Ósmosis Inversa La ósmosis inversa es un proceso de permeación a través de una membrana para la separación, del agua residual, mediante un proceso de fusión controlada o cribado. Tiene la capacidad de seleccionar partículas de agua de tan solo 0.001 mm. Principio de la ósmosis inversa La siguiente figura explica el principio de la ósmosis inversa, donde la figura (a) representa la osmosis directa donde el disolvente fluye espontáneamente a través de la membrana semipermeable. Por otra parte, en la figura (b) se representa la condición de equilibro. En este momento la altura del líquido que se ha desarrollado, debido al flujo de disolvente que pasa a través de la membrana, es igual a la presión osmótica y por lo tanto el flujo de disolvente se detiene. En la figura (c) se representa lo sucedido cuando se aplica una fuerza F superior al valor de la presión osmótica a la solución sacarosa. en este caso el flujo disolvente se invierte, es decir, desde el compartimiento conteniendo la solución sacarosa al compartimiento de agua. Este fenómeno se denomina ósmosis inversa.
En el tratamiento de aguas residuales, el afluente contaminado se pone en contacto con una membrana adecuada donde la presión que se le aplica es mayor a la presión osmótica de la solución, procedimiento similar al de la figura (c) donde el compartimiento de la izquierda contiene agua residual en vez de la solución sacarosa. Bajo estas circunstancias, el agua que ingresa con una cantidad muy pequeña de contaminantes, debido a que es un tratamiento terciario, pasa por la
membrana. Los contaminantes disueltos se concentran en el compartimento del agua residual. Este concentrado que se obtiene y que posiblemente sea una pequeña fracción del volumen del agua residual a tratar, se descarga y de esa forma se obtiene agua purificada en el otro compartimiento. En la práctica, el tratamiento por ósmosis inversa se lleva a cabo mediante un sistema tubular, donde el agua residual fluye, bajo una presión más elevada que el valor de su presión osmótica, a través de un tubo interior formado por material semipermeable diseñado para soportar grandes presiones. El agua purificada, se separa en el tubo exterior que se encuentra a presión atmosférica y que, a diferencia del tubo interior, se encuentra fabricado con un material ordinario.
Preparación de las membranas de ósmosis inversa Las primeras aplicaciones del proceso de ósmosis inversa se realizaron para desalinizar el agua, desde entonces se ha realizado un gran trabajo de investigación para emplear este método en el tratamiento de aguas residuales, se dio gran importancia a este tipo de tratamiento ya que se comprobó que algunos compuestos de nitrógeno y fosforo, cromatos y algunos compuestos orgánicos, que no podían ser eliminados en procesos anteriores, gracias al proceso de ósmosis inversa pudieron ser eliminados del agua residual, por lo que se considera que este proceso es un buen complemento de los procesos convencionales. Durante muchos años se ha buscado diferentes tipos de membranas semipermeables, donde se comprobó que las membranas animales y vegetales son muy buenas membranas, también llegando a experimentar con otros materiales semipermeables como el colodión, vidrio poroso, celofanes, vidrio finamente molido, etc. Donde la principal desventaja es que se producen grietas por lo que son alternativas de corta duración y que debido al desgaste presentan irregularidad de la producción de agua purificada en el tratamiento.
Después de haber experimentado con los materiales anteriormente mencionados, se llegó a la conclusión de que las membranas de acetato de celulosa (AC) son las mejores membranas. Los investigadores Sourirajan, Agraval y Loeb desarrollaron una técnica que permite utilizar las membranas AC de tal forma que tengan una gran permeabilidad y gran rendimiento de separación de solutos a partir de soluciones acuosas de cloruro sódico. Dicha técnica se presenta a continuación: 1. Etapa de Formación:
La disolución para formar la película contiene acetato de celulosa que se encuentra disuelto en acetona. A esta acetona, se le añade un aditivo soluble en agua que no afecte la solubilidad del acetato de celulosa en la acetona. Las membranas de forma tubular o plana se forman a aproximadamente 10 °C, donde adicionalmente, las membranas tubulares, van provistas de un revestimiento de tubo poroso de fibra de vidrio reforzada. 2. Etapa de Evaporación:
En esta etapa, la acetona se evapora de la superficie de la membrana cuando esta se encuentra a la temperatura de la etapa anterior. 3. Etapa de Gelatinización:
La película formada anteriormente se sumerge en agua helada, por lo menos, durante una hora. Después de eso, la película forma un gel del cual se desprenden la acetona y el aditivo, donde se forma una película porosa rígida sobre la superficie plana o tubular. 4. Etapa de Contracción:
La película porosa obtenida en la etapa anterior presenta poros muy grandes, lo cual no es útil para el proceso de purificación del agua. Para disminuir el tamaño de dichos poros, la membrana recibe un tratamiento térmico donde se somete a un baño caliente de aproximadamente de 10 min. Dependiendo de la temperatura a la que se vea sometida la película va a ser el tamaño del poro, lo cual permitirá distintos grados de purificación del agua tratada. Las temperaturas más altas que se utilizan van de 70°C -98°C y son aquellas que producen las porosidades más pequeñas.
Existen dos parámetros básicos para caracterizar los sistemas de purificación que trabajan con el método de osmosis inversa:
Producción de agua purificada por cada unidad de área de la membrana (flujo de agua) Calidad del producto tratado, es decir, pureza del agua (factor de rechazo)
Flujo de Agua El flujo de agua que pasa a través de la membrana seleccionada se determina por:
Características físicas de la membrana como espesor, porosidad, etc. Condiciones del Sistema como la temperatura, presión diferencial a través de la membrana, concentración salina y velocidad de alimentación.
En la práctica, tanto las características físicas como algunas condiciones del sistema asi como la temperatura y las concentraciones del soluto son factores fijos que depende del proceso que se vaya a realizar. Por lo tanto, el flujo de agua pasa a ser función de la presión diferencial a lo largo de la membrana. A continuación, se presenta la formulación matemática que representa el flujo de agua:
Donde: FH2O = Flujo de Agua (l/d*m2) A = coeficiente de paso por unidad de área de membrana (l/d*m2*atm) PF= presión ejercida sobre la solución de alimentación (atm). PP= presión del producto (atm). πF=presión πp=
osmótica de la solución de alimentación (atm)
presión osmótica del producto (atm)
Cuando se realiza un ensayo de laboratorio, donde se utiliza agua destilada como solución de alimentación ∆π = 0, por lo tanto, la ecuación presentada anteriormente se reduce a la clásica ecuación de flujo:
Factor de Rechazo El factor de rechazo expresa la calidad del agua que entra al sistema en comparación con el producto
Donde: CF= Concentración de soluto en la solución. CP= Concentración de soluto en el producto. El factor de rechazo es una medida selectiva, por ejemplo, un f=0.9 significa que CP =0.1 CF, es decir, que el producto contiene un 10% de la concentración que se tenía en la alimentación y que por lo tanto el 90% del soluto fue retenido en la membrana. Los factores CF y CP pueden obtenerse mediante la determinacion de los sólidos totales disueltos.
La capacidad que tenga la membrana para rechazar a los solutos dependerá de una apropiada combinación de las características físico-químicas del soluto, además de la membrana y del agua. Existen algunas propiedades del soluto de las cuales dependerá cuanto rechazo tenga la membrana:
Valencia: a mayor carga del ion, mayor será el rechazo. Tamaño Molecular: a mayor tamaño molecular del soluto, mayor será el rechazo. Tendencia al enlace de Hidrogeno: la permeabilidad aumenta con la intensidad del enlace hidrogeno.
Adicionalmente, la capacidad de la membrana para rechazar las sales disminuye con el tiempo de operación. A continuación, se presenta un gráfico que muestra la variación del rechazo con respecto al tiempo
Efectos de la temperatura de contracción en las membranas AC Como se analizó anteriormente, la temperatura de reducción del tamaño de los poros no permite tener un mayor control para separar los contaminantes del agua. Por otro lado, el flujo del agua disminuye para temperaturas mayores a los de la etapa de contracción. Por lo tanto, debe buscarse un equilibrio económico entre el flujo de agua y el rechazo. A continuación, se muestra un gráfico diseñado por los investigadores Koopecek y Sourirajan que relacionan estos dos factores para 3 membranas AC diferentes:
Efecto de la temperatura de alimentación en el flujo La permeabilidad de la membrana aumenta 0.83 % por °C aproximadamente. El flujo de una membrana se especifica normalmente a 24 – 25°C. Para otros valores de temperaturas, existen factores de corrección determinadas experimentalmente que son las más exactas. En la siguiente figura se presenta una curva obtenida por Gulf Environmental Systems Co. Para membranas modificadas de acetato de celulosa.
Ejemplo de Diseño Se desea especificar la superficie de una membrana para un sistema de ósmosis inversa que trata agua residual a razón de 378500 l/d. La estadística muestra que la temperatura del agua más baja es de 20°C. La membrana de acetato de celulosa elegida se espera que tenga un flujo medio de 610 l/d*m 2, operando a una presión de 43.3 kg/cm 2. Se determinó el flujo medio a una temperatura de 25°C. Determinar la superficie requerida de la membrana para operar a 20°C Solución:
Debido a que el flujo de agua como la producción de agua fueron obtenidos a 25°C, primero se encuentra el área necesaria a esa temperatura para posteriormente multiplicarla por el factor de corrección CF. Procedimiento:
Área necesaria a 25°C
Área necesaria a 20°C, factor de corrección Cf es 1.15
