La ósmosis inversa ( RO ) es un proceso de purificación de agua que utiliza una membrana semipermeable para separar las moléculas de agua de otras sustancias. La RO aplica presión para superar la presión osmótica que favorece distribuciones uniformes. La RO puede eliminar especies químicas disueltas o suspendidas , así como sustancias biológicas (principalmente bacterias ), y se utiliza en procesos industriales y en la producción de agua potable . La RO retiene el soluto en el lado presurizado de la membrana y el disolvente purificado pasa al otro lado. Los tamaños relativos de las distintas moléculas determinan lo que pasa a través de ella. Las membranas "selectivas" rechazan las moléculas grandes, mientras que aceptan moléculas más pequeñas (como las moléculas de disolvente, por ejemplo, el agua). [1]
La ósmosis inversa es más conocida por su uso en la purificación de agua potable a partir de agua de mar , eliminando la sal y otros materiales efluentes de las moléculas de agua. [2]
En 2013, la planta de desalinización por ósmosis inversa más grande del mundo estaba en Sorek, Israel , con una producción de 624 mil metros cúbicos por día (165 millones de galones estadounidenses por día). [3]
En 1748, Jean-Antoine Nollet observó por primera vez un proceso de ósmosis a través de membranas semipermeables . Durante los 200 años siguientes, la ósmosis fue solo un fenómeno de laboratorio. En 1950, la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) investigó por primera vez la desalinización osmótica . Los investigadores de la UCLA y la Universidad de Florida desalinizaron agua de mar a mediados de la década de 1950, pero el flujo era demasiado bajo para ser comercialmente viable. [4] Sidney Loeb en la UCLA y Srinivasa Sourirajan [5] en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá , Ottawa, encontraron técnicas para fabricar membranas asimétricas caracterizadas por una capa de "piel" efectivamente delgada sostenida sobre una región de sustrato altamente porosa y mucho más gruesa. John Cadotte, de la corporación Filmtec , descubrió que se podían fabricar membranas con un flujo particularmente alto y un paso de sal bajo mediante polimerización interfacial de m -fenilendiamina y cloruro de trimesoilo. La patente de Cadotte sobre este proceso [6] fue objeto de litigio y expiró. Casi todas las membranas de ósmosis inversa comerciales se fabrican ahora con este método. En 2019, aproximadamente 16.000 plantas de desalinización operaban en todo el mundo, produciendo alrededor de 95 millones de metros cúbicos por día (25 mil millones de galones estadounidenses por día). Aproximadamente la mitad de esta capacidad se encontraba en la región de Medio Oriente y el norte de África. [7]
En 1977, Cape Coral , Florida, se convirtió en el primer municipio de EE. UU. en utilizar ósmosis inversa a gran escala, con una capacidad operativa inicial de 11,35 millones de litros (3 millones de galones estadounidenses) por día. En 1985, el rápido crecimiento llevó a la ciudad a operar la planta de ósmosis inversa de baja presión más grande del mundo, produciendo 56,8 millones de litros (15 millones de galones estadounidenses) por día (MGD). [8]
En la ósmosis (directa) , el disolvente se mueve desde un área de baja concentración de soluto (alto potencial hídrico ), a través de una membrana, a un área de alta concentración de soluto (bajo potencial hídrico). La fuerza impulsora del movimiento del disolvente es la reducción de la energía libre de Gibbs del sistema en la que se reduce la diferencia de concentración de disolvente entre los lados de una membrana. Esto se llama presión osmótica. Se reduce a medida que el disolvente se mueve hacia la solución más concentrada. Por lo tanto, la aplicación de una presión externa para invertir el flujo natural del disolvente puro se conoce como ósmosis inversa. El proceso es similar a otras aplicaciones de tecnología de membrana.
