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smosis inversa domstica | Filtracin por membrana semipermeable | Presin osmtica| Membranas semipermeables

SMOSIS INVERSA; FILTRACIN POR MEMBRANAS SEMIPERMEABLES

El proceso de smosis normal o tambin llamada directa, representa la respuesta natural de un sistema discontinuo cuando dos recipientes con solucines a diferentes concentraciones se ponen en contacto por medio de una membrana semipermeable.

El flujo osmtico se origina del recipiente de solucin diluida al recipiente de solucin concentrada (diagrama a, figura 1). Es un proceso espontneo para llevar el sistema a su estado de equilibrio y que no deja de ser un ejemplo de la genrica ley de entropa. Ello ocurre cuando el flujo osmtico eleva una columna de lquido sobre la solucin concentrada, cuyo peso produce la presin osmtica de equilibrio (diagrama b, figura 1).

La segunda ley de la termodinmica asegura que este proceso es irreversible, en vista de que para reintegrar el sistema a su estado inicial tiene la necesidad de realizar un trabajo mecnico neto y contrario al aportado. Esta labor mecnica se realiza en la solucin concentrada, de tal manera que el flujo del solvente ocurre en direccin opuesta al flujo osmtico original (smosis inversa). Para que tal cosa se realice, es obligatorio que la presin aplicada tenga un valor mayor a la diferencia de las presiones osmticas entre los recipientes (vase el diagrama c, figura 1).

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Figura 1

El proceso de smosis inversa fue propuesto por primera vez por Charles E. Reid en 1953 para obtener agua potable del agua de mar. La propuesta de Reid fue sometida a la consideracin de la Oficina de Aguas Salinas de EUA y surgieron algunas objeciones, una de ellas consideraba a la smosis inversa como un proceso imprctico y que en caso de funcionar, sera tan solo una curiosidad de laboratorio.

La duda ms seria a la propuesta de Reid fue cuando se hizo ver que se careca por aquel entonces de una membrana adecuada para realizar eficientemente el proceso de smosis inversa. En efecto, al aprobarse el proyecto Reid se enfrasc en un problema maysculo para conseguir la membrana que tuviera la capacidad de realizar ese proceso. Las dificultades bsicamente eran las siguientes:

a) Carencia de una membrana que resistiera qumicamente las soluciones salinas.

b) Las membranas eran muy poco porosas para permitir el libre trnsito del solvente (agua pura) y demasiado abiertas para tener un adecuado coeficiente de reflexin de Staverman (bajo rechazo de sales).



c) La saturacin de la membrana requera una limpieza peridica o su sustitucin.

La solucin del problema de la separacin de agua pura a partir de agua de mar o aguas salobres fue resuelta por el descubrimiento de la membrana de acetato de celulosa por el mismo Reid y E. J. Breton en 1959.

A este descubrimiento sigui otro efectuado por S. Loeb y S. Sourirajan en los aos de 1960 a 1962 al demostrarse que la membrana de Reid y Breton mejoraba considerablemente el flujo de solvente y rechazo de sales, si la membrana se haca asimtrica en lugar de homognea. Luego se supo, por observaciones al microscopio electrnico, que la asimetra en la membrana de Loeb y Surirajan se deba a la presencia de una delgada pelcula de polmero en fase amorfa con secciones cristalinas sobre la superficie de la membrana. Esta pelcula es la parte activa de la membrana y responsable de la exclusin de los solutos. El cuerpo restante de la membrana sirve de soporte y es una estructura polmera esponjada altamente porosa.

Con este tipo de membrana se realiz eficientemente el proceso de smosis inversa, acallando a los que pensaron que esa inversin nunca funcionara.

En un principio se crey que el proceso de smosis inversa sera altamente eficiente, pues se pens que bastara con exceder la presin osmtica del sistema para lograr la inversin osmtica por simple inversin de la smosis directa. Aqu no se tomaba muy en cuenta la segunda ley de la termodinmica debido a que se requiere un trabajo extra para su funcionamiento en contra de irreversibilidades y entre ms lejos del equilibrio se opere, mayor ser ese aporte de energa. En realidad, result que el funcionamiento de dicho efecto requiere de la aplicacin de una presin mucho mayor (4 5 veces mayor) al valor de la presin osmtica efectiva e invertir energas a razn de 10 veces ms que la requerida tericamente, si el proceso fuera reversible, por ejemplo, la presin osmtica del agua de mar es de 24 atmsferas, mientras que los equipos que obtienen agua potable a partir de agua de mar operan en la prctica con presiones de 100 atmsferas o mayores.



