Ósmosis Directa en Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales

Trabajo Final de MásterFacultad de Ciencias de la Tierra

Máster en Ciencia y Gestión Integral del Agua

Ósmosis Directa en Estaciones Depuradoras de

Aguas Residuales Autor: Cristóbal Urquieta García

Tutor: Jordi Labanda Angulo

BarcelonaJulio de 2018

ResumenEl presente estudio tiene como objetivo comprender el proceso de Ósmosis Directa (FO,

en inglés), por medio de la experimentación realizada en laboratorio y del análisis de los

resultados obtenidos. Se enmarca dentro de un proyecto mayor que busca recuperar

fósforo, por medio de la precipitación de estruvita, desde lodos concentrados con altos

contenidos de materia orgánica.

Fueron realizadas nueve pruebas de laboratorio, en un primer grupo se trabajó con

cloruro de sodio y cloruro de magnesio como Solución Extractora (DS, en inglés), en un

segundo grupo se varió la concentración de cloruro de amonio en la Solución Alimento

(FS, en inglés), y en el tercer grupo se trabajo con diferentes concentraciones de fosfato

sódico en la FS.

En una primera parte del estudio se describe brevemente los procesos típicos de una

Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), se analiza la situación actual de

España en materia de tratamiento de aguas residuales y se obtiene un valor teórico de la

cantidad de fósforo que se podría recuperar desde estas unidades. A continuación se

revisa los modelos matemáticos actuales que explican el proceso de FO y se busca en la

bibliografía aplicaciones de la Ósmosis Directa para la recuperación de recursos y

generación de energía en una EDAR.

El mayor flujo de agua (Jw) fue de 6,753 (L/m2 hr), cuando se utilizó como DS cloruro de

magnesio a 1,5 molar y agua desionizada como FS. Jw disminuye al agregar cloruro de

amonio o fosfato sódico en la FS.

Se ha determinado que el nitrógeno permea las membranas utilizadas y el fosfato es

retenido.

La FO es una tecnología que presenta una serie de beneficios, como el bajo consumo

energético, la posibilidad de concentrar recursos valiosos en la DS, un menor

ensuciamiento de las membranas que en la ósmosis reversa, pero aún es una tecnología

que debe ser mejorada para poder ser aplicada en una EDAR.

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Tabla de contenidos

1. Antecedentes 4----------------------------------------------------------------------------------

1.1 Procesos de una EDAR 5--------------------------------------------------------------------

1.3 Situación actual de las EDAR en España 10--------------------------------------------

1.4 Ósmosis Directa 11----------------------------------------------------------------------------

1.5 Ósmosis Directa para la recuperación de recursos en una EDAR. 16------------

2. Objetivos del Trabajo 20-----------------------------------------------------------------------

3. Material y Métodos 21-------------------------------------------------------------------------

4. Resultados 26------------------------------------------------------------------------------------

5. Discusión 47-------------------------------------------------------------------------------------

6. Conclusiones 57--------------------------------------------------------------------------------

7. Referencias bibliográficas 58-----------------------------------------------------------------

8. Anexos 61-----------------------------------------------------------------------------------------

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1. Antecedentes

Se estima que para el año 2025, mil ochocientos millones de personas vivirán en países o

regiones con una absoluta escasez de agua, y que dos tercios de la población mundial

podrían estar bajo condiciones de estrés hídrico. Bajo el actual escenario de cambio

climático, para 2030, la falta de agua en algunas regiones áridas y semi áridas generará

migraciones de entre 24 y 700 millones de personas (1).

Para nadie es una novedad que el medio ambiente está siendo afectado negativamente a

una tasa que no le permite su recuperación. Entre otros tantos problemas, los recursos

naturales como minerales, madera, agua con una adecuada calidad, comienzan a escasear.

Dada esta situación de un medio ambiente que no resiste más el actual nivel de

explotación, la Comunidad Europea se plantea como una de las siete iniciativas

emblemáticas que forman parte de la Estrategia Europa 2020 “Una Europa que utilice

eficazmente los recursos” (2). De este desafío nace el concepto de una economía circular,

basada en una sociedad del reciclado a fin de reducir la producción de residuos y

utilizarlos como recursos.

Dentro de este marco de utilizar los recursos de la manera más eficiente, reutilizarlos

tantas veces como sea posible y todo a un coste razonable, es que nace el interés por una

nueva tecnología que presenta una serie de beneficios, hablamos de la Ósmosis Directa,

que gana adeptos por sus bajos costes energéticos, facilidad en el proceso y múltiples

aplicaciones.

Por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales urbanas de poblaciones superiores a

los 1.000 h.e , el tratamiento biológico es el más utilizado como parte de uno de los 1

procesos de una EDAR, y el principal residuo de este proceso es un lodo líquido o

semisólido, que contiene aproximadamente un 95% de agua (3). El espesamiento de los

lodos es imprescindible con la finalidad de reducir el volumen y sus costes de operación

para su disposición final. Para espesar los lodos se pueden utilizar procesos de

sedimentación, que no siempre logran reducir significativamente el volumen final,

habitante equivalente: según RD 11/95 es la carga orgánica biodegradable con una DBO5 de 60 gr. por día.1

�4

algunos procesos físicos como la deshidratación y la centrifugación, que tienen elevados

costes energéticos, y también son posibles procesos de degradación biológica, como la

digestión anaeróbica. La FO, es una tecnología que se visualiza como una solución al

proceso de espesamiento de lodos, ya que no consumiría grandes cantidades de energía.

Básicamente la FO utiliza la diferencia de presión osmótica entre dos disoluciones

separadas con una membrana semipermeable, como fuerza para impulsar el paso de agua

desde la disolución de baja concentración (Solución Alimento) hacia la disolución de

elevada concentración (Solución Extractora). En teoría la membrana semi-permeable

debería dejar pasar solo agua por sus poros, y los solutos deberían quedar retenidos.

Las actuales EDAR están diseñadas para retirar la contaminación del agua y consumen

elevadas cantidades de energía en su proceso de oxidación de la materia orgánica y

nutrientes, es un proceso basado en el concepto de eliminar y tirar, contrario a lo que

plantea la economía circular. Es por esto que ya se comienza a trabajar en la EDAR del

futuro, como un proceso que genera electricidad a partir de la materia orgánica, capaz de

autoabastecer sus necesidades e incluso de distribuir energía a otros puntos, y capaz de

recuperar nutrientes, como el fósforo y nitrógeno, para ser utilizados como materia prima

(4). Es decir, tenemos así una EDAR que está en sintonía con la economía circular, y donde

estudiar e investigar la tecnología de FO puede ser de gran utilidad.

1.1 Procesos de una EDAREl objetivo principal de una EDAR es tratar las aguas residuales para ser vertidas al

medio natural cumpliendo con la legislación vigente de cada país.

El funcionamiento de una EDAR convencional cuenta con una línea de agua y una línea

de lodos.

La línea de agua consta básicamente de los siguientes procesos:

1. Pretratamiento: consiste en una serie de procesos físicos, que tiene como objetivo

separar del agua sólidos en suspensión que se encuentren presente. Los procesos varían

según en tamaño del sólidos que se quiere separar.

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1.1 Rejas de desbaste: se hace pasar el agua residual a través de una reja o serie de rejas,

con una separación entre barrotes entre los 25-100 (mm) para el desbaste grueso y entre

10-25 (mm) para el desbaste fino. Algunas consideraciones hidráulicas para su diseño son:

la velocidad de paso debe estar entre 0,6-1,0 (m/s) a caudal máximo, la velocidad de

aproximación a la reja debe ser mayor a 0,4 (m/s) a caudal mínimo, para evitar depósitos

de arena, a caudales máximos (lluvias y tormentas) la velocidad de aproximación debe

aumentarse a 0,9 (m/s), y que a la hora de calcular la velocidad del agua a través de la

reja, se supone que un 25-30% del espacio libre entre los barrotes está ocupado por los

residuos.

Figura 1 . Esquema de un pretratamiento físico. Fuente: https://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Pretratamiento.

1.2 Desarenado: el objetivo de esta operación es eliminar todas aquellas partículas de

granulometría superior a 220 micras. Se produce la sedimentación de partículas

granuladas no floculantes.

1.3 Desengrasado: el objetivo es eliminar del agua grasas, aceites, espumas y demás

materiales flotantes más ligeros que el agua. Por lo general, se utilizan métodos de

insuflación de aire, para desemulsionar la grasa y mejorar su flotabilidad.

2. Tratamiento primario: el objetivo de esta etapa es eliminar sólidos en suspensión, que

no fueron eliminados en la etapa de pretratamiento. Se basa en métodos puramente físicos

que suceden por acción de la gravedad. Existen sólidos sedimentables, que son aquellos

que sedimentan al dejar el agua residual en condiciones de reposo durante una hora,

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sólidos flotantes, que son aquellos que al dejar el agua residual en reposo durante una

hora flotan, y los sólidos coloidales, que tienen un tamaño entre 3 y 10 micras.

En esta etapa se comienza a reducir la DBO , ya que parte de los sólidos en suspensión 2

son materia orgánica.

Se añaden coagulantes, que neutralizan las cargas eléctricas de las partículas, y

floculantes, que aumentan el tamaño del flóculo, con el fin de aumentar la velocidad de

sedimentación. Se logran rendimientos del orden del 50-60% de eliminación de la DBO5 y

del 65-75% en sólidos en suspensión.

En la zona inferior derecha de la Figura 2, se puede observar los decantadores circulares

del tratamiento primario de parte del agua residual de la ciudad de Barcelona.

Figura 2. EDAR del Prat de LLobregat, Barcelona, España. Fuente: Google Maps.

Demanda Biológica de Oxígeno, es la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos para2

degradar totalmente la materia orgánica biodegradable que se encuentra en la muestra.

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3. Tratamiento secundario: el objetivo de este proceso es eliminar la materia orgánica

biodegradable del agua, por medio de microorganismos aerobios, a este proceso se le

conoce como lodos activados. Para este proceso es clave la aportación de oxígeno, y es una

de las etapas que más energía consume de todo el proceso.

El tratamiento secundario o biológico es el principal componente de la potencia requerida

de una EDAR, como se observa en la Figura 3 que representa la realidad española.

Finalizada la degradación de la materia orgánica, el agua pasa a un decantador

secundario, donde el lodo biológico se separa del agua depurada, y parte del lodo se

recircula al reactor biológico.

4. Tratamiento terciario: en caso que el agua depurada quiera ser reutilizada, o no se

cumpla con los parámetros establecidos en la legislación para algunos compuestos, como

por ejemplo el nitrógeno o fósforo, se debe realizar un proceso terciario. Existe una gran

diversidad de tratamiento (por ejemplo, filtración por membranas, lagunaje, aplicación de

ozono/ultra violeta, entre otros), y donde la elección va a depender en gran medida de la

calidad final del agua que se debe obtener, los costes de inversión y los costes energéticos

del proceso.

