UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

Escuela Profesional de Ingeniería Química

Transferencia de Masa II - PI 147A

OSMOSIS INVERSAPROFESOR:

Ing. Celso Pastor Alejandro

INTEGRANTES:

Blas López, Hernán Arturo

Espinoza Miranda, Bruno Alberto

Espinoza Meza, Libio

García Rodriguez, Dreysy Thania

Lima, 18/11/2015

ÓSMOSIS INVERSA

I. OBJETIVO.

Estudiar y comprender la operación de Ósmosis Inversa.

II. TEORÍA

Osmosis

La Ósmosis es una fenómeno termodinámico en el cual el solvente de una solución diluida atraviesa una membrana semipermeable que la separa de otra solución más concentrada hasta llegar a un equilibrio que depende de la presión a ambos lados de la membrana. Al llegar al equilibrio la fugacidad, y por tanto el potencial químico del solvente, a ambos lados de la membrana se iguala. Debe notarse que se trata de un equilibrio que depende enteramente de las propiedades del solvente y no del soluto, por lo que se le estudia como una propiedad coligativa. Aunque, estrictamente, el soluto puede atravesar la membrana, dependiendo de la presión a ambos lados, el paso es muy lento comparativamente de modo que raramente existe un equilibrio de concentraciones del soluto entre las dos soluciones. Inclusive, la Ósmosis puede llegar con rapidez a un equilibrio del solvente aún si en cada lado de la membrana existen solutos diferentes. Es decir, la operación depende del solvente, no del soluto.

Al llegar al equilibrio las dos soluciones, se observa una diferencia de presión entre ambos lados de la membrana que es la llamada Presión Osmótica. En el laboratorio este fenómeno se manifiesta porque uno de los lados, el lado más concentrado, eleva su nivel mientras que en el lado diluído el nivel se reduce. En la figura que viene en (a) se colocaron en un depósito dos soluciones de distinta concentración separados por una membrana semipermeable. En (b) se muestra la diferencia de niveles al llegar al equilibrio. π es la presión osmótica.

La Ósmosis Inversa es la operación contraria a la Ósmosis. Si en el depósito se aplica una presión mayor queπ sobre la solución concentrada, el solvente es forzado a atravesar la membrana, con muy poco ó nulo paso del soluto. Esta operación se observa arriba en (c). Esta operación de Ósmosis Inversa es de gran interés en la industria ya que permite, como una de sus mayores aplicaciones, obtener solventes de mayor pureza, tal como en la industria de tratamiento de aguas. A diferencia de la filtración, que consiste en la separación de sólidos según su tamaño por medio de una malla ó membrana, la Ósmosis Inversa es un fenómeno basado en el equilibrio termodinámico.

En la filtración, son retenidas las partículas de mayor tamaño que el tamaño del poro ó abertura de la malla mientras que las de menor tamaño atraviesan la malla. En la Ósmosis es el solvente el que atraviesa la membrana hacia el lado más concentrado, con poca influencia del tamaño de las partículas. La demostración consiste en que partículas iónicas como el ión sodio, no atraviesa las membranas (ó su paso es de menor velocidad) mientras que moléculas más grandes como el agua si atraviesan con mayor facilidad las mismas membranas.

El análisis termodinámico de la Ósmosis llevó a determinar que la presión osmótica depende de la temperatura y la concentración del soluto de acuerdo con la siguiente ecuación llamada Ecuación de Van’t Hoff:

π= x1V.RT=C1 .R .T

donde :

π es la presión osmótica, C1 es la concentración del soluto en la fase diluida, R la cte de los gases y T la temperatura del sistema en ºK. En caso de sales y sustancias iónicas, la concentración corresponde al total de iones presentes, así 1 mol de NaCl contiene 2 moles de iones.

Las operaciones de ósmosis inversa en la industria requieren del uso de membranas semipermeables, resistentes a los microorganismos y a presiones altas. Para producir un flujo adecuado del solvente hacia el lado diluido se requiere aplicar una presión mayor que la osmótica. El paso del solvente a través de la membrana se calcula por:

N=Pmsolvlm

.(∆P−∆ π )

Donde:

N es el flujo a través de la membrana de espesor lm, Pm es la permeabilidad del solvente, ∆ P la diferencia de presiones entra ambos lados y ∆ π la diferencia de presión osmótica entre ambos lados. El fabricante provee [Pm/lm]. Puede notarse que el flujo depende directamente de la diferencia de presiones aplicadas y las presiones osmóticas.

El soluto también puede atravesar la membrana y su paso depende sólo de las concentraciones a ambos lados de la membrana como indica la siguiente ecuación:

N=Pmsallm

.(CF−CP)

donde :

cF es la concentración de la solución concentrada alimentada al depósito y cP la concentración del lado diluido.

