Ósmosis inversa para niños
La ósmosis inversa es una tecnología especial para limpiar el agua. Usa una membrana semipermeable, que es como un filtro muy fino, para quitar cosas como iones, moléculas y partículas más grandes del agua que bebemos.
Para que funcione la ósmosis inversa, se aplica una presión al agua. Esta presión es más fuerte que la presión natural que hace que el agua se mueva en la ósmosis normal. Así, el agua limpia puede pasar a través de la membrana, mientras que las sustancias no deseadas se quedan atrás. La membrana es "selectiva", lo que significa que deja pasar las moléculas pequeñas de agua (H2O) pero bloquea las moléculas grandes o los iones.
Este proceso puede eliminar muchas cosas del agua, incluyendo bacterias. Se usa tanto en fábricas como para producir agua potable segura.
En la ósmosis normal, el agua se mueve de forma natural de un lugar con poca concentración de sustancias a uno con mucha, a través de una membrana. La ósmosis inversa hace lo contrario: fuerza el agua a moverse en dirección opuesta a su flujo natural, aplicando presión. Es diferente de la filtración común porque la ósmosis inversa depende de la presión y de cómo se difunden las sustancias, mientras que la filtración solo depende del tamaño de los poros.
La ósmosis inversa se usa mucho para obtener agua potable del agua de mar, quitándole la sal y otras sustancias.
Contenido
Historia de la Ósmosis Inversa
Descubrimiento y Desarrollo
El proceso de ósmosis a través de membranas especiales fue observado por primera vez en 1748 por Jean-Antoine Nollet. Durante 200 años, fue solo un experimento de laboratorio.
En la década de 1950, la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) empezó a investigar cómo usar membranas para quitar la sal del agua de mar. A mediados de los años 50, investigadores de UCLA y de la Universidad de Florida lograron producir agua dulce del agua de mar. Sin embargo, el proceso era muy lento para ser útil a gran escala.
Todo cambió cuando Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan, en UCLA y en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, descubrieron cómo hacer membranas asimétricas. Estas membranas tenían una capa muy fina y efectiva sobre una base más gruesa y porosa. Más tarde, John Cadotte, de la empresa Filmtec, encontró una forma de fabricar membranas que dejaban pasar mucha agua y muy poca sal, usando un proceso llamado polimerización interfacial.
Hoy en día, casi todas las membranas de ósmosis inversa que se venden se fabrican con este método. En 2019, había unas 16.000 plantas desalinizadoras en el mundo. Producían alrededor de 95 millones de metros cúbicos de agua desalinizada al día para el consumo humano. Casi la mitad de esta capacidad se encuentra en Oriente Medio y África del Norte.
Primeras Aplicaciones a Gran Escala
En 1977, Cape Coral, en Florida (Estados Unidos), fue el primer municipio en usar la ósmosis inversa a gran escala. Su planta inicial podía producir 11,35 millones de litros de agua al día. Para 1985, debido al rápido crecimiento de la población, la ciudad tenía la planta de ósmosis inversa de baja presión más grande del mundo, capaz de producir 56,8 millones de litros al día.
Formalmente, la ósmosis inversa es el proceso de forzar un líquido (como el agua) desde una zona con muchas sustancias disueltas, a través de una membrana, hacia una zona con pocas sustancias disueltas. Para esto, se aplica una presión mayor que la presión osmótica natural. Su uso más importante es separar el agua pura del agua de mar o del agua salobre (con un poco de sal). El agua de mar o salobre se presiona contra la membrana, y el agua limpia pasa al otro lado, lista para beber.
Las membranas de ósmosis inversa tienen una capa densa donde ocurre la separación. Esta capa está diseñada para que solo el agua pase a través de ella, impidiendo el paso de otras sustancias como la sal. Este proceso necesita mucha presión: entre 2 y 17 bares para agua dulce y salobre, y entre 40 y 82 bares para agua de mar. La ósmosis inversa se usa para desalinizar (quitar la sal y otros minerales del agua de mar para obtener agua dulce) y también para purificar agua dulce para usos médicos, industriales y domésticos desde principios de los años 70.
Usos de la Ósmosis Inversa
Purificación de Agua Potable
En muchos hogares, se usan sistemas de ósmosis inversa para mejorar el agua que se bebe y se usa para cocinar. Estos sistemas suelen tener varios pasos:
- Un filtro de sedimentos para atrapar partículas como óxido o carbonato cálcico.
- A veces, un segundo filtro de sedimentos con poros más pequeños.
- Un filtro de carbón activado para quitar químicos orgánicos y cloro, que pueden dañar la membrana.
- El filtro de ósmosis inversa, que es la membrana principal.
