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La ósmosis es un fenómeno físico-químico relacionado con el comportamiento del agua, como solvente de una solución, ante una membrana semipermeable para el solvente, pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana sin «gasto de energía». La ósmosis es un fenómeno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos.

MECANISMO

Se denomina membrana semipermeable a la que contiene poros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes (normalmente del tamaño de micras). Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua, que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes.

Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van’t Hoff y Gibbs empleando los conceptos de potencial electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas (ocurre cuando las partículas que aleatoriamente vienen se equiparan con las que aleatoriamente van), sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución. Por ejemplo, «existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre el agua desalinizada y el agua de mar. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica.

El resultado final es que, aunque el agua pase de la zona de baja concentración a la de alta y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta.

Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.

Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración (disolución hipotónica) a la de mayor concentración (disolución hipertónica). Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas.

En los seres vivos, este movimiento del agua a través de la membrana celular puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien se hinchen (posiblemente hasta reventar) por un aumento, también excesivo, en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, éstas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.

ÓSMOSIS INVERSA

Lo descrito hasta ahora ocurre en situaciones normales, en las que los dos lados de la membrana están a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración de sales al de baja.

Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Es necesario tener en cuenta que, en la ósmosis inversa, a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración.

Si la alta concentración es de sal, por ejemplo, agua marina, al aplicar presión, el agua del mar pasa al otro lado de la membrana. Sólo el agua, no la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ósmosis inversa y puede llegar a ser potable.

APLICACIONES

La mayoría de las aplicaciones de la ósmosis vienen de la capacidad de separar solutos en disolución de forma activa mediante ósmosis inversa utilizando membranas semipermeables.

Desalación

Mediante este procedimiento, es posible obtener agua desalinizada (menos de 5.000 microsiemens/cm de conductividad eléctrica) partiendo de una fuente de agua salobre, agua de mar que en condiciones normales puede tener entre 20.000 y 55.000 microsiemens/cm de conductividad.

La medida de la conductividad del agua da una indicación de la cantidad de sales disueltas que contiene, dado que el agua pura no es un buen conductor de la electricidad (su potencial de disociación es menor de 0’00001).

La ósmosis inversa (RO) se ha convertido, hoy en día, en uno de los sistemas más eficientes para desalinizar y potabilizar el agua, usándose en barcos, aviones, industrias, hospitales y domicilios.

Mediante ósmosis inversa, se consigue que el agua bruta que llega a la desaladora se convierta por un lado en un 40% de agua producto y un 55-60% de agua salobre.

La clave está en la constitución del fajo de membranas que intercalan redes-canales de circulación entre capa y capa y, finalmente, convergen en el centro del sistema. Como hay un flujo de entrada y dos flujos de salida, al uno se le conoce como rechazo salino y al otro como flujo de permeado y sus valores dependerán de la presión de entrada impuesta al sistema.

Por lo general, es factible encontrar membranas confeccionadas con poliamida o acetato de celulosa (este último material, en desaparición), con un rechazo salino de entre 96’5-99’8%. Existen membranas especializadas para cada tipo de agua, desde agua de mar hasta aguas salobres.

Los equipos de ósmosis inversa industriales montan varios trenes o carros de membranas interconectadas entre sí, una bomba de alta presión, medidores de TDS, pH y caudalímetros de columna. Existen equipos que se ubican en grandes salas, debido a su enorme tamaño.

Para el óptimo funcionamiento de estos sistemas, se requiere mantener un anti-incrustante contra sílice (sílice gelificada neutra), que obtura el sistema, además de un biocida para mantener libre de biomasas las capas del sistema.

La ósmosis inversa tiene algunas restricciones. Hay ciertas especies químicas que el sistema no es capaz de retener, entre éstos el arsenito (As+3), la sílice neutra (ya mencionada) y el boro. Para retener estas especies, hay que realizar una modificación del estado químico de la especie, ya sea vía oxidación, co-precipitación o cambios de pH del medio. Por ejemplo, el arsenito (As+3) experimenta un rechazo de menos de 25% y el arsenato (As+5) es capaz de ser retenido en un 95-98%.

