Clasificación de separación de membranas: seis lentes para elegir la membrana adecuada

La separación por membrana divide un alimento en permeado y retenido dondequiera que se deba recuperar o eliminar agua, productos químicos, ingredientes alimentarios, productos farmacéuticos o metales. Aparece en desalinización, reutilización de agua, lácteos, agua ultrapura, hidrometalurgia y recuperación de disolventes. Sin embargo, la "separación de membranas" describe una familia de procesos, no un solo producto. Dos elementos con carcasas similares pueden diferir en polímero, tamaño de poro, carga superficial, fuerza motriz y empaquetamiento. Por eso la búsqueda de "la mejor membrana" rara vez ayuda.

La clasificación de separación por membrana agrupa estos procesos según la pregunta que responden: qué es el producto, de qué está hecha la membrana, qué impulsa el transporte, qué tan apretado es el corte, cómo está estructurada la barrera y cómo se empaqueta. Las seis lentes siguientes son vistas complementarias de una especificación; utilizados en secuencia, reducen un mercado abarrotado a una lista corta que vale la pena probar.

                              ----¿Qué debe irse y qué debe quedarse?

La primera lente es la economía de procesos. Si el producto es permeado, el trabajo es la purificación: el agua pasa mientras se retienen las sales, coloides u compuestos orgánicos. La ósmosis inversa para agua ultrapura es el ejemplo más claro. Si el producto es el retenido, el trabajo es la concentración: el agua sale como permeado mientras que las especies valiosas o problemáticas se quedan atrás. Una membrana que concentra una corriente que contiene metales es una membrana de concentración, incluso si su polímero y sus poros se parecen al NF.

Si ambas corrientes tienen valor, el trabajo es la separación. Si el objetivo es una fracción estrecha entre dos límites, el trabajo es la extracción: el material pasa por una membrana más suelta pero es retenido por una más apretada, por lo que el producto es la fracción entre los dos límites. Cada etiqueta cambia la métrica. La purificación se juzga según la calidad del permeado, la concentración según la recuperación y la fuerza del retenido, y la separación en ambas corrientes.

Las membranas especiales de YIME muestran cómo una tecnología cambia de función. Su membrana de metal precioso retiene los valores metálicos en el concentrado, por lo que funciona como membrana de concentración. Su membrana de ósmosis inversa está diseñada alrededor del permeado (agua pura), por lo que es una membrana de purificación. Diferentes productos, diferentes métricas.

----Orgánico, Inorgánico y Metálico

La segunda lente es la química. Las membranas orgánicas utilizan polímeros como polisulfona (PSf), polipropileno (PP), poliacrilonitrilo (PAN), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polietersulfona (PES), acetato de celulosa (CA), poliamida aromática y poliamida a base de piperazina. Dominan el tratamiento del agua porque son económicos, se empaquetan en módulos de gran superficie y funcionan a presiones más bajas que las cerámicas.Sus límites son prácticos: oxidantes, disolventes, pH extremos o calor atacan al polímero; la resistencia mecánica es limitada; y las ventanas de limpieza son más estrechas.

Las membranas inorgánicas suelen ser cerámica, vidrio o silicatos, con capas selectivas de alúmina, circonia, titania o sílice. Toleran altas temperaturas, limpieza agresiva y productos químicos agresivos, y pueden lavarse a contracorriente con fuerza. A cambio, son más pesados, más costosos, quebradizos ante el choque térmico y ocupan menos área por unidad de volumen. Las membranas metálicas son un grupo más pequeño: las aleaciones densas de paladio separan el hidrógeno y el acero inoxidable poroso sirve como soporte. Las membranas de óxido metálico suelen agruparse con las cerámicas.

Las familias están convergiendo. Las membranas orgánicas obtienen recubrimientos cargados, rellenos de matriz mixta y capas compuestas; las cerámicas ganan capas más delgadas y una mayor densidad de empaquetamiento. La poliamida aromática todavía domina la ósmosis inversa, mientras que NF, UF y MF ofrecen más polímeros y químicas de superficie. Esa variedad permite que una membrana se adapte a una tarea, no que se elija según el tamaño de los poros.

La línea de nanofiltración de YIME es un ejemplo: a partir de un sustrato de nanofiltración, la empresa utiliza una estrategia de coordinación de capas intermedias multidimensional para ajustar la separación entre iones metálicos monovalentes y divalentes. Ningún polímero es universalmente mejor; La química se puede diseñar en torno a un problema de separación.

---¿Qué impulsa la separación?

Cada proceso de membrana necesita un gradiente de presión, presión parcial, presión osmótica, concentración, potencial eléctrico o temperatura. Ese gradiente determina el equipo, la energía y el modo de contaminación más que el tamaño de los poros.

Los procesos impulsados ​​por la presión son familiares, pero no para toda la familia. La electrodiálisis utiliza membranas de intercambio iónico y un campo eléctrico para eliminar especies cargadas sin un polímero apretado.MembranaLa destilación hace pasar vapor de agua a través de una membrana hidrófoba, por lo que puede tratar salmueras que contaminarían la ósmosis inversa. La ósmosis directa utiliza un gradiente osmótico en lugar de una bomba, aunque todavía necesita recuperación de la solución de extracción. Una membrana que sobresale bajo presión puede resultar irrelevante bajo otro gradiente.