La linea de fango tiene por objetivo separar del proceso de depuración del agua residual

la materia orgánica, nitrógeno, fósforo, y otros compuestos presentes en el agua. A su vez

permite la recirculación de lodo al tratamiento secundario, trasladar el lodo sobrante hacia

la digestión anaeróbica para la generación de biogás, en caso que la EDAR cuente con esta

tecnología, y por último su reducción de volumen para ser retirado y dispuesto según la

legislación de cada país. Algunos procesos que se pueden destacar son:

- Espesamiento decantador primario: los lodos provenientes del decantantador primario,

se someten a un proceso de espesamiento por gravedad, el agua separada en esta etapa es

reincorporada a la cabecera de planta.

- Espesamiento decantador secundario: los lodos de este proceso se someten a un

espesamiento por flotación.

Los lodos procedentes de ambos procesos se unen en un tanque de homogeneización.

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- Digestión anaeróbica: este proceso esta presente generalmente en las EDAR de mayor

tamaño, sin embargo en España es una tecnología muy poco usada y de las 617 EDAR,

sólo dos tienen este proceso (5). Los lodos son conducidos a un digestor anaeróbico,

donde microorganismos anaerobios digieren la materia orgánica y producen CH4 y CO2,

más materia celular. La materia orgánica sufre un proceso de hidrólisis/fermentación,

produciendo ácidos grasos volátiles, que por metanización se transforman en biogás.

- Deshidratación: antes de la disposición final del lodo sobrante de todos los procesos, es

necesaria su reducción de volumen, para un menor coste de transporte. Esto se logra

retirando el agua del lodo mediante un proceso de deshidratación, que puede ser de

manera natural por efecto del sol y el aire, lo que requiere períodos de tiempo extenso, o

utilizando procesos como la centrifugación o prensado, que disminuyen el tiempo de

deshidratación, pero tienen un elevado coste energético.

Figura 3. Potencia requerida por unidad de tratamiento. Fuente: IDAE, España.

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1.3 Situación actual de las EDAR en EspañaEspaña cuenta con 2.125 EDAR, un 71% llega hasta la fase de tratamiento secundario, un

27% hasta un tratamiento terciario y un 2% sólo cuenta con tratamiento primario. En su

conjunto tratan un caudal de 4.097 (hm3) anualmente (6). Se estima un caudal depurado

por habitante de 102 (m3) por año (Tabla 1).

Tabla 1. Kilogramos materia seca y DBO5 depurada. Fuente: elaboración propia.

En España cada persona produce 90 kilogramos de fango al año, cuyo principal destino

final es como abono para la agricultura, jardinería y silvicultura (79%), un 11% es

incinerado y un 10% se destina en vertederos (7).

La cantidad de fósforo en los lodos de depuradoras en España varían entre 500 y 5.8000

(mg/Kg) de materia seca, aunque se puede fijar una media de alrededor de 2.500-3.000

(mg/Kg) de materia seca de P (8).

Tabla 2. Cálculo de las toneladas de fósforo anual producidas en España. Fuente: elaboración propia.

Considerando el valor inferior de 2.500 (mg de fósforo/Kg materia seca), que

normalmente se encuentra en los lodos de EDAR españoles, en teoría se podrían

recuperar 2.095 toneladas de fósforo al año, como se observa el la Tabla 2.

Unidades Valores

Kg. materia seca/hab. año 18

Kg. DBO5/hm3 depurado 197

Caudal depurado por hab.(m3/año) 102

Unidades Valores

Kg. materia seca/hab. año 18

Mg. de fósforo / kg. materia seca 2.500

Mg. de fósforo/hab. año 45.000

Toneladas de fósforo / año (46.549.045 hab.) 2.095

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La administración de las EDARs está en un 65% en manos de entidades públicas, un 21%

en manos privadas, un 8% empresas mixtas y un 6% son administradas por servicios

municipales. En el caso de las entidades públicas, administran y controlan sistemas

regionales, contratando la gestión, es decir la operación y mantenimiento, a empresas

privadas. Considerando esto, se puede estimar que más de un 80% de la gestión de las

EDARs está en manos de empresas privadas en España.

1.4 Ósmosis DirectaEl proceso de Ósmosis Directa utiliza como fuerza impulsora el gradiente de presión

osmótica generado entre una disolución altamente concentrada, denominada solución

extractora, y otra disolución más diluida, denominada solución alimento.

En la Ósmosis Directa la fuerza es química. La difusión de agua a través de una

membrana semipermeable, que retiene el soluto, se da desde la solución alimento hacia la

solución extractora, por lo que la primera con el paso del tiempo se va concentrando y la

segunda diluyendo. Este proceso continúa hasta que la presión osmótica de ambas

soluciones se equilibra. La Ósmosis Directa presenta ciertas similitudes con la Ósmosis

Reversa, ya que en ambos procesos el agua atraviesa una membrana semipermeable,

mientras que las sales disueltas permanecen retenidas por la membrana. Sin embrago, la

Ósmosis Reversa necesita una fuerza física (presión hidráulica) para vencer el gradiente

de presión osmótica entre ambas soluciones, mientras la Ósmosis Directa aprovecha como

fuerza impulsora la diferencia de presión osmótica (fuerza química), como se observa en

la Figura 4.

El proceso de Ósmosis Directa presenta la ventaja de no consumir energía para generar

una presión hidráulica, a diferencia de la Ósmosis Reversa, reduciendo los costes del

proceso. Aún no es un proceso que se utilice a escala industrial, las pruebas realizadas

hasta el momento son a nivel de laboratorio y plantas pilotos. Los principales problemas

de esta tecnología son la polarización externa, que se da en la zona de contacto entre la

solución y membrana, la polarización interna que tiene lugar dentro del soporte poroso de

la membrana (ver Figura 5), el biofouling que obstruye la membrana, la acumulación de

�11

sales y metales en la DS, entre otros. Los efectos de la polarización externa se pueden

disminuir aumentando la turbulencia junto a la membrana y el soporte, la polarización

interna es más difícil de eliminar, y depende principalmente de la estructura del soporte

poroso (9).

Figura 4. Proceso de Ósmosis Directa y Ósmosis Reversa. Fuente: elaboración propia.

Figura 5. Proceso de polarización externa (PCE Concentrativa) e interna (PCI Dilutiva) en la Ósmosis Directa. Fuente: elaboración propia.

�12

CA: capa activa de la membrana.

SP: soporte poroso de la membrana.

La Polarización por Concentración Externa Concentrativa, (PCE Concentrativa), se da

cuando la cara activa de la membrana esta enfrentada a la solución alimento, los solutos se

acumulan sobre la CA, produciendo un aumento en la concentración en la interfase FS-

CA. La presión osmótica en la interfase es superior a la presión osmótica en el seno de la

FS.

La Polarización por Concentración Interna Dilutiva, (PCI Dilutiva), se da si el SP de la

membrana está enfrentada a la DS, a medida que el agua permea a través de la

membrana, la DS se va diluyendo en el interior de la estructura porosa.

Ambos fenómenos de polarización se observan en la Figura 5.

La ecuación matemática que caracteriza el procesos de Ósmosis Directa de forma general,

se puede expresar en base a la leyes de Fick sobre la difusión, como:

Jw = A x (∆π - ∆P) [m3/ m2 x s] (ecuación 1)

Donde:

Jw: flujo de agua que atraviesa la membrana.

A: coeficiente de permeabilidad al agua de la membrana.

∆π: diferencia de presión osmótica.

∆P: presión hidráulica aplicada al sistema.

En la FO la presión hidráulica es cero, por lo que la fuerza impulsora es sólo la diferencia

de presión osmótica entre la DS y la FS.

Jw = A x (πD,b − πF,b) [m3/ m2 x s] (ecuación 2)

πD,b: presión osmótica en el seno de la DS.

πF,b: presión osmótica en el seno de la FS.

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Como ya hemos visto anteriormente la FO utiliza como fuerza impulsora para el

transporte de agua la diferencia de presión osmótica entre dos disoluciones separadas por

una membrana semipermeable. La presión osmótica no depende de la naturaleza del

soluto, sólo de su concentración. Para disoluciones diluidas (ideales) se puede determinar

según la ecuación de Van’t Hoff .

π = n x C x Rg x T [Pa] (ecuación 3)

π: presión osmótica.

n: factor de Van’t Hoff.

C: concentración molar de la disolución (mol/L).

Rg: constante de los gases ideales (0,082 [atm x L / mol x K]).

T: temperatura de la disolución en kelvin.

Uno de los problemas de la Ósmosis Directa es la polarización que se da en la zona de

contacto entre la disolución y la membrana. Es posible definir matemáticamente estos

procesos de polarización.

Cuando la cara activa de la membrana está enfrentada a la FS, se acumulan solutos en la

interfase FS-CA produciéndose un aumento de la concentración, por efecto de la

Polarización por Concentración Externa (PCE) Concentrativa (ver Figura 5).

#

πF,a: presión osmótica en la interfase FS-CA.

πF,b: presión osmótica en el seno de la FS.

k: coeficiente de transferencia de masa.

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πF ,aπF ,b

= exp Jwk

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Al interior del soporte poroso de la membrana, la DS se va diluyendo por el agua que

permea, por efecto de la Polarización por Concentración Interna (PCI) Dilutiva.

πD,a: presión osmótica en en el interior del soporte poroso.

πD,b: presión osmótica en el seno de la DS.

S: parámetro estructural del soporte.

D: el coeficiente de difusión del soluto en el seno de la DS.

t: espesor del soporte de la membrana.

ℇ: porosidad.𝜏: tortuosidad.

Por lo tanto,

(ecuación 4)

La relación entre el flujo de agua y la presión osmótica fue desarrollada por McCutcheon

y Elimelech, considerando los efectos por la polarización por concentración (10).

El flujo reverso de solutos (Js) responde a la siguiente ecuación:

Js= B x (CD,b - CF, b)

Al incluir el efecto de la PCE y la PCI, la ecuación de Js queda de la siguiente manera (11).

(ecuación 5)

�15

πD,aπD,b

= exp −Jw i SD

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

S = t iτε

Js = BCD,b i exp −Jw i S

D⎛⎝⎜

⎞⎠⎟−CF ,b i exp Jw

k⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

1+ BJw

expJwk

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟− exp −Jw i S

D⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

⎧

⎨⎪⎪

⎩⎪⎪

⎫

⎬⎪⎪

⎭⎪⎪

Donde,

B: coeficiente de permeabilidad al soluto.

CD,b: concentración en el seno de la DS.

CF,b: concentración en el seno de la FS.

