Electrodiálisis en el tratamiento de aguas con un sistema inspirado por algas. Esta es la idea esencial que nos ofrece la investigación que han desarrollado desde Sandia National Laboratories. Concretamente, el equipo investigador ha desarrollado una membrana con un estructura que está fundamentada en la propia de las algas. El estudio, publicado en Soft Matter, indica su utilidad de cara al riego en la agricultura y la generación de energía.
INDICE
Una nueva fuente de agua dulce
La electrodiálisis podría ser aplicada en la obtención de agua dulce, libre de sal. En la actualidad, este sistema es empleado para atrapar la sal presente en el agua de mar. También es utilizado para, partiendo de agua salobre con presencia de sal, obtener agua dulce. Sin embargo, con la nueva investigación, podría emplearse para disponer de una nueva fuente de agua dulce al eliminar con este método la sal del agua residual.
La adición de fenilalanina abre nuevas posibilidades a la investigación. Durante el proceso de investigación, se identificó una circunstancia propicia para el tratamiento, la adición de fenilalanina. Este aminoácido, en la membrana de electrodiálisis facilitó la eliminación de iones positivos. Como indica Susan Rempe, miembro del equipo investigador, el incremento de la selectividad por iones positivos en una cantidad considerable, fue sorprendente.
La fenilalanina incrementó considerablemente la selectividad de iones positivos
El suministro de agua dulce es una cuestión crítica para cualquier país. De la disponibilidad de este fluido, dependen factores claves como el consumo humano, el cultivo o la producción de energías. En este último aspecto, el agua es empleada en distintos tipos de energía como son la energía nuclear, el carbón o el gas natural.
Ósmosis inversa y electrodiálisis
La ósmosis inversa es un método efectivo pero con inconvenientes. En la actualidad, se emplea la ósmosis para la supresión de la sal presente en el agua de mar para la obtención de agua dulce. A pesar de su efectividad, en este sistema se presentan características que pueden suponer un contrapunto. Esto es debido a la elevada presión necesaria para la fuerza impulsora, lo cual tiene un considerable coste de operación.
A mayor concentración de sal, la problemática será proporcional. Se dispone de un número reducido de sistemas para el tratamiento de aguas residuales salobres. En la fracturación hidráulica, sistema utilizado en la recuperación de gas natural, la salinidad puede ser 10 veces superior al del mar. Como indica Rempe, un agua con tanta concentración de sal no vuelve al medio ambiente si no que, al contrario, es almacenada bajo tierra.
El agua empleada en la fracturación hidráulica, puede tener una salinidad 10 veces superior a la del mar
Iones negativos y positivos están presentes en el agua de mar y en el agua residual. El sodio y el cloruro son los iones más frecuentes dentro del agua de mar. Por ello, la electrodiálisis es una sólida alternativa a la ósmosis inversa, su corriente eléctrica permite suprimir los iones de sal. De esta forma, se obtiene un agua dulce libre de sal. Este proceso requiere un suministro de energía inferior al de la ósmosis inversa.
La electrodiálisis, también emplea membranas. Concretamente, este proceso emplea dos membranas en su operación. Una de ellas atrapa los iones de carga negativa como el cloruro y la otra, retiene los de carga positiva, como el sodio. De la combinación sale un sistema potencialmente eficaz para ser una alternativa a la ósmosis inversa.
La electrodiálisis emplea dos membranas que, respectivamente, atrapan iones de carga positiva y negativa
Fenilalanina, fuente de inspiración para la membrana
Un alga ha sido la inspiración de la que se ha hecho eco el equipo investigador. Los miembros del equipo utilizaron la forma de una proteína cuyo nombre es canalrodopsina y cuya función es el transporte de iones. Esta proteína se encuentra fundamentalmente en las algas y ha sido investigada previamente por la optogenética. Esta rama de investigación previa, la optogenética,busca el control de células a través del empleo de luz.
La estructura observada en la proteína, facilita la selectividad de la membrana. Selectividad refierea a una cuestión fundamental para la efectividad de la membrana empleada en la electrodiálisis. Es en esta materia donde la estructura del alga es tan útil, permitiendo una gran selectividad. Esta capacidad se centra en un aspecto fundamental, facilita el paso de los iones positivos pero no los negativos.
La membrana de electrodiálisis del estudio, ofrece una gran selectividad
La fenilalanina es un componente esencial. Durante el proceso de investigación, se observó una gran presencia de fenilalanina. Este componente es un aminoácido y forma parte de la composición de las proteínas, a lo largo de la vía de conducción de los iones de la proteína.
El estudio de la canalrodopsina, ha llevado a la fenilalanina. Rempe refiere como fundamental el largo periodo de investigación sobre la canalrodopsina. Durante este proceso, han entendido su función y el modo en que es capaz de ser selectiva. Advirtieron cómo la fenilalanina forma una cubierta de la vía de transporte de iones. Habitualmente, se pensaba en la fenilalanina como una molécula con propiedades hidrófobas.
El estudio de la canalrodopsina, ha sido un pilar fundamental en la investigación
Se pudieron valorar las observaciones a través de cálculos computacionales. Los investigadores, a través de este tipo de cálculos, observaron cómo la fenilalanina da lugar a un componente con distintos puntos de enlace. Estos puntos se encuentran en la vía de transporte de la proteína. Del cálculo resultante, se pudo concluir que la fenilalanina se relaciona con los iones de sodio positivos permitiendo la estabilidad sin detener su movimiento.
