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Ósmosis inversa: ventajas y desventajas

Ósmosis Inversa

septiembre 24, 2020

Como método de filtración de agua, la ósmosis inversa existe desde finales de la década de 1950 y se ha empleado con éxito en la desalinización de agua, siendo un proceso de purificación eficaz. Actualmente, la ósmosis inversa se utiliza en sistemas de purificación de agua para empresas, para el hogar o a escala industrial en diversos sectores.

Los filtros de agua de ósmosis inversa tienen muchas ventajas pero, tienen también algunas desventajas. Como método de purificación de agua para usos industriales, su efectividad es incuestionable. Sin embargo, existe un fuerte debate sobre qué tan saludable es beber agua tratada con filtros de ósmosis inversa.

A continuación conoceremos más a fondo este método de filtración de agua y veremos sus pros y contras.

¿Qué es la ósmosis inversa?

La ósmosis inversa (OI) es una tecnología que se utiliza para la purificación de agua que utiliza una membrana semipermeable para remover minerales y eliminar iones del agua, con el objetivo de eliminar las partículas más grandes del agua potable.

La ósmosis inversa funciona aplicando presión al agua para empujarla a través de una membrana de ósmosis semipermeable para filtrarla.

Esta membrana semipermeable permite que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión. El índice del paso depende de la presión osmótica, la concentración, el gradiente electroquímico y la temperatura de las moléculas o de los solutos en cualquier lado, así como de la permeabilidad de la membrana para cada soluto.

Un ejemplo sencillo puede ser un mosquitero en una ventana. Permite que pasen las moléculas de aire, pero no los mosquitos, ni nada que sea más grande que los orificios de la membrana.

Existen, por ejemplo, telas para confeccionar ropa impermeable que contienen una película de plástico extremadamente delgada en la que se han hecho miles de millones de pequeños poros. Los poros son lo suficientemente grandes para dejar salir el vapor de agua, pero lo suficientemente pequeños para evitar que entre agua en estado líquido.

La ósmosis inversa puede eliminar muchos tipos de moléculas y iones del agua, incluidas las bacterias, y se utiliza tanto en procesos industriales como en la producción de agua potable. Actualmente, también se utiliza en purificadores de agua con sistemas de ósmosis inversa.

El resultado de este proceso de purificación del agua es que el soluto se retiene en el lado presurizado de la membrana y el agua pura puede pasar al otro lado.

Para que el proceso sea “selectivo”, la membrana debe evitar el paso de moléculas grandes a través de los poros , pero debe permitir que los componentes más pequeños de la solución pasen libremente.

En el proceso de ósmosis normal, el solvente se mueve naturalmente desde un área de baja concentración de soluto (alto potencial de agua), pasando por una membrana, a un área de alta concentración de soluto (bajo potencial de agua).

La ósmosis inversa implica un mecanismo difusivo, por lo que la eficacia de la separación depende de la concentración de soluto, la presión y la tasa de flujo de agua. La ósmosis inversa es más comúnmente conocida por su uso en la purificación de agua potable a partir del agua de mar, eliminando la sal y otros materiales de las moléculas de agua.

El proceso de la ósmosis

Para poder purificar el agua por ósmosis inversa, es necesario llevar a cabo el proceso contrario al de la ósmosis convencional.

La ósmosis es un fenómeno natural y uno de los procesos más importantes de la naturaleza.

Es un proceso en el que una solución salina menos concentrada tenderá a migrar hacia donde se encuentra una solución salina más concentrada. Algunos ejemplos de ósmosis pueden ser cuando las raíces de las plantas absorben agua del suelo o nuestros riñones absorben agua de nuestra sangre.

El siguiente diagrama muestra cómo funciona la ósmosis. Una solución que está menos concentrada, tendrá una tendencia natural a moverse hacia donde hay una solución con una concentración más alta.

Por ejemplo, si tuvieras un recipiente lleno de agua con baja concentración de sal y otro recipiente lleno de agua con alta concentración de sal, y estuvieran separados por una membrana semipermeable, el agua con menor concentración de sal comenzaría a moverse hacia el recipiente de agua con mayor concentración de sal.

Proceso de Ósmosis

Mientras que la ósmosis se produce de forma natural, sin necesidad de energía adicional, para revertir el proceso de ósmosis es necesario aplicar presión a la solución más salina.

