miniaturadeimagen|280x280px|Unidad de ósmosis inversa utilizada para purificar el agua de los acuarios. thumb|330px|Ósmosis inversa La ósmosis inversa es una tecnología de purificación del agua que utiliza una membrana semipermeable para eliminar iones, moléculas y partículas más grandes en el agua potable. Para lograr la ósmosis inversa se aplica una presión para vencer la presión osmótica, que es una propiedad coligativa producida por diferencias de potencial químico del solvente, un parámetro termodinámico. La ósmosis inversa puede eliminar muchos tipos de elementos suspendidos en el agua, incluyendo bacterias, y está utilizada tanto en procesos industriales como para la producción de agua potable. El resultado es que la disolución es retenida del lado presurizado de la membrana y el solvente puro puede pasar al otro lado. Para lograr la «selectividad», esta membrana no debe dejar pasar iones o moléculas grandes a través de sus poros (o agujeros), pero debe dejar pasar libremente componentes más pequeños de la solución (como moléculas del disolvente, por ejemplo, agua, H2O).
En el proceso normal de ósmosis, el solvente se mueve naturalmente de un área de baja concentración de la disolución (alto potencial hídrico), a través de una membrana, hacia un área de alta concentración de la disolución (bajo potencial hídrico). La fuerza que ocasiona el movimiento del solvente es la reducción en la energía libre del sistema cuando la diferencia en la concentración del solvente en cualquiera de los lados de una membrana es reducido, generando presión osmótica debido a que el solvente se mueve a la solución más concentrada. La ósmosis inversa es la aplicación de una presión externa para invertir el flujo natural del solvente. El proceso es similar a otras aplicaciones de tecnología con membranas. Sin embargo, hay diferencias claves entre ósmosis inversa y filtrado.
El mecanismo de extracción predominante en la filtración por membrana es la exclusión por tamaño, en el que los poros son de 0,01 micrómetros o más, por lo que el proceso teóricamente puede conseguir siempre una eficacia perfecta independientemente de la presión y la concentración. La ósmosis inversa aplica difusión, haciendo que el proceso dependa de la presión, el índice de flujo, y otras condiciones.
La ósmosis inversa generalmente se utiliza para la purificación de agua potable a partir de agua de mar, extrayendo la sal y otros efluentes de las moléculas de agua.
Historia El proceso de ósmosis a través de membranas semipermeables fue observado por primera vez en 1748 por Jean-Antoine Nollet. Durante los 200 años siguientes, la ósmosis sólo fue un fenómeno observado en el laboratorio. En 1950, la Universidad de California en Los Ángeles investigó por primera vez la desalinización del agua de mar mediante membranas semipermeables. Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles y de la Universidad de Florida consiguieron producir agua dulce a partir de agua de mar a mediados de la década de 1950, pero el flujo era demasiado bajo para ser comercialmente viable hasta que Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan descubrieron en la Universidad de California en Los Ángeles y en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, Ottawa, de técnicas para fabricar membranas asimétricas caracterizadas por una capa de "piel" efectivamente delgada sostenida sobre una región de sustrato de la membrana altamente porosa y mucho más gruesa. Loeb, científico estadounidense de origen judío, se trasladó más tarde a la Universidad Ben-Gurión del Néguev (Beerseba), donde enseñó ingeniería y ayudó a convertir la ósmosis inversa en una tecnología de abastecimiento, no solo de laboratorio; su trabajo en Israel se considera un puente entre la invención académica y las plantas comerciales de agua de mar. John Cadotte, de la empresa Filmtec, descubrió que se podían fabricar membranas con un flujo especialmente elevado y un bajo paso de sales mediante la polimerización interfacial de m-fenilendiamina y cloruro de trimesoilo. La patente de Cadotte sobre este procesoCadotte, John E. (1981) "Interfacially synthesized reverse osmosis membrane" fue objeto de litigio y ha expirado. miniaturadeimagen|Tren de producción de ósmosis inversa, Planta de ósmosis inversa de North Cape Coral En la actualidad, casi todas las membranas de ósmosis inversa comerciales se fabrican con ese método. En 2019, había aproximadamente 16.000 plantas desalinizadoras en funcionamiento en todo el mundo, que producían unos 95 millones de metros cúbicos al día de agua desalinizada para uso humano. Alrededor de la mitad de esta capacidad se encontraba en la región de Oriente Medio y Norte de África.
En 1977, Cape Coral (Florida) se convirtió en el primer municipio de Estados Unidos en utilizar el proceso de ósmosis inversa a gran escala, con una capacidad operativa inicial de 11,35 millones de litros diarios. En 1985, debido al rápido crecimiento de la población de Cape Coral, la ciudad contaba con la mayor planta de ósmosis inversa de baja presión del mundo, capaz de producir 56,8 millones de litros al día.2012 Annual Consumer Report on the Quality of Tap Water . City of Cape Coral
Formalmente, la ósmosis inversa es el proceso de forzar un disolvente desde una región de alta concentración de solutos a través de una membrana semipermeable hasta una región de baja concentración de solutos aplicando una presión superior a la presión osmótica. La mayor y más importante aplicación de la ósmosis inversa es la separación de agua pura del agua de mar y salobre; el agua de mar o salobre se presuriza contra una superficie de la membrana, lo que provoca el transporte de agua desalinizada a través de la membrana y la aparición de agua potable por el lado de baja presión.
