L’osmosi inversa i les seves diferents aplicacions

Definició

La òsmosi (O) i l’òsmosi inversa (RO) són dos fenòmens que es produeixen de forma natural a l’interior dels éssers vius.

Per exemple, mitjançant l’òsmosi les cèl·lules del nostre organisme, que estan envoltades per una membrana semipermeable, permeten el pas de nutrients dins i fora de la cèl·lula, afavorint així tant la incorporació de nutrients necessaris per al metabolisme cel·lular, com l’expulsió dels residus del mateix.

En aquest article ens centrarem en el procés d’Òsmosi Inversa (RO), que de manera global consisteix a generar, mitjançant una membrana permeable a l’aigua, una solució aquosa amb baix contingut en sal a partir d’una altra amb alt contingut en sal i que en cap cas es tracta d’un procés de filtració a través de la membrana, com seria el cas de la microfiltració o de l’ultrafiltració, sinó que el dissolvent difon a través de la membrana.

Característiques del procés

La tècnica de RO ha evolucionat àmpliament en les últimes dècades i ha passat de ser una tecnologia emergent a ser un procés consolidat, eficient i competitiu. No obstant això, en què consisteix exactament l’òsmosi inversa? Per respondre a aquesta qüestió, primer analitzarem en què consisteix el procés d’òsmosi.

Tenint en compte aquestes premisses podem dir que l’òsmosi (O) és una operació d’equilibri en la qual molècules d’un dissolvent són capaces d’atravessar una membrana permeable per diluir una solució més concentrada. Si es disposa d’un equip com el de la figura (a) en què dues solucions de diferent concentració de sal i que es troben a pressió atmosfèrica estan separades per una barrera física, en el moment en què es retira la barrera que les separa, es produeix una difusió de forma natural i s’igualen les concentracions d’ambdues solucions, moment en què s’arriba a l’equilibri. Al principi, hi haurà un flux que serà majoritari i anirà de la solució més diluïda a la més concentrada, però a mesura que les concentracions s’igualin, els fluxos també s’aniran emparellant i el flux net serà zero.

A la figura (b) es disposa del mateix muntatge experimental, però ara les dues solucions estan separades per una membrana semipermeable, la qual deixa passar a través seu el dissolvent, però no els ions ni molècules de major mida. En aquest cas es torna a produir el fenomen de l’òsmosi, el dissolvent de la solució més diluïda travessa la membrana cap a la solució més concentrada.

En canvi, els ions de la solució més concentrada, en no poder travessar la membrana, queden confinats. Com a resultat d’aquesta transferència de dissolvent d’un costat a l’altre de la membrana, a la part superior dels dipòsits s’observa com el nivell d’ambdues solucions ha variat. Mentre que el nivell de la solució més diluïda ha disminuït, el nivell de la solució més concentrada ha augmentat.

Un cop el flux s’ha aturat – figura (c) – i el nivell dels dos dipòsits ja no varia més en relació amb el temps, el sistema ha arribat a l’equilibri.

La diferència de nivells de líquid entre els dos dipòsits genera una pressió hidrostàtica que equival exactament a la pressió osmòtica. De fet, la pressió osmòtica es defineix com la pressió hidrostàtica necessària per aturar el flux de dissolvent a través d’una membrana semipermeable que separa dues solucions de diferent concentració.

Si quan el dissolvent està fluint de la solució més diluïda a la solució més concentrada, amb l’objectiu d’igualar les dues concentracions, s’exerceix una lleugera pressió a la solució de major concentració, el flux a través de la membrana disminueix.

Si s’augmenta paulatinament la pressió exercida, s’arriba a un punt en què el flux a través de la membrana és zero, és a dir, el dissolvent deixa d’atravessar la membrana. La pressió que s’està exercint en aquest moment és igual a la pressió osmòtica. I si s’incrementa la pressió exercida, el flux s’inverteix i el dissolvent travessa la membrana en la direcció contrària, és a dir, passa del costat de la solució més concentrada al costat on es troba la solució més diluïda. Aquest procés rep el nom d’òsmosi inversa.

Així doncs, l’òsmosi inversa consisteix a separar el dissolvent d’una solució concentrada, que passa a través d’una membrana semipermeable, mitjançant l’aplicació d’una pressió, la qual haurà de ser, com a mínim, superior a la pressió osmòtica. Com més gran sigui la pressió aplicada, més gran serà el flux de permeat a través de la membrana.

