planta de nanofiltración

Qué es la nanofiltración?

Antecedentes de la nanofiltración

Antes de ver qué es la nanofiltración propiamente dicha, primero debemos dar una mirada a sus antecedentes y como se desarrolló este proceso de filtración.

El estallido de la filtración y la actividad relacionada con la filtración que siguió al desarrollo del proceso de inversión de fase para la fabricación de membranas poliméricas, a principios de la década de 1960, condujo al establecimiento de tres procesos de separación de membranas: ósmosis inversa, ultrafiltración y, más recientemente, microfiltración.

Estos procesos llevaron el espectro de separación desde el límite de punto de corte tradicional de filtración estándar de alrededor de 0.01 mm (10 μm) a los sólidos distintos más finos, de unos pocos nanómetros de tamaño, y permitieron la separación de moléculas grandes de la solución.

Los rangos de tamaño real varían de una fuente a otra, pero existe un acuerdo general de que la microfiltración cubre el rango de 10 μm a 0.1 μm, mientras que la ultrafiltración cubre 0.1 μm a 0. 005 μm (5 nm) en términos de partículas discretas o cifras de corte de peso molecular (MWCO) de 300,000 a alrededor de 300 Daltons para materiales disueltos.

La ósmosis inversa, por supuesto, fue diseñada para retener la muy pequeña molécula de cloruro de sodio, lo que significaba pasar nada más que agua.

Estos rangos de tamaño previstos en realidad todavía dejaron un vacío en su cobertura en el extremo inferior para la ultrafiltración (alrededor de 100 a 300 Daltons).

El desarrollo de la membrana fue bastante rápido durante los años setenta y ochenta, lo que condujo a un proceso de membrana, que recibió el nombre de “nanofiltración” a finales de los años ochenta.

En este sentido, entonces, la nanofiltración es un desarrollo bastante reciente en el rango de procesos de separación de membrana, que abarca el extremo superior (en términos de tamaño de separación) de ósmosis inversa y el extremo inferior de la ultrafiltración, cubriendo valores de MWCO de 100 a 1000 Daltons. Se trata de materiales que se disuelven en un líquido y no de partículas distintas suspendidas en el líquido.

La separación entre el soluto y el solvente ocurre por difusión de las moléculas del solvente a través de la masa del material de la membrana, impulsada principalmente por una alta presión transmembrana, y no a través de ningún agujero físico (poro) en la membrana.

Algunas de las moléculas de soluto también pueden difundirse a través de la membrana, ya sea por la intención del diseñador del proceso, o porque el soluto tiene un coeficiente de difusión finito (aunque muy pequeño) en el material de la membrana.

La principal diferencia entre la nanofiltración y la ósmosis inversa es que esta última retiene sales monovalentes (como el cloruro de sodio), mientras que la nanofiltración les permite pasar y luego retiene sales divalentes como el sulfato de sodio.

Cómo se ha desarrollado la nanofiltración

Los párrafos anteriores han descrito los orígenes y la naturaleza del proceso generalmente aceptado llamado nanofiltración, que es una separación de fase líquida que elimina los sólidos disueltos, realizada por medio de membranas, con una presión transmembrana relativamente alta.

Sin embargo, el progreso de gran parte del negocio de la filtración está siendo impulsado por demandas de puntos de corte cada vez más finos, tanto en la filtración de líquidos como de gas, y estas demandas ahora se satisfacen mediante el uso de fibras correspondientemente más finas para fabricar los medios de filtración.

Cada vez más, estas fibras tienen diámetros de significativamente menos de un micrómetro y, por lo tanto, se miden en nanómetros y se conocen comúnmente como nanofibras. Estas se utilizan para hacer medios de filtro compuestos, con una red de nanofibras soportadas en un sustrato más grueso.

La filtración muy fina que se puede lograr con estos nano medios está llevando el proceso de separación que es efectivamente microfiltración a puntos de corte mucho más bajos.

Los materiales también se denominan membranas, aunque tienen un formato muy diferente de la lámina de plástico semipermeable que todavía se piensa más comúnmente cuando se mencionan las membranas.