Las incrustaciones en las membranas son un factor no despreciable en la eficiencia del equipo. Aparecen cuando se pretende forzar el caudal de permeado, ocurriendo frentes de saturación en la superficie de la membrana. Otras sustancias son incrustantes, como la mencionada sílice o las biomasas de microorganismos. Una vez incrustada la membrana, sólo es posible revertir la situación desmontando la unidad y tratándola con mezclas de ácidos fuertes y sometiéndola a contracorriente.

Un desarrollo tecnológico reciente especialmente relevante es el de ósmosis inversa para desalinización basada en energía solar fotovoltaica, empleando sólo y exclusivamente una pequeña batería para que todo funcione correctamente.

Reducción de la dureza

Las aguas duras contienen iones de calcio y magnesio que pueden precipitar combinados con iones como carbonatos, sulfatos o hidróxidos. Estos precipitados se van acumulando (obstruyendo) en las tuberías de distribución, calentadores, etc. Con la ósmosis inversa, se consigue eliminar estos precipitados químicos.

Descontaminación y tratamiento de efluentes

Se tiene agua con un contaminante «X», cuyas moléculas tienen un tamaño de «Y» micras, siendo «Y» mayor que el tamaño de la molécula de agua. Si se busca una membrana semipermeable que deje pasar moléculas de tamaño de las del agua pero no de «Y», al aplicar presión (ósmosis inversa), se obtendrá agua sin contaminante.

La utilización de la ósmosis inversa en el tratamiento de efluentes persigue alguno de los tres objetivos siguientes:

La ósmosis inversa no destruye la contaminación, sino que, como mucho, permite concentrarla en un pequeño volumen.

Reducción del contenido de nitratos

Las aguas subterráneas suelen incorporar altas concentraciones de nitratos, superiores a las admitidas por la reglamentación técnico-sanitaria. Con las membranas de ósmosis inversa, con un alto porcentaje de rechazo del ión nitrito, se permite obtener agua con un bajo contenido en dichos iones.

Concentración de nitritos y nitratos

Los efluentes procedentes de la limpieza de depósitos contenedores de tetróxidos de nitrógeno (N2O4) están contaminados con iones nitrito (NO2-) y nitrato (NO3-). Los efluentes son neutralizados previamente con sosa cáustica, tras lo cual son enviados a un primer pase de ósmosis inversa que trabaja con una recuperación del 95%. El rechazo es enviado hasta un segundo pase de ósmosis inversa que trabaja con una recuperación del 75%. El rechazo es recirculado al depósito situado en cabeza de la instalación y el permeado, con un contenido inferior a 10 ppm, puede ser reutilizado.

Eliminación del color y de los precursores de trihalometanos

El color procede de la descomposición de la materia orgánica natural disuelta por las aguas. Además de no admitirse en el agua potable por motivos estéticos, es un precursor de los trihalometanos (THM).

Vinazas

Las vinazas sufren, en primer lugar, un proceso de filtración para eliminar las materias en suspensión que puedan atascar las membranas. A continuación, son impulsadas hacia unas membranas de ósmosis inversa que permiten el paso tanto del agua como del alcohol etílico. El permeado de la ósmosis inversa, que constituye el 90% del volumen inicial de las vinazas, se envía hacia una columna de destilación que permite recuperar el alcohol y otros productos nobles. El residuo de la columna de destilación es agua con un bajo contenido en DBO, que puede enviarse hacia una planta convencional de aguas residuales urbanas. El rechazo de la ósmosis inversa, que constituye el 10% del volumen inicial de las vinazas, se envía a una columna donde se destila a baja temperatura para evitar la degradación de productos termosensibles, permitiendo se recuperación.

Alpechines

Los efluentes de las almazaras, compuestas por el agua de la aceituna y el agua utilizada para extraer el aceite de oliva, es altamente contaminante y difícilmente biodegradable. La ósmosis inversa, combinada con una ultrafiltración, permite recuperar de los efluentes materiales de alto valor económico y obtener agua reutilizable.