Uno de los logros de la dcada de los aos sesenta fue hacer econmica la aplicacin de la smosis inversa en la obtencin de agua potable a partir de aguas salobres o para mejorar el agua potable domstica y entrar francamente en competencia con otros sistemas de separacin de pequea o gran escala como era la destilacin y otros. Esta posibilidad fue una consecuencia de la perfeccin de la membrana de acetato de celulosa y un entendimiento ms claro de los procesos de interaccin de una solucin salina con dichas membranas.

En esta dcada se consigui comprender los efectos de compactacin y de oclusin de las membranas bajo operacin, as como percibir la necesidad de tratamientos bioqumicos del agua de alimentacin, por la presencia de microorganismos que utilizan a la membrana como nutriente. En particular, el conocimiento de la capa de polarizacin como efecto adverso fue decisivo en los avances anteriores. Este efecto se ha sealado como el recproco del osmtico y es causa de la formacin de una capa de iones cuando durante el trnsito del flujo volumtrico se acumulan solutos que no pueden pasar y se concentran a la entrada de la membrana. Esta capa de iones salinos elevan la presin osmtica local de la solucin frente a la membrana y por lo mismo aumenta la presin de operacin para mantener un flujo del solvente. La eliminacin de este efecto adverso fue determinante en el diseo de los mdulos que sirven de apoyo a la membrana, en vista de que para eliminar esa capa de polarizacin se utiliza la agitacin convectiva, provocando un flujo turbulento en la solucin alimentadora con el propsito de un lavado tangencial de la membrana. De esta manera, las celdas donde las membranas ejecutan la separacin, presentan diseos geomtricos reticulares de manera que los flujos sean violentos y con turbulencias (altos nmeros de Reynolds).

Otro de los avances de la dcada de los sesenta fue la elaboracin de modelos que interpretaban los procesos de transporte de una membrana. Entre otras estn las aportaciones de H. K. Londsdale, U. Merten y R. L. Riley en 1965. El ao siguiente se conocen las contribuciones de Spiegler y Kedem, Gradzinski y Kedem, Mears y Merten. Estos modelos siguen los alineamientos tericos dados por Kedem Katchalsky en 1958 y predicen relaciones entre distintas



variables del sistema, como los flujos de soluto y solvente, porcentaje de rechazo, espesor y permeabilidad de la membrana. Esto permiti un manejo adecuado de los parmetros de diseo en la construccin y verificacin de plantas de prueba o pilotos y luego su comercializacin en plantas del orden industrial.

En la dcada de los aos sesenta, el estudio y aplicacin de la smosis inversa se relacion con la desalacin de aguas salinas y del tratamiento de aguas de reso, como la purificacin de agua de desechos industriales, urbanos y de drenaje.

Por otra parte, en la dcada de los setenta se consigui un conocimiento ms detallado sobre el funcionamiento de la membrana osmtica; en particular se discuti el mecanismo por el que una membrana de acetato de celulosa permite el paso del solvente e impide el trnsito de los solutos.

El fenmeno de la causa de la selectividad de una membrana osmtica fue discutido primeramente en los trabajos de Reid y Breton en 1959, constituyendo una constante preocupacin en las explicaciones fsicas de los modelos de la dcada anterior.

Algunos puntos se establecieron en la dcada de los sesenta y aparecen en nuestra poca como un conocimiento fraccionado. Algunas teoras han formulado una explicacin sobre la causa del fenmeno de la selectividad de una membrana, sin que existan correlaciones de observaciones experimentales donde se observe claramente la influencia de las propiedades de las estructuras polimricas. Este problema al parecer no est aun resuelto y pone de relieve la necesidad de estudiar a nivel fundamental la interaccin de una solucin electroltica con un material polimrico.

