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Ósmosis inversa

La ósmosis inversa ( OI ) es un proceso de purificación de agua que utiliza una membrana semipermeable para separar las moléculas de agua de otras sustancias. La OI aplica presi...

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La ósmosis inversa ( OI ) es un proceso de purificación de agua que utiliza una membrana semipermeable para separar las moléculas de agua de otras sustancias. La OI aplica presión para superar la presión osmótica , lo que favorece una distribución uniforme. La OI puede eliminar especies químicas disueltas o en suspensión , así como sustancias biológicas (principalmente bacterias ), y se utiliza en procesos industriales y en la producción de agua potable . En países en desarrollo como Pakistán, las plantas industriales de ósmosis inversa se han adoptado ampliamente en los sectores textil, farmacéutico y manufacturero para combatir la contaminación de las aguas subterráneas y garantizar que el agua de proceso cumpla con las normativas.

La ósmosis inversa (OI) retiene el soluto en el lado presurizado de la membrana y el solvente purificado pasa al otro lado. El tamaño relativo de las distintas moléculas determina qué moléculas la atraviesan. Las membranas "selectivas" rechazan las moléculas grandes, mientras que aceptan las más pequeñas (como las moléculas de solvente, por ejemplo, el agua). [ 1 ]

La ósmosis inversa es más conocida por su uso en la purificación de agua potable a partir de agua de mar , eliminando la sal y otros materiales contaminantes de las moléculas de agua. [ 2 ] En 2013, la planta desalinizadora de ósmosis inversa más grande del mundo se encontraba en Sorek, Israel , con una producción de 624 mil metros cúbicos por día (165 millones de galones estadounidenses por día) . [ 3 ] También existen sistemas de ósmosis inversa para uso privado, destinados a purificar agua del grifo municipal o agua de pozo pretratada. [ 4 ]  

Historia

Un proceso de ósmosis a través de membranas semipermeables fue observado por primera vez en 1748 por Jean-Antoine Nollet . Durante los siguientes 200 años, la ósmosis fue solo un fenómeno de laboratorio. En 1950, la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) investigó por primera vez la desalinización osmótica . Investigadores tanto de la UCLA como de la Universidad de Florida desalinizaron agua de mar a mediados de la década de 1950, pero el flujo era demasiado bajo para ser comercialmente viable. [ 5 ] Sidney Loeb en la UCLA y Srinivasa Sourirajan [ 6 ] en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá , Ottawa, encontraron técnicas para hacer membranas asimétricas caracterizadas por una capa de "piel" efectivamente delgada sostenida sobre una región de sustrato altamente porosa y mucho más gruesa. John Cadotte, de la corporación Filmtec , descubrió que se podían hacer membranas con un flujo particularmente alto y un paso de sal bajo mediante la polimerización interfacial de m -fenilendiamina y cloruro de trimesoilo. La patente de Cadotte sobre este proceso [ 7 ] fue objeto de litigio y expiró. Casi todas las membranas de ósmosis inversa comerciales se fabrican actualmente mediante este método. En 2019, operaban aproximadamente 16 000 plantas desalinizadoras en todo el mundo, con una producción de alrededor de 95 millones de metros cúbicos diarios (25 000 millones de galones estadounidenses diarios) . Aproximadamente la mitad de esta capacidad se concentraba en la región de Oriente Medio y Norte de África. [ 8 ]  

Tren de producción de ósmosis inversa, planta de ósmosis inversa de North Cape Coral

En 1977, Cape Coral , Florida, se convirtió en el primer municipio de EE. UU. en utilizar ósmosis inversa a gran escala, con una capacidad operativa inicial de 11,35  millones de litros (3  millones de galones estadounidenses) por día. Para 1985, el rápido crecimiento llevó a la ciudad a operar la planta de ósmosis inversa de baja presión más grande del mundo, que producía 56,8  millones de litros (15  millones de galones estadounidenses) por día (MGD). [ 9 ]

Ósmosis

En la ósmosis directa , el disolvente se desplaza desde una zona de baja concentración de soluto (alto potencial hídrico ), a través de una membrana, hacia una zona de alta concentración de soluto (bajo potencial hídrico). La fuerza impulsora del movimiento del disolvente es la reducción de la energía libre de Gibbs del sistema, que disminuye al reducirse la diferencia de concentración de disolvente entre los lados de la membrana. Esto se denomina presión osmótica, la cual se reduce a medida que el disolvente se desplaza hacia la solución más concentrada. Por lo tanto, la aplicación de una presión externa para invertir el flujo natural del disolvente puro constituye la ósmosis inversa. El proceso es similar a otras aplicaciones de la tecnología de membranas.

