Resumen de Filtración Industrial y Procesos de Separación
Filtración Industrial y Procesos de Separación: Guía Completa
Introducción
La separación por membranas es un conjunto de procesos que usan una barrera selectiva (membrana) para separar componentes de una mezcla aprovechando diferencias de tamaño, carga, solubilidad o presión. Estos procesos son fundamentales en tratamiento de agua, industrias farmacéuticas, alimentarias y en ingeniería química en general.
Definición: Una membrana es una barrera semipermeable que permite el paso diferencial de ciertas especies (por tamaño, carga o afinidad) entre dos corrientes.
Principios básicos
Corrientes y concentraciones
Un flujo de alimentación (alimento) $F$ con concentración inicial $C_0$ entra al sistema. Parte atraviesa la membrana formando el permeado $(P)$ con concentración $C_P$ y la fracción que no atraviesa forma el retenido o rejonta $(S)$ con concentración $C_S$.
Fuerzas impulsoras
Las membranas funcionan por distintas fuerzas impulsoras:
- Presión: diferencial de presión a través de la membrana (p. ej. ósmosis inversa, ultrafiltración).
- Temperatura: diferencia térmica en destilación en membranas o termoósmosis.
- Concentración: gradientes de concentración (ósmosis, difusión).
- Campo eléctrico: separación por carga (electrodiálisis).
Definición: Fuerza impulsora es la diferencia de una variable termodinámica (presión, temperatura, potencial eléctrico, concentración) que origina el transporte a través de la membrana.
Mecanismos de separación (factores de separación)
- Tamaño: exclusión estérica; separa según el tamaño de las especies (ultrafiltración, microfiltración).
- Difusividad: depende de la movilidad de las moléculas en la membrana (pervaporación, destilación en membranas).
- Carga: selectividad por interacciones eléctricas (diálisis, electrodiálisis).
- Solubilidad y punto de ebullición: relevantes en pervaporación y otras técnicas térmicas.
Tipos de procesos por membrana y materiales
| Fuerza impulsora | Factor de separación | Operación | Tipo de membrana |
|---|---|---|---|
| Presión | Tamaño | Ultrafiltración | Derivados de la celulosa, Fibras sintéticas, Polímeros termoplásticos |
| Presión | Difusividad y tamaño | Ósmosis inversa | Derivados de la celulosa, Fibras sintéticas |
| Presión | Punto de ebullición y solubilidad | Pervaporación | Matriz polimérica densa |
| Temperatura | Punto de ebullición y difusividad | Destilación en membranas | Polímeros termoplásticos |
| Temperatura | Punto de ebullición y tamaño | Termoósmosis | Derivados de la celulosa, Fibras sintéticas |
| Concentración | Tamaño | Ósmosis | Derivados de la celulosa, Fibras sintéticas |
| Concentración | Carga o tamaño | Diálisis | Derivados de la celulosa, Fibras sintéticas |
| Campo eléctrico | Carga | Electrodiálisis | Resinas de intercambio iónico |
Definición: Ósmosis inversa es un proceso de separación por presión que fuerza al solvente a través de una membrana semipermeable en sentido inverso al de la ósmosis natural.
Comparación de membranas: celulosa vs fibras sintéticas
| Propiedad | Celulosa | Fibras sintéticas |
|---|---|---|
| Tasa de depuración | 93% | 96% |
| Duración | 2 a 3 años | 3 a 5 años |
| Presión y Tª máx. | 30-42 bars, 30°C | 28 bars, 35°C |
| Resistencia al cloro (Cℓ) | Alta | Baja |
| Prefiltro obligatorio | NO | Anticloro |
| Resistencia a la hidrólisis | Baja | Alta |
| pH tolerados | $4{,}5$ a $6{,}5$ | $4$ a $11$ |
| Resistencia a las bacterias | Baja | Alta |
| Ventajas | Precio | Rendimiento |
| Inconvenientes | Fragilidad | Precio |
- Interpretación práctica: las membranas de fibras sintéticas ofrecen mayor rendimiento y vida útil pero suelen ser más costosas y más sensibles al cloro; las de celulosa son más económicas pero menos robustas frente a hidrólisis y ataques biológicos.
Propiedades generales deseables en membranas
- Alta retención de sales minerales y compuestos orgánicos
- Alta permeabilidad al agua pura
- Poco espesor
- Baja biodegradabilidad
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Separación por membranas
Klíčová slova: Filtración, Separación por membranas
Klíčové pojmy: Membrana: barrera semipermeable que separa por tamaño, carga o afinidad, Fuerzas impulsoras: presión, temperatura, concentración, campo eléctrico, Ultrafiltración y ósmosis inversa usan presión; electrodiálisis usa campo eléctrico, Celulosa: 93% depuración, vida 2-3 años, alta resistencia al cloro, Fibras sintéticas: 96% depuración, vida 3-5 años, mayor pH tolerado $4$ a $11$, Pervaporación separa por solubilidad y punto de ebullición en matriz densa, Balance de masa: $F C_0 = P C_P + S C_S$ para diseñar flujos, Control de fouling es clave: limpieza química, prefiltros y control operativo, Seleccionar membrana según pH, temperatura y resistencia a cloro, Aplicaciones: desalinización, concentración de jugos, purificación de proteínas, Propiedades deseables: alta permeabilidad, baja biodegradabilidad, buena estabilidad