IntroduccinLa separacin de mezclas qumicas se conoci aun antes que la qumica como tal, cuando se trabajaba en la extraccin de metales, en la obtencin de aromas de flores, en destilacin de todo tipo de licores, en ese entonces era un arte, ahora se ha convertido en el quehacer diario de ingenieros qumicos y de procesos en una ciencia como tal. Aunque la etapa de reaccin es el corazn de los procesos industriales de acuerdo a los costos los procesos de separacin tienen un rol ms importante, adems que aunque es posible encontrar industrias qumicas que no incluyan una reaccin qumica, no lo es encontrar una industria qumica en la cual no se trabaje con procesos de separacin (ya sea en la etapa de pre-tratamiento o en la etapa de purificacin de un producto deseado) por esta razn se han desarrollado y perfeccionado diferentes tipos de estos.Ahora, la mira est en desarrollar procesos de separacin con membranas, las cuales permitan el paso de uno o varios componentes a travs de ellas y restrinjan el paso de otros, por qu llaman tanto la atencin? porque el mismo cuerpo humano no vivira sin los riones que son una membrana y funcionan a la perfeccin. Las ventajas de las membranas son los reducidos costos de operacin, el poco espacio que ocupan reduciendo los tan mencionados riesgos y la alta selectividad que pueden manejar (tambin funcionan a contra gradiente)Las separaciones por medio de membranas se estn volviendo cada vez ms importantes en las industrias de proceso. En esta operacin unitaria relativamente nueva, la membrana acta como barrera semipermeable y la separacin ocurre porque la membrana controla la cantidad de movimiento de varias molculas entre dos fases lquidas, dos fases gaseosas o una fase lquida y una gaseosa. Las dos fases fluidas suelen ser miscibles y la barrera de la membrana impide el flujo hidrodinmico normal.

PermeacinEl funcionamiento de una membrana cualquiera se puede comparar al de un filtro: es una barrera que deja pasar ciertos compuestos (permeado), mientras retiene otros (residuo). Las membranas se clasifican por su naturaleza en dos tipos: inorgnicas y orgnicas o polimricas. Las membranas inorgnicas pueden ser metlicas o cermicas. Las de tipo orgnico son las ms utilizadas y se dividen por su estructura en porosas y densas o no porosas. Las membranas porosas efectan una separacin basada en el tamao y distribucin de los poros. Las membranas densas se consideran membranas no porosas o no defectuosas ya que el tamao de poro es extremadamente pequeo y sus propiedades de separacin dependern mucho de las interacciones de la matriz polimrica y el componente a separar.La Permeacin consiste en un flujo volumtrico ocasionado por una diferencia de presin (). El flujo es directamente proporcional al espesor de la vlvula (espesor de la membrana, pared porosa o longitud del capilar) e inversamente proporcional al rea transversal de la membrana S.Este responde a la Ley de Darcy; esuna relacin proporcional simple entre la tarifa instantnea dela descarga con un medio poroso, la viscosidad del lquido y el excedente de la gota depresin una distancia dada. Demuestra que la velocidad media del flujo es directamente proporcional a la fuerza impulsora es inverso al espesor de la membrana.Descripcin Emprica:

a= Coeficiente de proporcionalidad permeabilidad.Para moderados, depende de las variables de estado temperatura, composicin y presin promedio del sistema. Es siempre positiva, la materia fluye siempre de la mayor a la menor presin. Este es un fenmeno directo o sea ocasionado por la fuerza impulsora conjugada.Descripcin Termodinmica:

Mecanismo de permeacin:Mecanismo de Adsorcin- Difusin:La permeacin implica: Absorcin de molculas del producto qumico en la superficie de contacto (externa) del material; Difusin de las molculas absorbidas en el material; Desorcin de las molculas por la superficie opuesta (interna) del material.

Una membrana se puede considerar como una pelcula o barrera permeable selectiva entre dos fluidos, que permite la transferencia de los componentes deseados desde un fluido hacia el otro y evita el paso de otros componentes. Este transporte de componentes se debe a gradientes de concentracin, presin, temperatura o potencial elctrico

Tipos de membranas para la separacin de gases.1. Tipos de membranas simtricas de fase densa. Las primeras membranas eran de uso limitado debido a su baja selectividad para separar dos gases y a los flujos de permeacin muy bajos. Este problema de bajo flujo se deba al hecho de que las membranas eran relativamente gruesas (1 mil o 1/1000 de pulgada o mayores) para evitar los diminutos hoyos que reducan la separacin permitiendo el flujo viscoso o de Knudsen de la alimentacin. El desarrollo de polmeros de silicn (de 1 mil de grosor) aumento la permeabilidad por factores de 10 a 20, aproximadamente, se les llama membranas simtrica de fase densa.

