guia Ósmosis inversa

7/26/2019 Guia Ósmosis Inversa

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11/11/2015

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

CURSO: TRANSFERENCIA DE MASA II

GUÍA DE LABORATORIO

ÓSMOSIS INVERSA

I. OBJETIVO.

El objetivo del experimento es el estudio y la práctica de la operación de Ósmosis Inversa.

II. TEORÍA

La Ósmosis es una fenómeno termodinámico en el cual el solvente de una solución diluida atraviesauna membrana semipermeable que la separa de otra solución más concentrada hasta llegar a unequilibrio que depende de la presión a ambos lados de la membrana. Al llegar al equilibrio lafugacidad, y por tanto el potencial químico del solvente, a ambos lados de la membrana se iguala.Debe notarse que se trata de un equilibrio que depende enteramente de las propiedades del solventey no del soluto, por lo que se le estudia como una propiedad coligativa. Aunque, estrictamente, elsoluto puede atravesar la membrana, dependiendo de la presión a ambos lados, el paso es muy lentocomparativamente de modo que raramente existe un equilibrio de concentraciones del soluto entrelas dos soluciones. Inclusive, la Ósmosis puede llegar con rapidez a un equilibrio del solvente aún sien cada lado de la membrana existen solutos diferentes. Es decir, la operación depende del solvente,

no del soluto.Al llegar al equilibrio las dos soluciones, se observa una diferencia de presión entre ambos lados dela membrana que es la llamada Presión Osmótica. En el laboratorio este fenómeno se manifiesta

porque uno de los lados, el lado más concentrado, eleva su nivel mientras que en el lado diluído elnivel se reduce. En la figura que viene en (a) se colocaron en un depósito dos soluciones de distintaconcentración separados por una membrana semipermeable. En (b) se muestra la diferencia deniveles al llegar al equilibrio. es la presión osmótica.

La Ósmosis Inversa es la operación contraria a la Ósmosis. Si en el depósito se aplica una presiónmayor que sobre la solución concentrada, el solvente es forzado a atravesar la membrana, con muy

poco ó nulo paso del soluto. Esta operación se observa arriba en (c). Esta operación de ÓsmosisInversa es de gran interés en la industria ya que permite, como una de sus mayores aplicaciones,obtener solventes de mayor pureza, tal como en la industria de tratamiento de aguas.



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A diferencia de la filtración, que consiste en la separación de sólidos según su tamaño por medio deuna malla ó membrana, la Ósmosis Inversa es un fenómeno basado en el equilibrio termodinámico.En la filtración, son retenidas las partículas de mayor tamaño que el tamaño del poro ó abertura de lamalla mientras que las de menor tamaño atraviesan la malla. En la Ósmosis es el solvente el queatraviesa la membrana hacia el lado más concentrado, con poca influencia del tamaño de las

partículas. La demostración consiste en que partículas iónicas como el ión sodio, no atraviesa lasmembranas (ó su paso es de menor velocidad) mientras que moléculas más grandes como el agua siatraviesan con mayor facilidad las mismas membranas.

El análisis termodinámico de la Ósmosis llevó a determinar que la presión osmótica depende de latemperatura y la concentración del soluto de acuerdo con la siguiente ecuación llamada Ecuación deVan’t Hoff:

1

1

2

x RT C RT

V

donde es la presión osmótica, C1 es la concentración del soluto en la fase diluida, R la cte de losgases y T la temperatura del sistema en ºK. En caso de sales y sustancias iónicas, la concentracióncorresponde al total de iones presentes, así 1 mol de NaCl contiene 2 moles de iones.

Las operaciones de ósmosis inversa en la industria requieren del uso de membranas semipermeables,resistentes a los microorganismos y a presiones altas. Para producir un flujo adecuado del solventehacia el lado diluido se requiere aplicar una presión mayor que la osmótica. El paso del solvente através de la membrana se calcula por:

solv

m

Pm N P

l

donde N es el flujo a través de la membrana de espesor lm, Pm es la permeabilidad del solvente, Pla diferencia de presiones entra ambos lados y la diferencia de presión osmótica entre ambos

lados. El fabricante provee [Pm/lm]. Puede notarse que el flujo depende directamente de la diferenciade presiones aplicadas y las presiones osmóticas.

