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destilacion menbramas
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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIN
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Trabajo Fin de Carrera
CONTRIBUCIN AL DISEO DE PROCESOS AVANZADOS DE SEPARACIN MEDIANTE
SMOSIS DIRECTA
(Contribution to the design of advanced separation processes
by forward osmosis)
Para acceder al Titulo de
INGENIERO QUMICO
Autor: Maria Cora Quintana Portilla
Julio - 2013
NDICE
1. PLANTEAMIENTO: ........................................................................................ 7
1.1. DESARROLLO HISTRICO DE LAS MEMBRANAS: ......................... 8
1.2. TECNOLOGAS DE MEMBRANA: ...................................................... 9
1.3. SMOSIS DIRECTA:......................................................................... 12
1.3.1. Aplicaciones: ................................................................................ 14
1.3.2. Membranas: ................................................................................. 25
1.3.3. Draw solutions: ............................................................................ 28
1.3.4. Limitaciones del proceso: ............................................................. 30
1.4. OBJETIVO: ........................................................................................ 36
2. DESARROLLO: ............................................................................................ 39
2.1. MATERIAL Y SISTEMA EXPERIMENTAL: ....................................... 39
2.1.1. Material: ....................................................................................... 39
2.1.2. Equipos: ....................................................................................... 42
2.1.3. Programas Informticos: .............................................................. 45
2.2. SISTEMA EXPERIMENTAL Y METODOLOGA: ............................... 45
2.2.1. Desarrollo de un experimento: ..................................................... 48
2.3. CONDICIONES EXPERIMENTALES: ............................................... 49
2.4. FUNDAMENTO EXPERIMENTAL: .................................................... 51
2.4.1. Ecuaciones de Transporte: .......................................................... 51
2.4.2. Ecuacin de Rechazo de Soluto: ................................................. 54
2.4.3. Ecuacin de la Presin Osmtica: ............................................... 54
2.4.4. Polarizacin por concentracin: ................................................... 56
3. RESULTADOS: ............................................................................................ 63
3.1. PROCESADO DE DATOS: ................................................................ 63
3.2. RESULTADOS: .................................................................................. 64
3.2.1. Discusin de resultados en funcin de la membrana utilizada: .... 66
3.2.2. Discusin de resultados en funcin del modo de operacin
(orientacin de la membrana): ............................................................... 70
3.2.3. Comparacin con datos bibliogrficos: ........................................ 73
3.2.4. Resultados estimacin paramtrica: ............................................ 74
4. CONCLUSIONES: ........................................................................................ 79
5. BIBLIOGRAFA: ........................................................................................... 82
ndice de Tablas
Tabla 1. Propiedades bsicas de los procesos de separacin con membranas. .... 10
Tabla 2. Principales aplicaciones de la smosis directa. ........................................ 14
Tabla 3. Cronologa del desarrollo de membranas de smosis directa. ................. 25
Tabla 4. Resumen de solutos/draw solutions utilizados en smosis directa y sus
mtodos de recuperacin. ..................................................................................... 28
Tabla 5. Caractersticas generales de las draw solutions que afectan al rendimiento
del proceso de smosis directa y su impacto en el proceso ................................... 30
Tabla 6. Caractersticas principales de las membranas utilizadas. ........................ 41
Tabla 7. Datos tcnicos de la balanza analtica. .................................................... 44
Tabla 8. Resumen y nomenclatura de los experimentos realizados. ...................... 51
Tabla 9. Resultados de los experimentos (valores medios). .................................. 65
Tabla 10. Resultados experimentales vs. bibliogrficos ......................................... 73
Tabla 11. Comparacin de los parmetros estimados con los valores de la
bibliografa ............................................................................................................. 73
Tabla 12. Resultados de la estimacin paramtrica del modelado matemtico. .... 76
ndice de Figuras
Figura 1. Espectro de filtracin de diferentes tecnologas de membrana. .............. 11
Figura 2. Direccin del flujo de disolvente en funcin de la presin aplicada: FO,
PRO y RO. ............................................................................................................. 12
Figura 3. Diseo de un proceso de una planta de energa con pressure retarded
osmosis. ................................................................................................................ 15
Figura 4. Diagrama de flujo del tratamiento de lixiviados de vertedero con smosis
directa. ................................................................................................................... 16
Figura 5. Diagrama de flujo de la unidad original DOC de pruebas de la NASA. ... 18
Figura 6. Hydropack y X-pack de HTI. ................................................................... 19
Figura 7. Proceso de FO con draw solution amonaco-dixido de carbono. ........... 20
Figura 8. Representacin de la aplicacin de FO para aumentar la disponibilidad de
agua para irrigacin. .............................................................................................. 22
Figura 9. Esquema de las secciones que componen un sistema DUROS. ........... 24
Figura 10. Corte transversal con microscopio electrnico de la membrana de
menor espesor de smosis directa de HTI. ............................................................ 26
Figura 11. Fenmeno de transporte en una membrana asimtrica de smosis
directa. Capa soporte de la membrana enfrentada a la draw solution (izquierda) y a
la alimentacin (derecha). ...................................................................................... 31
Figura 12. Polarizacin por concentracin interna concentrativa (izquierda) y
olarizacin por concentracin interna dilutiva (derecha) en una membrana
asimtrica de smosis directa. ............................................................................... 33
Figura 13. Metodologa de estudio Osmosis directa en cuatro etapas ................... 37
Figura 14. HTI OsMem CTA-ES. (a) Imagen SEM de un corte transversal de la
membrana, (b) Imagen SEM de la cara de atrs (soporte) de la membrana, (c)
Imagen SEM de la superficie activa. [30] ............................................................... 40
Figura 15. HTI OsMem CTA-NW. Imagen SEM de un corte transversal de la
membrana. [31] ..................................................................................................... 40
Figura 16. Malla espaciadora de polipropileno. ...................................................... 42
Figura 17. Modelo CF042 de STERLITECH. ......................................................... 43
Figura 18. Agitador electromagntico. ................................................................... 43
Figura 19. Bomba Watson Marlow 323 (Draw solution) y bomba Watson Marlow
520S (alimentacin) ............................................................................................... 44
Figura 20. Balanza de precisin. ............................................................................ 44
Figura 21. Conductivmetro Crison pH 25. ............................................................. 45
Figura 22. Esquema del sistema experimental utilizado......................................... 46
Figura 23. Calibrado de la conductividad. .............................................................. 47
Figura 24. Polarizacin por concentracin interna dilutiva en una membrana
asimtrica de FO. .................................................................................................. 57
Figura 25. Polarizacin por concentracin interna concentrativa en una membrana
asimtrica de FO. .................................................................................................. 59
Figura 26. Ejemplo de una evolucin de una masa de agua de una draw solution
con el tiempo. ........................................................................................................ 63
Figura 27. Ejemplo de una evolucin de una conductividad de una alimentacin con
el tiempo. ............................................................................................................... 64
Figura 28. Variacin del flujo de agua, del flujo de soluto y del rechazo (membrana
CTA-NW) ............................................................................................................... 66
Figura 29. Variacin del flujo de agua, del flujo de soluto y del rechazo (membrana
CTA-ES) ................................................................................................................ 67
Figura 30. Variacin del flujo de agua, del flujo de soluto y del rechazo (membrana
TFC-ES) ................................................................................................................ 68
Figura 31. Variacin del flujo de agua, del flujo de soluto y del rechazo en la
orientacin AL-FS. ................................................................................................. 70
Figura 32. Variacin del flujo de agua, del flujo de soluto y del rechazo en la
orientacin AL-DS. ................................................................................................. 71
Figura 33. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana CTA-NW en la orientacin AL-FS. ................ 74
Figura 34. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana CTA-NW en la orientacin AL-DS. ................ 75
Figura 35. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana CTA-ES en la orientacin AL-FS. .................. 75
Figura 36. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana CTA-ES en la orientacin AL-DS. ................. 75
Figura 37. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana TFC-ES en la orientacin AL-FS. .................. 76
Figura 38. Variacin del flujo de agua y del flujo de soluto frente a la concentracin
de la draw solution de la membrana TFC-ES en la orientacin AL-DS. ................. 76
1. Planteamiento
PLANTEAMIENTO
7
1. PLANTEAMIENTO:
La separacin, concentracin y purificacin de mezclas moleculares
representan grandes problemas en la industria, siendo necesarios procesos
eficientes de separacin para:
Obtener productos de alta calidad en las industrias alimentarias y
farmacuticas.
Suministrar a la sociedad y a la industria agua de alta calidad.
Eliminar componentes txicos o recuperar componentes valiosos de
efluentes industriales.
Para esta tarea se han estado utilizando diversas tcnicas de separacin
como destilacin, precipitacin, cristalizacin, extraccin, adsorcin e
intercambio inico. Actualmente, se apuesta por la sustitucin de estos
mtodos de separacin convencionales por procesos avanzados de
separacin que utilizan tecnologas de membranas minimizando el consumo
de materias primas, el consumo de energa, emisiones, efluentes y residuos
en el proceso.
Tambin son componentes clave en sistemas de conversin de energa, en
rganos artificiales y en sistemas de transporte de medicamentos. [1]
Las membranas difieren ampliamente en estructura, funcin y forma de
operacin. Sin embargo, todas ellas poseen caractersticas en comn que
las convierten en herramientas atractivas para la separacin de mezclas
moleculares. La ms importante es que la separacin se realiza con medios
fsicos a temperatura ambiente sin alterar qumicamente los constituyentes
de una mezcla (caracterstica obligatoria en aplicaciones mdicas y
alimentarias). Adems, los procesos con membranas son a menudo ms
sencillos tcnicamente y ms eficientes energticamente que las tcnicas de
separacin convencionales y se pueden emplear tanto para operaciones a
gran escala en continuo como para operaciones en discontinuo para
cantidades pequeas.