La informacin bsica que se obtiene del mecanismo de la selectividad en la dcada de los sesenta, es su relacin con la presencia de grupos qumicos o radicales en las cadenas polimricas en el material de la membrana. Estos grupos qumicos rechazan los iones por acciones electromagnticas, a la vez que se permite el acceso de las molculas de agua por propiedades hidroflicas de la membrana; es decir, el agua es absorbida por el material polimrico y transmitido de un punto a otro



por influencia de transiciones en los puentes de hidrgeno; esto ocurre cuando no hay espacios porosos para un flujo volumtrico, estableciendo otro concepto de filtracin aadido al propiamente macrofsico asimilado al concepto de porosidad. De manera que se confirma la importancia de aglutinar centros de rechazo en la superficie de una membrana hidroflica.

El conocimiento de estos mecanismos de selectividad permiti predecir con acierto el comportamiento de las membranas en variadas aplicaciones. Tambin aparecieron nuevas membranas utilizando otro tipo de polmeros que presentan ms ventajas en comparacin con las de acetato de celulosa, al tiempo que mayor eficiencia.

En esta dcada de los setenta, se logr dar una clasificacin til de las membranas en relacin a procesos de separacin y el mecanismo de accin a su vez relacionada con su estructura. Despus de todo, la smosis inversa ha ganado por mritos propios, gran popularidad. Se recrearon mtodos de operacin con diversas membranas cada vez ms eficientes, y actualmente existe un sinnmero de aplicaciones industriales y domsticas con bajos costes de instalacin y mantenimiento.

TIPOS DE MEMBRANAS PARA TRATAMIENTO DE AGUA; MICROFILTRACIN ULTRAFILTRACIN NANOFILTRACIN Y O.I.

Las membranas de OSMOSIS INVERSA (RO), ULTRAFILTRACIN (UF), NANOFILTRACIN (NF) y Microfiltracin (MF) ofrecen muchas ventajas contra tratamientos de agua convencionales: Tecnologa de primer nivel, "Tratamiento Limpio" ya que casi hace desaparecer el uso de qumicos en la operacin, reduce importantes costos de operacin y disposicin, sistemas automatizados, mediciones ms controladas y confiables, espacios reducidos, flujos y calidades constantes y muchos otros fcilmente verificables. Existen para todos tipos de aplicaciones: Agua Residual, para Proceso, Pura, Ultrapura, Potable, Sanitaria, Biolgica, Municipal y para todos los flujos.



Aunque las tcnicas convencionales mecnicas dominan las separaciones liquido slido, la filtracin por membranas esta ganando aceptacin en un gran nmero de aplicaciones. La tecnologa ha sido aplicada en campos desde biotecnologa y electrnica hasta en procesos de comida y papel. Por ejemplo en el pulido del efluente de fotoacabado, conto de microbios, intermediarios farmacuticos, recuperacin de cidos carboxlicos, y clarificacin de aldehdos metlicos.

Paradjicamente la filtracin por membrana ha encontrado su uso ms amplio en las aplicaciones ms demandantes, procesos como desalinizacin, que requiere el poro de membrana ms pequeo y la mayor diferencial de presin. En los ltimos 20 aos, se ha visto un incremento constante en el uso de membranas. Esto logra que la tecnologa hacer ms eficiente a la tecnologa y al cubrir mayores demandas, los precios tienden a la baja.



Esta aceptacin se debe a un nmero de factores. Primero a diferencia de los sistemas mecnicos de separacin como la centrifugacin, mallas o filtracin tradicional. Las membranas pueden trabajar en continuo, ahorrar energa, son fcilmente escalables y combinables con otros procesos. Adems las unidades trabajan en condiciones medias de proceso sin aditivos, mientras que sus propiedades pueden acercarse a las especificaciones de los usuarios finales.

Las membranas para tratamiento de agua, pueden trabajar en continuo, ahorrar energa, son fcilmente escalables y combinables con otros procesos. Adems las unidades trabajan en condiciones medias de proceso sin aditivos, mientras que sus propiedades pueden acercarse a las especificaciones de los usuarios finales.

La filtracin por membranas demostr un gran potencial en lo que se conoce como descarga cero y al ir minimizando el desperdicio en compaas de industrias muy diversas.

Sin embargo, estos elementos todava no son perfectos, existen deficiencias inherentes por ejemplo, en la Microfiltracin cuando se intenta filtrar partculas de 0.10 a 10 micras de dimetro y en la ULTRAFILTRACIN donde los rangos de dimetros van de 0.01 a 0.1 micras, en estos casos las partculas de mayor peso molecular tienden a bloquear la superficie de la membrana, causando contaminacin de los materiales de soporte y disminuyendo la eficiencia. En estas circunstancias ser necesario un prefiltro.