Esto significa que se debe “empujar” el agua a través de la membrana de ósmosis inversa aplicando una presión que sea mayor que la presión osmótica natural, para desalinizar, desmineralizar y remover iones del agua en el proceso, permitiendo que el agua pura pase atravès de la membrana, mientras retiene la mayor parte de contaminantes.

En el siguiente diagrama podemos observar el proceso de ósmosis inversa. Cuando se aplica presión a la solución concentrada, se fuerza el paso de las moléculas de agua a través de la membrana semipermeable, que impide el paso de contaminantes y minerales que se encuentran en el agua.

Ósmosis Inversa: proceso

¿Cómo funciona la ósmosis inversa?

Para que el proceso de ósmosis inversa funcione es necesario el uso de una bomba que aumente la presión del lado de la membrana donde tenemos el agua que se va a tratar, es decir, el agua con mayor concentración de sal o contaminantes.

La función de la bomba es forzar el paso del agua a través de la membrana de ósmosis semipermeable para que alrededor de 95% a ​​99% de las sales disueltas sean enviadas al drenaje en el flujo de rechazo.

La cantidad de presión requerida depende de la concentración de sal en el agua que alimenta el sistema. Cuanto más alta es la concentración, más presión se requiere para superar la presión osmótica.

El resultado del filtrado por ósmosis inversa son 2 flujos de agua. El primero es el agua filtrada (conocido como agua de permeado); el otro es el flujo de agua que transporta los contaminantes concentrados, que no pasaron a través de la membrana de ósmosis inversa, y se conoce como corriente de rechazo (o concentrado). 

A medida que el agua de alimentación pasa a través de la membrana de ósmosis inversa bajo presión, las sales y otros contaminantes que no pudieron pasar se descargan a través de la corriente de rechazo que, como dijimos, se desecha a través del drenaje. 

El agua que pasa a través de la membrana de ósmosis inversa se denomina permeado o agua de producto y, generalmente, tiene alrededor del 95% al ​​99% de las sales disueltas eliminadas.

Es importante comprender que un sistema de ósmosis inversa emplea filtración cruzada en lugar de filtración estándar, y los contaminantes se recolectan dentro del medio filtrante. 

En la filtración cruzada, la solución pasa por el filtro, o atraviesa el filtro, con dos salidas: el agua filtrada va en un sentido y el agua contaminada en otro.

¿Qué contaminantes elimina la ósmosis inversa del agua?

La ósmosis inversa es capaz de eliminar hasta el 99% de las sales disueltas (iones), partículas, coloides, orgánicos, bacterias y pirógenos del agua con que se alimenta el sistema (aunque no se debe confiar en un sistema de ósmosis inversa para eliminar el 100% de las bacterias y virus). 

Una membrana de ósmosis inversa rechaza los contaminantes según su tamaño y carga. Cualquier contaminante que tenga un peso molecular superior a 200 probablemente será rechazado por un sistema de ósmosis inversa que funcione correctamente (a modo de comparación, una molécula de agua tiene un peso molecular de 18). 

Asimismo, cuanto mayor sea la carga iónica del contaminante, es más probable que no pueda atravesar la membrana.

Por ejemplo, un ion de sodio tiene una sola carga (monovalente) y no es rechazado por la membrana de RO, así como el calcio, por ejemplo, que tiene dos cargas. Igualmente, esta es la razón por la que un sistema de ósmosis inversa no elimina muy bien gases como el CO2, porque no están altamente ionizados (cargados) mientras están en solución y tienen un peso molecular muy bajo. 

Debido a que un sistema de ósmosis inversa no elimina los gases, el agua de permeado puede tener un nivel de pH ligeramente más bajo de lo normal, dependiendo de los niveles de dióxido de carbono en el agua, ya que el CO2 se convierte en ácido carbónico.

La ósmosis inversa es muy eficaz en el tratamiento de agua salobre, superficial y subterránea, para aplicaciones de caudales grandes y pequeños.

Algunos ejemplos de industrias que utilizan agua de ósmosis inversa son la farmacéutica, industrias que utilizan agua para alimentación de calderas, alimentos y bebidas, acabado de metales y fabricación de semiconductores, por nombrar algunos.

Tratamiento previo a un sistema de ósmosis inversa

Como ya lo mencionamos, no se debe confiar en un sistema de ósmosis inversa para eliminar virus y bacterias al 100%.

