El fenómeno de "ósmosis natural" se define como el paso de líquido a través de una membrana semipermeable (que deja pasar el agua, pero no las sales disueltas en ella) de una solución diluida hacia una solución concentrada con el propósito de intentar igualar ambas concentraciones.

En la figura puede observarse el paso del agua de la solución más diluida (que se concentra) hacia la solución más concentrada (que se diluye). A medida que el agua fluye, la columna de agua que se crea ejerce una presión creciente que se opone a este flujo, con lo cual el proceso se estabiliza cuando el agua se eleva a una determinada altura. La presión ejercida por la columna de agua (que compensa el proceso de ósmosis natural) corresponde al concepto de la "presión osmótica" de la solución final.La "ósmosis natural" se manifiesta en la naturaleza, por ejemplo, en las membranas de algunas células fundamentalmente en el mundo vegetal y se utiliza principalmente para la absorción de agua. Muchas plantas absorben agua a través de la raíz por ósmosis.Si bien como proceso biológico es muy útil para los seres vivos, técnicamente no aporta ninguna ventaja ya que partiendo de un agua de baja concentración en sales y otra de mayor concentración, simplemente se obtienen dos agua de concentración intermedia.El proceso de "ósmosis inversa" consiste fundamentalmente en invertir por medios artificiales la tendencia de la "ósmosis natural"; a partir de una solución concentrada en sales, aplicando una presión determinada superior a su presión osmótica, se fuerza el paso de agua para obtener una solución muy diluida que generalmente será la parte útil y a la que llamaremos "permeado" y otra solución muy concentrada, que normalmente se despreciará, que se denomina "rechazo".

 

Mediante el proceso de ósmosis inversa podemos obtener agua de alta pureza a partir de un agua con una concentración elevada de sales. En algunos casos puede partirse incluso del agua de mar para obtener un agua que puede destinarse a consumo humano.La presión osmótica de una solución es una propiedad denominada “coligativa” que no depende de la naturaleza de las sales disueltas (soluto) sino de su concentración en el agua (disolvente). A mayor concentración de sales, mayor será la presión osmótica que deberemos aplicar para que el agua atraviese la membrana.MembranaLa ósmosis inversa funciona gracias a una membrana semipermeable, con un tamaño de poro alrededor o inferior a 0,0001 micras, que permite el paso de líquido, pero no de las sales que éste lleva disueltas. El tipo de membrana que se utiliza más habitualmente es el de poliamida; presenta un buen rendimiento y una adecuada estabilidad, aunque tiene un inconveniente que debe siempre

considerarse: el cloro la destruye, por lo cual debe eliminarse por completo en el pre-tratamiento del agua antes de que ésta acceda a la membrana. La membrana está generalmente situada sobre un soporte polisulfónico microporoso el cual a su vez se apoya en un material de distribución del permeado.

 

 MóduloSe define el "módulo" en la ósmosis inversa como el elemento en el que se dispone la membrana para su utilización.El tipo más utilizado es el módulo con arrollamiento en espiral. Está formados por dos membranas unidas entre sí formando una larga bolsa enrollada alrededor de un tubo que recoge en su interior el agua permeada y que dispone de unos canales con un espaciador para evitar el contacto entre las membranas y permitir la circulación del agua a tratar. El agua entra por un extremo del módulo circulando por los canales con el espaciador. Una parte atraviesa las paredes de la membrana y circula por toda la espiral hasta recogerse en el tubo central (permeado). El agua de rechazo sale por el otro extremo del módulo.

 

Conversión de una membrana y concentración de salesLa relación entre el caudal de permeado y el caudal de alimentación de una membrana se denomina "conversión" y se expresa en %.

 

 La conversión de una membrana es un factor muy importante en el diseño de un equipo de ósmosis inversa. Cuanto mayor es la conversión de una membrana mayor es el rendimiento del equipo, pero también más se concentra el agua en su interior.

 En la siguiente tabla podemos ver el factor de concentración de sales en función de la conversión, considerando hipotéticamente para facilitar los cálculos, que la membrana no dejara pasar ninguna sal (las membranas en la realidad tienen un rechazo de sales entre el 95 – 99 % e incluso algo superiores en algunos modelos): 

CONVERSIÓNFACTOR DE

CONCENTRACIÓN  CONVERSIÓN

FACTOR DE CONCENTRACIÓN

10 % 1,11   60 % 2,50

20 % 1,25   70 % 3,33

30 % 1,43   80 % 5,00

40 % 1,67   90 % 10,00

50 % 2,00   99 % 100,00

Conversión de una membrana y concentración de sales (2)En general:

 

 Si consideramos, por ejemplo, un agua con 500 mg/L de sales, 20 ºf de dureza y una conversión del 15 %, el factor de concentración será 100 / (100-15) = 1,18 y en el rechazo tendremos una salinidad de 500 x 1,18 = 590 mg/L y una dureza de 20 x 1,18 = 23,6 ºf.

 La conversión de un equipo es un factor muy importante a considerar ya que a mayor conversión:

Rendimiento más elevado Riesgo más importante de incrustaciones y precipitaciones en las membranas al concentrarse

las sales en ella, lo cual obligará a un pre-tratamiento más complejo. Mayor presión osmótica y consecuentemente más elevado consumo eléctrico.

