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Plumas NCC | De membranas biológicas a membranas sintéticas: origen del proceso de ósmosis inversa

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Por: Aldo Saavedra (Chile).

A mediados del siglo XVIII el físico francés Jean Antoine Nollet, trabajando con membranas de vejiga animal, descubrió el fenómeno de la ósmosis. El científico observó que cuando llenaba la vejiga con alcohol y la sumergía en agua, se producía un flujo de agua que ingresaba a vejiga para mezclarse con el alcohol, provocando un aumento de volumen y por ende de presión.

De igual manera, notó que el alcohol no era capaz de transportarse hacia la zona acuosa. Esta evidencia experimental no logró ser explicada, hasta cerca de 100 años más tarde, cuando las investigaciones fueron retomadas por el médico francés Henry de Dutrochet, quien logró revelar la presencia de un fenómeno de difusión del solvente (agua) a través de estas membranas biológicas.

Dutrochet concluyó que el proceso siempre se verifica desde una solución de menor concentración en solutos hacia una solución de mayor concentración. A este fenómeno lo denominó “ósmosis” (del griego “empuje”) debido a que la acumulación de agua en la zona más concentrada provocaba el mencionado aumento de la presión. Estas primeras membranas semipermeables y selectivas permitían el transporte de agua y simultáneamente impedían el paso de sustancias disueltas diferentes al agua.

Posteriormente, aparecieron los trabajos realizados por el químico británico Thomas Graham (1805-1869) quien estudió los mecanismos de transporte en células de plantas y animales, y del médico alemán Adolf Fick (1829-1901) quien enunció la ley que lleva su apellido.

Fick desarrolló una lúcida comparación que permitió unificar los transportes de materia, de calor y de electricidad, concluyendo que un determinado flujo se verifica gracias a la existencia de un gradiente (de concentración, temperatura o  potencial eléctrico) que permite vencer una cierta resistencia.

Desarrollo de más técnicas para medir la presión ósmótica

Como consecuencia del estudio de la ósmosis en membranas biológicas, en el año 1864 el físico M. Traube sintetizó la primera membrana inorgánica de ferrocianuro de cobre. A partir de esto, el estudio del proceso cobró aún más importancia y fue en este periodo donde se desarrollaron diversas técnicas para la medición de la presión osmótica, incluyendo los estudios del químico J.H. van ́ t Hoff en 1887. Estos le permitieron deducir una ecuación para cuantificar la presión osmótica de una solución, cuya expresión era sorprendentemente similar a la ecuación de estado de los gases ideales.

El desarrollo de experimentos más precisos permitió confirmar que los mecanismos de transferencia a través de una membrana se basan en la difusión de materia, desde regiones de concentraciones elevadas hacia las de menor concentración. Hasta ese momento se analizaba solamente el tipo más simplificado de transporte, de tipo pasivo, debido a gradientes de concentración.

En la actualidad se conocen otros mecanismos de transporte presentes en membranas biológicas, tales como a través de nanocanales de membranas, transporte facilitado, activo, etc., que permiten explicar el movimiento de iones e incluso de moléculas de elevado peso molecular a través de membranas celulares.

Ósmosis inversa

Durante el siglo XX, en 1959 el investigador Charles Reid analizó la posibilidad de producir agua de bajo contenido salino a partir de agua de mar. Para tal efecto, desarrolló un proceso que empleaba membranas de acetato de celulosa. Mediante la presurización de la zona de mayor concentración salina, se lograba detener e invertir el flujo osmótico de agua pura que ocurría en la ósmosis directa. Este proceso fue denominado “ósmosis inversa”.

A pesar de este avance, Reid no obtuvo resultados satisfactorios porque los flujos de agua que obtenía eran pequeños y con baja selectividad, concluyendo que se requería de una membrana más eficiente para transformar a la ósmosis inversa en una tecnología de uso masivo para desalinizar aguas.

La solución a este problema llegó de la mano de los investigadores Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan, de la Universidad de California (UCLA), cuando en 1962 sintetizaron membranas asimétricas de acetato de celulosa. Mediante análisis de microscopía electrónica verificaron que estas nuevas membranas tenían una delgada película a escala micrónica de polímero depositado sobre la superficie de la membrana. Esta película correspondía a la denominada “capa activa”, zona en la cual se verificaba la permeación de agua y el simultáneo rechazo de solutos (sales).

A continuación, y sobre la base de que la membrana desarrollada por Loeb-Sourirajan ya era de dominio público a través de patentes, publicaciones y presentaciones técnicas, diversas industrias y grupos de investigadores iniciaron la fabricación de equipos de desalinización logrando desarrollar la primera membrana de configuración en espiral, que fue patentada el año 1964 por la empresa Fluid Systems.

Luego, en los años 70 las membranas entraron resueltamente en el mercado de la desalinización de aguas salobres y agua de mar. Nuevos polímeros, de la familia de las poliamidas, reemplazaron al acetato de celulosa para fabricar membranas más permeables y selectivas.

En este contexto, los procesos térmicos (evaporación) fueron perdiendo rápidamente su posicionamiento y en la actualidad operan más de 21.500 plantas desalinizadoras en todo el mundo, donde aproximadamente el 65 por ciento de ellas utilizan osmosis inversa.

Durante el año 2020, la capacidad diaria mundial de desalinización superó los 130 millones de metros cúbicos de agua purificada, volumen que refleja el posicionamiento de este proceso para suministrar agua  dulce a millones de personas, procesos industriales y de manera creciente para riego agrícola tecnificado.

De esta manera, cuando en 1748 Antoine Nollet descubrió experimentalmente la ósmosis en membranas biológicas estaba fortuitamente dando el puntapié inicial de la actual osmosis inversa, sin duda uno de los desarrollos tecnológicos más interesantes y promisorios, cuyas membranas poliméricas sintetizadas altamente eficientes están permitiendo resolver los crecientes requerimientos hídricos mediante la desalinización de grandes volúmenes de aguas.

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Aldo Saa­ve­dra es académico del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Santiago. Doctor en Ingeniería Química, Ingeniero Civil Químico, investigador del Laboratorio de Procesos de Separación por Membranas del Departamento de Ingeniería Química. Su principal línea de investigación es la desalinización y tratamiento de aguas para su empleo en riego agrícola, agua potable y procesos productivos.

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