artículostécnicos Ósmosis directa: proceso y aplicaciones F. Xavier Simón Font doctor en Ingeniería Química, investigador del Departamento de Medio Ambiente y Biotecnología de Leitat Joan Ballester Bonet licenciado en Química, investigador del Departamento de Medio Ambiente y Biotecnología de Leitat Joan Llorens Llacuna catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Barcelona Julia García Montaño doctora en Química, directora del Departamento de Medio Ambiente y Biotecnología de Leitat En los últimos años, la ósmosis directa ha recibido especial interés tanto para la obtención de agua pura como para la concentración de soluciones, debido a que las condiciones de operación son relativamente más suaves en comparación con la ósmosis inversa. Entre los distintos campos de aplicación de la ósmosis directa destacan el tratamiento y obtención de agua y la concentración de todo tipo de soluciones. También es aplicable en el campo de generación de energía. Existen dos grandes retos que hacen que todavía la ósmosis directa no sea una realidad a gran escala. Por una parte, las membranas son aún poco productivas, debido básicamente al problema de la polarización de la concentración, y deberán adaptarse para minimizar esta dificultad. Y por el otro, la necesidad de procesos de bajo coste para la regeneración de las soluciones extractoras. Palabras clave Ósmosis directa, membrana, solución extractora, polarización, ensuciamiento, desalinización. 26 Forward osmosis: process and applications In recent years, forward osmosis has received special interest in the production of pure water and the concentration of solutions due to the mild operating conditions as compared to reverse osmosis. Among the different fields of application of the forward osmosis, the water treatment and supply as well as the concentration of solutions could be highlighted. Moreover its use starts also to be relevant in the field of power generation. There are still two major challenges that make forward osmosis not to become a reality at large scale. On the one hand, membranes are still poorly productive, mainly due to the problem of concentration polarization, and must be adjusted in order to minimize this difficulty. On the other hand, the need for low cost processes in order to regenerate draw solutions. Keywords Forward osmosis, membrane, draw solution, polarization, fouling, desalination.
ÓSMOSIS DIRECTA: PROCESOS Y APLICACIONES 1. Introducción: definición y clasificación de los procesos osmóticos El proceso de ósmosis directa (forward ósmosis, FO) utiliza el gradiente de presión osmótica generado entre una solución altamente concentrada, denominada solución extractora (draw solution), y otra más diluida, denominada solución de alimentación (feed solution). Esta diferencia de presión osmótica provoca la difusión del agua a través de una membrana semipermeable desde la solución de alimentación hasta la solución extractora. Como consecuencia de este proceso, la solución extractora se va diluyendo, disminuyendo así su presión osmótica hasta llegar a igualarse a la de alimentación. En ese momento se ha llegado al equilibrio y, por lo tanto, cesa el flujo de agua. La ósmosis directa presenta ciertas analogías con los procesos de ósmosis inversa (reverse ósmosis, RO), ya que en ambos el agua atraviesa una membrana semipermeable, mientras que las sales disueltas permanecen retenidas por la membrana. No obstante, la fuerza impulsora en la ósmosis directa viene de la diferencia de potencial químico entre la solución de alimentación y la disolución extractora a ambos lados de la membrana (presión química), mientras que en el caso de la ósmosis inversa es necesaria la aplicación de una presión hidráulica (presión física) suficientemente elevada para vencer la diferencia de presión osmótica (Figura 1). 