Procesos de separación por velocidad

1. Procesos de separación por velocidad

El principal objetivo de los procesos de separación por velocidad es purificar una solución, y hoy en día es muy frecuente en las industrias, ya que es necesario para separar componentes de una mezcla en fracciones individuales. Para hacer esto posibles se debe causar un transporte diferencial de las especies tal que la mezcla pura pueda ser recogida.

La separación por medio de membranas es una nueva técnica de separación de fluidos, se basa en la separación de dos fases fluidas (liquidos, gases o solido-gas) completamente miscibles que se hacen pasar a través de una nueva membrana semipermeable a uno de los componentes, la cual regula la velocidad de transporte, en otras palabras, hace que uno de los componentes pase a través de la membrana separándose del otro. La membrana funciona no solo en función del tamaño de la partícula, sino como una pared de separación selectiva.

Existen diversos procesos con membranas, que dependen del tipo de sistema fluido que se requiera separar, algunos ejemplos de ellos son:

• Osmosis inversa
• Ultrafiltración
• Diálisis y electrodiálisis
• Permeación de gas
• Microfiltración
• Etc.

Las moléculas más pequeñas pasan con mayor facilidad a través de los poros de una membrana. Como resultado, si se utiliza una fuerza motriz para “empujar” las moléculas a través de la membrana, las moléculas más pequeñas se separan selectivamente. (Foust & Wenzel, 2006, pág. 32)

A la parte del líquido que atraviesa la membrana se le denomina “permeado” o “filtrado”, mientras que la fracción que no atraviesa la membrana se denomina “retenido” o “concentrado”.

Algunas de las razones por las que se quieren separar las sustancias son la necesidad de:

• Obtener materiales puros para aplicaciones en ingeniería
• Obtener materiales puros para su procesamiento
• Remover toxinas o compuestos inactivos de una solución
• Necesidad de muestras ultrapuras como referencia
• Análisis de componentes de una mezcla (ADN)
• Separación de materia prima en sus componentes (petróleo)

1. Clasificación de los procesos de separación por velocidad

1. Osmosis inversa

La ósmosis inversa (RO, de reverse osmosis) es un proceso que se usa con frecuencia para purificar y desalar agua. El agua líquida se introduce a presión y atraviesa una membrana no porosa, en dirección contraria a la de ósmosis. La mayor parte de las sales y de las moléculas sin carga son retenidas por la membrana. Así, el permeado es un agua mucho más pura y el retentado se vuelve bastante más concentrado. Las membranas de uso frecuente son: 1) una formulación de acetato y triacetato de celulosa, 2) poliamidas aromáticas (aramidas) y 3) poliamidas aromáticas de enlace cruzado (Eykamp, 1997). En la ósmosis inversa se usan módulos de fibra hueca y de membrana en espiral. Como los tubos delgados resisten grandes presiones de compresión, en los sistemas de fibra hueca se acostumbra a tener la alta presión en el lado de la envolvente (fuera de las fibras).

En un sistema de ósmosis inversa, se requiere, en el caso normal, un tratamiento previo para eliminar todas las partículas que puedan obstruir la membrana. Si hay iones o solutos en solución, que tengan poca solubilidad, en el diseño debe haber un cálculo de solubilidad para determinar si van a precipitar sobre la membrana cuando se concentre el retentado. Si es probable que haya precipitación, esos iones o solutos deben eliminarse o convertirse en más solubles para evitar que precipiten. Un esquema de un sistema sencillo de ósmosis inversa, donde aparece el equipo auxiliar más importante se ve en la figura En la práctica, los sistemas en gran escala pueden tener cientos de módulos de membrana conectados tanto en serie como en paralelo.

En la ósmosis inversa se empuja el solvente para que salga de la solución concentrada y entra a la solución diluida por eso se necesita energía para concentrar el retentado como la ósmosis inversa invierte la dirección natural de flujo en forma inherente es un proceso de desequilibrio. (Wankat, Ingenieria de procesos de separacion, 2008)

[pic 1]

Esquema de osmosis inversa. (Wankat, Ingenieria de procesos de separacion, 2008)

Cuando las moléculas a separar son muy pequeñas, de peso molecular menor de 2.000 a 3.000, la presión osmótica de la disolución es significativa y no puede despreciarse frente a la aplicada. El fenómeno de separación se conoce como ósmosis inversa. Los tamaños de las partículas a separar pueden ser del mismo orden de magnitud, debiendo la presión aplicada superar la osmótica, por lo que suelen emplearse presiones de 20 a 100 bares.[pic 2]

1. Ultrafiltración  

Es un método de separación por membrana utilizado para purificar líquidos. Al igual que la osmosis inversa la ultrafiltración es impulsada por la presión, y la membrana es selectiva para el disolvente; donde separa principalmente por exclusión de tamaño de solutos. La ultrafiltración retiene partículas de tamaño semicónico mediante membranas ultra micro porosas. Normalmente, la ultrafiltración retiene solutos en el rango de 300-500.000 pesos moleculares, incluyendo biomoléculas, polímeros, azúcares y partículas coloidales.

Las membranas de ultrafiltración se caracterizan por un corte de peso molecular nominal (MWCO), definido como el peso molecular de soluto globular más pequeño para el que la membrana tiene al menos un 90% de rechazo (σ≥0,9), y la mayoría de los materiales comerciales operan en el rango de 1.000 ≤ MWCO ≤ 100.000. El rechazo, σ, se define en términos de las concentraciones de soluto, a ambos lados de la membrana (es decir, el retentado, R, y el permeado, P). (Seader & Henley, 2006, pág. 531)

[pic 3]

Procesos de membrana. En “Planta piloto de Fermentaciones” por Sergio Huerta Ochoa, pg 5.

Es el proceso capaz de fraccionar, separar y concentrar sustancias sin que éstas sufran cambios de fase, en el cual se utiliza una membrana semipermeable con poros de tamaño definido, que determina el tamaño de las partículas que pasarán a través de ella. Debido a que la membrana utilizada es semipermeable, es necesaria la presencia de una presión (entre 4 a 8 atm) que auxilie a las partículas a fluir a través de esta.

...