La ósmosis inversa (OI) se diferencia de la filtración en que el mecanismo de flujo de fluidos se invierte, ya que el solvente atraviesa la membrana, dejando el soluto atrás. El mecanismo de eliminación predominante en la filtración por membrana es la exclusión por tamaño, donde los poros son de 0,01 micrómetros o mayores, por lo que el proceso puede, en teoría, alcanzar una eficiencia perfecta independientemente de parámetros como la presión y la concentración de la solución. La OI, en cambio, implica la difusión del solvente a través de una membrana que puede ser no porosa o utilizar nanofiltración con poros de 0,001 micrómetros. El mecanismo de eliminación predominante se debe a diferencias en la solubilidad o difusividad , y el proceso depende de la presión , la concentración del soluto y otras condiciones. [ 10 ]

La ósmosis inversa (OI) requiere una presión de entre 2 y 17 bar (30-250 psi ) para agua dulce y salobre, y de entre 40 y 82 bar (600-1200 psi) para agua de mar. El agua de mar tiene una presión osmótica natural de alrededor de 27 bar (390 psi) [ 11 ] que debe superarse. En cuanto a su consumo energético, los sistemas de OI para agua de mar suelen requerir entre 2,9 y 5,5 kWh/m³ [ 12 ] , aunque los sistemas de última generación rondan los 2,3 kWh / m³ [ 13 ] .

El tamaño de los poros de la membrana varía de 0,1 a 5000  nm. La filtración de partículas elimina partículas de 1 μm o mayores. La microfiltración elimina partículas de 50  nm o mayores. La ultrafiltración elimina partículas de aproximadamente 3  nm o mayores. La nanofiltración elimina partículas de 1  nm o mayores. La ósmosis inversa (OI) se encuentra en la última categoría de filtración por membrana, la hiperfiltración, y elimina partículas de más de ~0,2  nm. [ 14 ]

Aplicaciones de agua dulce

La ósmosis inversa se utiliza para el tratamiento de agua potable doméstica y municipal, la reutilización del agua, la producción de agua para procesos industriales, el procesamiento de alimentos y bebidas, y otras aplicaciones que requieren agua con una concentración reducida de sustancias disueltas.

Purificación del agua potable

Los sistemas de ósmosis inversa (OI) de punto de uso se utilizan para tratar el agua potable y para cocinar. Estos sistemas pueden incluir filtros adicionales antes o después de la membrana de OI. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC), los sistemas de OI pueden eliminar parásitos, bacterias y virus, así como algunos productos químicos disueltos, como plomo, cobre, cromo, cloruro y sodio. También pueden reducir las concentraciones de sustancias como arsénico, fluoruro, radio, sulfato, calcio, magnesio, potasio y nitrato. Los contaminantes eliminados varían según el sistema, por lo que se deben consultar las especificaciones de reducción de contaminantes de cada unidad. [ 15 ]

A nivel municipal, las plantas de tratamiento de agua utilizan ósmosis inversa (OI) para tratar agua salina o agua reciclada para consumo humano. La OI se utiliza normalmente como una etapa de un sistema de tratamiento más amplio que también puede incluir pretratamiento y desinfección. [ 16 ]

Ósmosis inversa alimentada por energía solar

La electricidad generada por paneles fotovoltaicos puede utilizarse para operar sistemas de desalinización por ósmosis inversa. La desalinización alimentada por energías renovables es particularmente aplicable a ubicaciones remotas o sin conexión a la red eléctrica, aunque la producción intermitente de energía y la necesidad de almacenamiento de agua o energía pueden complicar el diseño del sistema. [ 17 ]

