中文简体A membrana de ósmosis inversa (RO) es una barrera de filtración semipermeable que elimina los contaminantes disueltos del agua forzándola a través de una densa capa de polímero bajo presión. Rechaza hasta el 99% de las sales disueltas, metales pesados, bacterias, virus y otros contaminantes. al mismo tiempo que permite el paso de las moléculas de agua, lo que produce agua más limpia que la mayoría de las fuentes de agua del grifo y embotellada. Es el componente funcional principal de cualquier sistema de filtración por ósmosis inversa, ya sea que se utilice en una unidad doméstica debajo del fregadero, una planta desalinizadora industrial o un proceso de purificación farmacéutica.
A diferencia de los filtros mecánicos que bloquean físicamente las partículas según su tamaño, una membrana de ósmosis inversa funciona a nivel molecular: sus poros son aproximadamente 0,0001 micras (0,1 nanómetros) de diámetro, aproximadamente 500.000 veces más pequeño que un cabello humano. Esto lo hace eficaz contra los contaminantes que pasan libremente a través de filtros de carbón y membranas de ultrafiltración por igual.
La ciencia detrás de cómo funciona una membrana de ósmosis inversa
Para comprender la ósmosis inversa, primero es útil comprender la ósmosis regular. En la ósmosis natural, el agua se mueve espontáneamente a través de una membrana semipermeable desde una región de baja concentración de soluto a una región de alta concentración de soluto, igualando la concentración en ambos lados. La presión que impulsa este movimiento natural se llama presión osmótica.
La ósmosis inversa aplica una presión externa mayor que la presión osmótica. para forzar el agua en la dirección opuesta: desde el lado concentrado (contaminado) al lado diluido (limpio). La membrana permite el paso de las moléculas de agua, pero rechaza los iones, moléculas y partículas disueltas que son demasiado grandes o están demasiado cargadas eléctricamente para pasar.
Para el agua del grifo municipal típica, la presión osmótica es baja, alrededor de 5 a 15 PSI. Los sistemas RO para uso doméstico funcionan a 50 a 80 psi , muy por encima de este umbral. Los sistemas de desalinización de agua de mar deben superar presiones osmóticas de 350 a 600 PSI, razón por la cual los sistemas de ósmosis inversa industriales requieren bombas de alta presión.
Las dos corrientes de salida
Cada membrana de RO produce dos corrientes de agua simultáneamente:
- Permeado (agua producto): El agua purificada que ha pasado a través de la membrana normalmente contiene menos del 1% de los sólidos disueltos originales.
- Concentrado (desecho o salmuera): El agua restante transporta los contaminantes rechazados, que se lavan al drenaje. En los sistemas residenciales, las tasas de recuperación típicas son 50–75% — Lo que significa que se vierten entre 1 y 3 litros de agua por cada litro de agua purificada producida.
Los sistemas y membranas de ósmosis inversa modernos de alta eficiencia con bombas de permeado o diseños de circuito cerrado pueden alcanzar tasas de recuperación superiores al 80 %, lo que reduce significativamente el desperdicio de agua en comparación con diseños más antiguos.
Estructura física de una membrana de ósmosis inversa
El término "membrana RO" puede referirse a la delgada capa funcional en sí o al elemento de membrana completo: la forma empaquetada en la que se venden e instalan las membranas. Comprender la diferencia es importante al comparar especificaciones.
La estructura de capas del compuesto de película delgada (TFC)
Casi todas las membranas RO modernas utilizan Compuesto de película delgada (TFC) construcción, que consta de tres capas distintas unidas entre sí:
- Cinta de soporte de poliéster (~120 µm de espesor): La capa base estructural que proporciona resistencia mecánica. No participa en la filtración pero evita que la membrana se rompa bajo presión.
- Capa intermedia de polisulfona microporosa (~40 µm de espesor): Una capa intermedia similar a una esponja que proporciona un sustrato uniforme para la capa activa al tiempo que permite el paso de agua relativamente libre.
- Capa activa de poliamida (~0,2 µm de espesor): La barrera de filtración real, formada por la polimerización interfacial de m-fenilendiamina y cloruro de trimesoilo. Esta capa contiene poros a nanoescala que rechazan los contaminantes disueltos. A pesar de tener sólo 200 nanómetros de espesor, es responsable de prácticamente todo el rendimiento de separación de la membrana.