2. Proceso y factores de impacto 2.1. Proceso A día de hoy, la tecnología basada en la ósmosis directa se encuentra mayormente en un estado de laboratorio y las experiencias a escala piloto o industriales son aún escasas. El proceso de ósmosis directa requiere básicamente de una membrana instalada en una celda o módulo de filtración con entrada y salida tanto para la solución alimento como para la extractora. Las celdas pueden tener varias configuraciones, pero son habituales celdas con configuración tipo sándwich. La circulación de las soluciones suele ser en contracorriente. Los elementos de medición y control comúnmente utilizados son los rotámetros y manómetros. La temperatura del proceso se suele controlar mediante baños termos- Figura 2. Esquema del proceso de ósmosis directa. táticos. Para cuantificar el flujo de agua que atraviesa la membrana se registra el aumento de peso de la solución extractora con el tiempo mediante una balanza. Un esquema típico del proceso se muestra en la Figura 2. En las experiencias en discontinuo, se carga la solución alimento y la solución extractora en dos depósitos y se hacen circular en circuito cerrado. En la celda se produce el flujo de agua de la solución de alimentación a la solución extractora, mientras que los solutos de ambas soluciones no atraviesan la membrana. Con el tiempo, la solución alimento se va concentrando y la solución extractora se va diluyendo. No obstante, si no se repone o regenera la solución extractora, las presiones osmóticas a ambos lados de la membrana tienden a igualarse y la transferencia de agua decae. A mayor escala, cuando el proceso debe operar en continuo, la opción de regenerar la solución extractora se hace casi indispensable. Solo en aquellos casos en donde la disponibilidad de solución extractora sea ilimitada, se podrá prescindir de la regeneración. Figura 1. Esquema comparativo del proceso de ósmosis directa y ósmosis inversa (Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur). nº 7 27
artículostécnicos 2.2. Factores de impacto 2.2.1. Solución extractora Las posibles soluciones candidatas a solución extractora deben cumplir una serie de características. Deben ser capaces de generar altas presiones osmóticas, ser estables y no deben reaccionar con el material de la membrana. Normalmente, se seleccionan solutos con una elevada solubilidad en agua, poniendo especial interés en su no difusión a través de la membrana. Otro criterio importante, desde un punto de vista energético, son las posibles estrategias para su regeneración (por ejemplo procesos térmicos, membranas, campos magnéticos ) (Ge et al., 2013). Se han sugerido y estudiado soluciones extractoras con solutos muy variados (sales inorgánicas, compuestos volátiles, solutos orgánicos...). Las propiedades osmóticas, la disponibilidad, el coste y también la facilidad de regeneración son factores clave para que una solución extractora sea susceptible de ser utilizada en el proceso de ósmosis directa. A día de hoy se han ensayado mayoritariamente las soluciones de sales inorgánicas por su bajo coste y su elevada presión osmótica. Otro tipo de soluciones extractoras que han sugerido un interés especial son aquellas que presentan propiedades termolíticas como el sistema NH 3 / CO 2, debido a su facilidad de regeneración por vía térmica (McCutcheon et al., 2005). permeabilidad al agua manteniendo también elevada la retención de sales. No obstante, para mantener una adecuada estabilidad mecánica es necesario adherir la membrana a un soporte de un material poroso. Además, las membranas en funcionamiento deben presentar baja polarización de la concentración y buena estabilidad química. Entre los materiales más comunes de la membrana se encuentran el acetato y triacetato de celulosa (Mc- Cutcheon y Elimelech, 2007; Su et al., 2010; Wang et al., 2010) y las compuestas (thin film composite) de capas de poliamida, polisulfona y poliéster (Gerstandt et al., 2008; McCutcheon y Elimelech, 2008; Thorsen y Holt, 2009; Wang et al., 2012; Wang et al., 2010). Existen diferentes configuraciones de la membrana: baterías de membranas planas montadas en módulos de placas y marcos; membranas enrolladas en espiral (ver esquema en la Figura 3); y membranas tubulares. 2.2.3. Polarización La polarización de la concentración es uno de los aspectos más importantes que impactan negativamen- te en el rendimiento de la ósmosis directa, ya que disminuye la presión osmótica efectiva (Sablani et al., 2001). Cabe destacar dos tipos de polarización. Una externa que tiene lugar en el líquido en contacto con la membrana y el soporte poroso; y otra interna que tiene lugar dentro del soporte poroso de la membrana. Los efectos de la polarización externa se pueden aminorar aumentando la turbulencia junto a la membrana y el soporte, pero en el caso de la polarización interna solo se puede actuar modificando la estructura del soporte poroso (disminuyendo su grosor efectivo) (Tan y Ng, 2008). 