La industria de la desalación, una fuente crítica de agua potable en muchas regiones áridas, generó más de $ 13 mil millones el año pasado y se espera que se duplique en una década. La mayoría de las plantas desalinizadoras actuales utilizan un proceso llamado ósmosis inversa (RO), que fuerza el agua a través de enormes rollos de membranas, dejando la sal atrás. Uno de los desafíos operativos más costosos para tales plantas es el ensuciamiento de estas membranas por microorganismos.

Ahora, La investigación del MIT sugiere un enfoque diferente para reducir la tasa de incrustaciones y, por lo tanto, mejorar la eficiencia de las plantas de ósmosis inversa.

La idea predominante en la industria ha sido que la alta presión requerida por RO es responsable de la tasa relativamente alta de incrustaciones, en comparación con otros sistemas como la ósmosis directa. Pero el estudio del MIT muestra que este no es el caso, un hallazgo que abre nuevos enfoques para reducir las incrustaciones en RO. La investigación, por Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 y profesor del MIT John H. Lienhard V, fue publicado recientemente en el Revista de ciencia de membranas y presentado en la Conferencia de Tecnología de Membranas AMTA / AWWA 2017, donde recibió el premio Student Best Paper.

Muchos expertos creen que la alta presión en un sistema de ósmosis inversa comprime las esteras microbianas que crecen en las membranas, y que esta "compactación" hace que el crecimiento sea mucho más difícil de eliminar. A diferencia de, en sistemas de ósmosis directa (FO) de baja presión, que son menos eficientes energéticamente pero más resistentes a las incrustaciones, Se cree que la alfombra supuestamente más suelta es más fácil de limpiar.

Sin embargo, estas esteras microbianas generalmente están llenas de agua, que no se comprime bajo presiones RO, por lo que "no hay una buena razón por la que la alta presión deba empeorar las incrustaciones, Tow dice. Ella compara los microbios con un buceador:"Hay mucha presión en el fondo del océano, pero no hace que te quedes pegado al fondo marino ". Pero si la presión no importa, y los caudales a través de los sistemas FO y RO son similares, ¿Qué podría explicar la disparidad en la resistencia a las incrustaciones?

Remolcar, quien ahora es becario postdoctoral ITRI-Rosenfeld en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y será profesor de ingeniería mecánica en Olin College el próximo año, ideó un nuevo enfoque para aislar los efectos de la presión de los de otras diferencias entre FO y RO. Su método implica operar un sistema FO, que utiliza la ósmosis para extraer agua a través de las membranas, en un rango de presiones de hasta 40 atmósferas.

"Medimos las tasas de incrustaciones y los resultados de limpieza, e incluso un video grabado de las membranas que se limpian a varias presiones, y no encontramos ningún efecto de la presión, ", dice. Muchos artículos muy citados afirmaron que la presión era el problema, pero los experimentos anteriores también variaron la concentración de la solución en la parte posterior de la membrana al variar la presión. Al aumentar la presión en ambos lados de un sistema FO sin cambiar nada más, el estudio del MIT reveló que la presión por sí sola no agrava el ensuciamiento ni impide la limpieza.

Ahora que se ha demostrado que la alta presión, que es esencial para que el RO funcione, no afecte las incrustaciones, Los investigadores deben buscar otras razones por las que procesos como el FO son más resistentes a las incrustaciones y ver si se pueden aplicar al RO. Tow dice.

"La observación de que las membranas de ósmosis directa son más fáciles de limpiar es bastante sólida, "dice Lienhard, quien es el Profesor Abdul Latif Jameel de Agua y Alimentos y director del Centro de Agua Limpia y Energía Limpia y del Laboratorio Mundial de Agua y Seguridad Alimentaria Abdul Latif Jameel. Pero el nuevo estudio muestra que la resistencia al ensuciamiento de FO "no es intrínseca a su baja presión. La diferencia debe estar relacionada con otros factores que podrían ser potencialmente transferibles a RO. Debe entenderse, " él dice.

"La esperanza es que con más trabajo, esto podría facilitar la limpieza de las membranas de ósmosis inversa, ", dice. Actualmente, mitigar el ensuciamiento de la membrana es una parte importante de los gastos operativos no energéticos de una planta de ósmosis inversa, que representan aproximadamente una cuarta parte del costo del agua desalada. Cualquier mejora en la resistencia a las incrustaciones podría afectar significativamente el costo del agua.

Es posible que la diferencia en cómo afecta el ensuciamiento a las membranas de RO y FO tenga que ver con la capa de soporte de la membrana, que es el respaldo de los delgados, capa de filtrado de sal. En FO, las interacciones entre la capa de soporte y la solución concentrada que toca influyen en el patrón de flujo de agua a través de la membrana, que dicta la forma en que se acumulan las incrustaciones en la superficie de la membrana, Tow dice. Las futuras membranas de RO podrían diseñarse de modo que el ensuciamiento ocurra en un patrón similar al de FO, o incluso un nuevo patrón optimizado para facilitar la limpieza.

Mejorar la capacidad de limpiar las membranas usadas podría afectar no solo el costo del agua sino también la confiabilidad de las plantas de desalinización. Señala Lienhard. "Los cierres debido a la floración de algas a veces pueden interrumpir el suministro de agua durante días o semanas, ", dice. Comprender los fundamentos de las incrustaciones, incluyendo el efecto de la presión, permite el desarrollo de métodos de mitigación de incrustaciones más específicos.

Esta investigación "desacredita la creencia generalizada de que la presión causa o complica el ensuciamiento en los sistemas de ósmosis inversa, y la creencia correspondiente de que la falta de presión reduce las incrustaciones en los sistemas de ósmosis directa, "dice Richard L. Stover, director de la Asociación Internacional de Desalación, que no estuvo involucrado en este trabajo. El nuevo estudio, él dice, "identifica supuestos que sesgaron o limitaron la interpretación de datos de prueba en estudios [anteriores] y aporta nuevos datos experimentales que prueban clara y definitivamente su tesis".

Los nuevos mecanismos que proponen los investigadores "explican cualitativamente la resistencia al ensuciamiento observada en los sistemas FO, proporcionar una dirección clara y un contexto excepcional para la investigación futura, "Stover dice". En general, el documento representa una contribución significativa a la comprensión más amplia de los mecanismos de ensuciamiento de las membranas y su posible reducción. Simplemente pon, es un buen trabajo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.