Usos industriales

Producción de aguas de alta calidad

Circuitos de refrigeración semiabiertos

Las centrales de producción de energía eléctrica deben ceder al foco frío grandes cantidades de energía en forma de calor. El medio utilizado para esta transferencia es habitualmente el agua de un circuito de refrigeración. Con el fin de economizar la máxima cantidad de agua posible, se concentra el agua de aporte tantas veces como lo permita su composición iónica y la resistencia a la corrosión de los materiales del circuito. Al mismo tiempo, con tal finalidad y para cumplir con la legislación vigente en algunos países, reduciendo el impacto ecológico que supondría el vertido de las aguas de alta salinidad de la purga del circuito, se procede a tratar éstas para obtener un vertido practicante nulo, donde la ósmosis inversa juega un papel importante en la concentración del vertido.

Pintado por electrodeposición

En este proceso, la carrocería se sumerge en una dispersión coloidal en agua de partícula de pintura eléctricamente cargada. La aplicación de un gradiente de potencial origina una migración de las partículas de pintura hacia la carrocería sobre la que se depositan. Cuando la carrocería emerge del baño de electropintado, arrastra pintura sin depositar, por lo que se lava pulverizando agua a contracorriente. De esta forma, la pintura arrastrada es recuperada y devuelta de nuevo al baño. El baño de pintura es bombeado hacia unas membranas de ultrafiltración, cuyo permeado contiene mayoritariamente agua, pequeñas cantidades de resina, solvente solubilizador y sales inorgánicas disueltas. El rechazo de la ultrafiltración es mayoritariamente pintura del baño que es devuelta al mismo. El permeado de la ultrafiltración es impulsado de nuevo hacia una ósmosis inversa, cuyo permeado es agua de alta pureza que se utiliza, junto con una pequeña cantidad de agua desmineralizada de aporte, para el lavado final de la carrocería. El rechazo de la ósmosis inversa contiene solventes, solubilizadores, sales disueltas, etc. y se utiliza, por un lado, para arrastrar la pintura no depositada sobre las carrocerías tras su salida del baño de electropintado y, por el otro, para desconcentrar el circuito de las sales que se van acumulando.

Tintado de fibras textiles

La utilización de la ósmosis inversa y de la nanofiltración para el tratamiento de los efluentes procedentes del tintado de fibras textiles permite, por un lado, recircular aproximadamente el 95% de los productos químicos usados en los baños de tintado y, por el otro, reutilizar alrededor del 90% de las aguas residuales generadas.

Fabricación de catalizadores

Algunos catalizadores utilizados por los automóviles se fabrican a partir de una pasta de aluminio, cerio y níquel. La combinación de una ultrafiltración y una ósmosis inversa permite recuperar tanto la materia prima de fabricación como el agua del proceso. El efluente de la fabricación de catalizadores es una lechada que incorpora los constituyentes de la pasta diluidos entre 3 y 50 veces, así como un conjunto de aditivos. La lechada, cuya concentración oscila entre 1 y el 15% de sólidos, pasa, en primer lugar, a través de una ultrafiltración con un poder de corte del orden de 100.000, obteniéndose un concentrado con un contenido en sólidos del 50%, que se puede reutilizar directamente en el proceso. El permeado de la ultrafiltración pasa, a continuación, por una ósmosis inversa que permite recuperar la mayor parte del agua del proceso.

Procesado de papel fotográfico

El elevado coste tanto de la plata como del agua de alta calidad hace rentable recuperar ambos elementos de los efluentes del procesado de papel fotográfico. Los efluentes con un contenido en plata del orden de las 30 ppm son enviados hacia unas membranas de ósmosis inversa, que presentan un rechazo medio del tiosulfato de plata del 99’7%. El permeado es recirculado de nuevo al proceso y el rechazo de la ósmosis, con un contenido en plata de 220 a 570 ppm, es sometido a un tratamiento con ditionita y aluminio para precipitar la plata. Una centrifugación posterior permite separar el precipitado del efluente y recuperar la plata.

Usos alimentarios

La misma capacidad de concentrar moléculas ha sido ampliamente utilizada para conseguir concentrados alimenticios.

