La ósmosis directa ( FO ) es un proceso osmótico que, al igual que la ósmosis inversa (OI), utiliza una membrana semipermeable para separar el agua de los solutos disueltos. La fuerza impulsora de esta separación es un gradiente de presión osmótica , de modo que se utiliza una solución de "extracción" de alta concentración (en relación con la de la solución de alimentación) para inducir un flujo neto de agua a través de la membrana hacia la solución de extracción, separando así eficazmente el agua de alimentación de sus solutos. Por el contrario, el proceso de ósmosis inversa utiliza la presión hidráulica como fuerza impulsora de la separación, que sirve para contrarrestar el gradiente de presión osmótica que, de lo contrario, favorecería el flujo de agua desde el permeado hasta la alimentación. Por lo tanto, se requiere significativamente más energía para la ósmosis inversa en comparación con la ósmosis directa.
La ecuación más simple que describe la relación entre las presiones osmótica e hidráulica y el flujo de agua (disolvente) es:
donde es el flujo de agua , A es la permeabilidad hidráulica de la membrana, Δπ es la diferencia en las presiones osmóticas en los dos lados de la membrana y ΔP es la diferencia en la presión hidrostática (los valores negativos de indican flujo osmótico inverso). El modelado de estas relaciones es en la práctica más complejo de lo que indica esta ecuación, ya que el flujo depende de las características de la membrana, la alimentación y la solución de extracción, así como de la dinámica de fluidos dentro del proceso en sí. [1]
El flujo de solutos ( ) para cada soluto individual se puede modelar mediante la ley de Fick
Donde es el coeficiente de permeabilidad del soluto y es el diferencial de concentración transmembrana para el soluto. De esta ecuación de gobierno se desprende claramente que un soluto se difundirá desde un área de alta concentración a un área de baja concentración si los solutos pueden difundirse a través de una membrana. Esto es bien conocido en la ósmosis inversa, donde los solutos del agua de alimentación se difunden al agua del producto; sin embargo, en el caso de la ósmosis directa, la situación puede ser mucho más complicada.
En los procesos de FO podemos tener difusión de solutos en ambas direcciones dependiendo de la composición de la solución de extracción, el tipo de membrana utilizada y las características del agua de alimentación. El flujo de soluto inverso ( ) hace dos cosas; los solutos de la solución de extracción pueden difundirse a la solución de alimentación y los solutos de la solución de alimentación pueden difundirse a la solución de extracción. Claramente, estos fenómenos tienen consecuencias en términos de la selección de la solución de extracción para cualquier proceso de FO en particular. Por ejemplo, la pérdida de solución de extracción puede afectar a la solución de alimentación quizás debido a problemas ambientales o contaminación de la corriente de alimentación, como en los biorreactores de membrana osmótica.
Una distinción adicional entre los procesos de ósmosis inversa (OI) y ósmosis directa (OF) es que el agua de permeado resultante de un proceso de OI es en la mayoría de los casos agua dulce lista para su uso. En el caso de la OF, se requiere un proceso adicional para separar el agua dulce de una solución de extracción diluida. Los tipos de procesos utilizados son la ósmosis inversa, la extracción por solvente, la extracción magnética y la termolítica. Dependiendo de la concentración de solutos en la alimentación (que determina la concentración necesaria de solutos en la extracción) y del uso previsto del producto del proceso de OF, puede que no se requiera la adición de un paso de separación. La separación por membrana del proceso de OF en efecto da como resultado un "intercambio" entre los solutos de la solución de alimentación y la solución de extracción.
El proceso de ósmosis directa también se conoce como ósmosis o, en el caso de varias empresas que han acuñado su propia terminología, "ósmosis diseñada" y "ósmosis manipulada".
Un ejemplo de una aplicación de este tipo se puede encontrar en las "bolsas de hidratación", que utilizan un soluto de extracción ingerible y están destinadas a la separación del agua de los alimentos diluidos . Esto permite, por ejemplo, la ingestión de agua de aguas superficiales (arroyos, estanques, charcos, etc.) que se puede esperar que contengan patógenos o toxinas que son fácilmente rechazados por la membrana de FO. Con un tiempo de contacto suficiente, dicha agua permeará la bolsa de membrana hacia la solución de extracción, dejando atrás los componentes indeseables del alimento. La solución de extracción diluida puede entonces ingerirse directamente. Normalmente, los solutos de extracción son azúcares como la glucosa o la fructosa , que proporcionan el beneficio adicional de la nutrición al usuario del dispositivo de FO. Un punto de interés adicional con dichas bolsas es que se pueden utilizar fácilmente para reciclar la orina , lo que amplía en gran medida la capacidad de un mochilero o un soldado para sobrevivir en entornos áridos. [2] Este proceso también puede, en principio, emplearse con fuentes de alimentación de agua salina altamente concentrada, como el agua de mar, ya que uno de los primeros usos previstos del FO con solutos ingeribles fue la supervivencia en balsas salvavidas en el mar. [3]
El agua desalinizada se puede producir a partir de la solución diluida de agente osmótico/extractor, utilizando un segundo proceso. Esto puede ser por separación de membrana, método térmico, separación física o una combinación de estos procesos. El proceso tiene la característica de generar un ensuciamiento inherentemente bajo debido al primer paso de ósmosis directa, a diferencia de las plantas de desalinización por ósmosis inversa convencionales donde el ensuciamiento es a menudo un problema. Modern Water ha implementado plantas de desalinización basadas en ósmosis directa en Gibraltar y Omán. [4] [5] [6] En marzo de 2010, la revista National Geographic [7] citó la ósmosis directa como una de las tres tecnologías que prometían reducir los requisitos energéticos de la desalinización.