Es digno de notar que, en el 10 º Congreso Mundial de filtración (en 2007), de un total de casi 250 documentos separados y 85 presentaciones de carteles, hubo 12 que nanofiltración ofrecido, y 14 en relación con nanofibras como medios filtrantes.

Si bien se espera que los dos sistemas (nanofiltración y filtración con nanofibras) sean lo suficientemente diferentes como para evitar su confusión, ambos están cubiertos en el resto de este artículo.

Vale la pena señalar que el término “nanotecnología” ahora se usa ampliamente, refiriéndose a toda una gama de actividades científicas, de ingeniería y fabricación que involucran cosas muy pequeñas.

Lamentablemente, el término ha entrado en la conciencia pública con un componente de “miedo a lo desconocido” adjunto.
Esto no concierne a la nanofiltración, ya que los medios involucrados en ella son en su mayoría continuos e indistinguibles de las membranas de ósmosis inversa o ultrafiltración.

Sin embargo, sí se refiere a la producción y uso de nanofibras, y los fabricantes y usuarios de nanofibras tendrán que tener cuidado de no aumentar la preocupación.

Nanofiltración – El proceso

El proceso de separación de membrana conocido como nanofiltración es esencialmente una fase líquida, porque separa una gama de sustancias inorgánicas y orgánicas de la solución en un líquido, principalmente, pero no del todo, agua.

Esto se hace por difusión a través de una membrana, bajo diferenciales de presión que son considerablemente menores que los de la ósmosis inversa, pero aún significativamente mayores que los de la ultrafiltración.

Fue el desarrollo de una membrana compuesta de película delgada que dio el ímpetu real a la nanofiltración como un proceso reconocido, y su notable crecimiento desde entonces se debe en gran medida a su capacidad única de separar y fraccionar especies orgánicas iónicas y de peso molecular relativamente bajo.

Las membranas son clave para el rendimiento de los sistemas de nanofiltración. Se producen en forma de placa y marco, enrollado en espiral, tubular, capilar y fibra hueca, a partir de una variedad de materiales, incluidos derivados de celulosa y polímeros sintéticos, a partir de materiales inorgánicos, cerámica especialmente y de híbridos orgánicos / inorgánicos.

Los desarrollos recientes de membranas para nanofiltración han ampliado enormemente sus capacidades en entornos de pH muy alto o bajo, y en su aplicación a líquidos no acuosos.

Los medios plásticos están altamente reticulados, para brindar estabilidad a largo plazo y una vida útil práctica en entornos más agresivos.

Las membranas de NF tienden a tener una superficie ligeramente cargada, con una carga negativa a pH neutro. Esta carga superficial juega un papel importante en el mecanismo de transporte y las propiedades de separación de la membrana.

Al igual que con cualquier otro proceso de membrana, la nanofiltración es susceptible al ensuciamiento y, por lo tanto, los sistemas de nanofiltración deben diseñarse para minimizar su probabilidad.

Esto se consigue con un pretratamiento adecuado, con el material de membrana adecuado, con velocidades de flujo cruzado adecuadas para limpiar la superficie de la membrana libre de limo acumulado , y mediante el uso de soportes de membrana giratorios o vibrantes.

Aplicaciones

Las aplicaciones industriales de la nanofiltración son bastante comunes en el sector alimentario y lácteo, en el procesamiento químico, en la industria de la pulpa y el papel, y en los textiles, aunque la aplicación principal sigue siendo el tratamiento de aguas frescas, de proceso y residuales.

En el tratamiento del agua, la nanofiltración encuentra uso en el pulido al final de los procesos convencionales. No se puede utilizar para la desalinización del agua, pero es un medio eficaz para ablandar el agua, ya que los principales productos químicos de dureza son divalentes.

A primera vista, la NF no parece tener mucho lugar en los procesos de membranas, porque los diferenciales de presión transmembrana más altos necesarios para NF no están disponibles en la mayoría de los sistemas de biorreactores, pero hay algunos usos especializados para membranas en los que la nanofiltración está encontrando un lugar.

