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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental A 6. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS. ÓSMOSIS INVERSA 1. Introducción 2. Ósmosis y ósmosis inversa 3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa 5.1 Agua potable 5.2 Agua para procesos industriales 5.3 Tratamiento de efluentes Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental TEMA 6.SEPARACIÓN POR MEMBRANAS. ÓSMOSIS INVERSA 1. Introducción 2. Ósmosis y ósmosis inversa 3. Definiciones

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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

TEMA 6. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS.ÓSMOSIS INVERSA

1. Introducción

2. Ósmosis y ósmosis inversa

3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa

4. Membranas de ósmosis inversa

5. Aplicaciones de la ósmosis inversa

5.1 Agua potable

5.2 Agua para procesos industriales

5.3 Tratamiento de efluentes

Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa

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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Introducción

1. No se fundamentan en el equilibrio termodinámico entre fases, sino en fenómenos cinéticos.

2. Existe un medio ajeno al sistema (membrana) que actúa como barrera de separación entre la corriente alimento y la corriente producto.

- Coste inferior

- Mayor selectividad y menor cantidad de subproductos no deseables, ya que no se requieren aditivos

- En general, los procesos son más sencillos

- Las separaciones pueden realizarse de forma continua

- Los requerimientos energéticos suelen ser inferiores, ya que, en la mayoría de los casos, no se producen cambios de fase

- Pueden combinarse fácilmente con otros procesos de separación

- Las características de las membranas pueden diseñarse prácticamente para cada caso particular

Diferencias entre los procesos de separación con membranas y los clásicos:

VENTAJAS

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1. Introducción

Fuerza impulsora Procesos

Presión MicrofiltraciónUltrafiltraciónNanofiltraciónÓsmosis inversa

Presión parcial Separación de gasesPermeación

Concentración Diálisis

Potencial eléctrico ElectrodiálisisElectrolisis con membranas

Clasificación de las operaciones de separación conmembranas en función de la fuerza impulsora

INCONVENIENTES

- Problemas de saturación de las membranas

- Vida útil corta

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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. IntroducciónOperaciones de separación por membranas basadas en la presión

Es la operación más parecida a la filtración convencional. Se utiliza para retener sólidos en suspensión y como una etapa de clarificación, limpieza o concentración.

Microfiltración (partículas de 10 a 0,05 µm, 0,5 a 3 bares).

Se retienen moléculas relativamente grandes, como proteínas y partículas como coloides y emulsiones. Las moléculas pequeñas pasan libremente.

Ultrafiltración (partículas de 0,1 a 0,001 µm, 1 a 10 bares).

Se emplea para la retención de moléculas orgánicas de bajo peso molecular e iones multivalentes, como el calcio. Frente a la ósmosis inversa, la presión aplicada es pequeña, mientras que los flujos son altos.

Nanofiltración (partículas de 0,005 a 0,0005 µm, 5 a 30 bares).

Permite la retención de moléculas de pequeño peso molecular, como las sales. Las principales aplicaciones se encuentran en la desalinización del agua del mar, en la producción de agua ultrapura, la concentración de zumos, azúcar y leche y en el tratamiento de aguas residuales.

Ósmosis inversa (partículas <0,0005 µm, 10 a 50 bares).

Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa

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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Ósmosis y ósmosis inversa

Z O N A 1 Z O N A 2

A g u a+

A z ú c a r

A g u a+

A z ú c a r

C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2

Figura 6.1 Difusión sin barreras

C o m p a rtim e n to 1 C o m p a rtim e n to 2

A g u a+

A z ú c a r

A g u a+

A z ú c a r

C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2

M e m b ra n a se m ip e rm e a b le

Figura 6.2 Difusión a través de una membrana

C o m p artim en to 1 C o m p artim en to 2

A g u a+

A zú ca r

A g u a+

A zú ca r

C o n c en tra c ió n C 1 C o n c en trac ió n C 2

M em b ran a se m ip e rm eab le

D ife ren c ia s d en iv e l = d ife ren c ia d ep re s io n es o sm ó tica s

Figura 6.3 Ósmosis

C o m p a rtim e n to 1 C o m p a rtim e n to 2

A g u a+

A z ú c a r

A g u a+

A z ú c a r

C o n c e n tra c ió n C 1 C o n c e n tra c ió n C 2

M e m b ra n a se m ip e rm e a b le

Figura 6.4 Ósmosis inversa

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Disolución Presión osmótica

Sacarosa, 20 % ~ 15 atm

Agua de mar ~ 25 atm

C2 > C1

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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