La ósmosis inversa se diferencia de la filtración en que el mecanismo de flujo del fluido se invierte, ya que el disolvente cruza la membrana, dejando atrás el soluto. El mecanismo de eliminación predominante en la filtración por membrana es el filtrado o exclusión por tamaño, donde los poros son de 0,01 micrómetros o más grandes, por lo que el proceso puede alcanzar teóricamente una eficiencia perfecta independientemente de parámetros como la presión y la concentración de la solución. En cambio, la ósmosis inversa implica la difusión del disolvente a través de una membrana que no es porosa o utiliza nanofiltración con poros de 0,001 micrómetros de tamaño. El mecanismo de eliminación predominante proviene de las diferencias en la solubilidad o difusividad , y el proceso depende de la presión , la concentración del soluto y otras condiciones. [9]
La ósmosis inversa requiere una presión de entre 2 y 17 bares (30 y 250 psi ) para agua dulce y salobre, y de entre 40 y 82 bares (600 y 1200 psi) para agua de mar. El agua de mar tiene una presión osmótica natural de alrededor de 27 bares (390 psi) [10] que se debe superar.
Los tamaños de poro de la membrana varían de 0,1 a 5000 nm. La filtración de partículas elimina partículas de 1 μm o más grandes. La microfiltración elimina partículas de 50 nm o más grandes. La ultrafiltración elimina partículas de aproximadamente 3 nm o más grandes. La nanofiltración elimina partículas de 1 nm o más grandes. La ósmosis inversa se encuentra en la última categoría de la filtración por membrana, la hiperfiltración, y elimina partículas de más de 0,1 nm. [11]
En todo el mundo, los sistemas de purificación de agua potable a nivel doméstico , incluido el paso de ósmosis inversa, se utilizan comúnmente para mejorar el agua para beber y cocinar.
Estos sistemas normalmente incluyen estos pasos:
En algunos sistemas, el prefiltro de carbón se reemplaza por una membrana de triacetato de celulosa (CTA). El CTA es una membrana derivada del papel unida a una capa sintética que permite el contacto con el cloro del agua. Estos sistemas requieren una pequeña cantidad de cloro en la fuente de agua para evitar que se formen bacterias en ella. La tasa de rechazo típica de las membranas de CTA es del 85 al 95 %.
La membrana de triacetato de celulosa se pudre a menos que esté protegida por agua clorada , mientras que la membrana compuesta de película delgada se descompone en presencia de cloro. La membrana compuesta de película delgada (TFC) está hecha de material sintético y requiere que se elimine el cloro antes de que el agua ingrese a la membrana. Para proteger los elementos de la membrana TFC del daño del cloro, se utilizan filtros de carbón como pretratamiento. Las membranas TFC tienen una tasa de rechazo más alta del 95 al 98 % y una vida útil más larga que las membranas CTA.
Los procesadores de agua portátiles por ósmosis inversa se venden para el consumo personal. Para que funcionen de manera eficaz, el agua que alimenta a estas unidades debe estar bajo presión (normalmente 280 kPa (40 psi) o más). [12] Estos procesadores se pueden utilizar en zonas donde no hay agua limpia.
En Estados Unidos, la producción de agua mineral se realiza mediante ósmosis inversa. En Europa, este tipo de procesamiento del agua mineral natural (tal como se define en una directiva europea) [13] no está permitido. En la práctica, una fracción de las bacterias vivas pasan a través de la ósmosis inversa a través de imperfecciones de la membrana o la evitan por completo a través de fugas en los sellos.
Para la purificación del hogar sin necesidad de eliminar minerales disueltos (ablandar el agua), la alternativa a la ósmosis inversa es un filtro de carbón activado con una membrana de microfiltración.