Al igual que con los sistemas de purificación de agua con luz ultravioleta, el pretratamiento adecuado con filtros mecánicos o químicos es fundamental, antes de que el agua pase por el sistema de ósmosis, para evitar que se formen incrustaciones en la membrana, lo que se traduce en fallas prematuras de la membrana de ósmosis inversa.

A continuación, se muestra un resumen de los problemas más comunes que experimenta un sistema de ósmosis inversa debido a la falta de un tratamiento del agua previo adecuado.

Abordaje: se presenta cuando los contaminantes se acumulan en la superficie de la membrana y la obstruyen de manera contundente. Esto puede suceder si el agua de la red pública está muy contaminada. En este caso, hay muchos contaminantes que son invisibles para el ojo humano e inofensivos para nuestro organismo, pero son lo suficientemente grandes como para tapar rápidamente un sistema de ósmosis inversa.

Las bacterias presentan uno de los problemas de saturación de la membrana más comunes, debido a que las membranas de ósmosis inversa en uso hoy en día no soportan el uso de desinfectantes como el cloro y, por lo tanto, los microorganismos a menudo pueden prosperar y multiplicarse en la superficie de la membrana. Producen biopelículas que cubren la superficie de la membrana y dan como resultado una fuerte suciedad.

Escalada: A medida que ciertos compuestos inorgánicos disueltos se concentran más, pueden incrustarse en la membrana. Una mayor incrustación puede ocasionar una caída de presión en el sistema, un mayor paso de sal (menos rechazo de sal), un flujo de permeado bajo y una calidad de agua de permeado más baja. Un ejemplo de un compuesto común que tiende a incrustarse en una membrana de ósmosis inversa es el carbonato de calcio (CaCO3).

Ataque químico: Las membranas modernas están compuestas de una película delgada que no tolera al cloro ni a las cloraminas. Los oxidantes como el cloro «queman» los agujeros en los poros de la membrana y pueden causar daños irreparables. El resultado del ataque químico a una membrana de ósmosis inversa es un mayor flujo de permeado y un mayor paso de contaminantes (agua de permeado de peor calidad).

Debido a que las membranas modernas no soportan el uso de desinfectantes como el cloro, se da el crecimiento de microorganismos en las membranas de ósmosis inversa con tanta facilidad.

Daños mecánicos: Parte del esquema de pretratamiento del agua debe considerar a la plomería y los controles del sistema de ósmosis inversa, antes y después. Si se producen «arranques difíciles», pueden producirse daños mecánicos en las membranas. Asimismo, si hay demasiada contrapresión en el sistema de ósmosis inversa, también pueden producirse daños mecánicos en las membranas.

Estos pueden prevenirse mediante el uso de motores de accionamiento de frecuencia variable para arrancar bombas de alta presión e instalando válvulas de retención y/o válvulas de alivio de presión, para evitar una contrapresión excesiva en la unidad de ósmosis inversa que pueda causar daños permanentes en la membrana.

Tratamientos de agua previos a la ósmosis inversa

A continuación, se muestran algunas soluciones de pretratamiento de agua para sistemas que incluyen filtros de ósmosis inversa que pueden ayudar a minimizar las incrustaciones y los ataques químicos.

Filtros multimedia (MMF)

Los filtros multimedia están diseñados para filtrar sólidos suspendidos en el agua por medio de varias capas de medios filtrantes, yendo de más grueso a más fino.

Este diseño hace que las partículas más grandes sean atrapadas en las capas superiores y las más pequeñas en las inferiores. Este diseño maximiza la capacidad de atrapar partículas de arenilla, óxidos, orgánicos y sedimentos en general, desde 10-15 micrones o más.

Se utiliza un filtro multimedia para prevenir el que el sistema de ósmosis inversa se ensucie. Este filtro normalmente contiene tres capas de diversos materiales, siendo los ás comunes el carbón antracita, la arena y el granate, con una capa de soporte de grava en la parte inferior.

Se utilizan estos medios debido a las diferencias de tamaño y densidad. El carbón de antracita, que es más grande (pero más ligero) estará en la parte superior, y el granate, que es más pesado (pero más pequeño) permanecerá en la parte inferior.

Si a un filtro multimedia se le adiciona algún coagulante (que induce a que las partículas más pequeñas se unan para formar partículas lo suficientemente grandes como para ser filtradas) puede eliminar partículas de hasta 5-10 micrones. Para poner esto en perspectiva, el ancho de un cabello humano es de alrededor de 50 micrones.