Otra aplicación desarrollada, en la que sólo se utiliza el paso de ósmosis directa, es en el agua de reposición para enfriamiento por evaporación. En este caso, el agua de enfriamiento es la solución de extracción y el agua perdida por evaporación simplemente se reemplaza utilizando agua producida por ósmosis directa a partir de una fuente adecuada, como agua de mar, agua salobre, efluente de aguas residuales tratadas o aguas residuales industriales. Por lo tanto, en comparación con otros procesos de " desalinización " que se pueden utilizar para el agua de reposición, el consumo de energía es una fracción de estos con la ventaja adicional de la baja propensión a la contaminación de un proceso de ósmosis directa. [8] [9] [10]
En el caso en que el producto deseado sea agua dulce que no contenga solutos de extracción, se requiere un segundo paso de separación. El primer paso de separación de FO, impulsado por un gradiente de presión osmótica, no requiere un aporte significativo de energía (solo agitación o bombeo sin presión de las soluciones involucradas). Sin embargo, el segundo paso de separación generalmente requiere un aporte de energía. Un método utilizado para el segundo paso de separación es emplear ósmosis inversa. Este enfoque se ha utilizado, por ejemplo, en el tratamiento de lixiviados de vertederos . Se utiliza una separación de membrana de FO para extraer agua de la alimentación de lixiviados en una salmuera salina (NaCl). Luego, la salmuera diluida pasa a través de un proceso de ósmosis inversa para producir agua dulce y un concentrado de salmuera reutilizable. La ventaja de este método no es un ahorro de energía, sino más bien el hecho de que el proceso de FO es más resistente a la suciedad de la alimentación de lixiviados que un proceso de ósmosis inversa solo. [11] Se ha utilizado un híbrido de FO/OI similar para la concentración de productos alimenticios, como jugo de frutas. [12]
La concentración de salmuera mediante ósmosis directa se puede lograr utilizando una solución de extracción de alta presión osmótica con un medio para recuperarla y regenerarla. Uno de estos procesos utiliza el proceso de ósmosis directa de amoníaco-dióxido de carbono (NH3/CO2) inventado en la Universidad de Yale [13] [14] por Rob McGinnis, quien posteriormente fundó Oasys Water para comercializar la tecnología. [15] [16] Debido a que el amoníaco y el dióxido de carbono se disocian fácilmente en gases utilizando calor, los solutos extraídos se pueden recuperar y reutilizar de manera efectiva en un sistema de circuito cerrado, logrando la separación a través de la conversión entre la energía térmica y la presión osmótica. La concentración de salmuera de NH3 / CO2FO se demostró inicialmente en la industria del petróleo y el gas para tratar el agua producida en el área de la Cuenca Pérmica de Texas, y actualmente se está utilizando en plantas de energía y fabricación en China. [17] [18]
Una aplicación no explotada [19] es 'suavizar' o pretratar el agua de alimentación a plantas de destilación de efecto múltiple (MED ) o de flash multietapa (MSF ) mediante la dilución osmótica de la salmuera recirculante con el agua de enfriamiento. Esto reduce las concentraciones de carbonato de calcio y sulfato de calcio formadores de incrustaciones en comparación con el proceso normal, lo que permite un aumento en la temperatura de la salmuera superior (TBT), la producción y la relación de producción ganada (GOR). Darwish et al. [20] demostraron que la TBT podría elevarse de 110 °C a 135 °C manteniendo el mismo índice de incrustación para el sulfato de calcio.
