ÓSMOSIS INVERSA

Osmosis Inversa

Tecnología en Ingeniería de Abastecimientos

Osmosis Inversa: Temario

Principios de la osmosis inversa

Polarización por concentración

Ecuaciones de transporte

Rendimientos del proceso

Componentes de una unidad de ósmosis inversa.

Principios de la osmosis inversa

• Cuando dos soluciones con dos concentraciones de soluto diferentes están separadas por una membrana semipermeable, existe una diferencia de potencial químico . El agua tiende a pasar a través de la membrana desde el lado de menor concentración (mayor potencial) hasta el de concentración mayor (menor potencial).

Osmosis Inversa

• En un sistema de volumen finito el flujo de agua continua hasta que la diferencia de presión compensa la diferencia de potencial químico, concentración del soluto y de la temperatura.

Osmosis Inversa

• ¿Qué es la Ósmosis Inversa?

Si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración de sales.

Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis.

Principios de la Ósmosis Inversa

• Si se introduce un gradiente de presión de dirección opuesta y mayor que la presión osmótica, aparecerá un flujo a través de la membrana desde el lado más concentrado al menos, denominado osmosis inversa. ©


Modelo conceptual del flujo osmótico a) Flujo osmótico; b) equilibrio osmótico; c) ósmosis inversa

∆P<∆ Po ∆P= ∆ Po ∆Pa>∆ Po

Ósmosis Equilibrio Ósmosis inversa

• Por lo tanto la osmosis inversa es un proceso de separación de membrana inducido por la aplicación de una presión. En la figura se muestra un esquema de una unidad de osmosis inversa.

• La unidad está separada en dos compartimentos mediante una membrana. El agua alimento es presurizada e introducida por la presión aplicada, pasa a través de la membrana.


• El agua alimento es presurizada e introducida por la presión aplicada, pasa a través de la membrana. El permeado resultante es recogido en el segundo compartimento con un caudal Qp.


Osmosis Inversa

Esquema de una unidad de ósmosis inversa

Principios de Ósmosis Inversa

• Para poder purificar el agua necesitamos llevar a cabo el proceso contrario al de la ósmosis convencional, es lo que se conoce como Ósmosis Inversa. Se trata de un proceso con membranas. Para poder forzar el paso del agua que se encuentra en la corriente de salmuera a la corriente de agua con baja concentración de sal, es necesario presurizar el agua a un valor superior al de la presión osmótica. Como consecuencia a este proceso, la salmuera se concentrará más.

• Por ejemplo, la presión de operación del agua de mar es de 60 bar.

http://www.lenntech.es/biblioteca/osmosis-inversa/que-es-osmosis-

inversa.htm#ixzz3BQKPll3X

http://www.lenntech.es/biblioteca/osmosis-inversa/que-es-osmosis-inversa.htm





















• El agua pasa a través de la membrana a una velocidad mayor que la mayoría de los sólidos disueltos (soluto), obteniéndose un permeado con una menor concentración de solutos. Los solutos rechazados por la membrana permanecen en el compartimiento del agua alimento. Esta agua, denominada concentrado, sale de la unidad con un caudal Qc y es despresurizada previamente a su tratamiento y/o vertido.

Principios de Ósmosis Inversa

¿Qué elimina?

• Los iones y Metales

El arsénico, aluminio, bario, cadmio, calcio, el cloruro, cromo, cobre, fluoruro, hierro, plomo, Magnesio, Manganeso, Mercurio, nitrato, potasio, Radio, selenio, plata, sodio, sulfato, Zinc

• Partículas La asbestos, quistes de protozoarios.

• Pesticidas Endrina, heptacloro, lindano, pentaclorofenol

Ec de Balance volumétrico

𝑄𝑓 = 𝑄𝑐 + 𝑄𝑝

Ec. De balance de materia:

𝑄𝑓 × 𝐶𝑓 = 𝑄𝑐 × 𝐶𝑐 + 𝑄𝑝 × 𝐶𝑝


• En el proceso se utilizan técnica con membranas, a medida que el disolvente, solo o acompañado de sustancias de reducido peso molecular, atraviesa la membrana y es eliminado con el permeado, se produce un rechazo de aquellas especies que no atraviesan la membrana y son retenidas por la misma

• Cuando no se ha alcanzado aún el estado estacionario, el flujo conectivo de estos componentes hasta la superficie de la membrana es mayor que el flujo disfuncional de los mismos hacia el seno de la disolución.

• Ello origina una acumulación de especies rechazadas en las proximidades de la membrana, que da lugar a la polarización por concentración


• Cuando se alcanza el estado estacionario se establece un gradiente de concentración en la capa límite adyacente a la membrana hacia la superficie de esta, debido al flujo global, se iguala al flujo difusional de estas especies en dirección inversa (hacia la disolución global) debido al gradiente de concentración.


Polarización de concentración en un proceso de membrana


• Aspectos negativos:

– Aumento de la concentración de soluto en las proximidades de la membrana origina un incremento en el flujo de soluto a través de la misma. Al mismo tiempo, el incremento de potencial químico en la interface membrana-disolución origina una reducción del potencial que fuerza el transporte.


