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Cómo funciona la ósmosis inversa


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La difusión molecular es un proceso físico en el que las moléculas de una solución (tanto las moléculas de soluto como de solvente) contenida en un medio determinado (por ejemplo un recipiente de vidrio) tienden a dispersarse de manera uniforme por todo el recipiente. En una solución de agua con sal, tanto las moléculas de sal como las de agua se dispersan de manera uniforme por todo el recipiente hasta quedar la distribución de moléculas equilibrada. El proceso de distribución de moléculas en la difusión molecular se desarrolla u ocurre de la zona de mayor concentración de una determinada sustancia hacia donde la concentración de ese tipo de sustancia es menor, hasta quedar uniformemente distribuida por todo el recipiente. Debido a la difusión molecular, las moléculas de un determinado tipo de sustancia pasan de un medio físico donde la proporción de estas moléculas es alta a un medio donde su proporción es baja, atravesando una membrana permeable fina que separa a ambos medios, hasta que la concentración del soluto y solvente se equilibre, o sea que se logre la misma concentración de solvente y soluto de ambos lados.

La ósmosis es una caso especial de difusión en el que dos soluciones en lugar de estar separadas por una membrana permeable tanto a los solutos como al solvente, están separadas por una membrana semipermeble que solamente puede ser atravesada por las moléculas de solvente (por ejemplo agua), pero no puede ser atravesada por las partículas de soluto (por ejemplo iones de Sodio, Calcio o Cloro). Si dos soluciones de agua con sal están separadas por una membrana semipermeable, solamente podrán atravesar a dicha membrana las moléculas de agua. El movimiento del agua a través de la membrana semipermeable ocurrirá desde la solución de mayor concentración porcentual de agua hacia la solución con menor concentración porcentual de agua, o lo que es igual a decir que el agua se moverá de la solución con menor concentración porcentual de sal hacia la solución con mayor concentración porcentual de sal. Este movimiento de moléculas de agua continuará hasta que se logre el equilibrio en la concentración porcentual de agua y sal en ambas soluciones. Este movimiento de moléculas de agua hacia la solución más concentrada genera una presión sobre la membrana semipermeable y sobre la solución con mayor concentración de sales. Esta presión se denomina presión osmótica.

El proceso de ósmosis puede ser ralentizado, detenido o incluso revertido si se aplica la suficiente presión del lado de la solución con mayor concentración de sales disueltas. Este proceso se denomina ósmosis inversa.

La ósmosis inversa sucede cuando el agua es forzada a moverse en forma contraria al movimiento natural de la ósmosis (que ocurre desde la solución con menor concentración de sales disueltas hacia la solución con mayor concentración de sales disueltas). Por ejemplo, en un recipiente de vidrio con dos mitades separadas por una membrana semipermeable en cuya mitad izquierda hay agua pura sin solutos disueltos, mientras que en la mitad derecha hay una solución concentrada con sales disueltas, naturalmente, por ósmosis el agua atravesaría a la membrana semipermeable hacia la solución con sales disueltas. Sin embargo, en la ósmosis inversa, cuando se aplica una presión sobre la solución derecha con sales disueltas, se forzará a las moléculas de agua a revertir su movimiento y dirigirse hacia el lado con agua pura. No solo regresarán las moléculas de agua hacia el lado izquierdo, sino que también las moléculas de agua que originalmente estaban en la solución derecha se moverán hacia el lado con agua pura.

 
Si se ejerce presión sobre la solución concentrada, el proceso de ósmosis se desacelera. Si la presión ejercida es igual a la presión osmótica, el proceso de ósmosis se detiene. Si la presión ejercida es mayor a la presión osmótica, las moléculas de agua del lado concentrado pasan hacia el lado con agua pura (ya que las partículas de soluto no pueden atravesar a la membrana semipermeable) y ocurre lo que se conoce como ósmosis inversa.

Ejemplo de osmosis inversa  
Ejemplo de ósmosis inversa - Cliquear para ampliar la imagen

 
El uso de la ósmosis inversa como método de desalinización de agua

La ósmosis inversa se utiliza como técnica de purificación del agua. Si bien la ósmosis ocurre naturalmente sin la necesidad de aplicar energía, por el contrario, para invertir al proceso de ósmosis hay que aplicar energía sobre la solución salina. Como la membrana semipermeable permite el paso de las moléculas de agua, pero no permite el paso de las moléculas de sales, bacterias y otras sustancias disueltas (por ser más grandes que los poros de la membrana), al ejercer una presión mayor a la presión osmótica del lado concentrado (o sea, el lado con sales disueltas), las moléculas de agua pasan a través de la membrana semipermeable hacia el lado del agua pura, dejando atrás a la mayoría de las partículas de sales y contaminantes.

