Introducción La destilación por membrana es un proceso de separación en el que la separación es térmicamente impulsada por el cambio de fase. Una membrana hidrófoba presenta una barrera para la fase líquida, lo que permite que la fase de vapor (por ejemplo, vapor de agua) pase a través de los poros de la membrana. La fuerza impulsora del proceso es una diferencia de presión de vapor parcial comúnmente provocada por una diferencia de temperatura.

Fundamento de destilación por membrana La destilación por membrana es una tecnología adecuada para procesos de separación en los que el agua es el componente principal de la solución de alimentación. La mayoría de procesos se basan en la diferencia de presión estática como fuerza motriz entre las dos superficies limítrofes, o una diferencia en la concentración, o un campo eléctrico.

La diferencia de presión parcial es el resultado de una diferencia de temperatura entre las dos superficies limítrofes. La membrana está cargada con un flujo de alimentación caliente en un lado y un flujo de pereado enfriado en el otro lado. La diferencia de temperatura a través de la membrana, generalmente entre 5 y 20 K, deriva en una diferencia de presión parcial que asegura que el vapor que se desarrolla en la superficie de la membrana sigue la caída de presión, penetra a través de los poros y se condensa en el lado más frío. Durante el proceso, no se permite la infiltración de moléculas líquidas debido a la hidrofobicidad de la membrana, y solo las moléculas de vapor de agua pueden atravesar las paredes de la membrana. Estas membranas están hechas de material sintético hidrófobo (por ejemplo, PTFE, PVDF o PP) y ofrecen poros con un diámetro estándar entre 0.1 y 0.5 μm. El agua ofrece buenas características de dipolo, mientras que el tejido de la membrana no es polar, por lo tanto el líquido no moja el material de la membrana.

El proceso se basa en que un fluido de condensación (generalmente agua pura) más frío que la corriente de alimentación fluye a través del lado de permeado de la membrana por medio de una bomba de circulación. En ese momento, el componente volátil (agua o compuestos orgánicos volátiles) se evapora en la interfaz líquido/vapor caliente, pasa a través de los poros y se condensa en el líquido de condensación dentro de la celda de destilación por membrana. Este proceso se conoce como destilación de membrana por contacto directo que será explicado con más detalle en el apartado de técnicas.

Técnicas de destilación por membrana Existen diferentes técnicas de destilación por membrana, las cuales se diferencian principalmente por la disposición de su canal de destilado o la forma en que se opera este canal. Las tecnologías más comunes son las siguientes:

Contacto directo La destilación por membrana por contacto directo, como se ha comentado anteriormente, es una técnica en la cual ambos lados de la membrana se cargan con agua de alimentación líquida caliente en el lado de 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. La transferencia de masa en contacto directo se puede describir como una secuencia de tres fases:

Formación de un espacio de vapor en la interfaz de la solución caliente Transporte de la fase vapor a través de los poros de la membrana Su condensación en la interfaz membrana-solución del lado frío.

A continuación se detalla más detalladamente el proceso: El refrigerante ingresa al canal del condensador a una temperatura de 20 °C . Después de 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 enfriamiento a través de la superficie de la membrana. Debido al transporte de masa a través de la membrana, el flujo de masa en el evaporador disminuye mientras que el canal del condensador aumenta en la misma cantidad. El flujo másico de refrigerante precalentado sale del canal del condensador a una temperatura de aproximadamente 72 °C y entra en un intercambiador de calor, precalentando así el agua de alimentación. Esta agua de alimentación se envía luego a una fuente de calor adicional y finalmente ingresa al canal del evaporador del módulo de destilación por membrana a una temperatura de 80 °C. El proceso de evaporación extrae el calor latente del flujo de alimentación, que enfría la alimentación cada vez más en la dirección del flujo. Se produce una reducción adicional del 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 total entre la entrada del condensador y la salida del evaporador y la entrada del condensador y la salida del evaporador son aproximadamente iguales.

Dado que la membrana es la única barrera que limita el transporte de masa, pueden ser producidos altos flujos de permeado con relación a la superficie. Por otro lado, una desventaja es la alta pérdida de calor sensible ya que las propiedades aislantes de una única capa de membrana son bajas. Esto reduce la eficiencia del proceso.

En este proceso, el enfriamiento a través de la membrana es proporcionado por 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 auto caudal de alimentación debe optimizarse cuidadosamente.