PLANTEAMIENTO
8
1.1. DESARROLLO HISTRICO DE LAS MEMBRANAS:
Los primeros estudios sobre membranas se remontan al siglo XVIII cuando
Nollet (1752) descubri que una vejiga de cerdo permita el paso
preferencial de etanol cuando se pona en contacto con una mezcla de
agua-etanol en un lado y agua pura en el otro. Otros estudios sobre el
transporte de materia en membranas se llevaron a cabo por Graham (1866)
que estudi la difusin de gases a travs de diferentes medios. Ms estudios
se llevaron a cabo con materiales naturales (vejigas de animales, goma).
Traube (1867) fue el primero en elaborar una membrana semipermeable
artificial precipitando ferrocianuro cprico en una capa fina de porcelana
porosa. Esta membrana fue utilizada por Pfeffer (1877) para el estudio de la
smosis.
La interpretacin del fenmeno osmtico y el transporte de materia a travs
de membranas se basa en los estudios de Fick (1855), que interpret la
difusin de lquidos como funcin de un gradiente de concentracin, y de
Vant Hoff (1887) que proporcion una explicacin termodinmica de la
presin osmtica. Posteriormente, Nernst (1888) y Planck (1890)
introdujeron la ecuacin de flujo para electrolitos bajo la fuerza impulsora de
un gradiente de concentracin o potencial elctrico. La historia preliminar de
la ciencia sobre membranas con los fenmenos bsicos descritos e
interpretados culmina con Donnan (1911) que describe la teora del
equilibrio de membrana y los potenciales de membrana en presencia de
electrolitos. [1]
En el siglo XX, la ciencia y tecnologa de membranas avanza con Bechhold
(1908) que desarrolla el primer mtodo para crear membranas sintticas
impregnando un filtro de papel con una disolucin de nitrocelulosa en cido
actico glacial. Estas membranas de nitrocelulosa fueron empleadas por
otros investigadores hasta el desarrollo del primer dispositivo de
hemodilisis (1944) que implic el uso de membranas en aplicaciones
mdicas de gran escala.
PLANTEAMIENTO
9
A partir de 1950, se desarroll una industria basada en las membranas con
el inters de su uso prctico en aplicaciones tcnicas importantes. El avance
en la qumica de polmeros implic la creacin de un gran nmero de
polmeros sintticos disponibles para la sntesis de nuevas membranas.
Adems, se desarrollaron teoras para describir las propiedades de
transporte de las membranas y se estudiaron las propiedades de las
membranas de intercambio inico.
Un acontecimiento importante fue el desarrollo por Loeb y colaboradores
(1964) de una membrana de estructura asimtrica para smosis inversa
basada en acetato de celulosa mediante un proceso de inversin de fase.
Adems del acetato de celulosa, se probaron otros polmeros sintticos para
la preparacin de membranas hasta el desarrollo de membranas
compuestas polimerizadas por Cadotte (1981) y Riley (1967) y
colaboradores. Poco despus del desarrollo eficiente de membranas, se
idearon mdulos en los que empaquetarlas y recogerlas.
En los aos setenta, las membranas sintticas y su utilizacin a escala
industrial comenzaron a aplicarse en la desalinizacin y purificacin de agua
para producir agua potable y de gran calidad. A partir de entonces, se
convirtieron en una herramienta usada ampliamente en ingeniera de
procesos con un impacto importante tcnico y comercial.
Actualmente, los procesos de membrana se utilizan en tres reas
principales: desalinizacin de agua de mar y purificacin de aguas
residuales, produccin de agua ultrapura o la separacin de mezclas
moleculares en la industria alimentaria y mdica, y aplicaciones de
membrana en rganos artificiales y sistemas teraputicos.
1.2. TECNOLOGAS DE MEMBRANA:
Se entiende como membrana una barrera selectiva que separa dos fases
adyacentes y permite el intercambio de materia o energa entre las fases de
manera especfica. [1]
PLANTEAMIENTO
10
A la hora de atravesar las membranas, los fluidos requieren energa que se
consigue mediante una fuerza impulsora. Los procesos de separacin con
membranas se pueden agrupar en funcin de su fuerza impulsora:
- Presin hidrosttica: microfiltracin (MF), ultrafiltracin (UF),
nanofiltracin (NF), smosis inversa (OI), separacin de gases (GS) y
pervaporacin (PV)
- Gradiente de concentracin o de potencial qumico: dilisis (D),
pervaporacin (PV) y la smosis directa (OD)
- Potencial elctrico: electrodilisis (ED)
- Gradiente de temperatura: destilacin con membranas (MD)
En la Tabla 1 se muestran la fuerza impulsora y el mtodo de transporte de
los procesos de separacin con membranas.
Tabla 1. Propiedades bsicas de los procesos de separacin con membranas.
Proceso Gradiente Impulsor
Mtodo de transporte
MF P Exclusin de tamao UF P Exclusin de tamao NF P Exclusin de tamao OI P Solucin-Difusin GS P Solucin-Difusin PV C Solucin-Difusin ED V Exclusin de Donnan D C Difusin
OD C Solucin-Difusin MD T Difusin
Dentro de los procesos de separacin con membranas con la presin como
gradiente impulsor, se distinguen las tecnologas de microfiltracin,
ultrafiltracin, nanofiltracin y smosis, cuyas diferencias radican en la
presin hidrulica que se aplica y en el tamao de poro de las membranas
utilizadas. El gradiente de presin empleado es de 0,1 a 5 bares en el caso
de la microfiltracin, de 1 a 10 bares en ultrafiltracin, de 3 a 30 bares en
nanofiltracin y de 10 a 100 bares en el caso de la smosis inversa.
Para la obtencin de aguas para consumo humano, donde es imprescindible
una alta calidad de las mismas, se hace necesario el uso de membranas de
PLANTEAMIENTO
11
separacin de rango inico pertenecientes a la tecnologa de smosis para
evitar el paso de los contaminantes ms pequeos. En la Figura 1, se
muestra el rango de tamaos de operacin que presentan las tecnologas de
microfiltracin, ultrafiltracin, nanofiltracin y smosis inversa.
Figura 1. Espectro de filtracin de diferentes tecnologas de membrana.
La smosis es un fenmeno fsico-qumico que hace referencia al paso de
disolvente, pero no de soluto, entre dos disoluciones de distinta
concentracin separadas por una membrana semipermeable.
En funcin de la magnitud y sentido de la presin aplicada (P) al sistema,
se pueden diferenciar tres procesos:
- smosis directa (OD): No utiliza presin hidrulica (P = 0). La fuerza
impulsora es la presin osmtica entre disoluciones.
- Pressure Retarded Osmosis (PRO): Utiliza presin hidrulica sin exceder
a la presin osmtica ( > P). La fuerza impulsora es la diferencia entre
la presin osmtica entre disoluciones y la presin hidrulica aplicada.
- smosis inversa (OI): Utiliza presin hidrulica excediendo a la presin
osmtica (P > ). La fuerza impulsora es la diferencia entre la presin
hidrulica aplicada y la presin osmtica entre disoluciones.
PLANTEAMIENTO
12
Un esquema del flujo de agua y su sentido en funcin de la presin aplicada
para estos tres procesos se puede observar en la Figura 2.
Figura 2. Direccin del flujo de disolvente en funcin de la presin aplicada:
FO, PRO y RO.
El proceso de smosis directa posee la ventaja de no precisar de un aporte
de presin hidrulica, por lo que el consumo de energa es bajo,
reducindose por tanto los costes. Al no necesitar presin hidrulica,
presenta una menor tendencia al ensuciamiento que implica un ahorro en
los costes de limpieza. Adems, presenta alto rechazo para una amplia
gama de contaminantes y debido al elevado gradiente de presin osmtica a
travs de la membrana, se alcanzan altos flujos y altos grados de
recuperacin del agua. [3]
Esta serie de ventajas hacen a la tecnologa de smosis directa ms
competitiva frente a la smosis inversa.
1.3. SMOSIS DIRECTA:
Consiste en la difusin de un disolvente a travs de una membrana selectiva
semipermeable producida por un gradiente de presin osmtica,
establecindose un flujo de disolvente desde la disolucin diluida hacia la
disolucin concentrada. A la disolucin diluida se le denomina disolucin de
alimentacin. A la disolucin concentrada se le denomina draw solution.
PLANTEAMIENTO
13
La ecuacin de transporte que caracteriza el proceso de la smosis (eq. 1)
tiene en cuenta el mecanismo de solucin-difusin y, de acuerdo a la ley de
Fick, se puede expresar como:
En la que:
- Jw es el flujo de agua.
- A la constante de permeabilidad al agua de la membrana.
- la diferencia de presin osmtica a travs de la membrana.
- P la presin hidrulica aplicada.
La diferencia ( P) representa la fuerza impulsora efectiva.
En la smosis directa, la presin aplicada es cero y la fuerza impulsora
proviene de la diferencia de presin osmtica entre la draw solution y la
disolucin de alimentacin. Por tanto, el flujo de agua (eq. 2) se puede
expresar como:
Siendo draw solution y alimentacin las presiones osmticas de la draw solution y
alimentacin respectivamente. [5]
De manera similar, de acuerdo a la ley de Fick, se puede expresar el flujo de
soluto (eq. 3) como:
Donde:
- Js el flujo de soluto.
- B el coeficiente de permeabilidad al soluto de la membrana.
- Cdraw solution la concentracin de soluto en la interfase membrana-
disolucin en el lado de la draw solution.
- Calimentacin la concentracin de soluto en la interfase membrana-
disolucin en el lado de la alimentacin.
PLANTEAMIENTO
14
1.3.1. Aplicaciones:
En la Tabla 2 se recogen las principales aplicaciones de la tecnologa de
smosis directa. [2], [3].
Tabla 2. Principales aplicaciones de la smosis directa.
