La nanofiltración es un proceso de filtración por membrana que utiliza poros de tamaño nanométrico a través de los cuales pasan partículas de menos de 1 a 10 nanómetros a través de la membrana. Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de aproximadamente 1 a 10 nanómetros, más pequeños que los utilizados en microfiltración y ultrafiltración , pero ligeramente más grandes que los de ósmosis inversa . Como membranas se utilizan predominantemente películas finas de polímeros. [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 están controladas por el pH , la temperatura y el tiempo durante el desarrollo con densidades de poros que varían de 1 a 106 poros por cm 2 . Las membranas hechas de tereftalato de polietileno (PET) y otros materiales similares se conocen como membranas de "grabado en pista", cuyo nombre se debe a la forma en que se forman los poros de las membranas. [3] El "seguimiento" implica bombardear la fina película de polímero con partículas de alta energía. Esto da como resultado la creación de pistas que se desarrollan químicamente en la membrana, o "grabadas" en la membrana, que son los poros. Las membranas creadas a partir de metales, como las membranas de alúmina, se fabrican haciendo crecer electroquímicamente una fina capa de óxido de aluminio a partir de aluminio en un medio ácido. [ cita necesaria ]
Históricamente, la nanofiltración y otras tecnologías de membranas utilizadas para la separación molecular se aplicaban exclusivamente en sistemas acuosos . Los usos originales de la nanofiltración fueron el tratamiento del agua y, en particular, el ablandamiento del agua . [4] Los nanofiltros "ablandan" el agua reteniendo iones divalentes que forman incrustaciones (por ejemplo, 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 para ablandar el agua es que durante el proceso de retención de iones de calcio y magnesio mientras se 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, la destilación ), lo que aumenta considerablemente el coste del proceso cuando se aplica calentamiento o enfriamiento continuo. La realización de una separación molecular suave está relacionada con la nanofiltración que a menudo no se incluye con otras formas de procesos de separación ( centrifugación ). Estos son dos de los principales beneficios asociados a la nanofiltración. La nanofiltración tiene el beneficio muy favorable de poder procesar grandes volúmenes y producir continuamente flujos de productos. Aún así, la nanofiltración es el método de filtración por membrana menos utilizado en la industria, ya que el tamaño de los poros de la membrana se limita a unos pocos nanómetros. Cualquier cosa más pequeña se usa para ósmosis inversa y cualquier cosa más grande se usa para ultrafiltración. La ultrafiltración también se puede utilizar en los casos en los que se puede utilizar la nanofiltración, por ser más convencional. Una de las principales desventajas asociadas con la nanotecnología, como ocurre con toda la tecnología de filtros de membrana, es el coste y el mantenimiento de las membranas utilizadas. [8] Las membranas de nanofiltración son una parte costosa del proceso. Las reparaciones y el reemplazo de membranas dependen del total de sólidos disueltos, el caudal y los componentes de la alimentación. Dado que la nanofiltración se utiliza en diversas industrias, sólo 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 necesaria ]
Las aplicaciones industriales de membranas requieren de cientos a miles de metros cuadrados de membranas y, por lo tanto, se requiere una forma eficiente de reducir la huella empacándolas. Las membranas se volvieron comercialmente viables por primera vez cuando se lograron métodos de alojamiento en "módulos" de bajo costo. [9] Las membranas no son autoportantes. Deben estar sostenidos por un soporte poroso que pueda soportar las presiones requeridas para operar la membrana NF sin obstaculizar el desempeño 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 concentración. Un buen diseño minimiza las pérdidas de presión tanto en el lado de alimentación como en el lado del permeado y, por tanto, los requisitos de energía. [10]
La polarización por concentración describe la acumulación de especies retenidas cerca de la superficie de la membrana, lo que reduce las capacidades de separación. Ocurre porque las partículas son convectadas hacia la membrana con el solvente y su magnitud es el equilibrio entre esta convección causada por el flujo de solvente y el transporte de partículas fuera de la membrana debido al gradiente de concentración (predominantemente causado por la difusión ). Aunque la polarización de la concentración es fácilmente reversible, puede provocar suciedad en la membrana. [10] [11]
Los módulos enrollados 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 recipientes a presión estándar que pueden contener varios módulos en serie conectados por O. -anillos. El módulo utiliza láminas planas envueltas alrededor de un tubo central. Las membranas están pegadas 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. , se inserta un espaciador de alimentación similar a una malla [11] [12] La razón de la dimensión similar a una malla del espaciador es proporcionar un ambiente hidrodinámico cerca de la superficie de la membrana que desalienta la polarización de concentración una vez que las hojas se han enrollado alrededor de la membrana. tubo central, el módulo está envuelto en una capa de carcasa y se colocan tapas en el extremo del cilindro para evitar el "telescopio" que puede ocurrir en condiciones de alto caudal y presión [13]
