01 Mar FUNDAMENTOS Y EVOLUCIÓN DE LA ÓSMOSIS INVERSA

El término de origen griego ósmosis hace referencia al proceso de empujar o impulsar. En ingeniería consiste en el paso de un solvente, generalmente agua, a través de una membrana o barrera que es mucho más permeable a dicho solvente que a los posibles solutos que pueda transportar (sales, iones inorgánicos, etc.).

En la Figura 1 se ilustra el proceso definido paso a paso, donde en todos los casos las disoluciones se encuentran a una temperatura ambiente de 25 º C. Inicialmente (a), la celda 1 contiene agua de mar con, aproximadamente, 3,5% en peso de sales disueltas y en condiciones de 1 atm de presión, mientras que la celda 2 contiene agua pura a la misma presión. La membrana densa que separa ambas disoluciones es permeable al agua pero no a las posibles sustancias disueltas en cualquiera de las dos disoluciones.

Mediante el proceso natural de ósmosis (b), parte de la disolución de agua pura de la celda 2 pasa a la celda 1 con el fin de disminuir la concentración de sales en esta última disolución, alcanzándose un equilibrio de forma natural. En este caso, la presión P₂ de la celda 2, sumada a la presión osmótica π que favorece dicho transporte de materia, es mayor que la presión P₁ de la celda 1.

El proceso de ósmosis natural carece de utilidad debido a que genera una filtración en la dirección errónea que da lugar a mezclas indeseadas entre las disoluciones de partida. No obstante, la dirección del transporte de solvente puede revertirse aplicando una presión P₁ en la celda 1 mayor a la suma de la presión P₂ de la celda 2 y la propia presión osmótica. El resultado es lo que se conoce como ósmosis inversa y permite la transferencia y obtención de solvente puro en la celda 2, dejando como retentado en la celda 1 una disolución con una alta concentración de soluto.

Figura 1. Fenómenos de Ósmosis y Ósmosis Inversa. (a) Condiciones iniciales. (b) Equilibrio después de ósmosis. (c) Ósmosis inversa.

Fuente: Separation Process Principles. Henley et al. (2011). Third Edition.

Un factor importante a tener en cuenta a la hora de desarrollar un proceso de ósmosis inversa es la presión osmótica π, la cual es proporcional a la concentración de soluto. En el caso de agua pura, π = 0.

Dicha presión osmótica puede determinarse mediante la expresión simplificada:

donde π se expresa en psia, T en K y el segundo término del segundo miembro de la igualdad es la suma de las molaridades de las sustancias disueltas expresadas en mol/L.

Aplicaciones de ósmosis inversa

El proceso de ósmosis inversa se aplica en la desalinización y purificación de agua de mar, agua salobre y aguas residuales. La primera constancia de aplicación de ósmosis inversa data de 1748 y la llevó a cabo Nollet con agua y un alcohol, utilizando una membrana de origen animal.

Hasta 1980, los procesos de destilación multietapa constituían la única alternativa para la desalinización. A partir de comienzos de los 90, el desarrollo de esta nueva tecnología la convirtió en la alternativa dominante. Actualmente, existen más de mil plantas desaladoras mediante ósmosis inversa que producen agua potable de consumo humano.

Otras aplicaciones de este tipo de tecnología, usada a pequeña escala, son:

• Tratamiento de agua residual industrial para eliminación de sustancias indeseadas o de posible valor comercial.
• Tratamiento de aguas de lavado en procesos galvánicos con el fin de obtener concentrados de iones metálicos y permeados que permitan su reutilización como aguas de lavado.
• Separación de sulfitos y bisulfitos en procesos de industria papelera.
• Tratamiento de aguas residuales en industria del colorante.
• Recuperación de componentes de valor nutricional en corrientes de desecho en industria alimentaria (lactosa, azúcares, etc).
• Tratamiento terciario en depuración de aguas residuales urbanas.
• Deshidratación de ciertos productos alimentarios (café, té, leche, etc.).
• Concentración de aminoácidos y alcaloides.

Depuración y potabilización de aguas con ósmosis inversa

En el caso de la depuración y potabilización de aguas (uso industrial, salobre, agua de mar), la configuración óptima es el módulo en espiral. Como se verá en posteriores artículos, la superposición de capas y el control de la presión aplicada permiten la obtención de caudales de permeado significativos, superiores en muchos casos a los 20 m³/h.

Los procesos de tratamiento previos a la fase de ósmosis inversa resultan fundamentales para el funcionamiento óptimo del equipo de ósmosis y su ciclo de vida. La posibilidad de oxidación de membrana y la aparición de incrustaciones varía en función de la calidad de la corriente de alimentación al equipo.

Cabe destacar, dicho esto, que para poder llevar a cabo todos estos procesos en los que la ósmosis inversa juega un papel fundamental, es necesario que la membrana utilizada tenga una estabilidad química, mecánica y térmica que la haga competitiva con otros procesos alternativos a dicha tecnología. En futuros artículos se hablará sobre la importancia en la elección del material para favorecer las características mencionadas.

Bibliografía: Separation Process Principles. Henley et al. (2011). Third Edition. Chapter 14, pages 542 – 616.