Aunque el tratamiento osmótico de productos alimenticios (por ejemplo, frutas y carnes en conserva) es muy común en la industria alimentaria, [21] el tratamiento con FO para la concentración de bebidas y alimentos líquidos solo se ha estudiado a escala de laboratorio. [22] [23] [24] [25] [26] La FO tiene varias ventajas como proceso para concentrar bebidas y alimentos líquidos, incluida la operación a bajas temperaturas y bajas presiones que promueven una alta retención de valor sensorial (por ejemplo, sabor, aroma, color) y nutricional (por ejemplo, vitaminas), alto rechazo y ensuciamiento de membrana potencialmente bajo en comparación con los procesos de membrana impulsados por presión. [27]
En 1954, Pattle [28] sugirió que existía una fuente de energía sin explotar cuando un río se mezcla con el mar, en términos de la presión osmótica perdida, sin embargo, no fue hasta mediados de los años 70 cuando se describió un método práctico para explotarla utilizando membranas selectivamente permeables por Loeb [29] e independientemente por Jellinek [30] . Este proceso fue denominado por Loeb ósmosis retardada por presión (PRO) y una implementación simplista se muestra en la página opuesta. Algunas situaciones que se pueden prever para explotarlo son el uso de la presión osmótica diferencial entre un río de agua salobre baja que desemboca en el mar, o salmuera y agua de mar. El potencial teórico mundial para la energía osmótica se ha estimado en 1.650 TWh / año. [31]
En tiempos más recientes, Statkraft, la empresa energética estatal noruega, ha llevado a cabo y financiado una cantidad significativa de trabajos de investigación y desarrollo. Se construyó una planta prototipo en Noruega que genera una potencia bruta de entre 2 y 4 kW; véase el prototipo de energía osmótica de Statkraft en Hurum . Se consideró una planta mucho más grande con una potencia de entre 1 y 2 MW en Sunndalsøra, 400 km al norte de Oslo [32] , pero posteriormente se descartó. [33] La Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO) en Japón está financiando trabajos sobre energía osmótica. [34]
La ósmosis directa (FO) tiene muchos aspectos positivos en el tratamiento de efluentes industriales que contienen muchos tipos diferentes de contaminantes y también en el tratamiento de aguas saladas. [35] Cuando estos efluentes de extracción tienen concentraciones moderadas a bajas de agentes eliminables, las membranas de FO son realmente eficientes y tienen la flexibilidad de adaptar la membrana dependiendo de la calidad deseada para el agua producto. Los sistemas de FO también son realmente útiles cuando se utilizan combinados con otros tipos de sistemas de tratamiento ya que compensan las deficiencias que puedan tener los otros sistemas. Esto también es útil en procesos donde la recuperación de un determinado producto es esencial para minimizar los costos o para mejorar la eficiencia como los procesos de producción de biogás.
La principal desventaja de los procesos de FO es el alto factor de ensuciamiento que pueden experimentar. Esto ocurre cuando se trata un efluente de extracción altamente saturado, lo que hace que la membrana se obstruya y deje de realizar su función. Esto implica que el proceso debe detenerse y limpiar la membrana. Este problema ocurre menos en otros tipos de tratamientos de membrana, ya que tienen presión artificial que fuerza a traspasar la membrana, lo que reduce el efecto de ensuciamiento. También existe un problema con la tecnología de membranas aún por desarrollar. Esto afecta a los procesos de FO, ya que las membranas utilizadas son caras y no son muy eficientes o ideales para la función deseada. Esto significa que muchas veces se utilizan otros sistemas más baratos y simples en lugar de membranas.
Actualmente, la industria utiliza pocos procesos de membranas de FO (y tecnologías de membranas en general) ya que son procesos complejos que también son caros y requieren muchos procedimientos de limpieza y que a veces solo funcionan bajo ciertas condiciones que en la industria no siempre se pueden garantizar. Por ese motivo, el enfoque para el futuro en membranas es mejorar la tecnología para que sea más flexible y adecuada para el uso industrial general. Esto se hará invirtiendo en investigación y llevando lentamente estos desarrollos al mercado para que el costo de producción se reduzca a medida que se produzcan más membranas. Siguiendo el desarrollo actual, se puede asegurar que en pocos años, las membranas se utilizarán ampliamente en muchos procesos industriales diferentes (no solo en tratamientos de agua) y que aparecerán muchos campos en los que se puedan utilizar procesos de FO.
Un área de investigación actual en FO implica la eliminación directa de solutos extraídos, en este caso por medio de un campo magnético. Pequeñas partículas magnéticas (a escala nanométrica) se suspenden en una solución creando presiones osmóticas suficientes para la separación del agua de un alimento diluido. Una vez que la solución extraída que contiene estas partículas se ha diluido por el flujo de agua de FO, se pueden separar de esa solución mediante el uso de un imán (ya sea contra el costado de una bolsa de hidratación o alrededor de una tubería en línea en un proceso de estado estable).
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