- Opcionalmente, una lámpara de luz ultravioleta para eliminar microbios que puedan haber pasado.
- A veces, un segundo filtro de carbono para atrapar químicos que la membrana no haya quitado.
Existen también purificadores de agua portátiles con ósmosis inversa. Son útiles para personas en zonas rurales sin acceso a agua potable, o para viajeros que necesitan limpiar agua de ríos o del océano.
En la producción de agua mineral embotellada, el agua pasa por ósmosis inversa para eliminar contaminantes y microorganismos. Sin embargo, en algunos países europeos, esto no está permitido para el agua mineral natural. Es importante saber que algunas bacterias pueden pasar por pequeñas imperfecciones en las membranas. Por eso, los sistemas completos de ósmosis inversa a veces incluyen tratamientos adicionales con luz ultravioleta u ozono para asegurar que el agua esté libre de microbios.
El tamaño de los poros de las membranas varía mucho. La ósmosis inversa es la filtración más fina, eliminando partículas de más de 0,1 nanómetros.
Ósmosis Inversa con Energía Solar
Las unidades de desalinización solar producen agua potable usando paneles solares para alimentar el sistema de ósmosis inversa. Esto es muy útil en lugares remotos sin electricidad. La energía solar reduce los costos y la contaminación. Aunque el sol no brilla todo el tiempo, se pueden usar baterías o sistemas de almacenamiento de energía térmica para asegurar un funcionamiento continuo.
Uso Militar: Unidades de Purificación de Agua
Las unidades de purificación de agua por ósmosis inversa (ROWPU) son plantas de tratamiento de agua portátiles y autónomas, diseñadas para uso militar. Pueden obtener agua potable de casi cualquier fuente. El agua se bombea, se trata con un polímero para que las partículas se unan, pasa por filtros para quitar la turbidez y partículas grandes, y luego por la ósmosis inversa. El agua resultante tiene muy pocos sólidos disueltos. Finalmente, se desinfecta con cloro y se almacena.
Limpieza de Agua y Aguas Residuales
En ciudades como Los Ángeles, el agua de lluvia se purifica con ósmosis inversa y se usa para regar jardines y para la refrigeración en fábricas, ayudando a combatir la escasez de agua.
En la industria, la ósmosis inversa se usa para quitar minerales del agua de las calderas en las centrales eléctricas. El agua debe ser muy pura para evitar que se formen depósitos o que la maquinaria se corroa.
También se usa para limpiar aguas residuales y aguas subterráneas salobres. Si el volumen de agua es muy grande, primero se trata en una planta de aguas residuales y luego se usa la ósmosis inversa. Esto reduce el costo y alarga la vida útil de la membrana.
La ósmosis inversa puede producir agua desionizada, que es agua muy pura sin iones. Este proceso no necesita calor. La cantidad de agua purificada que se obtiene depende del tamaño de la membrana, sus poros, la temperatura, la presión y la superficie de la membrana.
En 2002, Singapur anunció un proceso llamado NEWater, que usa ósmosis inversa para tratar aguas residuales domésticas y luego las devuelve a los embalses, como parte de sus planes futuros de agua.
Industria Alimentaria
La ósmosis inversa es una forma económica de concentrar líquidos alimentarios, como zumos de frutas. Es mejor que los métodos que usan calor porque es más barata y no daña sustancias sensibles al calor, como las proteínas y las enzimas de los alimentos.
En la industria láctea, se usa para producir proteína de suero en polvo y para concentrar leche, lo que reduce los costos de transporte. También se usa para concentrar el suero que queda después de hacer queso.
Aunque antes no se usaba en la industria vinícola, ahora es común. En 2002, se estimaba que había 60 máquinas de ósmosis inversa en Burdeos, Francia, usadas por productores de vinos de élite.
Producción de Sirope de Arce
Desde 1946, algunos productores de sirope de arce usan la ósmosis inversa para quitar el agua de la savia antes de hervirla. Esto permite eliminar entre el 75% y el 90% del agua, lo que reduce el consumo de energía y el tiempo que el sirope está expuesto a altas temperaturas.
Cerveza Baja en Alcohol
Para hacer cerveza con poca o sin alcohol, se usa la ósmosis inversa. El agua y el alcohol pasan más fácilmente por la membrana que otros componentes. Así, queda un "concentrado de cerveza" que luego se diluye con agua dulce para que los demás componentes vuelvan a su intensidad original.
Producción de Hidrógeno
En la producción de hidrógeno a pequeña escala, la ósmosis inversa se usa a veces para evitar que se formen depósitos minerales en la superficie de los electrodos.