La ósmosis inversa se logra utilizando una bomba de presión del lado del agua con sales disueltas. Esta bomba fuerza al agua a atravesar a la membrana semipermeable de la disolución concentrada a la disolución diluida, dejando a la mayoría de las partículas de sales disueltas atrás. La cantidad de presión requerida depende de la concentración de sales disueltas en el agua que hay que purificar. Cuanto más concentrada es la solución de agua (o sea, cuanto mayor es la concentración de solutos disueltos), mayor es la presión osmótica, por lo tanto es mayor la presión contraria que hay que aplicar para superar a la presión osmótica. El agua desalada que se recoge se denomina permeado, mientras que el agua concentrada que queda atrás se denomina concentrado o salmuera. Normalmente, al permeado -o sea, al agua desalada- se le extrae entre el 95% y el 99% de las sales que tenía disueltas. Por su parte, el concentrado (o sea, lo que queda de agua concentrada con sales disueltas) se vierte. De esta manera, a través de la ósmosis inversa, en una planta desalinizadora se puede separar el agua de mar en dos partes: una con baja concentración de sales para ser aprovechada, y otra con alta concentración de sales que es desechada.

Con la ósmosis inversa se pueden quitar hasta el 99% de las sales y partículas disueltas en el agua. Sin embargo, la ósmosis inversa no garantiza que se pueda remover el 100% de las bacterias y virus que se encuentran en el agua. Cuanto más grandes las partículas, menos probabilidades tienen de atravesar a los poros de la membrana semipermeable y solamente son atravesados por las moléculas de agua, purificando así al agua permeada. La ósmosis inversa es muy efectiva para purificar agua salobre, es decir aguas continentales que tienen más sales disueltas que el agua dulce de río, pero menos que el agua de mar (vale señalar que el agua salobre puede contener una concentración de entre 0,5 y 30 gramos de sales disueltas por litro de agua, mientras que el agua de mar promedia los 35 gramos de sales disueltas por litro de agua). Algunas de las industrias que utilizan a la ósmosis inversa para el tratamiento de agua incluyen a la farmacéutica, alimenticia y la de fabricación de semiconductores.
 
En las plantas industriales los sistemas de desalación por ósmosis inversa consisten en membranas colocadas dentro tubos y enrolladas en forma de espiral alrededor de un eje cilíndrico con perforaciones por donde se recolecta el agua permeada. Se trata de dos membranas enrolladas y separadas entre sí.

Desalinizacion de agua salada mediante osmosis inversa
Desalinización de agua salada mediante ósmosis inversa - Cliquear para ampliar la imagen

Como se muestra en la imagen 1 de arriba (esquina superior izquierda), los tubos de presión con membranas semipermeables en su interior, se colocan en estructuras metálicas. Cada una de estas estructuras metálicas se conocen con el nombre de bastidor. Habitualmente, una planta desalinizadora suele estar compuesta por varios bastidores. Los tubos de desalación por ósmosis inversa de cada bastidor se distribuyen en filas y columnas. La configuración y cantidad de bastidores utilizados varían según el caso y las necesidades. Por ejemplo, una planta desalinizadora que produce 40.000.000 de litros de agua diarios (40 millones), puede tener distintas configuraciones, como las siguientes:

  • Configuración de 4 bastidores, cada uno con una producción diaria de 10.000.000 de litros.
  • Configuración de 8 bastidores, cada uno con una producción diaria de 5.000.000 de litros.

El agua bruta (agua con alta concentración de sales disueltas) que debe ser tratada, es empujada por una bomba hacia el interior de cada tubo, donde por ósmosis inversa el agua pasa a un cilindro o eje central. El agua con alta concentración de sales disueltas que ingresa al tubo para ser tratada, circula en forma paralela al eje del tubo como se muestra en la imagen de arriba. A lo largo de su circulación por el tubo, las moléculas de agua van atravesando a las membranas semipermeables hacia el cilindro central por donde se recolecta el permeado, mientras que el concentrado que queda para ser desechado sale del tubo por otro cilindro de escape.