1.5 Ósmosis Directa para la recuperación de recursos en una EDAR.Actualmente los procesos de una EDAR se centran en eliminar la materia orgánica,

patógenos y nutrientes desde las aguas residuales para su posterior vertido al medio

natural, pero no son efectivos desde el punto de vista energético y la recuperación de

nutrientes, como el fósforo y nitrógeno (12). En la etapa de tratamiento secundario con

lodos activados se consumen grandes cantidades de energía para suministrar aireación al

proceso y se producen excesivas cantidades de lodo residual. Por lo tanto, la energía y

nutrientes que contienen el agua residual son desaprovechados a costa de un alto

consumo energético externo. Esta situación debe cambiar.

Actualmente se sigue investigando para tratar las aguas residuales con un tratamiento

anaeróbico capaz de convertir las sustancias orgánicas en metano y recuperar los

nutrientes (13). Se comienza a hablar que las EDARs serán energéticamente neutras e

incluso producirán energía, y serán minas de recursos dentro de las ciudades (14).

Sin embargo, la concentración de materia orgánica en las aguas residuales es

generalmente baja, lo que causa problemas al digestor anaeróbico. Es por esta situación

que tecnologías de membranas han sido integradas al proceso anaeróbico, con la finalidad

de incrementar la biomasa en el digestor y mejorar la calidad del efluente. Se han probado

membranas de microfiltración, ultrafiltración, Ósmosis Directa y otras. Pero la que más

futuro presenta, debido a su alta capacidad de separación y a la facilidad de eliminar el

biofouling, son las membranas de Ósmosis directa (15). Debemos sumar el bajo consumo

energético del proceso. Sin embargo, aún quedan múltiples desafíos que enfrentar para

que esta tecnología sea escalable y puesta en marcha en la mayoría de las EDARs, desafíos

�16

como la acumulación de contaminantes en la Solución Extractora, un flujo de agua muy

lento, biofouling en las membranas, entre otros.

Existen tres grandes grupos de configuración que han sido desarrollados a escala piloto

para la Ósmosis directa en el tratamiento de aguas residuales. El primero, es conocido

como bioreactor de membrana osmótica aeróbico (Ae-OMBR) (16). El agua residual es

introducida en un reactor de lodos activados con un módulo de FO, que concentra el agua

residual. El segundo grupo estudiado, es el bioreactor de membrana osmótica anaeróbico

(An-OMBR), para el tratamiento del agua residual y la producción de biogás (17). En el

tercer grupo, el concepto es similar al An-OMBR, pero el agua residual es previamente

concentrada por FO antes de la digestión anaeróbica.

#

Figura 6. Bioreactor de membrana osmótica aeróbico (Ae-OMBR). Fuente: diseño propio a partir de Ashley et al. (11).

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Figura 7. Bioreactor de membrana osmótica anaeróbico (An-OMBR). Fuente: diseño propio a partir de Ashley et al. (11).

Figura 8. Concentración del agua residual para una posterior digestión anaeróbica. Fuente: diseño propio a partir de Ashley et al. (11).

Se ha reportado en la literatura posibles aplicaciones de la FO, como por ejemplo la

regeneración de agua residual mediante Ósmosis Directa (18, 19, 20), como se observa en

la Figura 9.

�18

Figura 9. Proceso de FO para la regeneración de agua residual. (A) Osmosis reversa o nano filtración, (B) Destilación con membrana y (C) electrodialisis con membrana.

Fuente: diseño propio a partir de Ashley et al. (11).

Otra posible aplicación de la FO es la generación de biogás, el proceso empleado a escala

piloto es la configuración que se muestra en la Figura 7 (An-OMBR), con estudios que han

entregado una producción de metano entre 0,2 y 0,3 (L CH4 / gr DQO) en laboratorio (21).

Una segunda configuración para la obtención de biogás es la que se muestra en la Figura

8, en este proceso el agua residual es concentrada por FO antes de ingresar el digestor

anaeróbico. Esto tiene la ventaja que la membrana de FO esta en contacto directo con el

agua residual, que es más diluida que el lodo, lo que permite un menor ensuciamiento de

la membrana y mejor funcionamiento.

En la Figura 10 se puede ver un esquema de un proceso de generación de biogás y

recuperación de nutrientes y agua. El agua residual es concentrada mediante FO, para

luego ser ingresada al digestor anaeróbico, donde se genera biogás, con el que se produce

electricidad y calor. El tratamiento anaeróbico transforma parcialmente el nitrógeno y

fósforo orgánico a sus formas solubles (e.j. amonio y fosfato), esto permite una mejor

disponibilidad química de los nutrientes en un proceso de recuperación. Por último, el

sistema puede ser auto alimentado energéticamente entre un 70-80% (22), y el calor

producido puede ser utilizado en el proceso de destilación por membrana (MD) para la

recuperación de la Solución Extractora y obtención de agua.

�19

Figura 10. Ejemplo de un proceso de preconcentración con FO para generación de biogás. Fuente: diseño propio a partir de Ashley et al. (11)

2. Objetivos del Trabajo

El objetivo general del presente trabajo final de Máster es comprender el proceso de

Ósmosis Directa por medio de la experimentación en laboratorio y el análisis de los datos

obtenidos.

A nivel de objetivos específicos se tienen los siguientes.

1. Determinar la densidad de flujo de agua en dos membranas orgánicas, utilizando

como DS cloruro de sodio (2 molar) y cloruro de magnesio (1,5 molar), y como FS agua

desionizada, cloruro de amonio y fosfato sódico.

2. Determinar el flujo de soluto de la solución extractora.

3. Estudiar la permeación de cloruro de amonio.

4. Estudiar la concentración de fosfato sódico.

�20

3. Material y Métodos

Para el desarrollo de la fase experimental de este proyecto final de Máster se han utilizado

los siguientes materiales y equipos de laboratorio.

- Solución Alimento, para cada prueba se han utilizado 750 (ml) de diferentes

disoluciones, enfrentadas a la cara activa de la membrana. Se utilizó agua desionizada,

disolución de NH4Cl (cloruro de amonio) con una concentración de 0,7 (gr/L), 1 (gr/L )

y 1,2 (gr/L), y una disolución de Na2HPO4 -12H2O (tri-sodio fosfato) con una

concentración de 0,07 (gr/L), 0,1 (gr/L) y 0,12 (gr/L).

- Solución Extractora, en cada prueba se utilizó 500 (ml) enfrentada al soporte poroso de

la membrana. Se utilizó como DS cloruro de sodio (NaCl) a una concentración de 2

molar, cloruro de magnesio hexahidratado (MgCl2-6H2O) a 1,5 molar, y agua

desionizada.

- Dos módulo de Ósmosis Directa (Celda A y Celda C), compuesto cada uno por dos

celdas de vidrio de un volumen aproximado de 1000 (ml) cada una, divididas por una

placa de acero inoxidable que contiene a la membrana semipermeable, con un área de

0,005 m2.

Figura 11. Uno de los cuatro módulos de Ósmosis Directa para prueba en laboratorioFuente: fotografía propia.

�21

- Matraces aforados, probetas, vasos precipitados para medir volúmenes y preparar

disoluciones.

- Agitadores modelo Mini Stirrer marca Fisher Brand para mantener homogénea la

concentración en todo el volumen de cada disolución.

- Balanza analítica Precisa XT620M (máximo 620 g y d=0,001 g) y balanza Sartorius

TE214S (máximo 210 g y d=0,1 mg), para medir los gramos de soluto de cada disolución

preparada durante las pruebas.

- Conductimetro Hach HQ 40d multi, para medir la variación de conductividad en la FS

y DS en el tiempo.

- Peachímetro Hach HQ 30d flexi, para medir la variación de pH en el tiempo en la FS y

DS.

Los experimentos realizados durante este estudio, se realizaron en el laboratorio del

“Grupo de Investigación de Procesos de Separación, Membranas y Polímeros”,

perteneciente al Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Barcelona. En

la Figura 11 y 12 se puede ver el detalle de cada módulo.

Figura 12. Esquema módulo de Ósmosis Directa empleado en la fase de experimentación. Fuente: diseño propio.

�22

La metodología empleada en cada experimento se describe a continuación:

1. Preparar la Solución Alimento y la Solución Extractora con los solutos

correspondientes y concentraciones según el tipo de experimento a realizar. Por

ejemplo, para un experimento con cloruro de amonio en la FS (concentración de 1 gr./

L) y cloruro de magnesio de la DS (concentración de 1,5 molar), se pesa 1 (gr) de

NH4Cl y se disuelve en agua desionizada (aproximadamente 200 ml) en una vaso

precipitado, mezclando con un agitador magnético. Luego en un matraz aforado se

completa la disolución con más agua desionizada hasta completar un litro. Para la DS

de 1,5 molar se pesa 304,95 (gr) de MgCl2-6H2O (203,3 gr./mol) en una balanza de

precisión de 0,001 (gr) y se procede a disolver de la misma manera que en la FS hasta

obtener 1 (L) de disolución.

2. Calibración del conductimetro con patrón de 12,88 (ms/cm) para medir la DS y con un

patrón de 147 (𝜇s/cm) para la FS.

3. Calibración del peachímetro con patrones de 4, 7 y 10 pH.

4. En las pruebas que se utilizaba cloruro de amonio en la FS se subía el pH a 8 con una o

dos gotas de hidroxido de sodio (NaOH) por litro de disolución.

5. Al comienzo de cada prueba se procede a limpiar cada módulo con agua desionizada.

6. La prueba comienza por el módulo A. Se vierte 750 (ml) de FS en la celda que tiene la

cara activa de la membrana, y 500 (ml) de DS en la otra celda. Se registra el volumen

exacto de cada celda en t0 (no siempre es exactamente 750 y 500 ml.). Se mide la

conductividad de la FS y DS en t0 (tiempo cero). Y por último se mide el pH de la FS y

DS.

7. Una vez se tiene registrado la conductividad de la FS y DS del módulo A, se procede al

módulo C de la misma manera que en el punto 4. Importante destacar que el registro

del pH tarda más tiempo que la conductividad, por lo que una vez medida la

conductividad en t0 se da inicio a la prueba en el siguiente módulo, mientras el

peachímetro continua realizando la medición.

�23

8. Cada 15 minutos se registra la conductividad y el pH de la DS y FS de cada módulo.

9. Cada 30 minutos se registra el volumen de la DS y FS de cada módulo.

10. Para las pruebas de cloruro de amonio y fosfato sódico en la FS, cada 30 minutos se

toma con una pipeta una muestra de solución alimento de cada módulo y se pone en

un dial con aproximadamente 10 (ml) de agua desionizada. Al finalizar el experimento

la muestra que hay en cada vial se diluyen en un matraz aforado con agua desionizada

y se baja el pH a 4 con 1 gota de ácido clorhídrico (HCl) en cada muestra de cloruro de

amonio, y en la muestras de fosfato sódico con 3 gotas de ácido nítrico (HNO3).