– El incremento de la concentración en la superficie de la membrana puede conducir a la saturación de la solución en un determinado componente, lo puede originar la precipitación o formación de una capa de gel por parte de estos componentes saturados.

– Esto produce una disminución del área eficaz de una membrana y adiciona una segunda resistencia a la transferencia de materia en serie con la que provoca la membrana


– El depósito de solutos sobre la superficie de la membrana puede provocar cambios en la composición química de la misma y modificar, en consecuencia sus propiedades de separación.

– La presión osmótica en la interface membrana-disolución aumenta, y por ello, el potencial eficaz de transferencia disminuye, lo que origina un descenso en el flujo de permeado. Este hecho adquiere gran importancia cuando se trabaja con soluciones de alimentos o agua de mar que poseen una elevada presión osmótica.


• La existencia de estos factores negativos ha hecho que en la práctica, el flujo a través de membranas sea solo del orden de 2% a 10% del que se produce para el agua pura. Esto justifica el elevado esfuerzo realizado, desde los primeros desarrollos de la tecnología de membranas, para conocer y controlar este fenómeno.


• El flujo de moléculas de agua y de soluto a través de una membrana no totalmente selectiva se presenta mediante las expresiones:

𝐽𝑆 = 𝐴. (∆𝑃 − 𝜎∆𝜋)/𝜏

𝐽𝑉 = 𝐵.∆𝐶

𝜏+ 1 − 𝜎 𝐽𝑉 . 𝑐

Ecuación de transporte

Donde: Jv= densidad de flujo de agua (Jv= Qp/S) Js= densidad de flujo de soluto (en régimen estacionario) Js= Jv . Cp. A= coeficiente de permeabilidad del agua B= Coeficiente de permeabilidad del soluto. = Coeficiente de rechazo. ∆P= Pf-Pp: Diferencia de presión aplicada entre ambos lados de la membrana ∆C= Cw-Cp: Diferencia de concentraciones a ambos lados de la membrana. c= (Cw+Cp)/2: S= Superficie activa de la membrana

= espesor de la membrana


• Los coeficientes A, B y π son específicos de la membrana dependen de parámetros de calidad del agua tales como temperatura, PH y fuerza iónica. La estructura de la membrana es afectada por las elevadas presiones hidráulicas y temperaturas, haciendo que los coeficientes de permeabilidad varíen con el tiempo.

• Estos coeficientes pueden, asimismo variar como consecuencia del ensuciamiento, formación de costras de precipitados inorgánicos o deterioro biológico de la superficie de la membrana.

• El rendimiento de las membranas de osmosis inversa se presenta normalmente mediante un parámetro denominado paso de soluto


• O también por el rechazo del soluto: 𝑅𝑆 = 1 − 𝑃𝑆

La productividad de una unidad de osmosis inversa es medida mediante la recuperación de permeado.

𝑃𝑆 = 𝐶𝑃

𝐶𝑤


• La producción de agua y las eficacias en la eliminación de contaminantes alcanzados en una planta de osmosis inversa de muchos parámetros de operación y de calidad del agua a tratar. En este apartado se estudia la influencia de la presión hidráulica, la calidad del agua alimento y el ensuciamiento de la membrana

Influencia de distintos factores en el rendimiento del proceso

• Tal y como se deduce de la ecuación de JV., el flujo de permeado aumenta linealmente con la presión neta aplicada. Así mismo, para una composición del alimento dada el paso de soluto disminuye al aumentar la presión neta.

Efecto de la presión

• Los parámetros de calidad del agua a tratar que puedan afectar de forma importante al rendimiento del proceso son la composición y el pH.

• En cuanto a la composición, el rendimiento se ve afectado por el tipo de ion mayoritario presente. Así, por ejemplo, para una membrana tipo poliamida cargada positivamente utilizado para eliminar NO3- de un agua residual contenido en 10mg/L de este contaminante, la concentración en el permeado fue de 1 mg de NO3-/L . Cuando el ion mayoritario SO4= y de 0.05mg NO3-/L para el caso de Cl-. Así mismo las membranas tienden a presentar eliminaciones de especies no cargadas que para los correspondientes iones

Características del alimento


• El alimento a un sistema de osmosis inversa suele acidificarse para prevenir la formación de precipitados. Estas condiciones de bajo pH pueden dar lugar a una disminución en la eficacia de la eliminación de electrolitos débiles, ya que estos compuestos tienden a neutralizarse al disminuir el pH. Sin embrago las eliminaciones de boro total son mucho menores a pH bajos, cuando la especie ácido bórico (no cargada) es la predominante. La curva de eliminación de boro está estrechamente relacionada con la de disociación del ácido bórico también representada en la figura.


Ensuciamiento de la membrana

• El termino ensuciamiento (“fooling”) de la membrana se utiliza tanto para la formación de costras por precipitación sobre la superficie de la misma como para la absorción de compuestos orgánicos microorganismos y partículas. En todos los casos tiene lugar una disminución de la producción de permeado y del rechazo del soluto.

