FACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE BIOTECNOLOGA Y MEDIO AMBIENTECARRERA DE BIOINGENIERA

Osmosis inversa y Micelas inversa.

Nombre del alumno: Claudia Carolina Berros Frez.Nombre del Profesor: Roxana Betanzo.

Noviembre 28, 2013Resumen

El presente escrito tiene por finalidad dar a conocer el tratamiento de aguas por SMOSIS INVERSA.En estos momentos bastar con definir la smosis, que es la base del proceso que permitir eliminar las sales del agua:hacer pasar substancias a travs de una membrana semi-permeable, sin consumo de energa exteriorAlrededor de la smosis Inversa (O.I.), hay desde que se descubri y empez a hablar sobre ella una controversia muy importante, por ello, nosotros, como fabricantes de sistemas de smosis inversa creemos necesario establecer unas bases cientfico tcnicas sobre el sistema, su utilizacin y los tratamientos necesarios para obtener un buen resultado.El desarrollo tecnolgico, la industrializacin, el aumento de la poblacin mundial, etc. han provocado un aumento en la demanda de agua dulce en general y por supuesto de agua potable.Los ros se han ido deteriorando y lo mismo podemos decir de los acuferos subterrneos, la calidad de las aguas freticas ha cado de tal modo que en muchos casos es imposible utilizar dicho efluente sin un tratamiento previo, incluso para aplicaciones industriales.

ndiceResumen2Introduccin41.Trasporte a travs de las membranas de smosis inversa91.1.Modelo de la termodinmica de los procesos irreversibles.92.Membranas de smosis inversa122.1.Descripcin de una planta de smosis inversa132.1.1.Ejemplos destacados Osmosis inversa143.Micelas Inversa17Discusin19Conclusin20Referencias21

Introduccin

Para comprender bien el fenmeno de Osmosis Inversa es importante conocer primero el proceso de la osmosis natural.En el fenmeno de Osmosis, el agua se mueve a travs de una membrana semipermeable desde una zona de baja concentracin hacia una zona ms concentrada (de sales e impurezas), hasta un punto en que se alcanza un equilibrio de fuerzas.

Fig 1. Proceso de Osmosis naturalLa Osmosis Inversa es el proceso en el cual se logra revertir el proceso natural de la osmosis mediante la aplicacin de una alta presin al lado de la membrana con mayor concentracin de sales e impurezas. Con esto se logra que el agua pase al otro lado de la membrana logrando as una mayor cantidad de agua pura.

Fig 2. Proceso de Osmosis inversaA partir de la tcnica de Osmosis Inversa es posible aprovechar agua dura, salobre o de mar y obtener agua pura para el consumo humano y otros diversos usos.Para proyectar un equipo de Osmosis Inversa es fundamental contar con: Caracterizacin del agua de alimentacin. Caudal a tratar. Uso del agua de producto.Con estos datos se determinar la presin de trabajo y la configuracin de las membranas para el equipo de Osmosis Inversa y el pre-tratamiento adecuado para evitar problemas de incrustaciones o ensuciamiento.Los equipos de Osmosis inversa estn constituidos bsicamente por: Fuente de presin. Pre-tratamiento y acondicionamiento. Contenedor y membranas de Osmosis Inversa. Medidores de flujo de permeado, concentrado y reciclado. Control mediante microprocesador. Panel de proteccin, mando y control. Sistema de post-tratamiento.

Fig 3. Esquema funcionamiento Osmosis inversa.

La smosis inversa es un proceso de desalacin en el que se separa el agua de las sales mediante la utilizacin de membranas selectivas, que son permeables al agua y prcticamente impermeables a las sales disueltas en ellas (membranas semipermeables).Se utilizan para cualquier volumen de agua tratada, independientemente de la salinidad del agua de alimento. Resulta un proceso competitivo frente a la desalacin por evaporacin con agua de mar y competitivo con la electrodilisis a bajas salinidades.El proceso consiste en introducir el agua salobre y hacerla pasar a travs de una membrana permeable al agua pero que impide el paso de las sales.Debido a que no se requiere un cambio de fase el consumo energtico es menor que en otros procesos y por otra parte las conversiones que se obtienen son elevadas.

1. Trasporte a travs de las membranas de smosis inversaExisten diversas teoras para explicar y describir el transporte de un solvente (agua pura) y de un soluto (sales) a travs de una membrana semipermeable, teniendo cada una su campo de aplicacin (Farias y Crovetto, 1983). Se han comprobado como ms ajustados a la realidad los modelos de: Termodinmica de los procesos irreversibles. Modelo de la solucin-difusin. Modelo de poros.Los tres modelos predicen con bastante exactitud el flujo del agua y de soluciones con una nica sal inica pero su capacidad de prediccin respecto a compuestos orgnicos y cuando se presentan varias sales disueltas es menor. El modelo de poros responde a un proceso de flujo preferencial mediante absorcin capilar (Reimers, 1983).1.1. Modelo de la termodinmica de los procesos irreversibles.

