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Osmosis y Osmosis Inversa
Geometria Vectorial (2555120)
Universidad de Antioquia
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Osmosis y Osmosis Inversa
En el siguiente trabajo les daremos a conocer el proceso de la osmosis inversa, la cual es un proceso con múltiples funciones en diferentes campos de la industria. Entre los cuales está el más importante de todos, que es la potabilización del agua para el consumo humano. También hacemos hincapié a su historia, ventajas y desventajas, diferentes métodos y teniendo en cuenta el reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico o (RAS).
Osmosis a través de la historia.
Sabemos que el proceso de Osmosis Inversa fue planteado por primera vez Charles E. Reid en el año de 1953 de tal manera que fuera posible tratar el agua salada y convertirla en agua potable. Uno de los logros de la década de los años sesenta fue hacer económica la aplicación de la ósmosis inversa en la obtención de agua potable a partir de aguas salobres y de mar, y entrar francamente en competencia con otros sistemas de separación de pequeña o gran escala [3]. Esta posibilidad fue una consecuencia de la perfección de la membrana de acetato de celulosa y un entendimiento más claro de los procesos de interacción de una solución salina con dichas membranas. En esta década se consiguió comprender los efectos de compactación y de oclusión de las membranas bajo operación, así como percibir la necesidad de tratamientos bioquímicos del agua de alimentación, por la presencia de microorganismos que utilizan a la membrana como nutriente.
El conocimiento de estos mecanismos de selectividad permitió observar el comportamiento de las membranas en diferentes aplicaciones. También aparecieron nuevas membranas usando otro tipo de polímeros que generan mas ventajas en comparación con las de acetato de celulosa.
Para analizar el proceso de la ósmosis inversa; es necesario apropiarse de la definición de ósmosis, la cual se entiende como: “el movimiento de moléculas a través de una membrana parcialmente permeable porosa, que va de una región de mayor concentración a otra de menor, en esta acción la membrana tiende a igualar las concentraciones en los dos lados” .Este proceso está basado en la búsqueda del equilibrio; el flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial se conoce como presión osmótica medible en términos de presión atmosférica. En este orden de ideas, si se utiliza una presión superior a la presión osmótica, un efecto contrario a la ósmosis se puede logar, al presionar fluidos a través de la membrana sólo las moléculas de menor peso pasan del otro lado, razón por la cual se le llama inversa. En el tratamiento de agua; los sólidos disueltos al generar esta presión quedan retenidos en la membrana y sólo pasa el agua, la molécula de agua es tan pequeña que es la única capaz de pasar por los poros de la membrana teniendo un excelente filtrado a comparación filtros empleados que suelen tener menos nivel de filtración.
Fig. 1 Relación entre ósmosis y ósmosis inversa.
¿En qué consiste el proceso?
El proceso trata de una bomba que envía la solución a tratar a una presión superior a la osmótica hacia la membrana semipermeable. En uno de sus lados de la membrana la presión se mantiene alta, con lo que se fuerza al solvente a atravesar la membrana y junto con él también hará una pequeña cantidad de soluto. Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada por ella se evacuan en continuidad a sus compartimentos. Una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo controla el porcentaje de solución que es convertida en producto.
Fig. 2. Esquema del proceso de la ósmosis inversa
En el campo celular, la ósmosis es un proceso natural que ocurre en todas las células vivas; esta permite la vida de todos los seres tanto animales como vegetales, al inducir que el agua fluya por difusión desde zonas donde se encuentra relativamente pura, con baja concentración de sales, a zonas donde se encuentra con alta concentración a través de una membrana semipermeable, el resultado final es la extracción de agua pura del medio ambiente. En el caso de la ósmosis inversa, es un proceso inventado por el hombre que invierte el fenómeno natural de ósmosis; el objetivo de la ósmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que está relativamente impura o salada. Al igual
(oxigeno, dióxido de carbono, cloro, etc.) tienen una buena permeabilidad, igual que las moléculas orgánicas neutras de bajo peso molecular.
