Intercambio catiónico

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

 

Se define como intercambio iónico a los procesos reversibles por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa liberando al mismo tiempo otros iones en cantidades equivalentes, estableciéndose un equilibrio entre ambas fases.

 

Es un proceso dinámico que se desarrolla en la superficie de las partículas. Como los iones adsorbidos quedan en posición asimilable constituyen la reserva de nutrientes para las plantas.

Las causas que originan el intercambio iónico son los desequilibrios eléctricos de las partículas del suelo. Para neutralizar las cargas se adsorben iones, que se “pegan” a la superficie de las partículas. Quedan débilmente retenidos sobre las partículas del suelo y se pueden intercambiar con la solución del suelo.

Cuanto más superficie tenga el material y más desequilibrada se encuentre, más iones se fijaran.

  Según se intercambien cationes o aniones se habla de capacidad de intercambio catiónico (es el más importante) o aniónico, respectivamente.

La capacidad de intercambio catiónico (CIC) se expresa en miliequivalentes por 100 g de suelo, y es una medida de la cantidad de cationes fácilmente intercambiables que neutralizan la carga negativa existente en el suelo.

 

La carga negativa de los constituyentes minerales del suelo deriva principalmente, de:

 

-sustitución isomórfica dentro de la estructura laminar de los filosilicatos,

- disociación de grupos funcionales ácidos en las aristas y superficies externas de arcillas y en compuestos orgánicos,

 

La carga negativa originada por la sustitución isomórfica es permanente e independiente del pH, nivel de electrolitos o composición de la solución externa. La carga negativa derivada de la disociación de grupos funcionales varía en magnitud de acuerdo al pH, no es por lo tanto una carga permanente sino variable.

A pH bajos los hidrogeniones están fuertemente retenidos en las superficies de las partículas, pero a pH altos los H+ de los grupos carboxílicos primero y fenólicos después, se disocian y pueden ser intercambiados por cationes.

Esto es la consecuencia de que la capacidad de cambio de cationes aumente con el pH.

 

Además actúan como fuente de cargas variables los óxidos e hidróxidos de aluminio e hierro en suelos ácidos.

 

Las cargas permanentes en los minerales micáceos como biotita, vermiculita o muscovita pueden ser neutralizadas por adsorción específica y selectiva de potasio o amonio. Estos cationes intralaminares son fijados en forma difícilmente intercambiable, pero pueden ser desorbidos en los procesos de meteorización o con algunos tratamientos químicos.

La naturaleza de los cationes de cambio pueden modificar el valor de la capacidad de cambio, aumentándola o disminuyéndola, en función de su carga y de su tamaño. Así, los cationes divalentes y trivalentes, al adsorberse pueden aumentar la capacidad de cationes de cambio, mientras que los cationes de gran tamaño (radicales orgánicos) pueden disminuir la CIC al bloquear, por su tamaño, posiciones de cambio.

La CIC de un suelo por lo tanto depende de las condiciones bajo las cuales se la evalúa. Las condiciones ideales para su cuantificación se darían cuando se trabaja con una solución acuosa que tenga la misma fuerza irónica y composición, el mismo pH y constante dieléctrica que la solución del suelo en condiciones naturales. Como estas condiciones son muy variables en el tiempo y espacio, y difíciles de reproducir en laboratorio, generalmente se trabaja con soluciones estandarizadas con respecto a estos parámetros, para que los datos obtenidos sean aplicables y interpretados universalmente.

 

Resumiendo, los factores que hacen que un suelo tengan una determinada capacidad de cambio de cationes son varios, entre ellos:

Tamaño de las partículas. Cuanto más pequeña sea la partícula, mas grande será la capacidad de cambio.

Naturaleza de las partículas. La composición y estructura de las partículas influirá en las posibilidades de cambio de sus cationes.

 

Naturaleza de la partícula

 CIC, meq/100g

 cuarzo y feldespatos  1-2 oxidos e hidróx. Fe y Al

 4

 caolinita  3-15 ilita y clorita  10-40 montmorillonita  80-150 vermiculita  100-160 materia orgánica  300-500

 

Tipo de cationes cambiables (monovalentes, divalentes, de gran tamaño, etc)

pH

La capacidad de intercambio catiónico varía entre 3 meq/100g para arcillas del tipo de la kaolinita hasta 120 meq/100g para montmorillonita, y 200 meq/100g para vermiculita. La materia orgánica contribuye con 200-400 meq/100g. En términos generales se puede considerar que existen 0,5 meq de capacidad de intercambio por cada porciento de arcilla y 2,0 meq por cada porciento de materia orgánica del suelo.

