Desalinización del agua |
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La ósmosis directa ( FO ) es un proceso osmótico que, como la ósmosis inversa (RO), utiliza una membrana semipermeable para efectuar la separación del agua de los solutos disueltos. La fuerza impulsora de esta separación es un gradiente de presión osmótica , de modo que se utiliza una solución de "extracción" de alta concentración (en relación con la de la solución de alimentación) para inducir un flujo neto de agua a través de la membrana hacia la solución de extracción, por lo tanto separando eficazmente el agua de alimentación de sus solutos. Por el contrario, el proceso de ósmosis inversa utiliza la presión hidráulica como fuerza impulsora de la separación, que sirve para contrarrestar el gradiente de presión osmótica que, de otro modo, favorecería el flujo de agua del permeado a la alimentación. Por lo tanto, se requiere mucha más energía para la ósmosis inversa en comparación con la ósmosis directa.
La ecuación más simple que describe la relación entre las presiones osmótica e hidráulica y el flujo de agua (disolvente) es:
dónde es el flujo de agua , A es la permeabilidad hidráulica de la membrana, Δπ es la diferencia en las presiones osmóticas en los dos lados de la membrana y ΔP es la diferencia en la presión hidrostática (valores negativos deindicando flujo osmótico inverso). El modelado de estas relaciones es en la práctica más complejo de lo que indica esta ecuación, y el flujo depende de las características de la membrana, alimentación y extracción de la solución, así como de la dinámica de fluidos dentro del proceso mismo. [1]
El flujo de soluto () para cada soluto individual puede ser modelado por la Ley de Fick
Dónde es el coeficiente de permeabilidad del soluto y es el diferencial de concentración transmembrana del soluto. A partir de esta ecuación gobernante se desprende claramente que un soluto se difundirá desde un área de alta concentración a un área de baja concentración. Esto es bien conocido en la ósmosis inversa donde los solutos del agua de alimentación se difunden al agua del producto, sin embargo, en el caso de la ósmosis directa, la situación puede ser mucho más complicada.
En los procesos de FO podemos tener difusión de solutos en ambas direcciones dependiendo de la composición de la solución de extracción y el agua de alimentación. Esto hace dos cosas; los solutos de la solución de extracción pueden difundirse a la solución de alimentación y los solutos de la solución de alimentación pueden difundirse a la solución de extracción. Claramente, estos fenómenos tienen consecuencias en términos de la selección de la solución de estirado para cualquier proceso de FO en particular. Por ejemplo, la pérdida de la solución de extracción puede afectar la solución de alimentación quizás debido a problemas ambientales o contaminación de la corriente de alimentación, como en los biorreactores de membrana osmótica.
Una distinción adicional entre los procesos de ósmosis inversa (RO) y ósmosis directa (FO) es que el agua de permeado resultante de un proceso de RO es, en la mayoría de los casos, agua dulce lista para su uso. En el proceso de FO, este no es el caso. La separación por membranas del proceso de FO da como resultado un "intercambio" entre los solutos de la solución de alimentación y la solución de extracción. Dependiendo de la concentración de solutos en la alimentación (que dicta la concentración necesaria de solutos en la extracción) y el uso previsto del producto del proceso de FO, este paso puede ser todo lo que se requiere.
El proceso de ósmosis directa también se conoce como ósmosis o, en el caso de varias empresas que han acuñado su propia terminología, "ósmosis de ingeniería" y "ósmosis manipulada".
Aplicaciones
Bebidas de emergencia
Un ejemplo de una aplicación de este tipo se puede encontrar en las "bolsas de hidratación", que utilizan un soluto extraíble ingerible y están destinadas a la separación del agua de los alimentos diluidos . Esto permite, por ejemplo, la ingestión de agua de aguas superficiales (arroyos, estanques, charcos, etc.) que se puede esperar que contengan patógenos o toxinas que son fácilmente rechazadas por la membrana de FO. Con suficiente tiempo de contacto, dicha agua penetrará la bolsa de membrana en la solución de extracción, dejando atrás los constituyentes indeseables del alimento. La solución de extracción diluida se puede ingerir directamente. Normalmente, los solutos extraídos son azúcares como glucosa o fructosa , que proporcionan el beneficio adicional de nutrición al usuario del dispositivo FO. Un punto de interés adicional con tales bolsas es que se pueden usar fácilmente para reciclar orina , lo que extiende en gran medida la capacidad de un mochilero o soldado para sobrevivir en entornos áridos. [2] Este proceso también puede, en principio, emplearse con fuentes de agua de alimentación salina altamente concentrada, como el agua de mar, ya que uno de los primeros usos previstos del FO con solutos ingeribles fue la supervivencia en balsas salvavidas en el mar. [3]
Desalinización
El agua desalinizada se puede producir a partir de la solución diluida de agente osmótico / extracción, utilizando un segundo proceso. Esto puede ser por separación de membrana, método térmico, separación física o una combinación de estos procesos. El proceso tiene la característica de un ensuciamiento inherentemente bajo debido al primer paso de ósmosis directa, a diferencia de las plantas de desalinización por ósmosis inversa convencionales donde el ensuciamiento es a menudo un problema. Modern Water ha desplegado plantas desalinizadoras basadas en ósmosis avanzada en Gibraltar y Omán. [4] [5] [6] En marzo de 2010, la revista National Geographic [7] citó la ósmosis directa como una de las tres tecnologías que prometían reducir los requisitos energéticos de la desalinización.