Una unidad de desalinización alimentada con energía solar produce agua potable a partir de agua salada mediante el uso de un sistema fotovoltaico para suministrar la energía. La energía solar funciona bien para la purificación del agua en lugares que carecen de red eléctrica y puede reducir los costos operativos y las emisiones de gases de efecto invernadero . Por ejemplo, una unidad de desalinización alimentada con energía solar diseñada pasó las pruebas en el Territorio del Norte de Australia . [14]
La naturaleza intermitente de la luz solar dificulta la predicción de la producción sin una capacidad de almacenamiento de energía. Sin embargo, las baterías o los sistemas de almacenamiento de energía térmica pueden proporcionar energía cuando el sol no lo hace. [15]
Existen unidades de purificación de agua por ósmosis inversa (ROWPU) de mayor escala para uso militar. Estas han sido adoptadas por las fuerzas armadas de los Estados Unidos y las fuerzas canadienses . Algunos modelos están en contenedores , otros son remolques y algunos son vehículos. [ cita requerida ]
El agua se trata con un polímero para iniciar la coagulación . A continuación, pasa por un filtro multicapa donde se somete a un tratamiento primario, eliminando la turbidez . A continuación, se bombea a través de un filtro de cartucho que suele ser de algodón enrollado en espiral. Este proceso elimina las partículas de más de 5 μm y elimina casi toda la turbidez.
El agua clarificada se introduce luego a través de una bomba de pistón de alta presión en una serie de recipientes de ósmosis inversa. Se eliminan entre el 90,00 y el 99,98 % de los sólidos disueltos totales del agua cruda y las normas militares exigen que el resultado no tenga más de 1000 a 1500 partes por millón según la medida de conductividad eléctrica . Luego se desinfecta con cloro . [ cita requerida ]
El agua de lluvia purificada por ósmosis inversa recogida de los desagües pluviales se utiliza para el riego de jardines y la refrigeración industrial en Los Ángeles y otras ciudades.
En la industria, la ósmosis inversa elimina los minerales del agua de las calderas de las centrales eléctricas . [16] El agua se destila varias veces para garantizar que no deje depósitos en la maquinaria ni provoque corrosión.
La ósmosis inversa se utiliza para limpiar efluentes y aguas subterráneas salobres . Los efluentes en grandes volúmenes (más de 500 m3 / día) se tratan primero en una planta de tratamiento de agua y luego pasan por ósmosis inversa. Este proceso híbrido reduce significativamente el costo del tratamiento y alarga la vida útil de la membrana.
La ósmosis inversa se puede utilizar para la producción de agua desionizada . [17]
En 2002, Singapur anunció que un proceso denominado NEWater sería una parte importante de sus planes hídricos. Se utilizaría ósmosis inversa para tratar las aguas residuales antes de verter el efluente en los embalses.
La ósmosis inversa es una forma más económica de concentrar líquidos (como jugos de frutas) que el tratamiento térmico convencional. La concentración de jugo de naranja y tomate tiene ventajas que incluyen un menor costo operativo y la capacidad de evitar el tratamiento térmico, lo que lo hace adecuado para sustancias sensibles al calor, como proteínas y enzimas .
La ósmosis inversa se utiliza en la industria láctea para producir polvos de proteína de suero y leche concentrada. El suero (líquido que queda después de la fabricación del queso) se concentra con ósmosis inversa desde un 6 % de sólidos hasta un 10-20 % de sólidos antes del procesamiento por ultrafiltración . El retenido se puede utilizar luego para hacer polvos de suero, incluido el aislado de proteína de suero. Además, el permeado, que contiene lactosa , se concentra mediante ósmosis inversa desde un 5 % de sólidos hasta un 18 % de sólidos totales para reducir los costos de cristalización y secado.
Aunque antes se evitaba la ósmosis inversa en la industria del vino, ahora está muy extendida. Se calcula que en 2002 había en uso 60 máquinas de ósmosis inversa en Burdeos (Francia). Entre los usuarios conocidos se encuentran muchas empresas de élite, como Château Léoville-Las Cases .
En 1946, algunos productores de jarabe de arce comenzaron a utilizar la ósmosis inversa para eliminar el agua de la savia antes de hervirla para obtener el jarabe . La ósmosis inversa permite eliminar entre el 75 y el 90 % del agua, lo que reduce el consumo de energía y la exposición del jarabe a altas temperaturas.