Los cationes que frecuentemente ocupan las posiciones de cambio en los suelos son: Ca++, Mg++, K+, Na+, H+, Al+++, Fe+++, Fe++, NH4+, Mn++, Cu++ y Zn++.

En los suelo ácidos predominan H+ y Al+++, en los suelos alcalinos predominan las bases, fundamentalmente el Na+ y en los neutros el Ca++.

Para esquematizar la distribución de estos cationes adsorbidos a las partículas sólidas del suelo se utiliza el modelo de la doble capa difusa (DCD). En este esquema tenemos una capa eléctrica negativa rígida en la fase sólida y una capa difusa de cationes adsorbidos y en equilibrio dinámico con los cationes de la solución del suelo.

La capa difusa de cationes se produce por la tendencia de los cationes a difundirse una cierta distancia desde la superficie del sólido hasta que se alcanza un equilibrio entre las

fuerzas de atracción eléctrica de Coulomb y la difusión debida a la energía térmica de los iones. Como consecuencia existe un gradiente de concentración de iones desde la superficie del sólido hacia la solución de mayor a menor, respectivamente. Lógicamente, la configuración de la DCD se verá afectada por la Hº del suelo.

Todos los cationes adsorbidos excepto los protones y aluminio, que constituyen la llamada acidez de reserva, se consideran bases. El porcentaje de saturación de bases expresa la proporción de bases que hay respecto del total de la capacidad de intercambio de cationes (CIC). Así,

porcentaje de saturación de bases : V = S/Tx100

siendo, T = capacidad de intercambio catiónico. (T = S + acidez de reserva)

S = Ca++ + Mg++ + Na+ + K+.

Cuando V > 50% el suelo está saturado.

Si V < 50% el suelo se encuentra desaturado. Las posiciones de cambio están ocupadas principalmente por H+ y Al+++; se trata de un medio pobre en nutrientes.

Es importante saber entonces, la proporción de bases que contiene un suelo porque indica el potencial de acidez del suelo. Cuánto mayor es el porcentaje de saturación de bases menor acidez de reserva hay en el complejo de intercambio.

 

Por otra parte, es importante saber cuáles son los cationes dominantes en las superficies de los coloides por su efecto sobre la estructura del suelo.

El calcio tiene un efecto floculante, mientras que el sodio dispersa el suelo. Esta diferencia en su efecto sobre la orientación y cohesión de los coloides entre el calcio y el sodio se debe a la efectividad con la cual neutralizan las cargas negativas de los coloides. Cuánto más pequeño es el radio hidratado, y cuánto mayor la valencia de un catión, mayor es su poder de flocular el suelo. Por lo tanto el calcio es más efectivo que el sodio porque es bivalente y tiene un menor radio hidratado (0,56 Calcio, 0,76 Sodio).

 

El poder relativo de reemplazo entre los cationes también depende de su radio hidratado y sigue el siguiente orden: Li+ < Na+ < K+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+.

 

Esta regla no se cumple en todos los tipos de arcillas ya que en micas el potasio se adsorbe más fuertemente de lo que se podría esperar dada su valencia y su radio hidratado.

 

De los cationes intercambiables solamente potasio, calcio y magnesio se consideran macronutrientes. El nivel crítico de potasio es de aproximadamente 80 ppm de K+ intercambiable. Por debajo de este nivel los cultivos demuestran signos de deficiencia, tales como clorosis en las hojas más viejas y necrosis de estas en casos severos. La deficiencia de potasio afecta negativamente la resistencia a la sequía.

 

Los suelos de la zona semiárida generalmente contienen suficiente cantidad de este nutriente, deficiencias son más comunes en zonas más húmedas del país, donde la lixiviación y el consumo por los cultivos son procesos más importantes.

 

El valor de CIC total varía según la textura y el contenido de materia orgánica del suelo, entre < de 10 meq/100g en suelos arenosos hasta > de 40 meq/100g en suelos arcillosos con mucha materia orgánica.

 

 

FUNDAMENTOS DE LOS METODOS DE MEDICION DE CIC:

 

La capacidad de adsorción de iones se puede determinar mediante la saturación de la muestra con un ión que ésta prácticamente no contiene y luego determinar la suma de todos los iones reemplazados.

