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destilación por membrana

La destilación por membrana ( DM ) es un proceso de separación impulsado térmicamente en el que la separación se produce por un cambio de fase. Una membrana hidrofóbica constitu...

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La destilación por membrana ( DM ) es un proceso de separación impulsado térmicamente en el que la separación se produce por un cambio de fase. Una membrana hidrofóbica constituye una barrera para la fase líquida , permitiendo que la fase gaseosa (por ejemplo, vapor de agua) atraviese los poros de la membrana. [ 1 ] La fuerza impulsora del proceso es una diferencia de presión parcial de vapor, generalmente desencadenada por una diferencia de temperatura. [ 2 ] [ 3 ]

Principio de la destilación por membrana

depresión capilar
Depresión capilar del agua sobre una membrana hidrofóbica
Perfil de temperatura y presión
Perfil de temperatura y presión a través de la membrana considerando la polarización de temperatura.

La mayoría de los procesos que utilizan una membrana para separar materiales se basan en la diferencia de presión estática como fuerza impulsora entre las dos superficies de unión (por ejemplo, ósmosis inversa - RO), o una diferencia en la concentración ( diálisis ), o un campo eléctrico (ED). [ 4 ] La selectividad de una membrana puede deberse a la relación del tamaño del poro con el tamaño de la sustancia que se retiene, o su coeficiente de difusión , o su polaridad eléctrica . Las membranas utilizadas para la destilación por membrana (MD) inhiben el paso del agua líquida mientras permiten la permeabilidad para las moléculas de agua libres y, por lo tanto, para el vapor de agua. [ 1 ] Estas membranas están hechas de material sintético hidrofóbico (por ejemplo, PTFE, PVDF o PP) y ofrecen poros con un diámetro estándar entre 0,1 y 0,5 μm (3,9 × 10 −6 y 1,97 × 10 −5 in) . Como el agua tiene fuertes características dipolares , mientras que el tejido de la membrana es no polar, el material de la membrana no se moja con el líquido. [ 5 ] Aunque los poros son considerablemente más grandes que las moléculas, la alta tensión superficial del agua impide que la fase líquida entre en los poros. Se desarrolla un menisco convexo en el poro. [ 6 ] Este efecto se denomina acción capilar . Entre otros factores, la profundidad de la impresión puede depender de la carga de presión externa sobre el líquido. Una dimensión para la infiltración de los poros por el líquido es el ángulo de contacto Θ = 90 – Θ'. Mientras Θ < 90° y, por consiguiente, Θ' > 0°, no se producirá la humectación de los poros. Si la presión externa aumenta por encima de la llamada presión de entrada del líquido , entonces Θ = 90°, lo que resulta en un desvío del poro. La fuerza impulsora que transporta el vapor a través de la membrana, para recogerlo en el lado del permeado como agua de producto, es la diferencia de presión parcial de vapor de agua entre las dos superficies límite. Esta diferencia de presión parcial es el resultado de una diferencia de temperatura entre las dos superficies límite. Como se puede observar en la imagen, la membrana está cargada con un flujo de alimentación caliente en un lado y un flujo de permeado enfriado en el otro. La diferencia de temperatura a través de la membrana suele estar entre 5 y 20   K transmite una diferencia de presión parcial que asegura que el vapor que se desarrolla en la superficie de la membrana siga la caída de presión, permeando a través de los poros y condensándose en el lado más frío. [ 7 ]

Técnicas de destilación por membrana

Disposición esquemática AGMD

Existen diversas técnicas de destilación por membrana. Las cuatro técnicas básicas se diferencian principalmente por la disposición de su canal de destilado o por la forma en que se opera dicho canal. Las siguientes tecnologías son las más comunes:

  • Médico de contacto directo (DCMD)
  • Air Gap MD (AGMD)
  • MD al vacío (VMD)
  • Departamento de Gestión de Gases de Barrido (SWGMD)
  • Destilación por membrana multiefecto al vacío (V-MEMD)
  • MD con brecha permeable (PGMD)

