X. TÉCNICAS DE SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

La utilización de membranas representa el campo de la aplicación de los materiales poliméricos que en los últimos años han inundado de problemas los laboratorios de investigación.

UNA de las sorpresas que se han llevado los fisicoquímicos en el campo de la aplicación de las membranas ha sido descubrir su versatilidad, porque han servido en el tratamiento de un sinnúmero de mezclas, sea para concentrarlas o diluirlas. Las áreas de la ingeniería que más se han visto favorecidas con estas aplicaciones son principalmente las industrias de los alimentos, del papel, la biomedicina, la petroquímica, la nuclear y, entre otras, la de separación o purificación de gases, donde se obtiene hidrógeno de la disociación del amonio, el sulfuro de hidrógeno del gas natural de las refinerías, helio del gas natural, así como el enriquecimiento del oxígeno a partir del aire. Debemos hacer especial mención en las aplicaciones de las membranas, la recuperación de sustancias valiosas en aguas o gases de desechos industriales y que como desperdicio simplemente son causa de una severa contaminación ambiental. En todos los aspectos de las aplicaciones, la literatura aumenta considerablemente bajo la sospecha de convertir estas aplicaciones, en un futuro próximo, en una tecnología corriente en todos los países.

En lo referente a la industria de los alimentos tenemos el caso de un líquido de desecho cuando se manufacturan y refinan alimentos como el queso y productos de soya, llamado "suero", que contiene una gran cantidad de nutrientes de alto valor, en número suficiente para que su extracción sea económicamente posible. La concentración de suero puede hacerse por evaporación o secado, pero los requerimientos energéticos involucrados lo hacen poco atractivo económicamente. Una evaluación económica de los procesos de membranas sugiere que es requerido 20% menos energía como en la evaporación directa. La concentración por membranas, en el caso del suero del queso, logran productos con concentraciones hasta del 20% de proteínas y en el caso del contenido de lactosa hasta 24%. Asimismo, del suero producido por alimentos de soya se obtiene un producto de alto contenido de proteínas y otro rico en carbohidratos y minerales (véase la figura 15).

Figura 15. Extracción de proteínas de suero de soya. En el primer paso se concentra la proteína por acumulación a través de filtración. El líquido que atraviesa la membrana (de permeación) es un residuo de alto contenido de carbohidratos que se concentran, a su vez, por un proceso de ósmosis inversa. Los procesos de membranas requieren menos energía y dejan menos volúmenes de desperdicio que un sistema de extracción por centrifugación con tratamiento químico.

En la actualidad se ha considerado una fuente de obtención de líquidos y gases combustibles a las fermentaciones. La utilización de membranas poliméricas hace eficiente la obtención de estos combustibles. En esta forma se obtiene la segregación de gases ácidos y la recuperación del metano del biogas (véase la figura 16)

Figura 16. La tecnología de membranas sirve como separador de algas de 5 micras promedio y que por otros medios su cosecha resultaría bastante cara. Una membrana adicional permite la obtención de subproductos como gases ácidos, haciendo costeable la transformación de la biomasa.

Una de las grandes industrias que utiliza las membranas porosas es la de la separación difusiva del uranio U 235 de una mezcla con U 238, enriqueciendo un material de fisión de alto valor comercial para equipos de reacción atómica (para usos pacíficos en reactores y uso militar) Esta separación involucra un sistema que no es del tipo de fases acuosas como las que se han realizado en mayor medida. El efecto en que se basa esta separación está representado por la ley de Graham que expusimos en el capítulo 1. Relativo a que el flujo de un gas a través de un tapón poroso o membrana abierta es inversamente proporcional a la masa de las partículas, de manera que la velocidad de difusión de moléculas será mayor mientras menor sea su peso molecular.

Ahora bien, la separación de los componentes de una mezcla gaseosa de dos especies de diferentes pesos moleculares no ocurre en el interior de la membrana como resultado de una competencia entre los flujos difusivos de dichos componentes, sino que ocurre en la superficie de la membrana y se reconoce como "efecto de entrada". Lo cierto es que las partículas más rápidas penetran a la membrana en un número mayor que las partículas lentas, de tal forma que un enriquecimiento relativo de las moléculas lentas ocurre de inmediato a la entrada de la membrana. Se trata, pues, de una selección por efecto cinético.