 Para más detalles sobre el rendimiento de los equipos de ósmosis inversa ver el apartado específico dedicado a este concepto.actores que modifican la producción de las membranasLos principales factores que influyen en la eficacia de las membranas son los siguientes:

  Presión aplicada sobre la membrana.

La presión aplicada influye directamente sobre la cantidad de agua que atraviesa la membrana de tal forma que a mayor presión mayor será la cantidad de agua osmotizada que obtendremos y mejor será su calidad.

  Concentración de sales en el agua de entrada.

Un aumento de la concentración de sales provocará una disminución de la cantidad de agua permeada y además una pérdida de calidad de dicha agua que se obtendrá con mayor concentración de sales. Del mismo modo a mayor concentración de sales mayor presión se necesita para obtener un caudal determinado de permeado.

  Temperatura.

La temperatura es un factor a tener muy en cuenta ya que afecta al rendimiento de las membranas. Un aumento de la temperatura produce un aumento del caudal de permeado mientras que una disminución de temperatura provocará un descenso de este caudal. Este fenómeno se produce por la variación de la viscosidad del agua en función de la temperatura y afecta en forma muy significativa a la producción de permeado: por cada 1 ºC que aumenta la temperatura, la membrana puede producir aproximadamente un 3 % más de permeadPre-tratamientosUno de los factores más importantes para conseguir el perfecto funcionamiento de una instalación de ósmosis inversa, y para garantizar una larga vida de las membranas, es un adecuado pre-tratamiento del agua antes de su entrada al equipo.Para aguas de pozo o manantial cuya composición sea totalmente desconocida, el pre-tratamiento deberá decidirse a partir de un análisis químico completo del agua de entrada.Para aguas de red municipal, que ya han sufrido un tratamiento previo y cumplen con la legislación vigente, el pre-tratamiento habitualmente incluye las siguientes etapas:

  Filtración

Se realiza una filtración inicial del agua de aporte para eliminar la mayor parte de las partículas en suspensión y otra de 1 a 5 micras, como último paso previo a la entrada a las membranas para la retención de partículas finas en suspensión 

Tratamiento contra incrustacionesCuando el agua se concentra en las membranas, varias de las sales presentes pueden superar su solubilidad y precipitar obstruyéndolas. En función de las sustancias que el agua incorpore, los tratamientos se basan en:

o Descalcificación mediante resinas de intercambio iónicoo Acidificación para evitar la precipitación de sales de durezao Dosificación de inhibidores de incrustaciones específicos para las sales disuelta Eliminación de cloro

La presencia de cloro perjudica la estabilidad de las membranas de poliamida. Para su eliminación se incorpora un filtro de carbón activo o bien se dosifica un producto reductor como un sulfito o un bisulfito sódico.Post-tratamientosLos post-tratamientos necesarios para el agua osmotizada dependen, en gran parte, de su utilización. El agua permeada es un agua de muy baja mineralización, con carácter agresivo y con un pH relativamente bajo alrededor de 6,0 - 6,5 producido por la presencia de anhídrido carbónico disuelto que ha atravesado las membranas o incluso más bajo en caso de haberse utilizado un pre-tratamiento basado en la acidificación del agua.

 En aplicaciones industriales, riego...etc. en muchos casos no es necesario realizar ningún post-tratamiento pudiéndose utilizar directamente el agua permeada.

 En caso de que el agua se destine a consumo humano normalmente se efectúan los siguientes post-tratamientos:

  Neutralización de la acidez carbónica mediante productos alcalinizantes. Generalmente se

utiliza hidróxido o carbonato cálcico para proporcionar una cierta dureza residual al agua osmotizada y ajustar el Índice de Langelier.

Cloración o adición de un desinfectante para evitar la contaminación del agua tratada.

COMPROBACIÓN DE LA SALINIDAD DEL AGUAEn la mayoría de los casos se utiliza un sistema eléctrico con cuatro electrodos; dos se introducen en el agua de aporte y los otros dos en el agua osmotizada.Al conectar el equipo a la corriente eléctrica se produce un proceso de electrolisis y, en función de la salinidad del agua, el metal de uno de los electrodos se disuelve más o menos en el agua lo cual produce una coloración y un precipitado, que puede ser importante, pero que es consecuencia exclusiva del electrodo disuelto.El agua osmotizada tiene una menor salinidad y conduce menos la corriente eléctrica, por ello es normal que el electrodo se disuelva menos en ella. Es importante destacar que la coloración que adquiere el agua es debida exclusivamente al electrodo que se disuelve, y no a la propia agua.En algunos casos la medición de la salinidad del agua se efectúa directamente utilizando un conductivímetro; este equipo dispone de dos electrodos que se introducen en el agua e indica directamente en una pantalla el valor de su conductividad o salinidad.Por último, en relación con la baja salinidad del agua osmotizada es importante destacar que ésta contiene, en general y como promedio, del 3 al 10 % de las sales que tenía en la entrada. La salinidad final en muchos casos en muy similar a aguas de red o minerales de baja mineralización y puede consumirse sin ningún problema.Por otra parte también existen equipos con una válvula mezcladora que permiten mezclar el agua osmotizada con el agua sin tratar y ajustar la salinidad final al gusto deseado por el consumidor.