Presentación Clases Pre-grado Separaciones con Membranas

1. SEPARACIONES CON MEMBRANAS
Universidad Simón BolívarUniversidad Simón Bolívar
Dpto. Termodinámica y Fenómenos de Transferencia
Programa de Ingeniería Química
TF6332 Procesos de Separación
Prof. MSc. Ing. Rainier Maldonado

2. Membrana
Definición
Materiales
Procesos de Separación con Membranas
Aplicaciones
Separación por Membranas (I) TF-6332
Aplicaciones
Módulos de Membranas
Patrones de Flujos

3. MEMBRANA
Película sólida o líquida semi-permeable que permite el
paso selectivo de diferentes especies a través de ella por
influencia sobre el transporte de masa.
Separación por Membranas (II) TF-6332
La Selectividad se debe alguna de las siguientes
propiedades de las moléculas de las especies químicas
que se separan (o a combinación de ellas):
- Tamaño (Peso molecular) / Forma
- Adsorción / Solubilidad
- Difusividad
- Carga electrostática / Polaridad

4. Agente de Separación
Separación por Membranas (III) TF-6332
Fase I
Por Barrera
Fase I
Por Barrera
Alimentación
Fase I
Fase II
Alimentación
Fase I
Fase II

5. Separación por Membranas (IV)
Esquema General
TF-6332
Alimentación
Corriente de
Barrido
(Opcional)
Permeado
Retenido
Membrana
(Opcional)
Fuerza Impulsora
Gradientes: dF/dX
• Presión
• Potencial Químico
Concentración
Presión Osmótica
Presión Parcial
• Potencial Eléctrico

6. Membranas - Materiales (I)
Membranas Orgánicas (Polímeros)
Acetato de celulosa,
Poliamidas,
Poliacrilonitrilos, polifloruro de vinilos…
TF-6332
Polímero soportado sobre metal

7. Membranas - Materiales (II)
Membranas Orgánicas (Polímeros)
TF-6332
Figura 3.3. a) Aquivion y b) Nafion.

8. Membranas - Materiales (III) TF-6332
Combustible hidrógeno
Ánodo: H2(g)--- 2H+ + 2e-
Cátodo: ½ O2(g) + 2H+ +2e- -- H2O(l)
Celda: H2 + ½ O2 -- H2O(l)
Membranas Orgánicas (Polímeros)
Electrodos (ánodo y cátodo): Grafito
Están recubiertos por el catalizador
(Pt o Pt-Ru) donde se llevan a cabo
las reacciones químicas.

9. Membranas - Materiales (IV)
Membranas Orgánicas (Polímeros)
TF-6332
Figura 3.3. a) Aquivion y b) Nafion.

10. Membranas - Materiales (V)
Membranas inorgánicas:
Metales: Paladio, Plata
TF-6332
PlataPaladio

11. Membranas - Materiales (VI)
Membranas inorgánicas:
Cerámicas: Alúmina, Sílicas, Zeolitas, Vidrio de Borosilicato
TF-6332
Cerámica soportada sobre cerámica

12. Adsorbentes (I)
Adsorbentes Comerciales
Desecante,
Purificación de
200-3000.510-75Alúmina
Activada
AplicaciónÁrea
Superficial
Especifica
(m2/m3)
Porosidad de
Partícula
Diámetro de
Poro (A)
Adsorbente
Desecante,
Purificación de
200-3000.510-75Alúmina
Activada
AplicaciónÁrea
Superficial
Especifica
(m2/m3)
Porosidad de
Partícula
Diámetro de
Poro (A)
Adsorbente
TF-6332
Desecante,
Separación de
Hidrocarburos
600 - 7000.2 – 0.53 – 10Zeolitas
Remoción de
Orgánicos,
Purificación de
Agua
750 – 8500.4 – 0.610 – 25Carbón
Activado
Microporoso
Desecante de
Gases
300 - 8500.47 - .7122 – 150Silica Gel
Purificación de
Aceites
Activada
Desecante,
Separación de
Hidrocarburos
600 - 7000.2 – 0.53 – 10Zeolitas
Remoción de
Orgánicos,
Purificación de
Agua
750 – 8500.4 – 0.610 – 25Carbón
Activado
Microporoso
Desecante de
Gases
300 - 8500.47 - .7122 – 150Silica Gel
Purificación de
Aceites
Activada

13. Membranas Porosas (I)
Difusión tipo Knudsen
TF-6332
Mecanismos de Transporte en Poros
Difusión tipo Knudsen
Difusión Superficial
Difusión Molecular
(Flujo Viscoso)

14. Separación por Membranas (I)
FLUX
PERMEABILIDAD
i i iN P µ∝ ⋅∇
TF-6332
: Potencial Químicoiµ
PERMEABILIDAD
,i i i MP H D∝ ⋅
,i i i MP q D∝ ⋅
,i i MP D∝
:Constante de Solubilidad de HenryiH
:Cantidad Adsorbidaiq
:Coeficiente de DifusióniD

15. Separación por Membranas (II) TF-6332
Coeficiente de Difusión vs
Solubilidad

16. Membranas – Aplicaciones (I) TF-6332
Proceso Tamaño de
material
retenido
Fuerza
Motriz
Aplicación
/ Proceso Alternativo
Micro-
filtración
0.1 – 10 µm
Micro-
partículas
Gradiente de
Presión
(0.5 – 2 bar)
- Purificación de Antibióticos
- Clarificación de Bebidas
/ Sedimentación - Centrifugación/ Sedimentación - Centrifugación
Ultra-
filtración
1 – 100 nm
Macro-
moléculas
Gradiente de
Presión
(1 – 10 bar)
- Clarificación de jugos de frutas
- Preconcentración de la leche
- Recuperación de antibióticos de
cultivos de fermentación
/ Centrifugación
Ósmosis
Inversa
< 1 nm
moléculas
Gradiente de
Presión
(10 – 100 bar)
- Desalinización de agua*
- Remoción de alcohol del vino
- Remoción de impurezas de aguas
residuales
/ Destilación – Evaporación
(*) Mayor aplicación industrial con 46% de la capacidad total mundial de la producción de agua
potable.