Las membranas TFC reemplazaron a las antiguas membranas de acetato de celulosa (CA) en la mayoría de las aplicaciones porque ofrecen tasas de rechazo más altas (98–99,7 % frente a 85–95 %), tolerancia más amplia al pH (2–11 frente a 4–8) y vida útil más larga . Su principal limitación es la sensibilidad al cloro libre, que degrada la capa de poliamida, razón por la cual la prefiltración con carbón es esencial en los sistemas de agua municipales clorados.
Configuración del elemento enrollado en espiral
Para maximizar el área de superficie de la membrana dentro de una carcasa compacta, las membranas TFC se fabrican en elementos enrollados en espiral . Las láminas de membrana planas se laminan con espaciadores de malla y se enrollan firmemente alrededor de un tubo colector central perforado, como una espiral enrollada. Un elemento residencial estándar de 75 GPD (galones por día) con una carcasa de 1,8" × 12" contiene aproximadamente 0,5–0,7 m² de área de membrana activa . Un elemento industrial de tamaño completo de 4" × 40" contiene entre 7 y 10 m².
El agua de alimentación fluye axialmente a lo largo del exterior de la espiral a través de los espaciadores de malla; el agua purificada atraviesa la membrana y gira en espiral hacia el tubo de recolección central; El agua de rechazo concentrada sale por el extremo del elemento.
Qué contaminantes elimina una membrana de ósmosis inversa
Las membranas de RO rechazan los contaminantes a través de dos mecanismos: exclusión de tamaño (la molécula es físicamente demasiado grande para pasar a través del poro) y repulsión de carga (Los iones disueltos son repelidos por la superficie de poliamida cargada negativamente). Las tasas de rechazo varían según el tipo de contaminante, la temperatura, la presión y el estado de la membrana.
| Categoría de contaminante | Ejemplos | Tasa típica de rechazo de RO |
|---|---|---|
| Sales disueltas (monovalentes) | Sodio, potasio, cloruro. | 92–96% |
| Sales disueltas (divalentes) | Calcio, magnesio, sulfato. | 97–99% |
| metales pesados | Plomo, arsénico, cromo, cadmio. | 95–99% |
| Nitratos y fluoruros | Nitrato, nitrito, fluoruro | 85-95% |
| Microorganismos | Bacterias, virus, quistes (Giardia, Cryptosporidium) | >99,9% |
| Productos farmacéuticos y hormonas. | Estrógenos, antibióticos, ibuprofeno. | 94–99% |
| PFAS (químicos eternos) | PFOA, PFOS | 90–99% |
| Gases disueltos | CO₂, sulfuro de hidrógeno | Bajo (los gases pasan libremente) |
Una limitación importante: las membranas de OI no eliminan eficazmente los gases disueltos (CO₂, radón, sulfuro de hidrógeno) porque las moléculas de gas son lo suficientemente pequeñas como para atravesar la estructura del polímero. Las cloraminas y algunos pesticidas con pesos moleculares pequeños también muestran tasas de rechazo reducidas en comparación con los sólidos disueltos de mayor tamaño.
Tipos de membranas de ósmosis inversa y sus aplicaciones
Las membranas de RO se fabrican en varias configuraciones optimizadas para diferentes fuentes de agua, rangos de presión y requisitos de salida.
Membranas de agua salobre
El tipo más común para uso residencial y comercial ligero. Diseñado para alimentar agua con TDS (sólidos disueltos totales) de 500 a 10 000 mg/l , funcionando a 50-200 PSI. Los sistemas de ósmosis inversa domésticos estándar utilizan membranas de agua salobre con una capacidad nominal de 50 a 100 GPD. Estas membranas logran un rechazo de sal del 96 al 99 % en condiciones de prueba (25 °C, 250 PSI, 2000 mg/L de alimentación de NaCl).
Membranas de agua de mar
Diseñado para agua de alimentación con TDS superior a 10 000 mg/L (el agua de mar tiene un promedio de 35 000 mg/L). Estas membranas tienen una capa activa más densa que logra 99,3–99,8% de rechazo de sal pero requieren presiones de funcionamiento de 600 a 1200 PSI. Se utilizan exclusivamente en plantas desaladoras de gran escala y no son intercambiables con membranas de agua salobre.