Las membranas utilizadas para la ósmosis inversa tienen una capa densa en la matriz polimérica, ya sea la piel de una membrana asimétrica o una capa polimerizada interfacialmente dentro de una membrana compuesta de película fina, donde se produce la separación. En la mayoría de los casos, la membrana está diseñada para permitir que sólo pase agua a través de esta capa densa e impedir el paso de solutos (como los iones salinos). Este proceso requiere que se ejerza una presión elevada en el lado de alta concentración de la membrana, normalmente de 2-17 bares (30-250 psi) para el agua dulce y salobre, y de 40-82 bares (600-1200 psi) para el agua de mar, que tiene alrededor de 27 bares (390 psi) de presión osmótica natural que debe superarse. Este proceso es conocido por su uso en la desalinización (eliminación de la sal y otros minerales del agua de mar para producir agua dulce), pero desde principios de los años 70 también se utiliza para purificar agua dulce para aplicaciones médicas, industriales y domésticas.
Aplicaciones de agua dulce miniaturadeimagen|Sistema de ósmosis inversa de sobremesa
Purificación de agua potable En todo el mundo, los sistemas domésticos de purificación de agua potable, que incluyen una etapa de ósmosis inversa, se utilizan habitualmente para mejorar el agua para beber y cocinar.
Estos sistemas suelen incluir una serie de pasos:
un filtro de sedimentos para atrapar partículas, entre ellas óxido y carbonato cálcico opcionalmente, un segundo filtro de sedimentos con poros más pequeños un filtro de carbón activado para atrapar productos químicos orgánicos y cloro, que atacan y degradan determinados tipos de membranas compuestas de película fina un filtro de ósmosis inversa, que es una membrana compuesta de película fina opcionalmente, una lámpara ultravioleta para esterilizar los microbios que puedan escapar al filtrado de la membrana de ósmosis inversa opcionalmente, un segundo filtro de carbono para capturar las sustancias químicas no eliminadas por la membrana de ósmosis inversa
En algunos sistemas, se omite el prefiltro de carbono y se utiliza una membrana de triacetato de celulosa. El (triacetato de celulosa) es una membrana de subproducto de papel unida a una capa sintética y está fabricada para permitir el contacto con el cloro del agua. Éstas requieren una pequeña cantidad de cloro en la fuente de agua para evitar que se formen bacterias en ella. La tasa de rechazo típica de estas membranas es del 85-95%.
La membrana de triacetato de celulosa es propensa a pudrirse a menos que esté protegida por agua clorada, mientras que la membrana compuesta de película fina es propensa a romperse bajo la influencia del cloro. La membrana compuesta de película fina (TFC) está hecha de material sintético y requiere la eliminación del cloro antes de que el agua entre en la membrana. Para proteger los elementos de la membrana TFC del daño del cloro, se utilizan filtros de carbón como pretratamiento en todos los sistemas residenciales de ósmosis inversa. Las membranas TFC tienen un índice de rechazo superior, del 95-98%, y una vida útil más larga que las membranas de triacetato de celulosa.
Los procesadores portátiles de agua por ósmosis inversa se venden para la purificación personal del agua en diversos lugares. Para que funcionen con eficacia, el agua que alimenta a estas unidades debe estar bajo cierta presión (280 kPa (40 psi) o más es la norma). Los procesadores portátiles de agua por ósmosis inversa pueden ser utilizados por personas que viven en zonas rurales sin agua potable, lejos de las tuberías de agua de la ciudad. Los habitantes de zonas rurales filtran ellos mismos el agua del río o del océano, ya que el aparato es fácil de usar (el agua salina puede necesitar membranas especiales). Algunos viajeros que realizan largos viajes en barco, pescan o acampan en islas, o en países donde el suministro local de agua está contaminado o es deficiente, utilizan procesadores de agua por ósmosis inversa combinados con uno o varios esterilizadores ultravioleta.
En la producción de agua mineral embotellada, el agua pasa por un procesador de agua de ósmosis inversa para eliminar contaminantes y microorganismos. Sin embargo, en los países europeos, este tipo de procesamiento del agua mineral natural (según la definición de una directiva europeaCouncil Directive of 15 July 1980 on the approximation of the laws of the Member States relating to the exploitation and marketing of natural mineral waters. eur-lex.europa.eu) no está permitido por la legislación europea. En la práctica, una fracción de las bacterias vivas puede atravesar, y de hecho atraviesa, las membranas de ósmosis inversa a través de pequeñas imperfecciones, o eludir la membrana por completo a través de pequeñas fugas en las juntas circundantes. Por ello, los sistemas completos de ósmosis inversa pueden incluir etapas adicionales de tratamiento del agua que utilizan luz ultravioleta u ozono para evitar la contaminación microbiológica.
El tamaño de los poros de las membranas puede variar de 0,1 a 5000 nm según el tipo de filtro. La filtración de partículas elimina partículas de 1 µm o más. La microfiltración elimina partículas de 50 nm o más. La ultrafiltración elimina partículas de aproximadamente 3 nm o más. La nanofiltración elimina partículas de 1 nm o más. La ósmosis inversa pertenece a la última categoría de filtración por membrana, la hiperfiltración, y elimina partículas de más de 0,1 nm."Purification of Contaminated Water with Reverse Osmosis" ISSN 2250-2459, ISO 9001:2008 Certified Journal, Volume 3, Issue 12, December 2013 Para la filtración de agua doméstica cuando no es necesario eliminar un exceso de minerales disueltos (ablandar el agua), la alternativa a la filtración por ósmosis inversa es un filtro de carbón activado con una membrana de microfiltración.
Uso descentralizado: ósmosis inversa con energía solar