Es importante colocar un filtro de cartucho de 5 micrones directamente después de la unidad de filtro multimedia en caso de que fallen los drenajes inferiores del MMF. Esto evitará que el filtro MMF dañe la bomba y ensucie el sistema de ósmosis inversa.

Microfiltración (MF)

La microfiltración (MF) es eficaz para eliminar la materia coloidal y bacteriana y tiene un tamaño de poro de solo 0,1-10 µm. La microfiltración es útil para reducir el riesgo de que una unidad de ósmosis inversa se contamine.

La configuración de la membrana puede variar entre fabricantes, pero el tipo de «fibra hueca» es el más utilizado. Normalmente, el agua se bombea desde el exterior de las fibras y el agua limpia se recoge desde el interior de las fibras. Las membranas de microfiltración utilizadas en sistemas potabilizadores de agua generalmente operan en un flujo «sin salida».

En el flujo sin salida, toda el agua que se alimenta a la membrana se filtra a través de la misma. Se forma una “torta” de filtración que debe lavarse periódicamente de la superficie de la membrana. Las tasas de recuperación son normalmente superiores al 90% en fuentes de agua de alimentación que tienen alimentaciones de baja turbidez y calidad bastante alta.

Antiincrustantes e inhibidores de incrustaciones

Los antiincrustantes e inhibidores de incrustaciones, como su nombre indica, son productos químicos que se pueden agregar al agua de alimentación antes de una unidad de ósmosis inversa para ayudar a reducir el potencial de incrustación en la membrana.

Los antiincrustantes e inhibidores de incrustaciones aumentan los límites de solubilidad de los compuestos inorgánicos problemáticos. Al aumentar los límites de solubilidad, puede concentrar las sales más de lo que sería posible de otra manera y, por lo tanto, lograr una tasa de recuperación más alta y funcionar con un factor de concentración más alto.

Los antiincrustantes e inhibidores de incrustaciones actúan interfiriendo con la formación de incrustaciones y el crecimiento de cristales. La elección del antiincrustante o inhibidor de incrustaciones a utilizar y la dosis correcta depende de la química del agua de alimentación y del diseño del sistema de ósmosis inversa.

Ablandamiento por intercambio iónico

Se puede usar un ablandador de agua para ayudar a prevenir la formación de incrustaciones en un sistema de ósmosis inversa. Este ablandador funciona mediante el intercambio de los iones que forman incrustaciones por iones que no las forman.

Al igual que con una unidad MMF, es importante tener un filtro de cartucho de 5 micrones colocado directamente después del ablandador de agua en caso de que falle el desagüe inferior del ablandador.

Inyección de bisulfito de sodio (SBS)

Es posible agregar bisulfito de sodio, que es un reductor, a la corriente de agua antes de un sistema de un filtro de ósmosis inversa, ya que en la dosis adecuada puede eliminar el cloro residual.

Carbón activado granular (CAG)

El carbón activado granular se utiliza tanto para eliminar componentes orgánicos como desinfectantes residuales (como cloro y cloraminas) del agua. Los filtros de carbón activado granular están hechos de carbón, cáscaras de nueces o madera.

El carbón activado elimina el cloro y las cloraminas residuales mediante una reacción química que implica una transferencia de electrones desde la superficie del carbón activado al cloro o cloraminas residuales, que terminan como un ion cloruro, por lo que pierden las propiedades oxidantes.

La desventaja de usar un filtro de carbón activado antes de la unidad de ósmosis inversa es que eliminará el cloro rápidamente en la parte superior del lecho, lo que dejará el resto del lecho de carbón activado sin ningún biocida para matar microorganismos.

Limpieza de membranas de ósmoisis inversa

Las membranas de ósmosis inversa requieren limpieza de 1 a 4 veces al año, dependiendo de la calidad del agua que se requiera purificar. Como regla general, si se presenta una caída en la presión o el paso de sales aumenta 15%, es el momento de limpiar las membranas.

Lo mismo, si el flujo de permeado disminuye en un 15%.

Para la limpieza de la membrana de ósmosis inversa se requieren limpiadores de pH alto y bajo que eliminen los contaminantes de la membrana. Las incrustaciones se tratan con limpiadores de pH bajo y los orgánicos y coloides se tratan con un limpiador de pH alto.