Los módulos tubulares tienen un aspecto similar a los intercambiadores de calor de carcasa y tubos con haces de tubos con la superficie activa de la membrana en el interior. El flujo a través de los tubos es normalmente turbulento , lo que garantiza una polarización de baja concentración pero también aumenta los costos de energía. Los tubos pueden ser autoportantes o estar soportados mediante inserción en tubos metálicos perforados. El diseño de este 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 tanto a los altos costos operativos de energía del flujo turbulento como a 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 mediante una técnica de ' pigging ' en la que se exprimen bolas de espuma a través de los tubos, limpiando 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 canales de alimentación, como se describe en los módulos enrollados en espiral. Todas las estrategias funcionan aumentando los remolinos y generando un alto cizallamiento en el flujo cerca de la superficie de la membrana. Algunas de estas estrategias incluyen hacer vibrar la membrana, rotarla, tener un disco rotor encima de la membrana, pulsar el caudal de alimentación e introducir gas burbujeando 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 proporción de soluto retenido/permeado a través de la membrana. [ cita necesaria ]
Para solutos cargados, la distribución iónica de las sales cerca de la interfaz membrana-solución juega un papel importante en la determinación de la característica de retención de una membrana. Si se conoce la carga de la membrana y la composición y concentración de la solución a filtrar, se puede encontrar la distribución de diversas 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 no cargados no pueden caracterizarse simplemente por el límite de peso molecular (MWCO), aunque en general un aumento en el peso molecular o el tamaño del soluto conduce a un aumento en la retención. La carga y estructura, el pH del soluto, influyen en las características de retención. [1]
La morfología de una membrana suele establecerse mediante microscopía. La microscopía de fuerza atómica (AFM) es un método utilizado para caracterizar la rugosidad de la superficie de una membrana pasando una pequeña punta afilada (<100 Ă) a través de 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 contaminación coloidal. También existen correlaciones entre el ensuciamiento y otros parámetros morfológicos, como la hidrófoba , lo que demuestra que cuanto más hidrófoba es una membrana, menos propensa a ensuciarse. Consulte incrustaciones de membranas para obtener más información. [ cita necesaria ]
También se han encontrado métodos para determinar la porosidad de las membranas porosas mediante permporometría , utilizando 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 líquido y, como tal, no se produce ninguna permeación de gas, pero después de reducir la presión relativa de vapor, comenzarán a formarse algunos espacios dentro de los poros, como 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 poros mayores y menores, el paso de solutos a través de la nanofiltración es significativamente más complejo. [ cita necesaria ]
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 ve a través de membranas de ósmosis inversa), 2) convección (viaje con flujo, como en la filtración de poros más grandes, como la microfiltración) y 3) electromigración (atracción o repulsión de cargas dentro y cerca de la membrana). [ cita necesaria ]
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 (estérico), pero en escalas de longitud pequeñas observadas en la nanofiltración, los efectos importantes incluyen la carga superficial y la hidratación ( capa de solvatación ). La exclusión debida 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 tiene un fuerte impacto en la carga superficial, [15] proporcionando un método para comprender y controlar mejor el rechazo.
Los mecanismos de transporte y exclusión están fuertemente influenciados por el tamaño de los poros de la membrana, la viscosidad del disolvente, 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 los poros también es importante. Modelar el rechazo con precisión para NF es un gran desafío. Se puede hacer con aplicaciones de la ecuación de Nernst-Planck , aunque generalmente se requiere una gran dependencia del ajuste de parámetros a los datos experimentales. [1]
En general, los solutos cargados se rechazan mucho más eficazmente en NF que los solutos no cargados, y los solutos multivalentes como SO2-4
(valencia de 2) experimentan un rechazo muy alto. [ cita necesaria ]
Teniendo en cuenta que el 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, provenientes de familias químicas con diversas estructuras, tolerancias químicas y rechazos de sal. [ cita necesaria ]
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 varias unidades NF en paralelo para procesar grandes cantidades de agua de alimentación. Las presiones requeridas en estas unidades están generalmente entre 4,5 y 7,5 bar. [10]
Para la desalinización de agua de mar utilizando un sistema NF-RO, a continuación se muestra un proceso típico. [ cita necesaria ]
Debido a que el permeado de NF rara vez es lo suficientemente limpio como para usarse como producto final para agua potable y otros tipos de purificación de agua, se usa comúnmente como paso previo al tratamiento 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 normas de calidad del agua y del diseño del sistema NF. Las etapas típicas de postratamiento de la purificación del agua NF incluyen aireación, desinfección y estabilización. [ cita necesaria ]
Se utiliza un desgasificador de cloruro de polivinilo (PVC) o plástico reforzado con fibra (FRP) para eliminar gases disueltos como dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno de la corriente de permeado. [16] Esto se logra soplando aire en dirección contracorriente al agua que cae a través del material de empaque en el desgasificador. El aire elimina eficazmente los gases no deseados del agua. [ cita necesaria ]
El agua permeada de una separación NF está desmineralizada y puede exponerse 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 sosa cáustica. Además, al permeado se le añaden desinfectantes como cloro o cloroamina y, en algunos casos, inhibidores de corrosión de fosfato o fluoruro. [dieciséis]
Los desafíos en la tecnología de nanofiltración (NF) incluyen minimizar la contaminación 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 electrohilada de nanofibras (ENM) mejoran el flujo de permeado. [18] Las alternativas energéticamente eficientes a la disposición enrollada en espiral comúnmente utilizada son las membranas de fibra hueca, que requieren menos tratamiento previo. [19] Se han utilizado nanopartículas de dióxido de titanio para minimizar la contaminación de las membranas. [20]