Para apreciar la capacidad de una membrana para separar solutos de solventes, y para estimar la superficie requerida de membrana para determinada operación, se usa los términos Paso de Soluto (SP) y Rechazo de Soluto (SR) que generalmente provee también el fabricante. Ambos se calculan:

SP=¿¿

SR=1−SP

Donde:

csoluto son las concentraciones en ambos lados, SP es el paso de soluto, SR es el rechazo de soluto.

III. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

El experimento se realiza en el equipo de Ósmosis Inversa. El diagrama del proceso se muestra a continuación:

El agua a tratar atraviesa filtros de grava donde se retienen las partículas suspendidas en el agua. Seguidamente pasa por un ablandador para evitar que la dureza se deposité en las membranas. Luego atraviesa un filtro de carbón cuyo objetivo es retener y eliminar del agua, principalmente, el ión férrico, cloro libre, que pueden envenenar y degradar las membranas, y sustancias orgánicas que igualmente pueden ocluir y dañar las membranas. Luego ingresa a la succión de una bomba que eleva la presión hasta el valor deseado y envía el agua hacia las membranas. Allí la alimentación se divide en una fracción ó permeado que ingresa al primer cartucho y atraviesa la membrana, siendo recolectado como el producto valioso mientras que el resto del agua más concentrada pasa a una segundo cartucho donde nuevamente se separa en una corriente diluida que se recolecta como permeado, y una corriente concentrada que se elimina como rechazo.

Parte del agua de rechazo es reciclada, redirigiéndola hacia la bomba, mientras que el resto va al desagüe.

IV. PROCEDIMIENTO 1. Preparar el equipo de Ósmosis Inversa. 2. Abrir la válvula de agua de alimentación y comprobar que hay suficiente flujo. 3. Tomar una muestra de agua que sale tras el ablandador para analizar su contenido de sólidos. 4. Prender el equipo y ajustar las válvulas de salida y de reciclo hasta conseguir una presión de 200

psig en el manómetro. 5. Esperar tres minutos para que se estabilice el flujo y luego simultáneamente tomar muestras de

alimentación, permeado y rechazo, medir el flujo de permeado y rechazo, y la temperatura del agua (la que posiblemente no va a variar durante toda la prueba).

6. El flujo se mide con una probeta de 500 ó 1000 mL y un cronómetro, calculan do flujo volumen total/tiempo de llenado.

7. Medir la conductividad de las muestras de rechazo y de permeado. En el caso del medidor de conductividad del laboratorio, Hach HQ14d, 1 S/cm corresponde a 0.5 ppm de NaCl.

8. Repetir los pasos anteriores para realizar mediciones a presiones de 190, 180, 170, 160, 150, 140, 130, 120, 110 y 100 psig.

V. MEDICIONES Y RESULTADOS

1. Registrar los datos que se muestran en la tabla de abajo.

Tabla N°1. Datos de Flujo y concentraciones en la operación de osmosis Inversa

Presión (Psig)

Flujo de Permeado (mL/min)

Flujo de Rechazo (mL/min

)

Flujo de Alimentación

(mL/min)

Conductividad del Permeado

(µS/cm)

Conductividad del Rechazo

(µS/cm)

Conductividad de la

Alimentación (µS/cm)

205 1693.77 4997.25 6691.02 18.96 1623 1216.95195 1601.85 4317.75 5919.60 18.88 1617 1184.55185 1501.19 4241.91 5743.10 19.05 1598 1185.28175 1398.88 4085.82 5484.70 19.30 1591 1190.14165 1322.73 3947.36 5270.09 19.65 1577 1186.12155 1200.99 3755.79 4956.78 20.55 1555 1183.21145 1102.37 3609.02 4711.39 21.21 1543 1186.93135 1008.71 3439.49 4448.20 22.10 1531 1188.83125 899.05 3233.53 4132.58 23.50 1522 1196.00115 790.67 3049.06 3839.73 24.40 1448 1154.85105 731.61 2948.53 3680.14 26.10 1438 1157.31

2. Calcular las Presiones Osmóticas de permeado y rechazo a cada presión.

Como: 1 µS/cm = 0.5 ppm de NaCl = 0.05 mgNaCl / LMNaCl = 58.45 g/mol

C = (0.5 x Conductividad) / (1000 x 58.45) [mol/L]

Además: π = (2 x C) x R x TR = 0.082 atm.L/mol.KT = 23.3 °C = 296.45 K1 atm = 14.6959 psig

π = (2 x C) x 0.082 x 296.45 x 14.6959 [psig]

Presión

(Psig)

C SP

(mol/L)

C SR

(mol/L)

π P

(psig)

π R

(psig)