Ensuciamiento de la membrana

• Por ultimo otro proceso interfacial causante de problemas es el crecimiento de microorganismos sobre la superficie de la membrana (bioensuciamiento). Una posible solución es la desinfección del agua a tratar, pero desafortunadamente los materiales poliméricos utilizados para la fabricación de membranas tienden a degradarse. Por ello, una solución alternativa es la limpieza periódica de la membrana con detergentes y soluciones acidas o caucásicas

Componentes de una unidad de osmosis inversa.

• El esquema general de una planta de osmosis incluye cuatro procesos básicos: pre tratamiento de alimento, proceso de membrana, post- tratamiento de permeado y tratamiento y/o vertido del rechazo.


• El pre tratamiento consiste normalmente en un condicionamiento químico y micro filtración. La precipitación de sales de calcio y de metales pesados se controla mediante acidificación y adición de un inhibidor de formación de incrustaciones. Los constituyentes del agua que comúnmente tienden a precipitar son carbonatos, fluoruros, hidróxidos, fosfatos, sulfatos, y sulfuros de calcio y la mayoría de los metales pesados. Las relativamente bajas concentraciones de partículas presentes en el alimento son eliminadas mediante cartuchos de micro filtración.


• El proceso de osmosis inversa propiamente dicho incluye normalmente varias líneas en paralelo. El número de unidades por etapa disminuye al pasar de una etapa a la siguiente

• Los gases disueltos tales como CO2 y H2S y compuestos orgánicos volátiles de bajo peso molecular no son eliminados eficazmente por la mayoría de las membranas de osmosis inversa, por lo que pueden concentrarse en el permeado. El pH del permeado desgasificado esta normalmente comprendido entre 4 y 5, por lo que requiere neutralización.


• Los procesos de membrana siempre producen un residuo (rechazo) con un caudal del 10 al 25% del alimento. Antes del diseño de una planta de osmosis inversa es necesario evaluar los métodos adecuados de tratamiento y vestido de este residuo líquido, siendo el más habitual el vertido de mar


• El sistema habitual consta de: – Una válvula de aislamiento para interrumpir el flujo y

proceder al mantenimiento de la instalación.

– Un filtro de cartuchos con una selectividad de 5 a 10 micras, para retener las partículas de gran tamaño.

– Una bomba para impulsar el agua a la presión adecuada.

– Una válvula en la impulsión de la bomba, para regular la presión del sistema.

– Dos presostatos con disparo por alta presión, para proteger el módulo de las sobre presiones accidentales.


– Un termostato en la llegada de agua bruta, para proteger el módulo de las temperaturas excesivas.

– Dos rotámetros para medir el caudal de agua tratada y de rechazo.

– Un presostato con disparo de baja presión, delante de la bomba de presión, para evitar cavitaciones en la misma.


– un conjunto de manómetros para verificar:

• La pérdida de carga del filtro de cartuchos.

• La presión de impulsión de la bomba.

• La presión a la entrada del módulo.

• La pérdida de carga del módulo.

• La presión del agua tratada

– Un conjunto de tomas de muestra (T.M.) para verificar el funcionamiento del sistema


– Un sistema que permita verter al drenaje el agua tratada en la puesta en marcha y durante los lavados de la instalación.

• La adecuada elección de cada elemento del sistema es primordial importancia para el correcto funcionamiento posterior de la planta.

¿Cuándo se utiliza Ósmosis Inversa?

• Cuando las partículas a separar son muy pequeñas en un rango de 2nm - 3Å

• Cuando el peso molecular de las partículas a separar es 2000 a 3000

• Para aguas duras con gran cantidad de sales.

• Eliminación del color y de los precursores de trihalometanos.

APLICACIONES…

• Desalinización de aguas salobres.

• Desalinización de agua de mar.

• Producción de agua ultra Pura.

• Tratamiento de aguas residuales.

• Industria alimentaria

• Industria farmacéutica

• Industria cosmética

• Sodas y plantas de embotellamiento

Requisitos que debería cumplir una membrana de calidad.

• Alta retención de sales minerales y compuestos orgánicos

• Alta permeabilidad al agua pura

• Poco espesor

• Elevada inercia química

• Margen de pH amplio

• Buena resistencia mecánica

• Buena estabilidad en el tiempo

Son respetuosos con el medio ambiente.

Requieren una cantidad mínima de energía y funcionan bien en los sistemas hogareños.

El sabor del agua purificada.

La extracción de minerales disueltos, metales y otras partículas beneficia los sistemas de plomería.

• Ventajas:

Desventajas:

Requieren una enorme cantidad de agua.

El agua que entra al sistema de ósmosis inversa también debe estar libre de bacterias.

Aunque dichos sistemas quitan casi todos los microorganismos, el riesgo de contaminación por pequeñas fugas o partes de deterioradas impiden que se los utilice para eliminar las bacterias.

GRACIAS

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