¿Cuáles son los iones que la membrana de ósmosis inversa puede atravesar?

Iones que pueden pasar a través de las membranas de ósmosis inversa (OI)

1. Principio básico de las membranas de ósmosis inversa (OI)

1.1 Permeabilidad selectiva de las membranas semipermeables

Como membrana semipermeable, la función principal de una membrana de ósmosis inversa (OI) es su capacidad para separar selectivamente las moléculas de agua de otros solutos. El tamaño de poro de una membrana de OI suele oscilar entre 0,1 nm y 2 nm, lo que es significativamente menor que el tamaño de la mayoría de los iones y moléculas, lo que impide eficazmente su paso. En la práctica, las membranas de OI pueden bloquear casi por completo las sales disueltas, los coloides, los microorganismos y las sustancias orgánicas, permitiendo solo el paso de las moléculas de agua.

Esta alta selectividad se atribuye a los poros subnanométricos dentro de las cadenas de poliamida de la membrana de OI, que dificultan el transporte de iones en relación con las moléculas de agua mucho más pequeñas. Esta permeabilidad selectiva basada en el tamaño es crucial en las aplicaciones de tratamiento de agua, particularmente en la desalinización de agua de mar y la producción de agua pura.

Los datos muestran que la tasa de rechazo de sal de las membranas de OI es generalmente estable en más del 90%, mientras que los sistemas de OI de dos etapas pueden alcanzar hasta el 98% o más. Este alto rendimiento de desalinización confirma aún más la permeabilidad selectiva de las membranas de OI. Además, las membranas de OI eliminan eficazmente las bacterias, los microorganismos, las sustancias orgánicas y los metales inorgánicos, produciendo una calidad de agua superior a la de otros métodos de tratamiento.

1.2 Diferencia de presión como fuerza impulsora

El funcionamiento de las membranas de OI se basa en una diferencia de presión como fuerza impulsora. En la ósmosis natural, las moléculas de agua pasan naturalmente a través de una membrana semipermeable desde una región de baja concentración a una región de alta concentración hasta que se alcanza el equilibrio. En la ósmosis inversa, al aplicar una presión mayor que la presión osmótica en el lado de alta concentración, las moléculas de agua se ven obligadas a moverse en la dirección opuesta a través de la membrana, separando el agua pura de los solutos concentrados.

Específicamente, cuando se aplica presión a un lado de la membrana que excede la presión osmótica de la solución, el disolvente (generalmente agua) se mueve en ósmosis inversa. El lado de baja presión recoge el disolvente permeado (permeado), mientras que el lado de alta presión retiene la solución concentrada (concentrado). Este proceso impulsado por la presión hace que la tecnología de OI sea muy eficaz para tratar soluciones de alta salinidad, como en la desalinización de agua de mar y el tratamiento de aguas residuales.

En la práctica, las membranas de OI suelen funcionar a presiones de alrededor de 9 a 12 kg/cm², y la diferencia de presión antes y después de la membrana generalmente no excede 1 kg/cm². Una diferencia mayor puede indicar incrustación o la necesidad de limpieza. Mantener una diferencia de presión adecuada es esencial para el correcto funcionamiento de la OI y la longevidad de la membrana.

2. Iones que pueden pasar a través de las membranas de OI

2.1 Permeabilidad de las moléculas de agua

Las membranas de OI están diseñadas específicamente para permitir que las moléculas de agua pasen eficientemente mientras bloquean las moléculas y los iones de soluto más grandes. Una molécula de agua mide aproximadamente 0,324 nm, mientras que los poros de la membrana de OI oscilan entre 0,1 nm y 2 nm, lo que permite que el agua pase con relativa facilidad. La permeabilidad al agua es significativamente alta, impulsada por la diferencia de presión aplicada, lo que permite que las moléculas de agua fluyan en la dirección inversa de la ósmosis natural.

Los datos indican que la tasa de producción de agua de una membrana de OI depende de su tamaño de poro y de sus propiedades hidrofílicas. En condiciones de funcionamiento estándar, una membrana de OI puede producir varios litros de agua por centímetro cuadrado por hora, dependiendo de la presión de funcionamiento y de las características específicas de la membrana. Por ejemplo, un modelo de membrana de OI 8040 puede producir hasta 1 tonelada/hora en condiciones de presión normal. Esta alta permeabilidad al agua es clave para la amplia aplicación de la tecnología de OI en el tratamiento del agua.

2.2 Permeabilidad parcial de ciertos iones minerales

Aunque las membranas de OI están diseñadas para bloquear los iones, no todos los iones se eliminan por completo. En algunos casos, una pequeña fracción de ciertos iones minerales puede pasar, aunque a tasas mucho más bajas que las moléculas de agua. Los iones que pueden pasar más fácilmente suelen ser más pequeños y tienen menor energía de hidratación.

Los estudios han demostrado que las membranas de OI tienden a tener una tasa de transmisión ligeramente mayor para los iones monovalentes (como el sodio Na⁺) en comparación con los iones divalentes (como el calcio Ca²⁺). Por ejemplo, se ha observado que los iones sodio pasan más fácilmente debido a su capa de hidratación más pequeña y a su mayor movilidad. Si bien la OI reduce eficazmente los sólidos disueltos totales (TDS), las aplicaciones específicas pueden requerir un tratamiento adicional para eliminar por completo ciertos iones.