2.2.4. Fouling El fouling ocurre cuando los solutos o las partículas de una solución se depositan en la superficie o en los poros de la membrana manifestándose en forma de problemas operacionales (Pandey et al., 2012). Según la naturaleza de los solutos que se depositan, se habla de fouling de tipo inorgánico (también conocido como scaling), orgánico, particulado o de tipo biológico (comúnmente llamado biofouling) (Kang y Cao, 2012). Figura 3. Esquema de funcionamiento de las membranas enrolladas en espiral (Cath et al., 2006). 2.2.2. Tipo de membranas Históricamente, los diseños de membranas se han basado en membranas simétricas con baja selectividad y permeabilidad al agua. En la actualidad, las membranas de ósmosis directa son asimétricas, con espesores muy finos ( 50 µm) de la capa activa, lo que implica elevada 28
ÓSMOSIS DIRECTA: PROCESOS Y APLICACIONES Figura 4. Campos de aplicación de la ósmosis directa. tiene un especial interés en aquellos casos en que se requiera trabajar a temperatura ambiente y sin presiones hidráulicas significativas. La Figura 4 muestra los posibles campos de aplicación de la ósmosis directa (Zhao et al., 2012). Una de las principales ventajas de la ósmosis directa en comparación con otros procesos de membrana clásicos es que no precisa elevadas presiones hidráulicas. Esto implica un ahorro energético y una mínima tendencia al fouling, que suele ser de carácter reversible (Klaysom et al., 2013; Lee et al., 2010). 3. Aplicaciones Cualquier corriente líquida que precise ser concentrada puede ser potencialmente tratada mediante ósmosis directa. Entre los campos de aplicación de la ósmosis directa se encuentran sectores tan variados como el agua, la energía y las ciencias de la salud. La ósmosis directa Figura 5. Esquema del proceso de producción de agua a escala piloto con solución extractora NH 3 /CO 2 /H 2 O (McCutcheon et al., 2005). 3.1. Tratamiento, purificación y desalinización de agua La ósmosis directa se ha utilizado con el objetivo de concentrar aguas residuales y efluentes industriales (Achilli et al., 2009b; Cornelissen et al., 2008; Holloway et al., 2007; Yangali-Quintanilla et al., 2011). También se ha estudiado como proceso para la purificación de agua en misiones espaciales (Cath et al., 2005). Otro subsector que ha recibido especial interés es el de la desalinización de agua de mar, dado que las tecnologías actuales precisan un consumo energético intensivo. Para ello, se ha propuesto la desalinización de agua de mar mediante ósmosis directa empleando el sistema NH 3 /CO 2 /H 2 O como solución extractora (McCutcheon et al., 2005). En la Figura 5 se presenta un esquema del proceso. Otra estrategia, dirigida a reducir los costes desalinización, utiliza un esquema con dos unidades de ósmosis directa y una etapa de ósmosis inversa (Cath et al., 2010). Concretamente en este proceso se alimenta por una parte agua de mar (solución extractora) a una primera unidad de ósmosis directa que se pone en contacto con un agua residual (solución de alimentación). Como resultado de esta etapa, el agua de mar se diluye (presentando así menor presión osmótica) y el agua residual se concentra. A continuación, el agua de mar ya diluida se puede desalinizar a menor presión mediante ósmosis inversa. De este proceso se obtiene nº 7 29