2. Tipos de membranas asimtricas. Algunas membranas asimtricas modernas incluyen una piel muy delgada pero densa de un lado de la membrana sostenida por una subestructura porosa (R1). La piel densa tiene un espesor de cerca de 1000 y el soporte poroso lo tiene de cerca de 25 a 100 m. El aumento de flujo estas membranas es miles de veces mayor que el de las membranas originales de 1mil de ancho. Algunos materiales comunes de las membranas asimtricas son una combinacin de polisulfona recubierta con caucho de silicn, acetato de celulosa y acetatos modificados de celulosa, poliamidas aromticas o polimidas aromticas y copolimeros de silicn-policarbonato en un soporte poroso.

Membrana de Acetato de Celulosa

Tipos de equipos para los procesos con membrana para permeacin de gases.Las membranas pueden fabricarse en forma de hojas planas, tubulares, espirales, capilares o como fibras huecas y ser acomodadas en dispositivos llamados mdulos confiriendo a las membranas reas especificas (relacin entre el rea de la membrana y el volumen ocupado por el modulo) diferentes. Este es un criterio importante en la aplicacin de la permeacin de vapor a escala industrial. Las configuraciones ms usadas en son las de tipo fibra hueca, capilares y espirales. Los mdulos de fibras huecas y los capilares presentan altos coeficientes globales de transferencia de materia debido a su gran rea superficial, lo cual incrementa el flux de permeado.1. Membranas planas. Se usan principalmente de forma experimental para caracterizar la permeabilidad de la membrana. Los mdulos son fciles de fabricar y usar y las reas de las membranas estn definidas. En algunos casos los mdulos se apilan juntos como una multicapa o como un filtro prensa de plato y marco. El principal inconveniente de este tipo de membrana es que el rea de membrana por volumen separador unitario es muy pequea. Se usan pquelas membranas planas comerciales para producir enriquecido con oxigeno para aplicaciones medicas individuales.2. Membranas enrolladas en espiral. Esta configuracin conserva la sencillez de fabricacin de las membranas planas pero aumenta marcadamente el rea de membrana por volumen de separador unitario hasta ms de 100 pies2/pie3 (328m2/m3) y al mismo tiempo disminuyen las cadas de presin. El ensamble es una superposicin de cuatro hojas envueltas alrededor de un centro formado por un tubo colector perforado. Las cuatro hojas constan de una hoja superior que es una rejilla separadora abierta para el canal de alimentacin, una membrana, un refuerzo de fieltro poroso para el canal de la sustancia permeada y otra membrana, como se muestra en la figura. El elemento enrollado en espiral mide de 100 a 200 mm de dimetro y de 1 a 1.5 m de largo en la direccin axial. Las hojas planas antes de enrollarse miden aproximadamente 1 a 1.5 m por 2 a 2.5 m. El espacio entre las membranas (rejilla abierta para la alimentacin) es de aproximadamente 1mm y el grosor del refuerzo poroso (para la sustancia permeada) es de alrededor de 0.2 mm.El elemento enrollado en espiral completo se localiza dentro de una envoltura metlica. El gas de alimentacin entra por el extremo izquierdo de la envoltura al canal de alimentacin y fluye por l en sentido axial de la espiral hacia el extremo derecho del dispositivo. Luego el gas residual sale de la envoltura en ese punto. La corriente del canal de alimentacin se permea perpendicularmente a travs de la membrana. Esta sustancia permeada fluye luego a travs del canal en una direccin perpendicular a la corriente de alimentacin hacia el tubo colector perforado, donde sale del aparato por un extremo. En la segunda figura se muestran las trayectorias del flujo de gas local para un pequeo elemento del dispositivo.

