La destilación por membrana ( MD ) es un proceso de separación impulsado térmicamente en el que la separación se realiza mediante un cambio de fase. Una membrana hidrofóbica 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 parcial de presión de vapor comúnmente provocada por una diferencia de temperatura. [2] [3]
La mayoría de los procesos que utilizan una membrana para separar materiales dependen de la diferencia de presión estática como fuerza impulsora entre las dos superficies delimitadoras (por ejemplo, ósmosis inversa - RO), o una diferencia de concentración ( diálisis ) o un campo eléctrico (ED). [4] La selectividad de una membrana puede deberse a la relación del tamaño de los poros 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 de las moléculas de agua libres y, por tanto, del 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 líquido no humedece el material de la membrana. [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. Un menisco convexo se desarrolla en el poro. [6] Este efecto se denomina acción capilar. La profundidad de la impresión puede depender, entre otros factores, 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 correspondientemente Θ' > 0° no se producirá ninguna humectación de los poros. Si la presión externa aumenta por encima de la llamada presión de entrada del líquido , entonces Θ = 90°, lo que da como resultado una derivación del poro. La fuerza impulsora que impulsa el vapor a través de la membrana, para recogerlo en el lado del permeado como agua producto, es la diferencia parcial de presión del vapor de agua entre las dos superficies circundantes. Esta diferencia de presión parcial es el resultado de una diferencia de temperatura entre las dos superficies delimitadoras. Como se puede ver en la imagen, la membrana se carga 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, normalmente 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 sigue la caída de presión, penetra a través de los poros y se condensa en el lado más frío. [7]
Existen muchas técnicas diferentes de destilación por membrana. Las cuatro técnicas básicas se diferencian principalmente por la disposición de su canal de destilado o la forma en que se opera este canal. Las siguientes tecnologías son las más comunes:
En 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, con DCMD se pueden lograr flujos de permeado relacionados con la superficie relativamente altos. [8] Una desventaja es la elevada pérdida de calor sensible, ya que las propiedades aislantes de la capa de membrana única son bajas. Sin embargo, una gran 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 por membrana, en 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 espacio de aire, el canal del evaporador se parece al del DCMD, mientras que el espacio de 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 espacio de aire 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 espacio de aire representa una barrera adicional para el transporte masivo, lo que reduce la producción de permeado relacionado con la superficie en comparación con DCMD. [12] Una ventaja adicional 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. AGMD es especialmente ventajoso en comparación con alternativas con mayor salinidad. [13] Las variaciones de AGMD pueden incluir superficies de condensación hidrofóbicas [14] o condensadores porosos [15] para mejorar el flujo y la eficiencia energética . En AGMD, las características de diseño excepcionalmente importantes incluyen el espesor del espacio, la hidrofobicidad de la superficie de condensación, el diseño del espaciador del espacio y el ángulo de inclinación. [dieciséis]
El MD con gas de barrido, también conocido como extracción con 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 produce fuera del módulo MD en un condensador externo. Al igual que con AGMD, con este proceso se pueden destilar sustancias volátiles con una tensión superficial baja. [17] La ventaja de SWGMD sobre AGMD es la reducción significativa de la barrera al transporte masivo a través del flujo forzado. De esta manera se pueden lograr mayores flujos másicos de agua producida relacionada con la superficie que con AGMD. Una desventaja del SWGMD causada por el componente gaseoso y, por tanto, por el mayor flujo másico total, es la necesidad de una mayor capacidad del condensador. Cuando se utilizan flujos másicos de gas más pequeños existe el riesgo de que el gas se caliente en la superficie caliente de la membrana, reduciendo así la diferencia de presión de vapor y, con ello, la fuerza motriz. Una solución a este problema para SWGMD y AGMD es el uso de una pared enfriada para el canal de permeado y mantener la temperatura lavándolo con gas. [18]
