Electrodiálisis (ED) y electrodiálisis reversible (EDR)

Concepto (necesidad y beneficios)

La electrodiálisis (ED) es un proceso de membranas en el que los iones son transportados a través de una membrana de intercambio iónico utilizando la energía eléctrica como fuerza impulsora.

Las membranas poseen una elevada densidad de grupos iónicos fijados en ella, los cuales permiten el transporte selectivo de iones a través de la membrana dependiendo de su carga. Se permite el paso de los contra-iones (de carga opuesta) mientras que se impide el paso de los co-iones (misma carga) debido a la repulsión de Donnan. Este proceso se lleva a cabo entre dos electrodos bajo la influencia de un campo eléctrico.

La energía eléctrica aplicada permite que la transferencia de los iones sea desde la solución menos concentrada hacia la solución más concentrada. Así, eliminando el soluto, se produce una purificación del disolvente; al revés de lo que ocurre en los procesos de ósmosis inversa o ultrafiltración, en el que se produce un transporte del solvente a través de la membrana almismo tiempo que se impide el paso del soluto.

La electrodiálisis inversa o reversible (EDR) funciona utilizando el mismo mecanismo que la electrodiálisis, excepto en el hecho de que en la EDR la polaridad de los electrodos se invierte periódicamente (aproximadamente de 3 a 4 veces por hora) y, por medio de válvulas automáticas se intercambian las salidas de la solución concentrada y de la solución diluida. De este modo, los iones se transfieren en direcciones opuestas, lo que dificulta la formación de incrustaciones y permite el lavado de la membrana.

Los beneficios de la electrodiálisis en relación a la ósmosis inversa son la menor cantidad de rechazo, la menor sensibilidad a los sólidos suspendidos, una mayor vida de las membranas, la no necesidad de un pretratamiento completo, la mayor facilidad de operación y un bajo consumo eléctrico.

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Los procesos de electrodiálisis (ED, EDR, SED, EDMB, EDM) cada vez tienen más aplicaciones.

Entre las más utilizadas están la obtención de agua ultra pura, la concentración de corrientes salinas y la desalinización de aguas salobres. En todas estas aplicaciones el consumo energético es muy inferior a otros procesos de membrana, como la ósmosis inversa.

Además, trabajan a presiones bajas, no requieren un gran pretratamiento del alimento y no se producen problemas de fouling ni de scaling en la membrana. Finalmente, la EDR, a diferencia de la ósmosis inversa, permite conseguir una descarga cero, objetivo tan apreciado en numerosos sectores industriales.

Por todo ello la electrodiálisis es una técnica alternativa a la ósmosis inversa y, en la mayoría de los casos, la más competitiva económicamente.

Procesos, sectores y aplicaciones

La electrodiálisis se utiliza ampliamente para la desalinización de agua salobre y para la producción de agua potable. Siendo ésta su principal aplicación, también se está utilizando a menor escala en la industria de la alimentación (desalación del suero lácteo, eliminación del ácido tánico del vino, recuperación del ácido cítrico del zumo de fruta), farmacéutica (producción de agua ultra purificada), biotecnológica (obtención de proteínas), de tratamiento de superficies, textil, de recuperación de minerales, de generación de energía, electrónica y en el tratamiento de aguas residuales (eliminación de metales pesados, eliminación de sales en reutilización de aguas y concentración de efluentes de rechazo de ósmosis inversa).

En el seno de esta tecnología, se han ido desarrollando diferentes procesos que, jugando con el tipo y la disposición de las membranas, permiten resultados ambiciosos y de aplicación más específica. Entre estos desarrollos, cabe destacar los siguientes:

  • Electrodiálisis selectiva o selectrodiálisis (SED)

    Aplicando los principios de la ED convencional, la SED se caracteriza por la utilización de un tipo de membranas, membranas monovalentes catiónicas (MVC) y membranas monovalentes aniónicas (MVA), que son selectivas a la carga de los iones, permitiendo separar los cationes monovalentes de los cationes polivalentes o los aniones monovalentes de los aniones polivalentes.