Este es el modelo ms mostrado en bibliografa y empleado cuando se estudia el transporte de un soluto a travs de la membrana de poliamida aromtica (Urama y col., 1997, Sagiv y col., 2004, Gupta y col., 2007). Este modelo es el que mejor se ajusta a los datos experimentales cuando la disolucin presenta un solo soluto. Se crea la hiptesis de que el sistema se divide en subsistemas, en los cuales existe un equilibrio, y por tanto se puede describir por parmetros termodinmicos. As, al menos localmente, el sistema no debera estar muy lejos del equilibrio. Esto podra ser correcto para procesos donde haya un bajo transporte. El modelo de termodinmica irreversible representa el transporte, tanto de flujo como de disolvente, mediante las ecuaciones desarrolladas por Spiegler y Kadem- Katchalsky (Hyung y col., 2006). Estos fueron los primeros en desarrollar ecuaciones basadas en esta teora y aplicables a membranas.Obtuvieron, para soluciones acuosas no electrolticas de un nico soluto y a temperatura constante, las siguientes ecuaciones (Urama y col., 1997, Taniguchi y col., 2004, Hyng y col., 2006):

Donde Jv es el flujo de la solucin (m/s) y aproximadamente es igual al flujo de agua a travs de la membrana Jw (m/s), Js es el volumen molar de soluto (mol/(m2s)).LP= Kw Dwm V /(RT) (m/(Pa s)) es la permeabilidad de agua, Ps=KsDs m (m/s) es el coeficiente de permeado de soluto; es el coeficiente de reflexin de Staverman (indica el grado de penetracin del soluto a travs de la membrana, vara entre 0 y 1); s m C = K C (mol/m3) es una relacin entre la concentracin de soluto en la disolucin acuosa ideal en equilibrio y la concentracin real de soluto Cm en la superficie de la membrana; Cp (mol/m3) es la concentracin de soluto en el agua producto; P (Pa) es la presin hidrulica; (Pa) es la presin osmtica correspondiente a un soluto de concentracin C ; Kw y Ks son adimensionales y representan los coeficientes de reparto del agua y el soluto entre la solucin acuosa y la fase de la membrana; Dwm (m2/s) y Dsm (m2/s) son la difusividad molecular del agua y del soluto en la fase de la membrana.R=8,312 (Pa m3 /(mol K)) es la constante de los gases ideales; T(K) es la temperatura absoluta y w V (m3/mol) es el volumen molar parcial de agua. El subndice m se refiere a la fase de la membrana.Para la ecuacin del flujo de soluto a travs de la membrana, se considera que el primer trmino de la ecuacin corresponde al flujo debido a la difusin, mientras que el segundo corresponde al transporte de soluto debido a la conveccin (Ballet y col., 2004). El transporte de soluto por difusin es debido al gradiente de concentraciones a un lado y otro de la membrana. El transporte por conveccin tiene lugar debido al gradiente de presin, asocindose por tanto al flujo de permeado a travs de la membrana (del Castillo, 1997).Las ecuaciones anteriores, se basan en la suposicin de que Kw, Ks, Dwm, Dsm son constantes respecto a la concentracin del soluto.

2. Membranas de smosis inversaLas membranas utilizadas en el proceso de smosis inversa son todas semipermeables. Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sinttica en la que el agua puede penetrar y traspasar con mucha ms facilidad que los otros componentes que se encuentran en solucin en la misma.Las caractersticas fundamentales que debe cumplir una membrana utilizada en procesos de separacin como es la smosis inversa son (Reimers y col., 1983): Alta selectividad. Alta permeablilidad. Estabilidad mecnica. Estabilidad frente a la temperatura. Resistencia qumica.El desarrollo de nuevas membranas de smosis inversa se ha llevado a cabo incidiendo en tres factores que afectan directamente al coste del proceso (Soriano y col., 1984). Se buscan membranas de mayor durabilidad, que presenten una mayor retencin de sales y permeabilidad al agua y que resulten ms resistentes al ensuciamiento, al ataque bacteriolgico, a la oxidacin y a las variaciones de pH (Glater y col., 1994, Nita y col, 1994).El diacetato de celulosa fue el primer polmero utilizado en smosis inversa en 1962. Presenta una buena retencin de sales y permeabilidad al agua pero exige un estricto control del pH para que no se produzcan fenmenos de hidrlisis. Adems, estas membranas son susceptibles de sufrir ataques por los microorganismos, que las degradan. Sin embargo presentan una buena resistencia frente a la presencia de oxidantes qumicos como el oxgeno y el cloro (Soriano y col., 1984, Mahajan y col., 1984, Logan, 1987).2.1. Descripcin de una planta de smosis inversa

En las plantas de smosis inversa se pueden diferenciar cuatro etapas, que se muestran en la figura 2.26 (Frenkel y Gouri, 1994).

