Se investigó el comportamiento, con relación a las propiedades texturales, de membranas elastoméricas termoplásticas en la remoción de compuestos binarios tales como cloruro, selenato, borato de sodio y soluciones acuosas de glucosa. Se analizaron membranas tubulares de 36 fibras y laminas corrugadas con 32 canales. Estudios de microscopia electrónica mostraron que las sales se depositaron preferencialmente en la superficie interna de la membrana causando un bloqueo de los microporos, que se estimaron están en el rango entre 0,1-1nm. Los resultados muestran una relación directa entre las propiedades texturales de la membrana y el grado de remoción de sales

Barbosa L., A. Liliana

Mouthon B., Javier

Quiñónes B., Edgas

Spanish

Universidad Tecnológica de Pereira: Open Journal Systems

Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701                                                               113  Fecha de Recepción: 25 Mayo de 2007 Fecha de Aceptación: 3 Agosto de 2007 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO, CON RELACION A LAS PROPIEDADES TEXTURALES, DE MEMBRANAS HIDROFILICAS SEMIPERMEABLES EN LA REMOCIÓN DE SALES  Performance of hydrophilic membranes to remove salts, based on their textural properties  RESUMEN Se investigó el comportamiento, con relación a las propiedades texturales, de membranas elastoméricas termoplásticas en la remoción de compuestos binarios tales como cloruro, selenato, borato de sodio y soluciones acuosas de glucosa. Se analizaron membranas tubulares de 36 fibras y laminas corrugadas con 32 canales. Estudios de microscopia electrónica mostraron que las sales se depositaron preferencialmente en la superficie interna de la membrana causando un bloqueo de los microporos, que se estimaron están en el rango entre 0,1-1nm. Los resultados muestran una relación directa entre las propiedades texturales de la membrana y el grado de remoción de sales.  PALABRAS CLAVES: Pervaporación, Membranas, SEM, Configuración Reactor.  ABSTRACT The performance of elastomeric termoplastic membranes, in relation to their textural properties, to remove binary compounds such as selenate, borate, sodium chloride and glucose was investigated. Tubular membranes with 32 fibers and corrugated sheet membranes with 32 channels were analysed. A scanning electron microscopic study showed that the permeating salts were preferentially deposited on the inner surface of the membranes blocking the micropores, which were estimated in the range of 0,1 to 1 nm. The results revealed a direct relation between the textural properties and the removal of salts from water.  KEYWORDS: Pervaporation, Membranes, SEM, Reactor Configuration.  EDGAR QUIÑÓNES B Ingeniero Civil, Ph. D. Profesor Asistente Universidad de Cartagena equinonesb@unicartagena.edu.co JAVIER MOUTHON B Ingeniero Civil, Candidate Ph. D. Profesor Asociado Universidad de Cartagena jmouthonb@unicartagena.edu.co A. LILIANA BARBOSA L Químico,  Ph. D. Profesor Asociado Universidad de Cartagena abarbosal@unicartagena.edu.co     1. INTRODUCCIÓN  Pervaporación es un proceso de separación utilizado ampliamente por ingenieros ambientales como un sistema de  tratamiento de aguas para remover compuestos orgánicos volátiles y sales del agua [1], [2], [3], [4], para separar mezclas con puntos de ebullición cercanos [5] y para recuperarar en forma directa, subproductos que resulten de la fermentación de soluciones químicas [6]. Sin embargo, a pesar de este gran número de trabajos,   todavía son necesarios muchos más para hacer de las aplicaciones de la membrana un proceso económico y eficiente de tal manera que pueda ser asequible en países en desarrollo, como Colombia.   