 

Otro método consiste en medir la disminución de concentración en la solución saturante que causó la adsorción.

 

Como tercer alternativa, se puede reemplazar el ión con el que se saturó la muestra por otro, y determinar la cantidad del ión reemplazado.

Para el segundo método se usa normalmente una sola agitación de la muestra en la solución saturante, mientras para el tercer método se hace percolar la solución saturante por la muestra hasta la completa adsorción del ión. En el caso de una sola agitación de la muestra con la solución saturante el intercambio es incompleto, y generalmente se determina solo un 70-90% de la capacidad de intercambio. La efectividad de reemplazo depende de propiedades del ión reemplazante, especialmente de su energía de intercambio. También influye el pH y la concentración de la solución saturante (especialmente en el segundo método).

Por otra parte, el acondicionamiento de la muestra, el tiempo de contacto entre solución saturante y el suelo, entre otros, influyen en el resultado.

El método utilizado para la determinación de cationes intercambiables y la capacidad total de intercambio que tenga el suelo consiste en cuatro pasos:

 

- Primero se emplea una solución concentrada de amonio para reemplazar y liberar los cationes propios del suelo, los cuales, de esta manera se pueden cuantificar individualmente en la solución sobrenadante. Nos han quedado entonces los NH4 adsorbidos al suelo, saturando todas las cargas negativas de éste.

 

- Luego se satura el suelo con sodio, empleando una solución de alta concentración de este catión, para reemplazar todos los NH4 adsorbidos (procedimiento efectuado en el paso anterior), por Na.

 

- Se elimina el sodio no adsorbido (y que han quedado en la solución sobrenadante) por lavados con etanol.

 

- Finalmente se extrae el sodio adsorbido por saturación del complejo con amonio. Los cationes amonio reemplazan a los de Na, quedando éstos en solución. La valoración del sodio en la solución extraída representa el total de cargas disponibles para el intercambio catiónico (CIC total o valor T).

 

El procedimiento es simple y confiable, aunque, especialmente en zonas áridas, puede llevar a sobrestimar Ca y Mg intercambiable por la disolución y extracción de carbonatos de Ca y Mg, o yeso.

 

 

DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

 

 

Materiales:

 

1.Solución de Acetato de Sodio 1 N: Se disuelven 136 g de acetato de sodio trihidratado y se enrasa a 1 litro en matraz aforado. El pH debe ser aproximadamente de 8,2.

 

2.Etanol al 95 por ciento.

 

3.Solución de acetato de amonio 1 N: A 700 ml de agua se agregan 57 ml de ácido acético concentrado y luego 68 ml de hidróxido de amonio concentrado. Se diluye a 1 litro y se ajusta el pH a 7 agregando mas ácido o hidróxido.

 

Procedimiento:

 

Se pesan 5 gramos de suelo a un tubo de centrífuga y se corrige el peso por el factor de corrección de humedad.

 

1.Reemplazo de cationes intercambiables por amonio:

Se agregan 33 ml de acetato de amonio agitando durante 5 minutos.

Se centrifuga 5 minutos a 1000 r.p.m. para que el líquido quede claro. Se decanta lo más completo que sea posible a un matraz aforado de 250 ml. Este procedimiento se repite dos veces más, y se completa el volumen del matraz con acetato de amonio. Esta solución contiene los cationes intercambiables del suelo, reemplazados por el amonio. Las concentraciones de los distintos cationes se determinan por los métodos descriptos abajo.

 

2.Saturación con sodio:

Se agregan 33 ml de acetato de sodio, se agita durante 5 minutos, se centrifuga 5 min. a 1000 rpm y se descarta el sobrenadante. Esta operación se repite en total tres veces para asegurar una completa saturación sódica.

 

3.Lavado del exceso de sodio no intercambiable:

Se agregan 33 ml de etanol al tubo, se tapa y agita por cinco minutos luego se centrifuga hasta que el líquido quede claro, se decanta y deshecha el líquido. Repetir este lavado dos veces más con 33 ml de etanol.

 

4.Reemplazo de sodio por amonio:

Se agregan 33 ml de acetato de amonio al tubo, se tapa y se agita por 5 minutos y se centrifuga hasta que el líquido quede claro, se decanta y se guarda el sobrenadante en un matraz aforado de 250 ml. La operación se repite dos veces más.