Ag
ua Trat. de aguas residuales
y purificacin de agua
Conc. de aguas residuales
Conc. de lixiviados de vertedero
Conc. de lodos digestores
Sistemas avanzados de soporte de vida
Bolsas de hidratacin
Desalacin de agua de mar
Produccin de agua potable
Produccin de agua para agricultura
En
erg
a
Produccin de Energa
Celda de combustible microbiana
Biocombustibles
Pressure Retarded Osmosis
Ind
ustr
ia
Industria Farmacutica
Conc. de protenas y principios activos
Regeneracin del fluido de dilisis
Liberacin controlada de medicamentos
Procesado de Alimentos Conc. de zumos
Produccin de energa:
En 1954 se propuso por primera vez generar energa renovable y de manera
sostenible aprovechando la diferencia de presin osmtica, teniendo en
cuenta que la salinidad del agua de mar produce presiones osmticas de
aproximadamente 2.7 MPa y que la presin osmtica del agua de ro es
relativamente insignificante.
En 2009 la compaa Statkraft puso en marcha el primer prototipo de planta
osmtica de produccin de energa en el mundo, localizado en Tofte,
Noruega. [9]
En la Figura 3 se ilustra el empleo de la tecnologa de pressure retarded
osmosis (PRO) para la obtencin de energa.
El agua dulce se bombea a un mdulo que contiene membranas
semipermeables, donde difunde hacia el lado que contiene el agua de mar
que se encuentra presurizado. El agua de mar diluido y presurizado se
PLANTEAMIENTO
15
divide en dos corrientes: una que es despresurizada en una turbina
produciendo energa, y otra que pasa a travs de un intercambiador de
presin para ayudar en la presurizacin del agua de mar entrante.
Figura 3. Diseo de un proceso de una planta de energa
con pressure retarded osmosis.
Se define la densidad de potencia (W), como la energa generada por
unidad de rea de membrana (eq. 4) y representa la eficiencia de conversin
de energa de la membrana.
Tratamiento de aguas residuales y purificacin de agua:
Se usa la smosis directa como un proceso de baja energa para tratar
aguas residuales con muy bajas concentraciones de metales pesados para
posible reutilizacin.
Concentracin de lixiviados de vertedero:
El lixiviado de vertedero es una solucin compleja compuesta por cuatro
tipos generales de contaminantes: compuestos orgnicos, metales pesados
disueltos, nitrgeno orgnico e inorgnico y slidos disueltos totales.
PLANTEAMIENTO
16
Normalmente, se procesa en instalaciones de tratamiento de aguas
residuales donde, a menudo, carecen de tratamiento para eliminar los
slidos disueltos totales. [8]
El lixiviado puro se recoge y se pre-trata anteriormente a la extraccin de
agua en seis etapas con celdas de smosis directa. Se utiliza una disolucin
de cloruro sdico (NaCl) como draw solution.
Posteriormente, un sistema de smosis inversa de tres etapas trata el
permeado de la smosis directa, producindose una corriente de agua pura
y una corriente de draw solution reconcentrada.
El lixiviado concentrado procedente de las celdas de smosis directa se
solidifica con cemento Portland y se devuelve al vertedero. Se puede ver un
esquema del proceso en la Figura 4.
El grado de recuperacin de agua oscila entre el 90-95%.
Figura 4. Diagrama de flujo del tratamiento de lixiviados de vertedero
con smosis directa.
Concentracin de lodos digestores:
Los lodos producidos en las instalaciones de tratamiento de aguas
residuales son, en general, tratados en digestores anaerbicos para una
degradacin ms a fondo de los slidos orgnicos recalcitrantes y para la
estabilizacin del lodo. Tras la digestin, se elimina el agua del lodo
PLANTEAMIENTO
17
mediante centrifugacin, producindose bioslidos concentrados y una
corriente lquida.
Esta corriente lquida contiene altas concentraciones de nutrientes
(amonaco, ortofosfato, nitrgeno orgnico), metales pesados, TOC, TDS,
color y TSS. Existen dos opciones, su utilizacin como fertilizante de suelos
o retorna a la instalacin de tratamiento de aguas residuales para tratarlo de
nuevo. Al volver a la instalacin, algunos de sus constituyentes son
recalcitrantes y terminan en el efluente como especies con nitrgeno y
fsforo.
Como proceso alternativo para la concentracin de la corriente lquida se
est investigando el empleo de la smosis directa con cloruro sdico como
draw solution, siendo necesaria antes de la smosis directa una etapa de
filtracin de la corriente lquida. Los objetivos son: determinar las ventajas y
aplicaciones del uso de esta corriente concentrada, disear un sistema
hbrido con smosis directa como pretratamiento para la concentracin de la
corriente lquida con mosis inversa, desarrollar un mdelo econmico para
determinar la efectividad del coste del proceso de smosis directa y evaluar
el potencial del uso para la agricultura de la corriente concentrada como
fertilizante.
Se alcanzan rechazos de aproximadamente un 99% del fsforo, 87% del
amonaco y 92% del nitrgeno. Adems, el color y el olor se eliminaron
completamente.
Sistemas avanzados de soporte de vida:
Las misiones espaciales de largo tiempo requieren un suministro continuo y
autosuficiente de agua dulce para consumicin, higiene y mantenimiento.
Dependen de un sistema de tratamiento del agua que recupere agua potable
del agua residual generada a bordo de la nave o en el hbitat planetario. El
sistema para tratar estas aguas residuales ha de ser fiable, duradero, ligero
y capaz de recuperar un alto porcentaje de las aguas residuales.
Adicionalmente, el sistema debera ser autnomo, con poco mantenimiento
y consumir poca energa. [8]
PLANTEAMIENTO
18
Una de las varias tecnologas para la reutilizacin de agua potable en el
espacio que estn siendo evaluadas por la Administracin Nacional de
Aeronutica y del Espacio de los Estados Unidos recibe el nombre de
concentracin osmtica directa (DOC). Se ilustra un esquema del mismo en
la Figura 5.
Figura 5. Diagrama de flujo de la unidad original DOC de pruebas de la NASA.
Consista de una cascada de permeado en etapas de smosis inversa y dos
subsistemas de pretratamiento. El primer subsistema (DOC#1) utilizaba un
proceso de smosis directa y el segundo (DOC#2) utilizaba una tcnica
combinada de destilacin osmtica y smosis directa.
Bolsas de hidratacin:
Una draw solution comestible (por ejemplo: azcar o bebida en polvo) se
almacena en una bolsa cerrada hecha de una membrana semipermeable de
smosis directa. Tras la inmersin de la bolsa en una disolucin acuosa, el
agua difunde hacia la bolsa debido a la diferencia de presin osmtica y
diluye lentamente la draw solution inicialmente slida. Al final del proceso, la
draw solution diluida se puede consumir como una bebida dulce conteniendo
nutrientes y minerales.
A pesar de ser ms lentas que otros dispositivos de purificacin de agua, no
necesitan energa y ensucian muy poco la membrana incluso cuando se
usan con agua con barro.
PLANTEAMIENTO
19
La alta selectividad de la membrana de smosis directa asegura, en la
mayora de las situaciones y para la mayor parte de las fuentes de agua,
que el agua que permea est libre de microorganismos, macromolculas y la
mayor parte de iones.
Las bolsas de hidratacin se pueden colocar directamente en la fuente de
agua o pueden estar insertadas en otra bolsa de plstico sellada que
contenga la fuente de agua a ser tratada permitiendo una mayor movilidad y
autonoma del usuario.
El producto ha sido usado con xito como asistencia para los desastres de
los terremotos de 2010 en Haiti y Chile, adems de Kenya como la mejor
alternativa al agua embotellada para la fase inicial de operaciones de
asistencia de desastres. [8]
Estas bolsas de hidratacin estn disponibles comercialmente por la
compaa HTI. Una imagen de ellas se ilustra en la Figura 6.
Figura 6. Hydropack y X-pack de HTI.
Desalacin de agua de mar:
Produccin de agua potable:
Los procesos de desalinizacin con smosis directa incluyen dos etapas: la
dilucin de la draw solution y recuperacin de agua de la draw solution
diluida. En funcin de los diferentes mtodos para obtener el agua final, los
procesos de desalinizacin por smosis directa se pueden clasificar en dos
tipos:
PLANTEAMIENTO
20
- Uso de disoluciones de arrastre termolticas (cuando se aade calor,
las sales se descomponen en gases voltiles)
- Uso de sales o partculas solubles en agua como solutos de arrastre.
Un ejemplo del primer caso es la draw solution creada mezclando en
proporciones especficas carbonato de amonio e hidrxido de amonio
formndose especies salinas como carbonato de amonio, bicarbonato de
amonio y carbamato de amonio. Estas sales son altamente solubles, crean
presiones osmticas elevadas, se difunden relativamente rpido en
disolucin, son rechazadas por las membranas semipermeables y se
pueden eliminar de la disolucin con la adicin de calor debido a que son
termolticas. [10]
Un esquema de este proceso de smosis directa se ilustra en la Figura 7.
Figura 7. Proceso de FO con draw solution amonaco-dixido de carbono.
A medida que el agua procedente del agua de mar atraviesa la membrana,
sus sales y los solutos de la draw solution son rechazados tal que el agua de
mar se concentra y la draw solution se diluye.
Calentando la draw solution moderadamente (cerca de 60C), sta se
descompone en amonaco y dixido de carbono. La separacin del agua
dulce producto de la draw solution diluida se puede llevar a cabo por varios
mtodos de separacin (ej. columnas de destilacin o destilacin con
membranas) obtenindose agua pura y una draw solution reconcentrada
disponible para reutilizacin en el proceso.
PLANTEAMIENTO
21
En el segundo caso, el agua dulce procedente de la draw solution diluida se
genera por otros mtodos. Distintos investigadores han propuesto la
utilizacin de energa solar, sistemas hbridos de smosis directa con
nanofiltracin o sistemas hbridos con smosis directa y smosis inversa,
actuando la smosis directa en estos ltimos procesos hbridos como un
proceso de pretratamiento.
