Todos estaban equivocados acerca de la ósmosis inversa, hasta ahora

Max G Levy

Menachem Elimelech nunca hizo las paces con la ósmosis inversa. Elimelech, quien fundó el programa de ingeniería ambiental de Yale, es una especie de estrella de rock entre quienes desarrollan sistemas de filtración que convierten el agua de mar o las aguas residuales en agua potable limpia. Y la ósmosis inversa es una estrella de rock entre las tecnologías de filtración: ha dominado la forma en que el mundo desaliniza el agua de mar durante aproximadamente un cuarto de siglo. Sin embargo, nadie sabía realmente cómo funcionaba. Y Elimelec odiaba eso.

Aun así, tenía que enseñar la tecnología a sus alumnos. Durante muchos años, les mostró cómo estimar las altas presiones que empujan las moléculas de agua en el agua de mar a través de una membrana de poliamida plástica, creando agua pura en un lado de la película y dejando una salmuera extra salada en el otro. Pero estos cálculos se basaron en una suposición que molestó a Elimelech y otros ingenieros: que las moléculas de agua se difunden individualmente a través de la membrana. "Esto siempre me molestó. No tiene ningún sentido", dice.

Esto puede parecer una pregunta de ingeniería arcana, pero el problema de Elimelech con la ósmosis inversa se basa en un problema del mundo real. Más de 3 mil millones de personas viven en áreas donde el agua escasea. Para el año 2030, la demanda superará la oferta en un 40 por ciento.

Y transformar el agua de los mares salados en algo potable siempre ha requerido mucha energía. Las plantas de desalinización térmica más antiguas en los Estados del Golfo, donde la energía es abundante, destilan agua de mar hirviéndola y capturando el vapor. Una nueva generación de plantas desalinizadoras de ósmosis inversa, que hacen pasar el agua a través de una serie de membranas de plástico, ha reducido un poco la demanda de energía, pero no es suficiente. Todavía se necesita mucha energía para empujar el agua a través de filtros densos, por lo que incluso las mejoras menores en el diseño de la membrana son de gran ayuda.

En un estudio publicado en abril, el equipo de Elimelech demostró que la suposición que alguna vez fue frustrante sobre cómo se mueve el agua a través de una membrana es, de hecho, incorrecta. Lo reemplazan con una teoría de "solución-fricción" según la cual las moléculas de agua viajan en grupos a través de pequeños poros transitorios dentro del polímero, que ejercen fricción sobre ellos a medida que pasan. La física de esa fricción es importante, porque comprenderla podría ayudar a las personas a diseñar materiales de membrana o estructuras que hagan que la desalinización sea más eficiente o mejor en la detección de sustancias químicas indeseables, dice Elimelech.

Membranas más efectivas también podrían mejorar los sistemas de agua municipales y expandir el alcance de la desalinización. "Este es uno de esos grandes avances", dice Steve Duranceau, ingeniero ambiental de la Universidad de Florida Central, quien pasó 15 años diseñando plantas de desalinización antes de convertirse en profesor. "Esto cambiará la forma en que las personas comienzan a modelar e interpretar cómo diseñar estos sistemas".

lauren goode

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julian chokkattu

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"Lo lograron", concuerda Eric Hoek, un ingeniero ambiental de la UCLA que se formó con Elimelech hace 20 años pero que no participó en el estudio. "Por fin, alguien ha puesto el clavo en el ataúd".

Las raíces de la nueva idea de solución-fricción son en realidad antiguas. Las matemáticas moleculares detrás de esto datan de las décadas de 1950 y 1960, cuando los investigadores israelíes Ora Kedem y Aharon Katzir-Kachalsky, y el investigador de UC Berkeley Kurt Samuel Spiegler, derivaron ecuaciones de desalinización que consideraban la fricción, es decir, cómo el agua, la sal y los poros en la membrana plástica Interactuar el uno con el otro.

La fricción es resistencia. En este caso, le dice qué tan difícil es que algo atraviese la membrana. Si diseña una membrana que tenga menos resistencia al agua y más resistencia a la sal o cualquier otra cosa que desee eliminar, obtendrá un producto más limpio con potencialmente menos trabajo.

Pero ese modelo se archivó en 1965, cuando otro grupo introdujo un modelo más simple. Este supuso que el polímero plástico de la membrana era denso y no tenía poros por los que pudiera correr el agua. Tampoco sostuvo que la fricción jugara un papel. En cambio, supuso que las moléculas de agua en una solución de agua salada se disolverían en el plástico y se difundirían por el otro lado. Por esa razón, esto se llama el modelo de "solución-difusión".

La difusión es el flujo de un químico desde donde está más concentrado hacia donde está menos concentrado. Piensa en una gota de tinte esparcida por un vaso de agua o en el olor a ajo que sale de una cocina. Sigue moviéndose hacia el equilibrio hasta que su concentración es la misma en todas partes y no depende de una diferencia de presión, como la succión que succiona el agua a través de una pajilla.

