Tecnologías emergentes de ósmosis directa. Retos y oportunidades.

Las tecnologías para producir agua y energías de forma limpia, han recibido una atención global debido a la escasez de agua, de recursos energéticos y cambio climático. La ósmosis directa (FO) emerge como una tecnología con un gran potencial para mitigar estos problemas. No solo puede producir agua limpia, sino también energía, usando el gradiente osmótico a través de la membrana semi permeable como fuerza motriz en la generación de agua y energía.

Básicamente, la FO usa la difusión inducida de forma natural a través de una membrana semi-permeable desde una solución con baja concentración de sales a una solución con una alta concentración. De forma ideal, las membranas semi-permeables forman una barrera que permite al agua pasar a través, pero que rechaza las sales o los elementos no deseables.

El proceso de FO tiene solo lugar si hay una membrana semi-permeable que divida la alimentación de la solución de arrastre (alta concentración salina) produciéndose una diferencia en la presión osmótica a través de la membrana.

Un proceso típico de FO se muestra en la Figura 1.

Figura 1.Proceso típico de FO.

 

La FO requiere mucha menos energía para inducir un flujo neto de agua a través de la membrana, si la comparamos con las tecnologías tradicionales de membrana, tales como la ósmosis inversa (RO). Sin embargo, a diferencia de la RO, el permeado de FO no es el producto listo para consumo, sino que consiste en una mezcla del agua “arrastrada” de la parte con alta concentración salina y el soluto de arrastre. De esta manera, se tiene que producir un segundo paso de separación, para obtener otras dos corrientes, la primera con la solución de arrastre ( que se puede regenerar en el mismo proceso) y la segunda con el agua limpia. Este segundo paso de separación puede ser intensivo en energía si se eligen soluciones de arrastre inadecuadas o el proceso de reciclado no es el idóneo. Por lo tanto, para la elección de este proceso, no solo se debe tener en cuenta el coste de las membranas de FO, sino que hay que poner mucha atención en la elección correcta de la solución de arrastre y el proceso para su reciclado.

El proceso de generación energética osmótica se propuso hace unos 60 años, pero la mayoría de los trabajos se abandonaron, debido a la falta de membranas efectivas, que en definitiva, son el corazón del sistema. La primera planta prototipo, de forma seria, que se realizó en el mundo, fue construida por la compañía Statkraft  ( Noruega) en 2009, utilizando como presión osmótica la diferencia de salinidad entre el agua de mar y agua de rio. La Figura 2 muestra esquemáticamente la generación de energía gracias a la presión osmótica. Teóricamente, la presión de operación en el compartimento de agua de mar puede establecerse en 13,5 bar, lo que es suficiente para mover una hidroturbina y generar energía eléctrica. Una presión de 13,5 bar es equivalente a una 135 mca en una planta de generación hidroeléctrica. La energía estimada a nivel global, que puede ser obtenida del agua de los océanos y ríos es del orden de 1.750-2.000 TWh por año.

 

Figura 2. Generación de energía mediante FO.

LIMITACIONES Y OPORTUNIDADES DE LA FO PARA PRODUCIR AGUA Y ENERGÍAS LIMPIAS

Actualmente los mayores retos de esta tecnología son:

1.       Membranas ineficientes

2.       Falta de soluciones con un coste asumible y que puedan ser fácilmente recicladas

3.       Pocos estudios acerca del fouling

Comparada con la situación de la RO en la desalinización, la FO tiene que afrontar importantes retos en el desarrollo de membranas y soluciones de arrastre efectivas. Sin embargo, en el campo de la fertirrigación y la generación de energía, los fertilizantes y el agua de mar constituyen soluciones de arrastre naturales.

En cuanto al problema del fouling, en general, su eliminación en las membranas de FO es más complicada, debido a que se produce una polarización interna cuando el caudal de alimentación entra en contacto con la subcapa porosa.

ESTADO DEL ARTE DE LAS MEMBRANAS DE FO PARA PROCESOS DE BAJA PRESIÓN

La membrana de FO ideal debe cumplir los siguientes requisitos:

1.       Alta capacidad de retención de sales y altos flujos

2.       Baja polarización

3.       Resistencia al cloro y amplio rango de pH

4.       Estabilidad a largo plazo en el rendimiento de separación

5.       Alta resistencia mecánica

Hasta el momento, se han realizado 4 diferentes aproximaciones para a preparación de membranas de FO poliméricas usando las siguientes tecnologías:

1.       Método de inversión de fase sin solvente, desarrollado por Loeb y Sourirajan

2.       Thin-film composition (TFC) por polimerización interfacial en sustratos porosos, inventado por Cadotte

3.       Deposición capa a capa (LbL) de policationes con espesor nanométrico en substratos porosos cargados

4.       Membranas biomiméticas con incorporación de acuaporinas (Aqp)

Membranas asimétricas completamente integradas, fabricadas de triacetato de celulosa (CTA), polibenzimidazola (PBI), acetato de celulosa y polietersulfona son ejemplos típicos del primer tipo, mientras que membranas fabricadas de poliamida vía polimerización interfacial en sustratos basados en polisulfona, sustratos sulfonados, sustratos de acetato de celulosa propionato (CAP) y nanofibras, pertenecerían al segundo grupo.

Las membranas de tipo LbL han mostrado un punto de compromiso entre buenos flujos y pérdidas en el rechazo de sal. Este tipo de membranas presentan o bien un bajo nivel de pérdidas en el rechazo de sal, pero con bajos flujos de agua, o bien altos flujos de agua pero con un nivel alto de pérdidas en el rechazo de sal.

Las membranas biomiméticas con acuaporinas son un desarrollo reciente. Estas membranas tienen el inconveniente de su debilidad mecánica porque su capa selectiva tiene un espesor solo de 10 nm.