La compaa Modern Water de Reino Unido ha sido la nica en llevar a cabo
la implantacin y comercializacin exitosa a gran escala de plantas
desalinizadoras con smosis directa. En concreto, la primera fue en Gibraltar
(operativa desde Mayo 2009), la segunda fue en Al Khaluf en Omn
(operativa desde Noviembre 2009) y la tercera fue en Al Naghdah en Omn
(contrato en Junio 2011) [13], [14].
Para que la desalinizacin con smosis directa sea ms competitiva que el
proceso convencional de desalinizacin con smosis inversa para la
produccin de agua potable, es esencial que el proceso de separacin sea
de bajo coste de operacin y que consuma poca energa. Por eso, se
necesita seguir investigando para encontrar una draw solution que cumpla
estos requerimientos.
Produccin de agua para agricultura:
Con el aumento creciente de poblacin adems de las limitaciones de los
recursos de agua y de energa, tambin se limitan los recursos alimentarios,
siendo necesarias mejoras tecnolgicas para la irrigacin aumentando la
disponibilidad de agua para la agricultura. [11]
Las salinidades de agua por encima de la tolerancia de una cosecha pueden
impedir su crecimiento y disminuir su calidad, restringiendo esta tolerancia el
uso y las fuentes de irrigacin para la mayora de los cultivos.
Debido a estas restricciones y a la disponibilidad limitada de agua dulce,
est aumentando la desalinizacin del agua subterrnea salada para su uso
en irrigacin. En esta aplicacin se utiliza una disolucin ampliamente
concentrada de fertilizante como draw solution y agua salada como
alimentacin. El agua permea a travs la membrana diluyendo la disolucin
PLANTEAMIENTO
22
de fertilizante. Si se necesita, la draw solution inicial puede ser mezclada
con agua dulce para alcanzar la concentracin deseada de fertilizante. [12]
Finalmente, la disolucin de fertilizante diluida se lleva a los cultivos a travs
del sistema de irrigacin constituyendo un proceso llamado fertigacin
(aplicacin de nutrientes fertilizados en forma disuelta o suspendida a las
cosechas con agua de irrigacin en vez de su aplicacin de manera
individual) Un esquema de este proceso se ilustra en la Figura 8.
Figura 8. Representacin de la aplicacin de FO
para aumentar la disponibilidad de agua para irrigacin.
En funcin de las propiedades fsico-qumicas (solubilidad, compatibilidad de
pH, tipo de especies formadas en la disolucin, peso molecular y presin
osmtica) se considera o no adecuado a un fertilizante para su uso como
soluto de la draw solution. Algunas de las draw solution que se han utilizado
son: cloruro de amonio, cloruro de potasio, sulfato de amonio, nitrato de
calcio, nitrato de amonio, nitrato de sodio, sulfato de potasio, nitrato de
potasio y bicarbonato de amonio. [12]
La mayor ventaja de esta aplicacin reside en que la draw solution diluida
puede ser usada directamente, no existiendo la necesidad de separar y
recuperar los solutos de la misma.
Industria farmacutica:
Concentracin de protenas y principios activos:
PLANTEAMIENTO
23
El proceso es similar al de concentracin de alimentos, debido al hecho de
que estos productos farmacuticos son sensibles al calor y tienen tamaos
moleculares grandes. Por eso, la smosis directa puede presentar ventajas
sobre los mtodos convencionales qumicos o trmicos. Adems, presenta
un alto potencial en la concentracin de productos debido a la falta de
necesidad de separar el agua de la draw solution diluida.
Se ha aplicado la smosis directa para la concentracin de protenas
(antocianina) y lisozimas obtenindose alta estabilidad, pureza y evitando
que las protenas se desnaturalizaran.
Liberacin controlada de medicamentos:
Existen distintos tipos de sistemas que se basan en el principio de la
smosis: pastillas o cpsulas recubiertas de membranas semipermeables
que contienen microporos, sistemas de matriz polimrica de medicamentos
y bombas osmticas. Se han diseado para administracin oral y han sido
ampliamente utilizados en diferentes campos de la medicina.
La liberacin controlada de medicamentos presenta, entre otras ventajas, la
disminucin de la frecuencia de dosis, una concentracin regular de
medicamento en la corriente sangunea, un aumento de la biodisponibilidad
y menores efectos secundarios.
Uno de los ejemplos de las bombas osmticas aplicadas a la terapia
humana es el sistema DUROS que puede administrar medicamentos de
manera continuada durante un ao.
Los principales componentes de un sistema comn de liberacin de
medicamentos osmtico se muestran en la Figura 9. La bomba osmtica se
encuentra alojada en un depsito cilndrico de una aleacin de titanio que
protege las molculas del medicamento de las enzimas, de la humedad del
cuerpo y de los componentes celulares que podran desactivar el
medicamento antes de su liberacin. Una membrana semipermeable de
poliuretano recubre un extremo del depsito. El motor osmtico (la draw
solution) se encuentra detrs de la membrana.
PLANTEAMIENTO
24
Figura 9. Esquema de las secciones que componen un sistema DUROS.
Normalmente, la draw solution es cloruro sdico y una pequea cantidad de
excipientes farmacuticos en forma de pastilla. Un pistn separa la draw
solution de la formulacin medicinal, que puede ser una disolucin o una
suspensin acuosa o no acuosa y debe ser estable a temperatura corporal
(37C)
Cuando la bomba osmtica contacta con una solucin acuosa, el agua
difunde a travs de la membrana hacia el compartimento de la draw solution.
A medida que aumenta la presin, se expande y empuja al pistn con lo que
se libera el medicamento por un orificio.
Procesado de alimentos:
En la industria alimentaria, a menudo es necesario eliminar agua de
alimentos para aumentar su estabilidad y reducir los costes de
almacenamiento y transporte.
La smosis directa acta como un proceso de deshidratacin para eliminar
agua de alimentos mantieniendo sus propiedades fsicas de los alimentos
(color, sabor, aroma y nutrientes) y sin deteriorar su calidad. Por el contrario,
las tcnicas convencionales afectan perjudicialmente a compuestos claves
responsables del sabor, aroma y compuestos esenciales para mantener las
caractersticas de frescor en concentrados de calidad.
Su uso est ampliamente extendido a escala de laboratorio para concentrar
alimentos que contienen agua tales como zumo de tomate, championes,
zumo de frutas, peras, zanahorias, papayas, patatas, albaricoques, fresas,
pias y pimientos. Como excepcin, la empresa HTI dispone de una planta
piloto de para la concentracin de productos sensibles al calor a baja
temperatura y baja presin. [15]
PLANTEAMIENTO
25
1.3.2. Membranas:
En las primeras etapas de investigacin, se utiliz cualquier tipo de material
disponible como vejigas de animales, nitrocelulosa, goma y porcelana.
En los aos setenta y posteriores los estudios de smosis directa se
realizaron con membranas de smosis inversa, tras el desarrollo del proceso
de Loeb-Sourirajan para fabricar membranas anisotrpicas de smosis
inversa en el ao 1960.
Durante los aos noventa, una membrana especfica para smosis directa
fue desarrollada por la compaa HTI (Hydration Technologies) hecha de
triacetato de celulosa (CTA).
En los ltimos aos, han aumentado las investigaciones sobre el desarrollo
de membranas de smosis directa, mostrndose un resumen de estos
avances en la Tabla 3. [2]
Tabla 3. Cronologa del desarrollo de membranas de smosis directa.
En funcin de los mtodos de fabricacin, se pueden clasificar en:
Membranas celulsicas formadas por inversin de fase.
Membranas compuestas de pelcula delgada.
Membranas modificadas qumicamente.
PLANTEAMIENTO
26
Las membranas celulsicas formadas por inversin de fase se desarrollaron
para liberacin controlada de medicamentos, y posteriormente fueron
aplicadas para el tratamiento de agua. Se preparan de la forma
convencional de inversin de fase utilizando acetato de celulosa como
polmero de recubrimiento.
El acetato de celulosa ha sido ampliamente utilizado para preparar
membranas mediante inversin de fase debido a sus ventajas en
comparacin con otros polmeros. Entre ellas se incluyen: alto rechazo de
sales, hidrofilicidad elevada (alto flujo de agua y baja tendencia al
ensuciamiento), alta resistencia mecnica, amplia disponibilidad y buena
resistencia a la degradacin frente al cloro y otros oxidantes, sin embargo,
presenta poca resistencia a la hidrlisis y al ataque biolgico. Es
conveniente trabajar en un intervalo de pH de 4-6, tanto en la disolucin de
alimentacin como en la draw solution, y mantener la temperatura de trabajo
por debajo de 35 C [2]
En cuanto a las membranas compuestas de pelcula delgada, actualmente,
solamente la compaa Hydration Technologies (HTI) cuenta con
membranas disponibles comercialmente. Son membranas compuestas de
mltiples capas. Existen dos tipos: una con un espesor menor de cincuenta
micrmetros y otra con un espesor mayor de cien micrmetros. Las dos son
asimtricas y compuestas de triacetato de celulosa. Una imagen de un corte
transversal de las membranas se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Corte transversal con microscopio electrnico
de la membrana de menor espesor de smosis directa de HTI.
La membrana de menor espesor consta de tres partes: una capa delgada
densa selectiva por un lado, una capa de soporte relativamente suelta en el
PLANTEAMIENTO
27
otro lado y una malla entretejida en el medio. Difiere de las membranas
compuestas de pelcula delgada convencionales en que el soporte mecnico
lo aporta la malla de polister que se encuentra entretejida en el material
polimrico en lugar de una capa gruesa de soporte como las membranas de
smosis inversa.
La membrana de mayor espesor, presenta una estructura similar a una
membrana compuesta de pelcula delgada convencional y consta de tres
partes: una capa delgada hecha de material polimrico, una capa porosa
que aporta estructura y una capa soporte hidroflica tejida.
Hasta ahora se han fabricado membranas compuestas de pelcula delgada
de poliamida y membranas de fibras huecas para aplicaciones de smosis
directa.