11. Se finaliza el experimento a las 3 horas desde t0.

12. Cada módulo se lava con agua desionizada y se deja con esta agua hasta cubrir la

membrana de cada celda.

Siguiendo la metodología anteriormente descrita, se realizaron un total de nueve (9)

pruebas, en las cuales se variaba el soluto disuelto en el agua desionizada de la FS y DS.

Las pruebas realizadas fueron las siguientes.

1. Cloruro de sodio con una concentración de 2 molar como DS, y agua desionizada

como FS enfrentada a la cara activa de la membrana.

2. Cloruro de magnesio con una concentración de 1,5 molar como DS, y agua desionizada

como FS enfrentada a la cara activa de la membrana.

3. Cloruro de amonio con una concentración de 1 gr./L. como DS enfrentada a la cara

activa de la membrana, y agua desionizada como FS enfrentada al soporte poroso.

4. Como DS cloruro de magnesio con una concentración de 1,5 molar enfrentada al

soporte poroso de la membrana, y como FS cloruro de amonio con una concentración

de 0,7 gr./L.



de 1 gr./L.

�24



de 1,2 gr./L.


soporte poroso de la membrana, y como FS fosfato sódico con una concentración de

0,07 gr./L.


soporte poroso de la membrana, y como FS fosfato sódico con una concentración de 0,1

gr./L.


soporte poroso de la membrana, y como FS fosfato sódico con una concentración de

0,12 gr./L.

En las pruebas 5 y 8 cada 30 minutos se tomaba una muestra de la FS con la finalidad de

medir la variación del nitrógeno total y fósforo, respectivamente. Los primeros resultados

obtenidos durante estas pruebas no entregaron valores coherentes, por lo que se decidió

repetir ambas pruebas. Sin embargo, los nuevos resultados volvieron a entregar valores

incoherentes.

Tabla 3. Concentraciones iniciales de cada prueba realizada. Fuente: elaboración propia.

Prueba Concentración inicial DS Concentración inicial FS

Prueba 1 2 molar de NaCl Agua desionizada

Prueba 2 1,5 molar de MgCl Agua desionizada

Prueba 3 1 gr/L cloruro de amonio Agua desionizada

Prueba 4 0,7 gr/L cloruro de amonio 1,5 molar de MgCl

Prueba 5 1 gr/L cloruro de amonio 1,5 molar de MgCl

Prueba 6 1,2 gr/L cloruro de amonio 1,5 molar de MgCl

Prueba 7 0,07 gr/L fosfato sódico 1,5 molar de MgCl



�25

4. Resultados

Para el cálculo de Jw y Js, se ha considerado un flujo medio de ambos parámetros durante

las tres horas de experimento. El primer paso fue transformar los datos de conductividad

registrados en laboratorio a concentración, para lo cual se utilizaron rectas de calibración

obtenidas con el software Oli Studio. A continuación veremos un ejemplo del

procedimiento empleado para la prueba 1 (como DS NaCl a 2 molar y agua desionizada

como FS).

A continuación vemos un ejemplo del proceso empleado para cada prueba.

El primer paso es construir con el software Oli Studio la curva conductividad versus

concentración para el NaCl. Para ello ingresamos varios valores de concentración en Oli y

registramos los valores de conductividad que nos entrega el software. Así se obtiene una

tabla de dos columnas (concentración y conductividad), y que al graficar los valores

obtenemos una curva patrón, con una ecuación que nos permite relacionar conductividad

y concentración. Para la prueba 1 se utilizó la curva patrón de la Figura 13.

Figura 13. Recta patrón concentración versus conductividad para NaCl.Fuente: elaboración propia a partir de Oli Studio.

�26

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0

1

2

3

4

Conductividad (ms/cm)

0 75 150 225 300

y = 1,328E-7x3 - 3,99E-6x2 + 0,0113x - 0,0244R² = 0,9999

Con la ecuación de la curva obtenida, se procede a transformar los valores de

conductividad medidos en laboratorio, a concentraciones (Tabla 4)

Tabla 4. Conductividad y concentración para la DS y FS en la Celda A, prueba 1. Fuente: elaboración propia.

La recta patrón para el agua desionizada también se construye con Oli siguiendo los pasos

anteriores, para esta prueba se uitliza la ecuación y= 8,402 E-06 x.

Con los datos de concentración obtenidos, se procede a calcular la variación de volumen

de la DS y la FS durante las tres horas de prueba de cada experimento. Para ello se realiza

un balance de materia, con los siguientes pasos:

1. Se calcula los moles iniciales en la DS (V0 (DS) = 0,52 (L), valor medido en laboratorio):

V0 (DS) x C0 (DS) = 0,52 (L) x 2,7517 (mol/L) = 1,4309 moles iniciales (DS).

2. Moles iniciales (DS) = Ct (DS) x Vt (DS) + Ct (FS) x Vt (FS).

Ct: concentración en un tiempo t.

Vt: volumen en un tiempo t.

�27

DS FS

Tiempo (min) Conductividad DS (ms/cm)

Concentración DS (mol/L)

Conductividad DS (𝜇s/cm)

Concentración DS (mol/L)

0 184,5 2,7517 339 0,002848

15 183,9 2,7377 343 0,002882

30 183 2,7169 353 0,002966

45 181,9 2,6916 370 0,003109

60 180,5 2,6597 381 0,003201

75 179,7 2,6415 392 0,003294

90 178,7 2,6190 403 0,003386

105 177,5 2,5921 414 0,003478

120 176,9 2,5787 423 0,003554

135 175,7 2,5521 436 0,003663

150 174,5 2,5256 448 0,003764

165 173,6 2,5059 460 0,003865

180 172,6 2,4841 473 0,003974

3. El volumen de la FS se expresa en términos de la DS:

Vt(FS)= V0 (FS) -[Vt (DS) -V0 (DS)].

4. Se reemplaza en el punto 2 el Vt (FS) por la ecuación del punto 3, y de la ecuación

resultante se despeja el Vt (DS).

Vt (DS)= [moles iniciales (DS) - V0 (DS) x Ct (FS) - V0 (DS) x Ct (FS)] / [Ct (DS) - Ct (FS)].

Donde:

Vt: volumen en un tiempo t.

Ct: concentración en un tiempo t.

V0: volumen inicial.

C0: concentración inicial.

Este procedimiento se aplica a cada prueba realizada, de está manera a partir de la

conductividad medida se obtiene concentración y volumen para cada tiempo (Tabla 5).

Tabla 5. Concentración y volumen teórico para cada tiempo en la Celda A, prueba 1.

Tiempo (min) Concentración DS (mol/L)

Concentración FS (mol/L) V(DS) teórico (L) V (FS) teórico (L)

0 2,7517 0,002848 0,5192 0,7308

15 2,7377 0,002882 0,5219 0,7281

30 2,7169 0,002966 0,5259 0,7241

45 2,6916 0,003109 0,5308 0,7192

60 2,6597 0,003201 0,5371 0,7129

75 2,6415 0,003294 0,5408 0,7092

90 2,6190 0,003386 0,5454 0,7046

105 2,5921 0,003478 0,5511 0,6989

120 2,5787 0,003554 0,5539 0,6961

135 2,5521 0,003663 0,5597 0,6903

150 2,5256 0,003764 0,5655 0,6845

165 2,5059 0,003865 0,5700 0,6800

180 2,4841 0,003974 0,5749 0,6751

�28

La variación de concentración para la DS y FS en las pruebas 1 y 2, son las siguientes

(Figura 14, Figura 15, Figura 16 y Figura 17).

Figura 14. Variación de la concentración en la DS para la Celda A y Celda C, prueba 1.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 15. Variación de la concentración en la FS para la Celda A y Celda C, prueba 1.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�29

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

2,20

2,40

2,60

2,80

3,00

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda ACelda C

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0025

0,0029

0,0033

0,0037

0,0041

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda ACelda C



Con los datos de concentración y volúmenes calculados de la DS y FS a lo largo del

tiempo, se procede a realizar gráficas de volumen de la DS con respecto al tiempo, y de

concentración por volumen (moles) de la FS con respecto al tiempo, para el experimento 1

y 2 (Figura 18, Figura 19, Figura 20 y Figura 21).

�30

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

2,50

2,75

3,00

3,25

3,50

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda ACelda C

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,000

0,001

0,002

0,003

0,005

0,006

0,007

0,008

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda ACelda C

Figura 18. Variación volumen DS para la Celda A y Celda C, prueba 1. Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 19. Variación de la concentración por el volumen en la FS para la Celda A y Celda C, prueba 1.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�31

Volu

men

(L)

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0333x + 0,5071R² = 0,9887

y = 0,019x + 0,5174R² = 0,9977 Celda A Celda C

Mol

es s

olut

o en

FS

0,0019

0,0021

0,0024

0,0026

0,0028

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0002x + 0,0021R² = 0,9969

y = 0,0002x + 0,002R² = 0,9964 Celda A Celda C



�32

Volu

men

(L)

0,450

0,488

0,525

0,563

0,600

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0338x + 0,4729R² = 0,9998

y = 0,026x + 0,4847R² = 0,9985

Celda A Celda C

Mol

es s

olut

o en

FS

0,00200

0,00243

0,00286

0,00329

0,00371

0,00414

0,00457

0,00500

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0004x + 0,0032R² = 0,9465

y = 0,0005x + 0,0027R² = 0,9524

Celda A Celda C

De la figura 18 y 20 se obtiene el flujo medio de agua (Jw) como la pendiente de la recta

(Tabla 5).

- Prueba 1: DS (NaCl a 2 molar) y FS (agua desionizada). Área membrana 0,005 m2

Membrana A ➔ y= 0,019・X + 0,5174 ➔ Jw= 0,019 (L/hr) Dividido por el área

Jw1A= 3,797 (L/m2 hr)

Membrana C ➔ y= 0,0333・X + 0,5071 ➔ Jw= 0,0333 (L/hr) Dividido por el área

Jw1C= 6,589 (L/m2 hr)

- Prueba 2: DS (MgCl a 1,5 molar) y FS (agua desionizada). Área membrana 0,005 m2

Membrana A ➔ y= 0,026・X + 0,4847➔ Jw= 0,026 (L/hr) Dividido por el área

Jw2A= 5,194(L/m2 hr)


Jw2c= 6,753 (L/m2 hr)

Tabla 6. Comparativa entre membranas y pruebas para Jw en (Litros/m2 hora).

De la Figura 19 y Figura 21 se obtiene Js como la pendiente de la recta (Tabla 6).