Membranas de baja energía/alto flujo
Una categoría más nueva diseñada para ofrecer un mayor flujo de permeado a presiones operativas más bajas, generalmente 45 a 60 psi para aplicaciones residenciales. Estas membranas sacrifican una pequeña cantidad de rendimiento de rechazo (95–97 % frente a 97–99 %) a cambio de tasas de producción más rápidas y un menor consumo de energía. Se utilizan cada vez más en sistemas de RO "instantáneos" sin tanque.
Membranas de nanofiltración (NF)
Técnicamente una categoría separada pero estrechamente relacionada, las membranas NF tienen poros ligeramente más grandes que las membranas RO (0,001 micrones frente a 0,0001 micrones). Operan a presiones más bajas y pasan iones monovalentes (sodio, cloruro) mientras rechazan iones divalentes (calcio, magnesio) y moléculas orgánicas. El NF se utiliza comúnmente para ablandar el agua y eliminar materia orgánica cuando no se necesita una desalinización completa.
Especificaciones clave de rendimiento y su significado
Al evaluar o comparar membranas de ósmosis inversa, varias especificaciones publicadas impactan directamente el rendimiento del sistema en condiciones del mundo real.
| Especificación | Definición | Valor residencial típico |
|---|---|---|
| Capacidad nominal (GPD) | Galones de permeado producidos por día en condiciones de prueba | 50–600 GPD |
| Tasa de rechazo de sal (%) | % de NaCl (o TDS) eliminado en condiciones de prueba estándar | 96–99% |
| Tasa de recuperación (%) | % de agua de alimentación convertida en permeado (vs. rechazada al drenaje) | 50–75% (a nivel de sistema) |
| Rango de presión de funcionamiento | Rango de presión de alimentación para rendimiento nominal | 40 a 100 psi |
| Temperatura máxima de funcionamiento | Límite superior de temperatura del agua de alimentación antes de dañar la membrana | 45°C (113°F) |
| tolerancia al pH | Rango de pH aceptable del agua de alimentación durante la operación | 2 a 11 (TFC); 4-8 (CA) |
| Tolerancia al cloro | Exposición máxima continua al cloro libre | <0,1 ppm (CFT); 1 ppm (CA) |
Tenga en cuenta que las cifras de rechazo y GPD nominal se miden en condiciones de prueba estándar: 77 °F (25 °C), presión de alimentación de 60 a 65 PSI y 500mg/L de agua de alimentación de NaCl . El rendimiento en el mundo real será diferente: el agua fría (por debajo de 60 °F) puede reducir la producción entre un 40 % y un 50 % y la baja presión de alimentación (por debajo de 40 PSI) reduce significativamente tanto la producción como el rechazo.
Factores que degradan el rendimiento de la membrana RO con el tiempo
Una membrana de ósmosis inversa bien mantenida en un sistema diseñado adecuadamente debería durar 2 a 5 años en uso residencial y de 3 a 7 años en aplicaciones comerciales. Varias condiciones aceleran la degradación:
Exposición al cloro y cloramina
El cloro libre oxida la capa activa de poliamida, provocando poros microscópicos que reducen progresivamente el rechazo de sal. Incluso la exposición a 0,1 ppm de cloro continuo degradará considerablemente una membrana TFC en un plazo de 6 a 12 meses. Los prefiltros de bloque de carbón deben reemplazarse según lo programado (generalmente cada 6 a 12 meses) para mantener una protección adecuada contra el cloro.
Incrustación (acumulación de depósitos minerales)
El carbonato de calcio, el sulfato de bario y la sílice pueden precipitar en la superficie de la membrana a medida que el agua se concentra en la corriente de rechazo. La incrustación reduce el flujo de permeado y aumenta los requisitos de presión operativa. Agua dura con TDS arriba 500 mg/L plantea un riesgo de escala elevado. La dosificación de antiincrustante o el pretratamiento con ablandador de agua mitiga esto en aplicaciones de alta dureza.
Bioincrustación
Las bacterias colonizan la superficie de la membrana y forman biopelículas que bloquean el flujo de permeado e introducen contaminación biológica. La bioincrustación se acelera por el agua estancada (sistemas que no se utilizan durante períodos prolongados), una prefiltración inadecuada y temperaturas del agua de alimentación cálida superiores a 30 °C. Desinfectar el sistema cada 6 a 12 meses con un desinfectante apto para alimentos evita una acumulación significativa de biopelículas.
