X. T�CNICAS DE SEPARACI�N POR MEMBRANAS

La utilizaci�n de membranas representa el campo de la aplicaci�n de los materiales polim�ricos que en los �ltimos a�os han inundado de problemas los laboratorios de investigaci�n.

UNA de las sorpresas que se han llevado los fisicoqu�micos en el campo de la aplicaci�n de las membranas ha sido descubrir su versatilidad, porque han servido en el tratamiento de un sinn�mero de mezclas, sea para concentrarlas o diluirlas. Las �reas de la ingenier�a que m�s se han visto favorecidas con estas aplicaciones son principalmente las industrias de los alimentos, del papel, la biomedicina, la petroqu�mica, la nuclear y, entre otras, la de separaci�n o purificaci�n de gases, donde se obtiene hidr�geno de la disociaci�n del amonio, el sulfuro de hidr�geno del gas natural de las refiner�as, helio del gas natural, as� como el enriquecimiento del ox�geno a partir del aire. Debemos hacer especial menci�n en las aplicaciones de las membranas, la recuperaci�n de sustancias valiosas en aguas o gases de desechos industriales y que como desperdicio simplemente son causa de una severa contaminaci�n ambiental. En todos los aspectos de las aplicaciones, la literatura aumenta considerablemente bajo la sospecha de convertir estas aplicaciones, en un futuro pr�ximo, en una tecnolog�a corriente en todos los pa�ses.

En lo referente a la industria de los alimentos tenemos el caso de un l�quido 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 n�mero suficiente para que su extracci�n sea econ�micamente posible. La concentraci�n de suero puede hacerse por evaporaci�n o secado, pero los requerimientos energ�ticos involucrados lo hacen poco atractivo econ�micamente. Una evaluaci�n econ�mica de los procesos de membranas sugiere que es requerido 20% menos energ�a como en la evaporaci�n directa. La concentraci�n por membranas, en el caso del suero del queso, logran productos con concentraciones hasta del 20% de prote�nas 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 prote�nas y otro rico en carbohidratos y minerales (v�ase la figura 15).

Figura 15. Extracci�n de proteínas de suero de soya. En el primer paso se concentra la prote�na por acumulaci�n a trav�s de filtraci�n. El l�quido que atraviesa la membrana (de permeaci�n) es un residuo de alto contenido de carbohidratos que se concentran, a su vez, por un proceso de �smosis inversa. Los procesos de membranas requieren menos energ�a y dejan menos vol�menes de desperdicio que un sistema de extracci�n por centrifugaci�n con tratamiento qu�mico.

En la actualidad se ha considerado una fuente de obtenci�n de l�quidos y gases combustibles a las fermentaciones. La utilizaci�n de membranas polim�ricas hace eficiente la obtenci�n de estos combustibles. En esta forma se obtiene la segregaci�n de gases �cidos y la recuperaci�n del metano del biogas (v�ase la figura 16)

Figura 16. La tecnolog�a de membranas sirve como separador de algas de 5 micras promedio y que por otros medios su cosecha resultar�a bastante cara. Una membrana adicional permite la obtenci�n de subproductos como gases �cidos, haciendo costeable la transformaci�n de la biomasa.

Una de las grandes industrias que utiliza las membranas porosas es la de la separaci�n difusiva del uranio U 235 de una mezcla con U 238, enriqueciendo un material de fisi�n de alto valor comercial para equipos de reacci�n at�mica (para usos pac�ficos en reactores y uso militar) Esta separaci�n 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 separaci�n est� representado por la ley de Graham que expusimos en el cap�tulo 1. Relativo a que el flujo de un gas a trav�s de un tap�n poroso o membrana abierta es inversamente proporcional a la masa de las part�culas, de manera que la velocidad de difusi�n de mol�culas ser� mayor mientras menor sea su peso molecular.

Ahora bien, la separaci�n 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 part�culas m�s r�pidas penetran a la membrana en un n�mero mayor que las part�culas lentas, de tal forma que un enriquecimiento relativo de las mol�culas lentas ocurre de inmediato a la entrada de la membrana. Se trata, pues, de una selecci�n por efecto cin�tico.