- Prueba 1: DS (NaCl a 2 molar) y FS (agua desionizada). Área membrana 0,005 m2

Membrana A ➔ y= 0,0002・X + 0,002 ➔ Js= 0,0002 (moles/hr) Dividido por el área

Js1A= 0,04102 (moles/m2 hr)

Membrana C ➔ y= 0,0002・X + 0,0021 ➔ Jw= 0,0002(moles/hr) Dividido por el área

Js1C= 0,03228 (moles/m2 hr)

Jw (L/ m2 hr) Celda A Celda C

Prueba 1 3,797 6,589

Prueba 2 5,194 6,753

�33

- Prueba 2: DS (MgCl a 1,5 molar) y FS (agua desionizada). Área membrana 0,005 m2

Membrana A ➔ y= 0,0005・X + 0,0027 ➔ Jw= 0,0005 (moles/hr) Dividido por el área

Js2A= 0,10687 (moles/m2 hr)

Membrana C ➔ y= 0,0004・X + 0,0032 ➔ Jw= 0,0004 (moles/hr) Dividido por el área

Jw2C= 0,07859 (moles/m2 hr)

Tabla 7. Comparativa entre membranas y pruebas para Js.

Los resultados del experimento 3, en el cual la DS se enfrentó a la cara activa de la

membrana y la FS al soporte poroso, son los siguientes (Figura 22, Figura 23, Figura 24 y

Figura 25).


Js (moles/ m2 hr) Celda A Celda C

Prueba 1 0,04102 0,03228

Prueba 2 0,10687 0,07859

�34

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0270

0,0278

0,0285

0,0293

0,0300

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A Celda C



�35

Volu

men

(L)

0,367

0,370

0,372

0,375

0,377

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0026x + 0,3684R² = 0,9442

y = 0,0003x + 0,3737R² = 0,0872

Celda ACelda C

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0041

0,0043

0,0045

0,0046

0,0048

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A Celda C


De la Figura 24 se obtiene el flujo medio de agua (Jw) como la pendiente de la recta.

- Prueba 3: DS (Cloruro de Amonio a 1,5 molar) y FS (agua desionizada). Área membrana

0,005 m2

Membrana A ➔ y= 0,0003・X + 0,3737 ➔ Jw= 0,0003 (L/hr) Dividido por el área

Jw3A= 0,051 (L/m2 hr)


Jw3C= 0,514 (L/m2 hr)

De la Figura 25 se obtiene Js como la pendiente de la recta.

Membrana A ➔ 8,257 E-05 ·X + 0,0036 ➔ Jw= 8,257 E-05 (moles/hr) ➔ Dividido por el

área

Js3A= 0,01651 (moles / m2 hr)

Membrana C ➔y= 0,0001・X + 0,0038 ➔ Js= 0,0001 (moles/hr) Dividido por el área

Js3c= 0,02212 (moles/m2 hr)

�36

Conc

entr

ació

n po

r vo

lum

en F

S (m

oles

)

0,0035

0,0037

0,0039

0,0040

0,0042

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0001x + 0,0038R² = 0,9834

y = 8,257E-5x + 0,0036R² = 0,9934

Celda ACelda C

En las pruebas 4, 5 y 6 se enfrentó la cara activa de la membrana a la solución alimento

(disolución de 0,7 gr/L, 1 gr/L y 1,2 gr/L de NH4Cl en agua desionizada,

respectivamente) y el soporte poroso a la solución extractora de cloruro de magnesio a 1,5

molar. Los resultados obtenidos se presentan en las Figuras 26 a 32.

Figura 26. Variación de la concentración en la DS para la Celda A prueba 4, 5 y 6.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 27. Variación de la concentración en la DS para la Celda C, prueba 4, 5 y 6.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�37

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

1,30

1,37

1,43

1,50

1,56

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A (prueba 4)Celda A (prueba 5)Celda A (prueba 6)

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

1,30

1,37

1,43

1,50

1,56

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda C (prueba 4)Celda C (prueba 5)Celda C (prueba 6)




�38

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0064

0,0067

0,0070

0,0072

0,0075

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A (prueba 4)Celda C (prueba 4)

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0310

0,0323

0,0335

0,0348

0,0360

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A (prueba 6)Celda C (prueba 6)

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0070

0,0073

0,0077

0,0080

0,0083

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A Celda C

Figura 31. Variación volumen DS para la Celda A, prueba 4, 5 y 6. Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 32. Variación volumen DS para la Celda C, prueba 4, 5 y 6. Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�39

Volu

men

(L)

0,4700

0,5025

0,5350

0,5675

0,6000

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0236x + 0,4994R² = 0,9922

y = 0,0161x + 0,4975R² = 0,9975

y = 0,0187x + 0,4958R² = 0,9968


Volu

men

(L)

0,4700

0,5025

0,5350

0,5675

0,6000

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0282x + 0,4939R² = 0,9957

y = 0,0086x + 0,5154R² = 0,9981

y = 0,0174x + 0,4848R² = 0,9969





�40

Mol

es s

olut

o en

FS

0,0045

0,0047

0,0049

0,0051

0,0053

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 4,085E-5x + 0,0047R² = 0,9876

y = 6,233E-5x + 0,0049R² = 0,9774

Celda ACelda C

Mol

es s

olut

o en

FS

0,0240

0,0243

0,0247

0,0250

0,0253

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = -0,0002x + 0,0249R² = 0,9473

y = -7,228E-5x + 0,0245R² = 0,7143

Celda ACelda C

Mol

es s

olut

o en

FS

0,00553

0,00556

0,00559

0,00562

0,00565

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 2,541E-5x + 0,0055R² = 0,8709

y = 2,734E-5x + 0,0056R² = 0,9212

Celda ACelda C

De la Figura 31 y la Figura 32 se obtiene el flujo medio de agua (Jw) como la pendiente de

la rectas, para la Ceda A y Celda C respectivamente, siguiendo el mismo proceso que en

las pruebas 1, 2 y 3. A continuación se presentan los resultados obtenidos (Tabla 7).

Tabla 8. Comparativa entre membranas y pruebas para Jw.

De la Figura 33, Figura 34 y Figura 35 se obtiene Js como la pendiente de la recta (Tabla 8),

para la Celda A y Celda C. Para el cálculo se sigue el mismo procedimiento que en las

pruebas 1, 2 y 3.


En las pruebas 7, 8 y 9 se enfrentó la cara activa de la membrana a la solución alimento

(disolución de 0,07 gr/L, 0,1 gr/L y 0,12 gr/L de fosfato sódico en agua desionizada,

respectivamente) y el soporte poroso a la solución extractora de cloruro de magnesio a 1,5

molar. Los resultados obtenidos se presentan desde la Figura 33 a la Figura 39.

Figura 36. Variación de la concentración en la DS para la Celda A, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.


Prueba 4 3,740 3,585

Prueba 5 3,217 1,720

Prueba 6 4,622 5,521


Prueba 4 0,01301 0,00954

Prueba 5 0,00547 0,00584

Prueba 6 - -

�41

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

1,30

1,38

1,45

1,53

1,60

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1


Figura 37. Variación de la concentración en la DS para la Celda C, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 38. Variación de la concentración en la FS para la Celda A, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 39. Variación de la concentración en la FS para la Celda C, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�42

Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

1,30

1,38

1,45

1,53

1,60

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1


Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0003

0,0007

0,0011

0,0014

0,0018

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1


Conc

entr

ació

n (m

ol/L

)

0,0003

0,0006

0,0009

0,0012

0,0015

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1


Figura 40. Variación volumen DS para la Celda A, prueba 7, 8 y 9. Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 41. Variación volumen DS para la Celda C, prueba 7, 8 y 9. Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�43

Volu

men

(L)

0,4500

0,4775

0,5050

0,5325

0,5600

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0131x + 0,4795R² = 0,9787

y = 0,0156x + 0,4703R² = 0,9932

y = 0,0163x + 0,5036R² = 0,9915


Volu

men

(L)

0,4800

0,5050

0,5300

0,5550

0,5800

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 0,0078x + 0,5096R² = 0,9968

y = 0,0084x + 0,5302R² = 0,9838

y = 0,0144x + 0,4953R² = 0,9974


Figura 42. Variación de la concentración por el volumen en la FS para la Celda A, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

Figura 43. Variación de la concentración por el volumen en la FS para la Celda C, prueba 7, 8 y 9.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�44

Mol

es s

olut

o en

FS

0,0003

0,0006

0,0008

0,0011

0,0013

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 5,874E-5x + 0,0008R² = 0,9989

y = 7,37E-5x + 0,0004R² = 0,97

y = 6,255E-5x + 0,0005R² = 0,9889


Mol

es s

olut

o en

FS

0,0000

0,0003

0,0006

0,0009

0,0012

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

y = 3,387E-5x + 0,0006R² = 0,9887

y = 3,474E-5x + 0,0003R² = 0,9945

y = 6,255E-5x + 0,0005R² = 0,9889


De las Figura 36 y Figura 37 se obtiene el flujo medio de agua (Jw) como la pendiente de la

recta, para la Ceda A y Celda C respectivamente, siguiendo el mismo proceso que en las

pruebas anteriores. A continuación se presentan los resultados obtenidos (Tabla 9).

Tabla 10. Comparativa entre membranas y pruebas para Jw.

De la Figura 38 y Figura 39 se obtiene Js como la pendiente de la recta, para la Celda A y

Celda C (Tabla 10).


Por último, los resultados de las muestras de FS tomadas cada 30 minutos en las pruebas 5

y 8 para medir la evolución de la concentración o dilución del cloruro de amonio y fosfato

sódico respectivamente, entregaron los siguientes resultados.

Figura 44. Concentración de nitrógeno total con respecto al tiempo, Prueba 4.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.


Prueba 7 3,258 3,072

Prueba 8 3,313 1,590

Prueba 9 2,652 1,551


Prueba 7 0,01251 0,00566

Prueba 8 0,01348 0,00859

Prueba 9 0,01195 0,00677

�45

Conc

entr

ació

n m

g/l

0

175

350

525

700

Tiempo (minutos)

0 45 90 135 180

Celda A Celda C



Figura 47. Concentración de fosfato con respecto al tiempo, Prueba 8.Fuente: elaboración propia a partir de los datos de laboratorio.

�46

Conc

entr

ació

n m

g/l

0

225

450

675

900

Tiempo (minutos)

0 45 90 135 180

Celda A Celda C

Conc

entr

ació

n m

g/l

0

175

350

525

700

Tiempo (minutos)

0 45 90 135 180

Conc

entr

ació

n H

PO4

(mg/

L)

70

78

85

93

100

Tiempo (hora)

0,0 0,6 1,2 1,9 2,5 3,1

Celda A Celda C

5. Discusión

Prueba 1

La concentración de la DS va disminuyendo con el tiempo, debido al efecto de disolución

del agua que atraviesa la membrana desde la FS, la disolución es mayor para la Celda C,

la diferencia entre la concentración inicial (C0) y la concentración final (Cf) es de

0,471 mol/L, mientras que para la Celda A es de 0,268 mol/L. Con respecto a la

concentración en la FS, está va aumentando según lo esperado, y en ambas celdas se

observa casi un mismo aumento de concentración (0,00113 mol/L para la Celda A, y

0,00118 mol/L en la Celda C). Se puede observar que existe un paso de solutos desde la

DS hacia la FS por la membrana.