Daño físico por picos de presión
Los eventos de golpe de ariete (aumentos repentinos de presión debido al cierre de la válvula o al arranque de la bomba) pueden deformar físicamente el elemento de membrana. La presión de alimentación excede constantemente la presión nominal máxima de la membrana ( normalmente entre 100 y 120 PSI para membranas residenciales ) comprime la estructura del elemento de forma irreversible, reduciendo los canales de flujo y el rendimiento.
Cómo saber cuándo es necesario reemplazar su membrana RO
A diferencia de los filtros de sedimentos o de carbón que muestran signos visibles de agotamiento, una membrana de ósmosis inversa que se degrada requiere mediciones para evaluarla con precisión. Depender únicamente del tiempo (por ejemplo, "reemplazar cada 2 años") es una aproximación burda. Estos son los indicadores confiables:
- TDS creciente en el permeado: El indicador más directo. Mida el agua de alimentación y permee TDS con un medidor de TDS económico. Una tasa de rechazo por debajo 85% en un sistema con prefiltros que funcionan correctamente normalmente indica degradación de la membrana. Las membranas nuevas deberían mostrar un rechazo del 95 al 99%.
- Tasa de producción significativamente reducida: Si un sistema que anteriormente llenaba su tanque de almacenamiento en 2 a 3 horas ahora demora entre 6 y 8 horas sin cambios en la presión y temperatura de alimentación, el flujo de la membrana ha disminuido debido a la contaminación o la degradación física.
- Mayor relación drenaje-producto: Si la corriente de rechazo fluye mucho más rápido en relación con el permeado que cuando el sistema era nuevo, la resistencia de la membrana ha aumentado, lo que a menudo es un signo de incrustación o bioincrustación.
- Cambios de sabor u olor en el agua producto: Un deterioro repentino del sabor o el retorno del olor a cloro después de la postfiltración con carbón pueden indicar una ruptura de la membrana que permite que el agua no tratada evite la filtración.
Seleccionar la membrana RO adecuada para su aplicación
Elegir una membrana de reemplazo o actualización implica hacer coincidir las especificaciones de la membrana con su fuente de agua, diseño del sistema y necesidades de salida. La siguiente lista de verificación cubre los criterios de selección críticos:
- Mida el TDS del agua de alimentación. Si el TDS del agua del grifo es inferior a 2000 mg/L (típico del agua municipal), una membrana de agua salobre estándar es apropiada. El agua de pozo con niveles superiores a 2000 mg/L puede beneficiarse de una variante de membrana de alto rechazo.
- Verifique la presión del agua de alimentación. Los sistemas que funcionan a baja presión (35 a 50 PSI) deben usar una membrana de baja energía clasificada para ese rango. Las membranas estándar a baja presión producirán menos y mostrarán un rechazo reducido.
- Haga coincidir el tamaño de la membrana con su carcasa. Las membranas residenciales vienen en tamaños estándar: 1,8" × 12" (más común para sistemas de 5 etapas debajo del fregadero) y 1,8" × 11,75" para algunos sistemas compactos. Los elementos industriales de 4" × 40" y 4" × 21" no son intercambiables con carcasas residenciales.
- Elija la capacidad de producción (GPD) en función de la demanda del hogar. Una familia de 4 personas que utiliza un sistema de ósmosis inversa para beber y cocinar normalmente necesita 50-100 GPD . Un sistema sin tanque requiere una membrana de mayor capacidad (200 GPD) para suministrar agua según demanda sin almacenamiento.
- Confirme la compatibilidad con los contaminantes específicos que le preocupan. Si el arsénico, el fluoruro o los nitratos son las principales preocupaciones, seleccione una membrana con datos de rechazo certificados para esos contaminantes específicos: la certificación NSF/ANSI Standard 58 requiere pruebas con listas de contaminantes específicos.
Para uso residencial, membranas certificadas para NSF/ANSI 58 han sido probados y verificados de forma independiente tanto para la seguridad del material como para las afirmaciones de reducción de contaminantes. Esta certificación es la garantía más confiable de rendimiento en el mundo real y debe ser un requisito mínimo al seleccionar cualquier membrana de ósmosis inversa para uso en agua potable.