La presión osmótica generada por el agua de mar en sistemas de desalinización ronda entre las 23 y 28 atmósferas de presión (o sea un valor equivalente a entre 23 y 28 veces la presión atmosférica registrada en promedio a nivel del mar). Por su parte, la presión utilizada industrialmente para empujar a las moléculas de agua a través de las membranas y lograr así la ósmosis inversa, usualmente ronda entre las 59 y 69 atmósferas.

Industrialmente, cada tubo de desalinización contiene dos membranas rectangulares enrolladas en forma de espiral alrededor de un cilindro central que es por donde se recolecta el agua permeada. Las membranas están separadas por un separador impermeable que asegura que las membranas no entren en contacto entre sí. Como se muestra en la imagen de arriba, entre medio de las membranas enrolladas se forma una vía de circulación para el agua permeada. Por esta vía, el agua permeada circula en camino espiral hasta el cilindro central donde se recolecta el agua permeada.

Entre la vía por donde circula el agua salada y la vía por donde circula el agua diluida hay una diferencia de concentración de sales disueltas que genera presión osmótica. Para que ocurra el proceso de ósmosis inversa, el agua salada debe ser bombeada a una presión mayor a la presión osmótica.

El proceso de desalinización funciona de la siguiente manera: El agua salada que se debe tratar es empujada por una bomba hacia el interior de los tubos de desalinización que forman parte del sistema (estos tubos también se denominan elementos). El agua salada circula por el elemento tubular en forma paralela a la membrana. Debido a la presión generada por la bomba sobre el agua salada -que es superior a la presión osmótica- una parte del agua atraviesa a la membrana semipermeable hacia la vía por donde circula el agua permeada. Por su parte, las moléculas de iones de sales disueltas quedan atrapadas en la membrana, ya que tienen un tamaño mayor al de los poros de la membrana semipermeable y no pueden atravesarlos. Sin embargo, unos pocos iones de menor tamaño, debido al gran empuje proporcionado por la bomba, tienen energía suficiente para lograr atravesar a la membrana semipermeable. Igualmente, la concentración de iones disueltos en el agua permeada es muy baja. Si el sistema funciona bien, las partículas que quedaron atrapadas en la membrana son arrastradas por la corriente de agua salada entrante, quedando así como parte del agua concentrada o salmuera que se desecha. De esta manera, se tiene un efecto de autolimpieza de la membrana, conservándose así su funcionalidad. A pesar de ello, este efecto de autolimpieza no es totalmente efectivo y con el tiempo, las partículas de sal se van acumulando en las membranas y van perdiendo funcionalidad, debiendo ser limpiadas periódicamente.

  

Cómo calcular el rendimiento de la ósmosis inversa

Una ecuación que sirve para medir con qué efectividad las membranas semipermeables remueven a las sales disueltas en el agua durante el proceso de la ósmosis inversa es la que compara la conductancia eléctrica del agua concentrada original y la del agua diluida que se obtiene. Los iones de sales disueltas facilitan al paso de corriente eléctrica a través del agua. Si hay mayor concentración de sales disueltas, la conductancia eléctrica del agua aumenta. Si hay menor concentración de sales disueltas, la conductancia eléctrica del agua disminuye. La conductancia eléctrica es inversa a la resistencia eléctrica de un material. La resistencia mide cuánto se opone un material al flujo de corriente eléctrica a través suyo. La resistencia eléctrica aumenta cuantos menos iones de sales disueltas haya, y disminuye cuantos más iones de sales disueltas haya. Por lo tanto, la conductancia eléctrica y la resistencia eléctrica son propiedades inversas.

Entonces, si una muestra de agua tiene menor conductancia eléctrica, significa que tiene menor concentración porcentual de sales disueltas que otra muestra de agua con mayor conductancia. De allí surge la siguiente ecuación:

Porcentaje de sales removidas = (Conductancia agua concentrada - Conductancia agua permeada) / (Conductancia agua concentrada) x 100

En la ecuación de arriba se mide primero la diferencia de conductancia eléctrica entre el agua con sales disueltas que se introduce y el agua diluida o permeada que se obtiene. Este valor se divide entre el valor de conductancia del agua con sales disueltas que se introduce y así se obtiene la proporción de sales disueltas que se removieron. Si ese número se multiplica por 100, expresa el porcentaje de sales removidas.