En aplicaciones prácticas, la permeabilidad de los iones minerales depende de factores como el material de la membrana, la presión de funcionamiento y la calidad del agua de alimentación. Para mejorar la eliminación de iones específicos, se pueden emplear tecnologías de membrana avanzadas o pasos de pre/post-tratamiento adicionales. Por ejemplo, se pueden agregar sistemas de ablandamiento aguas arriba de la OI para eliminar los iones de calcio y magnesio. La limpieza química regular de las membranas de OI también es crucial para mantener el rendimiento y mejorar las tasas de rechazo de iones.

3. Selectividad iónica de la membrana de OI

3.1 Efecto del tamaño y la carga de los iones

La selectividad de las membranas de OI está fuertemente influenciada por el tamaño y la carga de los iones. Los poros de una membrana de OI son significativamente más pequeños que la mayoría de los iones, lo que impide eficazmente su paso. La hidratación también aumenta el tamaño efectivo de los iones, lo que dificulta aún más el transporte.

• Tamaño del ion: Los iones monovalentes como el sodio (Na⁺) y el cloruro (Cl⁻), al ser más pequeños y menos hidratados en comparación con los iones divalentes como el calcio (Ca²⁺) y el magnesio (Mg²⁺), son ligeramente más propensos a pasar a través de la membrana.

• Carga del ion: Los iones divalentes (Ca²⁺, Mg²⁺) tienen capas de hidratación más fuertes y tamaños efectivos mayores, lo que dificulta su permeación a través de la membrana. Los datos experimentales muestran que las membranas de OI generalmente eliminan los iones divalentes de manera más efectiva que los iones monovalentes debido a estas propiedades.

3.2 Diferencias en la tasa de eliminación de iones

Las membranas de OI exhiben diferentes tasas de eliminación para diferentes iones debido a las diferencias en el tamaño, la carga y los efectos de hidratación:

• Iones monovalentes vs. iones divalentes: Las membranas de OI generalmente logran una eliminación >90% de iones monovalentes como el sodio, pero tienen una eficiencia ligeramente menor para los iones divalentes como el calcio.

• Material de la membrana: Las membranas de poliamida comunes suelen lograr más del 90% de desalinización, mientras que las membranas compuestas avanzadas pueden alcanzar el 98% o más.

• Condiciones de funcionamiento: Una mayor presión aumenta la permeabilidad al agua, pero puede aumentar ligeramente el paso de iones. Una mayor concentración de iones en el agua de alimentación puede provocar incrustaciones y ensuciamiento, lo que reduce las tasas de rechazo.

• Pre- y post-tratamiento: El pre-ablandamiento elimina el calcio y el magnesio antes de la OI, mientras que el pulido por intercambio iónico puede mejorar aún más la calidad final del agua.

4. Factores que afectan el rechazo de iones

4.1 Material y estructura de la membrana

El material y la estructura de la membrana de OI afectan significativamente la selectividad iónica:

• Material: Las membranas de poliamida son las más comunes debido a su estabilidad química y alto flujo de agua, que suelen lograr >90% de desalinización. Las membranas compuestas avanzadas combinan múltiples materiales para alcanzar hasta el 98% de desalinización.

• Estructura: Las membranas de OI típicas tienen un tamaño de poro de 0,1 a 2 nm, mucho más pequeño que la mayoría de los iones. Están estructuradas en tres capas: capa base (tejido no tejido), capa de soporte (polisulfona) y capa de desalinización (poliamida), cada una optimizada durante la fabricación para mejorar el rechazo de iones.

4.2 Condiciones de funcionamiento (presión y concentración)

La presión de funcionamiento y la concentración del agua de alimentación impactan directamente en el rendimiento de la OI:

• Presión: Una mayor presión aumenta linealmente el flujo de agua, pero solo hasta cierto punto mejora el rechazo de sal. Más allá de este límite, un aumento adicional de la presión no mejora el rechazo.

• Concentración: Una mayor salinidad aumenta la presión osmótica, lo que requiere una mayor presión aplicada. Si la presión de funcionamiento permanece constante, el flujo disminuye y el paso de sal aumenta, lo que reduce la eficiencia de rechazo.

5. Resumen

En esta sección, exploramos la selectividad iónica de las membranas de OI, incluidos sus principios, la permeabilidad al agua y a los iones, y los factores que afectan el rendimiento:

• Selectividad iónica: Las membranas de OI bloquean eficazmente la mayoría de los iones, permitiendo que pasen principalmente las moléculas de agua. Las tasas típicas de rechazo de sal son >90%, y los sistemas de dos etapas pueden alcanzar el 98% o más.

• Agua vs. iones: El agua permea eficientemente debido al transporte impulsado por la presión, mientras que solo cantidades traza de ciertos iones monovalentes pequeños pueden pasar.

• Factores que influyen en el rechazo: El material y la estructura de la membrana, junto con las condiciones de funcionamiento (presión, concentración), determinan la selectividad iónica. La optimización de estos factores mejora el rendimiento para aplicaciones específicas.

En general, la capacidad de rechazo de iones de las membranas de OI es un factor clave en su uso generalizado en el tratamiento del agua. Al mejorar los materiales, la estructura y la configuración operativa, las membranas de OI pueden lograr una selectividad iónica aún mayor para satisfacer diversas necesidades de aplicación.