C o m p a rtim e n tod e a lta p re s ió n

C o m p a rtim e n tod e b a ja p re s ió n

M e m b ra n ase m ip e rm e a b le

V álv u la d ereg u lac ió n

D iso lu c ió na tra ta r

B o m b aP e rm e a d o

R e c h a z o oc o n c e n tra d o

Q a , C a , P a , a

Q p , C p , P p , p

Q r, C r, P r, r

2. Ósmosis y ósmosis inversa

Proceso industrial de ósmosis inversa

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3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa

Aportación

Permeado

Rechazo

Coeficiente de permeabilidad: A

Porcentaje de recuperación o factor de conversión: Y

Porcentaje de rechazo de sales: R

Porcentaje de paso de sales: Ps

Factor de concentración: Fc

Balances de materia en una unidad de ósmosis inversa

BM (total): Qa=Qp+Qr

BM (sales): Qa·Ca=Qp·Cp+Qr·Cr

Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa

C o m p a rtim e n tod e a lta p re s ió n

C o m p a rtim e n tod e b a ja p re s ió n

M e m b ra n ase m ip e rm e a b le

V álv u la d ereg u lac ió n

D iso lu c ió na tra ta r

B o m b aP e rm e a d o

R e c h a z o oc o n c e n tra d o

Q a , C a , P a , a

Q p , C p , P p , p

Q r, C r, P r, r

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3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa

La presión osmótica puede estimarse mediante la ecuación de van’t Hoff

π = j · R · T · ΔC

π : presión osmótica, Pa

j : coeficiente adimensional de presión osmótica

R : cte de los gases, 8,316 J/(K·mol)

T : temperatura, K

ΔC : diferencia de concentraciones entre los dos compartimentos, mol/m3

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3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa

Flujo de disolvente

Jv=Av·(ΔP-Δπ)

Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)

Av : permeabilidad volumétrica o coeficiente de permeabilidad de la membrana, m3/(m2·s·Pa)

ΔP : diferencia de presiones a ambos lados de la membrana, Pa

Δπ : diferencia de presiones osmóticas a ambos lados de la membrana, Pa

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3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa

Flujo de soluto

Js = Jv· Cp = B(Cm-Cp) + M ·Jv· Cm

Js : flujo de soluto a través de la membrana, kg/(m2·s)

Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s)

Cp : concentración de soluto en el permeado, kg/m3

B : Coeficiente de permeabilidad de la membrana al soluto, m3/(m2·s)

Cm : concentración de soluto en la superficie de la membrana, kg/m3

M: Coeficiente de acoplamiento (adimensional); tiene un valor próximo a 0,005 para la mayoría de las membranas

m psp m

v v

B(C -C )JC = = +M·C

J A (ΔP-Δπ)

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4. Membranas de ósmosis inversa

Parámetro Tipos

Estructura AsimétricasSimétricas

Naturaleza Integrales Compuestas de capa fina

Forma PlanasTubularesFibra hueca

Composición química OrgánicasInorgánicas

Morfología de la superficie

LisasRugosas

Presión de trabajo Muy bajaBajaMediaAlta

Clasificación de las membranas de ósmosis inversa

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4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)

C a p a a c tiv a

L e c h o p o ro so

C a ra e n c o n ta c to c o n la d iso lu c ió n d e a p o rte(la d o d e a lta )

Sección transversal de una membrana asimétrica

Estructura

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4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)

Presión de trabajo

Presión

bar

Salinidad ppm

Aplicaciones

Muy baja

5-10 500-1500 Agua ultrapura

Baja 10-20 1500-4000 Eliminación de nitratos y sustancias orgánicas

Media 20-40 4000-10000 Procesos de separación y concentración

Alta 50-80 >10000 Desalación de agua del mar

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4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)

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4. Membranas de ósmosis inversa (cont.)

Efectos producidos por la polarización de la membrana

• Reduce el flujo de disolvente y, por tanto, el caudal de permeado.

• Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y, por tanto, la concentración del permeado.

• Aumenta el riesgo de precipitación de sales sobre la superficie de la membrana.

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5. Aplicaciones de la ósmosis inversa

Técnica de separación Agua potable

• Desalación• Reducción de la dureza: Ca2+ y Mg2+

Agua para procesos industriales

Técnica de concentración Tratamiento de efluentes

• Concentración de la contaminación en un volumen reducido

• Recuperación de productos de alto valor

• Recirculación del agua

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5. Aplicaciones de la ósmosis inversa

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B añ o d ee lec tro p in tad o

U ltra filtra c ió n

Ó sm o sis in v e rsa

L av ad o fin a lL av ad o p o r

p u lv e riza c ió nL av ad o p o r

p u lv e riza c ió n

P e rm e ad o

R e ch azo

R e ch az o

P u rg a d e l s is tem a

P e rm ead o

A g u a d ea p o rte

d e sm in e ra liz ad a

Proceso de tratamiento de los baños de pintura

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5. Aplicaciones de la ósmosis inversa

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5. Aplicaciones de la ósmosis inversa

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