¿Qué es la nanofiltración?

Ken Sutherland, un desarrollo relativamente reciente en los procesos de membrana, examina el campo de la nanofiltración en rápida expansión, sus características y aplicaciones.

El trasfondo de la nanofiltración

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 por membrana: ósmosis inversa, ultrafiltración y, más recientemente, microfiltración Estos procesos llevaron el espectro de separación desde el límite de punto de corte tradicional de la filtración estándar de alrededor de 0,01 mm (10 μm) hasta 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 reales varían un poco de una fuente a otra, pero existe un acuerdo general en que la microfiltración cubre el rango de 10 μm hasta 0,1 μm, mientras que la ultrafiltración cubre desde 0,1 μm hasta 0,005 μm (5 nm) en términos de partículas discretas o corte de peso molecular. -Cifras de Off (MWCO) de 300.000 a alrededor de 300 Daltons para materiales disueltos. La ósmosis inversa, por supuesto, fue diseñada para retener la molécula de cloruro de sodio muy pequeña, lo que significaba que no pasaba nada más que agua.

Estos rangos de tamaño previstos en realidad todavía dejaron una brecha en su cobertura en el extremo inferior de la ultrafiltración (alrededor de 100 a 300 Dalton). El desarrollo de membranas fue bastante rápido durante las décadas de 1970 y 1980, lo que condujo a un proceso de membrana de "ósmosis inversa suelta", que recibió el nombre de "nanofiltración" a fines de la década de 1980.

En este sentido, entonces, la nanofiltración es un desarrollo bastante reciente en el rango de los procesos de separación por membrana, que abarca el extremo superior (en términos de tamaño de separación) de la ósmosis inversa y el extremo inferior de la ultrafiltración, cubriendo valores de MWCO de 100 a 1000 Dalton. Se trata de materiales que se disuelven en un líquido, y no de partículas distintas suspendidas en el líquido. La separación entre soluto y 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 orificio 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 diferencia clave entre la nanofiltración y la ósmosis inversa es que esta última retiene sales monovalentes (como el cloruro de sodio), mientras que la nanofiltración las deja pasar y luego retiene sales divalentes como el sulfato de sodio. Robert Peterson, en su Prólogo de Nanofiltración: principios y aplicaciones de Elsevier, describe la ósmosis inversa (especialmente en el negocio del tratamiento de agua) como el plato principal, quizás el bistec, de una comida, mientras que la nanofiltración "es como la carta de vinos... una oportunidad para creatividad y exploración".

Los párrafos anteriores han descrito los orígenes y la naturaleza del proceso generalmente aceptado denominado nanofiltración, que es una separación en 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 la demanda de puntos de corte cada vez más finos, tanto en la filtración de líquidos como de gases, y estas demandas ahora se satisfacen mediante el uso de fibras correspondientemente más finas para fabricar los medios filtrantes. Cada vez más, estas fibras tienen diámetros significativamente inferiores a un micrómetro y, por lo tanto, se miden en nanómetros y se conocen comúnmente como nanofibras. Estos se utilizan para fabricar medios filtrantes compuestos, con una red de nanofibras sobre un sustrato más grueso.

La filtración muy fina que se puede lograr con estos medios nanoweb 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 en la que todavía se piensa más comúnmente cuando se mencionan las membranas. Vale la pena señalar que, en el 10º Congreso Mundial de Filtración (en 2007), de un total de casi 250 documentos separados y 85 presentaciones de carteles, hubo 12 sobre nanofiltración y 14 sobre nanofibras como medio filtrante.

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

Vale la pena señalar que el término "nanotecnología" ahora se usa mucho y se refiere a toda una gama de actividades científicas, de ingeniería y de fabricación que involucran cosas muy pequeñas. Desafortunadamente, el término ha entrado en la conciencia pública con un componente de "miedo a lo desconocido". Esto no se refiere a la nanofiltración, ya que los medios involucrados en ella son en su mayoría continuos e indistinguibles de las membranas RO o UF. Sin embargo, afecta a la producción y el uso de nanofibras, y los fabricantes y usuarios de nanofibras deberán tener cuidado de no magnificar la preocupación.

El proceso de separación por membrana conocido como nanofiltración es esencialmente uno de fase líquida, porque separa una variedad de sustancias inorgánicas y orgánicas de la solución en un líquido, principalmente, pero de ninguna manera totalmente, 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 lo que dio el verdadero impulso a la nanofiltración como un proceso reconocido, y su notable crecimiento desde entonces se debe en gran parte a su capacidad única para 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 fabrican en forma de placa y marco, enrollados en espiral, tubulares, capilares y de fibra hueca, a partir de una variedad de materiales, incluidos derivados de celulosa y polímeros sintéticos, materiales inorgánicos, especialmente cerámica, e híbridos orgánicos/inorgánicos.

