Taller de elaboración de membranas por ultrafiltración (24 de Abril de 2013) del Dr. Jesús Álvarez

1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA
Taller:
“ELABORACIÓN DE MEMBRANAS DE ULTRAFILTRACIÓN”
Presenta
Dr. Jesús Álvarez Sánchez
Obregón, Sonora 24 de Abril de 2013

2. Índice
Tema Página
I. Introducción 1
II. Tipos de membranas 13
III. Aplicación de membranas 14
IV. Factores que afectan a las membranas y
26
cuidados
V. Caracterización de membranas 37
VI. Métodos de preparación de membranas 47
VII. El método de inversión de fase 49
VIII. Agradecimientos 57
2

3. Introducción
¿Que es una membrana?
Es una barrera que impide el paso de ciertas
sustancias u organismos dependiendo de su
tamaño de poro.
Se pueden preparar de
distintos materiales como:
Metales, cristales,
cerámica y polímeros.
3

4. Introducción
Analogía de la formación de una membrana
Microporos de una membrana
preparada por inversión de fase
Palillos chinos dispersados al azar
4

5. ¿Qué es una membrana polimérica?
Introducción
La barrera esta hecha por medio de cadenas
poliméricas o copoliméricas
Polímero
Corte transversal
Microporos de una membrana
preparada por inversión de fase
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164
5

6. Introducción
Estructura de membranas
Simétrica Asimétrica
Mark C. Porter. Handbook of Industrial Membrane Technology. Editorial: Noyes
Publications, pp. 1-23. 6

7. Introducción
Historia de las membranas
Abbe Nollet en 1748 descubrió el
fenómeno de las ósmosis con
membranas naturales.
J.A. Nollet, Lecons de physique experimentale, Hippolyte-Louis Guerin and Louis-
Francios Delatour, Paris, 1748. 7

8. Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Abbet Nollet 1748 Descubrimiento de la osmosis inversa con membranas
naturales
Matteucci 1845 Investigaciones sobre anisotropía con membranas naturales
Graham 1866 Investigaciones sobre diálisis
Fick 1865 Primera membrana sintética a partir de nitrocelulosa
Graham 1866 Investigaciones para separar gases con membranas de caucho
Traube 1867 Investigaciones en ósmosis inversa con membranas sintéticas
Pfeffer 1877 Investigaciones en ósmosis inversa con membranas cerámicas
Gibbs y Van
1877 Teoría del fenómeno de la osmosis
hoff
Donnan 1911 Ley de distribuciones
Abel 1926 Investigaciones sobre diálisis (prueba con animales)
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 8

9. Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Michaels,
1926-31 Investigaciones en osmosis inversa
Manegold,
McBain
Elder 1934 Investigaciones en electrodiálisis
Kammermeyer 1957 Separación de gases con silicona de caucho
Kammermeyer 1957 Pervaporación de mezclas azeotrópicas
Londsdale 1960 Investigaciones en membranas compuestas
Loeb y
1962 Preparación de membranas asimétricas
Surirayan
Loeb y
Surirayan
1962 Control del tamaño de poro en membranas
Mahon 1963 Membranas capilares
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 9

10. Introducción
Historia de las membranas
En 1960 Sidney Loed empezó los
procesos de desalación por
osmosis inversa en la
Universidad de California en los
Ángeles, USA (UCLA).
10

11. Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Michaels,
1926-31 Investigaciones en osmosis inversa
Manegold,
McBain
Elder 1934 Investigaciones en electrodiálisis
Kammermeyer 1957 Separación de gases con silicona de caucho
Kammermeyer 1957 Pervaporación de mezclas azeotrópicas
Londsdale 1960 Investigaciones en membranas compuestas
Loeb y
1962 Preparación de membranas asimétricas
Surirayan
Loeb y
Surirayan
1962 Control del tamaño de poro en membranas
Mahon 1963 Membranas capilares
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 11

12. Introducción
Historia de las membranas
Persona año descubrimiento
Goddard 1977 Modelos de transporte simple
Leblanc 1980 Membranas con cargadores inmovilizados
Yoshikawa 1986 Membranas con centros activos
Cussler, Aris,
Brown
1989 Modelo de la cadena de transporte simple
Rautenbach 1990 Membranas en procesos híbridos
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
12