En cuanto a las membranas modificadas qumicamente, se estn
desarrollando nuevos mtodos de fabricacin como: revestimiento de
polielectrolitos, ensamblaje capa por capa y fotografiado ultravioleta.
Adicionalmente, existen otros tipos de membranas a escala de laboratorio.
Sin embargo, la mayora de los mtodos de fabricacin se basan en tcnicas
convencionales que se han usado para la preparacin de membranas con
presin como fuerza impulsora (ej. smosis inversa y nanofiltracin) durante
dcadas.
Las caractersticas deseadas para membranas de smosis directa deberan
ser: [7]
- Capa activa fina y de alta densidad para que exista elevado flujo de
agua y alto rechazo de soluto.
- Membrana fina con elevada porosidad de la capa soporte para
minimizar la polarizacin por concentracin interna y mayor flujo de
agua.
- Hidrofilicidad de la capa activa para mejorar el flujo y reducir la
tendencia al ensuciamiento de la membrana.
- Alta resistencia mecnica para soportar la presin hidrulica si se
utilizan para la produccin de energa.
PLANTEAMIENTO
28
1.3.3. Draw solutions:
Existen varios factores que pueden influenciar el resultado del proceso de
smosis directa y, en general, estn relacionados con las caractersticas de
las draw solutions, las propiedades de la membrana y las condiciones de
operacin.
Durante las ltimas dcadas, una amplia variedad de draw solutions han
sido investigadas con sus respectivos mtodos de recuperacin. En la Tabla
4, se muestra un breve compendio de los avances en el uso de distintas
draw solutions desde principios de los aos 60 hasta la actualidad. [6]
Tabla 4. Resumen de solutos/draw solutions utilizados en smosis directa
y sus mtodos de recuperacin.
Ao Draw solution Mtodo de Recuperacin
1965 Solutos voltiles (SO2) Calentamiento o Retirada de aire
1965 Mezcla de agua con gas (SO2) o lquido (alcoholes alifticos)
Destilacin
1972 Al2SO4 Precipitacin por dopaje Ca(OH)2
1975 Glucosa Ninguno
1976 Disolucin de nutrientes Ninguno
1989 Fructosa Ninguno
1992 zucar RO
2002 KNO3 y (SO2) SO2 es reciclado mediante
mtodos estndares
2005-2007
NH3 y CO2 (NH4HCO3) Calentamiento moderado (60C)
2007 Nanopartculas Magnticas Capturado con un separador
2007 Dendrmeros Ajustando pH o UF
2007 Albumina Desnaturalizacin y solidificacin
mediante calentamiento
2010 Solutos basados en
2-Metilimidazol FO-MD
2010-2011
Nanopartculas Magnticas Reciclado con campo magntico
2011 Hidrogeles polimricos receptivos a estmulos
Deshinchamiento de los hidrogeles polimricos
2011 Fertilizantes Innecesario
2011 Nanopartculas Hidroflicas UF
PLANTEAMIENTO
29
Se pueden agrupar en tres categoras: con base inorgnica, con base
orgnica y otras (nanopartculas magnticas, salmuera de smosis inversa,
partculas hidrogel polimricas, micelas, dendrimeros) Una sub-clasificacin
incluira disoluciones electrolticas o no electrolticas en funcin de si la
disolucin presenta iones cargados o no cargados/neutros respectivamente.
[4], [7].
A la hora de seleccionar una draw solution concreta, hay que tener en
consideracin una serie de caractersticas:
- Presente alta presin osmtica (mayor que la alimentacin)
- Sea sencillo y barato reconcentrarla (tras haber sido diluida)
- Sea sencillo y barato alcanzar alto grado de recuperacin (para evitar
prdidas)
- Muestre mnima tendencia a producir polarizacin por concentracin
interna (pequeo tamao de partcula de soluto, alto coeficiente de
difusin y baja viscosidad)
- Baja permeabilidad inversa del soluto.
- Ausencia de toxicidad.
- Buena resistencia al ensuciamiento biolgico.
- No dae a la membrana y sea estable e inerte a pH neutro.
Tambin es importante conocer el efecto de las caractersticas principales
de las draw solutions sobre el rendimiento global del proceso (Tabla 5).
Por ltimo, se debe considerar el proceso en el que se va a aplicar la
tecnologa de smosis directa para poder seleccionar una draw solution
adecuada.
En ciertas aplicaciones especficas y tras el proceso de smosis, la draw
solution diluida se puede usar directamente sin la necesidad de ningn
proceso de separacin, reducindose el coste de energa del proceso.
Algunas de estas aplicaciones incluyen:
- Suministro de agua de emergencia.
- Dilucin de la corriente de entrada a una planta desaladora de
smosis inversa.
PLANTEAMIENTO
30
- Dilucin de salmueras de smosis inversa previa descarga al medio
ambiente.
- Limpieza osmtica de membranas sucias de smosis inversa.
- Produccin de biocombustible a partir de algas.
- Irrigacin directa.
Tabla 5. Caractersticas generales de las draw solutions que afectan al rendimiento
del proceso de smosis directa y su impacto en el proceso. [4]
Caractersticas Impacto sobre un proceso de smosis directa
Presin Osmtica
Una alta presin osmtica de la draw solution y una baja presin osmtica de la alimentacin inducen altos flujos de agua a travs de la membrana.
Solubilidad al agua
Alta solubilidad induce alta presin osmtica y por tanto, alto flujo de agua y altas tasas de recuperacin.
Viscosidad / Difusividad
Baja viscosidad y alta difusividad inducen a altos flujos de agua.
Peso Molecular (Pmol)
Solutos de bajo Pmol producen presiones osmticas mayores que solutos de alto Pmol para la misma masa de draw solution pero inducen mayor flujo inverso de soluto que solutos de alto peso molecular
Concentracin
El flujo de agua aumenta a mayores concentraciones de draw solution pero el incremento no es lineal. A mayor concentracin de la draw solution, la polarizacin por la concentracin dilutiva se incrementa resultando en una mejora del flujo de agua menos efectiva.
Temperatura
Alta temperatura debera no slo aportar altos flujos iniciales y altas recuperaciones de agua, sino tambin inducir efectos adversos ms severos en el escalado y la limpieza de las membranas.
Otras Caractersticas especficas pueden influenciar el rendimiento del proceso.
1.3.4. Limitaciones del proceso:
Existen tres fenmenos inherentes al proceso de smosis directa que limitan
su potencial y provocan una disminucin del flujo de agua contribuyendo a
un menor rendimiento del proceso.
Polarizacin por concentracin:
Acumulacin o disminucin de solutos cerca de la superficie de la
membrana. Como las membranas asimtricas de smosis directa constan
de una capa activa densa encima de una capa soporte porosa, la
PLANTEAMIENTO
31
polarizacin por concentracin sucede externamente en las interfases
disolucin-superficie de la membrana e internamente en la capa de soporte
porosa de la membrana.
Polarizacin por concentracin externa (ECP):
Cuando la alimentacin fluye sobre la capa activa de la membrana, se
acumulan solutos en la capa activa. Esa acumulacin de solutos produce un
aumento en la concentracin de la alimentacin en la interfase alimentacin-
capa activa. A este fenmeno se le denomina polarizacin por concentracin
externa concentrativa. Ocurre cuando la capa soporte porosa de la
membrana est enfrentada a la draw solution.
Cuando la draw solution fluye sobre la capa activa de la membrana, es
diluida en la interfase draw solution-capa activa por el agua permeante
procedente de la disolucin de alimentacin. A este fenmeno se le
denomina polarizacin por concentracin externa dilutiva. Ocurre cuando la
capa soporte porosa de la membrana est enfrentada a la alimentacin.
Un esquema de los fenmenos de polarizacin por concentracin externa se
ilustra en la Figura 11.
Figura 11. Fenmeno de transporte en una membrana asimtrica de smosis directa.
Capa soporte de la membrana enfrentada a la draw solution (izquierda) y a la
alimentacin (derecha).
Ambos fenmenos de polarizacin por concentracin provocan una
disminucin de la presin osmtica efectiva, debido a:
PLANTEAMIENTO
32
- un aumento de la presin osmtica en la interfase de la capa activa-
disolucin de alimentacin. (ECP concentrativa)
- una disminucin de la presin osmtica en la interfase de la capa
activa-draw solution. (ECP dilutiva)
Con ello, se obtiene menor flujo de agua que el esperado [16], pudindose
minimizar este fenmeno aumentando la velocidad de las disoluciones y la
turbulencia en la superficie de la membrana.
La polarizacin por concentracin externa afecta a una delgada capa de
fluido que est en contacto en la interfase de la membrana. Dentro de esta
delgada capa de fluido, el transporte de agua y otros solutos se basa slo en
la adveccin (perpendicular a la superficie de la membrana) y en la difusin
molecular.
Polarizacin por concentracin interna (ICP):
Se distinguen dos fenmenos en funcin de la orientacin de la membrana.
Si la capa soporte porosa de la membrana est enfrentada a la alimentacin,
se establece una capa polarizada junto al interior de la capa densa activa a
medida que el agua y el soluto se propagan y acumulan en la capa porosa.
Este fenmeno se denomina polarizacin por concentracin interna
concentrativa.
Cuando la capa soporte porosa de la membrana est enfrentada a la draw
solution, a medida que el agua permea a travs de la capa activa, la draw
solution en la subestructura porosa se va diluyendo. Este fenmeno se
denomina polarizacin por concentracin interna dilutiva.
Un esquema de los fenmenos de polarizacin por concentracin interna se
ilustra en la Figura 12.
PLANTEAMIENTO
33
Figura 12. Polarizacin por concentracin interna concentrativa (izquierda) y
polarizacin por concentracin interna dilutiva (derecha) en una membrana
asimtrica de smosis directa.
La diferencia de presin osmtica entre el seno de la alimentacin y el seno
de la draw solution (bulk) es mayor que la diferencia de presin osmtica a
travs de la membrana (m) debido a la polarizacin por concentracin
externa. Adems, la diferencia de presin osmtica efectiva (eff) es an
menor debido a la polarizacin por concentracin interna.
