Evaluación del comportamiento hidrodinámico en una membrana de ósmosis inversa usando fluidodinámica computacional (CFD)

Abstract

La ósmosis inversa (OI) es una tecnología ampliamente utilizada para la desalinización y tratamiento de aguas, cuyo desempeño se ve limitado por la formación de concentración de polarización (CP), fenómeno que reduce la eficiencia del proceso. En este trabajo de grado se desarrolló un modelo computacional en ANSYS Fluent para estudiar el efecto de la geometría de la membrana, el tipo de soluto y el material sobre la CP. Se evaluaron dos geometrías patronadas, dos tipos de solutos NaCl y MgSO₄ y además, se integraron los materiales poliamida y fluoruro de polivinilideno (PVDF) desde GRANTA Selector, para estudiar el efecto térmico sobre la CP. La metodología fue verificada a partir de un modelo de simulación previamente publicado en la literatura científica, para el cual los resultados mostraron coherencia con los perfiles de concentración y comportamiento del sistema. Los resultados indicaron que la geometría triangular presentó mayor coeficiente de transferencia de masa y menor espesor de capa límite para ambos solutos. Se observó que el NaCl, debido a su mayor difusividad, generó menor CP que el MgSO₄. Comparando valores simulados con los teóricos obtenidos por correlaciones de Sherwood, se encontraron errores relativos menores al 7 % para el coeficiente de transferencia de masa y menores al 10 % para el espesor de capa límite, lo cual valida la confiabilidad del modelo. En cuanto al comportamiento térmico, el aumento de temperatura favoreció el flujo de permeado, siendo el material poliamida quien presentó mayor conducción de calor que el PVDF; lo que permitió una reducción significativa en la CP. Se concluye que la geometría, el tipo de soluto y el material de la membrana influyen de manera significativa en el comportamiento del proceso, y que la simulación CFD es una herramienta poderosa para su análisis y optimización.