artículostécnicos un permeado sin sales y un rechazo concentrado que es alimentado de nuevo a otra ósmosis directa. En esta tercera etapa se consigue concentrar aún más la corriente de agua residual proveniente de la primera etapa (ver esquema del proceso en la Figura 6). Los beneficios conseguidos con este proceso se pueden resumir en un menor consumo energético, reducción del fouling de las membranas de ósmosis inversa y concentración del agua residual (Cath et al., 2010). En este mismo ámbito, cabe destacar que la ósmosis directa puede emplear directamente la corriente de rechazo de la desalinización mediante ósmosis inversa como solución extractora. 3.2. Concentración de alimentos En la industria alimentaria la concentración de los alimentos es una práctica habitual para aumentar la estabilidad y disminuir costes de almacenamiento y transporte. En comparación con los procesos de concentración tradicionales de alimentos líquidos (globalmente agrupados como procesos convencionales de membranas y evaporadores), la ósmosis directa se ha propuesto para mejorar las propiedades sensoriales y nutricionales de alimentos líquidos como zumos, purés y otros, ya que el proceso no precisa ni elevadas presiones ni elevadas temperaturas (Sant'Anna et al., 2012; Zhao et al., 2012). Figura 6. Esquema de funcionamiento híbrido (ósmosis inversa y ósmosis directa) para reducir el consumo energético en la desalinización de agua y concentrar una solución de alimentación. 3.3. Industria farmacéutica En el campo de los productos farmacéuticos, la ósmosis directa se ha aplicado para la concentración de principios activos como la carbamazepina, sulfametoxazol, diclofenaco, ibuprofeno y naproxeno (Jin et al., 2012; Xie et al., 2012) y concentración de otros productos de valor añadido como proteínas (Klaysom et al., 2013). Otra aplicación en el sector farmacéutico ha sido la recuperación de fluidos empleados en diálisis (Talaat, 2009). 3.4. Generación de energía Una aplicación ligeramente distinta, pero de gran importancia, es la que se conoce como ósmosis por presión retardada (pressure retarded osmosis, PRO). En este proceso, el agua de alimentación (con baja salinidad) permea la membrana y pasa a la solución extractora salina que se encuentra ligeramente presurizada. Esta solución salina aumenta de volumen y al estar presurizada produce trabajo al expansionarse en una turbina (Achilli et al., 2009a; Gerstandt et al., 2008; Thorsen y Holt, 2009). Este proceso se esquematiza en la Figura 7. Figura 7. Representación esquemática de una planta de generación de energía mediante ósmosis por presión retardada. 30
ÓSMOSIS DIRECTA: PROCESOS Y APLICACIONES Figura 8. Representación esquemática del proceso de ósmosis directa para concentrar soluciones y producir fertilizantes a partir de fertilizante concentrado y solución acuosa (Hoover et al., 2011). solución extractora concentrada en azúcares y es capaz de deshidratar el agua que se rellena en la bolsa externa. Esta agua puede ser de baja calidad o incluso tener una cierta salinidad. Una vez la solución de azúcar queda diluida, se utiliza para saciar la sed en ambientes donde el agua potable es inaccesible. 3.5. Fertilizante Existe otra aplicación del proceso de ósmosis directa donde no se precisa la recuperación de la solución extractora. En este caso, la estrategia se basa en la utilización de una solución de fertilizante concentrada como solución extractora para concentrar una corriente líquida determinada. De este modo, una vez agotada la solución de fertilizante como agente extractor, se puede usar directamen- te como fertilizante, como muestra la Figura 8 (Phuntsho et al., 2011). 3.6. Bolsas de hidratación Existen dispositivos que aprovechan la ósmosis directa para fines militares, de emergencia o incluso recreacionales. Las bolsas de hidratación comercializadas por la empresa HTI (Figura 9) funcionan gracias a una doble bolsa separada con una membrana. La bolsa interna contiene la 4. Conclusiones A fin de mejorar la eficiencia actual de la ósmosis directa y, en definitiva, el éxito del proceso, la investigación actual se centra en dos desafíos. Por una parte, se deben encontrar nuevas membranas, estables tanto mecánicamente como químicamente, capaces de disponer de una alta hidrofilicidad y permeabilidad al agua, alto rechazo al soluto y sin soporte poroso con el fin de poder disminuir la polarización interna. Por la otra, la investigación debe fijarse en nuevas soluciones extractoras capaces de generar elevadas presiones osmóticas que requieran un consumo energético mínimo para su regeneración y reconcentración, fácilmente separables del agua, con baja toxicidad y químicamente no reactiva con la membrana. Figura 9. Bolsas de hidratación de HTI. nº 7 31
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