Procesos de Separación en Química: Filtración, Ósmosis, Extracción, Adsorción e Intercambio Iónico

Procesos de Separación

Tipos de procesos de separación

Los procesos de separación se clasifican en función de:

• Diferencia de tamaño de partícula: filtración.
• Diferencia de solubilidad de los componentes: extracción líquido-líquido, cristalización y adsorción (líquido/gas-sólido).
• Diferencia de volatilidad o sublimación: destilación y sublimación.
• Diferencia de reactividad: intercambio iónico.

Factores de efectividad

Los factores que determinan la efectividad de un proceso son:

• Selectividad (l/m²·h)
• Productividad (l/m²·h)

Filtración

La filtración separa partículas según su tamaño:

• Partículas grandes (mecanismo mecánico): por ejemplo, micro y ultrafiltración.
• Partículas pequeñas (mecanismo difusional): por ejemplo, nanofiltración y ósmosis inversa.

Ventajas

• Baja temperatura de operación.
• Bajo coste energético.
• Fácil ampliación de escala.

Tipos de sistemas de membrana

1. Sistema tubular

1.1. Membrana tubular

El fluido circula dentro del tubo. Diámetro de 5 a 15 mm, densidad de empaquetamiento baja, precio elevado y obstrucción baja.

1.2. Membrana capilar

Diámetro de 0,5 a 5,5 mm, densidad de empaquetamiento mayor y obstrucción alta.

1.3. Membrana de fibras huecas

Diámetro inferior a 0,1 µm, obstrucción muy alta y densidad de empaquetamiento muy alta. Se utiliza en nanofiltración y ósmosis inversa.

2. Sistema de placa y marco

2.1. Membrana en espiral

Formada por dos capas de membrana con un tejido colector de permeados. Densidad de empaquetamiento muy grande. Se utiliza en nanofiltración y ósmosis inversa.

2.2. Membrana almohadillada

Formada por placas planas con dos membranas y numerosos espaciadores en el interior.

Obstrucción de membranas

Tipos de suciedad:

• Partículas
• Bioobstrucción
• Scaling (incrustaciones)

Estas obstrucciones requieren un mayor trabajo de mantenimiento.

Limpieza de membranas

• Lavado por chorro frontal.
• Lavado por chorro trasero.
• Lavado por chorro de aire.
• Limpieza química.

Presión transmembranal

Es la presión necesaria para impulsar el agua a través de la membrana.

Ósmosis

La ósmosis es una propiedad coligativa: proceso espontáneo de movimiento del disolvente a través de una membrana semipermeable hacia una disolución de mayor concentración de soluto.

Ósmosis inversa

Se aplica presión a la disolución más concentrada, invirtiendo el flujo natural de la ósmosis.

Presión osmótica:

π = MRT

Para electrolitos:

π = iMRT

Extracción Líquido-Líquido

Permite separar una mezcla aprovechando la diferente solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles.

Ejemplo: extracción de cafeína del café, cuando la destilación no es posible.

Coeficiente de reparto:

K = solubilidad del componente en el medio orgánico / solubilidad del componente en el medio acuoso

Proceso de lixiviación (líquido-líquido)

Separa dos sustancias miscibles o polares entre sí mediante otra sustancia miscible con la sustancia a extraer.

Ejemplo: separación de yodo y agua mediante tetracloruro de carbono.

Separación de Fases Sólido-Líquido

1. Adsorción

Los adsorbentes son sustancias sólidas, químicamente inertes, con capacidad de fijar en su superficie gran cantidad de compuestos (proceso de elución).

Ejemplos: carbón activado, celulosa y gel de sílice.

2. Intercambio iónico

El cambiador iónico es un sólido poroso cuyos puntos activos poseen grupos reactivos cargados.

Ejemplos: zeolitas y resinas poliméricas sintéticas.

Aplicación: desmineralización de aguas.

Procesos de Descontaminación

Adsorción

Uso de carbón activado en polvo para eliminar contaminantes orgánicos.

Intercambio iónico

Uso de resinas que eliminan contaminantes inorgánicos cargados, como arsénico, cromo, nitrato y radio.