Uso militar y de emergencia

Los sistemas móviles de purificación de agua por ósmosis inversa son utilizados por organizaciones militares para producir agua potable en el campo. El Ejército de los Estados Unidos opera varios tipos de sistemas móviles, incluida la Unidad de Purificación de Agua por Ósmosis Inversa (ROWPU), para operaciones militares y misiones humanitarias y de socorro en casos de desastre. Dependiendo del sistema, el agua de origen puede ser dulce, salobre o de mar. [ 18 ]

Reutilización del agua y agua de procesos industriales

La ósmosis inversa (OI) se utiliza como etapa de tratamiento avanzada en algunos sistemas que convierten las aguas residuales tratadas en agua regenerada de alta calidad. Un ejemplo es el programa NEWater de Singapur . Su proceso de tratamiento generalmente combina microfiltración o ultrafiltración, ósmosis inversa y desinfección ultravioleta. El agua resultante se utiliza principalmente para fines industriales y de refrigeración, mientras que una parte se añade a depósitos para su reutilización indirecta como agua potable. [ 19 ]

Los usos industriales de la ósmosis inversa incluyen la desmineralización del agua de alimentación de calderas y la producción de agua de proceso de baja conductividad. [ 20 ] [ 21 ]

Procesamiento de alimentos y bebidas

RO can concentrate liquid foods without the prolonged heating required by evaporation, helping preserve heat-sensitive components. Applications include concentrating fruit and vegetable juices, preconcentrating milk and whey, improving grape must, and reducing the alcohol content of wine.[22]

Maple syrup production

Commercial maple syrup producers use RO to remove part of the water from maple sap before it is boiled in an evaporator. Concentrating the sap before boiling reduces the time and energy required for evaporation.[23]

Low-alcohol beer

RO is one of several industrial methods used to remove some or all of the ethanol from conventionally brewed beer. It is classified as a membrane-based physical method of producing low-alcohol or alcohol-free beer.[24]

During RO dealcoholisation, water and ethanol pass through the membrane more readily than many non-volatile components of the beer. The retained concentrate can subsequently be diluted to the desired alcohol concentration.[25]

Hydrogen production

RO can be used as a desalination stage in the preparation of feedwater for electrolytic hydrogen production. Electrolysers require high-purity water, so RO permeate generally requires further purification, such as ion exchange or electrodeionisation, before it is supplied to the electrolyser.[26]

Aquariums

RO water is used in marine and reef aquariums to prepare artificial seawater and to replace water lost through evaporation. Because RO water contains low concentrations of dissolved substances, its use can limit the introduction of compounds such as silicates that can contribute to unwanted growth in aquariums. Aquarium shops may sell either freshwater produced by RO or prepared RO saltwater.[27]

Window cleaning

Some professional window cleaners use purified water delivered through a telescoping water-fed pole fitted with a brush. RO, deionisation or a combination of the two can be used to produce the purified water. Because most dissolved minerals have been removed, the rinse water can be allowed to dry on the glass without leaving the mineral deposits associated with untreated water.[28]

Landfill leachate purification

El tratamiento con RO es limitado, lo que resulta en bajas recuperaciones en alta concentración (medida con conductividad eléctrica ) y ensuciamiento de la membrana. La aplicabilidad de RO está limitada por la conductividad, los compuestos orgánicos y los elementos inorgánicos que forman incrustaciones, como CaSO₄ , Si, Fe y Ba. Para incrustaciones orgánicas bajas se pueden usar dos tecnologías diferentes: membrana enrollada en espiral, y (para incrustaciones orgánicas altas, alta conductividad y mayor presión (hasta 90 bares)), se pueden usar módulos de tubo de disco con membranas de RO. Los módulos de tubo de disco fueron rediseñados para la purificación de lixiviados de vertederos que generalmente están contaminados con material orgánico. [ 29 ] Debido al flujo cruzado, se le da una bomba de refuerzo de flujo que recircula el flujo sobre la membrana entre 1,5 y 3 veces antes de liberarlo como concentrado. La alta velocidad protege contra la formación de incrustaciones en la membrana y permite la limpieza de la misma.