Experimentación poniendo a prueba la membrana de electrodiálisis
La incorporación de la fenilalanina permitió incrementar la selectividad. Los investigadores, decidieron incorporar esta molécula a fin de lograr la selectividad de iones con carga positiva. De esta forma, haciendo parte de la membrana a la fenilalanina, se puede producir la distinción de los iones positivos a lo largo del proceso de electrodiálisis.
Un proceso de producción de membrana,muy particular, similar al de las velas. Stephen Percival, miembro del equipo, describe las fases por las que pasa la creación de la membrana de electrodiálisis. En primer lugar, una membrana porosa es introducida en una solución con carga positiva. A continuación, tras un enjuagado, es sumergida en una solución con carga negativa. Al tener las dos cargas, pueden autoensamblarse.
En su producción, la membrana es sumergida en dos soluciones con distintas cargas
Se experimentó con el efecto que la adición, o no adición, provocaba. Durante el proceso de investigación, Percival desarrolló membranas con cinco o diez capas que habían sido sumergidas dos veces. En los casos de cinco capas, comparativamente, el revestimiento de la membrana era 50 veces menor al de un cabello. Por el contrario, el caso de diez capas, era 25 veces inferior. La relevancia de la diferencia de grosor radica en el consumo energético.
La inmersión de la membrana en soluciones con fenilalanina, permite la adición de ésta. Como refiere Percival, durante la investigación, identificaron que la posibilidad de integrar fenilalanina en las membranas, pasaba por su adición a la solución de inmersión. La incorporación de la molécula, como indica el investigador, incrementó la selectividad de la membrana ante los iones de sodio sobre los de cloruro.
La adición de fenilalanina, aumentó la selectividad ante iones de sodio sobre los de cloruro
El potencial de añadir fenilalanina frente a las capas que carecen de ella. Cinco capas con fenilalanina, ofrecían una selectividad próxima a la de diez capas que carecen de esta molécula. De esta forma, la adición de esta molécula, permite un aumento de la selectividad pero con una menor resistencia causada por los revestimientos de más capas.
La fenilalanina permite optimizar el proceso de purificación del agua. Al integrar esta molécula en la membrana, se puede realizar un proceso de purificación con un gasto energético inferior. A pesar del éxito observado, los investigadores no han identificado si se produce una interacción igual a la que tiene lugar en la proteína biológica.
El integrar la fenilalanina en la membrana, permite una operación con un coste energético inferior
Los investigadores consideran un éxito observar un incremento de la selectividad iónica. Como señala Percival, las conclusiones extraídas del estudio son altamente positivas. Un aspecto de especial relevancia para los investigadores es el demostrar que la selectividad iónica puede mejorar al margen de la resistencia de la membrana.
La membrana de la investigación frente a los modelos comerciales
Se pusieron a prueba distintos parámetros. En la investigación, también participó Shane Walker, profesor en la Universidad de Texas. La función de Walker fue la de poner a prueba la membrana del estudio en comparación con las actualmente disponibles en el mercado. Para ello, se reprodujo un sistema de electrodiálisis en laboratorio atendiendo circunstancias como salinidad o consumo de electricidad.
La colaboración con la Universidad de Texas fue esencial. Como indica Rempe, el análisis realizado por el equipo de la UT fue realizado en un sistema de electrodiálisis real. Además, es especialmente reseñable que, en comparación con los otros modelos contrapuestos, la membrana del estudio dió unos buenos resultados.
La colaboración con la Universidad de Texas fue básica para realizar un profundo análisis
La membrana diseñada, es capaz de competir con las comercializadas para electrodiálisis. Tras la comparación de resultados, se dedujo que en densidad de corriente, la membrana supera a los valores medios de las otras membranas. Al respecto de la permeabilidad del agua, factor derivado del paso de agua salada hacia agua dulce, también superó los modelos comercializados.
En algunos aspectos, la membrana ofreció unos resultados inferiores a los otros modelos. A pesar de los buenos resultados, en algunas variables, ofreció unos resultados por debajo de la media. En materia de reducción de salinidad tras una hora de operación, los datos recogidos se encontraban por debajo de la media. Por otro lado, el gasto energético fue superior al de la mayoría de las membranas ante las que fue puesta a prueba.
Tras una hora de operación, los datos que ofrece la membrana en reducción de salinidad, son inferiores a la media
Un buen resultado con oportunidad para mejorar. Los resultados obtenidos tras el proceso de experimentación fueron concluyentes, son positivos pero existe un evidente margen de mejora. Un aspecto positivo es que las empresas que desarrollan modelos comercializados, pueden mejorar sus propias membranas gracias al conocimiento que ofrece esta investigación.
En el futuro, una membrana podría tener aplicaciones sobre iones de tierras raras. Como apunta Rempe, una aplicación que podría ser objeto de investigación es una membrana de electrodiálisis para iones de metales de tierras raras. Este tipo de iones es de gran valor económico y son empleados en distintos sectores industriales como la automoción.
En el futuro, una membrana de electrodiálisis podría tener aplicaciones en tierras raras
Una membrana puede ser la solución al suministro de metales de tierras raras. El disponer de una membrana orientada hacia los iones de tierras raras, puede ser una solución al problema que supone su disponibilidad. El acceso a estos metales es una cuestión estratégica y, además, cuidar del suministro reciclando, ayuda a nuestro medio ambiente.
Conclusión
La innovación abre la puerta a la sostenibilidad. La membrana de electrodiálisis elaborada por el equipo investigador de Sandia National Laboratories, es una muestra de la optimización al servicio de la tecnología. Además, con esta investigación podemos observar cómo un estudio, puede abrir la posibilidad a uno futuro que amplíe su campo de actuación. Como podemos ver, una investigación sobre sal, puede tener aplicaciones en tierras raras.