13. Tipos de membranas
Clasificadas en base a su tamaño de poro
(0.37 nm)
H2O
(0.2 nm)
Na+
Virus de la
influenza
(100 nm)
Hemoglobina
Sucrosa ( 7 nm)
( 1 nm)
Ultrafiltración (UF)
Diminuta
pseudónima
(0.28 μ)
Microfiltración (MF)
Diámetro de poro
Bacteria
estafilococos
(1 μ)
Almidón
(10 μ)
Osmosis Inversa (OI)
Filtros
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology.
Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21.
13

14. Aplicación de las membranas
Funciones de la membranas
Separación Contacto
Inmovilización
Liberación controlada
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
14

15. Aplicación de las membranas
AGRICULTURA
INDUSTRIA
ENERGIA
SALUD ECONOMÍA
MEMBRANAS
PROTECCIÓN
DEL AIRE
PROTECCIÓN
DEL SUELO
CIENCIA
PROTECCIÓN
DEL AGUA
FARMACIA DEFENSA
REPRODUCCIÓN
SILVICULTURA
MEDICINA
SEGURIDAD
LIMPIEZA
TECNOLOGÍA
ALIMENTOS
MEDIO AMBIENTE
PROTECCIÓN
SALUD
PROTECCIÓN
15

16. Aplicación de las membranas
Tratamiento de aguas con Osmosis Inversa (O I)
Alimentación
de agua
Pretratamiento
-Aeración
-Filtración
-Coagulación
-Ajuste de pH
Energía
recobrada
OI
Concentrado
Postratamiento
Mineralización
y desinfección
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 16

17. Aplicación de las membranas
Sistema hibrido para desalar agua
Permeado
OI
Salmuera
Agua purificada
Condensador
Destilación
Fondos
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 17

18. Aplicación de las membranas
Industria Química
 Purificación de agua y sustratos.
 Recuperación y concentrado de sustratos.
 Recirculación de catalizadores.
 Recirculación de solventes.
 Recuperación de solventes a partir de desechos.
 Recuperación de limpiadores de cristal.
 Purificación y recuperación de ácidos.
 Filtración de aminas y glicoles.
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 18

19. Aplicación de las membranas
Recuperación de solventes orgánicos en procesos de extracción
Aceites pesados
Agua fría
Solventes
pesados Condensador
Aceite purificado
Vapor
Permeado
Columna de
extracción
Asfáltenos
Concentrado
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
19

20. Aplicación de las membranas
Industria farmacéutica
 Agua para inyecciones e infusiones.
 Purificación y concentrado de enzimas.
 Digestión continua en birreactores.
 Producción de anticuerpos monoclonales.
 Esterilización de productos y sustratos.
 Producción de ácidos orgánicos.
 producción de enzimas.
 Agua para diálisis.
 Cultivo de tejidos.
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
20

21. Aplicación de las membranas
Producción de antibióticos (cefalosporina)
Separación y
purificación de células
Proteína y
remoción de
color
Separación de
antibiótico Purificación de
antibiótico
Bioreactor
OI
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 21

22. Aplicación de las membranas
Biotecnología
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
22

23. Aplicación de las membranas
Obtención de glucosa a partir de almidón
Almidón
Enzima
Filtro de
tambor
Glucosa
Reciclado de polisacárido
Bioreactor Bioreactor Bioreactor
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 23

24. Aplicación de las membranas
Medicina
 Aire y agua limpia.
 Riñón artificial.
 Pulmones artificiales.
 Piel artificial.
 Páncreas artificial.
 Liberación controlada de
fármacos.
 Bombas osmóticas.
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag. 24

25. Aplicación de las membranas
Riñones artificiales
Agua
Mezclador
estático
Solución salina
fisiológica
Desgasificador
Unidad de diálisis
(UF)
Circulación de sangre
The history and state of art in membrane technologies, Andrzej b. Kołtuniewicz, Wroclaw
University of Technology, Chemistry Department Institute of Chemical Engineering, 90 pag.
25

26. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Incrustantes
 Carbonato de calcio (CaCO3).
 Sulfatos de calcio, bario o estroncio (CaSO4, BaSO4 y SrSO4) .
 Óxidos metálicos (hierro, manganeso, cobre, níquel, aluminio, etc.).
 Sílice polimerizada (SiO3n).
 Deposito de coloides inorgánicos.
 Deposito de mezclas coloidales orgánicas e inorgánicas.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14 26

27. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Incrustantes
 Materia orgánica natural (NOM).
 Materia orgánica hecha por el hombre
(antiincrustantes/dispersantes, polielectrolitos cationicos).
 Biológicos (crecimiento bacterial, algas, moho u hongos).
 La cloración.
 Compactación.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14 27

28. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Características que indican que una membrana necesita mantenimiento.
 Decremento del 10-15 % en el flujo de permeado normalizado.
 Decremento del 10-15 % en la calidad del permeado.
 Incremento 10-15 % en la caída de presión normalizada.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14 28

29. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 1: Solución acuosa a un pH bajo (pH= 4) 2 % en peso
de ácido cítrico, elimina incrustantes como: carbonato de calcio,
sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio, óxidos
metálicos e hidróxidos (Fe, Mg, Ni, Cu y Zn). Mejor desempeño
ajustando pH mas elevado con hidróxido de amonio.
Ácido cítrico
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service
bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14
29

30. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 2: Solución acuosa a un pH alto (pH= 10) 2 % en
peso de trisfosfato de sodio (Na5P3O10, STPP) y 0.8 % de sal
de sodio del ácido etilendiaminotetraacético (Na-EDTA),
elimina incrustantes como: sulfato de calcio, orgánicos, iones
metálicos, cationes divalentes y trivalentes.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14
30
Trisfosfato de sodio

31. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 3: Solución acuosa a un pH alto (pH= 10) 2 % en
peso de trisfosfato de sodio (Na5P3O10, STPP) y 0.25 % sal
sódica del dodecilbenceno sulfonato (Na-DDBS), elimina altos
niveles de incrustantes orgánicos de origen natural.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service
bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14
31
Trisfosfato de sodio

32. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 4: Solución acuosa a un pH bajo (pH= 2.5) 0.5 % en
peso de ácido clorhídrico (HCl) elimina incrustantes como:
carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfato de bario, sulfato
de estroncio, óxidos metálicos e hidróxidos (Fe, Mg, Ni, Cu y
Zn).
Solución mas agresiva que la solución 1.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service
bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14 32

33. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 5: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 1 % en
peso de hidrosulfito de sodio (Na2S2O4) elimina incrustantes
como: óxidos metálicos e hidróxidos y en menor medida
Sulfatos de calcio, bario y estroncio.
Hidrosulfito de sodio
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service
bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14 33

34. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 6: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 0.1 % en
peso de hidróxido de sodio (NaOH) y 0.03 % dodecilsulfato de
sodio, elimina incrustantes como: crecimiento bacterial, algas,
moho u hongos, mezclas coloidales orgánicas/inorganicas .
Régimen agresivo de limpieza.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service
bulletin, www.membranes.com, julio 2003 1-14 34

35. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Tratamientos
Solución 7: Solución acuosa a un pH alto (pH= 11.5) 0.1 % en
peso de hidróxido de sodio (NaOH) se emplea para remover
sílice polimerizada.
Régimen agresivo de limpieza.
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14
35

36. Factores que afectan a las membranas y cuidados
Resumen de los tratamiento
Incrustante Solución
limpiadora ligera
Solución limpiadora
agresiva
Carbonato de calcio 1 4
Sulfato de calcio, bario y estroncio 2 4
Óxidos metálicos e hidróxidos ( Fe,
1 5
Mn, Zn y Al)
Coloides orgánicos 1 4
Mezcla de coloides
2 6
orgánicos/inorganicos
Sílice polimerizada - 7
Materia biológica 2 3 o 6
Materia Orgánica (NOM) 2 3 o 6
Hidranautics (a nitto denko corporation) , technical service bulletin,
www.membranes.com, julio 2003 1-14 36

37. Caracterización de membranas
• Angulo de contacto.
• Rechazo de sales.
• Flujo de permeado.
• Valor A.
• Microscopia electrónica de Barrido (SEM).
• Microscopia de Fuerza Atómica (AFM).
• Espectroscopia de Infrarrojo por ATR.
• Espesor de membranas.
37