Los desarrollos recientes de membranas para NF han ampliado en gran medida sus capacidades en entornos de pH muy alto o bajo, y en su aplicación a líquidos no acuosos. Los medios de plástico están altamente reticulados para brindar estabilidad a largo plazo y una vida útil práctica en entornos más agresivos. Las membranas NF tienden a tener una superficie ligeramente cargada, con 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 de ensuciarse, por lo que los sistemas de nanofiltración deben diseñarse para minimizar su probabilidad, con un pretratamiento adecuado, con el material de membrana correcto, con velocidades de flujo transversal adecuadas para limpiar la superficie de la membrana de lodo acumulado. , y mediante el uso de soportes de membrana giratorios o vibratorios.

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 principal aplicación sigue siendo el tratamiento de aguas dulces, de proceso y residuales.

En el tratamiento del agua, el NF 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 parecería tener mucho lugar en los procesos de MBR, porque los diferenciales de presión transmembrana más altos necesarios para la NF no están disponibles en la mayoría de los sistemas de biorreactores, pero existen algunos usos especializados para los MBR en los que la NF está encontrando un lugar. La revisión de Smith cubre bien todo el campo de la nanotecnología, incluida la referencia a las fibras NanoCeram de alúmina de 2 nm de Argonide, utilizadas para la filtración del 99,9999% de las bacterias, virus y quistes de protozoos (ahora disponible como tecnología Disruptor de Ahlstrom).

Las membranas NF también se utilizan para la eliminación de materia orgánica natural del agua, especialmente sabores, olores y colores, y en la eliminación de trazas de herbicidas de grandes caudales de agua. También se pueden utilizar para la eliminación de cantidades residuales de desinfectantes en el agua potable.

Las aplicaciones en la industria alimentaria son bastante numerosas. En el sector lácteo, NF se utiliza para concentrar suero y permeados de otros tratamientos de suero, y en el reciclaje de soluciones de limpieza en el lugar. En el procesamiento de azúcar, el jarabe de dextrosa y el jugo de azúcar diluido se concentran mediante NF, mientras que las salmueras de intercambio iónico se desmineralizan. NF se utiliza para el desgomado de 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 (incluyendo petroquímicos y farmacéuticos) como en el resto de la industria en su conjunto. Muchos más están todavía en la etapa conceptual que los que están en uso en la planta, pero NF es un valioso contribuyente 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 los productos químicos valiosos generalmente se pueden recuperar mediante procesos que incluyen NF. El alto valor de muchos de los productos de los sectores farmacéutico y biotecnológico permite el uso de NF en sus procesos de purificación.

La industria de la pasta de papel utiliza una cantidad muy grande de agua en sus procesos de producción, una cantidad que la industria se esfuerza por reducir, principalmente "cerrando el ciclo del agua", un sistema en el que las propiedades de purificación de NF tienen un papel importante.

Todas estas aplicaciones específicamente mencionadas han sido a base de agua, pero la nanofiltración no se limita al tratamiento de suspensiones acuosas. De hecho, una de las plantas de NF más grandes se instaló en una refinería de petróleo para el desparafinado de aceites. Boam y Nozari, en su revisión de la nanofiltración de disolventes orgánicos, señalan que muchos procesos de separación de sistemas orgánicos consumen mucha energía y que, por el contrario, la OSN puede ser una alternativa que ahorra bastante energía (por ejemplo, en comparación con la destilación).

En sistemas acuosos, la nanofiltración utiliza materiales poliméricos hidrofílicos, como poliéter-sulfona, 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 utilizan para el intercambio de solventes, la recuperación y separación de solventes, para la recuperación de catalizadores y para la eliminación de metales pesados.

Los materiales sintéticos, tanto orgánicos como inorgánicos, que hoy en día se hilan del 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 equipo aguas abajo de la hilera, que permite producir una amplia gama de diámetros de fibra. Comenzando hace más de 40 años con medios spun bonded, cuyo diámetro de fibra era de 10 μm o más, la lista va desde flash spun y melt spun (a poco más de 1 μm), hasta materiales electrospun, que se acercan a los 100 nm en capacidad de diámetro de fibra.

Cada uno de estos materiales se puede producir como una matriz aleatoria de fibras como una red, que, en sí misma, constituye un medio filtrante muy bueno, siempre que se apoye adecuadamente sobre un sustrato más fuerte. Tucker ofrece una buena revisión de estos materiales al presentar los nuevos medios HMT de du Pont para la filtración de líquidos o gases. United Air Specialists ha desarrollado nanofibras para eliminar el polvo, al igual que Donaldson con su medio Ultra-Web.

Las técnicas de hilado fino han demostrado ser adecuadas para la producción de fibras de carbono y cerámicas y, obviamente, darán como resultado 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, se contarán como membranas, y ciertamente se las conocerá como nanomembranas.

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