Torre de enfriamiento evaporativo - agua de reposición
Otra aplicación desarrollada, donde solo se usa el paso de ósmosis directa, es en el agua de reposición de enfriamiento por evaporación. En este caso, el agua de refrigeración es la solución de extracción y el agua perdida por evaporación simplemente se reemplaza utilizando agua producida por ósmosis directa de una fuente adecuada, como agua de mar, agua salobre, efluente de aguas residuales tratadas o aguas residuales industriales. Por lo tanto, en comparación con otros procesos de " desalinización " que se pueden utilizar para el agua de reposición, el consumo de energía es una fracción de estos con la ventaja añadida de la baja propensión al ensuciamiento de un proceso de ósmosis directa. [8] [9] [10]
Tratamiento de lixiviados de vertedero
En el caso de que el producto deseado sea agua dulce que no contenga solutos de extracción, se requiere un segundo paso de separación. El primer paso de separación de FO, impulsado por un gradiente de presión osmótica, no requiere una entrada de energía significativa (solo agitación sin presión o bombeo de las soluciones involucradas). Sin embargo, el segundo paso de separación normalmente requiere entrada de energía. Un método utilizado para el segundo paso de separación es emplear RO. Este enfoque se ha utilizado, por ejemplo, en el tratamiento de lixiviados de vertederos . Se utiliza una separación de membrana de FO para extraer agua de la alimentación del lixiviado a una salmuera salina (NaCl). La salmuera diluida se pasa luego a través de un proceso de RO para producir agua dulce y un concentrado de salmuera reutilizable. La ventaja de este método no es un ahorro de energía, sino más bien el hecho de que el proceso de FO es más resistente a las incrustaciones de la alimentación de lixiviados que un proceso de RO por sí solo. [11] Se ha utilizado un híbrido FO / RO similar para la concentración de productos alimenticios, como zumos de frutas. [12]
Concentración de salmuera
La concentración de salmuera mediante ósmosis directa se puede lograr utilizando una solución de extracción de alta presión osmótica con un medio para recuperarla y regenerarla. Uno de estos procesos utiliza el proceso de ósmosis directa de amoníaco-dióxido de carbono (NH 3 / CO 2 ) inventado en la Universidad de Yale [13] [14] por Rob McGinnis, quien posteriormente fundó Oasys Water para comercializar la tecnología. [15] [16] Debido a que el amoníaco y el dióxido de carbono se disocian fácilmente en gases usando calor, los solutos extraídos se pueden recuperar y reutilizar de manera efectiva en un sistema de circuito cerrado, logrando la separación a través de la conversión entre energía térmica y presión osmótica. La concentración de salmuera de NH 3 / CO 2 FO se demostró inicialmente en la industria del petróleo y el gas para tratar el agua producida en el área de la Cuenca Pérmica de Texas, y actualmente se utiliza en plantas de energía y fabricación en China. [17] [18]
'Ablandamiento' / pretratamiento del agua de alimentación para la desalación térmica
Una aplicación sin explotar [19] es "ablandar" o pretratar el agua de alimentación a las plantas de destilación instantánea de múltiples etapas (MSF) o de destilación de efecto múltiple (MED) diluyendo osmóticamente la salmuera recirculante con el agua de refrigeración. Esto reduce las concentraciones de incrustaciones que forman carbonato de calcio y sulfato de calcio en comparación con el proceso normal, lo que permite un aumento en la temperatura de la salmuera superior (TBT), la producción y el índice de producción ganada (GOR). Darwish y col. [20] mostró que el TBT podía elevarse de 110 ° C a 135 ° C manteniendo el mismo índice de escala para el sulfato de calcio.
