IX. FEN�MENO DE �SMOSIS INVERSA

El lamento del antiguo marinero que gritaba "agua, agua por doquier, pero ninguna gota para beber", sigue siendo el grito de mucha gente de muchas islas y �reas costeras rodeadas por un oc�ano, donde el agua potable para beber y cocinar es escasa.

EL FEN�MENO de �smosis normal o tambi�n llamada directa, expresada en cap�tulos pasados, representa la respuesta de un sistema discontinuo cuando dos recipientes con soluci�n a diferentes concentraciones se ponen en contacto por medio de una membrana semipermeable. El flujo osm�tico se origina del recipiente de soluci�n diluida al recipiente de soluci�n concentrada (diagrama a, figura 14). Es un proceso espont�neo para llevar el sistema a su estado de equilibrio. Ello ocurre cuando el flujo osm�tico eleva una columna de l�quido sobre la soluci�n concentrada, cuyo peso produce la presi�n osm�tica de equilibrio (diagrama b, figura 14). La segunda ley de la termodin�mica asegura que este proceso es irreversible, en vista de que para reintegrar el sistema a su estado inicial tiene la necesidad de realizar un trabajo mec�nico neto. Esta labor mec�nica se realiza en la soluci�n concentrada, de tal manera que el flujo del solvente ocurre en direcci�n opuesta al flujo osm�tico original. Para que tal cosa se realice, es obligatorio que la presi�n aplicada tenga un valor mayor a la diferencia de las presiones osm�ticas entre los recipientes (v�ase el diagrama c, figura 14).

Figura 14

El proceso de �smosis inversa fue propuesto por primera vez por Charles E. Reid en 1953 para obtener agua potable del agua de mar. La propuesta de Reid fue sometida a la consideraci�n de la Oficina de Aguas Salinas de EUA y surgieron algunas objeciones, una de ellas consideraba a la �smosis inversa como un proceso impr�ctico y que en caso de funcionar ser�a una curiosidad de laboratorio. La duda m�s seria a la propuesta de Reid fue cuando se hizo ver que el estado del arte carec�a de una membrana adecuada para realizar eficientemente el proceso de �smosis inversa. En efecto, al aprobarse el proyecto Reid se enfrasc� en un problema may�sculo para conseguir la membrana que tuviera la capacidad de realizar ese proceso. Las dificultades b�sicamente eran las siguientes:

a) Carencia de una membrana que resistiera qu�micamente las soluciones salinas.

b) Las membranas eran muy poco porosas para permitir el libre tr�nsito del solvente (agua pura) y demasiado abiertas para tener un adecuado coeficiente de reflexi�n de Staverman (bajo rechazo de sales).

La soluci�n del problema de la separaci�n de agua pura a partir de agua de mar o salobres fue resuelta por el descubrimiento de la membrana de acetato de celulosa por el mismo Reid y E. J. Breton en 1959.

A este descubrimiento sigui� otro efectuado por S. Loeb y S. Sourirajan en los a�os de 1960 a 1962 al demostrarse que la membrana de Reid y Breton mejoraba considerablemente el flujo de solvente y rechazo de sales, si la membrana se hac�a asim�trica en lugar de homog�nea. Luego se supo, por observaciones al microscopio electr�nico, que la asimetr�a en la membrana de Loeb y Surirajan se deb�a a la presencia de una delgada pel�cula de pol�mero en fase amorfa con secciones cristalinas sobre la superficie de la membrana. Esta pel�cula es la parte activa de la membrana y responsable de la exclusi�n de los solutos. El cuerpo restante de la membrana sirve de soporte y es una estructura pol�mera esponjada altamente porosa.

Con este tipo de membrana se realiz� eficientemente el proceso de �smosis inversa, acallando a los que pensaron que esa inversi�n nunca funcionar�a. A pesar de este triunfo tecnol�gico, el precio que se paga es alto, por el costo elevado de energ�a que cobran las irreversibilidades. En un principio se crey� que el proceso de �smosis inversa ser�a altamente eficiente, pues se pens� que bastar�a con exceder la presi�n osm�tica del sistema para lograr la inversi�n osm�tica. Aqu� no se tomaba muy en cuenta la segunda ley de la termodin�mica debido a que se requiere un trabajo extra para su funcionamiento en contra de irreversibilidades y entre m�s lejos del equilibrio se opere, mayor ser� ese costo extraordinario de energ�a. En efecto, result� que el funcionamiento de dicho efecto requiere de la aplicaci�n de una presi�n mucho mayor (4 � 5 veces mayor) al valor de la presi�n osm�tica efectiva e invertir energ�as 10 veces m�s que la requerida, si el proceso fuera reversible, por ejemplo, la presi�n osm�tica del agua de mar es de 24 atm�sferas, mientras que los equipos que obtienen agua potable a partir de agua de mar operan con presiones de 100 atm�sferas o mayores. Ello implica costos de equipo y mantenimiento elevados.

