osmosis inv

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TEORIA. smosis La smosis es un fenmeno fsico-qumico relacionado con el comportamiento del agua como solvente de una solucin ante una membrana semipermeable para el solvente (agua) pero no para los solutos. Tal comportamiento entraa una difusin simple a travs de la membrana del agua, sin "gasto de energa". La smosis es un fenmeno biolgico importante para la fisiologa celular de los seres vivos. Osmosis inversa La smosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales. De forma esquemtica se puede decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraciones se unen a travs de una membrana, existe una circulacin natural de la solucin menos concentrada para igualar las concentraciones finales, con lo que la diferencia de altura obtenida se traduce en una diferencia de presin, llamada osmtica. Sin embargo aplicando una presin externa que sea mayor a la presin osmtica de una disolucin respecto de otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular agua de la disolucin ms concentrada y purificando la zona con menor concentracin, obteniendo finalmente un agua de pureza admisible, aunque no comparable a la de procesos de destilacin. Por eso es altamente recomendable para la filtracin de aguas salobres, en las que la sal a rechazar es mucho menor que en aguas marinas. La cantidad de permeado depende de la diferencia de presiones aplicada a la membrana, sus propiedades y la concentracin del agua bruta, y la calidad del agua permeada suele estar en torno a los 300-500 ppm de total de slidos disueltos, cifra un orden de magnitud mayor al agua obtenida en un proceso de evaporacin. Una membrana para realizar osmosis inversa debe resistir presiones mucho mayores a la diferencia de presiones osmticas de ambas soluciones. Por ejemplo un agua bruta de 35.000 ppm de total de slidos disueltos a 25C tiene una presin osmtica de alrededor de 25 bar, pero son necesarios 70 bar para obtener permeado). Adems deber ser permeable al agua para permitir el flujo y rechazar un porcentaje elevado de sales. Sin embargo no se puede considerar la OI como un proceso de filtracin normal, ya que la direccin de flujo del agua bruta es paralela y no perpendicular como un caso cualquiera de filtracin. Ello implica que tan slo una parte del agua bruta de alimentacin pasa realmente a travs de la membrana (un proceso de filtracin lo hara en su totalidad), y que no se acumulen sales en la membrana al arrastrarse por el agua bruta que no pasa por la membrana. El proceso de smosis inversa es tan simple que a priori solo son necesarias las membranas que filtren el contenido salino y el equipo presurizador. Pero una planta de OI es mucho ms compleja que una agrupacin de mdulos y una o varias bombas, por ejemplo las membranas se ensucian muy fcilmente con la operacin continuada y

necesita un pre-tratamiento intensivo (mucho mayor que en los procesos de destilacin), que comprende entre otros: Clorado para reducir la carga orgnica y bacteriolgica del agua bruta. Filtracin con arena para reducir la turbidez. Acidificacin para reducir el pH y limitar la formacin de depsitos calcreos. Inhibicin con polifosfatos de la formacin de sulfatos de calcio y bario. Decolorado para eliminar el cloro residual. Cartuchos de filtrado de partculas requeridos por los fabricantes de membranas. Microfiltracin (MF) y ultrafiltracin (UF) en el caso de aplicaciones industriales muy especficas en reutilizacin de aguas residuales. Las etapas del pre-tratamiento son las siguientes: Bombeo de agua de aporte, Dosificacin de cido clorhdrico, Dosificacin de hipoclorito sdico, Dosificacin de reactivo anti incrustante, Filtracin sobre lecho de slex, Filtracin de seguridad sobre cartuchos, Dosificacin de reactivo reductor, Tratamiento por smosis inversa, Bombeo de alta presin, Mdulos de smosis inversa, Equipo de limpieza de membranas y flushing. Y las del post - tratamiento: Dosificacin de hipoclorito sdico, Reendurecimiento, Acumulacin y bombeo de agua producto. Historia de la osmosis inversa: El proceso de smosis inversa fue propuesto por primera vez por Charles E. Reid en 1953 para obtener agua potable del agua de mar. La propuesta de Reid fue sometida a la consideracin de la Oficina de Aguas Salinas de EUA y surgieron algunas objeciones, una de ellas consideraba a la smosis inversa como un proceso imprctico y que en caso de funcionar sera una curiosidad de laboratorio. La duda ms seria a la propuesta de Reid fue cuando se hizo ver que el estado del arte careca de una membrana adecuada para realizar eficientemente el proceso de smosis inversa. En efecto, al aprobarse el proyecto Reid se enfrasc en un problema maysculo para conseguir la membrana que tuviera la capacidad de realizar ese proceso. Las dificultades bsicamente eran las siguientes: a) Carencia de una membrana que resistiera qumicamente las soluciones salinas. b) Las membranas eran muy poco porosas para permitir el libre trnsito del solvente (agua pura) y demasiado abiertas para tener un adecuado coeficiente de reflexin de Staverman (bajo rechazo de sales). La solucin del problema de la separacin de agua pura a partir de agua de mar o salobres fue resuelta por el descubrimiento de la membrana de acetato de celulosa por el mismo Reid y E. J. Breton en 1959.