Aquest procés és especialment atractiu per l’elevada selectivitat de les membranes, les quals permeten el pas del dissolvent, però gairebé no poden passar els ions i molècules de petit tamany dissoltes en la solució.

Selectivitat de la membrana

L’òsmosi inversa és una tècnica molt eficient i competitiu per separar un dissolvent dels soluts que porta dissolts, ja que, aplicada a l’aigua, la membrana permet la separació del 95% de les sals dissoltes, la qual cosa permet la dessalinització d’aigües salobres o d’aigües de mar.

Les membranes semipermeables, que deixen passar selectivament el dissolvent i impedeixen el pas als soluts, exerceixen un paper clau en el procés. Les primeres estaven fabricades amb acetat de cel·lulosa, però després les de poliamida han desplaçat les primeres, en permetre controlar la mida del porus i la permeabilitat.

Les membranes són poc permeables als ions i a les molècules amb càrregues electroestàtiques; a major càrrega, major serà la retenció. En canvi, els gasos dissolts (oxigen, diòxid de carboni, clor, etc.) tenen una bona permeabilitat, igual que les molècules orgàniques neutres de baix pes molecular.

Problemes específics d’embrutiment

El factor principal que amenaça la productivitat de la membrana és el seu embrutiment gradual.

Aquest es pot produir per diversos motius, sent els més comuns:

1. Els dipòsits a la superfície de la membrana d’escates o crostes de carbonat càlcic, sulfats càlcics, silicats complexos, sulfat de bari, sulfat d’estronci, fluorur càlcic, etc., depenent de la composició de l’alimentació i com a conseqüència que les concentracions de sal al concentrat puguin sobrepassar el producte de solubilitat de la sal.
2. Els sediments de partícules com col·loides, productes de la corrosió del ferro de les conduccions, precipitats d’hidròxid de ferro, algues, etc.
3. El bioembrutiment degut al creixement de microorganismes a la superfície de la membrana, ja que alguns materials de les membranes, com l’acetat de cel·lulosa o les poliamides, poden ser un substrat utilitzable pels microorganismes.
4. L’embrutiment degut a compostos orgànics com olis o greixos presents a les aigües residuals industrials.

La forma de neteja de les membranes depèn de les característiques de l’aigua d’alimentació, del tipus de membrana i de la naturalesa de l’embrutiment. Com a pauta general es pot procedir a alternar períodes d’esbandida de les membranes, fent circular les solucions netejadores a alta velocitat per la superfície de les membranes, amb períodes on les membranes quedin submergides a les solucions netejadores.

Els agents de neteja habitualment utilitzats són:

1. Àcids clorhídric, fosfòric o cítric i agents quelants com EDTA, per eliminar les crostes de precipitats salins, i àcid oxàlic per eliminar els sediments de ferro.
2. Àlcalis combinats amb surfactants per eliminar microorganismes, sediments i compostos orgànics
3. Esterilització de les membranes amb solucions de clor per eliminar els microorganismes.

Les successives neteges acaben per degradar les membranes. Depenent de l’aplicació, el període de vida garantit pel fabricant sol ser d’1 – 2 anys. Amb un bon programa de neteja la vida de les membranes es pot prolongar fins a 3 anys, sent improbables períodes de vida de 5 anys.

Generalment, per allargar la vida de les membranes es sol pretractar l’aigua d’alimentació. És habitual que, com a passos previs a l’òsmosi inversa, primer es dugui a terme una filtració i després una ultrafiltració, sempre depenent de la quantitat de sòlids en suspensió que portin les aigües a tractar.

Aplicacions generals

L’objectiu de les plantes de RO instal·lades es distribueix de la següent manera:

• 50 % en dessalinització d’aigua de mar i aigua salobre
• 40 % en la producció d’aigua ultrapura per a les indústries electrònica, farmacèutica i de producció d’energia
• 10 % com a sistemes de descontaminació d’aigües urbanes i industrials.

Dessalinització d’aigües salobres

La salinitat d’aquest tipus d’aigües és de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En el seu tractament s’utilitzen pressions de 14 bar – 21 bar per aconseguir coeficients de rebuig superiors al 90 % i obtenir aigües amb concentracions salines menors de 500 mg/L, que són els valors recomanats per WHO com a condició de potabilitat. 