El problema del uso de las membranas tiene dos facetas la primera esta relacionado con los costos de producción, es por tal razón que compañías como E.I. DuPont de Nemours and Company de Canadá están continuamente desarrollando nuevos polímeros a menor costo con estructuras hidrofílicas e hidrofóbicas de carácter iónico, poly(vinylalcohol), poly(vinylpyrrolidone), poly(dimethylsiloxane), polyether-block-polymide y polypropylene, respectivamente [7]. La segunda, esta relacionada con la eficiencia,  la mayoría de estudios para remoción de sales se han adelantado con membranas empleando el proceso de osmosis inversa [8], [9] obteniendo eficiencias alrededor del 75% de remoción, sin embargo aquí este estudio se plantea la remoción de sales utilizando un nuevo proceso desarrollado en los últimos 30 años llamado pervaporación que ha presentado ventajas económicas, en comparación con los métodos   tradicionales como osmosis inversa, destilación y absorción.    2. MARCO TEORICO  La pervaporación es la evaporación selectiva de un componente de una solución liquida al poner esta en contacto con una membrana densa o semi-permeable. Para describir el proceso se asume que la membrana es compacta y que el flujo se debe a un gradiente de concentraciones entre el rechazo (alta concentración) y el                                                                                                  Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira.    114permeado (baja concentración), (Figura 1). Una Sustancia permeará si su naturaleza es afín a la membrana (se disuelve en la membrana) y no permeará en caso contrario. El gradiente de concentraciones se logra sometiendo el perneado a presiones negativas (a nivel practico a una presión lo suficientemente baja que la presión de vapor del compuesto que permea).             Figura 1. Esquema general de la preevaporación en membranas compactas.  El proceso de pervaporación es evaluado comúnmente en términos de flujo de masa permeada (J) y el factor de separación de la membrana. El flujo de masa perneada se define como la cantidad de masa (N) de un compuesto que se transporta a través de la membrana por unidad de tiempo (t) y por unidad de área (A).   AtNJ =       (1) y el grado de remoción (β), para soluciones muy diluidas, puede definirse como uno menos la relación entre la concentración de un compuesto (i) en el lado de baja concentración (Cp) y la concentración de ese mismo compuesto, i, en el lado de alta concentración (Cf). Matemáticamente  se describe:    ifipCC,,1−=β                    (2)   3. PARTE EXPERIMENTAL  3.1. Tipo de membranas  Las membranas de naturaleza orgánica  fueron suministradas por la compañía E.I. Dupont de Nemours and Company en Canadá  y se clasificaron químicamente como: elastomericas termoplásticas fabricadas con esteres tipo copolieter de naturaleza hidrofílica las cuales poseen ventajas como  una resistencia  alta al ataque químico y excelentes propiedades mecánicas.  3.2. Configuración del reactor  Se analizaron dos tipos de configuraciones del reactor, módulos tubulares de 36 fibras  (Figura 2a)  y de láminas corrugadas con  32 canales (Figura 2b) descritos en trabajos anteriores [10]                Figura 2. Configuraciones del reactor a) Tubular b) Láminas corrugadas.  3.3. Caracterización física   Para determinar las propiedades hidrofílicas se  pesaron muestras, secándolas en el horno a 80°C por un periodo de 24 horas hasta peso constante quedando totalmente secas, luego fueron sumergidas en agua destilada por 48 horas permitiendo que las muestras adsorbieran agua hasta alcanzar una condición de equilibrio pesándolas nuevamente. La expansibilidad longitudinal de las membranas fueron determinadas midiendo su longitud en intervalos de 5 minutos por un periodo de una hora hasta alcanzar el equilibrio.  La expansibilidad se definió como la relación porcentual entre lo que se estira la membrana y   la longitud  de la  membrana inicial. Para determinar el espesor de la membrana se utilizo un tornillo  micrométrico.  3.4. Caracterización  por microscópica electrónica  Fue empleado un microscopio electrónico Hitachi S-570, utilizando el método  de microscopia electrónica a bajas temperaturas, debido a lo pequeño de los poros de las membranas que requieren de un poder de resolución  mayor que alcance una magnificación nominal  de 10000x donde 1μm equivale a 1 cm, con esta técnica se optimizan el bombardeo de electrones  creando una cantidad suficiente de electrones secundarios que mejoren la imagen con una baja  relación  señal ruido.  