Fabricación de fécula de patata

Las aguas residuales de las fábricas de fécula de patata pasan, en primer lugar, a través de una ultrafiltración, cuyo contenido presenta un 10% de la materia seca, de la cual un 60% aproximadamente son proteínas que se pueden recuperar por precipitación. El ultrafiltrado se envía de nuevo hacia una ósmosis inversa, cuyo permeado presenta una contaminación menor, pudiendo enviarse a una planta convencional de aguas residuales urbanas. En el rechazo de la ósmosis inversa, en un pequeño volumen, se encuentra concentrada toda la contaminación inicial y debe procesarse en una planta de alta carga.

Concentración de zumos de frutas

La concentración elimina el agua y mantiene el aroma y resto de moléculas. La producción de zumos concentrados mediante ósmosis inversa tiene las siguientes ventajas:

Pero también las siguientes limitaciones:

Preconcentración de jugos azucarados

Con la ósmosis inversa, se pueden preconcentrar los jugos azucarados antes de su evaporación para eliminar gran parte del agua que poseen. Así, se puede reducir el consumo de energía y aumentar la capacidad de evaporación.

Preconcentración de suero lácteo

Se consiguen los siguientes objetivos:

Preconcentración de la clara de huevo

La ósmosis inversa conserva todas sustancias solubles producto final (glucosa). Reduce costes de secado y mejora la calidad del producto.

Estabilización de vinos

La estabilización del vino tiene por objeto eliminar un precipitado de tartrato potásico, que disminuye generalmente su valor comercial y puede hacerse precipitando los tartratos de forma controlada, tras concentrar el vino por ósmosis inversa.

Se hace pasar el vino a través de ósmosis inversa, obteniéndose, por un lado, un permeado que representa aproximadamente el 60% del volumen inicial, y por el otro, un concentrado que supone el 40% restante, en el que los distintos productos que no pueden atravesar las membranas se encuentran concentradas 2’5 veces.

Fabricación de cerveza con bajo contenido en alcohol

La cerveza fermentada con un bajo contenido alcohólico no posee ni un sabor ni un aroma satisfactorios, por lo que es mejor producirla con un contenido alcohólico normal o alto y reducir o eliminar dicho contenido posteriormente.

El proceso de la desalcoholización de la cerveza se basa en el hecho de que algunas membranas retienen difícilmente el etanol.

La cerveza se bombea hacia la membrana de ósmosis inversa, obteniéndose, por un lado, un permeado formado por agua, la mayor parte del alcohol y algunos ácidos orgánicos de bajo peso molecular y, por el otro, un concentrado de cerveza.

El agua no destilada, junto con los componentes de bajo peso molecular, se mezclan de nuevo con la cerveza concentrada, dando lugar a la cerveza con bajo contenido en alcohol.

Fermentación alcohólica

La ósmosis inversa puede utilizarse para producir alcohol a partir de los jugos azucarados. El contenido de la cuba de fermentación alcohólica se bombea constantemente por membranas de ósmosis inversa, permitiendo el paso de agua y alcohol, que se destila separando el agua del alcohol.

EXPERIMENTO ILUSTRATIVO DE ÓSMOSIS

Se puede realizar un experimento, consistente en llenar una bolsa de celofán con una solución de agua y azúcar común; la boca de la bolsa debe quedar herméticamente cerrada. En estas condiciones, se la sumerge en un recipiente que contenga agua.

El celofán cumple el papel de membrana y la característica que presenta es la de no permitir el paso de las moléculas de azúcar en la solución, lo que significa que es impermeable al azúcar. Por el contrario, deja pasar con facilidad las moléculas de agua, o sea, es permeable a ella. Las membranas que presentan este comportamiento reciben el nombre de semipermeables.

De acuerdo con lo anterior, en el experimento se puede observar que, al principio, el recipiente formado por la membrana de celofán se encuentra distendido, pero poco a poco va aumentando de tamaño hasta quedar inflado. Eso es consecuencia de la difusión del agua a través de la membrana, desde el recipiente hacia el interior de la bolsa. Éste es el fenómeno que se conoce como ósmosis.

Si se aumentase la presión dentro de la bolsa, se vería que pasan sólo las moléculas de agua y no las de azúcar, produciendo la filtración del componente solvente, es decir, ósmosis inversa.

 

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