Jw en la Celda C es casi el doble que en la Celda A (6,589 frente a 3,797 L/m2 hr,

respectivamente), lo cual es lógico si sabemos que la concentración en la Celda C

disminuyo más del doble que en la Celda A. El aumento de volumen en la DS durante las

tres horas de prueba fue de 55,68 (ml) para la Celda A y de 102,76 (ml) para la Celda C. El

flujo de soluto, Js, para la Celda A es mayor que en la Celda C (Jsa=0,4102 y Jsc= 0,03228

moles/m2 hr).

Los valores de Jw para la prueba 1 son bastante menores a los reportados en algunas

pruebas de laboratorio (23) donde se obtienen valores superiores a 15 (L/m2 hr) con una

DS de 35 g/L de NaCL (0,6 molar), utilizando membranas thin-film composite (TFC). El

máximo valor de Jw experimental es de 6,589 (L/m2 hr), lo que refleja que las membranas

tienen un flujo de agua muy bajo.

Prueba 2

Al igual que en la prueba 1, la concentración en la DS va disminuyendo con el tiempo. En

la Celda C disminuye un total de 0,405 (mol/L), mientras que en la Celda A 0,366 (mol/L).

Ambos valores son bastante similares entre si, y cercanos al valor de la Celda A para la

prueba 1. La concentración en la FS aumenta con el tiempo debido al paso de solutos

desde la DS, el aumento total en la concentración para la Celda A es de 0,00243 mol/L y

para la Celda C 0,00192 mol/L. El valor de la Celda A es más del doble que en la prueba 1

�47

(0,00113 mol/L). Js en está prueba es mayor, para ambas celdas, que en al prueba 1. El

valor en la Celda A es de 0,10687 (moles/m2 hr) y en la Celda C 0,07859 (moles/m2 hr). Js

en la Celda C es el doble que en la prueba 1, y Js en la Celda A es el triple.

El flujo de agua Jw para la Celda A es de 5,194 (L/m2 hr) y en la Celda C 6,753 (L/m2 hr),

al igual que en la prueba 1, Jw de la Celda C es mayor que la Celda A, pero en esta prueba

la diferencia es menor entre celdas, en la prueba 1 la diferencia de Jw es de 2,792 (L/m2 hr)

y en la prueba 2 la diferencia es de 1,559 (L/m2 hr). La variación de volumen total en la DS

es de 64,88 (ml) par la Celda A y de 75,54 (ml) para la Celda C.

La presión osmótica calculada teóricamente con el software OLI Studio para una

concentración de 1,5 molar de cloruro de magnesio es de aproximadamente 174 (atm),

mientras que para una concentración de 2 molar de cloruro de sodio es de

aproximadamente 105 (atm). En teoría esto debería verse reflejado en un mayor Jw en la

prueba 2, lo cual se corrobora con los valores obtenidos..

Prueba 3

En la prueba 3 se enfrentó la DS (1 gr/L de cloruro de amonio) a la cara activa de la

membrana y la FS (agua desionizada) al soporte poroso. La concentración de la DS es muy

baja, si comparamos con los 116,88 (gr/L) de la prueba 1 y los 203,3 (gr/L) de la prueba 2.

La concentración en la DS disminuyó con el tiempo, en la Celda A disminuyó un total de

0,00058 (mol/L) y en la Celda C 0,00148 (mol/L). En la FS la concentración aumenta con el

tiempo, en la Celda A aumenta un total de 0,00028 (mol/L) y en la Celda C 0,00044 (mol/

L). El flujo de agua en la Celda A es de 0,051 (L/m2 hr) y en la Celda C 0,514 (L/m2 hr),

ambos valores muy inferiores a los obtenidos en las pruebas 1 y 2, debido a la baja

concentración de la DS, aunque no se debe comparar esta prueba con las otras, ya que no

tienen relación alguna. La diferencia de volumen en la DS para la Celda C es de 6,98 (ml).

Js para la Celda A es de 0,01651 (moles/m2 hr) y para la Celda C es de 0,02212 (moles/m2

hr), estos valores son la mitad de los registrados en la prueba 1, donde la DS tiene una

concentración mucho mayor. Esta situación nos puede indicar, que independiente de la

concentración de la DS, se tiene un flujo de solutos de la DS a la FS relativamente estable

�48

en valores de 10-2, claramente a mayor concentración en la DS mayor será Js, pero Js no es

proporcional a la concentración en la DS.

Tabla 12. Disminución de la concentración en la DS durante las 3 horas de prueba.

Tabla 13. Aumento de la concentración en la FS durante las 3 horas de prueba.

En la Tabla 12 se observa que en las tres primeras pruebas la concentración de la DS

disminuyó con el tiempo, la disminución en la Celda A fue siempre menor que en la Celda

C, lo que indica que el flujo de agua por la membrana de la Celda A es menor que el flujo

de agua por la membrana de la Celda C.

En la FS la concentración aumentó en las tres primeras pruebas, en la prueba 1 el aumento

para ambas celdas es similar, en la prueba 2 se aprecia un mayor aumento en la Celda A y

en la prueba 3 un aumento mayor en la Celda C.

No se debe comparar los valores de las pruebas 1 y 2, con los valores de la prueba 3, ya

que la concentración de la DS en esta última prueba es mucho menor.

Tabla 14. Valores de Js para las pruebas 1, 2 y 3.

DS (moles / L) Celda A Celda C

Prueba 1 0,268 0,471

Prueba 2 0,366 0,405

Prueba 3 0,00058 0,00148

FS (moles / L) Celda A Celda C

Prueba 1 0,00113 0,00118

Prueba 2 0,00243 0,00192

Prueba 3 0,00028 0,00044

�49


Prueba 1 0,04102 0,03228

Prueba 2 0,10687 0,07859

Prueba 3 0,01651 0,02212

En la Tabla 14 se observa lo dicho anteriormente con respecto al flujo de soluto (Js), que su

variación en la prueba 3 no es tan mayor como la diferencia de concentraciones de la DS

entre las pruebas.

Pruebas 4, 5 y 6.

En las pruebas 4, 5 y 6 en que se enfrentó a la cara activa de la membrana la solución

alimento (0,7 gr/L, 1 gr/L y 1,2 gr/L de cloruro de amonio, respectivamente) y la DS (1,5

molar de cloruro de magnesio) al soporte poroso, se obtuvo un aumento en la

concentración de la FS y una disminución de la concentración en la DS. Para la prueba 4,

la concentración en la DS disminuyó un total de 0,149 (mol/L) en la Celda A y

0,140 (mol/L) en la Celda C. En la prueba 5, la disminución total de la concentración en la

DS fue de 0,138 (mol/L) para la Celda A y de 0,07 (mol/L) para la Celda C. Por último, en

la prueba 6 la disminución de la concentración en la DS fue de 0,203 (mol/L) para la Celda

C y de 0,224 (mol/L) para la Celda C.

Tabla 15. Disminución de la concentración en la DS durante las 3 horas de prueba.

Se puede observar en la Tabla 15 que los valores de disminución de la concentración en la

DS son bastante similares en cada prueba, a excepción de la prueba 5 donde el valor de la

Celda A es casi el doble que en la Celda C. En las pruebas 4 y 5 la disminución en la

concentración es mayor para la Celda A, mientras que en la prueba 6 el valor es mayor en

la Celda C. Si comparamos los valores con los de la prueba 2 (DS cloruro de magnesio a

1,5 molar y FS agua desionizada), se puede observar que todos los valores de las pruebas

4, 5 y 6 son menores, lo que nos comienza a indicar que seguramente el flujo de agua para

estas tres pruebas sea menor que en la prueba 2.

DS (moles / L) Celda A Celda C

Prueba 4 0,149 0,140

Prueba 5 0,138 0,07

Prueba 6 0,203 0,224

�50

Para el aumento de la concentración en la FS durante las tres horas de prueba, se tienen

los siguientes valores.

Tabla 16. Aumento de la concentración en la FS durante las 3 horas de prueba.

Al analizar los datos de Jw para la prueba 2 (Celda A: 5,194 y Celda C: 6,753 L/m2 hr),

observamos que tanto en la Celda A como en la Celda C el valor de Jw es mayor que en las

pruebas 4, 5 y 6 (Tabla 8). Esto se debe a que la diferencia de presión osmótica es mayor en

la prueba 2, ya que como FS se tiene agua desionizada, mientras que en las pruebas 4, 5 y

6 se tiene como FS una disolución de cloruro de amonio en agua desionizada a diferentes

concentraciones, lo que aumenta la presión osmótica de la FS y disminuye la diferencia

con la DS. Lo que no tiene sentido es que en las pruebas 4,5 y 6 debería disminuir Jw a

medida que la concentración en la FS aumenta, ya que el delta de presión osmótica con la

DS disminuye, pero al ver los resultados de Jw para las pruebas 4, 5 y 6 no se sigue está

lógica. Lo que si se observa nuevamente es un flujo de agua menor en la Celda A, a

excepción de la prueba 5 donde Jw de la Celda A es prácticamente el doble que el valor de

la Celda C, lo cual podría indicar un error en las mediciones realizadas durante la prueba.

Los mayores valores de Jw se observan en la prueba 6 (Celda A: 4,622 y Celda C: 5,521 L/

m2 hr), seguidos de la prueba 4 y por último la prueba 5.

Con respecto al flujo de soluto, Js, se observa en general valores menores en un decimal a

los de la prueba 2, esto nos estaría indicando que existe un menor flujo de soluto desde la

DS hacia la FS en estas pruebas, habría que seguir investigando si a mayor presión

osmótica de la FS menor es Js.

�51

FS (moles / L) Celda A Celda C

Prueba 4 0,000805 0,000690

Prueba 5 0,000633 0,000345

Prueba 6 0,003122 0,002876

Pruebas 7, 8 y 9

En las pruebas 7, 8 y 9 se enfrentó a la cara activa de la membrana la solución alimento

(0,07 gr/L, 0,1 gr/L y 0,12 gr/L de fosfato sódico) y al soporte poroso la DS de 1,5 molar

de cloruro de magnesio.

En las tres pruebas se tiene una disminución en la concentración de la DS. En la prueba 9

se observa una disminución muy baja comparada a las pruebas 7 y 8, e incluso

comparadas con todas las pruebas realizadas, a excepción de la prueba 3, en la cual la

Celda A tiene una disminución de 0,068 (mol/L) y la Celda C de 0,047 (mol/L), es

recomendable repetir esta prueba, al igual que la prueba 5 donde la disminución en la

Celda C es de 0,07 (mol/L) y la prueba 8 en que la disminución de la Celda C es 0,071

(mol/L). Por último, en las tres pruebas la disminución de la concentración es mayor en la

Celda A.