3. Membranas de fibras huecas. Estas membranas tienen forma de fibras huecas de dimetro diminuto. El dimetro inferior de estas fibras es de 100 a 500 m y exterior de 200 a 1000 m, con una longitud de 3 a 5 m. El modulo se parece a un intercambiador de calor de coraza y tubos. Miles de finos tubos estn unidos en los extremos y forman una hoja de tubos rodeada de una envoltura metlica, con dimetro de 0.1 a 0.2 m, de modo que el rea de la membrana por volumen unitario es de ms de 10000 m2/m3, como se muestra en la figura. Un permeador industrial tpico a gran escala tiene fibras de 200m DI y 400m DE en una coraza de 6 pulg. de dimetro y 10 pies de largo.Comnmente, la alimentacin a alta presin entra por el lado de la envoltura por un extremo y sale por el otro. Las fibras huecas estn cerradas por un extremo de los manojos de tubos. El gas permeado dentro de las fibras fluye a contracorriente respecto al flujo del lado de la envoltura y se colecta en una cmara donde terminan los extremos abiertos de las fibras. Despus, la sustancia permeada sale del dispositivo.En algunas operaciones a presin baja, como la separacin de aire para producir nitrgeno, la alimentacin entra por el interior de los tubos.

Permeabilmetro de gases por presin diferencial.El medidor de permeabilidad emplea el mtodo de presin diferencial y mide la permeabilidad de los gases gracias a un detector de alta resolucin. Se emplea para medir la tasa de permeabilidad de gases y propiedades de barrera en materiales como pelculas plsticas de BOPP, laminados, planchas de caucho y otros materiales permeables.La probeta se coloca en una celda de transmisin de gas de modo que forma una semi-barrera entre las dos cmaras. Una cmara contiene el gas de prueba a una determinada elevada presin y la otra cmara tiene una menor presin, la cual recibe el gas de permeacin.

Aplicaciones de PermeacinEn el ao 2000, la permeacin de vapor represento dos tercios del mercado total de la separacin de gases especficamente del nitrgeno del aire, la deshidratacin del aire y la separacin del hidrogeno del amoniaco. A inicios del presente siglo, los procesos de membrana ya se consideraban prometedores para recuperar especies de alto valor agregado diluidas en agua o en aire y ya se consideraban procesos aptos para el tratamiento y reciclado de compuestos COV y para la prevencin de la contaminacin.Las investigaciones llevadas a cabo en las ltimas dos dcadas respecto a la separacin de mezclas orgnicas puras han hecho que la industria petroqumica voltee la mirada hacia los procesos de permeacin de vapor para eliminar los compuestos aromticos de la gasolina, uno de los retos ambientales mas recientes. A nivel planta piloto Bhaumik y col. desarrollaron un prototipo de modulo de fibras huecas para recuperar el metanol y el tolueno emitidos en una industria farmacutica.El mdulo propuesto tena una superficie de transferencia de 2537 cm2 con el cual se recuperaron entre 97 y 98% de los solventes emanados en las lneas de venteo del proceso.A nivel industrial ha sido la industria petroqumica una de las principales interesadas en el desarrollo de los procesos de membrana. Existen reportes de la recuperacin de monmeros, como el propileno, el etileno y el cloruro de vinilo, durante la fabricacin de polmeros con eficiencias de proceso de hasta 99 %, evitando as la emisin de componentes altamente txicos y cumpliendo con los requerimientos de la legislacin ambiental. La industria de la extraccin de gas natural tambin ha reportado altas eficiencias de los procesos de membrana tanto en la eliminacin de hidrocarburos pesados como del CO2 y el H2S, para cumplir con las especificaciones requeridas y evitar la corrosin de las tuberas de transporte del gas. Adems la recuperacin de gas licuado de petrleo a temperatura ambiente en las plataformas marinas y la deshidratacin del gas natural tambin son posibles mediante procesos de membrana. Otras aplicaciones son la recuperacin de metano del biocomposteo o del biogs, la separacin del amoniaco en su proceso de produccin, la deshidratacin del aire, la separacin de las mezclas olefinas/parafinas, la produccin de N2 y el enriquecimiento de O2 a partir del aire.Hasta el 2002 se haban reportado un gran nmero de patentes concernientes a la permeacin de vapor tanto europeas como estadounidenses. Tan solo entre 1988 y 1999, 25 patentes fueron depositadas en pases Europeos mientras que en Estados Unidos se depositaron 68, mientras que el nmero de unidades de permeacin de vapor instaladas reportadas hasta 2002 ascenda hasta 160 en todo el mundo. Las capacidades tpicas de dichas unidades varan dependiendo de los componentes a separar. Por ejemplo, la compaa Sterling en Europa ha instalado sistemas de separacin por permeacin de vapor para la extraccin de COV del aire desde 10 hasta 1700 m3, en algunos casos con una recuperacin de hasta un 99 %.