La necesidad de separar los is�topos de uranio y otros gases como el 0₂, que aparecen mezclados con otros gases en forma natural, ha llevado a la aplicaci�n del efecto Graham a gran escala. Esto se efect�a por un proceso de difusi�n 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 m�dulo para un enriquecimiento adicional. De aqu�, pues, la necesidad de un sistema "en cascada" para una separaci�n eficiente.

La separaci�n del hidr�geno en la disociaci�n del amonio se presenta por medio de una barrera met�lica porosa que constituye una membrana abierta. En este caso aparecen discrepancias cualitativas y cuantitativas con una teor�a de transporte indicada en el capítulo IV, ya que los valores de los flujos del gas hidr�geno a trav�s 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 disociaci�n del amonio. En todo caso, es necesario aplicar una teor�a diferente a la expuesta aqu�, pero en el consenso actual de la f�sica, una teor�a termodin�mica no lineal es a�n tema de discusi�n.

En la separaci�n de gases de muy bajo peso molecular como el hidr�geno y el helio es posible usar membranas semipermeables en lugar de membranas abiertas, y la disociaci�n ya no se apoya en el efecto Graham, sino que se debe a una criba que selecciona las part�culas de acuerdo a su radio. Por ejemplo, el hidr�geno se puede separar con membranas de paladio. �stas se disponen conc�ntricamente alrededor de un tubo de entrada (v�ase la figura 17). Las membranas delgadas de paladio son permeables al hidr�geno pero impermeables a otros gases, por lo que el hidr�geno puro se difunde a trav�s de los tubos colectores. Los gases de desecho contienen a su vez hidr�geno y son retroalimentados a la mezcla de entrada. Asimismo, un interesante ejemplo de estos casos es tambi�n la obtenci�n del helio purificado a partir del gas natural. Esto resulta de la aplicaci�n de membranas de vitros�lica, permeables a los �tomos de helio e impermeables a los gases restantes.

Figura 17. Purificaci�n de un gas o separaci�n de una mezcla de gases, por medio de un flujo de contracorriente usando membranas.

Hay una posibilidad de separaci�n de mezclas por intercambio de iones a trav�s de membranas que poseen una carga neta. En este caso, el principio de separaci�n obedece a un rechazo por interacci�n coulombiana entre la membrana y, los iones de la misma carga. Esta posibilidad ha simplificado en muchos casos los procesos de separaci�n, pues, la energ�a se suministra por medio de campos el�ctricos y no por efecto mec�nico de presurizaci�n. Existe la ventaja de no involucrar al flujo osm�tico ni al electroosm�tico, ya que la separaci�n o purificaci�n de un fluido se efect�a por transporte de iones (solutos) a trav�s de las membranas. Esto reduce el gasto de energ�a por irreversibilidades internas en procesos muy fuera de equilibrio. A este proceso de separaci�n se le conoce como "electrodi�lisis". En la figura 18 se observa el esquema de un separador de agua potable a partir de una soluci�n salina por medio de la electrodi�lisis.

Figura 18. La electrodi�lisis emplea membranas con carga fija para extraer agua pura de una soluci�n salina. El campo el�ctrico 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 electrodi�lisis fue realizada por el bioqu�mico Leonor Michaelis en 1923, cuando mostr� que las membranas de nitrocelulosa son permeables a iones positivos. En 1929, Karl Sollner realiz� una investigaci�n sistem�tica para estudiar la estructura de esas membranas y explicar el mecanismo de selectividad de tal efecto. Poco despu�s, Sollner, en compa��a de Charles Carr y Harry P. Gregor, fabricaron la primera membrana que combinaba �ptimamente dos par�metros: alta selectividad y alta permeabilidad. Estos conocimientos b�sicos hicieron posible una tecnolog�a de aplicaci�n de las electromembranas en plantas de mediana y gran escala, en el tratamiento de aguas de todo tipo y otras aplicaciones en la fisicoqu�mica y biomedicina.

En un art�ctilo del Scientific American (julio, 1978), Harry P. Gregor y Charles D. Gregor hicieron notar que todos los procesos de aplicaci�n industriales de membranas tienen una contrapartida biol�gica, pero que esas membranas sint�ticas no se aproximan a las biol�gicas en velocidad de separaci�n, compactaci�n, selectividad y eficiencia.