La conductancia eléctrica se mide en siemens (unidad simbolizada con la S). Los siemens son inversos a los ohmios, siendo estos últimos la unidad que mide a la resistencia eléctrica. En el caso de la conductancia eléctrica causada por sales disueltas en agua, se mide en millonésimas de siemens, es decir microsiemens, y se simboliza µS (la letra griega µ simboliza al prefijo micro que se utiliza para definir millonésima).


Un sistema de desalinización a través de ósmosis inversa que funciona bien debería remover entre el 95% y el 99% de las sales disueltas. Un porcentaje más bajo de sales removidas significa que la membrana semipermeable requiere limpieza o que debe ser reemplazada.


Por ejemplo, si se ingresa al sistema agua con conductancia eléctrica de 500 µS y el agua que se obtiene tiene 10 µS, utilizando la ecuación de arriba se puede conocer el porcentaje de sales removidas y por lo tanto el nivel de efectividad de las membranas semipermeables utilizadas:

 

Porcentaje de sales removidas = (500 µS - 10 µS) / (500 µS) x 100 = (490 µS / 500 µS) x 100 = 0,98 x 100 = 98% 

Por el contrario, para conocer el porcentaje de sales que logran atravesar a la membrana semipermeable (en parte, debido a la presión ejercida por la bomba de presión que las empuja a través de los poros de la membrana semipermeable junto al agua) se utiliza la siguiente ecuación que deriva de la ecuación anterior:
 

Porcentaje de sales que logran pasar junto al permeado = 100% - Porcentaje de sales removidas

En el ejemplo anterior, el porcentaje de sales que logran pasar junto al permeado se obtiene de la ecuación mencionada:
 

100% - 98% = 2% de sales que logran pasar junto al permeado

Cuanto menor sea el porcentaje de sales que logren pasar junto al permeado, mejor estará funcionando el sistema de desalación a través de ósmosis inversa. Si este porcentaje es alto, las membranas necesitan limpieza o ser reemplazadas.
  
Otro valor al que se le presta atención durante el proceso de desalación es la tasa de agua recuperada, es decir la relación entre el caudal de agua permeado y el caudal de agua con solutos disueltos que entra al sistema para ser tratada (también llamado caudal de alimentación). Otra manera de entender a la tasa de agua recuperada es definirla como la cantidad de agua que no es desechada como parte del concentrado (o sea, como parte del agua concentrada que no es desalada). Cuanto mayor sea la tasa de agua recuperada, menor es la cantidad de agua que se desecha como concentrado y mayor la cantidad de agua permeada. Sin embargo, si la tasa de agua recuperada es muy alta, esto significa que el agua desechada es muy concentrada y tiene menor capacidad de flujo y puede llegar a acumularse sarro en la membrana semipermeable, tapando los poros de la membrana y reduciendo así su efectividad. Por lo tanto, se necesita calcular una tasa de agua recuperada determinada para cada caso. La tasa de agua recuperada varía de acuerdo a la presión hidráulica aplicada por la bomba al generar el proceso de ósmosis inversa.

La fórmula de tasa de agua recuperada es la siguiente:
 

Tasa de agua recuperada = (Caudal de permeado en litros por minuto que se recoge / Caudal de alimentación en litros por minuto) x 100

 

Entonces, si por ejemplo se alimenta un sistema de desalación a un ritmo de 40 litros de agua salada por minuto y se recogen 30 litros de agua permeada por minuto, la tasa de agua recuperada es la siguiente:
 

Tasa de agua recuperada = (30 litros por minuto / 40 litros por minuto) x 100 =  0,75 x 100 = 75%

En el ejemplo anterior, de cada 40 litros que ingresan al sistema por minuto, 30 litros se aprovechan como agua permeada y 10 litros son desechados como concentrado. La tasa de agua recuperada en las industrias normalmente varía entre el 50% y el 85%, dependiendo del tipo de uso que se le quiere dar.

Asimismo, hay un valor que hay que tener en cuenta en la ósmosis inversa denominado factor de concentración, que deriva de la tasa de agua recuperada. Cuanta más agua se recoge como permeado (mayor tasa de agua recuperada), queda una mayor concentración de sales disueltas en el concentrado. Una concentración muy alta de sales en el agua que se desecha dificulta su flujo (por la baja concentración de agua que queda) y puede llegar a acumular sarro en las membranas debido a que las sales quedan adheridas durante su paso por allí. Esto ocurre porque al ser muy alta la concentración, el límite de solubilidad es superado por saturación y la solución precipita (el precipitado es el sólido que se forma en una solución por saturación de solutos disueltos).