3.5. Preparación de las muestras  Muestras de 16 mm2, fueron depositadas utilizando un portamuestra  de cobre, con tres compartimentos en la unidad de preparación crioscópica en  el equipo Emscope SP2000A usando Tissue –Tek como aditivo para el montaje. A continuación  el portamuestra fue sumergido dentro de un baño de nitrógeno líquido a  -207°C, pasándolo luego por un baño de argón antes de  retirarlo para prevenir la formación de  depósitos de escarcha en la superficie. Las muestras fueron sublimadas  durante  una hora  a -80°C y a continuación se recubrieron con una capa de oro con un espesor de 30nm a condiciones de alto vacio, para ser llevadas luego al microscopio.   Rechazado Líquido (Agua)Vapor  Baja concentraciónMembrana no porosa Contaminantes Alta concentraciónPermeado 2.5 mm I.D. 0.18 mm 3.90 mm4.50 mm Channel0.35 mm 0.16 mm a) b) Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira.  115 3.6. Preparación del agua  sintética y caracterización fisicoquímica Se escogieron compuestos binarios grado analítico,  cloruro, selenato y borato de sodio y glucosa, que fueron preparados en agua Milli-Q®con una conductividad de 12 MΩ-cm en las siguientes concentraciones, cloruro de  sodio 0.8%-2%, selenato de sodio  de 0.056mg de Se/L a 0.154mg de Se /L y borato  de sodio  3.3mg B/L a 98mg B/L y la glucosa de 37mg/L a 2300mg/L. La selección de los patrones se debió a su presencia  frecuente en aguas residuales municipales.  Para obtener las concentraciones del cloruro de sodio  se utilizó un  conductívimetro iónico y para la glucosa un analizador de carbono total COT-v. Las  concentraciones  de boro y selenio se determinaron en un equipo de plasma acoplado inductivamente ICP con la metodología del Standard methods 3120B.                 Figura 3. Unidad experimental con membranas de Preevaporación. 3.7. Ensayos de Pervaporación con Barrido de Aire La Figura 3 muestra el esquema del equipo utilizado en este estudio para las pruebas de pervaporación con barrido de aire. La unidad consistió de un cilindro graduado de 1000 mL utilizado como tanque de alimentación y de un reactor de membrana con una longitud de 0.60 m. Las membranas fueron confinadas en el interior de una tubería cilíndrica de PVC transparente con radios de 0.08 m y 0.20 m para las membranas de fibra hueca y de laminas corrugadas, respectivamente. Las soluciones salinas fueron bombeadas con una bomba peristáltica a través de las membranas reciclando el efluente hacia el tanque de alimentación.  El flujo fue medido con un rotametro y la presión sobre las membranas fue controlada con una válvula localizadas aguas abajo de la membrana como se observa en la Figura 3. El aire fue introducido dentro de la tubería cilíndrica que encierra las membranas barriendo el vapor de agua depositado sobre la superficie externa de las membranas con el objeto de mantener un bajo contenido de agua en el área del permeado. El flujo de agua que permeo a través de la membrana fue estimado monitoreando continuamente el volumen de agua en el tanque de almacenamiento en un término de 24 horas.   4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN  Las membranas estudiadas mostraron  una capacidad  hidrofílica alta, con porcentajes de absorción de agua de 39%  [11]. Los resultados de la expansibilidad longitudinal en función del  tiempo  para  las configuraciones estudiadas se muestran en la Figura 4.                 Figura 4. Expansibilidad longitudinal de la membrana hoja corrugada.  Las membranas en su estado original muestran una rápida velocidad  de absorción  de agua  (2 g /min), guardando una  relación directamente proporcional entre el  porcentaje de expansibilidad longitudinal y el tiempo de inmersión, durante los primeros veinte minutos,  debido a  que se posee una mayor superficie donde las moléculas de agua son atraídas para ser absorbidas, a medida que se obtiene la condición de saturación la relación que se aprecia es  exponencial debido a que ya no existen sitios  donde se localicen nuevas moléculas de agua y se ha llegado a la condición de saturación alrededor de  los 40 minutos, la pequeña diferencia mostrada en el inicio de la curva puede deberse a  dos factores  uno de ellos la estructura misma  y el otro a que los valores de espesor para las dos configuraciones fueron  para la fibra hueca de  0,16mm y de hoja corrugada 0.18mm.  