2050.5541

47.432

2

395.90

33889.45

1950.5518

47.256

8

394.23

33764.17

1850.5567

46.701

6

397.78

33367.43

1750.5640

46.497

0

403.00

33221.27

1650.5743

46.087

8

410.31

32928.94

1550.6006

45.444

9

429.10

32469.56

1450.6199

45.094

2

442.88

32218.99

135 0.6459

44.743

461.4

31968.42

5 6

1250.6868

44.480

5

490.70

31780.50

1150.7131

42.317

8

509.49

30235.32

1050.7628

42.025

6

544.99

30026.51

3. Graficar las curvas de flujos y presiones osmóticas correspondientes a cada presión aplicada.

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2100.00

200.00400.00600.00800.00

1000.001200.001400.001600.001800.00

Flujo de Permeado vs Presión

Presión (Psig)

Fluj

o de

Per

mea

do (m

L/m

in)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2100.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

Flujo de Rechazo vs Presión

Presión (Psig)

Fluj

o de

Rec

hazo

(mL/

min

)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2100.00

1000.002000.003000.004000.005000.006000.007000.008000.00

Flujo de Alimentazión vs Presión

Presión (Psig)

Fluj

o de

Alim

enta

ción

(mL/

min

)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2100.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

Presión Osmótica del Permeado vs Presión

Presión (Psig)

π P

(Psig

)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 21028000.0029000.0030000.0031000.0032000.0033000.0034000.0035000.00

Presión Osmótica del Rechazo vs Presión

Presión (Psig)

π R

(Psig

)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 21023000.00

23500.00

24000.00

24500.00

25000.00

25500.00

26000.00

Presión Osmótica de la Alimentación vs Presión

Presión (Psig)

π F

(Psig

)

4. Calcular la relación [Pmsolv/lm] y [Pmsoluto/lm] del equipo de ósmosis inversa.

Hallando Pmsolvlm

N=Pmsolvlm

.(∆P−∆ π )

∆ P=Ppermeado−Palimentación∆ π=π permeado−π alimentación

N= Flujo de AlimentaciónAreade membrana

Area de transferencia = 0.007854 m2

Pmsolvlm

prom=6.43 x10−6 ms . Atm

Hallando Pmsallm

N=Pmsallm

.(Calimentación−CPermeado)

N= Flujo de solutoen la AlimentaciónArea demembrana

N(mol/sm2) (Calimentación−CPermeado ) (mol/m3) Pmsallm

(m/s)

504.984646 35011.3182 0.014423469434.867596 34066.61934 0.012765211422.161826 34083.01212 0.012386283404.819833 34217.67722 0.011830722

387.66837 34090.1923 0.011371845363.726955 33978.86898 0.010704504346.806504 34068.2228 0.010179765327.956525 34097.6716 0.00961815306.523907 34266.2747 0.008945353275.004945 33037.54615 0.008324012264.136421 33059.75787 0.007989666

(∆P−∆ π ) atm F(mL/min) N (m/s)

Pmsolvlm

1689.22 6691.02 0.01419875 8.40552E-061643.97 5919.60 0.01256175 7.64111E-061645.45 5743.10 0.01218721 7.40662E-061652.68 5484.70 0.01163887 7.04244E-061647.16 5270.09 0.01118345 6.78954E-061642.43 4956.78 0.01051859 6.4043E-061647.45 4711.39 0.00999786 6.06868E-061649.56 4448.20 0.00943935 5.72233E-061658.44 4132.58 0.00876959 5.28785E-061599.38 3839.73 0.00814814 5.09455E-061601.14 3680.14 0.00780948 4.87744E-06

Pmsallm

prom=0.0108m/ s

5. Calcular los factores de Paso (SP) y Rechazo (SR) del soluto.

SP = CSP / CSF y SR = 1 – SPPresi

ón (Psig)

SP SR

205 0.0156 0.9844195 0.0159 0.9841185 0.0161 0.9839175 0.0162 0.9838165 0.0166 0.9834155 0.0174 0.9826145 0.0179 0.9821135 0.0186 0.9814125 0.0196 0.9804115 0.0211 0.9789105 0.0226 0.9774

SPpromedio = 0.0180 y SR promedio = 0.9820

6. Estimar costos operativos en función de la presión aplicada y los flujos obtenidos, usando costos referenciales para la energía eléctrica en kwh.