Acuarios
Muchos aficionados a los acuarios de arrecife usan sistemas de ósmosis inversa para preparar su agua de mar artificial. El agua del grifo puede tener mucho cloro, cobre, nitratos, fosfatos u otros químicos que son malos para los organismos sensibles de un arrecife. Los contaminantes como los compuestos de nitrógeno y los fosfatos pueden causar un crecimiento excesivo de algas. Una combinación de ósmosis inversa y desionización es muy popular entre los acuariófilos de arrecife porque es económica y fácil de mantener. Si el agua tiene cloro, se necesita un filtro de carbón antes de la membrana.
Los acuaristas de agua dulce también usan ósmosis inversa para recrear las aguas muy blandas de muchos lugares tropicales. Aunque muchos peces tropicales pueden vivir en agua del grifo tratada, la cría puede ser difícil sin agua muy blanda. Muchas tiendas de acuarios venden agua de ósmosis inversa para este fin.
Limpieza de Ventanas
Un método cada vez más popular para limpiar ventanas es el sistema de "pértiga alimentada con agua". En lugar de usar detergente, las ventanas se limpian con agua muy pura (con menos de 10 ppm de sólidos disueltos) usando un cepillo en el extremo de una pértiga larga, manejada desde el suelo. Para purificar el agua, se suele usar la ósmosis inversa.
Reciclaje de las Membranas de Ósmosis Inversa
Las membranas de ósmosis inversa pueden ensuciarse y dañarse con el tiempo, lo que reduce su vida útil. Por eso, reciclarlas es muy importante para disminuir la cantidad de residuos, la contaminación, el uso de recursos naturales y los costos.
Las membranas de ósmosis inversa están hechas de varias partes:
| Parte de la Membrana | Material |
| Cubierta exterior (12%) | Fibra de vidrio |
| Espaciador de alimentación (9%) | PP (polipropileno) |
| Espaciador de permeado (13%) | PET (tereftalato de polietileno) |
| Membrana (41%) | Poliamida aromática, Polisulfona microporosa, Soporte de poliéster |
| Tubo de permeado/tapas de extremo (17%) | ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno) |
| Pegamentos (7%) | Resina epóxica |
| Anillo de goma (1%) | EPDM (etileno-propileno-dieno) |
El reciclaje de estas unidades se puede hacer de varias maneras: reciclaje mecánico, reciclaje químico y recuperación de energía.
Reciclaje Mecánico
El reciclaje mecánico transforma los materiales de desecho en nuevos productos usando fuerzas mecánicas. Este método tiene 5 pasos:
- Primero, se recolecta la unidad.
- Segundo, se clasifica el material (manualmente) y luego por tipo de polímero con un aparato especial.
- Después, se lavan para quitar el polvo o la suciedad. Esto es clave para la calidad del producto reciclado y para proteger la maquinaria.
- Luego, se trituran con una máquina trituradora.
- Finalmente, se realiza la extrusión. En este paso, el plástico triturado se calienta y se empuja a través de un molde para crear un producto con una forma constante.
Para las membranas de ósmosis inversa, esta técnica se usa para las partes de ABS, PET y PP, como el tubo central, las tapas y los espaciadores.
Reciclaje Químico
El reciclaje químico usa compuestos químicos para reciclar o reutilizar las membranas de ósmosis inversa. Aunque tiene mucho potencial, su tecnología aún no está muy desarrollada, por lo que se usa menos debido a su complejidad y costo.
Hay dos tipos de reciclaje químico:
- Reciclaje químico directo: Se elimina toda la suciedad acumulada usando un agente oxidante. Esto puede degradar parcial o totalmente la capa de poliamida de la membrana. Se usa cuando la membrana no está muy sucia (menos de 25 kg) y no está dañada físicamente. El proceso incluye:
- Limpieza de la membrana: Se cepilla suavemente en soluciones con diferentes niveles de pH.
- Oxidación de la membrana: Se usan químicos, como el NaClO (cloro), para quitar la suciedad y degradar la capa de poliamida. Esto puede hacer que la membrana adquiera nuevas propiedades de filtración.
- Prueba de rendimiento: Se verifica cómo funciona la membrana para su nueva aplicación.
- Reciclaje químico indirecto: Se tratan las partes de la membrana de forma individual. Esto se hace cuando la membrana está muy sucia (más de 25 kg) o dañada físicamente y no se puede reutilizar directamente. El objetivo es descomponer los materiales sintéticos mediante reacciones químicas para obtener sus componentes originales y reutilizarlos. Cada componente tiene su propio proceso de reciclaje, que suele ser la despolimerización (romper el polímero en sus partes más pequeñas).
Galería de imágenes
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Tren de producción de ósmosis inversa, Planta de ósmosis inversa de North Cape Coral
Véase también
En inglés: Reverse osmosis Facts for Kids