Las membranas de nanofiltración también se usan para la eliminación de materia orgánica natural del agua, especialmente sabores, olores y colores, y en la eliminación de trazas de herbicidas de grandes flujos de agua. También se pueden usar para eliminar cantidades residuales de desinfectantes en el agua potable.

Las aplicaciones de la industria alimentaria son bastante numerosas. En el sector lácteo, la NF se usa para concentrar el suero, y penetra en otros tratamientos de suero, y en el reciclaje de soluciones de limpieza en el lugar.

En el procesamiento del azúcar, la NF concentra el jarabe de dextrosa y el jugo de azúcar fino, mientras que las salmueras de intercambio iónico se desmineralizan.

También se utiliza para desgomar soluciones en el sector de procesamiento de aceite comestible, para la producción continua de queso y en la producción de edulcorantes alternativos.

Probablemente hay tantas aplicaciones diferentes en todo el sector químico (incluidos los productos petroquímicos y farmacéuticos) como en el resto de la industria en su conjunto.

Muchos más aún están en la etapa conceptual que en el uso de la planta, pero la  NF es un contribuyente valioso para la totalidad de la industria química.

La producción de sal a partir de salmueras naturales utiliza NF como un proceso de purificación, mientras que la mayoría de los procesos químicos producen desechos bastante viciosos, de los cuales generalmente se pueden recuperar productos químicos valiosos mediante procesos que incluyen NF.

El alto valor de muchos de los productos de los sectores farmacéutico y biotécnico permite el uso de NF en sus procesos de purificación.

La industria de la pulpa de papel utiliza una gran cantidad de agua en sus procesos de producción, una cantidad que la industria se esfuerza por reducir, principalmente al “cerrar el ciclo del agua”, un sistema en el que las propiedades de purificación de NF tienen un papel importante.

Todas estas aplicaciones mencionadas específicamente se han basado en agua, pero la nanofiltración no se limita al tratamiento de suspensiones acuosas.

De hecho, una de las plantas de nanofiltración más grandes se instaló en una refinería de petróleo para el desparafinado de aceites.

En sistemas acuosos, la nanofiltración utiliza materiales poliméricos hidrófilos, como poliétersulfona, poliamidas y derivados de celulosa.

Estos materiales, en contacto con disolventes orgánicos, pierden rápidamente su estabilidad. Por lo tanto, se han desarrollado membranas especiales para proporcionar el mismo tipo de rendimiento que en los sistemas acuosos, y ahora se usan para el intercambio de solventes, la recuperación y separación de solventes, para la recuperación de catalizadores y para la remoción de metales pesados.

Medios de nanofibras

Los materiales sintéticos, tanto orgánicos como inorgánicos, que actualmente se hilan desde el estado fundido a fibras cada vez más finas, no son diferentes de los materiales que se han utilizado durante décadas para este propósito (excepto por la gama cada vez más amplia de polímeros termoplásticos que son disponible).
Lo que ha cambiado ha sido el equipamiento que permite producir una amplia gama de diámetros de fibra.
Comenzando hace más de 40 años con medios unidos por hilatura, cuyo diámetro de fibra era de 10 μm o más, la lista abarca desde hilatura instantánea y fundido (a poco más de 1 μm), hasta materiales electrohilados, que se acercan a 100 nm en capacidad de diámetro de fibra.
Cada uno de estos materiales se puede producir como una matriz aleatoria de fibras como una banda, que, en sí misma, es un medio filtrante muy bueno, siempre que esté adecuadamente soportado sobre un sustrato más fuerte.
Las técnicas de hilado fino han demostrado ser aptas para la producción de carbono y fibras cerámicas, y obviamente van a resultar en un segmento importante del negocio de los medios filtrantes, especialmente para la filtración de aire.
Debido a que estos medios son capaces de eliminar contaminantes por debajo de 0.1 μm, serán contados como membranas, y ciertamente conocidos como nanomembranas.

Lectura Obligatoria!!!
La microfiltración (MF) y la ultrafiltración (UF) son procesos mediante los…