El efecto de la polarizacin por concentracin interna muestra un impacto
ms severo en la reduccin del flujo de agua en el proceso de smosis
directa que la polarizacin por concentracin externa debido a que tambin
existe un flujo axial de una disolucin salina dentro de la capa porosa de la
membrana asimtrica. [16]
Los solutos que entran y salen la capa porosa son llevados por un flujo
advectivo de agua y difusin directa. Como solamente una mnima cantidad
de soluto puede penetrar la capa densa activa, ocurrir una difusin inversa
y una acumulacin de soluto en la capa porosa contribuyendo a la formacin
del efecto de polarizacin por concentracin interna.
Adems, como la polarizacin por concentracin interna ocurre en la capa
porosa, su efecto no se ve mitigado alterando condiciones hidrodinmicas
como aumentar la velocidad de flujo o la turbulencia.
PLANTEAMIENTO
34
Difusin inversa del soluto:
Es la difusin de soluto desde la draw solution hasta la disolucin de
alimentacin a travs de la membrana debido a la diferencia de
concentraciones. Una membrana semipermeable ideal, prevendra la
permeacin de cualquier soluto disuelto de la draw solution hacia la
alimentacin. Sin embargo, ninguna membrana es una barrera perfecta y
una pequea cantidad de soluto disuelto se transportar a travs de la
membrana. [21]
El flujo de soluto inverso especfico se define como la proporcin de flujo
inverso de soluto al flujo directo de agua (Js/Jw) Una proporcin elevada,
refleja un descenso en la selectividad de la membrana y una eficiencia del
proceso de smosis directa menor.
Se ha demostrado que este parmetro est determinado por la selectividad
de la capa activa de la membrana. Sin embargo, es independiente de la
concentracin de la draw solution y de la estructura de la capa soporte
porosa de la membrana. [17]
Alta selectividad de la capa activa de la membrana puede minimizar la
difusin inversa de soluto con lo que se mejora el resultado del proceso de
smosis directa.
Tendencia al ensuciamiento de las membranas:
Es un fenmeno inevitable en todos los procesos de membrana y se hace
visible en largos periodos de operacin. Sin embargo, esta tendencia al
ensuciamiento de los procesos de membrana con el principio de la smosis
como fuerza impulsora, es menor que la que se produce en procesos de
membrana con presin como fuerza impulsora debido a la baja presin
hidralica empleada.
Baja tendencia al ensuciamiento implica ms agua como producto, menor
necesidad de limpieza y vida ms larga de la membrana. Con ello, se
reducen los costes de capital y de operacin.
PLANTEAMIENTO
35
Tanto la tendencia al ensuciamiento orgnico como la tendencia al
ensuciamiento inorgnico han sido estudiadas [22], [23], llegndose a las
siguientes conclusiones:
- La adhesin entre molculas y el ensuciamiento orgnico estn
relacionados.
- La tendencia al ensuciamiento en la smosis directa est gobernada
por el efecto combinado de interacciones qumicas e hidrodinmicas.
- Los materiales de la membrana influyen en la tendencia al
ensuciamiento orgnico y limpieza.
- Ambas tendencias al ensuciamiento son prcticamente reversibles
con lavado y aclarado con agua sugiriendo la ausencia de una
limpieza qumica.
Cuando la draw solution est enfrentada a la capa porosa soporte de la
membrana, el soluto de la draw solution se acumula en la superficie de la
capa activa mediante difusin inversa provocando un aumento de la
polarizacin por concentracin, reduciendo la fuerza impulsora osmtica
neta y agravando la tendencia al ensuciamiento.
Tambin se ha encontrado que una alta temperatura de trabajo puede
aportar efectos adversos en la limpieza de un proceso de smosis directa.
[18]
Por otro lado, la tendencia al ensuciamiento puede influenciar al rechazo de
soluto de la membrana. Ensuciamientos orgnicos en la capa activa de la
membrana podran mejorar la propiedad de carga negativa e hidrofilicidad
de la superficie y aumentar la capacidad de absorcin de compuestos
hidroflicos. Con ello, se mejorara el rechazo de contaminantes (trazas de
compuestos orgnicos) como compuestos inicos hidroflicos o compuestos
neutros hidrofbicos [19] y el rechazo de contaminantes inorgnicos (boro y
arsnico) [20]
Tanto la tendencia al ensuciamiento como la polarizacin por la
concentracin aumentan la resistencia y reducen la permeabilidad de la
membrana.
PLANTEAMIENTO
36
Es necesario seguir investigando a escala de laboratorio como paso previo a
la realizacin de pruebas a gran escala hasta que se puedan mejorar
inconvenientes que an quedan por solucionar. Algunos de estos
inconvenientes son:
- Inexistencia de una draw solution ideal.
- Necesidad de mejora y optimizacin de las membranas de smosis
directa.
- Falta de desarrollo de un mtodo de separacin de agua de la draw
solution diluida fcil y econmico.
- Necesidad de diseo de modelado terico y prediccin del
comportamiento de los sistemas.
- Existencia de datos limitados para evaluar la viabilidad de las
aplicaciones.
- Carencia de anlisis energtico exhaustivo.
- Comparacin de costes con las tecnologas existentes.
1.4. OBJETIVO:
Este Trabajo Fin de Carrera (TFC) se enmarca en un proyecto de
investigacin ms amplio que tiene como objetivo el diseo de procesos de
separacin basados en smosis directa en los que se emplean como draw
solutions, suspensiones de nanopartculas magnticas (NPMs). El principal
beneficio del proyecto se asocia al ahorro energtico esperable de la etapa
de regeneracin de la draw solution que en este caso se regenerara
mediante un campo magntico externo. La mayor ventaja de las NPMs es su
extremada alta relacin de rea superficial a volumen y sus grandes
tamaos (comparados con las sales inorgnicas y molculas orgnicas) que
facilitan su recuperacin mediante el uso de campos magnticos y procesos
de membrana de baja presin como la microfiltracin o la nanofiltracin.
Adems, producen una elevada presin osmtica mucho mayor que la del
agua de mar lo que las convierte en alternativas atractivas para la
desalinizacin de aguas. Las tareas del TFC se han llevado a cabo en el
PLANTEAMIENTO
37
grupo de Procesos Avanzados de Separacin (PAS) del departamento de
Ingeniera Qumica de la Universidad de Cantabria.
La Figura 13 muestra la metodologa planteada en el proyecto y que consta
de cuatro etapas diferenciadas: test de membranas, sntesis de
nanopartculas magnticas, caracterizacin de dichas partculas y la
aplicacin de la tecnologa de smosis directa con nanopartculas
magnticas.
Figura 13. Metodologa de estudio smosis directa en cuatro etapas.
En concreto, en este TFC se plantean los siguientes objetivos concretos
enmarcados en la primera de las etapas metodolgicas planteadas:
Profundizar en el conocimiento de los procesos avanzados de
separacin mediante smosis directa.
Llevar a cabo la evaluacin tcnica de diferentes membranas
comerciales de smosis directa (CTA-NW, CTA-ES y TFC-ES) mediante
la cuantificacin del flujo de agua y el retroflujo de sales empleando para
ello disoluciones de cloruro sdico con diferente concentracin (0.5, 1.3
y 2 M) como draw solutions. Dicha evaluacin tcnica se llevar a cabo,
tanto a nivel experimental como a nivel terico.
Seleccionar la membrana que proporciona mejores resultados en
trminos de mximo flujo de permeado y mximo rechazo de sales.
2. Desarrollo
DESARROLLO
39
2. DESARROLLO:
2.1. MATERIAL Y SISTEMA EXPERIMENTAL:
2.1.1. Material:
A la hora de llevar a cabo los experimentos, se han empleado: una
disolucin de alimentacin, una draw solution, membranas, una malla
espaciadora, material de vidrio y material de plstico.
Como disolucin de alimentacin se ha utilizado 500 mL de agua Milli-Q
ultrapura con una resistividad de 18.2 Mcm.
Como draw solution se han utilizado disoluciones de 500 mL de cloruro
sdico (NaCl) a tres concentraciones distintas: 0.5, 1.3 y 2.0 molar. El
empleo de NaCl como soluto de la draw solution se debe mayoritariamente a
su extendido uso en estudios de smosis directa, facilitando la comparacin
de los resultados obtenidos con la bibliografa existente. Adems de ser un
reactivo barato que presenta una alta solubilidad en agua, alta presin
osmtica y sus propiedades termodinmicas han sido ampliamente
investigadas.
Las membranas utilizadas han sido:
HTI OsMemTM CTA-ES:
Membrana de triacetato de celulosa con soporte de una malla de polister
entretejido.
En la Figura 14, se muestra una imagen con microscopio electrnico de
ambos lados de la membrana junto con un corte transversal de la misma. En
la imagen (a), se puede ver como la membrana est soportada
mecnicamente por una malla entretejida. Esta malla compuesta por fibras
de polister dispuestas ortogonalmente con un espaciado aproximado de
0,12 mm tambin es visible desde desde la cara de atrs (soporte) de la
membrana (b).
DESARROLLO
40
Figura 14. HTI OsMem CTA-ES. (a) Imagen SEM de un corte transversal de la
membrana, (b) Imagen SEM de la cara de atrs (soporte) de la membrana, (c) Imagen
SEM de la superficie activa. [30]
El espesor de la membrana vara desde aproximadamente 30 hasta 50 m
dependiendo de la posicin relativa de las fibras de polister. [30]
HTI OsMemTM CTA-NW:
Membrana de triacetato de celulosa sobre una capa soporte no entretejida
consistente de fibras de polister individualmente recubiertas con polietileno.
En la Figura 15 se muestra una imagen con microscopio electrnico de un
corte transversal de la membrana. El espesor de la membrana es mayor de
100 m. [31]
Figura 15. HTI OsMem CTA-NW. Imagen SEM corte transversal de la membrana. [31]
HTI OsMemTM TFC-ES:
Membrana compuesta de pelcula delgada de poliamida sobre polisulfona
con soporte entretejido.
