El Impacto de la Presión en la Ósmosis Inversa: Clave para una Desalinización Eficiente
Escrito por José Luis Marín Delgado
La creciente demanda de agua potable ha puesto en el centro de atención a la desalinización del agua de mar y salobre como alternativa a los sistemas convencionales. Entre las tecnologías más eficientes para este propósito destaca la ósmosis inversa. Sin embargo, el rendimiento de esta tecnología se ve influenciado por multitud de factores. De entre ellos, la presión de funcionamiento juega un papel destacado tanto a nivel técnico como económico.
Pero antes de empezar debemos repasar acerca de qué es una membrana de ósmosis inversa y cómo funciona.
Una membrana de ósmosis inversa es un elemento que contiene una película o membrana semipermeable que permite que dos corrientes de agua con diferente concentración de sales disueltas se igualen dejando que la más cargada pase a la menos cargada hasta que las concentraciones de ambas sean iguales.
Si en vez de permitir que se igualen concentraciones (proceso de ósmosis natural) aplicamos presión al lado más cargado, conseguiremos producir, al otro lado de la membrana, un agua con muy baja concentración de sales; a este proceso se le conoce como ósmosis inversa.
En la actualidad, las membranas de ósmosis inversa más populares son aquellas que están enrolladas en espiral y que son fabricadas usando materiales poliméricos, en los cuales la membrana está constituida por la unión de poliamidas aromáticas. Estas funcionan de manera que el flujo de alimentación se divide en dos corrientes mediante una filtración tangencial. La corriente de permeado es la que atraviesa la membrana y es baja en sólidos disueltos mientras que la corriente de rechazo cuenta con los sólidos disueltos que no han pasado por la membrana:
Figura 1: Esquema de filtración tangencial (LG Water Solutions, 2022)
Efecto de la presión en la ósmosis inversa
Para que una membrana semipermeable produzca agua con una baja concentración de sólidos disueltos es necesario superar la presión osmótica que proporciona dicha membrana y que varía dependiendo de la composición iónica del agua. Esta presión osmótica se calcula de acuerdo con la ecuación de Van´t Hoff (Wikipedia, s.f.) sobre la ley de los gases ideales:
Π= i·M·R·T
Donde:
- Π= presión osmótica en atm
- I= factor de Van´t Hoff
- M= molaridad en Mol/L =n/V(número de moles de soluto/Volumen disolución)
- T=temperatura en K
- R= constante universal de los gases (0,082 atm·L·/K mol)
El factor de Van´t Hoff representa el número promedio de partículas en solución por cada unidad de disolvente y es un valor superior a 1.
Una vez hayamos superado esta presión osmótica la membrana empezará a permear. A mayor presión de alimentación mayor será el caudal de permeado de acuerdo con la siguiente ecuación (LG Water Solutions, 2022):
Jw = A·NDP
Donde:
- Jw= flujo volumétrico de permeado (m³/m²·s).
- A = coeficiente de permeabilidad de la membrana (m/s·Pa).
- NDP = ΔP – ΔΠ = presión neta de alimentación (Pa).
- ΔP = Presión transmembrana = Presión alimentación – Presión residual permeado.
- ΔΠ = Π – Πp, dónde Πp = presión osmótica del permeado.
Esta ecuación es una simplificación de las ecuaciones reales que se usan para calcular el caudal de permeado y que contienen factores correctores de caudal, temperatura y concentración de los sólidos disueltos.
Manteniendo constantes aquellos factores que pueden afectar a la ósmosis inversa (temperatura, calidad del agua de entrada y factor de conversión (Dupont, 2023)) se pueden comprender los efectos de la variación de presión en dicho fenómeno:
- A mayor presión mayor será el flujo de permeado y por lo tanto aumentará el factor de conversión del sistema obteniendo un agua de mejor calidad. Esto se debe a que la membrana tiene unos valores de rechazo de iones constantes y al haber más agua en el lado de permeado la concentración de soluto en el disolvente es menor.
- En el lado de concentrado al haber menos agua aumenta el riesgo de que las especies iónicas precipiten y provoquen problemas de incrustaciones.
Figura 2: membrana de ósmosis inversa con incrustaciones visibles
- Otro efecto adicional del aumento de la presión es la aparición de una capa límite polarizada con mayor concentración de sales disueltas que el agua de entrada. Este efecto se mide mediante el factor de concentración de la polarización (β) que relaciona el valor teórico de entrada de agua bruta y el valor real de entrada a la membrana.
- Este factor va aumentando conforme se avanza por las sucesivas membranas que conforman un tubo de presión aumentando la presión osmótica, reduciendo el permeado y permitiendo el paso de más sales.
- La presión máxima de funcionamiento depende de cada tipo de membrana en específico y no se debe de superar ya que se pueden producir fallos mecánicos de la membrana como la compactación.
- La compactación consiste en el aplastamiento de la membrana reduciendo el tamaño de los poros. De esta manera se reduciría el caudal de paso y su vida útil. Este proceso se suele producir con temperaturas del agua altas y presiones altas.
- Aumentar la presión de alimentación supone un aumento del consumo específico de energía del agua producida aumentado los costes de operación.
- Reducir la presión para ir a flujos de permeado o Flux conservadores alarga la vida útil de las membranas, aunque aumenta el coste de las instalaciones a construir.
Como se ha indicado la presión no es el único factor que entra en juego a la hora de diseñar un sistema de ósmosis inversa, pero si es el más influyente, ya que son los proyectistas y operadores los que deciden a que presión ir. Otros factores como la temperatura o las características del agua no se pueden decidir y para buscar la mejor solución tecno-económica es necesario manipular con la presión de alimentación.
Si este artículo te ha parecido interesante, en el próximo congreso de la YWP de Bilbao se va a poder discutir de este y otros muchos aspectos así que no te lo pierdas.
Referencias
- Dupont. (2023). Manual técnico de las membranas de ósmosis inversa FilmTec.
- LG Water Solutions. (22 de Abril de 2022). Youtube. Obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=zWJFhH90Ans&t=621s
- Wikipedia. (s.f.). Wikipedia. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_osm%C3%B3tica