 

Si al completar los tres centrifugados el matraz no se ha completado, se completa a volumen con la solución de acetato de amonio, y se procede a determinar sodio por fotometría de llama.

 

 

Determinación de CALCIO + MAGNESIO:

 

Se toman 10 ml del extracto obtenido en el paso 1, se colocan en un erlenmeyer de 250 ml, se adicionan 10 ml de solución buffer (Cloruro de amonio-hidróxido de amonio) con lo que se logra un pH aproximado a 10.

Se añade indicador y se titula con solución de EDTA 0,01 N hasta el viraje del color.

De esta manera tiene:

meq Ca + Mg = ml gastado EDTA x N EDTA

10 ml extracto................meq Ca + Mg

250 ml extracto................meq Ca + Mg * 25

Los meq de Ca + Mg calculados para 250 ml de extracto corresponden a su vez a 5 g de suelo.

5 g de suelo................meq Ca + Mg *25

100 g de suelo.................meq Ca + Mg *25*100/5

El factor resultante es igual a 5.

 

Determinación de CALCIO:

Se toman 10 ml de extracto, se agregan 20 ml de agua en un erlenmeyer de 250 ml, se agregan 10 ml de hidróxido de sodio al 10 % y indicador, y se titula con solución de EDTA 0,01 N. El punto final está dado por coloración rosada o rosado pálido.

 

Cálculo: ídem Ca + Mg

 

 

Determinación de MAGNESIO:

 

Se realiza por diferencia de las determinaciones anteriores, es decir que:

meq Mg/100 g = (meq Ca+Mg/100g) - (meq Ca/100g)

 

 

Determinación de SODIO:

 

Se realiza por fotometría de llama, se procede de la siguiente manera:

- Dar paso al gas, encender el fotómetro.

- Poner en marcha el compresor, ajustar la presión a la indicada por el aparato y esperar que se estabilice, observar la llama que debe presentar un mínimo de conos fríos.

- Poner la perilla en el punto correspondiente a sodio.

- Nebulizar con agua bi-destilada llevando el botón de sensibilidad al máximo.

- Ajustar la aguja a cero con el macro y el micro.

- Nebulizar con la solución patrón de cloruro de sodio de 0.4 meq/l y llevar la aguja con la perilla de sensibilidad a 50 de la escala.

- Nebulizar con una alícuota del extracto.

 

Según la respuesta del aparato se diluye la muestra hasta obtener una lectura entre 40 y 60 de la escala, dado que en este rango posee mayor sensibilidad y por ende mayor precisión.

 

 

CALCULO:

 

50 (L.P.) = 0.4 meq/l

[Na] meq/l = (0.4 meq/l / 50 ) * L.M.

L.P.= lectura patrón

L.M.= lectura muestra

 

 

[Na] meq/100 g =[Na] meq/l * 250 ml * 100 / 1000 ml/l * 5 g

 

 

 

 

Determinación de POTASIO:

 

Se realiza al igual que sodio, o sea por fotometría de llama. En este caso se debe nebulizar con solución patrón de cloruro de potasio de 0.6 meq/l.

Los cálculos se obtienen de la misma forma que para sodio.

 

Nota: Para la determinación de potasio se debe cambiar el filtro del aparato, introduciendo el correspondiente a ese catión.

 

PREPARACION DE LAS SOLUCIONES UTILIZADAS:

 

Buffer de cloruro de amonio-hidróxido de amonio: Se disuelven 67,5 g de cloruro de amonio, 570 ml de hidróxido de amonio concentrado y se diluye a 1 litro.

 

EDTA 0,01 N: 2 g de EDTA y 0,05 g de cloruro de magnesio se llevan a 1 litro. Se valora la solución con 20 ml de solución standard de cloruro de calcio 0,01 N. Se disuelven 0,5 g de carbonato de calcio en 10 ml de ácido clorhídrico 3 N, se lleva a 1 litro.

Luego: V . N = V' . N'

 

Indicador negro de eriocromo T: 0,5 g de eriocromo T y 4,5 g de hidrocloruro de hidroxilamina en 100 ml de alcohol metílico al 95%.

 

Capacidad de Intercambio Cationico (CIC)La capacidad de intercambio catiónico es una medida importante de la fertilidad a la productividad potencial de los suelos.