Médico de contacto directo

En la DCMD, ambos lados de la membrana se cargan con agua de alimentación caliente en el lado del evaporador y permeado enfriado en el lado del permeado. La condensación del vapor que pasa a través de la membrana ocurre directamente dentro de la fase líquida en la superficie límite de la membrana. Dado que la membrana es la única barrera que bloquea el transporte de masa, se pueden lograr flujos de permeado relacionados con la superficie relativamente altos con la DCMD. [ 8 ] Una desventaja es la alta pérdida de calor sensible , ya que las propiedades aislantes de la capa única de membrana son bajas. Sin embargo, una alta pérdida de calor entre el evaporador y el condensador también es resultado de la capa única de membrana. Este calor perdido no está disponible para el proceso de destilación, por lo que disminuye la eficiencia. [ 9 ] A diferencia de otras configuraciones de destilación por membrana, en la DCMD el enfriamiento a través de la membrana se proporciona mediante el flujo de permeado en lugar del precalentamiento de la alimentación. Por lo tanto, también se necesita un intercambiador de calor externo para recuperar el calor del permeado, y el alto caudal de la alimentación debe optimizarse cuidadosamente. [ 10 ]

MD con espacio de aire

Regímenes de condensación de gotas observados en AGMD. [ 11 ] [ 12 ]

En la MD con espacio de aire, el canal del evaporador se asemeja al de la DCMD, mientras que el espacio de permeado se encuentra entre la membrana y una pared enfriada y está lleno de aire. El vapor que pasa a través de la membrana debe superar adicionalmente este espacio de aire antes de condensarse en la superficie más fría. La ventaja de este método es el alto aislamiento térmico hacia el canal del condensador, minimizando así las pérdidas por conducción de calor. Sin embargo, la desventaja es que el espacio de aire representa una barrera adicional para el transporte de masa, reduciendo la producción de permeado relacionada con la superficie en comparación con la DCMD. [ 13 ] Otra ventaja sobre la DCMD es que las sustancias volátiles con una tensión superficial baja, como el alcohol u otros disolventes, pueden separarse de soluciones diluidas, debido a que no hay contacto entre el permeado líquido y la membrana con la AGMD. La AGMD es especialmente ventajosa en comparación con alternativas a mayor salinidad. [ 14 ] Las variaciones de la AGMD pueden incluir superficies de condensación hidrofóbicas [ 15 ] o condensadores porosos [ 16 ] para mejorar el flujo y la eficiencia energética . En AGMD, las características de diseño de importancia singular incluyen el espesor del espacio, la hidrofobicidad de la superficie de condensación, el diseño del espaciador del espacio y el ángulo de inclinación. [ 17 ]

Gas de barrido MD

La MD con gas de barrido, también conocida como desorción por aire, utiliza una configuración de canal con un espacio vacío en el lado del permeado. Esta configuración es la misma que en la AGMD. La condensación del vapor tiene lugar fuera del módulo de MD en un condensador externo. Al igual que con la AGMD, con este proceso se pueden destilar sustancias volátiles con baja tensión superficial. [ 18 ] La ventaja de la SWGMD sobre la AGMD es la reducción significativa de la barrera al transporte de masa mediante flujo forzado. De este modo, se pueden alcanzar mayores flujos de masa de agua producto relacionados con la superficie que con la AGMD. Una desventaja de la SWGMD, causada por el componente gaseoso y, por lo tanto, por el mayor flujo de masa total, es la necesidad de una mayor capacidad del condensador. Al utilizar flujos de masa de gas más pequeños, existe el riesgo de que el gas se caliente en la superficie caliente de la membrana, reduciendo así la diferencia de presión de vapor y, por lo tanto, la fuerza impulsora. Una solución a este problema para la SWGMD y la AGMD es el uso de una pared refrigerada para el canal de permeado y el mantenimiento de la temperatura mediante el lavado con gas. [ 19 ]

Vacío MD

La MD al vacío contiene una configuración de canal con espacio de aire. Una vez que ha pasado a través de la membrana, el vapor es aspirado del canal de permeado y se condensa fuera del módulo, como en la SWGMD. La VCMD y la SWGMD se pueden aplicar para la separación de sustancias volátiles de una solución acuosa o para la generación de agua pura a partir de agua salada concentrada. Una ventaja de este método es que los gases inertes no disueltos que bloquean los poros de la membrana son aspirados por el vacío, dejando una mayor superficie activa efectiva de la membrana. [ 20 ] Además, una reducción del punto de ebullición da como resultado una cantidad comparable de producto a temperaturas generales más bajas y menores diferencias de temperatura a través de la membrana. Una menor diferencia de temperatura requerida deja una menor demanda de energía térmica total y específica . Sin embargo, la generación de un vacío, que debe ajustarse a la temperatura del agua salada, requiere un equipo técnico complejo y, por lo tanto, es una desventaja de este método. La demanda de energía eléctrica es mucho mayor que en la DCMD y la AGMD. Un problema adicional es el aumento del valor del pH debido a la eliminación de CO 2 del agua de alimentación. Para que la destilación por membrana al vacío sea eficiente, a menudo se realiza en configuraciones de varias etapas. [ 21 ]

MD con brecha de permeación

A continuación, se explicará la configuración principal del canal y el método de funcionamiento de un módulo DCMD estándar, así como de un módulo DCMD con espacio de permeación independiente. El diseño de la imagen adjunta muestra una configuración de canal plano, pero también puede interpretarse como un esquema para módulos de fibra plana, hueca o enrollada en espiral.