A este descubrimiento sigui otro efectuado por S. Loeb y S. Sourirajan en los aos de 1960 a 1962 al demostrarse que la membrana de Reid y Breton mejoraba considerablemente el flujo de solvente y rechazo de sales, si la membrana se haca asimtrica en lugar de homognea. Luego se supo, por observaciones al microscopio electrnico, que la asimetra en la membrana de Loeb y Surirajan se deba a la presencia de una delgada pelcula de polmero en fase amorfa con secciones cristalinas sobre la superficie de la membrana. Esta pelcula es la parte activa de la membrana y responsable de la exclusin de los solutos. El cuerpo restante de la membrana sirve de soporte y es una estructura polmera esponjada altamente porosa. Con este tipo de membrana se realiz eficientemente el proceso de smosis inversa, acallando a los que pensaron que esa inversin nunca funcionara. A pesar de este triunfo tecnolgico, el precio que se paga es alto, por el costo elevado de energa que cobran las irreversibilidades. En un principio se crey que el proceso de smosis inversa sera altamente eficiente, pues se pens que bastara con exceder la presin osmtica del sistema para lograr la inversin osmtica. Aqu no se tomaba muy en cuenta la segunda ley de la termodinmica debido a que se requiere un trabajo extra para su funcionamiento en contra de irreversibilidades y entre ms lejos del equilibrio se opere, mayor ser ese costo extraordinario de energa. En efecto, result que el funcionamiento de dicho efecto requiere de la aplicacin de una presin mucho mayor (4 5 veces mayor) al valor de la presin osmtica efectiva e invertir energas 10 veces ms que la requerida, si el proceso fuera reversible, por ejemplo, la presin osmtica del agua de mar es de 24 atmsferas, mientras que los equipos que obtienen agua potable a partir de agua de mar operan con presiones de 100 atmsferas o mayores. Ello implica costos de equipo y mantenimiento elevados. Uno de los logros de la dcada de los aos sesenta fue hacer econmica la aplicacin de la smosis inversa en la obtencin de agua potable a partir de aguas salobres y de mar, y entrar francamente en competencia con otros sistemas de separacin de pequea o gran escala. Esta posibilidad fue una consecuencia de la perfeccin de la membrana de acetato de celulosa y un entendimiento ms claro de los procesos de interaccin de una solucin salina con dichas membranas. En esta dcada se consigui comprender los efectos de compactacin y de oclusin de las membranas bajo operacin, as como percibir la necesidad de tratamientos bioqumicos del agua de alimentacin, por la presencia de microorganismos que utilizan a la membrana como nutriente. En particular, el conocimiento de la capa de polarizacin como efecto adverso fue decisivo en los avances anteriores. Este efecto se ha sealado como el recproco del osmtico, tal como se indic en el captulo V, y es causa de la formacin de una capa de iones cuando durante el trnsito del flujo volumtrico se acumulan solutos que no pueden pasar y se concentran a la entrada de la membrana. Esta capa de iones salinos elevan la presin osmtica local de la solucin frente a la membrana y por lo mismo aumenta la presin de operacin para mantener un flujo del solvente. La eliminacin de este efecto adverso fue determinante en el diseo de los mdulos que sirven de apoyo a la membrana, en vista de que para eliminar esa capa de polarizacin se utiliza la agitacin

convectiva, provocando un flujo turbulento en la solucin alimentadora. De esta manera, las celdas donde las membranas ejecutan la separacin presentan diseos geomtricos de manera que los flujos sean violentos (altos nmeros de Reynolds). Otro de los avances de la dcada de los sesenta fue la elaboracin de modelos que interpretaban los procesos de transporte de una membrana. Entre otras, estn las aportaciones de H. K. Londsdale, U. Merten y R. L. Riley en 1965. El ao siguiente se conocen las contribuciones de Spiegler y Kedem, Gradzinski y Kedem, Mears y Merten. Estos modelos siguen los lineamientos tericos dados por Kedem Katchalsky en 1958 y predicen relaciones entre distintas variables del sistema, como los flujos de soluto y solvente, porcentaje de rechazo, espesor y permeabilidad de la membrana. Esto permiti un manejo adecuado de los parmetros de diseo en la construccin y venficacin de plantas de prueba o pilotos y luego su comercializacin en plantas del orden industrial. En la dcada de los aos sesenta, el estudio y aplicacin de la smosis inversa se relacion con la desalacin de aguas salinas y del tratamiento de aguas de rehso, como la purificacin de agua de desechos industriales y de drenaje. Por otra parte, en la dcada de los setenta se consigui un conocimiento ms detallado sobre el funcionamiento de