Cuando la cerveza en una concentración típica se somete a ósmosis inversa, tanto el agua como el alcohol pasan a través de la membrana con mayor facilidad que otros componentes, lo que da lugar a un "concentrado de cerveza". A continuación, el concentrado se diluye con agua fresca para restaurar los componentes no volátiles a su intensidad original. [18]
Para la producción de hidrógeno a pequeña escala , a veces se utiliza ósmosis inversa para evitar la formación de depósitos minerales en la superficie de los electrodos .
Muchos propietarios de acuarios de arrecife utilizan sistemas de ósmosis inversa para producir agua de mar apta para los peces. El agua corriente corriente puede contener un exceso de cloro , cloraminas , cobre , nitratos , nitritos , fosfatos , silicatos u otros productos químicos perjudiciales para los organismos marinos. Los contaminantes como el nitrógeno y los fosfatos pueden provocar el crecimiento de algas no deseadas. Una combinación eficaz de ósmosis inversa y desionización es popular entre los propietarios de acuarios de arrecife y se prefiere por encima de otros procesos de purificación de agua debido al bajo coste de propiedad y de funcionamiento. Cuando se encuentran cloro y cloraminas en el agua, se necesita una filtración con carbón antes de la ósmosis inversa, ya que las membranas residenciales comunes no abordan estos compuestos.
Los acuaristas de agua dulce también utilizan la ósmosis inversa para reproducir las aguas blandas que se encuentran en muchas aguas tropicales. Si bien muchos peces tropicales pueden sobrevivir en agua del grifo tratada, la reproducción puede resultar imposible. Muchas tiendas de acuarios venden recipientes de agua de ósmosis inversa para este propósito.
Un método cada vez más popular para limpiar ventanas es el sistema de "pértiga alimentada con agua". En lugar de lavar las ventanas con detergente convencional, se frotan con agua purificada, que normalmente contiene menos de 10 ppm de sólidos disueltos, utilizando un cepillo en el extremo de una pértiga empuñada desde el nivel del suelo. La ósmosis inversa se utiliza habitualmente para purificar el agua.
El tratamiento con ósmosis inversa es limitado, lo que da como resultado bajas recuperaciones en altas concentraciones (medidas con conductividad eléctrica ) y ensuciamiento de la membrana. La aplicabilidad de la ósmosis inversa está limitada por la conductividad, los compuestos orgánicos y los elementos inorgánicos incrustantes como CaSO4 , Si, Fe y Ba. El bajo incrustamiento orgánico puede utilizar dos tecnologías diferentes: membrana enrollada en espiral y (para un alto incrustamiento orgánico, alta conductividad y mayor presión (hasta 90 bares)), se pueden utilizar módulos de tubo de disco con membranas de ósmosis inversa. Los módulos de tubo de disco se rediseñaron para la purificación de lixiviados de vertederos que generalmente están contaminados con material orgánico. Debido al flujo cruzado, se le da una bomba amplificadora de flujo que recircula el flujo sobre la membrana entre 1,5 y 3 veces antes de liberarlo como concentrado. La alta velocidad protege contra el incrustamiento de la membrana y permite la limpieza de la membrana.
Las áreas que tienen aguas superficiales o subterráneas limitadas pueden optar por la desalinización . La ósmosis inversa es un método cada vez más común, debido a su consumo de energía relativamente bajo. [19]
El consumo de energía es de alrededor de 3 kWh/m 3 (11.000 J/L), con el desarrollo de dispositivos de recuperación de energía más eficientes y materiales de membrana mejorados. Según la Asociación Internacional de Desalación , para 2011, la ósmosis inversa se utilizó en el 66% de la capacidad de desalinización instalada (0,0445 de 0,0674 km 3 /día), y casi todas las plantas nuevas. [20] Otras plantas utilizan métodos de destilación térmica: destilación de efecto múltiple y flash de múltiples etapas .