Poder osmótico
En 1954 Pattle [21] sugirió que existía una fuente de energía sin explotar cuando un río se mezcla con el mar, en términos de la presión osmótica perdida, sin embargo no fue hasta mediados de los 70 cuando un método práctico para explotarlo usando selectivamente permeables Membranas de Loeb [22] e independientemente por Jellinek [23] . Loeb se refirió a este proceso como ósmosis retardada por presión (PRO) y al lado se muestra una implementación simplista. Algunas situaciones que pueden preverse para explotarlo son el uso de la presión osmótica diferencial entre un río poco salobre que desemboca en el mar, o la salmuera y el agua de mar. El potencial teórico mundial de poder osmótico se ha estimado en 1.650 TWh / año. [24]
En tiempos más recientes, Statkraft, la compañía energética estatal noruega, ha realizado y financiado una cantidad significativa de trabajo de investigación y desarrollo. Se construyó un prototipo de planta en Noruega que genera una producción bruta de entre 2 y 4 kW; ver prototipo de poder osmótico de Statkraft en Hurum . Se consideró una planta mucho más grande con una potencia de 1 - 2 MW en Sunndalsøra, 400 km al norte de Oslo [25], pero posteriormente se abandonó. [26] La New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) en Japón está financiando trabajos sobre energía osmótica. [27]
Uso industrial
Ventajas
La ósmosis directa (FO) tiene muchos aspectos positivos en el tratamiento de efluentes industriales que contienen muchos tipos diferentes de contaminantes y también en el tratamiento de aguas saladas. [28] Cuando estos efluentes de extracción tienen concentraciones moderadas a bajas de agentes removibles, las membranas de FO son realmente eficientes y tienen la flexibilidad de adaptar la membrana dependiendo de la calidad deseada para el agua del producto. Los sistemas FO también son realmente útiles cuando se utilizan combinados con otro tipo de sistemas de tratamiento ya que compensan las deficiencias que puedan tener los otros sistemas. Esto también es útil en procesos donde la recuperación de un determinado producto es esencial para minimizar costos o mejorar la eficiencia, como los procesos de producción de biogás.
Desventajas
La principal desventaja de los procesos FO es el alto factor de ensuciamiento que pueden experimentar. Esto ocurre cuando se trata un efluente de extracción muy saturado, lo que hace que la membrana se obstruya y deje de cumplir su función. Esto implica que se debe detener el proceso y limpiar la membrana. Este problema ocurre menos en otro tipo de tratamientos de membranas, ya que tienen presión artificial que obliga a traspasar la membrana y reducir el efecto de ensuciamiento. También existe un problema con la tecnología de membranas aún por desarrollar. Esto afecta a los procesos de FO ya que las membranas utilizadas son caras y no muy eficientes o ideales para la función deseada. Esto significa que muchas veces se utilizan otros sistemas más baratos y sencillos en lugar de membranas.
Mercado industrial y futuro
Actualmente la industria utiliza pocos procesos de membranas de fibra óptica (y tecnologías de membranas en general) ya que son procesos complejos que también son costosos y requieren muchos procedimientos de limpieza y que a veces solo funcionan bajo ciertas condiciones que en la industria no siempre se pueden garantizar. Por esa razón, el enfoque para el futuro de las membranas es mejorar la tecnología para que sea más flexible y adecuada para el uso industrial general. Esto se hará invirtiendo en investigación y llevando lentamente estos desarrollos al mercado para que el costo de producción se reduzca a medida que se produzcan más membranas. Siguiendo con el desarrollo actual, se puede asegurar que en unos años a partir de ahora, las membranas se extenderán y usarán en muchos procesos industriales diferentes (no solo tratamientos de agua) y que aparecerán muchos campos donde se pueden usar procesos de FO.
Investigar
Un área de investigación actual en FO implica la eliminación directa de los solutos extraídos, en este caso mediante un campo magnético. Las partículas magnéticas pequeñas (nanoescala) se suspenden en solución creando presiones osmóticas suficientes para la separación del agua de una alimentación diluida. Una vez que la solución de extracción que contiene estas partículas ha sido diluida por el flujo de agua de FO, se pueden separar de esa solución mediante el uso de un imán (ya sea contra el costado de una bolsa de hidratación o alrededor de una tubería en línea en un proceso de estado estable ).
Referencias
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Otras lecturas
- Cath, T; Childress, A; Elimelech, M (2006). "La ósmosis directa: principios, aplicaciones y desarrollos recientes" (PDF) . Revista de ciencia de membranas . 281 (1–2): 70–87. doi : 10.1016 / j.memsci.2006.05.048 . Archivado desde el original (PDF) el 13 de septiembre de 2006.
- Duranceau, Steven (julio de 2012). "Aparición de ósmosis directa y procesos osmóticos retardados por presión para el tratamiento de agua potable" (PDF) . Diario de recursos hídricos de Florida : 32–36 . Consultado el 14 de junio de 2013 .
- Nicoll, Peter. "Ósmosis directa - una breve introducción" . Agua hoy . Consultado el 12 de febrero de 2020 . Cite journal requiere
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