    Cabe señalar que esta técnica presenta una limitación en cuanto a los iones presentes en la solución a tratar; en el alimento no pueden haber cationes divalentes cuando se usa la SED para separar aniones en función de su carga y, al revés, el alimento no puede contener aniones divalentes cuando se usa la SED para separar los cationes monovalentes de los cationes polivalentes.

    Esta técnica permite una separación de los iones en función de su carga, lo que la hace indicada para aquellas aplicaciones en las que el fraccionamiento de los iones suscita un interés especial, como es el caso del pretratamiento de corrientes que contengan fosfatos para su posterior recuperación o la eliminación de sales de soluciones con una elevada salinidad.

  • Electrodiálisis bipolar (EDMB)

    En el proceso de la EDMB se utilizan membranas de intercambio iónico para separar y concentrar los ácidos y bases de una corriente de sal. El elemento diferenciador de este proceso es la membrana bipolar, la cual está formada por dos capas diferentes que son selectivas a los iones de cargas opuestas.

    La principal ventaja de esta técnica es que en los distintos compartimentos de la celda electrolítica se pueden conseguir directamente disoluciones de ácidos y bases con los iones procedentes de una sal de partida y los H+ y OH procedentes del agua.

    Bajo la influencia de un campo eléctrico, el agua se difunde en la interfase de la membrana y se divide en iones H+ y OH , los cuales son transportados a través de las capas aniónicas y catiónicas de la membrana a cámaras diferentes. El resultado es la concentración de estas especies en las respectivas cámaras.

    Las sales presentes en los efluentes industriales, como cloruro sódico, sulfato sódico, nitrato sódico, fluoruro potásico, acetato sódico, etc., pueden convertirse en sus respectivos ácidos y bases mediante EDMB.

    Este proceso tiene como aplicaciones más relevantes las siguientes:

    • Regeneración de licores usados en la manufactura de acero inoxidable (recuperación de HF, HN03 , KOH).
    • Desulfuración de humos y gases para producir sulfito sódico
    • Recuperación de ácidos y aminoácidos orgánicos
    • Recuperación del regenerante de intercambiadores iónicos
    • Purificación de ácidos y bases
  • Electrodiálisis metátesis (EDM)

    El concepto de electrodiálisis metátesis (EDM) ha sido desarrollado con el objetivo de conseguir la desalinización de las aguas salobres sin producir ninguna corriente residual, es decir, con descarga de líquido cero (ZLD).

    Para conseguir este propósito, en general, se utilizan membranas de intercambio catiónicas (CEM), membranas de intercambio aniónicas (AEM), membranas monovalentes catiónicas (MVC) y membranas monovalentes aniónicas (MVA), si bien en determinadas aplicaciones no se llega a necesitar la utilización de las membranas monovalentes para conseguir este objetivo.

    Disponiendo estas membranas convenientemente es posible obtener por separado, y concentrar, los aniones y cationes monovalentes y divalentes, todo al mismo tiempo. De este modo se obtiene una corriente que contiene cationes monovalentes con aniones y otra corriente que contiene aniones monovalentes con cationes.

    Así, las sales poco solubles, como es el caso del CaCO3 , MgSO4 o CaSO4 , no se forman en el interior del equipo.

    Posteriormente, si es oportuno, las dos corrientes de concentrado pueden ser mezcladas para recuperar sus componentes para su reutilización en la unidad de ZLD.

  • Electrodiálisis monovalente (mEDR)

    La electrodiálisis monovalente (mEDR) tiene como objetivo principal la eliminación selectiva de iones o sales y se utiliza especialmente con aguas residuales complejas. Se basa en los principios de la electrodiálisis convencional, pero una de las membranas (la aniónica o la catiónica) ha sido substituida por una membrana selectiva (aniónica o catiónica, según convenga).

    No existe limitaciones en cuanto al tipo de iones presentes en el alimento, pero sí que se requiere una solución adicional que contenga iones monovalentes (aniones o cationes, dependiendo de la aplicación concreta).