Consumo de energía para un sistema de módulo de tubo de disco

Módulo de tubo de disco y módulo de bobinado en espiral
Módulo de tubo de disco con cojín de membrana de ósmosis inversa y módulo enrollado en espiral con membrana de ósmosis inversa

Desalinización

Las zonas con recursos hídricos superficiales o subterráneos limitados pueden optar por la desalinización . La ósmosis inversa (OI) es un método cada vez más común debido a su consumo energético relativamente bajo. [ 30 ]

El consumo de energía es de alrededor de 3 kWh/m³ ( 11 000 J/L) , con el desarrollo de dispositivos de recuperación de energía más eficientes y materiales de membrana mejorados. Según la Asociación Internacional de Desalinización , para 2011, la ósmosis inversa se utilizó en el 66 % de la capacidad de desalinización instalada (0,0445 de 0,0674 km³ / día), y casi todas las plantas nuevas. [ 31 ] Otras plantas utilizan métodos de destilación térmica: destilación de efectos múltiples y flash multietapa .   

La desalinización por ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) requiere alrededor de 3 kWh/m³ , una cifra mucho mayor que la necesaria para otras formas de suministro de agua, incluido el tratamiento de aguas residuales mediante ósmosis inversa, que oscila entre 0,1 y 1 kWh/m³ . Se puede recuperar hasta el 50 % del agua de mar de entrada como agua dulce, aunque tasas de recuperación más bajas pueden reducir la obstrucción de las membranas y el consumo de energía.

La ósmosis inversa de agua salobre (BWRO) es la desalinización de agua con menor concentración de sal que el agua de mar, generalmente proveniente de estuarios fluviales o pozos salinos. El proceso es prácticamente idéntico al de la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), pero requiere presiones más bajas y menor consumo de energía. [ 1 ] Se puede recuperar hasta el 80 % del agua de entrada como agua dulce, dependiendo de su salinidad.

La planta desalinizadora de Ashkelon en Israel es la más grande del mundo. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

El sistema SWRO típico de paso único consta de:

  • Consumo
  • Pretratamiento
  • Bomba de alta presión (si no se combina con recuperación de energía)
  • Ensamblaje de membranas
  • Recuperación de energía (si se utiliza)
  • Remineralización y ajuste del pH
  • Desinfección
  • Panel de alarma/control

Pretratamiento

El pretratamiento es importante al trabajar con membranas de nanofiltración debido a su diseño en espiral. El material está diseñado para permitir un flujo unidireccional. Este diseño no permite la retropulsación con agua ni la agitación con aire para limpiar su superficie y eliminar los sólidos acumulados. Dado que el material no se puede eliminar de la superficie de la membrana, esta es susceptible a la obstrucción (pérdida de capacidad de producción). Por lo tanto, el pretratamiento es indispensable para cualquier sistema de ósmosis inversa o nanofiltración. El pretratamiento consta de cuatro componentes principales:

  • Eliminación de sólidos: Es necesario eliminar los sólidos y tratar el agua para evitar la obstrucción de la membrana por partículas o crecimiento biológico, y reducir el riesgo de daños en los componentes de alta presión.
  • Filtración por cartucho: Los filtros de polipropileno enrollados en hilo se utilizan normalmente para eliminar partículas de 1 a 5 μm de diámetro. 
  • Dosificación : Se añaden biocidas oxidantes , como el cloro, para eliminar las bacterias, seguidos de la dosificación de bisulfito para desactivar el cloro que puede dañar una membrana compuesta de película delgada. Los inhibidores de la bioincrustación no eliminan las bacterias, pero impiden que formen una capa viscosa en la superficie de la membrana y en las paredes de las plantas.
  • Ajuste del pH en la prefiltración : Si el pH, la dureza y la alcalinidad del agua de alimentación provocan incrustaciones mientras se concentran en el flujo de rechazo, se dosifica ácido para mantener los carbonatos en su forma soluble de ácido carbónico .
CO 3 2 − + H 3 O + = HCO 3 − + H 2 O
HCO 3 − + H 3 O + = H 2 CO 3 + H 2 O
  • El ácido carbónico no puede combinarse con el calcio para formar incrustaciones de carbonato de calcio . La tendencia a la formación de incrustaciones de carbonato de calcio se estima mediante el índice de saturación de Langelier . Añadir demasiado ácido sulfúrico para controlar las incrustaciones de carbonato puede provocar la formación de incrustaciones de sulfato de calcio , sulfato de bario o sulfato de estroncio en la membrana.
  • Antiincrustantes de prefiltración: Los inhibidores de incrustaciones (también conocidos como antiincrustantes) previenen la formación de más incrustaciones que el ácido, que solo puede prevenir la formación de incrustaciones de carbonato de calcio y fosfato de calcio . Además de inhibir las incrustaciones de carbonato y fosfato, los antiincrustantes inhiben las de sulfato y fluoruro, y dispersan coloides y óxidos metálicos. A pesar de las afirmaciones de que los antiincrustantes pueden inhibir la formación de sílice , no existe evidencia concreta que demuestre que la polimerización de la sílice sea inhibida por los antiincrustantes. Los antiincrustantes pueden controlar las incrustaciones solubles en ácido con una fracción de la dosis requerida para controlar la misma incrustación con ácido sulfúrico. [ 35 ]
  • Algunas plantas desalinizadoras de pequeña escala utilizan pozos de captación en la playa. Estos pozos suelen perforarse en la costa. Su construcción es relativamente sencilla y el agua de mar que recogen se somete a un pretratamiento mediante filtración lenta a través de formaciones de arena y lecho marino. El agua de mar cruda obtenida mediante pozos de captación en la playa suele ser de mejor calidad en cuanto a sólidos, limo, aceite, grasa, contaminación orgánica y microorganismos, en comparación con las tomas de agua de mar abiertas. Además, el agua de captación en la playa puede tener una salinidad menor.

Bomba de alta presión

La bomba de alta presión impulsa el agua a través de la membrana. Las presiones típicas para agua salobre oscilan entre 1,6 y 2,6 MPa (225 y 376 psi). En el caso del agua de mar, oscilan entre 5,5 y 8 MPa (800 y 1180 psi). Esto requiere una cantidad considerable de energía. Cuando se utiliza la recuperación de energía, parte del trabajo de la bomba de alta presión lo realiza el dispositivo de recuperación de energía, lo que reduce el consumo energético.

Ensamblaje de membranas

Las capas de una membrana
Vista en sección de un tubo de ósmosis inversa de 16 pulgadas.

El conjunto de membranas consta de un recipiente a presión con una membrana que permite que el agua de alimentación sea impulsada contra ella. La membrana debe ser lo suficientemente resistente para soportar la presión. Las membranas de ósmosis inversa se fabrican en diversas configuraciones. Las dos más comunes son las de espiral y las de fibra hueca .

Solo una parte del agua bombeada a la membrana la atraviesa. El concentrado restante fluye por el lado salino de la membrana, arrastrando la sal y otros residuos. El porcentaje de agua desalinizada se denomina índice de recuperación. Este varía según la salinidad y los parámetros de diseño del sistema: generalmente, un 20 % para sistemas pequeños de agua de mar; entre un 40 % y un 50 % para sistemas más grandes; y entre un 80 % y un 85 % para agua salobre. El caudal del concentrado suele ser 3 bar/50 psi menor que la presión de alimentación, conservando así gran parte de la energía de entrada.

La pureza del agua desalinizada depende de la salinidad del agua de alimentación, la selección de la membrana y el índice de recuperación. Para lograr una mayor pureza, se puede añadir un segundo paso, que generalmente requiere un ciclo de bombeo adicional. La pureza, expresada como sólidos disueltos totales, suele variar entre 100 y 400 partes por millón (ppm o mg/litro) en agua de mar. Generalmente, el límite superior para el agua potable es de 500 ppm, mientras que la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) clasifica el agua mineral como aquella que contiene al menos 250 ppm.