Los valores de aumento de la concentración de la FS están en valores de 10-4, y en las tres

pruebas el aumento de concentración es mayor en la Celda A. En la prueba 7, el aumento

de la concentración en la Celda A es un 95% mayor que la Celda C, en la prueba 8 un 79%,

y en la prueba 9 un 62% mayor que la Celda C.

Con respecto al flujo de agua en las tres pruebas se tiene un mayor valor en la Celda A,

siendo 3,313 (L/m2 hr) el mayor valor (prueba 7). Los valores de Jw disminuyen en la

Celda A a medida que aumenta la concentración en la FS. Este mismo fenómeno se da en

la Celda C. Con respecto a Js, el mayor valor se da en la Celda A en la prueba 8

(0,01195 mol/m2 hr), los valores de Js en la Celda A son muy similares en las tres pruebas,

con solo una diferencia entre el mayor y menor valor de 0,003 (moles/m2 hr). En la Celda

C los valores de Js también son muy similares entre si, y la diferencia entre el mayor y

menor valor es solo de 0,002 (moles/m2 hr).

Resultados nitrógeno total y fosfato

En la Prueba 4 los valores para la Celda A comienzan en 374 (mg/L) y terminan en 332

(mg/L), a excepción de la muestra a los 60 minutos que tiene un valor de 472 (mg/L), que

se puede asociar a un error en el procedimiento. Si se omite el valor de t60 , la tendencia es

a la dilución del nitrógeno en la FS, lo que indica que está permeando a través de la

�52

membrana. En la Celda C el valor de t30 es 650 (mg/L) y baja hasta los 332 (mg/L) en t90.

Los siguientes valores varían cercanos a los 350 (mg/L). Si consideramos los tres primeros

valores, también se observa una disminución en la concentración del nitrógeno en la FS.

En la prueba 5 los valores en la Celda A varían entre los 392 (mg/L) y 432 (mg/L), pero

sin ninguna tendencia clara. La variación entre muestras se puede asociar a errores en el

proceso o imprecisiones de la máquina donde se realiza el análisis. se podría decir que la

concentración de nitrógeno se mantiene constante durante la prueba. En la Celda C se da

una situación similar, y los valores fluctúan entre los 400 (mg/L) y 456 (mg/L), pero sin

ninguna tendencia clara.

En la prueba 6 los valores obtenidos de concentración para la Celda A y Celda C no tienen

una tendencia clara, por ejemplo en la Celda A en t30 es de 460 (mg/L), luego en t60 506

(mg/L), en t150 508 (mg/L), no se puede inferir si existe una concentración o dilución del

nitrógeno en ambas celdas.

En la Prueba 8, donde se midió la concentración de fosfato, los resultados de la Celda A

sugieren que existe una concentración, para t30 el valor es de 89.831 (mg/L) y para t180 es

de 91,158 (mg/L), un aumento en la concentración de 1,328 (mg/L). En la Celda C el

valor para t30 es de 86,048 (mg/L) y para t180 de 90,802 (mg/L), lo que también nos

muestra un aumento en la concentración de 4,753 (mg/L).

Tabla 17. Resumen de Jw para las diferentes pruebas realizadas.

Jw (L/m2 hr) Celda A Celda C

Prueba 1 3,797 6,589

Prueba 2 5,194 6,753

Prueba 3 0,051 0,514

Prueba 4 3,740 3,585

Prueba 5 3,217 1,720

Prueba 6 4,622 5,521

Prueba 7 3,258 3,072

Prueba 8 3,313 1,590

Prueba 9 2,652 1,551

�53

Tabla 18. Resumen de Js para las diferentes pruebas realizadas.

Tabla 19. Concentración en la DS para las diferentes pruebas realizadas.

En la Tabla 19 se observa, para las distintas pruebas, la disminución de la concentración en

la DS durante las tres horas de ensayo (concentración t0 - concentración t180).

En la Tabla 20, se presenta el aumento total en la concentración de la FS, durante las tres

horas de prueba (concentración t180 - concentración t0).

Js (moles/m2 hr) Celda A Celda C

Prueba 1 0,04102 0,03228

Prueba 2 0,10687 0,07859

Prueba 3 0,01651 0,02212

Prueba 4 0,01301 0,00954

Prueba 5 0,00547 0,00584

Prueba 6 - -

Prueba 7 0,01251 0,00566

Prueba 8 0,01348 0,00859

Prueba 9 0,01195 0,00677

Diferencia concentración DS (mol/L) Celda A Celda C

Prueba 1 0,2676 0,4705

Prueba 2 0,3656 0,4052

Prueba 3 0,0006 0,0015

Prueba 4 0,1492 0,1405

Prueba 5 0,1379 0,0702

Prueba 6 0,2032 0,2243

Prueba 7 0,1393 0,1142

Prueba 8 0,1417 0,0710

Prueba 9 0,0678 0,0470

�54

Tabla 20. Resumen del aumento de la concentración en la DS para las diferentes pruebas realizadas.

A nivel general del procedimiento, considerar Jw y Js como valores constantes durante las

tres horas de experimento, es una aproximación válida, pero no del todo correcta. Jw varía

en el tiempo debido principalmente al efecto de polarización por concentración interna

dilutiva, que se da en el soporte poroso de la membrana, y que es una función

exponencial. Además ocurre un efecto de polarización por concentración externa

concentrativa, cuando la FS se enfrenta a la cara activa de la membrana, que también es

una función exponencial. Entonces suponer que Jw es la pendiente de una recta, es una

simplificación de la realidad. Con respecto a Js, los cálculos realizados son para

determinar el paso de solutos por la membrana desde la DS hacia la FS, se asume que al

ser tan bajos los niveles de concentración en la FS la pérdida de volumen, el agua que pasa

hacia la DS, no supone un efecto en la concentración, y solo se debe al paso de solutos

desde la DS.

El método experimental realizado presenta algunas limitaciones que deben ser

comentadas. La primera es que al realizarse mediciones discontinuas, cada 15 minutos, no

se tiene datos en tiempo real del proceso y las sondas de conductividad y pH pueden

sufrir problemas de calibración durante el ensayo, que tiene una duración de tres horas.

Diferencia concentración FS (mol/L) Celda A Celda C

Prueba 1 0,001126 0,001176

Prueba 2 0,002428 0,001924

Prueba 3 0,000285 0,000440

Prueba 4 0,000805 0,000690

Prueba 5 0,000633 0,000345

Prueba 6 0,003122 0,002876

Prueba 7 0,000332 0,000170

Prueba 8 0,000346 0,000193

Prueba 9 0,000284 0,000175

�55

Otro punto es que la temperatura ambiente no estaba en un valor constante, y esto influye,

en los valores de conductividad registrados. Como tercer comentario, las disoluciones

fueron preparadas en matraz aforados, lo cual generó errores en los volúmenes, ya que no

siempre se conseguía el valor exacto que se buscaba. En base a estos detalles, y como una

futura investigación, sería muy útil construir un sistema para medir en continuo el

experimento, por ejemplo, se podría tener dos depósitos de 5 litros, uno para la FS y otro

para la DS, al aumentar el volumen de la DS el efecto de dilución por el paso de agua

desde la FS sería tan pequeño, que casi no cambiaría la presión osmótica durante las tres

horas de ensayo, y la simplificación de que Jw es la recta de la pendiente sería más precisa.

Lo mismo sucedería con la FS, al ser la pérdida de volumen tan menor en comparación

con el volumen inicial, se podría asumir con mayor precisión que Js es la pendiente de la

curva concentración por volumen, y despreciar el efecto de aumento de concentración por

perdida de volumen en la FS. Cada depósito se conecta a una Celda que tiene una

membrana y a través de bombas se hace recircular la DS y FS desde sus respectivos

depósitos. Para mantener la temperatura constante de las disoluciones se puede tener un

calentador eléctrico de agua en cada depósito. La conductividad y pH se mide en la Celda,

pero teniendo las sondas siempre en contacto con la FS y DS, y se registra el valor cada 5

minutos. Por último, bajo el depósito de la DS tener una balanza que registre el cambio de

masa durante el experimento, y así poder asociarlos al cambio de volumen que se va

registrando en la DS durante las horas de ensayo.

�56

6. Conclusiones

De los resultados obtenidos, la primera conclusión que se obtiene es que en todas las

pruebas la concentración en la DS disminuyó con el tiempo y la concentración en la FS

aumentó. La mayor disminución de concentración se observó en la prueba 1 (0,471 mol/L)

en la Celda C.

Al utilizar cloruro de magnesio como solución extractora se obtiene un flujo de agua a

través de la membrana mayor que con cloruro de sodio. Esto se debe a que el MgCl2

genera mayor presión osmótica que el NaCl aunque se encuentre en una menor

concentración.

En las pruebas con cloruro de amonio en la FS, el promedio de flujo de agua para la Celda

C es de 3,608 (L/m2 hr) y para le Celda A es de 3,860 (L/m2 hr).

En las pruebas 4, 5, 6, 7, 8 y 9 los valores de Jw son inferiores a los de la prueba 2 (FS agua

desionizada), lo que nos indica que al agregar cloruro de amonio o fosfato sódico en la FS,

aunque sea en muy bajas concentraciones, el delta de presión osmótica disminuye.

El promedio de Jw, en las pruebas con fosfato sódico en la FS, para la Celda C es de 2,071

(L/m2 hr) y para la Celda A 3,074 (L/m2 hr).

El flujo de soluto es mayor en la prueba 2 que en la prueba 1, se puede asociar que a

mayor Jw también mayor Js.

En las pruebas 4, 5 y 6 el flujo de soluto tiene un promedio de 0,00644 (moles/m2 hr) en la

Celda A y 0,00519 (moles/m2 hr) en la Celda C. Ambos valores menores que en la prueba

2. Para las pruebas 7, 8 y 9 el promedio de la Celda A es 0,01265 (moles/m2 hr) y la Celda

C 0,00701 (moles/m2 hr). En todas las pruebas la Celda A tiene un mayor flujo de soluto

que la Celda C.

Se ha observado que el cloruro de amonio permea en ambas membranas, mientras el

fosfato sódico prácticamente se mantiene constante en su concentración.

�57

7. Referencias bibliográficas

(1) http://www.unwater.org/water-facts/climate-change/ (revisada el 10 de mayo de 2018).

(2) Diario Oficial de la Unión Europea, Resolución del Parlamento Europeo, 24 de mayo de 2012, sobre una Europa que utilice eficazmente los recursos (2011/2068(INI)).

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(4) http://www.life-necovery.eu/ (revisada el 23 de marzo de 2018).

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�59

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�60

8. Anexos

A continuación se presentan los datos obtenidos en cada prueba realizada. Con la

abreviación OSM se denomina a la solución extractora y ALIM significa solución alimento.

