Diseño, preparación y caracterización de membranas de fibra hueca para la desalación por destilación en membrana

Resumen

La destilación en membrana (DM) es un proceso no isotermo cuya fuerza motriz es la diferencia de presiones de vapor a través de una membrana microporosa e hidrófoba. La desalación de aguas mediante DM se presenta como una alternativa prometedora y respetuosa con el medio ambiente. El principal desafío de la DM es el desarrollo de membranas adecuadas para este proceso, siendo actualmente la membrana de fibra hueca la geometría más atractiva. En esta tesis se han preparado membranas avanzadas de fibra hueca mediante el método de hilatura de inversión de fase seco/mojado o mojado/mojado para la desalación por DM. Se ha llevado a cabo un análisis exhaustivo de los efectos de los diferentes parámetros de fabricación sobre el mecanismo de formación, las características de las membranas y su eficiencia en DM. Se ha seleccionado un copolímero altamente hidrófobo, fluoruro de polivinilideno-co-hexafluoropropileno (PVDF-HFP), para la preparación de membranas de fibra hueca orgánicas. Se ha estudiado el tipo de disolvente utilizado en la disolución copolimérica y el tipo de coagulante. Se encontró el disolvente mixto adecuado que conseguía que la disolución copolimérica fuese termodinámicamente más estable y el ritmo de coagulación más lento debido a un incremento de la viscosidad, dando lugar a una fibra hueca con una estructura más esponjosa libre de huecos. Además de mejorar la morfología de la sección transversal, las membranas deben poseer superficies más porosas. Para ello, se han utilizando coagulantes débiles (mezclas de disolvente/agua) internos y externos, reduciendo el ritmo de la inversión de fase de la membrana. Se concluyó que tanto el uso del disolvente mixto como de los coagulantes con altas concentraciones de disolvente mejoraron los flujos permeado en DM con contacto directo (DMCD). La estructura morfológica de las membranas preparadas fue predicha por las técnicas de caracterización de la disolución copolimérica y por las interacciones descritas por el parámetro de solubilidad de Hansen para el sistema copolímero-disolvente-coagulante, demostrando su validez y utilidad en el diseño de membranas DM. Con el fin de disminuir la polarización de temperaturas (PT) propia de la DM, se prepararon membranas corrugadas de fibra hueca de PVDF-HFP empleando un hilador microestructurado, un método novedoso de pulverizado, diferentes distancias entre hilador y baño de coagulación, y distintos flujos de coagulante externo. Tras evaluar el grado de corrugación de la superficie externa se determinó que las corrugaciones mejoraron el área superficial efectiva y actuaron como generadores de micro-turbulencias, reduciendo la PT y aumentando el flujo en DMCD en comparación con las membranas de fibra hueca de PVDF-HFP no corrugadas. Considerando las excelentes propiedades mecánicas, térmicas y químicas de las membranas cerámicas, se prepararon fibras huecas de alúmina con diferentes diseños morfológicos cambiando varios parámetros de fabricación. Tras el proceso de sinterización, las membranas fueron modificadas con éxito convirtiéndolas en hidrófobas. Se estudiaron los efectos de la morfología de estas membranas sobre sus características y sobre su eficiencia en la desalación por DM con cámara de aire (DMCA). Las membranas de alúmina de fibra hueca preparadas en esta tesis exhibieron excelentes factores de separación. Se observó que las membranas que presentaron largos y numerosos microcanales dieron mejores prestaciones en DMCA, con eficiencias más altas que las obtenidas por otras membranas del mismo tipo empleadas en la desalación por DMCA y DMCD. En conclusión, esta tesis doctoral proporciona una guía completa para el diseño y la preparación de membranas avanzadas de fibra hueca para aplicaciones en DM.