Uno de los logros de la d�cada de los a�os sesenta fue hacer econ�mica la aplicaci�n de la �smosis inversa en la obtenci�n de agua potable a partir de aguas salobres y de mar, y entrar francamente en competencia con otros sistemas de separaci�n de peque�a o gran escala. Esta posibilidad fue una consecuencia de la perfecci�n de la membrana de acetato de celulosa y un entendimiento m�s claro de los procesos de interacci�n de una soluci�n salina con dichas membranas. En esta d�cada se consigui� comprender los efectos de compactaci�n y de oclusi�n de las membranas bajo operaci�n, as� como percibir la necesidad de tratamientos bioqu�micos del agua de alimentaci�n, por la presencia de microorganismos que utilizan a la membrana como nutriente. En particular, el conocimiento de la capa de polarizaci�n como efecto adverso fue decisivo en los avances anteriores. Este efecto se ha se�alado como el rec�proco del osm�tico, tal como se indic� en el cap�tulo V, y es causa de la formaci�n de una capa de iones cuando durante el tr�nsito del flujo volum�trico se acumulan solutos que no pueden pasar y se concentran a la entrada de la membrana. Esta capa de iones salinos elevan la presi�n osm�tica local de la soluci�n frente a la membrana y por lo mismo aumenta la presi�n de operaci�n para mantener un flujo del solvente. La eliminaci�n de este efecto adverso fue determinante en el dise�o de los m�dulos que sirven de apoyo a la membrana, en vista de que para eliminar esa capa de polarizaci�n se utiliza la agitaci�n convectiva, provocando un flujo turbulento en la soluci�n alimentadora. De esta manera, las celdas donde las membranas ejecutan la separaci�n presentan dise�os geom�tricos de manera que los flujos sean violentos (altos n�meros de Reynolds).

Otro de los avances de la d�cada de los sesenta fue la elaboraci�n de modelos que interpretaban los procesos de transporte de una membrana. Entre otras, est�n las aportaciones de H. K. Londsdale, U. Merten y R. L. Riley en 1965. El a�o siguiente se conocen las contribuciones de Spiegler y Kedem, Gradzinski y Kedem, Mears y Merten. Estos modelos siguen los lineamientos te�ricos dados por Kedem Katchalsky en 1958 y predicen relaciones entre distintas variables del sistema, como los flujos de soluto y solvente, porcentaje de rechazo, espesor y permeabilidad de la membrana. Esto permiti� un manejo adecuado de los par�metros de dise�o en la construcci�n y verificaci�n de plantas de prueba o pilotos y luego su comercializaci�n en plantas del orden industrial.

En la d�cada de los a�os sesenta, el estudio y aplicaci�n de la �smosis inversa se relacion� con la desalaci�n de aguas salinas y del tratamiento de aguas de re�so, como la purificaci�n de agua de desechos industriales y de drenaje.

Por otra parte, en la d�cada de los setenta se consigui� un conocimiento m�s detallado sobre el funcionamiento de la membrana; en particular se discuti� el mecanismo por el que una membrana de acetato de celulosa permite el paso del solvente e impide el tr�nsito de los solutos. El fen�meno de la causa de la selectividad de una membrana fue discutido primeramente en los trabajos de Reid y Breton en 1959, constituyendo una constante preocupaci�n en las explicaciones f�sicas de los modelos de la d�cada anterior.

Algunos puntos se establecieron en la d�cada de los sesenta y aparecen en nuestra �poca como un conocimiento fraccionado. Algunas teor�as han formulado una explicaci�n sobre la causa del fen�meno de la selectividad de una membrana, sin que existan correlaciones de observaciones experimentales donde se observe claramente la influencia de las propiedades de las estructuras polim�ricas. Este problema al parecer no est� resuelto y pone de relieve la necesidad de estudiar a nivel fundamental la interacci�n de una soluci�n electrol�tica con un material polim�rico. La informaci�n b�sica que se obtiene del mecanismo de la selectividad en la d�cada de los sesenta, es su relaci�n con la presencia de grupos qu�micos o radicales en las cadenas polim�ricas en el material de la membrana. Estos grupos qu�micos rechazan los iones por acciones electromagn�ticas, a la vez que se permite el acceso de las mol�culas de agua por propiedades hidrof�licas de la membrana; es decir, el agua es absorbida por el material polim�rico y transmitido de un punto a otro por influencia de transiciones en los puentes de hidr�geno; esto ocurre cuando no hay espacios porosos para un flujo volum�trico. De manera que se confirma la importancia de aglutinar centros de rechazo en la superficie de una membrana hidrof�lica.

El conocimiento de estos mecanismos de selectividad permiti� predecir el comportamiento de las membranas en variadas aplicaciones. Tambi�n aparecieron nuevas membranas utilizando otro tipo de pol�meros que presentan m�s ventajas en comparaci�n con las de acetato de celulosa. En esta d�cada de los setenta, se logr� dar una clasificaci�n �til de las membranas en relaci�n a procesos de separaci�n y el mecanismo de acci�n a su vez relacionada con su estructura. Despu�s de todo, la �smosis inversa ha ganado gran popularidad, se recrearon métodos de operaci�n con diversas membranas, y actualmente existe un sinn�mero de aplicaciones industriales. Esto lo comentaremos en el siguiente cap�tulo.