¿Qué es la pervaporación?

La pervaporación es un método de separación de mezclas líquidas por medio de vaporización parcial, utilizando una membrana no porosa que permitirá la separación de la mezcla. Se trata de un proceso en donde se alimenta una mezcla líquida y esta entra en contacto con la membrana, lo que permite la eliminación de uno o más componentes de la mezcla líquida en una corriente de vapor al otro lado de la membrana.

La pervaporación es utilizada para separar mezclas líquidas. Imagen de pervatech

En otras palabras, la pervaporación es un proceso que permite separar componentes de mezclas líquidas a través de una membrana, y el componente eliminado se evapora al pasar a través de dicha membrana. En este artículo definiremos a la pervaporación, el proceso de pervaporación, sus ventajas y desventajas y sus principales aplicaciones.

Tabla de contenidos

Introducción a la pervaporación

Diagrama esquemático de un proceso de pervaporación. Imagen de researchgate

La pervaporación y la permeabilidad del vapor se han establecido en las dos últimas décadas como una tecnología mejorada para la deshidratación de disolventes orgánicos, como alcoholes, ésteres y cetonas, así como también, para la eliminación de sustancias orgánicas acuosas o separación de varios tipos de mezclas de compuestos orgánicos. El uso óptimo de la pervaporación puede lograrse si se combina con una columna de destilación y rectificación.

La pervaporación y la permeabilidad del vapor se basan en membranas, para de esta manera, separar mezclas binarias o multicomponentes de fluidos orgánicos diversos. Dicha membrana, se conoce como membrana de pervaporación. Estas membranas pueden ser densas (no porosas), fabricadas, por lo general, de materiales poliméricos o cerámicos que presentan diferentes permeabilidades hacia los distintos componentes, dando lugar a la separación deseada de los mismos.

El proceso de pervaporación se basa en la adición de una mezcla líquida (alimentación) que se calienta hasta la temperatura de operación. Seguidamente, la mezcla caliente se pone en contacto con el lado activo de la membrana de pervaporación. El componente más permeable pasa a través de la membrana y se elimina en forma de vapor del lado posterior de la membrana (permeado).

La eliminación continua de vapor permeado crea un gradiente de concentración a ambos lados de la membrana de pervaporación. Este gradiente de concentración actúa como fuerza motriz del proceso.

La separación de mezclas líquidas por vaporización parcial a través de una membrana, sea esta porosa o no porosa, es el principio de separación en la pervaporación.

Como resultado del proceso de pervaporación, se recoge un componente permeable en forma de vapor. Este componente puede eliminarse mediante la adición de un medio inerte, o bajando la presión del lado del permeante. La fuerza motriz del proceso de pervaporación, es la diferencia de potencial químico correspondiente al gradiente de concentración entre las fases, a través de los lados opuestos de la barrera interfacial.

El modelo de difusión de sorción se utiliza para describir el transporte sobre la base de la diferencia en el tamaño molecular, en lugar de la volatilidad, como es el caso de la destilación. Es por esta razón, que la pervaporación puede utilizarse eficazmente como un sustituto económico para separaciones azeotrópicas. En las últimas décadas, la pervaporación ha encontrado una amplia gama de aplicaciones que van desde la separación de hidrocarburos líquidos, hasta la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV).

La pervaporación puede integrarse fácilmente con la destilación o con una etapa de producción química, de modo, que pueda proporcionar integración e intensificación energética. Un sistema híbrido de pervaporación-destilación conduce a una tecnología limpia que puede además reducir costos de energía, debido a la reducción de requisitos térmicos y de presión. Si la pervaporación se integra con alguna etapa de producción química, como por ejemplo, la esterificación, se puede eliminar el producto de la reacción cambiando el equilibrio químico.

Las membranas de separación son utilizadas en la industria como barreras selectivas para evitar que solutos no deseados pasen a través de estas. De este modo, las impurezas se separan del objetivo. Las membranas de pervaporación pueden ser porosas o no porosas. Generalmente, se utilizan las membranas porosas. La separación se basa en el tamaño de los poros y de ahí obtienen las membranas sus diferentes nombres (microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración).

¿Qué es la pervaporación?

Proceso de pervaporación

La pervaporación, como describimos anteriormente, es un proceso de separación que utiliza una membrana (por lo general, polimérica y no porosa) por donde se hace pasar una mezcla líquida, obteniendo como resultado un vapor permeado que contiene el componente permeable que se desea separar. Como podemos notar, el proceso implica un cambio de fase de líquido a vapor, por lo que requiere un aporte de energía para lograr la separación.

