Ósmosis directa

La ósmosis directa (FO) es un proceso osmótico que, al igual que 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, tal que se produce una "extracción" Una solución de alta concentración (en relación con la de la solución de alimentación) se utiliza para inducir un flujo neto de agua a través de la membrana hacia la solución de extracción, separando así eficazmente el agua de alimentación de sus solutos. Por el contrario, el proceso de ósmosis inversa utiliza la presión hidráulica como fuerza impulsora para la separación, lo que sirve para contrarrestar el gradiente de presión osmótica que de otro modo favorecería el flujo de agua desde el permeado a la alimentación. Por lo tanto, la ósmosis inversa requiere mucha más energía que la ósmosis directa.

La ecuación más simple que describe la relación entre las presiones osmótica e hidráulica y el flujo de agua (disolvente) es:

Jw=A()Δ Δ π π − − Δ Δ P){displaystyle J_{w}=Aleft(Delta pi -Delta Pright)}

Donde Jw{displaystyle J. es 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 de Jw{displaystyle J. indicando flujo osmótico inverso). El modelado de estas relaciones es en la práctica más complejo de lo que indica esta ecuación, con flujo dependiendo de la membrana, alimentar y dibujar características de solución, así como de la dinámica del fluido dentro del propio proceso.

Flujo de TsoluteJs{displaystyle J_{s}) para cada soluto individual puede ser modelado por la Ley de Fick

Js=BΔ Δ c{displaystyle J_{s}=BDelta c}

Donde B{displaystyle B} es el coeficiente de permeabilidad del soluto y Δ Δ c{displaystyle Delta c} es el diferencial de concentración transmembrana para el soluto. Está claro desde esta ecuación de gobierno que un soluto difusará de un área de alta concentración a un área de baja concentración si los solutos pueden difusar a través de una membrana. Esto es bien conocido en la osmosis inversa donde los solutos del agua de alimentación difusa al agua del producto, sin embargo en el caso de la osmosis avanzada la situación puede ser mucho más complicada.

En los procesos de FO podemos tener difusión de soluto en ambas direcciones dependiendo de la composición de la solución de cajo, tipo de membrana utilizada y características de agua de alimentación. Flujo de soluto inverso (Js{displaystyle J_{s}) hace dos cosas; los solutos de solución de empate pueden difusar a la solución de alimentación y los solutos de solución de alimentación pueden difusar a la solución de empate. Claramente estos fenómenos tienen consecuencias en cuanto a la selección de la solución de trazo para cualquier proceso FO particular. Por ejemplo, la pérdida de solución de trazo puede afectar la solución de alimentación tal vez debido a problemas ambientales o contaminación de la corriente de alimentación, como en bioreactores de membrana osmótica.

Una distinción adicional entre los procesos de ósmosis inversa (RO) y ósmosis directa (FO) es que el agua permeada resultante de un proceso de RO es, en la mayoría de los casos, agua dulce lista para su uso. En FO, se requiere un proceso adicional para separar el agua dulce de una solución de extracción diluida. Los tipos de procesos utilizados son ósmosis inversa, extracción por solventes, magnéticos y termolíticos. 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 FO, es posible que no sea necesario agregar un paso de separación. La separación por membrana del proceso de FO da como resultado un "comercio" entre los solutos de la solución de alimentación y la solución de extracción.

El proceso de ósmosis directa también se conoce como ósmosis o, en el caso de varias empresas que han acuñado su propia terminología, 'ósmosis diseñada' 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 de extracción ingerible y están destinadas a separar el 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 un tiempo de contacto suficiente, dicha agua penetrará la bolsa de membrana hacia la solución de extracción, dejando atrás los componentes de alimentación indeseables. La solución de extracción diluida puede entonces ingerirse directamente. Normalmente, los solutos de extracción son azúcares como glucosa o fructosa, que proporcionan el beneficio adicional de nutrición al usuario del dispositivo de FO. Un punto de interés adicional de este tipo de bolsas es que pueden usarse fácilmente para reciclar orina, ampliando en gran medida la capacidad de un mochilero o un soldado para sobrevivir en ambientes áridos. En principio, este proceso también puede emplearse con fuentes de agua de alimentación salinas altamente concentradas, como el agua de mar, ya que uno de los primeros usos previstos para las FO con solutos ingeribles fue la supervivencia en balsas salvavidas en el mar.

Desalación

Se puede producir agua desalinizada a partir de la solución diluida de agente osmótico/extracción, mediante un segundo proceso. Esto puede ser mediante separación por membrana, método térmico, separación física o una combinación de estos procesos. El proceso tiene la característica de una incrustación inherentemente baja debido al primer paso de ósmosis directa, a diferencia de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa convencionales donde la incrustación es a menudo un problema. Modern Water ha implementado plantas desalinizadoras basadas en ósmosis directa en Gibraltar y Omán. En marzo de 2010, la revista National Geographic citó la ósmosis directa como una de las tres tecnologías que prometían reducir las necesidades energéticas de la desalinización.

Torre de enfriamiento evaporativo – agua de reposición

Otra aplicación desarrollada, donde solo se utiliza 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, efluentes de aguas residuales tratadas o aguas residuales industriales. Por lo tanto, en comparación con otros procesos de "desalinización" que pueden usarse para reponer el agua, el consumo de energía es una fracción de estos, con la ventaja adicional de la baja propensión a la contaminación de un proceso de ósmosis directa.