Todas las membranas utilizadas son membranas comerciales adquiridas a
la compaa Hydration Technology Innovations (HTI).
DESARROLLO
41
La compaa HTI es la desarrolladora de tecnologas de membranas de
filtracin de agua y aguas residuales ms avanzadas del mundo. Presenta
ms de veinte aos de experiencia en investigacin y desarrollo en la
produccin de membranas avanzadas de separacin y en reciclado y
filtracin de agua. Es lder y pionera a nivel mundial en la fabricacin de
membranas comerciales de smosis directa y lder mundial en la integracin
e instalacin de sistemas de filtracin con membranas para el tratamiento de
aguas residuales. Tambin ha hecho un extensivo trabajo en: pressure
retarded osmosis para la produccin de energa, smosis directa para la
desalinizacin de aguas y biorreactores osmticos de membrana. La
tecnologa de membranas de smosis directa crea nuevas posibilidades
para una desalinizacin eficiente energticamente, aumenta las
oportunidades para reutilizacin y reciclado de agua y redefine literalmente
los lmites de la tecnologa de separacin de membrana de lquidos y gases.
[29]
A la hora de su recepcin, las membranas CTA-ES y CTA-NW vienen
empapadas en glicerina de base vegetal y la membrana TFC-ES rociada
con una disolucin de metabisulfito de sodio.
Previo a su uso, se sumergen en agua ultrapura durante 24 horas, y tras su
acondicionamiento, deben mantenerse siempre hmedas (sumergidas en
agua ultrapura) alejadas de la exposicin directa del sol.
Tabla 6. Caractersticas principales de las membranas utilizadas.
Parmetros CTA-ES CTA-NW TFC-ES
Mxima Temperatura de Operacin 71 C 71 C 49 C
Mxima Presin Transmembranal 70 kPa 70 kPa 70 kPa
Rango de pH 3 a 8 3 a 8 2 a 11
Cloro mximo 2 ppm 2 ppm < 0,1 ppm
Las caractersticas principales de las tres membranas utilizadas se muestran
en la Tabla 6. Para una informacin ms detallada, se pueden consultar las
hojas tcnicas de las membranas en los ANEXOS.
DESARROLLO
42
Se ha utilizado una malla espaciadora de polipropileno (Figura 16) sobre la
capa activa de la membrana con la intencin de generar turbulencia en la
superficie de la membrana y disminuir la polarizacin por concentracin
externa lo mximo posible.
Figura 16. Malla espaciadora de polipropileno.
Como material de vidrio se han utilizado:
- Dos vasos de precipitados de 1 L de capacidad para contener las
disoluciones de alimentacin y de arrastre durante el experimento.
- Tres matraces aforados de 1 L para preparar las distintas disoluciones de
NaCl.
- Un vaso de precipitados de 100 mL para pesar el soluto de NaCl.
- Una probeta de 500 mL para tomar dicho volumen de las disoluciones.
Como material de plstico se han utilizado tubos semirgidos de poliamida
para establecer las conexiones del circuito.
2.1.2. Equipos:
Dentro de los equipos utilizados se pueden distinguir: un mdulo, un
agitador magntico, dos bombas peristlticas, una balanza de precisin, un
ordenador y un conductivmetro.
El mdulo o celda se trata del modelo CF042-P modificado de la casa
comercial STERLITECH con un rea efectiva de membrana de 42 cm2. Una
imagen del mismo se ilustra en la Figura 17.
DESARROLLO
43
Figura 17. Modelo CF042 de STERLITECH.
La celda est constituida por dos placas de politetrafluoroetileno (PTFE,
tefln) montadas la una sobre la otra con cuatro puertos (dos de entrada y
dos de salida) por los que circulan la disolucin de alimentacin y la draw
solution.
Se colocan dos placas metlicas de acero inoxidable una en la zona
superior y otra en la zona inferior del mdulo. Se introducen los tornillos y se
ajustan con cuatro tuercas. La funcin de las placas metlicas es soportar la
presin del mdulo evitando que las dos placas se separen.
En concreto, la presin y las temperaturas mximas soportadas por el
mdulo son 300 psi (20 bar) y 80C respectivamente.
El agitador magntico (Figura 18) se sita debajo del vaso de precipitados
que contiene a la alimentacin con la finalidad de mantener la disolucin
constantemente en movimiento para conseguir su homogeneizacin.
Figura 18. Agitador electromagntico.
Las bombas peristlticas (Figura 19) se encargan de impulsar la disolucin
de alimentacin y la draw solution desde el vaso de precipitados hasta el
mdulo. Los dos modelos empleados han sido: Bomba de manguera
Watson Marlow 323 y Bomba de proceso Watson Marlow 520S.
DESARROLLO
44
Figura 19. Bombas peristlticas Watson Marlow 323 (Draw solution)
y Watson Marlow 520S (alimentacin).
La balanza de precisin (Figura 20) se utiliza para hacer un seguimiento de
la variacin del volumen con el tiempo. Sobre ella se coloca el vaso de
precipitados conteniendo a la draw solution. Posee un puerto usb mediante
el que se conecta con un ordenador para la recogida de datos automtica.
Figura 20. Balanza de precisin.
El modelo empleado ha sido el PS 6000/X de la casa comercial Radwag
cuyas caractersticas se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7. Datos tcnicos de la balanza analtica.
Capacidad mxima 6000 g
Carga mnima 0,5 g
Legibilidad 0,01 g
Rango de tara -6000 g
Repetitividad 0,015 g
Linearidad 0,03 g
Tamao de la bandeja 195 x 195 mm
Tiempo de estabilizacin 1,5 s
Sensibilidad 2 ppm/C en temperatura 15 - 35 C
Temperatura de trabajo 10 - 40 C
Suministro de potencia 13,5 16 V DC / 2,1 A
Ajuste/Calibracin interna (automtica)
Monitor grfico con luz
Interfase RS 232
Peso neto/Peso bruto 4,8/6,3 kg
Tamao de embalaje 470x380x336 mm
DESARROLLO
45
El conductivmetro se coloca en el interior del vaso de precipitados
conteniendo a la alimentacin con el objetivo de seguir la evolucin de su
concentracin con el tiempo. El modelo utilizado ha sido pH 25 de la marca
Crison cuya imagen se ilustra en la Figura 21.
Figura 21. Conductivmetro Crison pH 25.
2.1.3. Programas Informticos:
El programa Pomiar Win v 4.0.5 de Radwag se trata del software
proporcionado con la balanza analtica cuya funcin es la recogida
automtica de datos.
El programa Aspen Custom Modeler se ha utilizado como herramienta para
la determinacin de los parmetros caractersticos de las membranas,
mediante el ajuste de los datos experimentales a un modelo matemtico.
2.2. SISTEMA EXPERIMENTAL Y METODOLOGA:
El sistema experimental utilizado para la realizacin de este trabajo se
encuentra ubicado en el laboratorio 456 en la planta -4 de la ETSIIT, en el
departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de Cantabria. En la
Figura 22, se ilustra un esquema de la disposicin y funcionamiento del
montaje llevado a cabo para la realizacin de los experimentos.
DESARROLLO
46
Figura 22. Esquema del sistema experimental utilizado.
Previa a la realizacin de los experimentos se deben realizar las siguientes
tareas: calibrado del conductivmetro, medicin del caudal de las bombas y
preparacin de la draw solution con la concentracin deseada.
Calibrado del conductivmetro:
Se preparan una serie de disoluciones de distintas concentraciones de
cloruro sdico (Panreac 99% pureza) utilizando agua Milli-Q ultrapura con
una resistividad de 18.2 M/cm como disolvente.
Con el conductivmetro, se mide la conductividad de todas ellas, y se
representa grficamente (Figura 23) la concentracin de NaCl frente a la
conductividad medida.
Se realiza el ajuste de los datos para las distintas concentraciones
obtenindose como resultado una regresin lineal que relaciona
conductividad con concentracin. Esta regresin se utilizar posteriormente
para el clculo de la concentracin de NaCl en la disolucin de alimentacin
y por tanto, el retroflujo de sales.
DESARROLLO
47
Figura 23. Calibrado de la conductividad.
Medicin del caudal de las bombas:
Se pone en marcha la bomba a unas revoluciones por minuto determinadas
y se cronometra el tiempo necesario para alcanzar un volumen determinado
de agua en una probeta. En cuanto se alcanza el volumen fijado, se paran el
cronmetro y la bomba. Se obtiene el caudal dividiendo el volumen entre el
tiempo. Se realiza por triplicado y se toma la media como medida
representativa. Se expresa el caudal en L/min.
Preparacin de la draw solution:
En funcin de la concentracin molar deseada, el volumen del matraz
aforado a utilizar y teniendo en cuenta el peso molecular del cloruro sdico
(Pmol = 58,44 g/mol) se calcula la cantidad de masa a pesar (eq. 5). Se
aplica la siguiente frmula:
Donde:
- M representa la molaridad en mol/L.
- n representa el nmero de moles.
- Vdn es el volumen en litros de la disolucin.
- m es la masa de cloruro sdico en gramos.
Se coge un vaso de precipitados y se coloca sobre una balanza analtica. Se
tara y se pesa la cantidad de masa calculada previamente. Se aade agua
y = 0,6606x R = 0,9972
0
10
20
30
40
50
60
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00
Co
nce
ntr
aci
n (
g/l)
Conductividad (mS./cm.)
DESARROLLO
48
Milli-Q ultrapura con una resistividad de 18.2 M/cm para ir disolviendo el
soluto y se vierte en el matraz aforado. Se repite la operacin hasta limpiar
todo el soluto del vaso de precipitados.
Una vez vertido todo el soluto con agua en el matraz aforado, se enrasa con
agua Milli-Q ultrapura con una resistividad de 18.2 M y se homogeniza. Se
agita durante unos minutos en un agitador magntico.