Principios básicos de la pervaporación

El gradiente de concentración que se genera en el proceso de pervaporación se expresa de una mejor manera en términos de presión parcial de vapor. Se han desarrollado varios modelos para describir el proceso de pervaporación. Para simplificar, podemos decir que la transferencia de masa a través de una membrana de pervaporación puede dividirse en tres pasos fundamentales:

Sorción de los componentes permeables en el lado de la alimentación de la membrana de pervaporación.
Transporte de los componentes a través de la membrana por difusión, según la ley de Fick.
Desorción en el lado del permeado, hacia la fase del vapor en vacío.

Los dos principales valores que caracterizan a la membrana de pervaporación, son los siguientes:

Su característica de separación o selectividad.
El flujo de permeado o tasa de transferencia de masa a través de la membrana.

Proceso de pervaporación

Principios de pervaporación. Imagen de researchgate

El proceso de pervaporación es relativamente simple. Consiste en hacer pasar una corriente de alimentación líquida por un intercambiador de calor, para exponer a la mezcla líquida a un precalentamiento hasta llegar a la temperatura de funcionamiento o de operación.

Seguidamente, se hace pasar a la mezcla líquida caliente por el módulo donde se encuentra la membrana de pervaporación, donde se lleva a cabo la separación. El permeado que pasa a través de la membrana se vaporiza y el calor se disipa.

El permeado vaporizado que sale del otro lado de la membrana, se condensa en un intercambiador de calor externo. La bomba de vacío sólo es utilizada para la eliminación de los gases inertes, pero no tiene ninguna otra función en el proceso.

Proceso de permeación del vapor

En el proceso de permeación del vapor, se utiliza vapor saturado en lugar de una mezcla líquida de alimentación y esta se hace pasar a través del módulo de membranas. Este proceso es muy similar a la separación de gases y presenta algunas ventajas sobre la pervaporación. Entre estas ventajas, destaca la eliminación en serie de módulos de intercambio de calor, ya que la energía de vaporización requerida se suministra desde el exterior mediante un vaporizador. Asimismo, debido a una dinámica de fluidos más favorable, se pueden utilizar módulos de operación más grandes, lo que permite disminuir costos.

Ventajas y desventajas de la pervaporación

Como todo proceso utilizado en la industria, la pervaporación presenta una serie de ventajas y desventajas, las cuales veremos a continuación:

Ventajas

Entre las principales ventajas del proceso de pervaporación, tenemos:

Dado que sólo las propiedades de la membrana determinan la distribución de un componente en la fase de permeado, las mezclas que en la destilación normal forman azeótropos y/o requieren un gran número de etapas teóricas (como la deshidratación de la acetona), pueden separarse de forma fácil y económica, incluso sin el uso de los arrastradores. Por lo tanto, se obtiene una gran pureza del producto (no se requiere ningún arrastrador) y no se produce contaminación ambiental (no se emite ningún arrastrador).
Las mezclas multicomponentes, incluso con pequeñas diferencias entre los puntos de ebullición, puede deshidratarse en forma eficaz y económica.
Las mezclas de alimentación se pueden suministrar en forma líquida o en forma de vapor.
Consumo de energía reducido para sistemas híbridos (con destilación o rectificación).
Utilizan sistemas modulares de membranas muy económicos.
Alto grado de flexibilidad en cuanto a las mezclas de alimentación que se pueden separar.
Sistemas sencillos de operar y controlar.
Bajo impacto ambiental.

Desventajas

Entre las desventajas más significativas, tenemos:

Requiere equipos de vacío para separar gases inertes.
La operación se encuentra regida por la transferencia de masa y la difusión.
Requiere temperaturas bajas para lograr la condensación del permeado.

Principales sustancias que pueden ser separadas por pervaporación

Proceso esquemático de la pervaporación. Imagen de researchgate

Entre las principales sustancias que pueden utilizarse en la corriente de alimentación del proceso de pervaporación, tenemos:

Alcoholes, como metanol, etanol, propanoles, butanoles y alcoholes lineales superiores, así como, alcoholes superiores, como glicol, glicerina y éter de glicol.
Cetonas, como acetona, metil etil cetona y metil isobutil cetona.
Éteres, como el éter dietílico, TFT y dioxano.
Ésteres, como acetato de etilo, acetato de butilo y propionato de isopropilo.
Hidrocarburos, como benceno, tolueno, xileno y tricloroetileno.
Ácidos orgánicos, como el ácido acético, el ácido propiónico y los ácidos superiores de los disolventes acuosos.
Aminas, como la metilamina, etilamina y piridina.
Disolventes apróticos, como DMF, DMSO y NMP pueden disolver las membranas poliméricas, por lo que se recomienda para su separación membranas del tipo cerámicas.