EL DESARROLLO DE SOLUCIONES DE ARRASTRE

Comparado con las membranas de FO, el progreso en las soluciones de arrastre es mucho más lento. Esto es debido al hecho de que no es precisamente trivial el hecho de diseñar una solución de arrastre con las características necesarias: buena solubilidad en agua, alta presión osmótica, bajo rechazo, fácil recuperación, compatibilidad con membranas y nula toxicidad.

Desde los años 60 se han realizado grandes esfuerzos dirigidos a descubrir soluciones de arrastre, tales como dióxido sulfuroso, sulfato de aluminio, glucosa, fructosa, sacarosa, fertilizantes y sales inorgánicas.

Investigadores de la Universidad de Yale desarollaron, a comienzos de los años 2000, la primera generación de soluciones de arrastre con una mezcla de agua y de bicarbonato de amonio para desalinización. El soluto (bicarbonato de amonio) se descompone a amoniaco y dióxido de carbono cuando se le somete a una temperatura de 65ºC y puede regenerarse por redisolución. Sin embargo, el uso de componentes con moléculas pequeñas como soluciones de arrastres puede no ser económico y práctico debido al alto consumo energético en los procesos de regeneración.

Para aprovecharse de las características de alta superficie y alta presión osmótica se desarrollaron nanopartículas hidrofílicas. La idea original era producir agua pura y recapturar las nanopartículas usando un separador magnético.

 

Figura 3. Recuperación de solución de arrastre mediante separador magnético

 

Sin embargo, las nanopartículas tendrían a formar aglomerados debido a la fuerza del campo magnético. Como resultado, la presión osmótica de la solución de arrastre se reducía después de la regeneración y por lo tanto se reducía el rendimiento para la producción de agua. Este inconveniente se podía evitar con el uso de ultrafiltración.

Recientemente se han desarrollado una serie de solutos de arrastre basados en polielectrolitos de sales sódicas de ácido poliacrílico ( PAA-Na). Las características de alta solubilidad en agua y flexibilidad en la configuración estructural, permite a este tipo de soluciones generar altos flujos de agua con insignificantes arrastres de sales. Estas propiedades no solo aseguran una alta eficiencia en la producción de agua de alta calidad, sino que también en el reabastecimiento con un bajo coste de las soluciones de arrastre. Además, las sales PAA-Na tienen una gran estabilidad y tienen un rendimiento constante después de muchos ciclos de regeneración.

SISTEMAS INTEGRADOS PARA PRODUCCIÓN DE AGUA LIMPIA Y REGENERACIÓN DEL SOLUTO DE ARRASTRE

Para la desalinización de agua, los investigadores han propuesto la integración de los sistemas de FO con procesos RO/NF. Técnicamente son viables, pero económicamente inviables e industrialmente son inaplicables debido a los altos costes de operación de la RO y NF para el reciclado del soluto de arrastre. Si en la industria hay calor residual se puede utilizar un sistema integrado FO-MD ( ósmosis directa-destilación por membranas), tal y como aparece en la Figura 4, para desalinización de agua.

 

Figura 4. Sistemas combinados.

 

La existencia de un calor residual a muy bajo coste es condición indispensable para el éxito de un sistema combinado FO-MD.

Para plantas reutilización de agua se han usado los sistemas integrados, FO-UF, FO-NF, FO-MD y FO-RO, que tienen un gran potencial dependiendo de la calidad del agua de alimentación, las propiedades físico-químicas de la solución de arrastre y de la aplicación específica del agua obtenida. La UF es el sistema preferido, debido a que es un sistema muy conocido y con unos requerimientos de energía de filtración bajos, comparados con los sistemas de RO y NF. Además, hay varios tipos de módulos de UF disponibles comercialmente. Como consecuencia, el sistema más desarrollado es el FO-UF.

Por el contrario, si se utiliza el concentrado de la RO como soluto de arrastre, se puede utilizar un sistema FO-RO para eliminar iones monovalentes. Otra buena opción es la utilización de FO-UF-separador magnético, si bien, no existen separadores comerciales específicos para este tipo de aplicaciones, lo que provoca el ya mencionado problema de la agregación de partículas, lo que obligaría a desarrollar separadores específicos para este proceso.

CONCLUSIÓN

Llevó aproximadamente 40 años (desde los años 60 a los 2000) para que la RO sobrepasase a los sistemas de evaporación multiefecto como tecnología dominante en el sector de la desalinización. La evolución de las membranas y el diseño del proceso de RO han sido constantes, lo que ha permitido el incremento del rendimiento y la mejora de la eficiencia energética, a la vez que se mitigaba el efecto del fouling. De forma similar, la tecnología de FO aparece de forma prometedora, si bien está todavía en su “infancia”.

Se necesitan grandes esfuerzos en I+D, tiempo y dinero para obtener desarrollos rompedores en este campo. La aplicación para fertirrigación parece prometedora. El uso del rechazo de RO como solución de arrastre para en la reutilización de agua puede bajar los costes de operación y puede acercar la FO al punto donde resulte interesante comercializar la tecnología.

La integración exitosa de las plantas de generación eléctrica por ósmosis y las plantas de RO revolucionaría el futuro de la generación de energía y de las industrias de desalinización. Sin embargo se deben desarrollar membranas con mayores flujos y mejores propiedades mecánicas para que puedan soportar las presiones de operación.

PARA AMPLIAR INFORMACIÓN

1. Chung  TS,  Zhang  S,  Wang  KY,  Su  JC,  Ling  MM:  Forward  osmosis processes:  yesterday,  today  and  tomorrow.  Desalination  2012, 287:78-81.