Ósmosis Forzada
- Introducción
- Función del Proceso
- Ventajas y Desventajas
- Aplicaciones Industriales del Proceso
1) Introducción
La Ósmosis Forzada (FO por sus siglas en inglés) es un proceso de membrana osmótico con una membrana semipermeable que a diferencia de la Ósmosis Inversa (RO) no utiliza presión aplicada para lograr la separación del agua de los solutos disueltos como los iones, las moléculas y las partículas más grandes. Esto significa mucha menos energía para el proceso en comparación con la RO. En general, la FO utiliza energía térmica y eléctrica. La energía térmica puede ser sustituida con calor residual de bajo grado que puede ser encontrado en todos lados en la mayoría de las industrias o áreas alrededor.
Figura 1. Calor residual potencial por sector industrial en la UE (%), valoración preliminar de calor residual potencial en las principales industria de la UE (2017)
2) Función del Proceso
Figura 2. Esquema simplificado del proceso de Ósmosis Forzada
La FO usa la diferencia de presión osmótica (Δπ) entre la solución de alimento (concentración C1) y una solución Draw sintética (DS), que preparamos con C2 > C1 → π2 > π1 → Δπ = π2 - π1. Debido al Δπ, las moléculas desde el alimento empezarán a moverse hacia la solución Draw, creando un flujo de agua que remueve ca. 70% de agua del alimento (máx. 66% de recuperación (R) para RO de agua de mar, SWRO y 80% para RO de Agua Salobre, BWRO). Además, debido al hecho de que la FO no usa presión aplicada para superar la presión osmótica, puede tratar con niveles de TDS mucho más altos que la RO (ca. 200,000 ppm (mg/L) para FO y 70,000 ppm (mg/L) para RO). Esto hace que la FO sea ideal para tratar con salmueras de salinidad alta.
Figura 3. Consumos de Energía Eléctrica (SEC) de tecnologías de Tratamiento de Salmuera en KWh/m3 versus su Capacidad TDS Máxima en mg/L (ppm). En series, tenemos Flash de Múltiples Etapas (MSF), Destilación de Efecto Múltiple (MED), Compresión Mecánica de Vapor (MVC), Electrodiálisis/Electrodiálisis Inversa (ED/EDR), Ósmosis Forzada (FO), destilación por Membrana (MD). La FO y la MD pueden hacer uso de calor residual por hasta un 90% de su Demanda de Energía Térmica.
El flujo de agua en la FO depende de:
- La diferencia de presión osmótica
- La estructura de la membrana
- Las especies de la DS
- Las propiedades de la suciedad del alimento
Las membranas de la FO son una estructura simple (CTA) y una estructura compuesta (TFC). Las membranas TFC han mostrado mejor rendimiento en la escala de laboratorio a nivel mundial.
Usualmente las especies DS son sales inorgánicas que pueden ser retenidas en el ciclo de regeneración por un largo tiempo antes que sea necesario adherir más en el proceso.
3) Ventajas y Desventajas
Debido a no usar presión aplicada, la capa de suciedad en la superficies de la membrana no es compacta, lo que significa que los métodos de limpieza física pueden recuperar el flujo de agua de la membrana (Fig. 4). Esto significa menos uso de químicos, vida mejorada de la membrana y bajos costos en general.
Figura 4. Explicación del ensuciamiento reversible natural de FO. A la derecha tenemos una membrana típica de Ósmosis Inversa (RO) donde aplicamos presión con el fin de impulsar el agua a través. La presión aplicada crea una “capa pastel” de los contaminantes del agua de alimentación sobre la superficie de la membrana. Por otro lado, a la izquierda tenemos una membrana de FO donde no se aplica presión, así, la deposición de los contaminantes es muy floja y pueden ser removidos por métodos físicos (e.g., retrolavado osmótico)
Desventajas:
La Ósmosis Forzada sufre de dos problemas principales:
• Polarización por Concentración (CP en inglés) • Sales de Flujo InversoLa polarización por concentración en membrana de FO es externa (ECP) e interna (ICP). La ECP es un fenómeno común en los procesos de RO y puede ser reducido con condiciones mejoradas de flujo-cruzado usando espaciadores sobre la superficie de las membranas.
En la ICP las moléculas DS se acumulan dentro de los poros de la membrana y los gradientes de presión osmótica más bajos, bajando así la diferencia de presión osmótica que es la fuerza de movimiento de los procesos FO. En los últimos años ha habido un extenso esfuerzo de la comunidad científica para batallar con los efectos de la ICP y han aparecido algunos resultados muy prometedores con métodos físicos que pueden mejorar la ya alta eficiencia de FO.
FO → ↓ flujo de agua por ICP (puede ser mitigado con métodos físicos), las especies DS pueden contaminar el alimento con sales de flujo inverso (tiene que ser cuidadoso con la selección de DS)
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