PervaporacinLa pervaporacin es un proceso relativamente nuevo, en el que una mezcla liquida entra en contacto con una membrana densa y el permeado es removido como vapor. Su nombre se debe a la combinacin de permeacin y evaporacin, puesto que constituye el nico proceso con membranas en el que ocurre cambio de fase en la alimentacin y el permeado.Cronologa: 1917 Kober acua el trmino pevaporation and perstilation 1950s El inters se despierta aparecen publicaciones y patentes. No hay membranas disponibles para aplicacin industrial 1960 aumenta el inters con la aparicin de la membrana asimtrica 1982 GFT (Gesellschaft fr Trennverfahren) primera membrana para separar agua de orgnicos. 1983 Primera planta en Brasil para deshidratar etanol. 1200 l/da 1988. Deshidratacin de un ster. 1994 Desplazamiento equilibrio. 1994-95 Zeolitas de Kita y slice de Burgraaf. 1997 Separacin orgnicos (metanol/dte orgnico) metanol/trimetilborato. 2001 Primera aplicacin de zeolitas en pervaporacin.En este proceso un lquido se mantiene a presin atmosfrica en el lado de la alimentacin y el permeado se retira como un vapor debido a la baja presin (fuerza impulsora) en el permeado.La mezcla lquida a ser separada se pone en contacto con una cara de la membrana y el producto que permea se separa como un vapor a baja presin por la otra cara (Figura 1.5). El vapor de permeado se puede condensar y recolectar, o desecharse si se desea.

La fuerza impulsora para esta separacin es la diferencia en presiones parciales de vapor, o en forma ms general, el gradiente de potencial qumico a travs de la membrana, entre el lquido de alimentacin y el vapor de permeado. La fuerza impulsora se puede establecer de dos maneras. La primera es manteniendo una presin total reducida en la zona de permeado de la membrana, empleando una bomba de vaco. La segunda forma es aplicar una purga con un gas inerte (normalmente aire o vapor) sobre la zona de permeado de la membrana. En ambas formas lo que se pretende es mantener la presin de vapor de permeado ms baja que la presin parcial de vapor en la mezcla de alimentacin. Un esquema de ambas disposiciones se presenta en la figura (1.6).La pervaporacin utilizando vaco, a la cual se conoce como pervaporacin estndar, es el modo de operacin ms ampliamente utilizado, mientras que la pervaporacin con gas de purga suele ser de inters si el permeado se puede descargar sin condensacin. Adems de estos dos modos de operacin, hay otras variantes que incluyen la pervaporacin trmica, la destilacin osmtica, la perstraction y la permeacin de vapor saturado.Este proceso ofrece la posibilidad de trabajar con mezclas que son difciles de separa por medios convencionales, como por ejemplo componentes con temperaturas de ebullicin muy prximas y mezclas que forman puntos azeotrpicos, puesto que la transferencia de masa travs de la membrana es independiente del equilibrio lquido-vapor de la mezcla. Tambin para separar ismeros, eliminar pequeas cantidades de impurezas, para desplazar el equilibrio en reacciones qumicas y separar compuestos sensibles al calor, ya que no requiere trabajas a elevadas temperaturas.Las membranas utilizadas en este proceso pueden ser cermicas o polimricas. Estn compuestas por dos capas, la capa selectiva que se encuentra en contacto con el liquido (es en si la membrana de separacin) y el soporte poroso (confiere resistencia mecnica a la membrana) que est en contacto con el vapor del permeado. El cambio de fase ocurre en la interface membrana/soporte poroso, y el calor de vaporizacin es suministrado por el calor sensible de lquido conducido a travs de la capa densa.Se pueden utilizar membranas cermicas. Estas membranas tienen algunas ventajas respecto a las membranas polimricas, por ejemplo: No presentan hinchamiento en contacto con soluciones (polares o no polares) Tienen una distribucin ms uniforme de tamao de poro (en comparacin a las polimricas) lo que permite ser utilizadas como tamices moleculares. Buena resistencia termina, fsica y qumica que las membranas de origen orgnico.Algunos ejemplos de membranas comerciales son las basadas en diferentes clases de zeolitas como las Zeolita NaA (Smart), Silicalite y ZSM-5 (Suzer). Las membranas de Zeolita NaA son de naturaleza hidroflica y permiten una buena recuperacin del agua. Etapas de la PervaporacinEl modelo que mejor describe el proceso de separacin por pervaporacin es el de Adsorcin Dilucin o Solucin Difusin. Dicho modelo plantea la presencia de 3 zonas diferentes que ofrecern una resistencia a la transferencia de masa y energa. Estas zonas son la capa lmite, del lado de la alimentacin, la membrana (capa densa selectiva) y el soporte de la membrana. Existe una cuarta zona del lado del permeado (capa limite del permeado) pero esta resistencia puede obviarse cuando se trabaja en vacio.