El factor de concentración mide cuántas veces más concentrada está el agua que se desecha como concentrado en comparación al agua salada que ingresa inicialmente al sistema para ser tratada


La fórmula para obtener al factor de concentración es la siguiente:

 

Factor de concentración = 100 /  (100% - Tasa de agua recuperada)

En el ejemplo anterior, la tasa de agua recuperada era de 75%, por lo tanto utilizando la fórmula recién indicada se puede obtener el factor de concentración:
 

Factor de concentración = 100 / (100% - 75%) = 100 / 25% = 4

Esto significa que al quedar como agua de desecho apenas un 25% del total de agua salada que había ingresado inicialmente, la concentración de sales será 4 veces mayor en el concentrado que hay que desechar que en el agua que entra originalmente en el sistema de desalación para ser tratada mediante la técnica de ósmosis inversa.

Entonces, continuando con el ejemplo anterior, si el agua que ingresa para ser tratada es de mar y tiene una concentración de sales disueltas de 35 gramos por litro, luego de pasar por el proceso de desalación, el agua que queda como desecho tendrá una concentración de sales cuatro veces superior, o sea de 140 gramos por litro.

 
Qué son las etapas y pasos en los sistemas de desalinización por ósmosis inversa

Hay dos conceptos muy importantes en la técnica de desalinización por ósmosis inversa que deben conocerse: las etapas y los pasos. Por lo tanto, es fundamental entender la diferencia entre ósmosis inversa de 1 y 2 etapas, y ósmosis inversa de 1 y 2 pasos
 
Un sistema de desalinización de doble etapa aprovecha el agua de concentrado que se desecha en un primer bastidor para ser tratada en un segundo bastidor.

Un sistema de desalinización de doble paso envía el agua permeada de un primer bastidor a un segundo bastidor para volver a ser tratada.

El sistema de desalinización de doble etapa se usa cuando se busca obtener mayor cantidad de agua purificada, ya que parte del concentrado es desalado en un segundo bastidor. Por otro lado, el sistema de doble paso se usa cuando se busca obtener mayor calidad de agua purificada, dado que es el agua permeada la que pasa por un segundo proceso de purificación en un segundo bastidor. En el sistema de doble paso, al ser el agua purificada dos veces, termina con una menor concentración de sales disueltas, es decir, termina siendo más pura.

Diferencia entre etapas y pasos en la osmosis inversa
Diferencia entre etapas y pasos en la ósmosis inversa - Cliquear para ampliar la imagen

 
Etapas: En un sistema de desalinización por ósmosis inversa de 1 etapa, el agua salada que ingresa en un bastidor es tratada y luego una parte de ésta sale como agua permeada, mientras que lo que queda como concentrado es desechado. En cambio, en un sistema de doble etapa, el concentrado que sale del primer bastidor, en lugar de ser desechado, ingresa a un segundo bastidor para ser tratado. Al final, el agua permeada que sale del segundo bastidor se combina con el agua permeada del primer bastidor. De esta manera, se puede obtener mayor cantidad de agua desalada. Un sistema de desalinización con una mayor cantidad de etapas, aumenta la cantidad de agua desalada que se obtiene.

Pasos: En un sistema de desalinización por ósmosis inversa de un paso, el agua salada que ingresa en un bastidor es tratada y luego una parte sale como agua permeada que se recolecta y lo que queda como concentrado se desecha. En cambio, en un sistema de doble paso, el agua permeada que sale del primer bastidor, ingresa a un segundo bastidor para ser tratada con mayor profundidad y para reducirle así aún más la ya baja concentración de sales que pueda tener. De esta manera, no se obtiene mayor cantidad de agua desalada, pero sí agua desalada de mayor calidad, ya que básicamente ha sido tratada dos veces.

La cantidad de bastidores y la forma de distribuirlos (ya sea en configuración de una etapa o más etapas, así como de un paso o más pasos) depende de las necesidades de cantidad y calidad de agua desalada requeridas por la planta desalinizadora.

En el segundo ejemplo de la imagen de arriba se muestra un sistema combinado de 2 pasos y 2 etapas en cada paso. Por lo tanto, se recolecta agua de mejor calidad (por ser un sistema con más de un paso) y en mayor cantidad (por tener cada paso más de una etapa).
 
 
Fuentes de la información:


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