¿Qué es la presión osmótica?
La presión osmótica es la fuerza o presión que debe aplicarse a una solución para evitar la entrada de agua a través de una membrana semipermeable. Esta, también se explica cómo la presión necesaria para deshacer la osmosis.
La presión osmótica determinará la presión mínima que debe ser aplicada a una solución para así evitar el flujo de agua hacia el interior. De igual manera, se entiende como la medida de una solución para absorber agua por osmosis.
Dicho de otra manera, la presión osmótica se explica como aquella fuerza que actúa sobre una membrana semipermeable para separar dos soluciones de diferentes concentraciones. Mueve el agua de la solución menos concentrada (hipotónica) a la solución más concentrada (hipertónica) hasta que esta alcanza el equilibrio osmótico (isotónica).
Este fenómeno surge a través de la tendencia de un solvente puro a moverse a través de una membrana semipermeable hacia una solución que contiene un soluto al cual la membrana es impermeable. Dicho proceso, es de gran importancia dentro de la biología celular, siendo la membrana celular selectiva hacia la mayoría de los solutos presentes en los organismos vivos.
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En la presión osmótica se cumplen tres condiciones:
- A mayor concentración molar, mayor presión osmótica
- A mayor temperatura absoluta, mayor presión osmótica
- A la misma molaridad y temperatura absoluta, misma presión osmótica
A Henri Dutrochet considerado uno de los grandes médicos, biólogos y fisiólogos franceses del siglo XIX, se le atribuye el descubrimiento de la ósmosis en membranas semipermeables.
Ejemplo:
Para visualizar este efecto, imagine un tubo transparente en forma de U con cantidades iguales de agua en cada lado, separados por una membrana en su base que es impermeable a las moléculas de azúcar (hecha de un tubo de diálisis). Se añadió azúcar al agua por un lado. La altura del agua en cada lado cambiará en proporción a la presión de la solución.
La presión osmótica provoca un aumento en la altura del agua en el compartimento que contiene el azúcar debido al movimiento de agua pura en el tubo sin azúcar al espacio que contiene el agua con azúcar. Este proceso se detiene una vez que se asimilan las presiones de agua y agua azucarada hacia ambos lados de la membrana.
¿Para qué sirve la presión osmótica?
Dentro del sector industrial, las aplicaciones que tiene la presión osmótica son múltiples. Por ejemplo, pueden emplearse en bobinas de membranas semipermeables que sirven para la desalinización del agua salada. Este es un proceso que interrumpe la expansión normal de un solvente de una solución diluida a una concentrada, aplicando una presión ejercida por la presión osmótica sobre la solución concentrada, permitiendo así la apertura de la solución concentrada a la diluida.
Las áreas de ingeniería cada vez abren más sus aplicaciones hacia la ósmosis inversa y a la presión osmótica, viéndose reflejadas en el ámbito alimenticio, del papel, petroquímica, biomedicina, farmacéutica, purificaciones de gases, nuclear, entre otras.
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Inclusive, se ha vislumbrado que en el ámbito de recuperación de sustancias valiosas en fluidos de desechos industriales también tiene sus implementaciones. No obstante, su consideración y uso más destacable se vincula con la desalinización del agua salada marina para su potabilización, lo que ha permitido abastecer con agua de calidad a poblaciones con recursos hídricos limitados o insuficientes.
La eficiencia energética, así como el ahorro de recursos hídricos, impacta de manera significativa a cualquier empresa, por ello es necesario invertir menos y generar mayores ganancias a través de prácticas que vayan hacia la innovación y el futuro. En Grupo Acura nos especializamos en sistemas de tratamientos de agua, lo cual nos vuelve líderes en el sector. ¡Conoce más!
Etapas de desarrollo para la osmosis inversa
La ósmosis inversa es un proceso del tratamiento de agua que elimina aquellas impurezas y contaminantes del líquido vital a través del uso de la presión para forzar a las moléculas del agua a salir.
En este proceso, los contaminantes se filtran y eliminan, permitiendo que se quede un líquido limpio y sin contaminantes. A través de la ósmosis, es posible eliminar partículas suspendidas, como iones univalentes, en un 90-95%, iones divalentes en un 95-99%, sustancias inorgánicas (aluminio, calcio, cobre, hierro, zinc, magnesio, sulfato o nitrato), compuestos orgánicos (pesticidas, herbicidas, etc.), microorganismos y pirógenos.
Las etapas del proceso de ósmosis inversa convencional son:
- Filtración de sedimentos
- Filtración de carbón
- Membrana de osmosis inversa
- Filtración de afino
Presión osmótica fórmula
La fórmula de la presión osmótica se representa de la siguiente manera:
P osmótica = nRT/V
En donde P osmótica = kPa = atmósferas
La presión osmótica de una disolución obedece a una relación de la misma forma que la ley de los gases. Al ser una presión, contiene unidades similares que el resto de presiones, es decir, Pascales (Pa) en el Sistema Internacional, aunque también se pueden emplear las atmósferas (atm).
La presión osmótica generalmente se expresa en términos de la molaridad de la solución y se le da el símbolo π, donde π = MR’T . En estas relaciones, R = 8,3145 J/k mol es la constante de gas normal y R’ = 0,0821 L atm/K mol es la constante de gas expresada en litros y atmósferas.
El cálculo de la presión osmótica se atribuye a la solución, mientras que la definición de presión osmótica que se usó, trata la presión osmótica positiva como la densidad de energía relativa del solvente puro a la solución.