La desalinización por ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) requiere alrededor de 3 kWh/m 3 , una cantidad mucho mayor que la requerida para otras formas de suministro de agua, incluido el tratamiento de aguas residuales por ósmosis inversa, que oscila entre 0,1 y 1 kWh/m 3 . Hasta el 50 % del agua de mar que entra se puede recuperar como agua dulce, aunque unas tasas de recuperación más bajas pueden reducir la suciedad de las membranas y el consumo de energía.
La ósmosis inversa de agua salobre (BWRO) es la desalinización de agua con menos sal que el agua de mar, generalmente de estuarios de ríos o pozos salinos. El proceso es básicamente el mismo que el de la ósmosis inversa de agua salobre, pero requiere presiones más bajas y menos energía. [1] Hasta el 80% del agua de alimentación se puede recuperar como agua dulce, dependiendo de la salinidad de la alimentación.
La planta desalinizadora de Ashkelon en Israel es la más grande del mundo. [21] [22] [23]
El sistema típico de ósmosis inversa de un solo paso consta de:
El pretratamiento es importante cuando se trabaja con membranas de nanofiltración debido a su diseño en espiral. El material está diseñado para permitir el flujo en una sola dirección. El diseño no permite el contrapulsado con agua o agitación con aire para limpiar su superficie y eliminar los sólidos acumulados. Dado que el material no se puede eliminar de la superficie de la membrana, es susceptible a ensuciarse (pérdida de capacidad de producción). Por lo tanto, el pretratamiento es una necesidad para cualquier sistema de ósmosis inversa o nanofiltración. El pretratamiento tiene cuatro componentes principales:
La bomba de alta presión impulsa el agua a través de la membrana. Las presiones típicas para el agua salobre varían de 1,6 a 2,6 MPa (225 a 376 psi). En el caso del agua de mar, varían de 5,5 a 8 MPa (800 a 1180 psi). Esto requiere una cantidad considerable de energía. Cuando se utiliza la recuperación de energía, parte del trabajo de la bomba de alta presión lo realiza el dispositivo de recuperación de energía, lo que reduce el consumo de energía.
El conjunto de membranas consta de un recipiente a presión con una membrana que permite que el agua de alimentación sea empujada contra él. La membrana debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar la presión. Las membranas de ósmosis inversa se fabrican en una variedad de configuraciones. Las dos más comunes son las de espiral y las de fibra hueca .
Sólo una parte del agua bombeada a la membrana pasa a través de ella. El "concentrado" que queda pasa por el lado salino de la membrana y elimina la sal y otros restos. El porcentaje de agua desalinizada es el "índice de recuperación". Esto varía en función de la salinidad y los parámetros de diseño del sistema: normalmente, el 20 % para los sistemas de agua de mar pequeños, el 40 % - 50 % para los sistemas de agua de mar más grandes y el 80 % - 85 % para el agua salobre. El flujo de concentrado suele ser 3 bar/50 psi menor que la presión de alimentación y, por lo tanto, retiene gran parte de la energía de entrada.
La pureza del agua desalinizada es una función de la salinidad del agua de alimentación, la selección de la membrana y la tasa de recuperación. Para lograr una mayor pureza, se puede agregar un segundo paso que generalmente requiere otro ciclo de bombeo. La pureza expresada como sólidos disueltos totales varía típicamente de 100 a 400 partes por millón (ppm o mg/litro) en una alimentación de agua de mar. Un nivel de 500 ppm es generalmente el límite superior para el agua potable, mientras que la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE. UU. clasifica el agua mineral como agua que contiene al menos 250 ppm.