La configuración completa del canal consta de un canal de condensación con entrada y salida, y un canal de evaporación con entrada y salida. Estos dos canales están separados por una membrana microporosa hidrofóbica. Para la refrigeración, el canal de condensación se inunda con agua dulce y el evaporador, por ejemplo, con agua de alimentación salina. El refrigerante entra en el canal de condensación a una temperatura de 20 °C (68 °F) . Tras atravesar la membrana, el vapor se condensa en el agua de refrigeración, liberando su calor latente y provocando un aumento de temperatura en el refrigerante. La conducción de calor sensible también calienta el agua de refrigeración a través de la superficie de la membrana. Debido al transporte de masa a través de la membrana, el flujo másico en el evaporador disminuye, mientras que el del canal de condensación aumenta en la misma cantidad. El flujo másico de refrigerante precalentado sale del canal de condensación a una temperatura de aproximadamente 72 °C (162 °F) y entra en un intercambiador de calor, precalentando así el agua de alimentación. Esta agua de alimentación se dirige a una fuente de calor adicional y finalmente entra en el canal del evaporador del módulo MD a una temperatura de 80 °C (176 °F) . El proceso de evaporación extrae el calor latente del flujo de alimentación, que lo enfría progresivamente en la dirección del flujo. Se produce una reducción adicional de calor debido al calor sensible que pasa a través de la membrana. El agua de alimentación enfriada sale del canal del evaporador a aproximadamente 28 °C. Las diferencias de temperatura totales entre la entrada y la salida del condensador y entre la entrada y la salida del evaporador son prácticamente iguales. En un módulo PGMD, el canal de permeado está separado del canal del condensador por una superficie de condensación. Esto permite el uso directo de una alimentación de agua salada como refrigerante, ya que no entra en contacto con el permeado. Teniendo esto en cuenta, el agua de refrigeración o de alimentación que entra en el canal del condensador a una temperatura T1 también puede utilizarse para enfriar el permeado. La condensación del vapor tiene lugar dentro del permeado líquido. El agua de alimentación precalentada que se utilizó para enfriar el condensador puede conducirse directamente a una fuente de calor para su calentamiento final, después de salir del condensador a una temperatura T2. Una vez alcanzada la temperatura T3, se dirige al evaporador. El permeado se extrae a la temperatura T5 y la salmuera enfriada se descarga a la temperatura T4.       

Una ventaja del PGMD sobre el DCMD es el uso directo del agua de alimentación como líquido refrigerante dentro del módulo y, por lo tanto, la necesidad de un solo intercambiador de calor para calentar la alimentación antes de que entre al evaporador. De esta manera, se reducen las pérdidas por conducción de calor y se pueden eliminar componentes costosos. Otra ventaja es la separación del permeado del refrigerante. Por lo tanto, no es necesario extraer el permeado posteriormente en el proceso y el flujo másico del refrigerante en el canal del condensador permanece constante. La baja velocidad de flujo del permeado en el espacio de permeado es una desventaja de esta configuración, ya que conduce a una conducción de calor deficiente desde la superficie de la membrana hasta la pared del condensador. Las altas temperaturas en la superficie límite de la membrana del lado del permeado son el resultado de este efecto ( polarización de temperatura ), lo que reduce la diferencia de presión de vapor y, por lo tanto, la fuerza impulsora del proceso. Sin embargo, es beneficioso que las pérdidas por conducción de calor a través de la membrana también se reduzcan gracias a este efecto. Este problema de mala conducción de calor en los espacios se soluciona en gran medida con una variante de PGMD llamada CGMD, o destilación por membrana de espacio conductor, que añade espaciadores térmicamente conductores a los espacios. [ 22 ] [ 23 ] En comparación con AGMD, en PGMD o CGMD se logra una mayor producción de permeado relacionada con la superficie, ya que el flujo másico no se ve inhibido adicionalmente por la resistencia a la difusión de una capa de aire. [ 7 ]

