Destinados al vertedero, los residuos agrícolas contienen fuentes de carbono que pueden utilizarse para producir compuestos de alto valor, como el ácido p-cumárico, que se emplea en la fabricación de productos farmacéuticos. La electrodesionización, un método de separación que utiliza membranas d...
Destinados al vertedero, los residuos agrícolas contienen fuentes de carbono que pueden utilizarse para producir compuestos de alto valor, como el ácido p-cumárico, que se emplea en la fabricación de productos farmacéuticos. La electrodesionización, un método de separación que utiliza membranas de intercambio iónico, es una forma de capturar los ácidos y otros componentes útiles. Sin embargo, para capturar grandes cantidades a escala, es necesario mejorar el método.
Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha inventado un nuevo tipo de ensamblaje de obleas y membranas de intercambio iónico que mejora significativamente la capacidad de la electrodesionización para capturar ácido p-cumárico de mezclas líquidas, a la vez que consume menos energía y ahorra dinero. Los investigadores publicaron sus resultados en ACS Sustainable Chemical Engineering. Su artículo también fue seleccionado para la portada de la revista del 23 de enero.
La electrodesionización, un método de separación que utiliza membranas de intercambio iónico, es una forma de capturar los ácidos y otros componentes útiles
Comercializada por primera vez para purificar agua, la electrodesionización se ha utilizado en los últimos años para extraer componentes valiosos de efluentes de aguas residuales. En este proceso, una mezcla líquida se hace pasar por un conjunto de membranas de intercambio iónico y obleas de resina, que se asemejan a una esponja y se mantienen unidas con un adhesivo polimérico. Cuando se aplica electricidad, los iones del líquido se mueven a través de las membranas y el ácido p-cumárico se separa en una corriente de proceso concentrada, donde puede recogerse.
"Para mejorar el proceso, tuvimos que mejorar la oblea de resina", explica Chris Arges, profesor asociado de ingeniería química de la Universidad Estatal de Pensilvania. "Antes, las membranas intercalaban la esponja de oblea de resina con un adhesivo de polietileno, que actualmente se utiliza en la industria como “pegamento” de resina, pero esto provocaba un contacto deficiente entre la membrana y la oblea de resina. Sustituimos el polietileno por ionómero de imidazolio, un tipo de polímero, y pegamos una membrana de imidazolio sobre la oblea de resina".
Al pegar la membrana a la oblea, los investigadores redujeron la cantidad de membrana necesaria en un 30%, con lo que disminuyó el coste de la unidad de electrodesionización. El nuevo diseño también redujo la resistencia interfacial entre la membrana y la oblea, ya que la membrana y sustancias químicas aglutinantes se pegaron en lugar de colocarse encima y debajo de la esponja con espacios de aire. La reducción de la resistencia se tradujo en un aumento de la tasa de captura de ácido p-cumárico, lo que permitió a los investigadores utilizar una unidad más pequeña.
"Sabíamos que el nuevo material capturaba más ácido p-cumárico, pero no sabíamos por qué", explica Arges. "Nuestra colaboradora Revati Kumar hizo simulaciones para averiguar por qué funcionaba mejor".
Kumar, profesora asociada de química en la Universidad Estatal de Luisiana, descubrió que el imidazolio aumenta la solubilidad del ácido p-cumárico y estimula una difusión más rápida dentro del material.
Al pegar la membrana a la oblea, los investigadores redujeron la cantidad de membrana necesaria en un 30%, con lo que disminuyó el coste de la unidad de electrodesionización
"Multiplicados juntos, la solubilidad y la difusión equivalen a la permeabilidad, es decir, a la rapidez con la que eliminamos el ácido a medida que se desplaza por la red de obleas de resina y membrana hasta el compartimento del concentrado", explica Arges.
Arges comparó la permeabilidad con la velocidad a la que los viajeros pasan por la cola de seguridad de un aeropuerto. A medida que se añaden más controles de seguridad, más personas pueden pasar por la cola, lo que aumenta su permeabilidad.
El aumento de la permeabilidad, por tanto, reduce las posibilidades de que el ácido p-cumárico se adhiera a los materiales de la oblea de resina y membrana, lo que se conoce como ensuciamiento, en lugar de desplazarse a través de la membrana.
"El conjunto membrana-oblea de resina e imidazolio favorece el flujo del ácido p-cumárico a través de la membrana, lo que supone un problema cuando se utilizan otros materiales, como el polietileno", explica Arges.
En comparación con la configuración actual de obleas de resina, la nueva configuración y materiales de la membrana multiplican por siete la captura de ácido p-cumárico y consumen un 70% menos de energía, según los investigadores. Los nuevos conjuntos también reducen la cantidad de membrana utilizada en el proceso, lo que supone un importante ahorro de costes.
Los colaboradores de Arges en el Laboratorio Nacional de Argonne solicitaron una patente para la novedosa tecnología de ensamblaje de membrana y oblea.