Con la finalidad de apreciar  diferencias morfológicas y estructurales que pudieran estar relacionadas con la capacidad de remoción de las sales se realizo un estudio de microscopia electrónica SEM a bajas temperaturas.    La  Figura 5a, registra las microfotografías correspondientes al reactor fibra hueca cuando aun no se ha ejercido presión mostrando que la estructura del  polímero es densa y uniforme  con un espesor constante a lo largo de la fibra.  En la  Figura 5b  se aprecio  un aumento del radio del poro cuando se ejerce una presión superior a 200 kPa conduciendo a la ruptura del polímero y aparición de  deformaciones  y agrietamientos que  Salida de vapor de agua y aire  Membranas Bomba Peristáltica Rotámetro Manómetro   Almacenamiento Válvula Tubería de PVC Flujo de agua Barrido de Aire Sensor Higrómetro0246810120 10 20 30 40 50 60tiempo (minutos)conf.hoja corrugadaconf.fibra hueca% expansibilidad longitudinal Régimen trasciente Régimen de Estiramiento completo                                                                                                 Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira.    116condujeron  a la perdida de las propiedades de la membrana (Figura 7) notándose además la aparición de escarcha  en la superficie por la permeación del agua a través de la membrana que es mas notable cuando los poros son de mayor  tamaño [12].               Figura 5. Imágenes de las membranas de fibra hueca (10.000x) sometidas  a diferentes presiones.  La  Figura 6a, registra las microfotografías correspondientes al reactor hoja corrugada  original mostrando que la estructura del  polímero es densa y uniforme  similar a la de fibra hueca, pero que cuando se ejercen presiones superiores a 200kPa  Figura 6b mostró una mayor resistencia mecánica sin presencia de  fisuras esto puede deberse a su mayor espesor y/o a la presencia de tabiques internos en la configuración que la dotan de una mayor estabilidad.             Figura 6. Imágenes de las membranas hoja corrugada  (10.000x) sometidas  a diferentes presiones.               Figura 7. Membrana fibra hueca a 200kPa  (10.000x).   Con el fin de establecer relaciones entre la textura  y morfología  de las configuraciones de membranas poliméricas ensayadas  con el porcentaje de remoción  y tipo de sustrato se  presentan los datos reportados en la Tabla 1 los cuales permitieron concluir  que en las dos  configuraciones existe una selectividad por tamaño reflejada en el aumento de tamaño de poro con el tamaño promedio de la molécula a remover, sin embargo se puede apreciar que la naturaleza del sustrato también influye, para sustratos como la glucosa que es de naturaleza orgánica y sus enlaces son netamente  covalentes  la interacción con los poros de la membrana es débil permitiendo el paso del soluto a través de la membrana y dando porcentajes altos de remoción. Cuando se poseen solutos de naturaleza iónica tal como el cloruro de sodio y borato de sodio la interacción con los poros de la membrana es mas fuerte ofreciendo mas resistencia a la salida del soluto y por lo tanto registrándose porcentajes bajos de remoción, estos resultados están de acorde con  [13].   Tabla 1. Actividad de las membranas con relación al tipo de sustrato removido.  5. CONCLUSIONES  Basándonos en los resultados se pudo apreciar que existe una relación directa entre las propiedades  texturales de la membrana  y el grado de remoción de  sales.   