Les plantes de tractament d’aigües salobres utilitzen mòduls de membranes enrotllades en espiral. S’estima que els costos de capital d’aquest tipus de plantes són de l’ordre de 0.25 $US/L d’aigua tractada/dia, sent els costos d’operació del mateix ordre.

Dessalinització d’aigua de mar

Depenent de la zona geogràfica, la salinitat d’aquest tipus d’aigües és de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Per aconseguir condicions de potabilitat s’utilitzen membranes de poliamida de tipus fibra buida que permeten aconseguir coeficients de rebuig superiors al 99.3 % amb pressions de treball de 50 bar – 70 bar.

Els costos d’operació d’aquest tipus de plantes de tractament s’estimen en 1 – 1.25$US/L d’aigua tractada/dia, fet que fa que aquest sistema de tractament no sigui competitiu, front a altres sistemes com els processos d’evaporació multietapa, si les necessitats d’aigua superen els 40000 m3 d’aigua tractada/dia.

Producció d’aigua ultrapura

La RO permet obtenir a partir de l’aigua de consum (concentració de sòlids dissolts < 200 mg/L) aigua de la qualitat exigida a la indústria electrònica.

El principal problema en aquest tipus d’instal·lacions és el bioembrutiment de les membranes, per la qual cosa és necessària la instal·lació de sistemes d’esterilització mitjançant radiació UV.

Tractament d’aigües residuals

Aquesta aplicació de la RO està limitada pels alts costos d’operació degut als problemes d’embrutiment de les membranes. 

En el cas de les aigües residuals industrials, la RO s’utilitza en aquelles indústries on és possible millorar l’economia del procés mitjançant la recuperació de components valuosos que puguin tornar a reciclar-se en el procés de producció: indústries de galvanoplàstia i de pintura d’estructures metàl·liques, o on la reutilització de l’aigua tractada signifiqui una reducció important del consum d’aigua, com a la indústria tèxtil. 

En el cas de les aigües urbanes, la RO és un tractament que estaria indicat com a tractament terciari, sent possible obtenir aigua amb una qualitat que la faci apta per al consum, amb un cost de 0.5 – 0.75 $US/m3.

El principal problema per a la consolidació d’aquest tipus de tractament és la contestació social. Tanmateix, a zones del Japó i Califòrnia, on existeixen limitacions extremes d’aigua, s’estan utilitzant plantes de RO per tractar l’aigua procedent del tractament biològic de les aigües domèstiques, emprant l’aigua tractada per RO per a la recàrrega d’aqüífers.

Aplicacions industrials

Les aplicacions industrials d’aquesta tecnologia són tan variades com indispensables. Entre els usos i aplicacions més utilitzades es troben les següents:

Indústria alimentària, farmacèutica i similars

A les indústries alimentària, farmacèutica, mèdica, cosmètica, química, electrònica, biotecnològica, etc. s’utilitza aigua osmotitzada ja que en una gran varietat de processos es precisa aigua de gran qualitat si no aigua ultrapura. L’aigua osmotitzada és el punt de partida per a l’obtenció d’aigua ultrapura.

Indústria productora d’aigua per a consum humà

En molts llocs del planeta no existeix suficient aigua dolça o amb la qualitat necessària per poder abastir la població.

Tant si el problema és de qualitat (aigües salobres, aigües contaminades amb nitrats, metalls, pesticides, etc.) com de quantitat (es recorre a la dessalinització d’aigua de mar) l’opció més econòmica per a l’obtenció d’aigua apta per al consum humà és l’òsmosi inversa.

Reutilització d’aigües residuals

Hi ha nombrosos casos en què els efluents dels processos de tractament de les aigües residuals han de ser tractats per millorar la seva qualitat fins que puguin ser reutilitzats.

És el cas d’aquells processos en què es consumeix un gran cabal d’aigua, com a la indústria tèxtil, o quan es vessi l’efluent al medi natural per recarregar un aqüífer.

També és el cas dels processos en què es persegueix no generar cap vessament líquid (vessament zero) i la totalitat dels efluents són tractats i recuperats per ser utilitzats de nou.

Totes les àrees esmentades per a l’ús de l’òsmosi inversa i les seves aplicacions són cobertes per Condorchem Envitech.