El MD de vacío contiene una configuración de canal con espacio de aire. Una vez que ha atravesado la membrana, el vapor es aspirado fuera del canal de permeado y se condensa fuera del módulo como en SWGMD. VCMD y 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 aspirados por el vacío, dejando una mayor superficie activa efectiva de la membrana. [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 menor diferencia de temperatura requerida deja una menor demanda de energía térmica total y específica . Sin embargo, la generación de un vacío, que debe adaptarse a la temperatura del agua salada, requiere un equipamiento técnico complejo y, por tanto, constituye una desventaja para este método. La demanda de energía eléctrica es mucho mayor que en DCMD y AGMD. Un problema adicional es el aumento del valor del 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 varias etapas. [20]
A continuación, se explicará la configuración principal del canal y el método de funcionamiento de un módulo DCMD estándar, así como de un módulo DCMD con 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 planos, de fibra hueca o enrollados 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 una membrana microporosa hidrófoba. Para la refrigeración, el canal del condensador se inunda con agua dulce y el evaporador, por ejemplo, con agua de alimentación salada. El refrigerante ingresa al canal del condensador a una temperatura de 20 °C (68 °F). Después de atravesar 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 sensible del calor 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 del condensador aumenta en la misma cantidad. El flujo másico de refrigerante precalentado sale del canal del condensador a una temperatura de aproximadamente 72 °C (162 °F) y entra en un intercambiador de calor, precalentando así el agua de alimentación. Esta agua de alimentación luego se envía a otra fuente de calor y finalmente ingresa al 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, lo que enfría la alimentación cada vez más 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 total entre la entrada del condensador y la salida del evaporador y 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 esto en cuenta, el agua de refrigeración o de alimentación que entra al canal del condensador a una temperatura T1 ahora también se puede utilizar para enfriar el permeado. La condensación del vapor tiene lugar dentro del permeado líquido. El agua de alimentación precalentada que se usó 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 alcanzada 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 PGMD sobre DCMD es el uso directo de agua de alimentación como líquido refrigerante dentro del módulo y, por tanto, la necesidad de un solo intercambiador de calor para calentar la alimentación antes de entrar al evaporador. De este modo se reducen las pérdidas por conducción de calor y se pueden eliminar componentes costosos. Otra ventaja es la separación del permeado del refrigerante. Por lo tanto, no es necesario extraer el permeado más adelante en el proceso y el flujo másico del refrigerante en el canal del condensador permanece constante. La baja velocidad de flujo del permeado en el espacio de permeado es una desventaja de esta configuración, ya que conduce a una mala conducción del calor desde la superficie de la membrana hasta la pared del condensador. Las altas temperaturas en la superficie de unión de 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 este efecto también reduzca las pérdidas por conducción de calor a través de la membrana. Este problema de mala conducción del calor en los espacios se elimina en gran medida con una variante de PGMD llamada CGMD, o destilación con membrana con espacios conductores, que agrega espaciadores térmicamente conductores a los espacios. [21] En comparación con AGMD, en PGMD o CGMD se logra una mayor producción de permeado relacionada con la superficie, ya que el flujo másico no se ve inhibido adicionalmente por la resistencia a la difusión de una capa de aire. [7]
El módulo típico de destilación por membrana de efecto múltiple al vacío (por ejemplo, el módulo V-MEMD de la marca Memsys [ aclaración necesaria ] ) consta de un elevador de vapor, etapas de evaporación-condensación y un condensador. Cada etapa recupera el calor de la condensación, proporcionando un diseño de múltiples efectos. El destilado se produce en cada etapa de evaporación-condensación y en el condensador. [22]
Tubo ascendente de vapor: El calor producido por una fuente de calor externa (p. ej., energía solar térmica o calor residual) se intercambia en el tubo ascendente de vapor. El agua en el generador de vapor está a una presión más baja (por ejemplo, 400 hPa) en comparación con la ambiental. El vapor caliente fluye a la primera etapa de evaporación-condensación (etapa 1).
