Development of polymer nono-fiber, micro-fiber and hollow-fiber membranes for desalination by membrane distillation

Resumen

Durante los últimos sesenta años, la ciencia y tecnología de membranas han estado en continuo desarrollo tratando de encontrar soluciones a diversos problemas medioambientales relacionados con el agua y la energía. Esta observada mejoría se debe principalmente a los avances tan impresionantes de materiales avanzados para la fabricación de membranas sintéticas y módulos así como de la evolución de distintos sistemas, plantas piloto y equipos de última generación. Debido a la creciente demanda de agua potable a nivel mundial, se han propuesto diversos procesos de membrana para el tratamiento de aguas. Estos procesos se dividen en procesos isotérmicos como los procesos de membrana impulsados por presión hidrostática, por presión osmótica o por potencial eléctrico; y procesos no-isotérmicos como la termo-ósmosis (TO) y la destilación en membrana (DM). Durante los últimos 13 años el interés en la tecnología DM ha aumentado considerablemente en diferentes aspectos tanto teóricos como experimentales. De hecho, la DM se conoce hace 50 años, pero sólo recientemente ha abierto camino hacia sus aplicaciones industriales. El principal inconveniente es la falta de membranas diseñadas específicamente para la DM. Por esta razón el objetivo de esta Tesis Doctoral es desarrollar nuevas membranas de diferentes formas y estructuras para la desalación por DM. En el primer capítulo se presenta una reseña histórica de la DM, sus posibles configuraciones, las membranas utilizadas y los módulos propuestos para la DM, las características que deben cumplir una membrana y un módulo DM, los diferentes mecanismos de transporte a través de una membrana DM y los modelos teóricos relacionados, los campos de aplicación de la DM y finalmente sus tendencias futuras.El segundo capítulo trata sobre la fabricación y caracterización de un nuevo tipo de membranas porosas compuestas hidrófoba/hidrofílicas. Esta membrana fue preparada por el simple método de inversión de fase, en una sola etapa, empleando una disolución polimérica que contiene una macromolécula modificadora de superficie fluorada (SMM) y un polímero hidrofílico polieterimida (PEI). Se consiguió preparar membranas con una capa superior hidrófoba y porosa muy delgada con un espesor de alrededor de 4 ¿m.El tercer capítulo es sobre diferentes membranas de fibra hueca preparadas por el método de hilatura por inversión de fase seco/mojado ¿dry/wet spinning¿ empleando diferentes disoluciones del co-polímero poli(fluoruro de vinilideno-hexafluoropropileno), PVDF-HFP y del aditivo polietilenglicol (PEG). Se investigaron los efectos de varios parámetros de fabricación en las características morfológicas y estructurales de las fibras huecas así como sobre la permeabilidad y el factor de separación (rechazo de sal).El cuarto capítulo trata sobre membranas avanzadas micro- y nano-fibrosas (ENMs) preparadas por electro-hilatura ¿electro-spinning¿ para la desalación por DM. Diferentes membranas ENMs fueron preparadas usando el polímero fluoruro de polivinilideno (PVDF) y diferentes parámetros de electro-hilatura. Además, se desarrolló un nuevo modelo teórico que considera los mecanismos de transporte de gases a través del espacio entre fibras de las membranas ENMs utilizadas en la destilación en membrana por contacto directo (DMCD). A diferencia de lo publicado hasta la fecha en varios estudios teóricos de DM que consideran la ecuación de Bosanquet con igual contribución de transporte de masa para la difusión tipo Knudsen y la difusión molecular, en esta Tesis Doctoral la contribución de cada mecanismo de transporte de masa fue considerada variable y evaluada.Por último, algunas conclusiones generales más interesantes derivadas de la presente Tesis Doctoral junto con futuros estudios de investigación se resumen en el último capítulo.