Recuperación de energía

Esquema de un sistema de desalinización por ósmosis inversa con intercambiador de presión . 1 : Entrada de agua de mar, 2 : Flujo de agua dulce (40%), 3 : Flujo de concentrado (60%), 4 : Flujo de agua de mar (60%), 5 : Concentrado (drenaje), A : Flujo de la bomba (40%), B : Bomba de circulación, C : Unidad de ósmosis con membrana, D : Intercambiador de presión.
Esquema de un sistema de desalinización por ósmosis inversa (RO) con bomba de recuperación de energía. 1 : Entrada de agua de mar (100%, 1 bar), 2 : Flujo de agua de mar (100%, 50 bar), 3 : Flujo de concentrado (60%, 48 bar), 4 : Flujo de agua dulce (40%, 1 bar), 5 : Concentrado al drenaje (60%, 1 bar), A : Bomba de recuperación de presión , B : Unidad de ósmosis con membrana

La recuperación de energía puede reducir el consumo energético en un 50 % o más. Gran parte de la energía de entrada se puede recuperar del flujo de concentrado, y la creciente eficiencia de los dispositivos de recuperación de energía reduce considerablemente los requisitos energéticos. Los dispositivos utilizados, en orden de invención, son:

  • Turbina o rueda Pelton : una turbina hidráulica accionada por el flujo del concentrado, conectada al eje de la bomba, proporciona parte de la potencia de entrada. En sistemas más pequeños, se han utilizado motores de pistón axial de desplazamiento positivo en lugar de turbinas.
  • Turbocompresor: una turbina de agua accionada por flujo concentrado, conectada directamente a una bomba centrífuga que aumenta la presión de salida, reduciendo la presión necesaria de la bomba y, por lo tanto, su entrada de energía, [ 36 ] similar en principio de construcción a los turbocompresores de los motores de los automóviles .
  • Intercambiador de presión : utiliza el flujo de concentrado presurizado, mediante contacto directo o un pistón, para presurizar parte del flujo de alimentación de la membrana a una presión cercana a la del flujo de concentrado. [ 37 ] Una bomba de refuerzo eleva esta presión, típicamente 3  bar  /  50  psi, hasta alcanzar la presión de alimentación de la membrana. Esto reduce el caudal necesario de la bomba de alta presión en una cantidad igual al caudal de concentrado, generalmente un 60 %, y por lo tanto, su consumo energético. Estos intercambiadores se utilizan ampliamente en sistemas de bajo consumo energético de mayor tamaño. Son capaces de consumir 3 kWh/m³ o menos.
  • Bomba de recuperación de energía : una bomba de pistón alternativo . El flujo de concentrado presurizado se aplica a un lado de cada pistón para impulsar el flujo de alimentación de la membrana desde el lado opuesto. Estos son los dispositivos de recuperación de energía más sencillos de instalar, ya que combinan la bomba de alta presión y la recuperación de energía en una sola unidad autorregulada. Se utilizan ampliamente en sistemas pequeños de bajo consumo energético. Son capaces de consumir 3  kWh/m³ o menos.
  • Operación por lotes: Los sistemas de ósmosis inversa (OI) que funcionan con un volumen fijo de fluido (termodinámicamente un sistema cerrado ) no sufren de desperdicio de energía en la corriente de salmuera, ya que la energía para presurizar un fluido prácticamente incompresible (agua) es insignificante. Dichos sistemas tienen el potencial de alcanzar eficiencias de segunda ley del 60 %. [ 1 ] [ 38 ] [ 39 ] Estos sistemas se pueden crear de varias maneras, incluyendo el uso de tanques presurizados con pistones [ 38 ] o vejigas, [ 39 ] o tanques de baja presión con dispositivos de recuperación de energía (ERD) convencionales. [ 40 ]

Remineralización y ajuste del pH

El agua desalinizada se estabiliza para proteger las tuberías y los depósitos, generalmente mediante la adición de cal o sosa cáustica para prevenir la corrosión de las superficies revestidas de hormigón. El material de encalado se utiliza para ajustar el pH entre 6,8 y 8,1 y cumplir con las especificaciones de agua potable, principalmente para una desinfección eficaz y para el control de la corrosión. Puede ser necesaria la remineralización para reemplazar los minerales extraídos del agua durante la desalinización, aunque este proceso ha demostrado ser costoso e inconveniente para satisfacer la demanda de minerales de los seres humanos y las plantas, como ocurre en el agua dulce típica. Por ejemplo, el agua del proveedor nacional de agua de Israel suele contener niveles de magnesio disuelto de 20 a 25  mg/litro, mientras que el agua de la planta de Ashkelon no contiene magnesio. El agua de Ashkelon provocó síntomas de deficiencia de magnesio en cultivos como tomates, albahaca y flores, y fue necesario remediarlo mediante fertilización. Las normas israelíes de agua potable exigen un nivel mínimo de calcio de 20  mg/litro. El tratamiento posterior a la desalinización de Askelon utiliza ácido sulfúrico para disolver la calcita (piedra caliza), lo que da como resultado concentraciones de calcio de 40 a 46  mg/litro, inferiores a los 45 a 60  mg/litro que se encuentran en el agua dulce típica de Israel.