Fig 5. Etapas del proceso.La toma de agua de mar se puede realizar directamente del mar o a travs de pozos perforados en la costa. Las tomas de agua superficial ocasionan ms problemas en el pretratamiento. En los casos en los que se obtiene un agua de mayor calidad es cuando se realizan captaciones de agua mediante pozos, ya sea de un acufero salobre o de mar (Abdel-Jawad y Ebrahim, 1994, Sadhwani y col., 1995).El pretratamiento es una etapa esencial del proceso. En l se prepara al agua para que llegue al sistema de smosis inversa en las mejores condiciones posibles y garantizar una mayor durabilidad de las bombas de alta presin y de las membranas, un mayor rendimiento del proceso y un menor coste de desalacin. En esta etapa del proceso se elimina toda la materia en suspensin y coloidal, los microorganismos y se trata el agua para evitar la precipitacin de sales disueltas en ella (Gonzalo, 1986, Dudley, 1995).En el sistema de smosis inversa es donde se realiza la desalinizacin del agua propiamente dicha. El dispositivo de smosis inversa consta de un sistema de bombeo de alta presin seguido de los mdulos que contienen las membranas.La presin de trabajo depende de la conversin que se quiera obtener del agua, de la salinidad de sta y del tipo de membranas. As, como es lgico, en plantas de agua salobre se trabaja a presiones muy inferiores que las empleadas en agua de mar debido a la menor presin osmtica del agua salobre. Por otra parte, la conversin a la que se puede llegar a trabajar cuando el alimento es agua de mar es de alrededor del 50% mientras que con plantas de agua salobre es muy frecuente que la recuperacin sea del 75%.Las plantas de desalacin de agua de mar suelen trabajar a presiones de alrededor de 60 bares. Para agua salobre existe mucha ms variacin, dependiendo de la salinidad, pero es frecuente trabajar entre 10 y 20 bares.En las plantas de agua de mar se han introducido, dentro del diseo, sistemas que aprovechan la presin del agua de rechazo para obtener un ahorro energtico. Entre estos sistemas se encuentran las turbobombas, los intercambiadores de presin y los conversores hidrulicos (Hauge, 1995, Oklejas y col., 1995, Sadhwani, 1995, Farias, 1999).2.1.1. Ejemplos destacados Osmosis inversa

El uso de osmosis inversa en purificacin de aguas es ampliamente usado en el mundo, destacndose: 1.- Planta Desaladora de agua de mar en Ashkelon, Israel. Con una capacidad de tratamiento de 100 millones de m3/ao 2.- Planta de tratamiento de aguas en eMalahleni, Sudfrica. Con una capacidad de tratamiento de 24.000 m3/da (~9 millones de m3/ao)

Fig 6. Planta desaladora Ashkelon, IsraelFig 7. Planta de tratamientos de agua, Sudafrica

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Requiere de pre-tratamiento, dependiendo del caso. Requiere de gran consumo de energa. Genera entre un 30 y 60 % de rechazo (lavado de la membrana) segn el agua tratada que deben disponerse o tratarse. No son eficientes para el tratamiento de aguas con elevado contenido de elementos. A pequeas escalas puede resultar ms cara que a mayores escalas (economa de escalas). Alta eficiencia. Genera aguas de alta calidad, incluso aguas destiladas. Es capaz de remover todo tipo de contaminante. Puede tratar grandes volmenes de agua. Bajos costos de operacin.

Estimacin de costos: Considerando un caudal, Q=17 (L/s) Inversin: US$ 1.900.000 Costo Tratamiento: 0,623 (US$/m3) Considerando un caudal, Q=4381 (L/s) Inversin: US$ 53.400.000 Costo Tratamiento: 0,319 (US$/m3) Funcin de estimacin de costo Costo Inversin (millones US$) con caudal de tratamiento Q (L/s) y = 0,3485*Q 0, 6 R2 = 1 Costo Tratamiento (US$) con caudal de tratamiento Q (L/s) y = 0,7774 *Q -0,112R2 = 0,9064