Configuraciones de destilación por membrana

La tabla anterior resume las principales configuraciones de destilación por membrana (DM), destacando sus principios de funcionamiento, ventajas y limitaciones. La elección de una configuración de DM en particular depende de los requisitos específicos de la aplicación, las condiciones de operación y las consideraciones de rentabilidad. Si bien la DMCD es ampliamente utilizada debido a su simplicidad y alta eficiencia de transferencia de vapor, sufre de una pérdida de calor conductiva significativa, lo que reduce la eficiencia energética general. La DMCD con gas de arrastre (AGMD) intenta solucionar esto introduciendo una capa de aire que actúa como aislamiento térmico, a costa de un menor flujo de permeado. La DMCD con vapor (VMD) mejora la transferencia de masa aplicando vacío en el lado del permeado, pero requiere equipos más complejos y un control de vacío preciso. La DMCD con gas de arrastre (SGMD) utiliza un gas de arrastre para eliminar el vapor y controlar la transferencia de calor sin vacío, pero generalmente muestra una menor eficiencia a caudales elevados. La investigación actual se centra en superar desafíos como la humectación de los poros de la membrana y la pérdida de calor por conducción, mediante el desarrollo de materiales de membrana avanzados y configuraciones de procesos híbridos. Estos avances tienen como objetivo aumentar la durabilidad de la membrana, mejorar el rendimiento de separación y reducir el consumo de energía, lo que permite una aplicación industrial más amplia de la destilación por membrana.

[ 24 ]

Destilación por membrana multiefecto al vacío

Las membranas hidrofóbicas (o láminas de PP) están soldadas a ambos lados del bastidor Memsys. Este bastidor está diseñado para combinar y distribuir flujos de vapor, alimentación, gas no condensable y destilado.
En los módulos memsys se sueldan por vibración diferentes números de bastidores memsys (por ejemplo, elevador de vapor, etapa de membrana y condensador). La relación gas-petróleo (GOR) y la capacidad del módulo memsys se pueden modificar fácilmente según la aplicación o las necesidades del cliente.
Diagrama del proceso memsys V-MEMD

El módulo típico de destilación por membrana multiefecto al vacío (por ejemplo, el V-MEMD de la marca memsys) consta de un elevador de vapor, etapas de evaporación-condensación y un condensador. Cada etapa recupera el calor de condensación, lo que proporciona un diseño multiefecto. El destilado se produce en cada etapa de evaporación-condensación y en el condensador. [ 25 ]

Colector de vapor: El calor producido por la fuente de calor externa (por ejemplo, energía solar térmica o calor residual ) se intercambia en el colector de vapor. El agua en el colector de vapor se encuentra a una presión menor (por ejemplo, 400 hPa ) que la presión ambiente. El vapor caliente fluye hacia la primera etapa de evaporación-condensación (etapa 1). 

Etapas de evaporación-condensación: Las etapas están compuestas por marcos alternos de membrana hidrofóbica y lámina (polipropileno, PP). El fluido de alimentación (por ejemplo, agua de mar) se introduce en la etapa 1 del módulo. El fluido fluye secuencialmente a través de las etapas de evaporación-condensación. Al final de la última etapa, se expulsa como salmuera.

Etapa 1: El vapor del evaporador se condensa sobre una lámina de PP a la presión P1 y la temperatura T1. La combinación de la lámina y la membrana hidrofóbica crea un canal para la alimentación, donde esta se calienta por el calor de condensación del vapor proveniente del elevador. La alimentación se evapora bajo la presión negativa P2. El vacío se aplica siempre al lado del permeado de las membranas.

Etapa [2, 3, 4, x]: Este proceso se replica en etapas posteriores y cada etapa se realiza a una presión y temperatura más bajas.

Condensador: El vapor producido en la etapa final de evaporación-condensación se condensa en el condensador, utilizando el flujo del refrigerante (por ejemplo, agua de mar).

Producción de destilado: El destilado condensado se transporta a través de la parte inferior de cada etapa mediante la diferencia de presión entre las etapas.

Diseño del módulo memsys: Dentro de cada bastidor memsys, y entre bastidores, se crean canales. Los bastidores de lámina son los "canales de destilado". Los bastidores de membrana son los "canales de vapor". Entre los bastidores de lámina y membrana se crean "canales de alimentación". El vapor entra en la etapa y fluye hacia bastidores de lámina paralelos. La única opción para el vapor que entra en los bastidores de lámina es condensarse, es decir, el vapor entra en un bastidor de lámina de "extremo ciego". Aunque se denomina bastidor de "extremo ciego", contiene un pequeño canal para eliminar los gases no condensables y aplicar el vacío.