La recuperación de energía puede reducir el consumo de energía en un 50% o más. Gran parte de la energía de entrada se puede recuperar del flujo de concentrado, y la creciente eficiencia de los dispositivos de recuperación de energía reduce en gran medida los requisitos de energía. Los dispositivos utilizados, en orden de invención, son:
El agua desalinizada se estabiliza para proteger las tuberías y el almacenamiento aguas abajo, generalmente agregando cal o soda cáustica para evitar la corrosión de las superficies revestidas de hormigón. El material de encalado se utiliza para ajustar el pH entre 6,8 y 8,1 para cumplir con las especificaciones del agua potable, principalmente para una desinfección eficaz y para el control de la corrosión. Puede ser necesaria la remineralización para reemplazar los minerales eliminados del agua por la desalinización, aunque este proceso ha demostrado ser costoso e inconveniente para satisfacer la demanda de minerales de los humanos y las plantas que se encuentran en el agua dulce típica. Por ejemplo, el agua del transportista nacional de agua de Israel generalmente contiene niveles de magnesio disuelto de 20 a 25 mg/litro, mientras que el agua de la planta de Ashkelon no tiene magnesio. El agua de Ashkelon creó síntomas de deficiencia de magnesio en los cultivos, incluidos los tomates, la albahaca y las flores, y tuvo que remediarse mediante fertilización. Las normas israelíes para el agua potable requieren un nivel mínimo de calcio de 20 mg/litro. El tratamiento posterior a la desalinización de Askelon utiliza ácido sulfúrico para disolver la calcita (piedra caliza), lo que da como resultado concentraciones de calcio de 40 a 46 mg/litro, inferiores a los 45 a 60 mg/litro que se encuentran en el agua dulce israelí típica.
La desinfección posterior al tratamiento proporciona protección secundaria contra el deterioro de las membranas y los problemas posteriores. La desinfección mediante lámparas ultravioleta (UV) (a veces llamadas germicidas o bactericidas) se puede emplear para esterilizar los patógenos que evaden el proceso de ósmosis inversa. La cloración o cloraminación (cloro y amoníaco) protege contra los patógenos que pueden haberse alojado en el sistema de distribución posterior. [29]
Los sistemas industriales y municipales a gran escala normalmente recuperan entre el 75% y el 80% del agua de alimentación, o hasta el 90%, porque pueden generar la mayor presión requerida.
Las unidades de ósmosis inversa domésticas utilizan mucha agua porque tienen baja contrapresión. Los purificadores de agua de ósmosis inversa domésticos suelen producir un litro de agua utilizable y entre 3 y 25 litros de aguas residuales . [30] El resto se descarga, normalmente en el desagüe. Debido a que las aguas residuales transportan los contaminantes rechazados, la recuperación de esta agua no es práctica para los sistemas domésticos. Las aguas residuales suelen entregarse a los desagües de la casa. Una unidad de ósmosis inversa que entrega 20 litros (5,3 galones estadounidenses) de agua tratada por día también descarga entre 50 y 80 litros (13 y 21 galones estadounidenses). Esto llevó al Tribunal Verde Nacional de la India a proponer la prohibición de los sistemas de purificación de agua de ósmosis inversa en áreas donde la medida de sólidos disueltos totales (TDS) en el agua es inferior a 500 mg/litro. [ cita requerida ] En Delhi , el uso a gran escala de dispositivos de ósmosis inversa domésticos ha aumentado la demanda total de agua del Territorio de la Capital Nacional de la India, que ya tiene escasez de agua . [31]
La ósmosis inversa elimina tanto los contaminantes nocivos como los minerales deseables. Algunos estudios indican cierta relación entre los efectos a largo plazo sobre la salud y el consumo de agua con bajo contenido de calcio y magnesio , aunque estos estudios son de baja calidad. [32]
Dependiendo del producto deseado, la corriente de solvente o soluto de RO será un desecho. Para aplicaciones de concentración de alimentos, la corriente de soluto concentrado es el producto y la corriente de solvente es un desecho. Para aplicaciones de tratamiento de agua, la corriente de solvente es agua purificada y la corriente de soluto es un desecho concentrado. [33] La corriente de desecho de solvente del procesamiento de alimentos se puede utilizar como agua recuperada , pero puede haber menos opciones para la eliminación de una corriente de soluto de desecho concentrado. Los barcos pueden utilizar vertidos marinos y las plantas de desalinización costeras suelen utilizar emisarios marinos . Las plantas de RO sin salida al mar pueden requerir estanques de evaporación o pozos de inyección para evitar contaminar las aguas subterráneas o la escorrentía superficial . [34]
Las membranas de ósmosis inversa actuales, membranas de poliamida compuestas de película delgada (TFC), se están estudiando para encontrar formas de mejorar su permeabilidad. A través de nuevos métodos de imagen, los investigadores pudieron hacer modelos 3D de membranas y examinar cómo fluía el agua a través de ellas. Descubrieron que las membranas TFC con áreas de bajo flujo reducían significativamente la permeabilidad del agua. [35] Al garantizar la uniformidad de las membranas y permitir que el agua fluya continuamente sin disminuir la velocidad, la permeabilidad de la membrana podría mejorarse en un 30%-40%. [36]
Las investigaciones han examinado la integración de la ósmosis inversa con la electrodiálisis para mejorar la recuperación de productos desionizados valiosos o para reducir los volúmenes de concentrado.
