Forward Osmosis (II): Proceso

Fuente: TECNOAQUA

En el proceso de Forward Osmosis (FO) o también llamada Ósmosis Directa se utiliza el gradiente de presión osmótica entre una solución muy concentrada (extractora o draw solution) y otra más diluida (de alimentación o feed solution) para conseguir la difusión del agua desde un lado a otro de la membrana semipermeable que las separa. En definitiva, la diferencia de potencial químico es la que hace funcionar este proceso en vez de la diferencia de presión física que actúa en la ósmosis inversa.

Fuente: TECNOAQUA

Aunque ya hace años que se escribe sobre la ósmosis directa, no ha sido hasta este siglo XXI donde esta tecnología ha pasado del laboratorio a ser una realidad palpable. Su interés ha ido creciendo de forma significativa desde 2005 hasta 2012, año en el cual se puso en marcha la primera planta desalinizadora de FO del mundo, en Omán (200 m3/día).

Por otro lado, las posibles ventajas de su aplicación en el tratamiento de aguas complejas sobre las tecnologías actuales serían:

  • Debido a la ausencia de las altas presiones hidráulicas que sí existen en la OI, el gasto energético es mucho menor y los materiales usados no necesitan ser tan resistentes.
  • Mayor flexibilidad y aplicabilidad debido a la baja propensión al fouling así como una mayor facilidad de limpieza derivada de ésta.
  • Se puede usar como tecnología extractora de agua, muy útil para una posterior digestión anaerobia de aguas residuales convencionales.
  • Puede tratar aguas mucho más salinas (con una presión superior a 80 bar) que la OI .

La FO puede diseñarse para tratar un amplio grupo de aguas complejas como por ejemplo las de la industria téxtil, las aguas provenientes de la producción de petróleo y gas, las ricas en nutrientes o los lixiviados de vertedero, pasando por las aguas residuales de la industria nuclear. 

Proceso

Para que el proceso se lleve a cabo, es vital la existencia de la membrana semipermeable. Ésta se instala en un módulo o celda de filtración que permite la entrada y salida tanto de la solución extractora como de la de alimentación. Las celdas suelen tener una configuración de tipo sandwich y la circulación de las soluciones se produce a contracorriente.

Fuente: TECNOAQUA

La cuantificación del agua que atraviesa la membrana se lleva acabo mediante una balanza donde, a medida que avanza el proceso de ósmosis directa, la solución extractora va aumentando de peso. De forma inversa, la solución de alimentación va disminuyendo el suyo paulatinamente.

A pequeña escala el proceso se opera en modo discontínuo y circuito cerrado, donde poco a poco la solución extractora se va diluyendo y la de alimentación concentrando. En mayores dimensiones esta tecnología funciona en contínuo, por lo que la regeneración de la solución extractora se convierte en un factor crítico para una operación óptima del proceso.

Y hasta aquí las bases que fundamentan el proceso de la FO, en el siguiente post me voy a centrar en las membranas y los diferentes factores que impactan en el proceso de ósmosis directa como son los materiales, los tipos de soluciones extractoras, las condiciones óptimas para la operación y el fouling. 

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Forward Osmosis (I): Introducción

Bosque de manglares. Fuente: Mangrove Forests

Imaginad 2 líquidos de distinta concentración separados por una membrana donde sólo el agua puede atravesarla. Por un fenómeno llamado difusión las moléculas de agua pasarán del líquido menos concentrado al más concentrado, produciéndose una dilución de esta último. Al final del proceso tendremos las dos soluciones con la misma concentración, este proceso que se produce de forma espontánea en la naturaleza se llama ósmosis, y la tecnología basada en ella Ósmosis Directa (OD) o Forward Osmosis (FO).

La FO es una tecnología de membrana relativamente nueva la cual no necesita ninguna presión externa para llevarse a cabo, lo que se traduce en un proceso de bajo consumo energético. Esta característica la convierte en una alternativa muy interesante comparada con otros tratamientos de membrana presurizados.

La presión que se ejerce en el caso de la FO es la presión osmótica. En el esquema siguiente vemos como gracias al gradiente de presión osmótica las moléculas de agua pasan a través de la membrana para equilibrar la concentración a cada lado de ésta:

Evolución de un sistema basado en la Forward Osmosis. Fuente: Forward Osmosis Tech

Proceso

La FO es una tecnología que puede tratar 2 líquidos al mismo tiempo, el más concentrado y con presión osmótica más elevada (Draw solution) se irá diluyendo paulatinamente a medida que el más diluido y con menor presión osmótica (Feed solution) recorre el camino inverso:

Esquema de funcionamiento de la FO. Fuente: Membranes Journal

Esta peculiaridad abre un abanico de posibilidades no sólo en la desalinización y depuración de aguas sino también por lo que respecta a la gestión y tratamiento de efluentes industriales. Al no necesitar una presión externa para hacer funcionar el proceso, la FO destaca sobretodo por su bajo consumo energético, derivando en unos menores costes de limpieza por fouling debido a la ausencia de compresión. Si a todo esto le añadimos el poder tratar dos efluentes distintos en un solo paso tenemos una tecnología de aplicación sumamente prometedora. 