38. Caracterización de membranas
Angulo de contacto
38

39. Caracterización de membranas
Valor A.
Se emplea agua desionizada
39
Valor A =
Flujo volumétrico
Área*Presión
Área= 3.43 in2
Presión = 20 Psia

40. Caracterización de membranas
Rechazo de sales y Flujo de permeado.
Rechazo de sales (R)
R= (1-Cp/Cf)*100
Cp = Na2SO4 del permeado
Cf = Na2SO4 de alimentación
40
Flujo de
permeado
Volumen
Δt
=

41. Caracterización de membranas
Espectroscopia de Infrarrojo por ATR
FTIR ATR-FTIR
41
Espectro de espectroscopia
de infrarrojo

42. Caracterización de membranas
Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)
Principio básico
42

43. Caracterización de membranas
Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164 43

44. Caracterización de membranas
Microscopia electrónica de Barrido (SEM)
SEM
Figura 1. Diatomea observada en la
modalidad de bajo vacío del SEM.
44

45. Caracterización de membranas
Microscopia electrónica de Barrido (SEM)
Yu, S.; Liu, M.; Lu, Z.; Zhou, Y.; Gao, C. Journal of Membrane Science 2009, 344, 155-164 45

46. Caracterización de membranas
Espesor de membranas
Micrómetro
46

47. Métodos de preparación de membranas
 Expansión de películas
 Lixiviado en plantillas
 Inversión de fase
 Vía nucleación
 Sinterizado
Membranas
simétricas Extrusión
Fundición
Poro
Difusión
Selección de
iones
 Microfiltración
 Ultrafiltración
 Diálisis
Permeación de
gases
Poro
Electrodiálisis
Estructura de la
membrana
Método de
elaboración
Método de
separación
Aplicación
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology.
Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21. 47

48. Métodos de preparación de membranas
Membranas
asimétricas
Inversión
de fase
Recubrimientos
compuestos
 Polimerización
interfacial
 Polimerización por
plasma
Técnica de pre-recubrimiento
Poro
Difusión
 Microfiltración
 Ultrafiltración
Osmosis Inversa
Permeación de gases
Estructura de la
membrana
Método de
elaboración
Método de
separación
Aplicación
Difusión
Poro
Pervaporación
Permeación de gases
Ultrafiltración
Ronald W. Rousseau.1987. Handbook of Separation Process Technology.
Editorial: John Wiley and Sons, USA, P 21. 48

49. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
 La polisulfona (PS) es disuelta en N-Metil-Pirrolidona
(NMP), para formar una solución que contenga una
concentración del 20 % en peso de PS (puede ser 10 al 30%).
Polisulfona
Pesar 20 g de polisulfona
Pesar 80 g
de NMP
(solvente)
49

50. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
La polisulfona se agrega por
partes
Agitación en rodillos por
24 h mínimo.
50

51. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Se puede usar una lámpara para
solubilizar mas rápido y agitación manual
51

52. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Medidas del papel
68.5 cm
30.6 cm
1.3 cm
Material para recortar el papel
52

53. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Se pega el papel y
calibración de la navaja
(espesor= 7 milipulgadas)
Limpieza de la maquina
53

54. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
 La solución de PS es distribuida en un soporte, con un
grosor de película que mide entre 6-7 milipulgadas.
Calibrador
Navaja de distribución
Distribución de la solución
54

55. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
 Para que la película pase a la fase sólida, es
sumergida en agua desionizada.
Dejar por 5 minutos
Lavado con agua desionizada 55

56. El método de inversión de fase
(Para preparar una membrana de ultrafiltración)
Conservación de la membranas con solución acuosa de
EDTA 0.5 Molar. Depositar 10 gotas en una bolsa que
contenga 40 mL de agua desionizada y sellar la bolsa.
Regular pH a 6 con hidróxido de sodio o potasio.
Ácido etilendiaminotetraacético (EDTA)
Mantener a 5 °C
56

57. Agradecimientos
PROFAPI
Cuerpo Académico de
Ingeniería de Procesos
(CAIP)
57

58. ¡¡¡Gracias por haber
asistido!!!
Ubicación del taller práctico: LV-
900 lab. de Ing. Química, interior
LV-912 Equipos Especiales.
58

59. 1.3 cm
68.5 cm
59

60. 60