Las salmueras se han tratado casi siempre como residuo. En desalación, desmineralización y muchos procesos industriales, el objetivo habitual es retirar sales y gestionar el rechazo. Sin embargo, esas corrientes concentradas contienen litio, magnesio, sodio y otros elementos con valor industrial. El reto técnico es separarlos de forma selectiva, sin disparar el consumo de energía ni de reactivos. Para lograrlo, hacen falta membranas capaces de distinguir iones muy parecidos en matrices de alta salinidad.
Science Advances publica un avance en esta línea. Investigadores de China, Japón y Corea del Sur han publicado en Science Advances una membrana con canales hidratados a escala de ångström. El equipo lo lidera la East China University of Science and Technology, junto con Nanjing Tech University y las universidades de Kobe y Hanyang. La membrana deja pasar iones monovalentes, como litio, sodio o cloruro, y bloquea casi por completo los multivalentes. En electrodiálisis de tres etapas, redujo la relación magnesio/litio de una salmuera de aproximadamente 40 a 0,08.
Por qué separar iones en salmueras es tan difícil
Separar iones exige algo más que retener sales. La ósmosis inversa elimina casi todas las especies disueltas, pero no distingue bien entre ellas. Las resinas de intercambio iónico y la electrodesionización, habituales en la desmineralización de agua industrial, persiguen agua de alta pureza. En recuperación de recursos, el objetivo cambia: hay que dejar pasar unos iones y retener otros. Por ejemplo, para extraer litio de salmueras ricas en magnesio, el magnesio debe quedarse atrás.
Las membranas de intercambio iónico arrastran un compromiso conocido. Las membranas convencionales, como Nafion, forman dominios hidrófilos que se hinchan varios nanómetros al hidratarse. Esos canales anchos favorecen la conductividad, pero reducen la capacidad de discriminar entre iones monovalentes y multivalentes. La nanofiltración, muy estudiada para recuperar litio de salmueras, también encuentra límites en condiciones de alta salinidad. Según los autores, le cuesta reducir mucho la relación Mg/Li y, a la vez, enriquecer el litio de forma notable.
Conductividad alta y selectividad alta rara vez van juntas
Cómo funcionan los canales hidratados a escala de ångström
La membrana combina microporosidad y una red rígida. Se basa en polímeros orgánicos porosos derivados de la base de Tröger, una estructura molecular contorsionada y poco empaquetada. Los investigadores entrecruzaron covalentemente dos monómeros para crear una red tridimensional con poros de unos 6-7 Å de diámetro. Después cuaternizaron parte de los grupos amina, lo que introdujo cargas positivas fijas en el material. El hinchamiento por hidratación fue solo del 1,52 %, un dato clave para mantener estable el tamaño de poro.
Tres mecanismos explican la selectividad observada. Los iones monovalentes, como Li⁺ o Cl⁻, pierden parte de su capa de hidratación con relativa facilidad al entrar en el poro. Los multivalentes, como Mg²⁺ o SO₄²⁻, retienen más agua y encuentran barreras energéticas dos o tres veces mayores. A esto se suman la exclusión de Donnan frente a cationes y la retención electrostática de aniones multivalentes en los grupos amonio. Como resultado, la membrana bloquea casi por completo Mg²⁺, Al³⁺, SO₄²⁻ y PO₄³⁻.
Los iones multivalentes afrontan barreras dos o tres veces mayores
Resultados: del litio en salmuera a la sal de agua de mar
La selectividad se midió en mezclas de varios iones. En electrodiálisis con mezclas multiiónicas, la membrana alcanzó selectividades de 43 para K⁺/Mg²⁺ y de 151 para Cl⁻/SO₄²⁻. Con iones trivalentes, las cifras llegaron a 304 para K⁺/Al³⁺ y a 833 para Cl⁻/PO₄³⁻. Los ensayos se realizaron en celdas de laboratorio, con 7 cm² de membrana efectiva y una densidad de corriente de 5 mA/cm². Los autores reconocen que la selectividad Li⁺/Mg²⁺ es moderada frente a membranas diseñadas específicamente para el litio.
El enriquecimiento de litio se consigue por etapas. Los autores trabajaron con una salmuera concentrada rica en magnesio, con una relación Mg²⁺/Li⁺ de 40,07. Tras tres etapas de electrodiálisis, esa relación bajó a 7,84, después a 0,98 y finalmente a 0,08. En conjunto, supone un enriquecimiento de litio de unas 500 veces, sin precipitación química previa de magnesio y calcio. Después, la corriente enriquecida se concentró y se precipitó como carbonato de litio cristalino con una pureza del 99,5 %.
La relación magnesio/litio pasó de 40 a 0,08
La membrana también enriqueció cloruro sódico desde agua de mar. Con agua de mar simulada, la fracción másica de Na⁺ y Cl⁻ pasó del 87,2 % al 99,4 % en ocho horas. Al mismo tiempo, la fracción de Mg²⁺, Ca²⁺ y SO₄²⁻ bajó del 12,9 % al 0,6 %. Este resultado apunta a la obtención de sal de alta pureza a partir de corrientes salinas complejas. Es un ensayo de laboratorio, pero ilustra bien el paso de desalar a separar y valorizar.
Estabilidad, limitaciones y posibles aplicaciones
La durabilidad es uno de sus puntos fuertes. La membrana operó más de 400 horas en electrodiálisis continua a corriente constante. Durante ese periodo, el flujo de litio y la selectividad Mg/Li se mantuvieron prácticamente sin cambios. La fuga de magnesio quedó por debajo de 1,8 g/L y la resistencia de la membrana varió menos de un 3 %. Los análisis posteriores no mostraron delaminación, poros ni degradación química del material.
Todavía es una tecnología de laboratorio. Las pruebas se hicieron con pocos centímetros cuadrados de membrana y con soluciones preparadas en laboratorio. Faltan datos sobre coste de fabricación, escalado a módulos industriales y ensuciamiento con salmueras reales. El artículo tampoco aporta el consumo energético por kilogramo de litio recuperado . La recuperación global de litio fue del 76,8 %, con eficiencias de corriente del 68-78 % para los iones monovalentes.
Falta validar coste, escalado y ensuciamiento con salmueras reales
Las aplicaciones potenciales van más allá del litio. El concepto encaja con rechazos de desalación, concentrados de ósmosis inversa y efluentes industriales muy salinos. Separar monovalentes de multivalentes podría facilitar esquemas de vertido cero o la recuperación selectiva de sales. Otras líneas, como el bombeo electroquímico de iones, persiguen también desalar y recuperar metales a la vez. La clave será integrar estas membranas en trenes completos de pretratamiento, separación, concentración y cristalización.
Conclusión
El rechazo salino empieza a verse como un recurso. Este estudio no ofrece todavía una solución lista para instalar en una planta industrial. Su aportación es demostrar que el diseño de canales a escala de ångström permite discriminar iones por valencia de forma estable. Combinado con técnicas de concentración, como la destilación osmótica con membranas, abre la vía a esquemas de desalar, separar, concentrar y recuperar. Habrá que esperar ensayos piloto con salmueras reales para compararlo con la nanofiltración y la electrodiálisis convencional.
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