Tipo de configuración Tamaño del poro (nm)Presión ejercida (KPa) % Remoción de salesTipo de sustrato Fibra hueca ≤0.1 0 0  0.53 30-40 78 Cloruro de sodio  0.64 30-40 87 glucosa 1.0 30-40 81 Borato de sodio Presencia de ranuras y grietas 200 No medible  Hoja corrugada ≤0.1 0 0  0.53 30-40 77 Cloruro de sodio  0.59 30-40 82 Glucosa 1.0 30-40 78 Borato de sodio 0.53 200 77 Cloruro de sodio a ba bScientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira.  117La resistencia mecánica de la configuración del reactor de fibra corrugado  fue más elevada manteniendo la estructura  aun cuando se ejerce presiones superiores a 200kPa  pudiendo ser aplicable  para la  desalinización  de efluentes acuosos   a través de procesos de pervaporación.  6. AGRADECIMIENTOS  Al Profesor Hongde Zhou de la Universidad de Guelph –Canada  por su asesoria  y a la empresa E.I. DuPont de Nemours and Company  por el apoyo financiero.   7. BIBLIOGRAFÍA  [1] C. Lipski, and P. Cote, "The Use of Pervaporation for the Renoval of Organic Contaminants from Water". Environment Progress, vol. 9, pp. 254-261, Nov. 1990. [2] USEPA, "Cross-Flow Pervaporation System for Removal of VOCs from Contaminated Wastewater. Innovative technology Evaluation," Unitated State  Environmental Proteccion Agency, EPA, Estados Unidos, Rep. EPA/540/R-94/512, (48), Aug. 1994. [3] R.Jirratananon, A. Chanachai, , R. Y. M. Huang, and D. Uttapap, "Preevaporation Dehydration of Etanol-Water Mixtures with Chitosna/Hydroxythycellulose Composite Membranas I. Effect of Operating Conditions," Journal of Membrane Science, vol. 195, pp. 143-151, Jan. 2002. [4] S. K. Sikdar, "Removal of VOCs from Contaminated Groundwater and Soil by Pervaporation," Unitated State  Environmental Proteccion Agency, EPA, Estados Unidos, Rep. CLEANUP CU-371, (23), 2002. [5] J. Sheng, "Separation of Dichloroethane-trichloroethylene Mixtures by Means of a Membrane Pervaporacion Process," Desalination, vol. 80, pp. 85-95, April 1991. [6] H. Strahman, and W. Gudernatsch, "Pervaporation in Biotechnology". In R.Y.M. Hunag (Editor), "Pervaporation Membrane Separacion Processes". Elsevier Science Publisher-Netherlands, pp. 363-389, 1991. [7] C. G. Naylor, "The Miracle of Science. Make Food Grow Where Food Can´t Grow," DuPont Engineering Polymers, Canada, Rep. No 002, (60), Dic. 2003.  [8] N. Nadav, "Boron Removal from Seawater Reverse Osmosis permeate Utilizing Selective Ion Exchange Resin," Desalination, vol. 124, pp. 131-135, Nov. 1999. [9] D. Prats, M.F. Chillon-Arias, and M. Rodríguez-pastor, "Analysis of the Influence of pH and pressure on the Elimination of Boron in Reverse Osmosis," Desalination, vol. 128, pp. 269-273, May 2000. [10] E. Quiñones-Bolaños, H. Zhou, R. Soundarrajan, and L. J. Otten, "Water and Solute Transport in Pervaporation Hydrophilic Membranes to Reclaim contaminated Water for Micro-irrigation," Journal of Membrane Science , vol. 252, pp. 19-28, Apr. 2005. [11] E. Quiñones-Bolaños, H. Zhou, and G. Parkin, "Membrane Pervaporation for Wastewater Reuse in Microirrigation," Journal of Environmental Engineering, vol. 131, pp. 1633-1643, Dec. 2005. [12] W-H. Chan, Ch-F. Ng, S.Y. Lam-Leung, X. He, and O-Ch. Cheung, "Water-Alcohol Separation by Pervaporation Through Poly (amide-sulfonamide)s (PASAs) Membranes," Journal of Applied Polymer Science. Jhon Wiley and Sons, vol. 65, pp. 1113-1119, Aug. 1997 [13] S. Li, V. A.Tuan, J. Falconer, and R. Noble, "Separation of 1,3-Propanediol from Aqueous Solutions  Using Pervaporation through an X-type Zeolite Membrane".  Industrial & Engineering  Chemistry Research, American Chemical Society, vol. 40, pp. 1952-1959, Apr. 2001. [14] I. Masselin, L. Durant-Bourlier, J.-M. Laine, P-Y. Sizaret, X. Chasseray, and D. J. Lemordant. Journal of Membrane Science, vol. 186, pp. 85-96, May 2001.  

Estudio del comportamiento, con relacion a las propiedades texturales, de membranas hidrofilicas semipermeables en la remoción de sales

https://ojs2.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/download/4943/2701

Estudio del comportamiento, con relacion a las propiedades texturales, de membranas hidrofilicas semipermeables en la remoción de sales

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Universidad Tecnológica de Pereira: Open Journal Systems