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 un aporte de energía significativo (solo agitación o bombeo sin presión de las soluciones involucradas). Sin embargo, el segundo paso de separación normalmente requiere un aporte 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 por membrana de FO para extraer agua de la alimentación de lixiviado a una salmuera salina (NaCl). Luego, la salmuera diluida pasa por un proceso de ósmosis inversa para producir agua dulce y un concentrado de salmuera reutilizable. La ventaja de este método no es el ahorro de energía, sino más bien el hecho de que el proceso de FO es más resistente a la contaminación causada por la alimentación de lixiviado que un proceso de RO por sí solo. Se ha utilizado un híbrido FO/RO similar para la concentración de productos alimenticios, como jugos de frutas.

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 esos procesos utiliza el proceso de ósmosis directa de amoníaco y dióxido de carbono (NH₃/CO₂) inventado en la Universidad de Yale por Rob McGinnis, quien posteriormente fundó Oasys Water para comercializar la tecnología. . 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 mediante la conversión entre energía térmica y presión osmótica. La concentración de salmuera NH₃/CO₂ 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 está utilizando en energía. y plantas de fabricación en China.

Agua de alimentación 'ablandamiento' / pretratamiento para desalinización térmica

Una aplicación no explotada es 'suavizar' o tratar previamente el agua de alimentación en plantas de destilación de múltiples etapas (MSF) o de destilación de efectos múltiples (MED) diluyendo osmóticamente la salmuera recirculante con el agua de enfriamiento. Esto reduce las concentraciones de incrustaciones que forman carbonato de calcio y sulfato de calcio en comparación con el proceso normal, permitiendo así un aumento en la temperatura superior de la salmuera (TBT), la producción y la relación de producción ganada (GOR). Darwish et al. demostró que el TBT podía aumentarse de 110 °C a 135 °C manteniendo el mismo índice de escala para el sulfato de calcio.

Procesamiento de alimentos

Aunque el tratamiento osmótico de productos alimenticios (por ejemplo, frutas y carnes en conserva) es muy común en la industria alimentaria, el tratamiento con FO para la concentración de bebidas y alimentos líquidos se ha estudiado únicamente a escala de laboratorio. La FO tiene varias ventajas como proceso para concentrar bebidas y alimentos líquidos, incluida la operación a bajas temperaturas y bajas presiones que promueven una alta retención del valor sensorial (p. ej., sabor, aroma, color) y nutricional (p. ej., vitaminas), un alto rechazo y Ensuciamiento de membrana potencialmente bajo en comparación con los procesos de membrana impulsados por presión.

Poder osmótico

En 1954 Pattle sugirió que había 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 años 70 que se descubrió un método práctico para explotarla utilizando materiales permeables selectivamente. membranas de Loeb e independientemente de Jellinek. Loeb denominó este proceso ósmosis retardada por presión (PRO) y al lado se muestra una implementación simplista. Algunas situaciones que se pueden prever para explotarlo son utilizar la presión osmótica diferencial entre un río bajo salobre que desemboca en el mar, o salmuera y agua de mar. El potencial teórico mundial de energía osmótica se ha estimado en 1.650 TWh/año.

En tiempos más recientes, Statkraft, la empresa energética estatal noruega, ha realizado y financiado una cantidad importante de trabajos de investigación y desarrollo. En Noruega se construyó un prototipo de planta que genera una potencia bruta de entre 2 y 4 kW; ver prototipo de energía osmótica de Statkraft en Hurum. Se consideró una planta mucho más grande con una potencia de 1 a 2 MW en Sunndalsøra, 400 km al norte de Oslo, pero posteriormente se abandonó. La Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO) de Japón está financiando trabajos sobre energía osmótica.

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. 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 producto. Los sistemas de FO también son muy útiles cuando se utilizan combinados con otro tipo de sistemas de tratamiento ya que compensan las deficiencias que puedan tener los demás 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 de FO es el alto factor de incrustación que pueden experimentar. Esto ocurre cuando se trata un efluente de extracción altamente saturado, lo que provoca 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 otros tipos de tratamientos de membrana, ya que tienen presión artificial que obliga a traspasar la membrana, lo que reduce el efecto de contaminación. 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 hace que muchas veces se utilicen otros sistemas más económicos y sencillos que las membranas.

Mercado industrial y futuro

Actualmente la industria utiliza pocos procesos de membranas FO (y tecnologías de membranas en general) ya que son procesos complejos que además son costosos, requieren muchos procedimientos de limpieza y que a veces solo funcionan bajo ciertas condiciones que en la industria no pueden. 39;no siempre está garantizado. Por ese motivo, el objetivo para el futuro de las membranas es mejorar la tecnología para que sea más flexible y adecuada para el uso industrial general. Esto se logrará 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 el desarrollo actual, se puede garantizar que dentro de unos años las membranas se utilizarán en muchos procesos industriales diferentes (no sólo en tratamientos de agua) y que aparecerán muchos campos en los que se podrán utilizar los procesos de FO.

Investigación

Un área de investigación actual en FO implica la eliminación directa de solutos atraídos, en este caso mediante un campo magnético. Pequeñas partículas magnéticas (a nanoescala) se suspenden en una 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 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 estacionario). ).