Para elMembrana de concentración de iones de plata YIME-AgR100-8040, la fuerza impulsora es la presión: 2,5 MPa (363 psi). Eso la sitúa en el extremo de alta presión de la nanofiltración, más cerca de la ósmosis inversa que de la ultrafiltración de baja presión. La presión se debe al corte ajustado de 100 Da y a la necesidad de superar la presión osmótica y la polarización de la concentración en corrientes de cianuro concentrado.

---De MF a RO, con desvíos

síLa precisión de la comparación es la lente más utilizada y la más simplificada. La microfiltración (MF) elimina sólidos suspendidos, bacterias y algas entre 0,1 y 10 µm. Ultrafiltración (UF)Opera aproximadamente entre 1 y 100 nm y retiene coloides, proteínas, aceites y macromoléculas. La nanofiltración (NF) se sitúa entre 0,5 y 2 nm, rechaza muchos iones multivalentes y compuestos orgánicos pequeños y deja pasar algunos iones monovalentes. La ósmosis inversa (RO) es más estricta y rechaza la mayoría de los iones disueltos al pasar el agua. 

Estos rangos son orientativos. La retención real depende de la carga, la hidrofilicidad, la morfología, la concentración de alimentación, el pH, la temperatura y el método de prueba de corte de peso molecular (MWCO). A MWCO generalmente se le asignan sondas neutras, por lo que por sí solo no puede predecir el rechazo de un ion cargado. Dos membranas "NF" pueden comportarse de manera muy diferente en la misma salmuera. 

DE, EDI y MD aparecen en la misma tabla porque los compradores los comparan uno al lado del otro, pero no son primos en el tamaño de los poros. ED y EDI utilizan potencial eléctrico; MD utiliza un gradiente térmico.

---Lo que revela la sección transversal

La estructura de la membrana describe cómo se construye la barrera. Una membrana simétrica es aproximadamente uniforme en todo su espesor. Una membrana asimétrica tiene una fina piel selectiva sobre un soporte más abierto del mismo polímero. Un compuesto de película delgada (TFC) va más allá: una capa selectiva ultrafina se recubre sobre un soporte poroso, de modo que la química de la barrera y la mecánica del soporte se pueden optimizar de forma independiente. La mayoría de las membranas de OI y muchas de NF son compuestas por este motivo. 

La estructura también cubre la porosidad y la química de la superficie. Las membranas de MF y UF son porosas; Las membranas de ósmosis inversa son densas y dependen de la difusión de la solución, no del tamizado. NF se encuentra entre ellos, con poros lo suficientemente pequeños como para que la carga y los efectos dieléctricos importen. Las membranas cargadas, de matriz mixta y sintonizadas entre capas intentan desacoplar la selectividad de la permeabilidad. La sección transversal establece el equilibrio entre flujo, rechazo, incrustaciones y resistencia. Un compuesto de alto flujo puede fallar si la alimentación contiene abrasivos o si los agentes de limpieza atacan la capa intermedia. Una membrana cerámica puede ser adecuada para trabajos con alto contenido de sólidos y altas temperaturas, incluso con un flujo más bajo.

---Cómo se empaqueta la membrana

La lente final es el módulo que convierte una membrana plana en un elemento. Los módulos enrollados en espiral enrollan láminas planas alrededor de un tubo de permeado, con espaciadores que crean canales de flujo. Ofrecen una alta densidad de empaque, un aumento de escala predecible y un menor costo por metro cuadrado, razón por la cual dominan RO y NF. Los módulos de fibra hueca utilizan miles de fibras finas para obtener una gran superficie por volumen, pero se ensucian fácilmente y, a menudo, se lavan a contracorriente. Los módulos tubulares manejan alimentos con alto contenido de sólidos y viscosos, pero ocupan menos área. Los módulos de placa y marco son fáciles de limpiar y se adaptan a flujos pequeños, sucios o de alto valor. Los monolitos cerámicos combinan muchos canales en un solo bloque para tareas químicas y térmicas agresivas.

El YIME-AgR100-8040 utiliza un elemento 8040 enrollado en espiral, de 8,0 pulgadas de diámetro, 40 pulgadas de largo y 400 pies² (37,2 m²). Ese formato se adapta a un flujo limpio, prefiltrado y de alta presión y empaqueta el área en un recipiente estándar. No es adecuado para alimentos con sólidos grandes o cargas elevadas de incrustaciones; Los diseños tubulares o de placa y marco pueden ser más robustos, con un mayor costo de capital.

La estructura de los elementos provoca sorpresas en la planta piloto. Una membrana que funciona bien en una prueba de lámina plana puede perder flujo en un elemento enrollado en espiral cuando el espaciador de alimentación se ensucia, la caída de presión aumenta o el flujo de concentrado es demasiado bajo. Por lo tanto, la presión diferencial máxima y la relación mínima de concentrado a permeado merecen tanta atención como el rechazo. Definen la envolvente hidráulica en la que los datos de prueba se convierten en rendimiento.