Hoy en día la necesidad de abastecer de agua potable a comunidades y regiones sigue creciendo. A pesar de que se ha avanzado mucho en infraestructuras y en sistemas de potabilización más eficientes, factores como el crecimiento de la población, la industrialización, el cambio climático o la desertificación y sequía cada vez más agudizadas juegan en contra del Objetivo 6 de los ODS: Garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el saneamiento para todos.
Ante este escenario, es crítico desarrollar tecnologías que sean eficientes y sostenibles, tanto a nivel de producción como de coste, para que el acceso al agua potable no incida negativamente en otros aspectos medioambientales.
En este artículo queremos analizar una de estas tecnologías, la cual incorporan nuestras plantas cloro-alkali y que supone una innovación significativa en el campo de la electroquímica: la electrólisis de membrana de intercambio iónico. Este proceso ofrece ventajas significativas sobre métodos anteriores como el proceso de célula de diafragma.
¿Qué es la electrólisis de membrana de intercambio iónico?
Se trata de un método para descomponer compuestos químicos en sus elementos constituyentes utilizando una membrana de intercambio iónico. Esta membrana permite el paso selectivo de iones específicos mientras evita la mezcla de diferentes productos de reacción.
En este proceso, una solución de salmuera (agua salada) reacciona con el agua formando Cloro molecular, hidróxido sódico (sosa cáustica) e hidrógeno. La salmuera se introduce en una celda electroquímica que contiene dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por una membrana de intercambio iónico. La corriente eléctrica pasa a través de la solución, facilitando reacciones que producen los elementos deseados. El cloro molecular se hace reaccionar a su vez con el hidróxido sódico (sosa cáustica) anteriormente conseguido, produciendo a través de una nueva reacción exotérmica con proceso totalmente diferenciado el requerido hipoclorito de sodio.
La principal aplicación del hipoclorito de sodio es precisamente la potabilización del agua para consumo humano, aunque también se utiliza en otros sectores, por ejemplo, como blanqueador en el textil, o en otros para limpieza y desinfección por su poder fungicida y bactericida.
Historia y evolución de la electrólisis para la obtención de Hipoclorito de Sodio
El origen conceptual de este método tenemos que buscarlo en el s. XIX, en el proceso de celda de mercurio, también conocido como proceso Castner-Kellner. Este fue uno de los primeros métodos utilizados para la electrólisis de salmuera. Este proceso implicó un cátodo de mercurio donde los iones de sodio se combinarían con el mercurio para formar una amalgama. Esta amalgama luego reaccionaría con agua para producir hidróxido de sodio e hidrógeno gaseoso, mientras que el cloro gaseoso se liberaría en el ánodo. Sin embargo, este proceso comportaba preocupaciones ambientales y de salud debido al uso, eliminación y manipulación del mercurio.
A mediados del siglo XX el proceso de celda de diafragma se desarrolló como una alternativa al proceso de celda de mercurio. En las celdas de diafragma, un diafragma permeable separaba los compartimentos anódico y catódico. Los iones de sodio pasarían a través del diafragma hasta el cátodo, donde se combinarían con agua para formar hidróxido de sodio y gas hidrógeno. Se produjo cloro gaseoso en el ánodo. Este proceso supuso una mejora con respecto al método de la celda de mercurio en términos de impacto ambiental, ya que no implicaba el uso de mercurio, pero tenía varias desventajas, incluyendo la baja pureza del hidróxido de sodio y la necesidad de manejar grandes volúmenes de cloro y gas hidrógeno peligrosos.
El proceso de celda de membrana, también conocido como electrólisis de membrana de intercambio iónico, surgió como un avance sobre el proceso de celda de diafragma. A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, la electrólisis de membrana comenzó a ganar aceptación gracias a sus ventajas operativas y medioambientales. Las membranas de intercambio iónico, desarrolladas originalmente para aplicaciones de energía nuclear y desalinización, demostraron ser extremadamente eficaces para la separación iónica en procesos de electrólisis.
En lugar de utilizar una barrera física como un diafragma, se utiliza una membrana de intercambio iónico selectivo para separar los compartimentos del ánodo y del cátodo. Esto permite el paso selectivo de iones y al mismo tiempo evita la mezcla de los productos químicos producidos en cada electrodo. El proceso de celda de membrana es más eficiente y respetuoso con el medio ambiente que los métodos anteriores, ya que reduce el consumo de energía y elimina la necesidad de un diafragma físico.
Beneficios del proceso de célula de membrana
- Mayor pureza del producto: La membrana de intercambio iónico evita la mezcla de productos de reacción, permitiendo la obtención de hidróxido de sodio y cloro de alta pureza.
- Eficiencia energética: Este proceso requiere menos energía en comparación con el proceso de célula de diafragma, lo que reduce los costos operativos.
- Menor impacto ambiental: La tecnología de membrana reduce las emisiones y desechos peligrosos, mejorando la seguridad ambiental.
- Operativa más segura: La separación efectiva de productos minimiza los riesgos asociados con el manejo de gases peligrosos como el cloro y el hidrógeno.
- Menor mantenimiento: Las membranas de intercambio iónico tienen una vida útil más larga y requieren menos mantenimiento que los diafragmas porosos utilizados en métodos anteriores.
Aplicaciones de la electrólisis de membrana
Como hemos comentado, la aplicación más relevante de la electrólisis de membrana de intercambio iónico es la producción indirecta de hipoclorito de sodio para la potabilización del agua para consumo humano y usos industriales, aunque no es la única. También se puede aplicar a:
- Producción de sosa cáustica: Además del hipoclorito de sodio, la sosa cáustica es un subproducto de nuestras plantas de electrólisis, y ambos son químicos esenciales en diversas industrias, incluyendo la fabricación de papel, textiles, detergentes y productos farmacéuticos.
- Producción de hidrógeno: Otro subproducto de nuestras plantas, el hidrógeno producido puede utilizarse como combustible limpio en celdas de combustible y otros procesos industriales.
- Producción de ácido clorhídrico (HCl o Cloruro de Hidrógeno): También puede conseguirse indirectamente como proceso posterior a la electrólisis, tiene aplicaciones
La industria alimentaria también se beneficia enormemente de la electrólisis y sus subproductos asociados para la fabricación de blanqueadores y edulcorantes.
El proceso de electrólisis de membrana de intercambio iónico ha revolucionado la industria electroquímica al ofrecer una alternativa más eficiente, segura y limpia al proceso de célula de diafragma. Con sus numerosos beneficios y amplias aplicaciones, esta tecnología sigue siendo una piedra angular en la producción de productos químicos esenciales y especialmente en el tratamiento del agua.