Air-gap La configuración con espacio de aire es la técnica más versátil ya que solo la solución de alimentación está en contacto directo con la membrana. Un espacio de aire separa la membrana hidrófoba de una superficie de condensación fría, por lo tanto el vapor que pasa a través de la membrana debe superar adicionalmente este espacio de aire antes de condensarse en la superficie más fría. Además, el permeado se condensa en una superficie enfriada en lugar de directamente en el permeado enfriado, lo que proporciona la principal ventaja frente a las otras configuraciones. 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 masivo, lo que reduce la salida de permeado relacionado con la superficie en comparación con el método de contacto directo. Otra ventaja es que los volátiles, las sustancias con baja tensión superficial como el alcohol u otros disolventes pueden separarse de las soluciones diluidas debido a que no hay contacto entre el líquido permeado y la membrana.

En este tipo de técnica, se pueden incluir superficies de condensación hidrófobas para mejorar el flujo y la eficiencia energética.

Sweeping-gas Esta configuración de gas de barrido es también conocida como extracción por aire. Como el propio nombre indica, se utiliza un gas inerte para barrer el vapor en el lado de la membrana de permeado para condensarlo fuera del módulo de membrana. Como en la configuración de air-gap, hay una barrera de gas para reducir la pérdida de calor. La diferencia es que el sistema no es estacionario, lo que mejora el coeficiente de transferencia de masa. Al igual que en la configuración air-gap, se pueden destilar sustancias volátiles con una tensión superficial baja. La principal desventaja de la configuración de gas de barrido es la necesidad de una mayor capacidad del consensador ya que un pequeño volumen de permeado se difunde en un gran volumen de gas de barrido.

Empleo de vacío La destilación por membrana empleando vacío es un proceso de evaporación que separa físicamente la alimentación líquida acuosa del permeado de vapor manteniendo vacío. El transporte de vapor a través de la membrana se facilita mediante una presión baja en el lado del permeado, por lo tanto el vapor se succiona fuera del canal de permeado y se condensa fuera del módulo como con la configuración de sweeping-gas. Estas dos configuraciones 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.

La ventaja de esta configuración es una superficie activa de membrana efectiva más grande dado que los gases inertes no disueltos que bloquean los poros de la membrana son succionados por el vacío. Además, se puede obtener una cantidad comparable de producto a temperaturas y diferencias de temperatura más bajas a través de la membrana reduciendo el punto de ebullición. Esto significa una reducción de la demanda de energía térmica. Sin embargo, la demanda de energía es mucho mayor que con una configuración de contacto directo o air-gap.

Permeate-gap En comparación con la técnica de contacto directo, en el módulo permeate-gap 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 alimentación que entra en el canal del condensador a una temperature T1 ahora también se puede utilizar para enfriar el permeado. La condensación de vapor tiene lugar dentro del permeado líquido. El agua de alimentación precalentada que se utilizó para enfriar el condensador se puede conducir directamente a una fuente de calor para el calentamiento final, después de que el condensador llegue a una temperature T2. Una vez que se ha alcanzado la temperatura T3, se conduce al evaporador. El permeado se extrae a la temperatura T5 y la salmuera enfriada se descarga a la temperatura T4.

Ventajas de este método sobre el método de contacto directo es el uso directo de 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 ingresar al evaporador. De este modo se reducen las pérdidas por conducción de calor. Otra ventaja es la separación del permeado del refrigerante. Por lo tanto, no es necesario extraer el permeado más adelante 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 mala conducción del calor desde la superficie de la membrana hasta las paredes del condensador. Las altas temperaturas en la superficie delimitadora de la membrana del lado del permeado son el resultado de este efecto (polarización de la temperatura), 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 por este efecto. Este problema de conducción de calor de brecha deficiente se elimina en gran medida con una variante llamada destilación de membrana de brecha conductora, que agrega espaciadores térmicamente conductores a las brechas.

En comparación con la técnica air-gap, en permeate-gap se logra una mayor salida de permeado relacionado con la superficie, ya que el flujo másico no se inhibe adicionalmente por la resistencia a la difusión de una capa de aire.

Características de destilación por membrana

LEP (Presión de Entrada del Líquido) La presión de entrada del líquido de una membrana hidrofóbica es la presión que se debe aplicar a una membrana en seco para que el líquido penetre en la membrana. El LEP con la aplicación en la destilación o per-vaporación de membranas se puede calcular como un primer parámetro para indicar cuánto se puede humedecer una membrana hacia diferentes soluciones líquidas.