Potencial

Para terminar con este primer post de introducción (habrá más relacionados con ejemplos de feeddraw solutions, tipos de membranas, estudios piloto y aplicaciones a escala industrial) a la Forward Omosis, hay que destacar que durante estos últimos diez años ha habido un crecimiento exponencial en el número de publicaciones científicas, por lo que demuestra el interés de la comunidad científica y el potencial de aplicación a escala real:

Fuente: Membranes Journal

Bibliografía

· Forward Osmosis Application in Manufacturing Industries: A Short Review. Anita Haupt and André Lerch. Membranes Journal. 23 July 2018.

· ForwardOsmosisTech’s forward osmosis guide (eBook).

· Forward Osmosis Tech (web)

Proyecto OMBReuse

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Osmosis Directa (FO). Spectrum.ieee.org

El proyecto OMBReuse pretende reducir los costes de producir agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo.

Este proyecto queda reflejado en un artículo conjunto escrito por el LEQUIA y el ICRA en la revista RETEMA (Ene-Feb 2016) y hace referencia a las opciones que tenemos para poder obtener agua potable a partir de agua de mar, salobre o residual; es decir, a partir de aguas de difícil potabilización y que hace poco no eran consideradas ni un recurso.

Se habla de desalinización, regeneración, reutilización indirecta y directa de agua potable. En este último caso se comenta la obligación de instalar una barrera múltiple como puede ser un biorreactor de membrana (MBR) seguido de una ósmosis inversa (RO) y una desinfección (luz UV, ozono, cloración), para obtener una agua segura y de calidad para su consumo con la contrapartida de costes parecidos a las de la desalinización, 0,5-1€/m3.

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MBR acoplado a Osmosis Inversa. Esquema publicado por Sunmanyang

Como ya he comentado al inicio de esta entrada, el proyecto quiere reducir los costes de producción de agua potable para la reutilización directa manteniendo la calidad y seguridad en el consumo. Y es aquí donde entra en acción la Ósmosis Directa (FO).

La FO ya ha sido probada a escala de laboratorio y piloto, y a diferencia de la RO la obtención del permeado se produce por diferencia de gradiente de salinidad entre los dos lados de la membrana. Una solución de alta salinidad o “solución extractora” forma parte del sistema empleado, la cual se mezcla con el agua residual para entonces ser separada por la RO convencional. En este sentido, y debido a que el sistema utiliza la doble barrera (FO+RO) se podría aplicar a la reutilización como agua potable.

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OMBR. Esquema de la revista Environmental Science

Aplicada en el contexto de los MBR, la novedad que nos aporta el proyecto OMBReuse es la sustitución en el reactor de las membranas convencionales por las de ósmosis directa, consiguiendo unas elevadas tasas de eliminación de contaminantes además de una disminución del ensuciamiento. En definitiva, nos sigue aportando agua de alta calidad pero a un menor coste. Este nuevo esquema de depuración ha recibido el nombre de OMBR (Osmotic Membrane Bioreactor) y tiene un futuro prometedor, aunque aún quedan algunos inconvenientes por resolver, por ejemplo el rendimiento de la solución extractora.

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Fundamentos de la osmosis directa. Imagen de Porifera

Vistas las ventajas de la FO, la acumulación de sales en el reactor biológico y la posterior validación a escala real serían los principales retos a superar. Por lo que respecta al aumento de salinidad, los microorganismos del reactor se ven afectados, provocando inestabilidad en el proceso.

Finalmente, considerando los ejes fundamentales del proyecto MBReuse, estos serían:

  • Optimización del proceso de membranas.
  • Evaluación del beneficio de usar 2 membranas densas (FO y RO) como concepto de doble barrera.
  • Evaluación de la problemática del ensuciamiento en comparación con MBR convencionales.
  • Desarrollo de herramientas de control para la concentración de sales y optimización de operación y limpieza.
  • Desarrollo de un sistema de ayuda a la decisión para integrar la OMBR en el esquema de tratamiento de aguas residuales en ámbito local.

Este proyecto empezó en 2015 y tiene una duración de 2 años, así que próximamente sabremos los resultados de toda la experiencia acumulada.

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