2.2.1. Desarrollo de un experimento:
Se introduce la membrana deseada en el mdulo de smosis directa con la
capa activa en la orientacin deseada, colocando la malla espaciadora sobre
la capa activa de la membrana y se cierra el mdulo. Se vierte la
alimentacin y la draw solution en sus respectivos vasos de precipitados. En
la disolucin de alimentacin, colocada sobre el agitador magntico, se
introduce el conductivmetro.
Se encienden el agitador, el conductivmetro, la balanza y el software del
ordenador. Se tara la balanza y se anota la conductividad inicial de la
alimentacin y su temperatura.
La puesta en marcha del sistema se inicia con el arranque de la bomba de
alimentacin. Una vez se ha llenado el circuito, se procede con el arranque
de la bomba de la draw solution. El cronmetro y la toma de datos del
programa informtico comienzan simultneamente.
La alimentacin y la draw solution se introducen a travs de los puertos de
entrada en el mdulo de smosis directa hacia la cavidad del mdulo que
aloja a la membrana. Dentro de esta cavidad, cada disolucin fluye
tangencialmente bien sobre la malla espaciadora de la capa activa o bien
sobre el soporte poroso de la membrana. Ambas disoluciones fluyen en el
mismo sentido a lo largo del mdulo y parte de la alimentacin va
permeando a travs de la membrana hacia la draw solution. Una vez han
atravesado longitudinalmente el mdulo, las dos corrientes regresan a los
depsitos iniciales de alimentacin y draw solution.
DESARROLLO
49
Se trata de un sistema donde tanto la corriente de alimentacin como la
corriente de la draw solution fluyen en paralelo (en el mismo sentido y en la
misma direccin) a lo largo del mdulo y se encuentran recirculndose
continuamente durante todo el experimento.
Por tanto, la alimentacin va a ir disminuyendo su volumen progresivamente
a la vez que se va ir concentrando ligeramente debido a la difusin inversa
del soluto. Por otro lado, la draw solution se va diluyendo al ir aumentando
su volumen a la vez que va disminuyendo su concentracin debido al
transporte de soluto a travs de la membrana.
Durante todo el proceso, el software Pomiar Win v 4.0.5 de Radwag se
encarga de la adquisicin de los datos de la variacin en el peso de la draw
solution.
A pesar de la toma de datos informtica, tambin se realiza una toma de
datos manual del experimento anotando: tiempo, peso de la draw solution y
conductividad y temperatura de la alimentacin. Durante los diez primeros
minutos, se anotan datos cada minuto para tener un mayor control del inicio
del experimento. El tiempo restante hasta la finalizacin del experimento se
anotan datos en intervalos de cinco minutos.
Finalizado el tiempo de experimentacin, se paran el cronmetro y el
programa informtico y se apaga la bomba de la draw solution y la bomba
de la alimentacin. Se anotan los datos correspondientes a tiempo final, se
limpia el conductivmetro con agua Milli-Q ultrapura y se vaca el sistema.
Se realiza una limpieza de la membrana y del sistema experimental
mediante un lavado con agua ultrapura durante cuarenta minutos.
2.3. CONDICIONES EXPERIMENTALES:
Los experimentos realizados se han llevado a cabo modificando las
siguientes variables y bajo las siguientes condiciones de operacin:
DESARROLLO
50
- Variables
o Clase de membrana
o Orientacin de la membrana
o Concentracin de la draw solution
- Condiciones de operacin
o Caudal de circulacin de la alimentacin
o Caudal de circulacin de la draw solution
o Tiempo de experimentacin
En cuanto a la clase de membrana, se han considerado las tres membranas:
CTA-ES, CTA-NW y TFC-ES mencionadas en el apartado 2.1.1.
Las concentraciones de la draw solution utilizadas han sido: 0.5 M., 1.3 M. y
2.0 M. de cloruro sdico.
Existen dos modos de operacin segn la orientacin de la capa activa de la
membrana:
- AL-FS (Active Layer Feed Solution): La alimentacin se encuentra
en contacto con la capa activa de la membrana y la draw solution con
la capa soporte porosa de la membrana.
- AL-DS (Active Layer Draw Solution): La draw solution se encuentra
en contacto con la capa activa de la membrana y la alimentacin est
enfrentada con la capa soporte porosa de la membrana.
Los caudales de circulacin a los que se ha operado han sido de 3.3 L/min
en el caso de la bomba de alimentacin y de 0.44 L/min en la bomba de la
draw solution. Estas condiciones de experimentacin son similares a las
indicadas en las hojas de especificaciones de las membranas.
El tiempo de experimentacin para el estudio del flujo de agua y sales a
travs de la membrana ha sido de cien minutos como representativo de la
tendencia de la evolucin del transporte a travs de la membrana.
En la Tabla 8 se recogen los dieciocho experimentos realizados teniendo en
cuenta que tanto el tiempo de experimentacin como los caudales de
DESARROLLO
51
circulacin de la alimentacin y de la draw solution han permanecido
constantes en todos ellos.
Tabla 8. Resumen y nomenclatura de los experimentos realizados.
Membrana
Orientacin [NaCl] CTA-NW CTA-ES TFC-ES
AL-FS
0,5 M 1 7 13
1,3 M 2 8 14
2,0 M 3 9 15
AL-DS
0,5 M 4 10 16
1,3 M 5 11 17
2,0 M 6 12 18
2.4. FUNDAMENTO EXPERIMENTAL:
2.4.1. Ecuaciones de Transporte:
Para determinar el flujo de agua (eq. 6) con los datos experimentales
obtenidos del cambio de peso de la draw solution con el tiempo, se recurre
a:
Siendo:
- Jw el flujo de agua en
- mdraw solution el incremento de masa de la draw solution en g
- draw solution la densidad de la draw solution en g/L
- Am el rea efectiva de la membrana en m2
- t el incremento de tiempo en h
Para la determinacin del flujo de agua, se representa la evolucin de la
masa de agua transferida frente al tiempo. Esta representacin dar lugar a
una recta de la cual se obtendr una regresin lineal con la forma: [mH20 (g)
= pdte (g/min) x t (min)]
DESARROLLO
52
Con esta pendiente se halla el flujo de agua (eq. 7) mediante la siguiente
ecuacin:
Siendo:
- Jw el flujo de agua en
- mH2O la masa de agua transferida a la draw solution en g
- alimentacin la densidad de la disolucin de alimentacin en g/L
- Am el rea efectiva de la membrana en m2
- t el tiempo de experimentacin en h
Para determinar el flujo de soluto (eq. 8) se calcula la diferencia en el
contenido de cloruro sdico de la alimentacin con los datos experimentales
obtenidos de la medida de la conductividad con el tiempo y con la cantidad
de agua transferida a la draw solution:
Siendo:
- JS el flujo de soluto en
- Vf el volumen final de la alimentacin en L
- Cf la concentracin final de la alimentacin en g/L
- V0 el volumen inicial de la alimentacin en L
- C0 la concentracin inicial de la alimentacin en g/L
- Am el rea efectiva de la membrana en m2
- t el incremento de tiempo en h
El volumen final de la alimentacin (eq. 9) se halla como la diferencia entre
el volumen inicial de la alimentacin y el volumen de agua transferido a la
draw solution:
DESARROLLO
53
Siendo:
- Vf el volumen final de la alimentacin en L
- V0 el volumen inicial de la alimentacin en L
- mH2O la masa de agua transferida a la draw solution en g
- alimentacin la densidad de la disolucin de alimentacin en g/L
Para el clculo de la concentracin de la alimentacin (eq. 10) con los datos
experimentales obtenidos del cambio de la conductividad con el tiempo, se
recurre a:
Siendo:
- C la concentracin de la alimentacin en g/L
- conduct. la conductividad de la alimentacin medida en S/cm
- 0,6606 la pendiente de la recta de calibrado de la conductividad en
(g*cm)/(mS*L)
Para la determinacin de la concentracin de la alimentacin se representa
la evolucin de la conductividad frente al tiempo. Esta representacin dar
lugar a una recta de la cual se obtendr su regresin lineal con la forma:
[conductividad = a + b*t]
Posteriormente, se halla la concentracin de la alimentacin (eq. 11)
mediante la siguiente ecuacin:
Siendo:
- C la concentracin de la alimentacin en g/L
DESARROLLO
54
- 0,6606 la pendiente de la recta de calibrado de la conductividad en
(g*cm)/(mS*L)
- a la ordenada en el origen de la recta de la conductividad frente al
tiempo en S/cm
- b la pendiente de la recta de la conductividad frente al tiempo en
S/(cm*min)
- t el tiempo transcurrido del experimento donde se quiere calcular la
concentracin de la alimentacin en min
2.4.2. Ecuacin de Rechazo de Soluto:
Para determinar el rechazo de sal de la membrana (eq. 12, eq. 13) se
calcula la diferencia entre todo el soluto existente menos la cantidad de
soluto que se transfiere desde la draw solution a la alimentacin por litro de
agua eliminado:
Siendo:
- Vf el volumen final de la alimentacin en L
- Cf la concentracin final de la alimentacin en g/L
- V0 el volumen inicial de la alimentacin en L
- C0 la concentracin inicial de la alimentacin en g/L
- Pmol el peso molecular de cloruro sdico en g/mol
- Mdraw la concentracin de la draw solution en mol/L
2.4.3. Ecuacin de la Presin Osmtica:
DESARROLLO
55
La presin osmtica es la presin que se necesita para detener el flujo de
disolvente entre dos disoluciones de distinta concentracin separadas por
una membrana semipermeable. Es una propiedad coligativa que indica el
potencial qumico de un disolvente en disolucin. No depende de la
naturaleza del soluto, slo de su concentracin. [32]
La presin osmtica de una disolucin diluida ideal se puede calcular
mediante la ecuacin de Vant Hoff (eq. 14):
Siendo:
- la presin osmtica en atm
- n el factor