3. Micelas Inversa

Desde principio de este siglo hasta el presente, el proceso de asociacin reversible de molculas anfiflicas, es decir, molculas que poseen en su estructura qumica grupos hidrfobos e hidrfilos, ha despertado un amplio inters, por sus aplicaciones prcticas, lo que ha sido objeto de numerosas investigaciones. Uno de los primeros investigadores que estudiaron este fenmeno fue McBain, quien constat el hecho de que las molculas de tensoactivo disueltas en agua podan agregarse de un modo reversible, dando el nombre de micelas a estos agregados. Sin embargo, no ser hasta la dcada de los aos treinta cuando Hartley establece las caractersticas estructurales bsicas de las micelas formadas por molculas de tensoactivo.Las numerosas investigaciones llevadas a cabo han puesto de manifiesto que los tensioactivos sintticos pueden dar origen a micelas globulares o alargadas. Independientemente de la forma de las micelas, stas consisten en un ncleo formado por los grupos hidrfobos, conteniendo una pequea cantidad de agua, y rodeado de una corteza constituida por los grupos hidrfilos que se extienden en el medio acuoso. Resulta difcil de explicar cmo las cadenas hidrocarbonadas, relativamente rgidas y que constituyen el grupo hidrfobo en la mayora de los tensioactivos, pueden llenar de forma uniforme el espacio ms o menos esfrico o cilndrico correspondiente al ncleo de las micelas. Las micelas ms comunes corresponden a las que tienen forma esfrica y un nmero de asociacin generalmente comprendido entre 50 y 100 molculas de tensioactivo. Este tipo de micelas suele tener una distribucin de tamaos estrecha.Las micelas inversas son autoensamblados de molculas anfifilicas (surfactantes) de caractersticas particulares que permiten su formacin una vez que son disueltas en solventes no polares. Su estructura se caracteriza por tener orientados los segmentos hidroflicos hacia el centro micelar y los hidrofbicos hacia la solucin orgnica no polar. En trminos generales la fase orgnica condiciona (de acuerdo al parmetro de empaquetamiento del surfactante) el nmero de agregacin, la concentracin micelar critica (CMC) y a su vez limita la cantidad de sustancia polar que puede ser encapsulada (W0 = [agua]/[surfactante]) y con esto su tamao.

Discusin

En el uso de la tcnica de osmosis inversa no se recomienda el uso de esta tcnica como tratamiento primario, a su vez son muy eficientes para aguas con bajo contenido de elementos. Generalmente se utiliza para generar aguas ultrapuras y potables y en algunos casos para remover contaminantes especficos. Es primordial para aumentar la vida til de las membranas contar con un sistema de tratamiento previo para remocin de slidos suspendidos y ajuste de pH.

El proceso de la preparacin de agua potable a partir de agua de mar es comnmente conocido. Aparte de esto, la smosis inversa se aplica para la produccin de agua ultrapura y de agua de abastecimiento de calderas. Tambin se aplica en la industria de la alimentacin (concentracin de zumos de frutas, azcar y caf), en la industria de galvanizados (concentracin de aguas residuales) y en la industria lctea (concentracin de leche para la produccin de queso).

Conclusin Con el crecimiento de la poblacin mundial la demanda de agua dulce ha aumentado, si sumamos a esto el crecimiento industrial, el tratamiento de aguas y efluentes se ha transformado en algo importantsimo para el desarrollo de esta sociedad. Es por esta razn que se ha declarado al agua como un recurso escaso, de acuerdo a la ubicacin y recursos econmicos de los distintos pases, estos adoptan distintas tcnicas de tratamientos de efluentes y aguas.Una de las ventajas de desalar agua de mar es que el abastecimiento de agua no depende de las condiciones climticas, del hecho que llueva ms o menos. Los ros no se pueden considerar fuentes inagotables de agua. Adems, si se plantea sobreexplotarlos con transvases, el costo de las obras de canalizacin y de bombear agua hasta territorios lejanos es elevado.El desalado del agua de mar se investig y desarroll a partir de la Segunda Guerra Mundial, y ahora es una de las principales opciones para mejorar el abastecimiento de muchas zonas pobladas. An y as, no todo son ventajas, y el debate sobre si hay opciones mejores, como los trasvases, sigue.

ReferenciasMara Fernanda Chilln Arias. Reduccin de boro en aguas procedentes de la desalacin. Tesis Doctorales, Universidad de Alicante.

TECNOLOGIAS DE MEMBRANA OSMOSIS INVERSA. Fundacin Chile, CONAMA.http://www.lenntech.es/nanofiltracion-y-osmosis-inversa.htm

http://www.prowaterargentina.com.ar/articulos/INFO_OSM_INV_06.pdfhttp://www.hidrotec.cl/PDF/ficha4.pdfhttp://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S360A.pdf13