T85. REVERSE OSMOSIS. MAKING SEA WATER DRINKABLE

REVERSE OSMOSIS. MAKING SEA WATER DRINKABLE by Fredric M. Menger, Emory University, Atlanta, GA USA

To understand reverse osmosis (a process used worldwide to remove salt from sea water), one needs to be familiar with two concepts: diffusion and the semi-permeable membrane. Diffusion is simply the thermally-driven random movement of molecules. It always occurs from high concentration to low concentration. For example, when a sugar lump dissolves in hot coffee, the sugar molecules will diffuse throughout the coffee until a uniform distribution is achieved. A semi-permeable membrane is a thin film (often made of a polymer) possessing pores with diameters of molecular dimensions. The pores may allow small molecules, such as water, to diffuse from one side to the other, whereas larger molecules, such as salts and protein, are blocked (hence the term “semi-permeable”).

Consider a semi-permeable membrane separating two compartments of a beaker in which water plus salt (aqueous NaCl) are on the left side and pure water is on the right side (Scheme 1). Assume further that the membrane has pores that are large enough to transmit water but too small to allow passage of salt. What will happen? Water will diffuse from the right side to the left side where water’s concentration is lower owing to volume being partially occupied by salt. Thus the salt, confined to the left side, becomes more and more dilute as the water molecules migrate from right to left. This process is called osmosis.

Scheme 1. A diagram showing two compartments separated by a semi-permeable membrane. The left side contains aqueous salt (NaCl), while the right side contains pure water. Water molecules will diffuse from both sides of the membrane but will do so preferentially from right to left because the water concentration is higher on the right. Salt is too large to diffuse through the membrane pores.

Sea water is 3.5% salt which might not seem like much, but drinking it is deadly. Osmosis cannot be used to obtain salt-free drinkable water from sea water because osmosis will only dilute the salt, not get rid of it. Fortunately, sea water can be converted into pure water via reverse osmosis. In reverse osmosis, heavy-duty pumps exert pressure upon the sea water compartment, thereby forcing water molecules to transfer from the sea water into a tank of pure water. The salt remains behind since it cannot pass through the membrane. It is as if the membrane filters out the salt. In reverse osmosis, water molecules shift from low concentration to high concentration (hence the term “reverse”). This does not violate the “high-to-low” principle for “natural” diffusion because an input of energy is necessary to counteract the natural tendency for water to flow as pictured in Scheme 2.

Scheme 2. Diagram showing two compartments separated by a semi-permeable membrane. The left side contains aqueous salt (NaCl), while the right side contains pure water. Water molecules will flow in the direction of pure water because there is pump pressure forcing the water molecules to diffuse through the membrane pores.

A negative side of reverse osmosis is its expense. It takes a good deal of energy to operate the pumps and clean the membranes. There are also concerns related to the removal of healthy minerals from the sea water and to the dumping of the by-product (concentrated salt or “brine”) into the ocean. Yet countries such as Argentina, Australia, China, Israel, Saudi Arabia, and United States find reverse osmosis an important means for meeting their water needs.

OSMOSE REVERSA. TORNANDO POTÁVEL A ÁGUA DO MAR por Fredric M. Menger, Universidade Emory, Atlanta, EUA
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil

Para compreender a osmose reversa (processo utilizado mundialmente para remover o sal da água do mar), precisamos estar familiarizados com dois conceitos: a difusão e a membrana semipermeável. A difusão é simplesmente o movimento aleatório termicamente conduzido de moléculas. Ocorre sempre de uma concentração elevada para uma concentração baixa. Por exemplo, quando um torrão de açúcar se dissolve em café quente, as moléculas do açúcar vão se difundir por todo o café até que a distribuição fique uniforme. Uma membrana semipermeável é uma fina película (geralmente feita de um polímero) possuindo poros com diâmetros de dimensões moleculares. Os poros podem permitir que moléculas pequenas, tais como as da água, se difundam de um lado para o outro, ao passo que as moléculas maiores, tais como as de sais e proteínas, são bloqueadas (daí o termo "semipermeável").

Imagine uma membrana semipermeável separando uma taça em dois compartimentos, sendo água com sal (NaCl aquoso) do lado esquerdo e água pura no lado direito (Esquema 1). Suponhamos ainda que a membrana tenha poros grandes o suficiente para passar a água, porém pequenos demais para permitir a passagem do sal. O que vai acontecer? A água vai se difundir do lado direito para o lado esquerdo, onde a concentração de água é menor devido ao volume parcialmente ocupado pelo sal. Assim, o sal, confinado à esquerda, torna-se cada vez mais diluído conforme as moléculas de água migram da direita para a esquerda. Este processo é chamado de osmose.

Esquema 1. Diagrama mostrando dois compartimentos separados por uma membrana semipermeável. O lado esquerdo contém sal aquoso (NaCl), enquanto o lado direito contém água pura. As moléculas de água se difundem a partir de ambos os lados da membrana, mas ocorrerá preferencialmente da direita para a esquerda, pois a concentração de água é maior do lado direito. O sal é grande demais para se difundir através dos poros da membrana.

A água do mar é composta por 3,5% de sal, o que pode não parecer muito, mas mortal se a bebermos. A osmose não pode ser usada para transformar a água do mar em água potável sem sal, uma vez que a osmose irá apenas diluir o sal, e não se livrar dele. Felizmente, a água do mar pode ser convertida em água pura através da osmose reversa. Na osmose reversa, bombas hidráulicas exercem pressão sobre o compartimento de água do mar, forçando assim as moléculas de água a se transferirem para o tanque de água pura (Esquema 2). O sal permanece atrás, uma vez que não consegue passar através da membrana. É como se a membrana filtrasse o sal.

Na osmose reversa, as moléculas de água passam da baixa concentração para a alta concentração (daí o termo "reversa"). Isto não viola o princípio do movimento de "alta para baixa" concentração na difusão "natural", pois é necessária uma entrada de energia para neutralizar a tendência natural da água de fluir, conforme o Esquema 2.

Esquema 2.Diagrama mostrando dois compartimentos separados por uma membrana semipermeável. O lado esquerdo contém sal aquoso (NaCl), enquanto o lado direito contém água pura. As moléculas de água passam para ao recipiente com água pura porque há uma pressão da bomba hidráulica que força a passagem da água através dos poros da membrana.

Um lado negativo da osmose reversa é o seu custo. É preciso uma boa quantidade de energia para operar as bombas e limpar as membranas. Também existem preocupações relacionadas à remoção de minerais saudáveis da água do mar e à prática de despejo do subproduto (sal concentrado ou "salmoura") no oceano. No entanto, países como a Argentina, Austrália, China, Israel, Arábia Saudita e Estados Unidos consideram a osmose reversa um método importante para atender suas necessidades hídricas.