Sin embargo, la limpieza de membranas de ósmosis inversa no se trata solo de utilizar los productos químicos adecuados. 

Hay otros factores involucrados, como los flujos de agua, la temperatura y la calidad del agua, los patines de limpieza diseñados y dimensionados correctamente y muchos otros factores que deben ser revisados por personal técnico capacitado para limpiar adecuadamente las membranas de ósmosis inversa.

Ventajas de la filtración de agua por ósmosis inversa

  • Los filtros de agua de ósmosis inversa eliminan muchas bacterias y patógenos del agua del grifo. Las bacterias que causan enfermedades como Giardia y Cryptosporidium pueden filtrarse eficazmente, disminuyendo los riesgos de contraer enfermedades gastrointestinales o de otro tipo, asociadas con estos patógenos y bacterias.
  • También elimina el sabor y los olores del cloro; el agua del grifo no solo será más segura, también tendrá mejor sabor.
  • Al igual que con los dispensadores de agua WaterStation, con un filtro de agua de ósmosis inversa ahorrará dinero al prescindir de garrafones de agua.
  • Los sistemas de ósmosis inversa ocupan poco espacio.
  • Debido a que los filtros de agua de ósmosis inversa producen agua altamente purificada, los alimentos cocinados con esta agua tendrán mejor sabor.

Desventajas de la filtración de agua por ósmosis inversa

  • Los filtros de agua por ósmosis inversa desmineralizan el agua, lo que significa que también eliminan los minerales saludables que se encuentran naturalmente en el agua. Por ello, deben complementarse con un filtro remineralizador
  • Una de las principales razones por las que no se recomienda beber agua purificada mediante ósmosis inversa es porque la eliminación de los minerales hace que el agua se vuelva ácida (a menudo muy por debajo de 7.0 pH). Beber agua ácida no ayuda a mantener un equilibrio saludable de pH en la sangre. El agua debe ser ligeramente alcalina.
  • Los sistemas de filtros de agua de ósmosis inversa pueden obstruirse, por lo que es necesario instalar un filtro de sedimentos antes del filtro de ósmosis inversa para filtrar las partículas que, de otro modo, podrían obstruir o dañar la membrana de ósmosis inversa.
  • La filtración por ósmosis inversa es un proceso lento, a diferencia de otros tipos de tecnologías de purificación de agua. Debido a que los filtros de ósmosis inversa necesitan presión para poder purificar el agua, producen una menor cantidad de agua para beber que otro tipo de sistemas de purificación. Algunos sistemas de ósmosis inversa pueden producir sólo 15 galones de agua al día, mientras que los sistemas más avanzados son capaces de producir alrededor de 100 galones de agua purificada al día (como es el caso del purificador de agua para empresas Serie III de WaterStation).
  • Como vimos anteriormente, los equipos de ósmosis inversa tiran agua al drenaje, dado que es parte fundamental del proceso de ósmosis. La relación agua rechazada vs agua utilizable puede variar de 2 a 1 (2 litros de agua que se van al desagüe, por 1 litro de agua para consumir) hasta 12 a 1, dependiendo de las características del agua a tratar y la presión de trabajo. 

¿Es saludable beber agua desmineralizada?

Como ya lo vimos, el proceso de purificar agua mediante ósmosis inversa elimina los minerales que el agua contiene naturalmente. En este sentido, es importante señalar que la Organización Mundial de la Salud (OMS) realizó un estudio sobre los riesgos asociados con beber agua desmineralizada. Algunos de los hallazgos del estudio de la OMS son:

  • Afecta directamente la mucosa intestinal, el metabolismo, la homeostasis mineral y otras funciones corporales.
  • Sacrificamos la ingesta de minerales saludables como el calcio y magnesio que de forma natural contiene el agua.
  • Baja ingesta de otros elementos esenciales y microelementos.
  • Pérdida de calcio, magnesio y otros elementos esenciales en alimentos preparados.
  • Posible aumento de la ingesta dietética de metales tóxicos.

Conclusión

Como hemos visto, la efectividad de la ósmosis inversa para purificar agua para usos industriales es indudable. Sin embargo, beber agua sin minerales no es tan saludable como mucha gente piensa alrededor del mundo (de ahí, que muchas veces se utilicen remineralizadores de agua después del proceso de ósmosis inversa). En este sentido, es posible que sea necesario investigar más al respecto.

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