Potabilización de aguas Salobres Las aguas de pozo, presentan generalmente unas características físicas aceptables para el consumo humano. Por el contrario, las características químicas, presentan características acordes, como es natural, a las propias del terreno donde se encuentran ubicados esos mismos pozos. Así nos encontramos con aguas con altos contenidos en carbonatos y sulfatos cuando los pozos se encuentran en el interior y con altas contenidos en cloruros cuando los mismos se encuentran cerca de las costas marinas, debido, fundamentalmente, a la intrusión salina por causa de sobre-explotación de los acuíferos. En ambos casos, ya sean carbonatos y sulfatos y/o cloruros, el problema se incrementa con la presencia, el uso y el abuso de abonos en la actividad agrícola. En épocas pasadas, el tratamiento usualmente utilizado ha sido el de intercambio iónico regeneradas con salmuera (NaCl) con la consiguiente salinización de los vertidos. Desde principios de 1980, la aplicación de la Ósmosis Inversa como proceso para potabilizar las aguas salobres (de pozo o no) se ha demostrado enormemente efectiva, segura, fiable, económica y apreciada.
Aplicaciones Generales de la Ósmosis Inversa
El objetivo de las plantas de RO instaladas se distribuye de la siguiente forma:
50 % en desalinización de agua de mar y agua salobre. 40 % en la producción de agua ultrapura para las industrias electrónica, farmacéutica y de producción de energía. 10 % como sistemas de descontaminación de aguas urbanas e industriales.
Desalinización de aguas Salobres
La salinidad de este tipo de aguas es de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En su tratamiento se utilizan presiones de 14 bar – 21 bar para conseguir coeficientes de rechazo superiores al 90 % y obtener aguas con concentraciones salinas menores de 500 mg/L, que son los valores recomendados por WHO como condición de potabilidad.
Las plantas de tratamiento de aguas salobres utilizan módulos de membranas enrolladas en espiral. Se estima que los costes de capital de este tipo de plantas son del orden de 0. $US/L de agua tratada/día, siendo los costes de operación del mismo orden.
Desalinización de Agua de Mar
Dependiendo de la zona geográfica, la salinidad de este tipo de aguas es de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Para conseguir condiciones de potabilidad se utilizan membranas de poliamida de tipo fibra hueca que permiten conseguir coeficientes de rechazo superiores al 99 % con presiones de trabajo de 50 bar – 70 bar.
Los costes de operación de este tipo de plantas de tratamiento se estiman en 1 – 1$US/L de agua tratada/día, lo que hace que este sistema de tratamiento no sea competitivo, frente a otros sistemas como los procesos de evaporación multietapa, si las necesidades de agua superan los 40000 m3 de agua tratada/día.
Producción de Agua Ultrapura
La RO permite obtener a partir del agua de consumo (concentración de sólidos disueltos < 200 mg/L) agua de la calidad exigida en la industria electrónica.
El principal problema en este tipo de instalaciones es el bioensuciamiento de las membranas, por lo que es necesaria la instalación de sistemas de esterilización mediante radiación UV.
Tratamiento de Aguas Residuales
Esta aplicación de la RO está limitada por los altos costes de operación debido a los problemas de ensuciamiento de las membranas.
En el caso de las aguas residuales industriales, la RO se utiliza en aquellas industrias donde es posible mejorar la economía del proceso mediante la recuperación de componentes valiosos que puedan volver a reciclarse en el proceso de producción: industrias de galvanoplástica y de pintura de estructuras metálicas, o donde la reutilización del agua tratada signifique una reducción importante del consumo de agua, como en la industria textil.
En el caso de las aguas urbanas, la RO es un tratamiento que estaría indicado como tratamiento terciario, siendo posible obtener agua con una calidad que la hiciese apta para el consumo, con un coste de 0 – 0 $US/m3.
