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Desalinización de agua salada mediante ósmosis inversa

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Desalinización de agua salada mediante ósmosis inversa

 

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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.

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.
   
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