La necesidad de separar los isótopos de uranio y otros gases como el 0₂, que aparecen mezclados con otros gases en forma natural, ha llevado a la aplicación del efecto Graham a gran escala. Esto se efectúa por un proceso de difusión a contracorriente. Se contemplan varias etapas en que el gas rechazado (concentrado en el componente de mayor peso) es recirculado para iniciar una siguiente etapa. En cambio, el gas enriquecido en el componente ligero pasa a otro módulo para un enriquecimiento adicional. De aquí, pues, la necesidad de un sistema "en cascada" para una separación eficiente.

La separación del hidrógeno en la disociación del amonio se presenta por medio de una barrera metálica porosa que constituye una membrana abierta. En este caso aparecen discrepancias cualitativas y cuantitativas con una teoría de transporte indicada en el capítulo IV, ya que los valores de los flujos del gas hidrógeno a través de la membrana son altos, de manera que el sistema se aleja suficientemente del equilibrio para considerar efectos no lineales.

Lo anterior ocurre porque es necesaria una temperatura elevada en el sistema para propiciar la disociación del amonio. En todo caso, es necesario aplicar una teoría diferente a la expuesta aquí, pero en el consenso actual de la física, una teoría termodinámica no lineal es aún tema de discusión.

En la separación de gases de muy bajo peso molecular como el hidrógeno y el helio es posible usar membranas semipermeables en lugar de membranas abiertas, y la disociación ya no se apoya en el efecto Graham, sino que se debe a una criba que selecciona las partículas de acuerdo a su radio. Por ejemplo, el hidrógeno se puede separar con membranas de paladio. Éstas se disponen concéntricamente alrededor de un tubo de entrada (véase la figura 17). Las membranas delgadas de paladio son permeables al hidrógeno pero impermeables a otros gases, por lo que el hidrógeno puro se difunde a través de los tubos colectores. Los gases de desecho contienen a su vez hidrógeno y son retroalimentados a la mezcla de entrada. Asimismo, un interesante ejemplo de estos casos es también la obtención del helio purificado a partir del gas natural. Esto resulta de la aplicación de membranas de vitrosílica, permeables a los átomos de helio e impermeables a los gases restantes.

Figura 17. Purificación de un gas o separación de una mezcla de gases, por medio de un flujo de contracorriente usando membranas.

Hay una posibilidad de separación de mezclas por intercambio de iones a través de membranas que poseen una carga neta. En este caso, el principio de separación obedece a un rechazo por interacción coulombiana entre la membrana y, los iones de la misma carga. Esta posibilidad ha simplificado en muchos casos los procesos de separación, pues, la energía se suministra por medio de campos eléctricos y no por efecto mecánico de presurización. Existe la ventaja de no involucrar al flujo osmótico ni al electroosmótico, ya que la separación o purificación de un fluido se efectúa por transporte de iones (solutos) a través de las membranas. Esto reduce el gasto de energía por irreversibilidades internas en procesos muy fuera de equilibrio. A este proceso de separación se le conoce como "electrodiálisis". En la figura 18 se observa el esquema de un separador de agua potable a partir de una solución salina por medio de la electrodiálisis.

Figura 18. La electrodiálisis emplea membranas con carga fija para extraer agua pura de una solución salina. El campo eléctrico aplicado, pone los iones salinos (solutos) en movimiento hacia el electrodo de signo contrario. Las membranas resultan impermeables en los iones con carga de igual signo. Las membranas de distintas cargas se alternan.

El descubrimiento del principio de la electrodiálisis fue realizada por el bioquímico Leonor Michaelis en 1923, cuando mostró que las membranas de nitrocelulosa son permeables a iones positivos. En 1929, Karl Sollner realizó una investigación sistemática para estudiar la estructura de esas membranas y explicar el mecanismo de selectividad de tal efecto. Poco después, Sollner, en compañía de Charles Carr y Harry P. Gregor, fabricaron la primera membrana que combinaba óptimamente dos parámetros: alta selectividad y alta permeabilidad. Estos conocimientos básicos hicieron posible una tecnología de aplicación de las electromembranas en plantas de mediana y gran escala, en el tratamiento de aguas de todo tipo y otras aplicaciones en la fisicoquímica y biomedicina.

En un artíctilo del Scientific American (julio, 1978), Harry P. Gregor y Charles D. Gregor hicieron notar que todos los procesos de aplicación industriales de membranas tienen una contrapartida biológica, pero que esas membranas sintéticas no se aproximan a las biológicas en velocidad de separación, compactación, selectividad y eficiencia.