Cuando las partculas de menos de 0.01 micra de dimetro requieren ser retenidas, se puede aumentar la presin de la unidad de filtracin para aumentar la retencin, o el flux. Sin embargo cuando las partculas son mayores de 0.01 micras, el aumentar la presin causa que la calidad de salida disminuya.

Estas membranas estn siendo incorporadas al tratamiento de agua cada vez ms frecuentemente, ya que NO requieren de qumicos para

los diferentes tratamientos.

Las membranas son capas de hojas muy delgadas microporosas sujetas a una estructura de soporte ms gruesas y porosa, generalmente hecha



de polipropileno, polister o hasta de politetrafluoretileno. A diferencia del papel o la tela, el material de las membranas que varia desde acetato de celulosa o cermicos y otros polmeros como polisulfonatos, polivinildieno, funcionan como filtros asimtricos. En general, la resistencia al flujo y la cada de presin depende del lado de la membrana que de al flujo de proceso.

En la filtracin por membrana, las capas, superiores son las que tienen contacto directo con el agua o fluido a tratar, y la estructura de soporte tiene poros que generalmente se hacen ms grandes al irse alejando de la superficie.

Al aplicar diferencias de presin moderadas se provoca que la membrana acte como una malla. El tamao fsico de las molculas de soluto o partculas determina si se permean o se quedan en el lado de la superficie como concentrado.

Dependiendo de la composicin de la membrana y el tamao de poro de su capa delgada, los procesos pueden disearse para separar molculas o partculas de tamaos cada vez ms pequeos, a un punto donde en esencia todos los slidos disueltos y suspendido sean rechazados.

Otro modo de entender cmo funciona una separacin por membranas es relacionar los rangos de separacin con el tipo de material retenido. Por ejemplo la filtracin convencional captura partculas suspendidas solo mayores de 1-10 micras. La Microfiltracin por membrana rechaza partculas 10 veces debajo de un micrmetro. La ULTRAFILTRACIN rechaza macromolculas como las protenas; la NANOFILTRACIN rechaza sales divalentes, azcares y cidos disociados; la SMOSIS INVERSA rechaza sales monovalentes y cidos no disociados.

En general se pueden decir que los procesos de membranas usan una barrera permeable para filtrar componentes seleccionados de mezclas. Los sistemas de procesamiento con membranas pueden disminuir los costos de energa, eliminar emisiones y mejorar la calidad del producto en alguna aplicacin.

Al irse entendiendo mejor el uso de separacin por membranas, habr mayores aplicaciones que quieran mayores fluxes. Definimos el flux



como el volumen de permeado por unidad de rea y tiempo.

El flux vara de acuerdo al rango de separacin de la membrana, y el modo en que vara es diferente en cada rango

La relacin lineal entre el flux y la presin con la smosis inversa se hace ms problemtica en el rango de Microfiltracin. A presiones mayores de 1 bar; el flux decrece. Para mantener los fluxes cuando se usa una membrana en el rango de Microfiltracin es esencial prevenir incrustaciones de los rechazos en la superficie de la membrana o dentro del soporte de la membrana. Esta acumulacin de material aumenta la resistencia al flujo de permeado.

Las membranas de filtracin original se hacan de acetato de celulosa. Sin embargo el material no soporta niveles de pH que salgan de 2 a 9 y en temperaturas arriba de 35C. Adems las membranas de acetato de celulosa tienen una resistencia qumica limitada.

Para resolver estas limitantes se han desarrollado cermicos y membranas polimricas, incluyendo polisulfonatos fluoruro de polivildieno y poliacrilonitrilos. Comparadas con las de acetato de celulosa, las membranas de polisulfonatos estn hechas para desempeo en un rango de pH entre 1 a14, a una temperatura mxima de 110C, con buena resistencia qumica.

Los cermicos se usan en sistemas tubulares, generalmente en aplicaciones donde se necesita resistencia a pH extremos y niveles de temperatura extremos.

Muchos de estos materiales han sido combinados en estructuras de composita como los metales cermicos o en estructuras multipolimricas, en donde una membrana delgada de un material, por ejemplo, polisulfonato es aadido a la superficie de un material de soporte diferente como el polister.


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