Tabla 1. Conductividad registrada durante la prueba 1.

Tabla 2. Volumen registrado durante la prueba 1.


Celda A Celda CTiempo (min) OSM (ms/cm) ALIM (us/cm) OSM (ms/cm) ALIM (us/cm)

0 184,5 339 181,2 33915 183,9 343 182,5 34830 183 353 180,2 35945 181,9 370 178,6 37160 180,5 381 174,2 38375 179,7 392 174,8 39390 178,7 403 173,3 404105 177,5 414 171,6 416120 176,9 423 169,9 428135 175,7 436 168,3 439150 174,5 448 166,5 454165 173,6 460 165,1 465180 172,6 473 163 479

Celda A Celda CTiempo (hora) OSM (ml) ALIM (ml) OSM (ml) ALIM (ml)

0 520 730 520 7501 530 720 550 7202 550 700 580 6903 560 690 590 680

Celda A Celda CTiempo (minutos) OSM (ml) ALIM (ml) OSM (ml) ALIM (ml)

0 500 750 500 75030 530 720 520 73060 520 710 530 72090 540 690 540 710120 550 680 550 700150 550 680 560 690180 560 670 560 690

�61





0 178,7 419 179,6 38615 180,7 483 183,2 40030 183,1 501 177 55345 182,6 509 181,6 57360 181,9 526 180,8 58575 181,3 553 179,9 60290 180,6 564 179,1 617105 179,9 597 178,2 635120 179,2 613 177,4 651135 178,7 677 173,4 664150 174,9 724 175,7 731165 177,4 749 174,9 761180 176,6 772 174,1 782

Celda A Celda CTiempo (min) OSM (us/cm) ALIM (ms/cm) OSM (us/cm) ALIM (ms/cm)

0 508 3,54 530 3,5515 510 3,55 538 3,5430 514 3,55 544 3,5245 517 3,54 548 3,5160 521 3,53 552 3,4975 523 3,52 557 3,47

90 527 3,51 562 3,46105 529 3,5 564 3,44120 532 3,5 569 3,43135 535 3,49 572 3,42150 537 3,48 577 3,4165 540 3,47 580 3,39180 543 3,47 584 3,37


0 750 500 750 50030 730 520 740 51060 720 530 730 52090 720 530 730 520120 710 540 720 530150 710 540 720 530180 710 540 710 540

�62





0 141,9 796 139,5 79715 141,7 805 141,7 80230 140,8 811 141,1 80945 140,4 818 140,7 81560 139,9 824 140,2 82175 139 835 139,5 83190 138,6 843 138,9 839105 135,7 854 137,3 845120 137,7 860 138 850135 137 868 137,5 857150 136,5 877 137 866165 136 884 136,3 874180 135,5 894 135,9 881


0 500 740 490 71030 510 730 490 70060 520 720 500 69090 540 720 500 670120 530 690 510 660150 540 680 510 640180 550 670 520 640


0 510 750 510 71030 520 740 530 69060 530 730 530 69090 530 730 540 660120 530 710 550 640150 540 690 550 630180 550 680 560 610

�63




Celda A Celda CTiempo (min) OSM (ms/cm) ALIM (ms/cm) OSM (ms/cm) ALIM (ms/cm)

0 180,5 3,43 177,6 3,3715 179,4 3,44 179,2 3,4230 178,3 3,47 181,5 3,5645 181,4 3,49 180,9 3,4960 180,4 3,52 179,8 3,5275 179,8 3,55 179 3,5690 179,3 3,58 178,3 3,59

105 178,4 3,61 177,4 3,63120 177,7 3,64 176,5 3,67135 176,9 3,67 175,5 3,7150 176,2 3,7 174,6 3,75165 175,5 3,73 174 3,78180 174,8 3,76 173 3,82

Celda A Celda CTiempo (min) OSM (ms/cm) ALIM (ms/cm) OSM (ms/cm) ALIM (ms/cm)

0 183,1 3,9 182,7 3,915 181,6 3,95 182 3,9330 180,8 3,98 180,5 3,9745 180,2 4 180,2 3,9860 179,5 4,03 179,4 4,0275 179 4,06 178,7 4,0590 178,2 4,09 177,7 4,08

105 177,6 4,11 177 4,11120 177 4,14 176,1 4,15135 176,2 4,18 175,5 4,18150 175,6 4,22 174,3 4,23165 175,3 4,24 173,8 4,25180 174,4 4,28 172,9 4,3


0 510 750 510 76030 510 740 530 70060 520 730 540 69090 525 720 550 670120 540 700 560 660150 540 700 570 650180

�64





0 140,1 111,5 139,4 11115 138,9 121,3 139,1 114,830 138,5 126,4 138,6 117,545 138,1 131,2 138,2 119,760 137,6 135,6 137,7 122,275 137 141,9 137,2 125,590 136,7 146,2 137 127,1105 136,3 149,7 136,5 129,4120 135,8 154,6 136,1 132,7135 135,4 158,3 135,7 135,1150 134,9 163,1 135,1 137,7165 134,3 168,3 134,6 140,3180 133,9 173 134,3 142,5


0 500 750 470 68030 520 730 470 67060 540 720 470 67090 550 710 480 650120 550 700 480 650150 560 690 490 640180 570 690 490 630


0 142,3 93,7 142,4 89,315 141,9 103,9 142,1 91,730 141,1 108,8 141,7 94,745 140,9 112,6 141,9 97,260 140 123,7 141,5 10175 139,7 128,1 141,2 103,890 139,2 133 141 106,4105 138,9 135,7 140,7 107,6120 138,2 140,7 140,3 113,7135 137,9 143,3 140,2 115,8150 137,4 148,4 140,1 118,8165 137,2 151,9 139,9 121,1180 136,3 157,8 139,5 125,1

�65





0 470 800 530 63030 480 800 530 63060 490 790 530 63090 500 780 535 615120 500 770 530 610150 510 760 540 600180 510 750 545 590


0 139,8 205,3 140,1 177,7

15 139,6 208,2 139,9 179,3

30 139,1 211,9 139,6 182,6

45 138,7 216,1 139,4 184,9

60 138,3 220,0 139,2 187,7

75 140,3 224,0 138,9 189,7

90 139,7 229,0 141,2 192,9

105 139,3 234,0 138,5 198,1

120 139,1 238,0 138,2 200,2

135 138,8 242,0 138,1 202,5

150 138,3 247,0 140,4 205,8

165 137,7 253,0 140,4 208,2

180 137,4 258,0 140,1 210,1


0 500 755 510 68030 510 745 500 67060 520 730 510 67090 520 700 510 660

120 530 680 510 650

150 540 670 520 650

180 540 620 510 640

�66

Tabla 19. Conductividad registrada durante la prueba 10 (repetición prueba 5).

Tabla 20. Volumen registrado durante la prueba 10 (repetición prueba 5).

Tabla 21. Conductividad registrada durante la prueba 11 (repetición prueba 8).


0 142,5 913 141,9 91015 141,8 917 141,8 91130 141,4 925 141,5 91445 140,9 929 141,3 91760 140,3 936 141 92075 140 942 140,8 92390 139,4 951 140,5 928105 139,2 955 140,3 930120 138,5 963 140 939135 138,2 968 139,8 942150 137,6 977 139,5 946165 137,2 982 139,3 949180 136,7 990 139 952


0 500 740 520 74030 510 730 520 74060 520 730 530 73090 520 730 530 730120 530 720 535 725150 540 710 540 720180 550 700 540 720


0 138,8 80,8 139,3 71,315 138,2 79,9 139,0 70,930 138,1 79,5 138,7 70,345 137,4 79,4 138,6 70,060 137,2 79,2 138,2 70,075 136,3 78,8 137,9 69,690 135,9 78,1 137,5 69,3

105 135,4 79,5 137,1 69,4120 134,8 79,2 136,7 69,7135 134,5 79,3 136,6 69,7150 133,8 79,1 136,3 69,8165 133,5 79,6 136,0 70,7180 133,0 81,0 135,7 71,8

�67

Tabla 22. Volumen registrado durante la prueba 11 (repetición prueba 8).

Para relacionar la conductividad registrada en laboratorio con la concentración se utilizaron las siguientes rectas de calibración generadas con el software OLI Studio.

Para la prueba 1 se utilizó la siguiente curva de calibración para una concentración de 2 molar de NaCl.

Figura 1. Recta patrón para el Cloruro de Sodio con una concentración de 2 molar.Fuente: elaboración propia a partir de los datos generados en OLI Studio.


0 500 750 490 72030 520 740 490 71060 540 720 500 70090 550 700 500 690

120 550 690 510 670

150 560 690 510 670

180 570 680 520 660

�68

En las pruebas que se utilizó agua desionizada, la ecuación para relacionar la

conductividad con la concentración es la siguiente.

Figura 2. Recta patrón para el Agua Desionizada.Fuente: elaboración propia a partir de los datos generados en OLI Studio.

�69

Para la concentración de 1,5 molar de Cloruro de Magnesio, se utilizó la siguiente curva

patrón.

Figura 3. Recta patrón para el Cloruro de Magnesio con una concentración de 1,5 molar.Fuente: elaboración propia a partir de los datos generados en OLI Studio.

Figura 4. Recta patrón para las disoluciones de Cloruro de Amonio.Fuente: elaboración propia a partir de los datos generados en OLI Studio.

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Figura 5. Recta patrón para las disoluciones de Fosfato Sódico.Fuente: elaboración propia a partir de los datos generados en OLI Studio.

Tabla 23. Resultados concentración nitrógeno total Celda A, prueba 4.

Tabla 24. Resultados concentración nitrógeno total Celda C, prueba 4 .

Tiempo (min) Concentración (ppm) Muestra (mg/L) Celda (mg/L)30 700 1,87 37460 700 2,36 47290 700 1,73 346120 700 1,66 332150 700 1,68 336180 700 1,66 332


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Tabla 25. Resultados concentración nitrógeno total Celda A, prueba 5 .


Tabla 27. Resultados concentración nitrógeno total Celda A, prueba 6 .


Tiempo (min) Concentración (ppm) Muestra (mg/L) Celda (mg/L)30 1000 1,96 392,0060 1000 2,16 432,0090 1000 1,97 394,00120 1000 2,10 420,00150 1000 2,11 422,00180 1000 2,16 432,00

Tiempo (min) Concentración (ppm) Muestra (mg/L) Celda (mg/L)30 1000 2,19 438,0060 1000 2,03 406,0090 1000 2,15 430,00120 1000 2,07 414,00150 1000 2,28 456,00180 1000 4,36 872,00


Tiempo (min) Concentración (ppm) Muestra (mg/L) Celda (mg/L)30 1200 2,25 45060 1200 2,29 45890 1200 2,52 504

120 1200 2,87 574150 1200 2,55 510180 1200 2,3 460

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Ósmosis Directa en Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales

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