Calculamos la potencia total consumida

-Potencia de la bomba = 1/2HP = 0.37285 KW-Potencia del equipo de osmosis = 24 W = 0.024 KW-POTENCIA TOTAL = 0.39685 KW

Hallamos la energía eléctrica que es lo que nos cobra Edelnor:Energía eléctrica = potencia real en (KW) .Tiempo de uso de la bomba (h)Energía eléctrica = (0.39685 KW) . (2.5 h)Energía eléctrica = 0.992125 KWh

Edelnor cobra: S/.0.4564./KWh

Costo total de la energía consumida seria:Costo total de energía eléctrica = 0.4564. (0.992125) = 0.4528 soles

Costo del agua utilizada para el proceso

Flujo de Rechazo (mL/min)Flujo de Alimentación

(mL/min)4997.25 6691.024317.75 5919.604241.91 5743.104085.82 5484.703947.36 5270.093755.79 4956.783609.02 4711.393439.49 4448.203233.53 4132.583049.06 3839.732948.53 3680.14

Promedio de flujo de alimentación 4988.85

Total de agua consumida = (4.98885 L/ min). (2.5 h)

= 748L = 0.748 m3

Sedapal cobra: S/1.116 /m3

Costo del agua = 1.116. (0.748) = 0.8348 soles

COSTO TOTAL = COSTO DE ENERGIA ELECTRICA + COSTO DE AGUA

= 0.4528 + 0.8348 = 1.2876 soles

Flujo de agua permeada:Presión (Psig) Flujo de Permeado (mL/min)

205 1693.77195 1601.85185 1501.19175 1398.88165 1322.73155 1200.99145 1102.37135 1008.71125 899.05115 790.67105 731.61

 Promedio de flujo permeado 1204.71

Total de agua permeada = (1.20471 L/ min). (2.5 h)

= 180.7065 L = 0.1807 m3

Costo por m3 de agua permeada = 1.2876 / 0.1807 = 7.126 soles/ m3 de agua permeada

7. Desarrollar el informe de la práctica, incluyendo información sobre las membranas, tipos, aplicaciones, etc.

MEMBRANA SEMIPERMEABLEUna membrana semipermeable, también llamada membrana selectivamente permeable, membrana parcialmente permeable o membrana permeable diferenciable, es una membrana que permitirá que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión, y ocasionalmente especializada en "difusión facilitada". El índice del paso depende de la presión osmótica, la concentración, el gradiente electroquímico y la temperatura de las moléculas o de los solutos en cualquier lado, así como la permeabilidad de la membrana para cada soluto.Dependiendo de la membrana y del soluto, la permeabilidad puede depender del tamaño del soluto, de características de la solubilidad, o de la química.Un ejemplo de una membrana semipermeable es una bicapa lipídica, en la cual se basa la membrana plasmática que rodea todas las células biológicas.Muchos materiales naturales y sintéticos más gruesos que una membrana también son semipermeables. Un ejemplo de esto es la fina película en el interior de un huevo. Otro ejemplo de una membrana semipermeable es el peritoneo.

FUNCIONAMIENTOUna membrana semipermeable permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolución frente a otras. Este hecho las hace importantes tanto en sistemas biológicos vivos como en aplicaciones tecnológicas.La parte que ha atravesado la membrana se conoce como "permeado" y la que no lo hace es el "rechazo". En consecuencia, se produce una separación diferencial de unas sustancias frente a otras.Para que el paso de sustancias a través de la membrana se produzca, es necesario la existencia de una fuerza impulsora entre ambos lados de la membrana, la cual puede ser de diferente naturaleza: diferencia de presión, diferencia de concentración, potencial eléctrico, etc.Una vez establecido el flujo, el diferente grado de paso de unas sustancias respecto de otras se produce por criterios físicos (tales como el tamaño del poro) o químicos (como la solubilidad y difusión en la membrana, etc.).

CLASIFICACIÓN DE LAS MEMBRANAS SINTÉTICAS DE ACUERDO CON SU ESTRUCTURA:• Membranas porosas• Membranas no porosas• Membranas líquidas

MEMBRANAS BIOLOGICASLas membranas semipermeables existen sobre todo en las células y en el tracto digestivo de animales.

Una membrana semipermeable consiste de una bicapa fosfolípidica, esencialmente significando que un grupo de fosfolípidos (consistiendo en una cabeza de fosfato y 2 colas ácido-graso), se arregla a sí mismos en una doble-capa, con las cabezas de fosfato hidrofílicos expuestos al contenido de agua fuera y dentro de la célula, mientras que las colas hidrofóbicas del ácido-graso se ocultan en el interior. La bicapa fosfolípidica es la más permeable a los solutos sin cambios pequeños. Los canales de proteína flotan a través de los fosfolípidos, y colectivamente, este modelo es conocido como modelo de mosaico fluido.

APLICACIONES INDUSTRIALES

- Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de población.- Tratamiento de efluentes industriales para el controvl de la contaminación y recuperación de

compuestos.- Industria de la alimentación (concentración de alimentos).- Industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación devirus, etc.- Industria cosmética- Agua de enjuagado electrónico y galvánico.- Industrias de vidrio.- Soda y plantas de embotellamiento.- Agua de alimentación de calderas y sistemas de vapor.- Hospitales y Laboratorios.- Medioambiente (reciclaje)- Desalinización

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

- José Alberto Moreno “Diseño de Tratamiento de agua de osmosis Inversa para la empresa OSMOTECH de Colombia, Colombia 2011, pág. 5-6.