Desinfección

La desinfección posterior al tratamiento proporciona protección secundaria contra membranas dañadas y problemas posteriores. La desinfección mediante lámparas ultravioleta (UV) (a veces denominadas germicidas o bactericidas) puede emplearse para esterilizar patógenos que eluden el proceso de ósmosis inversa. La cloración o cloraminación (cloro y amoníaco) protege contra patógenos que puedan haberse alojado en el sistema de distribución aguas abajo. [ 41 ]

Desventajas

Los sistemas industriales/municipales a gran escala suelen recuperar entre el 75 % y el 80 % del agua de alimentación, o incluso hasta el 90 %, porque pueden generar la presión más alta necesaria.

aguas residuales

Las unidades de ósmosis inversa (OI) domésticas consumen mucha agua debido a su baja contrapresión. Los purificadores de agua por OI domésticos suelen producir un litro de agua utilizable y entre 3 y 25 litros de aguas residuales . [ 42 ] El resto se descarga, generalmente al desagüe. Dado que las aguas residuales contienen los contaminantes rechazados, su recuperación no es práctica para los sistemas domésticos. Las aguas residuales suelen ser vertidas a los desagües de las viviendas. Una unidad de OI que suministra 20 litros (5,3 galones estadounidenses ) de agua tratada al día también descarga entre 50 y 80 litros (13 y 21 galones estadounidenses ) . Esto llevó al Tribunal Verde Nacional de la India a proponer la prohibición de los sistemas de purificación de agua por OI en zonas donde la concentración total de sólidos disueltos (TDS) en el agua sea inferior a 500 mg/litro. En Delhi , el uso generalizado de dispositivos de OI domésticos ha aumentado la demanda total de agua del Territorio de la Capital Nacional de la India , que ya sufre escasez hídrica . [ 43 ]     

Salud

La ósmosis inversa elimina tanto contaminantes dañinos como minerales beneficiosos. Algunos estudios reportan cierta relación entre los efectos a largo plazo en la salud y el consumo de agua con bajo contenido de calcio y magnesio , aunque estos estudios son de baja calidad. [ 44 ]

Consideraciones sobre los flujos de residuos

Dependiendo del producto deseado, la corriente de solvente o la de soluto de la ósmosis inversa (OI) se considerarán residuos. En aplicaciones de concentración de alimentos, la corriente de soluto concentrado es el producto y la de solvente, el residuo. En aplicaciones de tratamiento de agua, la corriente de solvente es agua purificada y la de soluto, el residuo concentrado. [ 45 ] El residuo de solvente del procesamiento de alimentos puede utilizarse como agua regenerada , pero puede haber menos opciones para la eliminación de un residuo de soluto concentrado. Los barcos pueden utilizar vertidos marinos y las plantas desalinizadoras costeras suelen utilizar emisarios marinos . Las plantas de OI sin acceso al mar pueden requerir estanques de evaporación o pozos de inyección para evitar la contaminación de las aguas subterráneas o la escorrentía superficial . [ 46 ]

Investigación

Mejorar las membranas actuales

Las membranas de ósmosis inversa (OI) actuales, las membranas de poliamida de película delgada compuesta (TFC), se están estudiando para encontrar formas de mejorar su permeabilidad. Mediante nuevos métodos de imagen, los investigadores pudieron crear modelos 3D de las membranas y examinar cómo fluía el agua a través de ellas. Descubrieron que las membranas TFC con áreas de bajo flujo disminuían significativamente la permeabilidad del agua. [ 47 ] Al garantizar la uniformidad de las membranas y permitir que el agua fluya continuamente sin ralentizarse, la permeabilidad de la membrana podría mejorarse entre un 30 y un 40 %. [ 48 ]

Electrodiálisis

Se han realizado investigaciones para integrar la ósmosis inversa con la electrodiálisis con el fin de mejorar la recuperación de productos desionizados valiosos o para reducir los volúmenes de concentrado.

