Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa • Introducción Diferencias entre los procesos de separación con membranas y los clásicos: 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. VENTAJAS • 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa • Introducción INCONVENIENTES • Problemas de saturación de las membranas • Vida útil corta Clasificación de las operaciones de separación con membranas en función de la fuerza impulsora Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa • Introducción Operaciones de separación por membranas basadas en la presión Microfiltración (partículas de 10 a 0,05 µm, 0,5 a 3 bares). 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. Ultrafiltración (partículas de 0,1 a 0,001 µm, 1 a 10 bares). Se retienen moléculas relativamente grandes, como proteínas y partículas como coloides y emulsiones. Las moléculas pequeñas pasan libremente. Nanofiltración (partículas de 0,005 a 0,0005 µm, 5 a 30 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. Ósmosis inversa (partículas <0,0005 µm, 10 a 50 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. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

5. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 2. Ósmosis y ósmosis inversa C2 > C1 Figura 6.1 Difusión sin barreras Figura 6.2 Difusión a través de una membrana Figura 6.3 Ósmosis Figura 6.4 Ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

6. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 2. Ósmosis y ósmosis inversa Proceso industrial de ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

7. 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 3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

8. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

9. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

10. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 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 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

11. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa Clasificación de las membranas de ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

12. Estructura Sección transversal de una membrana asimétrica Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

13. Presión de trabajo Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

14. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

15. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 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. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

16. Técnica de concentración • Tratamiento de efluentes • Concentración de la contaminación en un volumen reducido • Recuperación de productos de alto valor • Recirculación del agua Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa • Técnica de separación • Agua potable • Desalación • Reducción de la dureza: Ca2+ y Mg2+ • Agua para procesos industriales Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

17. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Proceso de tratamiento de los baños de pintura Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

18. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

19. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

20. Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental