3. Osmoza invers

Alturi de microfiltrare i ultrafiltrare, osmoza invers (OI) este definit ca un proces de baromembran, dat fiind modalitatea comun prin care faza continu din amestecul supus separrii, trece prin membran (aciunea diferenei de presiune). Ca urmare a sintezei unor membrane performante, separrile prin osmoz invers au cunoscut n ultimul timp o dinamic ascendent.Osmoza este procesul de difuzie a uneia sau a mai multor substane (dintr-o soluie), printr-o membran permeabil sau semipermeabil, cu alte cuvinte, trecerea lent printr-o membran a unui dizolvant (ex. apa) ntr-o soluie cu o substan solubil (ex. sruri). Fenomenul de osmoz se produce cnd dou soluii apoase de concentraii diferite sunt situate n dou celule desprite printr-o membran semi-permeabil.

Acest proces nceteaz cnd presiunea hidrostatic care se exercit asupra soluiei mai concentrate atinge o anumit valoare de echilibru numit presiune osmotic, notat n figur cu p. Presiunea osmotic variaz proporional cu concentraia substanei dizolvate n ap i cu temperatura. Procesul normal de osmoz poate fi inversat dac asupra soluiei concentrate se va exercita o presiune mai mare dect presiunea osmotic. n acest caz, se va produce, datorit presiunii exterioare mari, o circulaie a apei n sens invers. Astfel, dintr-o ap bogat n sruri se va obine o ap curat. Acest proces este utilizat pentru obinerea apei dulci (potabile) din apa de mare.

n mod natural apa pur difuzeaz prin membrana semi-permeabil din celul cu concentraie mai mic, n celul cu concentraie mai mare, avnd tendina de egalizare a concentraiilor n ambele celule i deci, de stabilire a echilibrului. Semi-permeabilitatea membranei se traduce prin faptul c aceasta permite trecerea unor anumite specii i nu permite trecerea altora. Pe principiul fenomenului invers celui prezentat anterior, adic prin osmoza invers, apa pur va trece prin membrana semi-permeabil din soluia concentrat n cea diluat, n final obinandu-se apa pur.

Acest lucru se va realiza prin aplicarea unei fore asupra coloanei cu soluie concentrat care va nvinge presiunea osmotic i va determina trecerea apei n celul cu soluie diluat. Filtrarea pe principiul osmozei inverse se realizeaz prin intermediul unor module compuse dintr-un vas sub presiune n care se introduc membranele filtrante.

Fig. 3.1. Principiul osmozei inverseCercetrile sunt orientate spre obinerea de noi materiale cu selectivitate ridicat, pe optimizarea transportului prin acestea i pe extinderea domeniilor de aplicare a operaiei. Modelele de transfer de mas prin membranele de osmoz invers sunt difereniate n funcie de natura polimerului. Pentru membranele neutre exist trei tipuri de modele de transfer: prin membrane neporose, prin membrane poroase i modele bazate pe termodinamica proceselor ireversibile. Modelul solubilizare-difuzie consider c membrana este o barier neporoas, speciile moleculare din amestecul de separate se dizolv n membran conform echilibrului membran-soluie i difuzeaz printr-un mecanism corespunztor transferului prin solid (polimer) sau lichid (pori). Fluxul total de mas (JT) prin membran este dat de suma fluxurilor de solvent (JW) i solut (JS).

Pentru o membran cu selectivitate mare:

Diferena de presiune osmotic este:

Fluxul volumetric de solvent prin membran este:

sau:

Deoarece la valori mici ale lui x se poate scrie,

i nlocuind:

relaia de mai sus devine:

sau

n care:

DW este coeficientul de difuziune al solventului,C1W,m - concentraia solventului (apei) n membran,Vw volumul molar al solventului,p diferena de presiune transmembran, - diferena presiunilor osmotice pe cele dou fee ale membranei,m grosimea membranei,A constant pentru solvent.

Deoarece prin membran poate trece i solut, fluxul acestuia va fi:

DS,m este coeficientul de difuziune al solutului prin membran,1 s,m- concentraia solutului n soluia de alimentare, la suprafaa membranei,KS constant de echilibru pentru solut,B constant pentru solut.Relaiile obinute se utilizeaz pentru dimensionarea instalaiilor de osmoz invers. Parametrii A i B nu depind de concentraiile soluiilor, valorile lor determinndu-se experimental. Dac parametrul B este independent de presiune, valoarea lui A descrete cu creterea presiunii, ca rezultat al compactrii membranei. Ambii parametrii depind de temperatur i de grosimea stratului dens al membranei asimetrice, scznd cu grosimea. Pentru dimensionarea utilajelor de separare prin osmoz invers trebuie s se cunoasc: debitul de soluie de separat, concentraia solutului n soluia de alimentare, gradul de separare, caracteristicile de separare ale membranei (constantele A i B), presiunea de operare, natura amestecului i dependena presiunii osmotice de concentraie. Calculele de dimensionare vor stabili ceilali parametri de funcionare ai instalaiei sau modulului precum i aria de transfer necesar. Performanele de separare sunt influenate de modul de contactare a fazelor. Exist module cu amestecare perfect a ambelor faze i modul cu curgere tip piston. Indiferent de modul de curgere a fazelor, pentru calculele de dimensionare se vor utiliza ecuaiile de bilan precum i cele de transfer ale solventului i solutului.Caracteristici ale modulelor utilizate la osmoz invers

Primul material folosit la confecionarea membranelor semipermeabile a fost acetatul de celuloz, obinut n condiii speciale. Ulterior s-au obinut i membrane semipermeabile din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micti de acetat - butirat de celuloz, amestecuri de acetat i nitrat de celuloz, .a.). n prezent se obin membrane ce permit o eliminare a substanelor dizolvate, mai ales a speciilor ionice, n proporie de 95-99%. Membranele folosite n separarea prin osmoz sunt foarte subiri (0,2 m) i au o fragilitate ridicat. Membranele utilizate n osmoza invers sunt supuse la diferene mari de presiune de 20 100 bar, ceea ce determin dificulti deosebite la realizarea instalaiilor practice care trebuie s aib o bun etaneitate, o structur compact, durabilitate mare i s evite colmatarea i polarizarea de concentraie.Marea diversitate a caracteristicilor fizice ale amestecurilor care se pot separa prin osmoz invers impune cerine diverse modulelor de separare. Cele mai importante cerine sunt:

- rezistena mecanic ridicat;

- condiii hidrodinamice care s minimizeze tendina de colmatare a membranei i s reduc polarizarea concentraiei astfel nct intervalul dintre dou curiri s fie ct mai mare;

- costuri minime de investiie i ntreinere;

- durat mare de exploatare, ntreinere uoar etc.

Din punct de vedere constructiv modulele de separare prin osmoz invers pot fi spiralate, plane, tubulare etc. Modulele spiralate sunt alctuite din mai multe straturi ntre care se formeaz canale distincte de curgere a celor dou faze. Lungimea acestor module este de circa 1 m, diametrul de pn la 200 mm i au o suprafa total de 30-60 m2. Mai multe astfel de module pot fi nseriate i plasate ntr-un recipient sub presiune.Principalii factori care influenteaz performanele sistemelor pe baz de osmoz invers sunt:

presiunea, temperatura, concentraia n sruri a fluxului de alimentare.Performanele membranelor sunt afectate i de anumite impuriti care se pot gsi n fluxul de alimentare, cum sunt: hidrai ai oxizilor metalici, precipitate de calciu, materii organice i biologice etc. Pretratarea apei de alimentare a sistemelor cu membrane reduce considerabil contaminarea acestora i le mbuntete performanele.

Ca aplicaii ale osmozei inverse se menioneaz:

- desalinarea apei de mare n scopul obinerii apei potabile (capacitatea unei instalaii este de 3000-50000m3/zi, presiunile de operare sunt de 20-60 bari);

- obinerea apei ultrapure pentru microelectronic;

- n industria alimentar (produse lactate, buturi, sucuri de legume i fructe, concentrarea extractului lichid de cafea);

- tratarea apelor uzate rezultate din diferite procese tehnologice.

Fig. 3.2. Instalaie de separare prin osmoz invers

Fig. 3.3. Structura unui modul pentru osmoza invers

Hiperfiltrarea. Prin convenie termenul de osmoz invers este utilizat pentru a descrie separarea unei soluii apoase la trecerea acesteia printr-o membran semipermeabil datorit unui gradient de presiune.

Recent acelai tip de proces a fost aplicat pentru separarea unor amestecuri de compui organici, de exemplu separarea metal-etil-cetone dintr-un amestec de uleiuri, aplicaie utilizat n procesul de preparare a lubrifianilor. Acest tip de separare din diverse amestecuri este cel mai bine a fi numit hiperfiltrare. Descrierea matematic a acestui proces este identic cu cea pentru osmoza invers. Curbele obinute au n esen aceeai form ca cele descrise de soluiile saline.

Utilizarea membranelor pentru separarea solvenilor organici prin hiperfiltrare este o aplicaie promitoare a osmozei inverse n industria chimic a compuilor organici. Acest tip de separare este destul de dificil de realizat deoarece membrana trebuie s fie destul de stabil din punct de vedere mecanic la aciunea solventului, dar n acelai timp trebuie s fie suficient de permeabil pentru solvent. Realizarea unor membrane pentru separarea prin hiperfiltrare este mult mai dificil dect n cazul osmozei inverse convenionale, deoarece pentru fiecare categorie de solvent trebuie concepute diferite tipuri de membrane.Osmoza invers (OI) Separare:

- compui cu mase moleculare mici (1000 Daltoni sau uniti atomice de mas, 1g = 6.02214 X 1023Da) i cu dimensiuni sub 0,001 microni

Materiale:

- acetat de celuloz modificat

- polisulfona

- poliamida

- poliimida

- materiale ceramice

Configuraie:- tubulare

- spiralate

- hollow-fiber (fibr cu canal)

Aplicaii industriale: - desanilizarea apei de mare

- obinerea apei pure pentru centralele termice i n microelectronic

- concentrarea laptelui

- prelucrarea apelor uzate

- concentrarea sucurilor de fructe

- industria vinurilor, oetului i a berii etc.

Fig. 3.4. Prezentare sugestiv pentru procesul de OI