de 90 °C o 194 °F) y una presión negativa moderada, todos los componentes del módulo están hechos de polipropileno (PP). Esto elimina la corrosión y la formación de incrustaciones y permite una producción rentable a gran escala.
Las aplicaciones típicas de la destilación por membrana son:
La destilación por membrana es muy adecuada para unidades de desalinización compactas alimentadas por energía solar que proporcionen una producción de rango pequeño y mediano de menos de 10.000 litros por día (2.600 galones estadounidenses/día). [23] Especialmente el diseño de bobinado en espiral patentado por GORE en el año 1985 se adapta a esta aplicación. Dentro del proyecto MEMDIS, que comenzó en 2003, el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE comenzó a desarrollar módulos MD, así como a instalar y analizar dos sistemas operativos diferentes alimentados por energía solar, junto con otros socios del proyecto. El primer tipo de sistema es un llamado sistema compacto, diseñado para producir una producción de agua potable de 100 a 120 litros por día (26 a 32 galones estadounidenses/día) a partir de agua de mar o salobre. El objetivo principal del diseño del sistema es una planta simple, autosuficiente, de bajo mantenimiento y robusta para mercados objetivo en áreas áridas y semiáridas de baja infraestructura. El segundo tipo de sistema es una planta de dos circuitos con una capacidad de alrededor de 2.000 litros por día (530 galones estadounidenses/día). En este caso, el circuito colector está separado del circuito de desalinización por un intercambiador de calor resistente al agua salada. [7] Sobre la base de estos dos tipos de sistemas, se desarrollaron, instalaron y observaron varios prototipos.
La configuración estándar del sistema compacto actual (2011) es capaz de producir un rendimiento de destilado de hasta 150 litros por día (40 galones estadounidenses/día). La energía térmica necesaria es suministrada por un campo de colectores solares térmicos de 6,5 m2 (70 pies cuadrados) . La energía eléctrica es suministrada por un módulo fotovoltaico de 75 W. Este tipo de sistema está siendo desarrollado y comercializado actualmente por Solar Spring GmbH, una empresa derivada del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar. En el marco del proyecto MEDIRAS, otro proyecto de la UE, se instaló un sistema mejorado de dos circuitos en la isla de Gran Canaria. Construido dentro de un contenedor de 6,1 m (20 pies) y equipado con un tamaño de campo de colectores de 225 m2 ( 2.420 pies cuadrados), un tanque de almacenamiento de calor permite un rendimiento de destilado de hasta 3.000 litros por día (790 galones estadounidenses/día). También se han implementado otras aplicaciones con hasta 5.000 litros por día (1.300 galones estadounidenses/día), ya sea con energía solar al 100 % o como proyectos híbridos en combinación con calor residual. [ cita requerida ]
El funcionamiento de los sistemas de destilación por membranas se enfrenta a varias barreras importantes que pueden perjudicar su funcionamiento o impedir que sea una opción viable. El principal desafío es la humectación de la membrana, donde la alimentación salina se filtra a través de la membrana y contamina el permeado. [1] Esto es causado especialmente por el ensuciamiento de la membrana, donde partículas, sales o materia orgánica se depositan en la superficie de la membrana. [24] Las técnicas para mitigar el ensuciamiento incluyen la superhidrofobicidad de la membrana, [25] [26] el retrolavado con aire para revertir [1] o prevenir el ensuciamiento, [27] la elección de condiciones de funcionamiento que no generen incrustaciones, [28] y el mantenimiento de capas de aire en la superficie de la membrana. [27]
El mayor desafío para que la destilación por membrana sea rentable es la eficiencia energética. Los sistemas comerciales no han alcanzado un consumo de energía competitivo en comparación con las tecnologías térmicas líderes, como la destilación de efecto múltiple , aunque algunos han estado cerca [29] y la investigación ha demostrado potencial para mejoras significativas en la eficiencia energética [21] .