El soluto también puede atravesar la membrana y su paso depende sólo de las concentraciones aambos lados de la membrana como indica la siguiente ecuación:

sal

F p

m

Pm N c c

l

donde cF es la concentración de la solución concentrada alimentada al depósito y cP la concentracióndel lado diluido.

Para apreciar la capacidad de una membrana para separar solutos de solventes, y para estimar lasuperficie requerida de membrana para determinada operación, se usa los términos Paso de Soluto(SP) y Rechazo de Soluto (SR) que generalmente provee también el fabricante. Ambos se calculan:

1

soluto permeado

soluto feed

cSP SR SP

c

donde csoluto son las concentraciones en ambos lados, SP es el paso de soluto, SR es el rechazo desoluto.



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III. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

El experimento se realiza en el equipo de Ósmosis Inversa. El diagrama del proceso se muestra acontinuación:

El agua a tratar atraviesa filtros de grava donde se retienen las partículas suspendidas en el agua.Seguidamente pasa por un ablandador para evitar que la dureza se deposité en las membranas.

Luego atraviesa un filtro de carbón cuyo objetivo es retener y eliminar del agua, principalmente, elión férrico, cloro libre, que pueden envenenar y degradar las membranas, y sustancias orgánicas queigualmente pueden ocluir y dañar las membranas. Luego ingresa a la succión de una bomba queeleva la presión hasta el valor deseado y envía el agua hacia las membranas. Allí la alimentación sedivide en una fracción ó permeado que ingresa al primer cartucho y atraviesa la membrana, siendorecolectado como el producto valioso mientras que el resto del agua más concentrada pasa a unasegundo cartucho donde nuevamente se separa en una corriente diluida que se recolecta como

permeado, y una corriente concentrada que se elimina como rechazo.

Parte del agua de rechazo es reciclada, redirigiéndola hacia la bomba, mientras que el resto va aldesagüe.

IV. PROCEDIMIENTO1. Preparar el equipo de Ósmosis Inversa.2. Abrir la válvula de agua de alimentación y comprobar que hay suficiente flujo.3. Tomar una muestra de agua que sale tras el ablandador para analizar su contenido de sólidos.4. Prender el equipo y ajustar las válvulas de salida y de reciclo hasta conseguir una presión de 200

psig en el manómetro.5. Esperar tres minutos para que se estabilice el flujo y luego simultáneamente tomar muestras de

alimentación, permeado y rechazo, medir el flujo de permeado y rechazo, y la temperatura delagua (la que posiblemente no va a variar durante toda la prueba).

6. El flujo se mide con una probeta de 500 ó 1000 mL y un cronómetro, calculan do flujo volumentotal/tiempo de llenado.



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7. Medir la conductividad de las muestras de rechazo y de permeado. En el caso del medidor deconductividad del laboratorio, Hach HQ14d, 1 S/cm corresponde a 0.5 ppm de NaCl.

8. Repetir los pasos anteriores para realizar mediciones a presiones de 190, 180, 170, 160, 150,140, 130, 120, 110 y 100 psig.

V. MEDICIONES Y RESULTADOS

1. Registrar los datos que se muestran en la tabla de abajo.2. Calcular las Presiones Osmóticas de permeado y rechazo a cada presión.3. Graficar las curvas de flujos y presiones osmóticas correspondientes a cada presión aplicada.4. Calcular la relación [Pmsolv/lm] y [Pmsoluto/lm] del equipo de ósmosis inversa.5. Calcular los factores de Paso (SP) y Rechazo (SR) del soluto.6. Estimar costos operativos en función de la presión aplicada y los flujos obtenidos, usando costos

referenciales para la energía eléctrica en kwh.7. Desarrollar el informe de la práctica, incluyendo información sobre las membranas, tipos,

aplicaciones, etc.

Datos de la Práctica:

PresiónPsig

Flujo dePermeado,

mL/min

Flujo deRechazo,mL/min

Flujo deAlimentación,

mL/min

Conductividadde Permeado,

S/cm

Conductividadde Rechazo,S/cm

Conductividad deAlimentación,

S/cm200190180170160150

140130120110100

ING. CELSO MONTALVO

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