El modelo se mantuvo, pero Elimelec siempre sospechó que estaba equivocado. Para él, aceptar que el agua se difunde a través de la membrana implicaba algo extraño: que el agua se dispersara en moléculas individuales a medida que pasaba. "¿Cómo puede ser?" pregunta Elimelec. Romper grupos de moléculas de agua requiere una tonelada de energía. "Casi necesitas evaporar el agua para que entre en la membrana".

Aún así, dice Hoek, "hace 20 años era anatema sugerir que era incorrecto". Hoek ni siquiera se atrevió a usar la palabra "poros" cuando hablaba de membranas de ósmosis inversa, ya que el modelo dominante no las reconocía. "Durante muchos, muchos años", dice irónicamente, "los he estado llamando 'elementos de volumen libre interconectados'".

Durante los últimos 20 años, las imágenes tomadas con microscopios avanzados han reforzado las dudas de Hoek y Elimelech. Los investigadores descubrieron que, después de todo, los polímeros plásticos utilizados en las membranas de desalinización no son tan densos ni sin poros. En realidad, contienen túneles interconectados, aunque son absolutamente minúsculos, con un máximo de alrededor de 5 angstroms de diámetro, o medio nanómetro. Aún así, una molécula de agua tiene aproximadamente 1,5 angstroms de largo, por lo que es suficiente espacio para que pequeños grupos de moléculas de agua se escurran a través de estas cavidades, en lugar de tener que ir de una en una.

Hace unos dos años, Elimelech sintió que era el momento adecuado para acabar con el modelo de difusión de soluciones. Trabajó con un equipo: Li Wang, un postdoctorado en el laboratorio de Elimelech, examinó el flujo de fluidos a través de pequeñas membranas para tomar medidas reales. Jinlong He, de la Universidad de Wisconsin-Madison, jugueteó con un modelo de computadora que simula lo que sucede a escala molecular cuando la presión empuja el agua salada a través de una membrana.

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Las predicciones basadas en un modelo de difusión de solución dirían que la presión del agua debería ser la misma en ambos lados de la membrana. Pero en este experimento, el equipo encontró que la presión en la entrada y salida de la membrana difería. Esto sugirió que la presión impulsa el flujo de agua a través de la membrana, en lugar de la simple difusión.

También encontraron que el agua viaja en grupos a través de los poros interconectados, que, aunque diminutos, son lo suficientemente grandes como para que el agua no tenga que dispersarse en moléculas individuales para pasar. Esos poros parecían aparecer y desaparecer a través de la membrana con el tiempo, gracias a la presión aplicada y al movimiento molecular natural.

Según el material de la membrana, estos poros interactúan de manera diferente con el agua, la sal u otros compuestos. Elimelech cree que los ingenieros podrían diseñar membranas para rechazar mejor la sal (maximizando la interacción de los poros con ellos) o reducir la fricción con el agua (haciendo que los poros atraigan menos la sal, de modo que se deslice). Hacer que sea más fácil separar los dos significa que podría usar menos presión y reducir el costo de energía.

O, piensa, los ingenieros podrían adaptar las membranas para filtrar los contaminantes ambientales, como el boro y los cloruros. Aproximadamente el 20 por ciento del boro del agua de mar se desliza a través de las membranas en forma de ácido bórico. Esa cantidad es segura para las personas pero potencialmente tóxica para los cultivos que se riegan con aguas residuales. En Israel, las plantas de purificación de agua deben tomar medidas adicionales de desintoxicación solo para eliminar el boro y los cloruros del agua utilizada para la agricultura. Si puede filtrarlos en el pase inicial, dice Elimelech, "puede ahorrar en costos de capital y energía".

Hoek cree que la idea es plausible, pero todavía no está del todo allí. (Sus colegas exploraron recientemente el diseño de membranas para el rechazo de boro). Los ingenieros podrían jugar con el tamaño del canal, el pH local o las cargas eléctricas en los poros de la membrana, sugiere.

Y esto puede ir más allá del boro, el cloruro o incluso la desalinización. Las plantas de servicios públicos municipales utilizan ósmosis inversa para eliminar los "químicos permanentes" peligrosos de PFAS del agua potable. Las membranas actuales todavía se consideran el mejor enfoque, pero muchos investigadores están decididos a diseñar mejores para capturar los compuestos tóxicos.

Duranceau sueña con membranas que sean tan flexibles y personalizables como la ropa, que se pueden seleccionar según las necesidades del usuario. Después de todo, las membranas son plásticos, el modelo de personalización. Tal vez, piensan los ingenieros, este conocimiento conducirá a membranas hechas de materiales distintos a la poliamida que serían mejores para filtrar PFAS o plomo. O tal vez la membrana que uno elija dependerá de qué tan salada sea el agua, de salobre a salobre.

Eso puede llevar un tiempo: Elimelech incluso se pregunta si sería mejor usar un algoritmo para buscar un material de membrana que pueda vencer a la poliamida, la forma en que las empresas de biotecnología han recurrido al aprendizaje automático para detectar nuevos medicamentos. “Pero es muy desafiante”, señala, porque en los últimos 40 años nadie ha encontrado nada mejor. Sin embargo, al menos ahora, la ciencia del flujo de agua es clara.