El vapor condensado fluye hacia un canal de destilado. El calor de condensación se transporta a través de la lámina y se convierte inmediatamente en energía de evaporación, generando nuevo vapor en el canal de alimentación de agua de mar. Este canal está delimitado por una lámina condensadora y una membrana. El vapor sale de los canales de la membrana y se recoge en un canal principal. El vapor sale de la etapa a través de este canal y entra en la siguiente. Memsys ha desarrollado una línea de producción altamente automatizada para los módulos, fácilmente ampliable. Dado que el proceso de Memsys funciona a temperaturas moderadamente bajas (menos de 90 °C o 194 °F ) y con una presión negativa moderada, todos los componentes del módulo están fabricados en polipropileno (PP). Esto elimina la corrosión y la incrustación, permitiendo una producción rentable a gran escala.  

Aplicaciones

Las aplicaciones típicas de la destilación por membrana son:

Destilación por membrana alimentada por energía solar

Diseño de planta de un sistema compacto
Diseño de planta de un sistema de dos bucles

La destilación por membrana es muy adecuada para unidades de desalinización compactas alimentadas por energía solar que proporcionan una producción de rango pequeño y mediano inferior a 10 000 litros por día (2600 galones estadounidenses /día) . [ 26 ] Especialmente el diseño de bobinado en espiral patentado por GORE en el año 1985 es adecuado para esta aplicación. Dentro del proyecto MEMDIS, que comenzó en 2003, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE comenzó a desarrollar módulos MD, así como a instalar y analizar dos sistemas operativos diferentes alimentados por energía solar, junto con otros socios del proyecto. El primer tipo de sistema es un llamado sistema compacto, diseñado para producir una producción de agua potable de 100 a 120 litros por día (26 a 32 galones estadounidenses /día) a partir de agua de mar o salobre. El objetivo principal del diseño del sistema es una planta simple, autosuficiente, de bajo mantenimiento y robusta para mercados objetivo en áreas áridas y semiáridas con poca infraestructura. El segundo tipo de sistema es una planta de doble circuito con una capacidad de aproximadamente 2000 litros por día (530 galones estadounidenses por día) . En este caso, el circuito colector está separado del circuito de desalinización por un intercambiador de calor resistente al agua salada. [ 7 ] A partir de estos dos tipos de sistemas, se desarrollaron, instalaron y observaron diversos prototipos.      

La configuración estándar del sistema compacto actual (2011) es capaz de producir hasta 150 litros de destilado al día (40 galones estadounidenses /día) . La energía térmica necesaria la suministra un campo de colectores solares térmicos de 6,5 m² (70 pies cuadrados ) . La energía eléctrica la suministra un módulo fotovoltaico de 75 W. Este tipo de sistema está siendo desarrollado y comercializado por Solar Spring GmbH, una empresa derivada del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar. En el marco del proyecto MEDIRAS, otro proyecto de la UE, se instaló un sistema mejorado de doble circuito en la isla de Gran Canaria. Construido dentro de un contenedor de 6,1 m (20 pies) y equipado con un conjunto de colectores de 225 m² (2420 pies cuadrados ) , un tanque de almacenamiento de calor permite una producción de hasta 3000 litros de destilado al día (790 galones estadounidenses /día) . También se han implementado otras aplicaciones con capacidades de hasta 5.000 litros por día (1.300 galones estadounidenses /día), ya sea alimentadas al 100% por energía solar o como proyectos híbridos en combinación con el calor residual.              

Sistemas ejemplares

Desafíos

El funcionamiento de los sistemas de destilación por membrana se enfrenta a varias barreras importantes que pueden perjudicar su funcionamiento o impedir que sea una opción viable. El principal desafío es la humectación de la membrana, donde la alimentación salina se filtra a través de ella, contaminando el permeado. [ 1 ] Esto se debe especialmente a la obstrucción de la membrana, donde partículas, sales o materia orgánica se depositan en la superficie de la membrana. [ 27 ] Las técnicas para mitigar la obstrucción incluyen la superhidrofobicidad de la membrana, [ 28 ] [ 29 ] el retrolavado con aire para revertir [ 1 ] o prevenir la humectación, [ 30 ] la elección de condiciones de funcionamiento que no provoquen obstrucción, [ 31 ] y el mantenimiento de capas de aire en la superficie de la membrana. [ 30 ]

El principal desafío para que la destilación por membrana sea rentable es la eficiencia energética. Los sistemas comerciales no han alcanzado un consumo energético competitivo en comparación con las principales tecnologías térmicas, como la destilación de múltiple efecto , aunque algunos se han acercado, [ 32 ] y la investigación ha demostrado un potencial para mejoras significativas en la eficiencia energética. [ 22 ]

Referencias

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