Osmosis inversa > Informe técnico de ósmosis inversa

OSMOSIS INVERSA

La ósmosis es el fenómeno por el cual el disolvente de una solución pasa a través de una membrana semipermeable mientras los otros componentes o solutos no pueden atravesarla.

Si hay agua pura a ambos lados de la membrana no existe flujo a través de ella porque el potencial químico es igual a ambos lados.

Si en uno de los lados se agregan sales formando una solución, el agua circulará del lado del agua pura hacia el de mayor concentración, intentando igualar los potenciales químicos por el efecto de la diferencia de presiones.

Llegará un momento en que se pare el flujo. En este momento, la diferencia de altura entre las dos columnas líquidas corresponde a la presión osmótica de la solución. Si, a continuación, sobre la columna más elevada se sobrepone una presión exterior, el agua circulará en sentido inverso al anterior. El flujo inverso creado a través de la membrana mediante la sobre-presión, hará aumentar el volumen de agua pura a expensas de la solución. A este último fenómeno se le llama ósmosis inversa.

El transporte se realiza a través de los poros de la membrana, que debe tener unas características fisicoquímicas determinadas para permitir el paso selectivo del agua y rechazar las sales disueltas.

El flujo de agua se expresa aproximadamente por:

Qa = Ka (P -p) S

Donde P es la sobre-presión impuesta, p es la presión osmótica y S la superficie de intercambio.
Ka es una constante característica de la membrana de que se trate.

Sin embargo, como la membrana no es perfectamente semipermeable, la exclusión de la sal no es total y hay un pequeño flujo expresado por:

Qs = Ks (C1 - C2)S

Donde C1 y C2 son las concentraciones de sales a ambos lados de la membrana.
Ks es nuevamente una constante característica de la membrana.

El flujo de agua se puede hacer aumentar incrementando la presión exterior aplicada, sin que esto represente mayor paso de sales. Por consiguiente, con mayor presión se obtiene una mayor calidad de agua.

Sin embargo, la mayor presión significa un mayor costo de energía y el diseño de la instalación para conseguir y resistir esta mayor presión. Con el incremento de presión hay que controlar además que no se supere la carga superficial máxima. Para las aguas salobres se aplican presiones de 15 a 40 Kg/cm2, y para el agua de mar, de 55 a 80 Kg/cm2.

La carga superficial es un parámetro operativo muy importante.

Se refiere al caudal por unidad de superficie y se mide en m3/m2 hr (o m/hr).

Si se exceden los valores autorizados por el fabricante de membranas se aumentará la velocidad de ensuciamiento y al necesitar limpiezas más frecuentes se acortará la vida útil de la membrana, medida en unidades de tiempo ( que suele ser una de las garantías de operación ). Si las membranas no se limpian con la frecuencia debida, se ira obstruyendo con un deterioro relacionado exponencialmente con la carga superficial.

La carga superficial excesiva crea, además, una sobre concentración de sales junto a la membrana, conocida como polarización de la concentración, que puede provocar la precipitación de sales cuya solubilidad está sobrepasada, a pesar de que el valor medio de la concentración sea inferior.

La polarización de la concentración sobre la membrana hace que la presión sea mayor y demanda una mayor presión útil exterior.

Otro parámetro importante es la recuperación, o conversión porcentual. Ésta se define como:

C = 100 x Qp/Qa

Donde Qp y Qa son, respectivamente, los caudales de agua producto y de agua alimentada.

Una recuperación del 60% significa que cada 100 m3 alimentados, 60 m3 pasan como producto y 40 m3 van al rechazo.

La recuperación está limitada por el contenido en sales incrustantes del agua. Una recuperación excesiva puede dejar atrás una solución rechazo demasiado sobrecargada, teniendo en cuenta que el punto crítico se halla en el extremo de salida del rechazo, que es donde alcanza la máxima concentración. Además debe quedar un caudal de descarga del rechazo suficiente para arrastrar la materia coloidal que pueda haber sin llegar a acumularse sobre las membranas.

Cuando se desean recuperaciones muy altas deben disponerse las membranas en serie de forma que el rechazo del primer grupo de membranas pase a tratamiento a un segundo grupo en serie, y a un tercero si hace falta.

Con una buena combinación de la disposición pueden optimizarse la calidad y recuperación de agua.

Se define el rechazo de sales como:

R = 100 (Ca - Cp / Ca)

Donde Ca y Cp son, respectivamente, las concentraciones de una sal en las corrientes de alimentación y de producto.

Para un cierto tipo de membranas en espiral de acetato de celulosa, operando a 28 Kg/cm2, los rechazos son:

Tipo de membranas Porcentaje de rechazo
NaCI 96%
NaNO3 93.3%
Ca CI2 98.8%
AI CI3 99.2%
NaSO4 99.3%
SiO2 92.3%
CO2 0%

Es interesante ver que el rechazo para las distintas sales crece con la carga de los iones (SO4=>CI-; AI-3>Ca++>Na+).

Los compuestos poco ionizados, ácidos y bases débiles, son poco o nada rechazados.

Los gases no son rechazados y atraviesan la membrana. Los compuestos orgánicos de bajo peso molecular y no polarizados tienden a pasar; con peso molecular inferior a 200 casi todos pasan, pero el rechazo aumenta con el peso molecular, y las formas polimerizadas, que forman complejos, son rechazadas. También se rechazan las bacterias y virus. En las membranas comerciales el paso de agua y de sales aumenta con la temperatura.

Los valores estándar se suelen indicar a una temperatura de 25 grados centígrados y las condiciones deben ajustarse a la temperatura real.

Un solo grado centígrado puede representar un aumento de caudal de hasta un 2 a 3 %.

Se usan dos tipos básicos de membranas y dos tipos básicos de material para su fabricación.

Las membranas de acetato de celulosa resisten los productos oxidantes y se usan con aguas cloradas, pero hay que controlar el pH del agua para evitar su hidrólisis que limita su vida útil, y además se degradarían por el ataque microbiano justamente impedido por la cloración.

Las membranas de Poliamida resisten variaciones de pH pero son sensibles a la degradación por el cloro residual.
Ambas se complementan en sus aplicaciones.

Las membranas pueden configurarse en forma tubular, con tubos de muy pequeño tamaño, o con un montaje en arrollamiento en espiral. Las membranas tubulares permiten empaquetamientos mayores de superficie por unidad de volumen, pero sufren mas severamente el efecto del ensuciamiento que en los arrollamientos en espiral, por las mejores condiciones hidráulicas de operaciones de estas últimas.