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Jacobus Henricus Van Hoff propuso por primera vez una fórmula para calcular la presión osmótica, pero esta ecuación fue mejorada más tarde por Harmon Northrop Morse.
Presión osmótica de una solución:
π = MR’T
Donde π es la presión osmótica
R es la constante universal de los gases
T es la temperatura absoluta en Kelvin
M es la concentración molar de todas las partículas libres de soluto presentes en la solución.
La concentración dependerá del tipo de solutos que estén presentes, y esto nos habla de la suma de concentraciones de todas las partículas osmóticamente activas que no pueden atravesar una membrana semipermeable.
Pasos para calcular la presión osmótica:
- Extraer los datos de la fórmula y llevar a cabo las transformaciones de unidades necesarias.
- Determinar el tipo de soluto y el valor del coeficiente o factor de van’t Hoff.
- Calcular la molaridad o concentración molar inicial
- Emplear la fórmula para calcular la presión osmótica
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Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la presión osmótica directa e inversa?
La diferencia fundamental entre la presión osmótica directa y la presión osmótica inversa radica en el sentido del flujo de agua a través de una membrana semipermeable. En la presión osmótica directa, el agua fluye desde una solución diluida hacia una solución más concentrada debido a la diferencia de concentración entre ambas. Por otro lado, en la presión osmótica inversa, se aplica una presión externa mayor a la presión osmótica natural para revertir el flujo de agua, haciendo que esta se mueva desde la solución más concentrada hacia la solución diluida. La presión osmótica inversa es ampliamente utilizada en los tratamientos de aguas industriales, como la desalinización y la concentración de soluciones.
¿Qué tipo de agua se puede tratar mediante presión osmótica?
La presión osmótica puede utilizarse para tratar diferentes tipos de agua en los procesos industriales. En general, se puede tratar agua de mar, agua salobre, agua residual y agua contaminada. La presión osmótica es particularmente eficiente en la desalinización de agua de mar, ya que permite eliminar la sal y otros contaminantes presentes en el agua para obtener agua potable o apta para diversos usos industriales. También es aplicable en la concentración de soluciones acuosas, donde se puede tratar agua con altos niveles de concentración de solutos para obtener soluciones más concentradas y reducir el volumen de residuos generados en los procesos industriales.
¿Cuáles son las principales ventajas de utilizar la presión osmótica en comparación con otras técnicas de tratamiento?
La presión osmótica ofrece varias ventajas significativas en comparación con otras técnicas de tratamiento de agua en la industria. Algunas de las principales ventajas son:
- Eficiencia energética: La presión osmótica requiere menos energía en comparación con otras técnicas, lo que conduce a menores costos operativos y menor impacto ambiental.
- Alta selectividad de separación: La presión osmótica permite una alta selectividad para eliminar contaminantes, incluyendo sales, iones y materia orgánica, lo que resulta en un agua tratada de alta calidad.
- Versatilidad: La presión osmótica puede adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, como desalinización, concentración de soluciones y tratamiento de aguas residuales industriales.
¿Existen desventajas o limitaciones en el uso de la presión osmótica en la industria?
Si bien la presión osmótica ofrece numerosas ventajas, también existen algunas desventajas y limitaciones a considerar:
- Costo inicial y mantenimiento: Los sistemas de presión osmótica pueden tener un costo inicial elevado, tanto en términos de infraestructura como de adquisición de membranas semipermeables de alta calidad. Además, requieren un mantenimiento regular para garantizar un rendimiento óptimo.
- Problemas de fouling y escalado: Los sistemas de presión osmótica pueden
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Contaminantes que se eliminan por la presión osmótica
La ósmosis inversa, así como la presión osmótica, son capaces de eliminar hasta el 95-99% de iones y sales disueltos dentro de las partículas, coloides y bacterias.
Una membrana de ósmosis inversa rechaza los contaminantes de acuerdo a su tamaño y carga, por lo que cualquier elemento que disponga de un peso molecular superior a 200, probablemente sea rechazado por un proceso de ósmosis inversa que funcione de manera correcta.
Tan solo una molécula de agua tiene un peso molecular de 18.
Mientras que la carga iónica de los contaminantes sea mayor, es más probable que no pueda atravesar la membrana de ósmosis inversa. Por ejemplo, un ion de sodio que tiene una sola carga y que es monovalente. Por eso, la membrana de OI no la retiene. Pasa lo mismo con los iones de calcio que son bivalentes.
Si te interesa conocer más a profundidad acerca de este tema, te invitamos a leer nuestro artículo: Ósmosis inversa: sistema de tratamiento de aguas eficaz en los sectores industriales
Es fundamental concluir, mencionando, que, gracias a la presión osmótica, existe una base de filtrado para la ósmosis inversa, un proceso comúnmente utilizado para purificar el agua, lo cual representa hoy en día y para el futuro, un gran avance científico y tecnológico que podrá ser la clave empresarial, industrial y social que las futuras generaciones requieran para mantener un abasto suficiente que cubra las necesidades divergentes y venideras.
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Referencias
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- Parada, Israel. Cómo calcular la presión osmótica de una disolución. YuBrain, 2021. Consultado el 4 de enero del 2023.
- Nuevo, David. Cómo funciona el proceso de ósmosis inversa. Tecpa, 2022. Consultado el 4 de enero del 2023.
- Hopelchen. OSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA. Hopelchen, s/f. Consultado el 4 de enero del 2023.