El principal problema para la consolidación de este tipo de tratamiento es la contestación social. Sin embargo, en zonas de Japón y California, donde existen limitaciones extremas de agua, se están utilizando plantas de RO para tratar el agua procedente del tratamiento biológico de las aguas domésticas, empleándose el agua tratada por RO para la recarga de acuíferos.
salobre, deben utilizarse cuando previamente se haya demostrado que son los que presentan un menor costo de producción del agua potable respecto a otros sistemas (como evaporadores). Si un proceso de separación por membranas es seleccionado para efectuar la desalinización, el estudio previo debe presentar por lo menos dos configuraciones alternativas de las membranas (paso sencillo o doble o sistema por etapas)” pudiéndose así magnificar la importancia de la ósmosis inversa en procesos de desalinización como lo menciona la reglamentación. De igual forma el RAS-2000 especifica en el capítulo C de tecnologías alternativas; el uso de tecnologías alternativas en donde se propone la separación por membranas y dentro de estos procesos se puntualiza a la ósmosis inversa definiéndola como: “el proceso de separación por membrana semipermeable en lo cual la fuerza directriz es la presión, se retiene los iones y se deja pasar el agua. La presión aplicada a la membrana en la práctica, es superior a dos veces la presión osmótica de la solución que quiere tratarse”; haciendo referencia a los tipos de módulos de membranas usados en la misma; que según el reglamento pueden ser de empaque, en forma espiral, fibra vacía, tubular o platos consecutivos. Por razones de costo, los más usados son los módulos espirales y fibra vacía.
Tabla 1. Características generales de los diferentes tipos de módulos de membrana de ósmosis inversa
Tomada del RAS-
Membranas de Ósmosis Inversa
PARÁMETROS TIPOS
ESTRUCTURA
Simétrica Asimétrica
FORMA
Planas Tubulares Fibra hueca Orgánicas
COMPOSICIÓN QUÍMICA Inorgánicas
MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE
Lisas Rugosas
PRESIÓN DE TRABAJO
Muy baja Baja Media Alta Tabla 2. Membranas de ósmosis inversa.
Se entiende como membrana a cualquier región que actúa como una barrera entre dos fluidos, restringiendo o favoreciendo el movimiento de uno o más componentes, de uno o ambos fluidos a través de ella. (Martínez, 1999) [10] Como ya se ha descrito, en el proceso de ósmosis inversa se requiere de una membrana porosa para que el proceso se lleve a cabo. Así se encuentra una clasificación de éstas en función de varios parámetros:
De acuerdo a su estructura: atendiendo a la estructura que presentan en un corte transversal a la superficie en contacto con la solución a tratar, las membranas pueden ser:
Simétricas: se llaman membranas “simétricas” u “homogéneas” a aquellas cuya sección transversal ofrece una estructura porosa uniforme a lo largo de todo su espesor, no existiendo zonas de mayor densidad en una o ambas caras de la membrana.
Las membranas simétricas presentan varios inconvenientes: elevada permeabilidad al solvente y bajo rechazo de sales. Actualmente se utilizan en otras técnicas, pero no son aptas para la ósmosis inversa. Asimétricas: un corte transversal de una membrana de este tipo presenta en la cara en contacto con la solución de aporte, una capa extremadamente densa y delgada bajo la cual aparece un lecho poroso. Esta capa densa y delgada se denomina “capa activa” y es la barrera que permite el paso del solvente e impide el paso del soluto. El resto de la membrana constituye el soporte de la capa activa ofreciendo una resistencia mínima al paso del solvente. Las membranas asimétricas son las utilizadas industrialmente en proceso de la ósmosis inversa (Ver figura 6).