Descripcin Termodinmica

Descripcin Emprica

Vale aclarar que las descripciones en ambos procesos son las mismas, es decir que las condiciones y referencias antes planteados tambin se cumplen en dicho proceso.Ventajas Separacin de azetropos. Eliminacin de sustancias presentes en bajas concentraciones. Menor consumo de Calor. Poco consumo de Energa. Opera mejor con bajas concentraciones de impurezas en la alimentacin. Permite operar con grandes volmenes de alimentacin

Aplicaciones de PervaporacinLas aplicaciones de la pervaporacin se pueden clasificar en tres grupos: Deshidratacin de compuestos orgnicos:Se utilizan membranas hidrfilas, a travs de las cules se produce la permeacin preferencial del agua, para la deshidratacin de disolventes orgnicos, sobre todo mezclas azeotrpicas. Estas membranas separan el agua con flujos y selectividades variables en funcin de la estructura qumica de su capa activa as como de su morfologa. La mayora de las membranas hidrfilas disponibles en el mercado estn hechas de alcohol polivinlico (PVA).

Eliminacin de compuestos orgnicos de disoluciones acuosas:Se trata de aplicaciones en que la concentracin del compuesto orgnico en la mezcla es minoritaria. Se utilizan membranas organfilas con una permeacin preferente por compuestos no polares. El ms importante es la separacin de pequeas cantidades de compuestos orgnicos en aguas contaminadas, combinando el control de la polucin y la recuperacin de disolventes.

Recuperacin de compuestos aromticos en la industria alimentaria:La pervaporacin ofrece la ventaja de trabajar a bajas temperaturas, evitando con ello la degradacin de estas sustancias de alto valor aadido.

Separacin de mezclas orgnicas:Para esta aplicacin se utilizan las llamadas membranas organoselectivas. Estas membranas pueden ser de tipo hidrfilo, como en el caso de la separacin de mezclas alcohol/ter, cuando el compuesto que permea es polar, que es el caso de la separacin de mezclas de hidrocarburos aromticos y alifticos.

ConclusinEsta revisin sobre los procesos de permeacin y pervaporacin incluye una breve descripcin de ellos y los principales mecanismos de transferencia de materia. Asimismo, se describieron los tipos de membrana utilizadas, sus principales aplicaciones y una perspectiva de utilizacin. Las principales ventajas estn cimentadas en la eficacia de recuperacin de algunos compuestos, la cual puede ser superior al 90 %, as como el alto grado de pureza de los compuestos recuperados. Sin embargo, dentro del marco de tratamiento de efluentes a nivel industrial dichos procesos son ms rentables en trminos econmicos cuando esta acoplada a otro proceso de tratamiento convencional (generalmente la adsorcin o la condensacin). El costo global de la instalacin y la puesta en marcha es comparable a la de procesos convencionales, teniendo la primera una tasa interna de retorno es ms corta. Adems mediante estos se puede proceder al tratamiento de efluentes gaseosos antes de emitirlos a la atmosfera para reducir las emisiones de contaminantes y respetando los lmites mximos autorizados por la legislacin ambiental local.

Bibliografa Apuntes de la ctedra. Ing. Leticia Vivas Ing. Alejandra Bertuzzi. Procesos de transporte y operaciones unitarias. C.J. Geankoplis. Aplicaciones de la permeacin de vapor: el tratamiento de compuestos orgnicos voltiles de origen antropognico. Revista Mexicana de Ingeniera Qumica, vol. 9, nm. 1, 2010, pp. 67-77, Universidad Autnoma Metropolitana Iztapalapa, Distrito Federal, Mxico. Rebollar-Prez, G.; Carretier, E.; Moulin, P. Desarrollo de las curvas residuo de membrana para pervaporacin. Alan Didier Prez vila, Gloria Lucia Orozco Cardona. Tesis. Ing. Mercedes Villegas. Thermodinamic of irreversible process. Rolf Haase Separacin de compuestos organoclorados voltiles de disoluciones acuosas mediante pervaporacin. Tesis doctoral. Eugenio Daniel Gorri. Revisin del proceso de pervaporacin. Martino Mara Beln, Massn Melania