09 May ÓSMOSIS INVERSA. CARACTERÍSTICAS MODULARES Y FENÓMENOS DE TRANSPORTE

El presente artículo desarrolla determinados aspectos fundamentales a la hora de diseñar un equipo de ósmosis inversa, partiendo de la información detallada en el artículo anterior, donde se describía el proceso de ósmosis inversa y se definía la presión osmótica en función de las molaridades de los solutos presentes en la disolución de alimentación.

Configuraciones en Ósmosis Inversa

Las configuraciones más utilizadas a la hora de aplicar el proceso de ósmosis inversa para la desalinización de agua son principalmente los módulos de membrana en espiral y los módulos de membrana de fibra hueca, utilizando normalmente como materiales el triacetato o diacetato de celulosa, o bien membranas de poliamida. Los acetatos de celulosa son vulnerables tanto a los ataques biológicos como a los procesos de hidrólisis ácida o básica en la propia matriz del material, Por ello, es necesario llevar a cabo procesos de cloración en el agua de alimentación para controlar el pH en un rango de 4,5 – 7,5. Por el contrario, las poliamidas resisten los ataques biológicos, además de los procesos de hidrólisis en un rango de pH de 4 – 11, pero son atacadas por el cloro.

Con respecto a la desalinización de agua de mar, con una concentración en sales de 3,5% en peso y una presión osmótica de 350 psi, el módulo comúnmente empleado es la membrana en espiral multicapa fabricada con poliamida y una fina lámina de composite, operando con presiones de alimentación de 800 – 1000 psi. Con flujos transmembrana de agua de aproximadamente 0,365 m3/m2 – día, dicha configuración puede recuperar hasta el 45% de agua con una pureza de casi el 99,95 % en peso. Estos módulos tienen unas dimensiones de 20 cm de diámetro y 1 m de largo con una superficie de membrana de 34 m2.

Por su parte, el agua salobre, debido al 0,5% en peso de sales disueltas que contiene, se trata con módulos de fibra hueca, fabricados con acetato de celulosa o poliamidas, siempre que los problemas por fouling no sean significativos. Con una presión osmótica menor de 250 psi, los flujos transmembrana pueden llegar a alcanzar los 0,81 m³/m² – día.

Cabe destacar que la caída de presión en el lado de la alimentación es importante ya que puede causar la reducción de la fuerza impulsora de transporte de agua. Debido a las complejas configuraciones utilizadas en los diseños de los módulos mencionados, lo más recomendable es estimar dicho parámetro a partir de datos experimentales. La caída de presión en el lado de la alimentación para módulos en espiral o de fibra hueca está comprendida, respectivamente, entre 43 – 85 psi y 1,4 – 4,3 psi.

En el caso de los fenómenos de transporte relativos al proceso de ósmosis inversa, se sabe que cuando existen solutos a ambos lados, el equilibrio de presiones, recordando la nomenclatura del artículo anterior, sería (P1 – π1) = (P2 – π2). En conclusión, la fuerza impulsora para el transporte de solvente se expresa como ∆P – ∆π y la velocidad de transporte de masa viene expresada como:

donde ∆P y ∆π son la diferencia de presión hidráulica y osmótica entre la alimentación y el permeado respectivamente,  la permeabilidad del agua en la membrana y  el grosor de la membrana.

Según lo anterior, a mayor sea ∆P, más puro será el permeado de agua. A su vez, el flujo de sales se puede expresar como el paso de sal, SP:

Al aumentar ∆P, disminuye SP y la eliminación de sal se puede expresar mediante SR = 1 – SP.

El gradiente de concentración en el lado de la alimentación es importante en el proceso de ósmosis inversa, donde cs es la concentración de sales. El flujo de agua con las sales contenidas en ella se lleva a cabo mediante flujo turbulento pero la imposibilidad de paso de las sales a través de la membrana provoca que la concentración de estas en la superficie de la membrana sea más alta que en la corriente inicial de alimentación, >. Dicha diferencia provoca una transferencia de masa por difusión de sales de vuelta a la disolución de alimentación.

Dependiendo directamente del coeficiente de transferencia de masa de la película de sal creada sobre la membrana, se determina el valor de la presión osmótica en la expresión anteriormente expresada. Considerando el estado estacionario de transporte de agua hacia la membrana con difusión de retorno de las sales, el balance de sales se puede expresar como:

Despejando C_si :

El efecto del gradiente de concentración es más significativo en el caso de altos flujos de agua y bajos coeficientes de transferencia de masa. Dicha importancia se puede cuantificar reorganizando la anterior expresión para definir el factor Г:

Los valores de SR están en el rango de 0,97 – 0,995. Si el valor de Г es superior a 0,2, el gradiente de concentración puede ser significativo, lo que indica la necesidad de llevar a cabo modificaciones de diseño que reduzcan dicho valor.

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