Plumas NCC | Los procesos de membranas: ampliando las fronteras del desarrollo tecnológico

Por: Aldo Saavedra (Chile).

En los últimos 50 años se ha verificado un enorme desarrollo de los denominados “procesos de membranas”, de significativa importancia científica, tecnológica y comercial, tanto a escala laboratorio como a nivel industrial.

Al respecto, ¿qué es una membrana? Esta puede ser definida como una barrera física semipermeable que permite concentrar y/o fraccionar iones, moléculas u otros solutos disueltos en soluciones líquidas o gaseosas. Para realizar tal proceso se aplican gradientes de separación tales como presión total, concentración o potencial eléctrico a ambos lados de la membrana, lo que permite impulsar el flujo de materiales a su través.

La selectividad del proceso, factor determinante para cuantificar la eficiencia de la separación, utiliza determinadas propiedades físico-químicas de la mezcla tales como dimensión molecular, solubilidad, difusividad, carga eléctrica, tensión de vapor y afinidad química con la membrana.

En cuanto a materiales empleados en la fabricación de membranas, los más difundidos son los poliméricos, tales como acetato de celulosa, poliamidas, polipropileno, polisulfona y teflón. Cada polímero tiene propiedades específicas, y es relevante si son hidrofílicos o hidrofóbicos, porosos o densos (sin poros), si son homogéneos, de estructura compuesta, de geometría plana, tubular, etc. También se han desarrollado membranas de tipo inorgánico, metálicas, cerámicas, etc.

Este amplio espectro de materiales filtrantes y selectivos ha permitido mejorar muchos procesos industriales, e incluso desarrollar nuevos métodos de fabricación, como por ejemplo los compuestos producidos en reacciones químicas catalizadas con simultánea separación a través de un sistema de membranas.        

Inicialmente, los procesos de membranas se desarrollaron respondiendo a la necesidad de responder con alternativas tecnológicas a procesos convencionales de separación, más costosos y con alto requerimiento energético. El ejemplo más representativo fue el nacimiento y desarrollo de la tecnología de ósmosis inversa, en la segunda mitad del siglo XX.

Actualmente, una membrana de ósmosis inversa es un polímero denso (sin poros), de matriz compuesta y con eficiencia de separación que supera el 98,5 por ciento. Se aplica intensivamente en la desalación de aguas saladas, utilizando la propiedad de diferente solubilidad solvente (agua) versus solutos (sales), respecto de la membrana.

Una vez que los componentes son solubilizados, difunden a través de la membrana con diferente velocidad relativa y como resultado se verifica una efectiva separación entre el agua y las sales. A diferencia de las tecnologías clásicas de evaporación (destilación), la ósmosis inversa no requiere cambios de fase, lo que determina un gran ahorro energético.

La desalación por membranas se ha transformado en la tecnología más utilizada a nivel mundial, recordando que actualmente se purifican más de 110 millones de toneladas de agua diariamente, cuyo uso es predominantemente destinado al consumo humano.

En la década de los 80 los procesos de membranas encontraron oportunidades de aplicación en diversos sectores productivos, tales como la industria alimentaria y biotecnológica, lo que impulsó el desarrollo de nuevos materiales para membranas y en el diseño de equipos de mayor sofisticación tecnológica.

Se sintetizaron membranas para los procesos de nanofiltración, ultrafiltración y microfiltración, teniendo como denominador común que el mecanismo de selectividad se relaciona con las dimensiones moleculares de las especies en solución. Estas membranas son porosas, hidrofílicas y con capacidad para operar en un amplio rango de dimensión de solutos, típicamente entre 109 m (iones de peso molecular superior a 100 Daltons) y 106 m (coloides y microorganismos).

Otro proceso de interés citar es la electrodiálisis, que opera utilizando una diferencia de potencial eléctrico. Bajo tales condiciones las especies iónicas presentes en solución son forzadas a migrar hacia membranas selectivas. Como resultado se obtiene un líquido (purificado) con baja concentración de sólidos iónicos disueltos, respecto de la alimentación líquida.

El desarrollo de la electrodiálisis fue contemporáneo con las primeras membranas de ósmosis, luego perdió competitividad en desalación de aguas salobres, y actualmente tiene aplicaciones en la industria alimentaria, por ejemplo en desalación del suero de la leche.

Para separaciones líquido-gas, también se han desarrollado procesos de membranas, entre ellos la pervaporación y la destilación con membranas. La pervaporación utiliza membranas densas similares a las de osmosis inversa.

La membrana separa 2 fases: de un lado se encuentra una fase líquida (alimentación) y en el otro una gaseosa, constituida por los vapores permeantes. Al igual que en ósmosis inversa, determinados compuestos de la mezcla líquida presentarán mayor afinidad respecto de la membrana, se absorberán y difundirán preferencialmente, y constituirán una corriente gaseosa (vapores) por el lado del permeado.

La fuerza motriz del proceso es una diferencia entre las presiones parciales del lado permeado y la de saturación del vapor. Esta diferencia de presión parcial se logra aplicando vacío por el lado del permeado. La pervaporación es altamente selectiva, lo que la transforma en una interesante alternativa respecto de procesos convencionales que no logran producir una adecuada purificación. Un ejemplo de aplicación se encuentra en la producción de alcohol anhidro.

La destilación con membranas es un proceso aún en etapa de desarrollo tecnológico, a pesar de que los primeros estudios sobre esta materia se iniciaron hace más de 40 años. Se han obtenido importantes avances con la producción a escala comercial de membranas con características adecuadas: microporosas, hidrofóbicas y a bajo costo.

Los polímeros más utilizados son polipropileno (PP), fluoruro de polivinilideno (PVDF) y politetrafluoroetileno (PTFE, teflón). Las aplicaciones más difundidas son purificación de agua desde aguas saladas y salobres, separación de compuestos orgánicos volátiles (COVs) presentes en soluciones acuosas, desgasificación de agua y extracción continua de productos desde biorreactores, por ejemplo en la producción de etanol.

Sin perjuicio de reconocer que esta resumida descripción ha dejado fuera otros procesos de membranas importantes, consolidados y emergentes, entre ellos diálisis y hemodiálisis, membranas que fraccionan gases, membranas líquidas, grafeno y membranas biomiméticas (acuaporinas) aún en fase de desarrollo-

Se puede concluir que el futuro de estos procesos y sus aplicaciones está estrechamente ligado a la resolución de al menos tres aspectos fundamentales: selectividad (habilidad de la membrana para producir una determinada separación), relación productividad/costo (flujo de producto purificado por unidad de superficie y de costo) y estabilidad operativa (capacidad de mantener las propiedades de selectividad y productividad en el tiempo). 

***

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.