Etapas de evaporación-condensación: Las etapas están compuestas por membranas hidrofóbicas alternativas y marcos de lámina (polipropileno, PP). El alimento (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 sobre una lámina de PP al nivel de presión P1 y la 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 tiene una presión y temperatura más bajas.
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 por el fondo de cada etapa por diferencia de presión entre etapas.
Diseño del módulo memsys: dentro de cada marco de memsys y entre 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 lámina y membrana se crean "canales de alimentación". El vapor entra al escenario y fluye hacia marcos de láminas paralelos. La única opción para que el vapor entre en los marcos de láminas es condensarse, es decir, el vapor entra en un marco de láminas sin salida. Aunque se le llama marco "sin salida", 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 la membrana y se recoge en un canal de vapor principal. El vapor sale del escenario a través de este canal y entra al siguiente escenario. Memsys ha desarrollado una línea de producción altamente automatizada para los módulos y podría ampliarse fácilmente. [ aclaración necesaria ] Como el proceso memsys funciona a temperaturas modestamente bajas (menos de 90 °C o 194 °F) y presión negativa moderada, todos los componentes del módulo están hechos de polipropileno (PP). Esto elimina la corrosión y las 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 proporcionan una producción de rango pequeño y mediano de menos de 10 000 litros por día (2600 gal EE.UU./d). [23] Especialmente el diseño enrollado en espiral patentado por GORE en el año 1985 es adecuado para esta aplicación. Dentro del proyecto MEMDIS, que comenzó en 2003, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE comenzó a desarrollar módulos MD, así como a instalar y analizar dos sistemas operativos solares diferentes, junto con otros socios del proyecto. El primer tipo de sistema es el llamado sistema compacto, diseñado para producir una producción de agua potable de 100 a 120 litros por día (26 a 32 gal EE.UU./d) 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 los mercados objetivo en áreas áridas y semiáridas de baja infraestructura. El segundo tipo de sistema es la llamada planta de dos circuitos con una capacidad de alrededor de 2.000 litros por día (530 gal EE.UU./d). 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 una producción de destilado de hasta 150 litros por día (40 gal EE.UU./d). La energía térmica requerida es suministrada por un campo de colectores solares térmicos de 6,5 m 2 (70 pies cuadrados) . La energía eléctrica es suministrada por un módulo fotovoltaico de 75 W. Actualmente, este tipo de sistema está siendo desarrollado y comercializado por Solar Spring GmbH, una empresa derivada del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar. Dentro del proyecto MEDIRAS, otro proyecto de la UE, se instaló un sistema mejorado de dos bucles en la isla de Gran Canaria. Construido dentro de un contenedor de 6,1 m (20 pies) y equipado con un tamaño de panel colector de 225 m 2 (2420 pies cuadrados), un tanque de almacenamiento de calor hace posible una producción de destilado de hasta 3000 litros por día (790 gal EE.UU./d) . También se han implementado otras aplicaciones con hasta 5.000 litros por día (1.300 gal EE.UU./d), ya sea 100% con energía solar o como proyectos híbridos en combinación con calor residual. [ cita necesaria ]
El funcionamiento de los sistemas de destilación por membrana enfrenta varias barreras importantes que pueden perjudicar el funcionamiento o impedir que sea una opción viable. El principal desafío es la humectación de la membrana, donde la solución salina se filtra a través de la membrana, contaminando el permeado. [1] Esto se debe especialmente a la contaminación de la membrana, donde se depositan partículas, sales o materia orgánica en la superficie de la membrana. [24] Las técnicas para mitigar la incrustación incluyen la superhidrofobicidad de la membrana, [25] [26] el retrolavado de aire para revertir [1] o evitar la humectación, [27] elegir condiciones operativas sin incrustaciones, [28] y mantener 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 principales tecnologías térmicas, como la destilación de efectos múltiples , aunque algunos se han acercado, [29] y la investigación ha demostrado potencial para mejoras significativas en la eficiencia energética. [21]