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OSMOSIS INVERSA. FILTRACION POR MEMBRANAS SEMIPERMEABLES


 

Proceso osmótico directo e inverso

El fenómeno de ósmosis normal, también denominada ósmosis directa, resulta ser la solución lógical de un sistema no continuo entre dos recipientes que contienen soluciones salinas con diferentes concentraciones y que se ponen en contacto mediante una membrana semipermeable al paso de la solución.

Todo flujo osmótico se origina desde el recipiente de solución más diluida hasta el recipiente de solución más concentrada (Ver diagrama a, de la figura). Esto se da como un proceso espontáneo para lograr llevar el sistema a un estado equilibrado en cuanto a concentración de sales y que es un ejemplo de la ley general de entropía. Este fenómeno ocurre cuando el flujo osmótico aumenta el nivel de una columna de líquido sobre la disolución concentrada ycuyo peso produce dicha presión osmótica de equilibrio (Ver diagrama b, de la figura).

La segunda ley de la termodinámica garantizaa que este proceso es siempre un proceso irreversible, en vista de que para devolver el sistema a su estado inicial, tiene la necesidad de efectuar activamente un trabajo mecánico neto y positivo contrario al aportado por el sistema. Dicha labor mecánica se realiza en la solución más concentrada, de tal forma que el flujo líquido del solvente ocurre en sentido opuesto al flujo líquido osmótico original tal como se describe en la ósmosis inversa. Para que tal cosa suceda es imprescindible que la presión aplicada tenga un valor mayor que la diferencia de las presiones osmóticas entre los recipientes (Ver el diagrama c de la figura).



osmosis inversa membrana semipermeable y su proceso asociado

 

El fenómeno de la ósmosis inversa fue descrito por vez primera por Sir Charles E. Reid en el año 1953 para obtener agua potable procedente del agua del mar y constituir una fuente de agua potable. La propuesta de Sir Reid fue sometida a consideración por la Oficina de Aguas Salinas de EUA y aparecieron algunas objeciones a la idea. En una de ellas se consideraba a la ósmosis inversa como un proceso no práctico o de difícil logro y que en caso de funcionar, sería tan solo una curiosidad a modo de experimento didáctico de laboratorio.

La controversia más dura a la propuesta de Reid fue cuando se demostró que se carecía, por aquel entonces, de una membrana de características y calidad adecuada para efectuar de forma eficiente el proceso de ósmosis inversa tal como se había descrito. Efectivamente, al aprobarse el proyecto de Sir Reid se determinó que era un problema enorme el hecho de conseguir una membrana osmótica que tuviera las capacidades físicas y químicas de realizar ese proceso sin sufrir alteraciones en su naturaleza ni interferir químicamente con el disolvente. Las dificultades técnicas aludidas y las objecciones básicamente fueron las siguientes:

1) La carencia de una membrana lograda que resistiera de manera estable químicamente las soluciones salinas sin degradarse.

2) Las membranas logradas en la época eran muy poco porosas o inconsistentes como para permitir el tránsito del solvente, que se trataba de agua pura y demasiado abiertas en el poro para tener un coeficiente apropiado de reflexión de Staverman, o lo que es lo mismo, un bajo rechazo de sales disueltas.

3) La rápida saturación de la membrana osmótica requería de una limpieza constante o lavado tangencial periódico o lo que resultaba más grave, su sustitución.

La solución al problema de la separación del agua pura a partir de agua marina o aguas salobres, fue resuelta con éxito por el descubrimiento de una membrana de acetato de celulosa en el año 1959 y su subsiguiente producción en serie.

Este descubrimiento siguió a otro logrado por S. Loeb y por S. Sourirajan en los años 60, al demostrarse que la membrana de Reid y Breton mejoraba el flujo de solvente y rechazo de sales.

Cuando la membrana se hacía de forma asimétrica en lugar de emplear una superficie homogénea se mejoraba sustancialmente el rendimiento. Luego se comprobó, por observaciones al microscopio de alta resolución, que la asimetría en la membrana de Loeb y Surirajan se debía a la presencia de una delgada película polímérica de grado amorfo con correspondientes secciones cristalinas sobre la superficie de dicha membrana. Esta película es la parte activa de la membrana y es la responsable de la exclusión de los solutos, al ser la que se encuentra en contacto con ellos en su cara activa. El cuerpo estructural restante de la membrana sirve como soporte físico y es una estructura polímera esponjada altamente porosa que aporta resistencia al formato y diseño.

Con estos tipos de membranas se lograron eficientemente los processo de ósmosis inversa, zanjando de una vez por todas las discusiones de aquellos que pensaron que esa inversión física nunca funcionaría en la práctica de manera rentable.

En esta década de los sesenta se consiguió comprender aquellos efectos de oclusión y saturación de las membranas bajo operación contínua, así como la necesidad de tratamientos bioquímicos y oxidativos del agua de alimentación, por la presencia de determinados micro organismos que utilizan a la membrana como base nutriente y terminan degradándola.

Si el proceso fuera reversible, habría que evitar la mezcla de aguas. Por ejemplo, la presión osmótica del agua de mar es de 24 atmósferas, mientras que los equipos que obtienen agua potable a partir de agua de mar operan en la práctica con presiones de 100 atmósferas o mayores. Esta circunstancia invalidaría el proceso o lo haría menos productivo.

Uno de los mayores logros en el terreno de los polímeros de la década de los años sesenta, fue hacer económica y rentable la aplicación de la ósmosis inversa en la obtención de agua potable a partir de aguas salobres o para mejorar el agua potable doméstica y entrar en competencia con otros sistemas de purificación como era la destilación y otras filtraciones mecánicas. Esta posibilidad fue consecuencia directa del perfeccionamiento de la membrana de acetato de celulosa y una comprensión más clara de los procesos físicos en una solución salina con pesencia de dichas membranas.

Al principio se pensó que el proceso físico de ósmosis inversa sería espectacularmente eficiente, pues se pensó que bastaría con exceder ligeramente la presión osmótica del sistema para conseguir la inversión osmótica determinada por la simple inversión de presiones en el sistema de la ósmosis directa. Realmente no se estaba tomando muy en cuenta la segunda ley de la termodinámica ya que en lo que se requiere un trabajo adicional para su correcto funcionamiento en contra de posibles irreversibilidades de la dirección de flujo del solvente y cuanto más lejos del equilibrio se manifieste, mayor será el aporte de energía necesario para realizarlo. Realmente, resultó que en el funcionamiento de dicho efecto se requiere de la aplicación de una presión de trabajo mucho mayor al valor nominal de la presión osmótica efectiva e invertir las energías a razón de hasta unas 10 veces más que la requerida en el proceso teórico.

 

 


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