17. Membranas – Aplicaciones (II) TF-6332
Proceso Tamaño de
material
retenido
Fuerza
Motriz
Aplicación
/ Proceso Alternativo
Diálisis < 1 nm
moléculas
Gradiente de
Concentración
- Separación de sulfato de
níquel de ácido sulfúrico
-Hemodiálisis (Remoción de
desechos metabólicos, excesodesechos metabólicos, exceso
de agua de la sangre)
Electrodiálisis < 1 nm
moléculas
Gradiente de
Potencial
Eléctrico
- Producción de sal de mesa de
agua de mar
-Producción de agua ultrapura
/ Cristalización

18. Membranas – Aplicaciones (III) TF-6332
Proceso Tamaño de
material
retenido
Fuerza
Motriz
Aplicación
/ Proceso Alternativo
Permeación de
Gases
< 1 nm
moléculas
Gradiente de
Presión
Parcial
- Separación de CO2 o H2 de
metano y otros hidrocarburos
-Ajuste de la relación H2/CO en el
gas de síntesisgas de síntesis
/ Absorción – Adsorción
Pervaporación < 1 nm
moléculas
Gradiente de
Potencial
Químico
- Deshidratación del azeótropo
etanol/agua
- Remoción de orgánicos del
agua
/ Destilación Asistida

19. Membranas – Aplicaciones (IV) TF-6332
Filtración

20. Membranas – Aplicaciones (V) TF-6332
Ósmosis Inversa

21. Membranas – Aplicaciones (VI) TF-6332
Electrodiálisis

22. Membranas -
Permeación de Gases (I) TF-6332
Evolución Histórica

23. Membranas -
Permeación de Gases (II) TF-6332
Coeficiente de Difusión

24. Membranas –
Permeación de Gases (III) TF-6332
Solubilidad

25. Membranas -
Permeación de Gases (IV) TF-6332
Permeabilidad

26. Membranas
Permeación de Gases (V) TF-6332
Permeabilidad para Separación de Aire

27. Membranas
Permeación de Gases (VI) TF-6332
Esquemas de Operación
para Separación de Aire

28. Membranas –
Pervaporación (I) TF-6332
Evolución Histórica

29. Membranas -
Pervaporación (II) TF-6332
Esquemas de Operación
para Pervaporación

30. Membranas -
Pervaporación (III) TF-6332
Esquemas de Operación Sistemas Híbridos de
Destilación y Pervaporación (Separación de Azeótropos)

31. Membranas -
Pervaporación (IV) TF-6332
Feed Side
Liquid Phase
PPPV (T) PP*
Selective Membrane
Perfil de Potencial Químico – Sustancia Pura
Liquid Phase
(T)
Permeate Side
Gas Phase
(T, PP)
qδ (T,PP*)
q0 (T,Pv)
Membrane Support Layer

32. Membranas -
Pervaporación (V) TF-6332
Feed Side
PPPV (T, Xi,S) PP*
Selective MembraneBoundary
Perfil de Potencial Químico – Mezclas
Liquid Phase
(T, Xi,B) Permeate Side
Gas Phase
(T, PP)
qδ (T,PP*)
q0 (T,Pv)
Selective
Membrane
Membrane
Support LayerLayer
(Xi,ms )

33. Polarización de la Concentración TF-6332
Reducción del efecto de la Polarización

34. Membranas – Módulos (I) TF-6332
Fibra Hueca

35. Membranas – Módulos (II) TF-6332
Espiral

36. Membranas – Módulos (III) TF-6332
Monolitos

37. Membranas – Módulos (IV) TF-6332
Tubo - Carcasa

38. Membranas – Módulos (V) TF-6332
Placa-Marco

39. Membranas - Módulos (VI)
Membranas Líquidas
TF-6332
Membrana Emulsión Membrana Soportada

40. Membranas –
Patrones de Flujo (I) TF-6332
Mezcla Completa – Perfil de Concentración
Alimentación Retenido
C C
CAR
Corriente de
Barrido Permeado
CAF CAR
CAB -> 0 CAP
CAP

41. Membranas –
Patrones de Flujo (II) TF-6332
Flujo Co-corriente – Perfil de Concentración
Alimentación Retenido
C C
Corriente de
Barrido Permeado
CAF CAR
CAPCAB -> 0

42. Membranas –
Patrones de Flujo (III) TF-6332
Flujo Contra-corriente – Perfil de Concentración
Alimentación Retenido
C C
Corriente de
BarridoPermeado
CAF CAR
CAP CAB -> 0

43. Membranas –
Patrones de Flujo (IV) TF-6332
Flujo Cruzado – Perfil de Concentración
Alimentación Retenido
C C
Corriente de
Barrido PermeadoCAP
CAF CAR
CAPCAB -> 0