Otro enfoque es la ósmosis inversa multietapa de alta recuperación y baja presión (LPHR). Produce salmuera concentrada y agua dulce haciendo circular el producto resultante repetidamente a través de una membrana relativamente porosa a una presión relativamente baja. Cada ciclo elimina impurezas adicionales. Una vez que el producto resultante es relativamente puro, se envía a través de una membrana de ósmosis inversa convencional a una presión convencional para completar el paso de filtración. Se descubrió que la LPHR era económicamente viable, ya que recupera más del 70 % con una OPD entre 58 y 65 bar y no deja más de 350 ppm de TDS de una alimentación de agua de mar con 35 000 ppm de TDS.
Los nanotubos de carbono tienen como objetivo resolver potencialmente el típico equilibrio entre la permeabilidad y la selectividad de las membranas de ósmosis inversa. Los nanotubos de carbono presentan muchas características ideales, entre ellas: resistencia mecánica, afinidad electrónica y también flexibilidad durante la modificación. Al reestructurar los nanotubos de carbono y recubrirlos o impregnarlos con otros compuestos químicos, los científicos pueden fabricar estas membranas para que tengan todas las características más deseables. La esperanza con las membranas de nanotubos de carbono es encontrar una combinación de alta permeabilidad al agua y, al mismo tiempo, reducir la cantidad de solutos neutros extraídos del agua. Esto ayudaría a reducir los costos de energía y el costo de la remineralización después de la purificación a través de la membrana. [37]
Las membranas de grafeno están diseñadas para aprovechar su delgadez para aumentar la eficiencia. El grafeno es una capa singular de átomos de carbono, por lo que es aproximadamente 1000 veces más delgada que las membranas existentes. Las membranas de grafeno tienen un espesor de alrededor de 100 nm, mientras que las membranas actuales tienen aproximadamente 100 μm. Muchos investigadores estaban preocupados por la durabilidad del grafeno y si sería capaz de soportar las presiones de ósmosis inversa. Una nueva investigación descubre que, dependiendo del sustrato (una capa de soporte que no filtra y solo proporciona soporte estructural), las membranas de grafeno pueden soportar una presión de 57 MPa, que es aproximadamente 10 veces las presiones típicas de la ósmosis inversa del agua de mar. [38]
La ósmosis inversa por lotes puede ofrecer una mayor eficiencia energética , equipos más duraderos y límites de salinidad más elevados.
El enfoque convencional sostenía que las moléculas cruzaban la membrana individualmente. Un equipo de investigación ideó una teoría de "solución-fricción", que sostenía que las moléculas en grupos atravesaban poros transitorios. La caracterización de ese proceso podría guiar el desarrollo de la membrana. La teoría aceptada es que las moléculas de agua individuales se difunden a través de la membrana, denominada modelo de "solución-difusión". [39]
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