Baja presión y alta recuperación (LPHR)

Otro método es la ósmosis inversa multietapa de baja presión y alta recuperación (LPHR). Esta produce salmuera concentrada y agua dulce al hacer circular repetidamente el efluente a través de una membrana relativamente porosa a baja presión. Cada ciclo elimina impurezas adicionales. Una vez que el efluente alcanza una pureza relativa, se envía a través de una membrana de ósmosis inversa convencional a presión convencional para completar la etapa de filtración. Se ha demostrado que la LPHR es económicamente viable, con una recuperación superior al 70 % y una presión de salida (OPD) de entre 58 y 65 bar, dejando un contenido de sólidos disueltos totales (TDS) no superior a 350 ppm a partir de una alimentación de agua de mar con 35 000 ppm de TDS.

Nanotubos de carbono (CNT)

Los nanotubos de carbono están diseñados para resolver potencialmente el dilema típico entre la permeabilidad y la selectividad de las membranas de ósmosis inversa (OI). Los CNT presentan muchas características ideales, como resistencia mecánica, afinidad electrónica y flexibilidad durante la modificación. Al reestructurar los nanotubos de carbono y recubrirlos o impregnarlos con otros compuestos químicos, los científicos pueden fabricar membranas con todas las características más deseables. Se espera que las membranas de CNT logren una combinación de alta permeabilidad al agua y, al mismo tiempo, reduzcan la cantidad de solutos neutros extraídos del agua. Esto ayudaría a disminuir los costos de energía y el costo de remineralización después de la purificación a través de la membrana. [ 49 ]

Grafeno

Las membranas de grafeno están diseñadas para aprovechar su delgadez y así aumentar la eficiencia. El grafeno es una capa única de átomos de carbono, por lo que es aproximadamente 1000 veces más delgado que las membranas existentes. Las membranas de grafeno tienen  un grosor de alrededor de 100 nm, mientras que las membranas actuales tienen un grosor de aproximadamente 100  μm. Muchos investigadores estaban preocupados por la durabilidad del grafeno y su capacidad para soportar las presiones de la ósmosis inversa (OI). Una nueva investigación revela que, dependiendo del sustrato (una capa de soporte que no realiza filtración y solo proporciona soporte estructural), las membranas de grafeno pueden soportar una presión de 57 MPa, lo que equivale a unas 10 veces las presiones típicas de la OI de agua de mar. [ 50 ]

La ósmosis inversa por lotes puede ofrecer una mayor eficiencia energética , equipos más duraderos y límites de salinidad más elevados.

El enfoque convencional sostenía que las moléculas cruzaban la membrana individualmente. Un equipo de investigación desarrolló una teoría de "disolución-fricción", que postulaba que las moléculas se agrupaban a través de poros transitorios. La caracterización de este proceso podría orientar el desarrollo de la membrana. La teoría aceptada es que las moléculas de agua individuales se difunden a través de la membrana, lo que se conoce como el modelo de "disolución-difusión". [ 51 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Nayar, Kishor G.; Maswadeh, Laith A.; Lienhard V, John H. (2016). "Eficiencia energética de la desalinización por ósmosis inversa por lotes y semilotes (CCRO)" . Water Research . 106 : 272–282 . Bibcode : 2016WatRe.106..272W . doi : 10.1016/j.watres.2016.09.029 . hdl : 1721.1/105441 . PMID 27728821 . 
  2. ↑ Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (25 de noviembre de 2019). "Métodos de eliminación de salmuera de desalinización y tecnologías de tratamiento: una revisión". Science of the Total Environment . 693 133545. Bibcode : 2019ScTEn.69333545P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351 . ISSN 0048-9697 . PMID 31374511. S2CID 199387639 .   
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