Figura 9. Membrana en fibra hueca
Figura 10. Capilaridad en fibra hueca
De acuerdo a su composición Química: atendiendo a la composición química de la capa activa, las membranas pueden clasificarse en dos grandes grupos: Orgánicas. Inorgánicas. Membranas Orgánicas: reciben éste nombre todas aquellas membranas cuya capa activa está fabricada a partir de un polímero o copolímero orgánico. Aunque existe un gran número de polímeros, copolímeros y mezclas, tanto naturales como sintéticos con los que se pueden fabricar membranas, muy pocas de éstas son aptas para la ósmosis inversa. De todos los compuestos orgánicos, los que han tenido éxito en la fabricación de membranas de ósmosis inversa son:
Ventajas Inconvenientes
Alta permeabilidad Alta sensibilidad a la hidrólisis
Elevado porcentaje de rechazo de sales
Posibilidad de degradación
Tolerancia al cloro libre Alto riesgo de disolución de la membrana Bajo costo Aumento del paso de sales con el tiempo
Tabla 3. Ventajas y Desventajas
Membranas Inorgánicas: las membranas orgánicas presentan dos limitaciones importantes que reducen su campo de aplicación: su estabilidad química y la resistencia a la temperatura. La búsqueda de soluciones a estos dos problemas ha desembocado en la utilización de materiales inorgánicos para su fabricación. Como características comunes a las membranas inorgánicas cabe señalar que su desarrollo acaba de comenzar, disponiéndose solamente de membranas de microfiltración y ultrafiltración, no existiendo todavía en el mercado, en estos momentos, ninguna membrana de ósmosis inversa de esta naturaleza. [11]
Clasificación según la Morfología de su Superficie: atendiendo al aspecto que presenta la cara exterior de la capa activa, las membranas pueden ser: Lisas: son aquellas cuya cara exterior de la capa activa es lisa. Rugosas: son aquellas membranas cuya cara exterior de la superficie activa es rugosa. La morfología de la superficie tiene importancia tanto desde el punto de vista del ensuciamiento como del de la limpieza de las membranas. Una superficie rugosa, además de ensuciarse más fácilmente, es más difícil de limpiar. Clasificación Según la Presión de Trabajo: el parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa en la presión de trabajo. Como dicha presión debe ser varias veces superior a la presión osmótica de la solución de aporte, debido, por un lado, a los fenómenos de polarización de la membrana, y por otro, al aumento de concentración que se produce a medida que se va generando permeado, su valor vendrá condicionado por la salinidad de la solución a tratar. Las membranas de ósmosis inversa disponible en el mercado pueden encuadrarse en una de las cuatro categorías siguientes: Membranas de muy baja presión: son las que trabajan con presiones comprendidas entre 5 y 10 bares. Se utilizan para desalar aguas de baja salinidad (entre 500 y 1 mg/l) y fabricar agua ultra pura.
Figura 11. Membranas, espaciadores y placas porosas de un módulo de placas.
Figura 12. Distribución de flujos en cada paquete.
La misión de los separadores o espaciadores es triple:
Separar las capas activas de dos membranas consecutivas.
Lograr un correcto reparto hidráulico de la solución a tratar sobre las membranas permitiendo el paso de líquido entre ambas.
Recoger de manera uniforme el rechazo impidiendo la formación de caminos preferenciales.
Módulos Tubulares: los módulos se fabrican a partir de membranas tubulares y tubos perforados o porosos que les sirven de soporte, pudiendo así resistir el gradiente de presiones con que deben trabajar. Como esta configuración suele utilizarse para el tratamiento de líquidos cargados (aguas residuales, zumos, etc.), se colocan, a veces, en el interior de los tubos, dispositivos especiales destinados a producir altas turbulencias que aseguren elevadas velocidades de circulación sobre la superficie de las membranas e
impidan la deposición sobre ellas de las distintas sustancias en suspensión existentes en el líquido a tratar (ver figura 12).
Figura 12. Módulos tubulares.
Módulos espirales: se le llama así porque está formada por membranas planas enrolladas en espiral alrededor de un tubo central, cada “paquete”, consta de una lámina rectangular de membrana semipermeable doblada por la mitad de forma que la capa activa quede en su exterior. Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales para recoger el permeado que atraviese la membrana y conducirlo hacia el tubo central de recogida.
Encima de la capa activa de la membrana se coloca una malla provista de canales de distribución para repartir homogéneamente la solución de aporte sobre toda la superficie de la membrana. El paquete así formado se enrolla alrededor del tubo central, como se muestra en la siguiente figura, dando lugar a un cilindro al que se le colocan en sus extremos dos dispositivos plásticos para evitar su deformación, tras lo cual se recubre el conjunto con una capa de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio para darle la rigidez y la resistencia mecánica necesarias (ver figura 13).
Figura 13. Membrana en espiral
inversión fuese reducida, los costos de operación y mantenimiento serían elevados por las frecuentes limpiezas y deterioros de los módulos.
Osmosis y Osmosis Inversa
Asignatura: Geometria Vectorial (2555120)
Universidad: Universidad de Antioquia
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