Gracias a su estructura química, las partículas de arcilla y la materia orgánica del suelo tienen carga negativa neta. Esto significa que los cationes (iones con carga eléctrica positiva) son atraídos y retenidos sobre la superficie de estos materiales del suelo. Los cationes de la solución del suelo están en equilibrio dinámico con los cationes absorbidos sobre la superficie de la arcilla y la materia orgánica.

La CIC es una medida de la cantidad de cationes que pueden ser absorbidos o retenidos por un suelo.

Los suelos contienen cantidades variables y clases diferentes de arcilla y materia orgánica, de modo que la CIC total varía ampliamente. La materia orgánica tiene una CIC alta, por lo que los suelos con un alto contenido de materia orgánica presentan por lo general una CIC mayor que la de los suelos con un bajo contenido de materia orgánica.

Los cationes que revisten mayor importancia en lo que se refiera alas plantas son el calcio (Ca++), magnesio (Mg++), potasio (K+), amonio (NH4

+), sodio (Na+) e hidrógeno (H+).

Los primeros cuatro cationes son nutrientes de las plantas y son importantes para el crecimiento vegetal. Los dos últimos tienen un efecto marcado sobre las características físicas y químicas del suelo.

La cantidad relativa de ada uno de los cationes que son absorbidos en la superficie de las partículas de arcilla está estrechamente relacionada con propiedades importantes del suelo. Los suelos altamente ácidos exhiben un alto porcentaje de iones hidrógeno adsorbidos, mientras que los suelos que poseen un pH favorable de 6 a 8 tienen un alto porcentaje de iones calcio en esa condición. Los suelos con alto contenido de iones sodio presentan un estado de dispersión y resisten la infiltración del agua, en tanto que los que poseen un alto porcentaje de iones calcio están bien agregados y exhiben altos caudales de infiltración.

Los suelos minerales con una CIC alta tienden a ser más fértiles que los que poseen una CIC baja. La probabilidad de que los nutrientes se pierdan por lixiviación es baja, por lo que el suelo posee una mayor capacidad para almacenarlos y suministrarlos a los cultivos. La CIC varía ampliamente (Tabla). La gama de valores dentro de cierta clase de textura se debe en parte a diferencias en el contenido de materia orgánica.

La Capacidad de Intercambio Catiónico 

CIC, la Capacidad de Intercambio Catiónico, se refiere a la cantidad total de cargas negativas que están disponibles sobre la superficie de las partículas en el suelo.

 

Es un indicador del potencial del suelo para retener e intercambiar nutrientes vegetales, mediante la estimación de su capacidad para retener cationes (cationes = sustancias que tienen carga positiva).  

 

Por lo tanto, la CIC del suelo afecta directamente a la cantidad y frecuencia de aplicación de fertilizantes.

  

Las partículas de arcilla del suelo y la materia orgánica tienen una carga negativa sobre su superficie. Los cationes se atraen a estas partículas por fuerzas electrostáticas. La carga neta del suelo, es por tanto, cero. 

 

 

Los suelos con alta CIC suelen tener alto contenido de arcilla y/o materia orgánica. Estos suelos son considerados más fértiles, ya que pueden retener más nutrientes.

 

 

 Capacidades típicas de intercambio catiónico según componentes y tipos de suelo.

 

Material CEC (meq/100g)

Arcillas

Caolinita

Illita

Montmorillonita

3-15

15-40

80-100

Materia orgánica 200-400

Textura del suelo

Arena

Arenoso franco a franco arenoso

Franco

Franco Arcilloso

Arcilloso

1-5

5-10

5-15

15-30

>30

 

Equilibrio con la solución del suelo 

Los cationes predominantes en los suelos agrícolas son los siguientes: K+, Ca2+, Mg2+, Na+, Al3+ y H+. Estos también son considerados "cationes intercambiables", porque pueden ser reemplazados por otros cationes presentes en la solución del suelo.

Otros nutrientes vegetales que llevan una carga positiva, pero están presentes en menores cantidades en el suelo, son NH4+, Fe2+, Mn2+ y Cu2+. 

 

Sólo una pequeña porción de los nutrientes catatónicos está en la solución del suelo. Los cationes intercambiables, que están adheridos a las superficies de las partículas del suelo, están en equilibrio con la solución del suelo. La CIC, por lo tanto, proporciona una reserva de nutrientes para reponer los nutrientes que fueron absorbidos por las plantas o lixiviados fuera de la zona de la raíz. 

 

 

Unidades de medida 

La unidad de medición de la CIC es meq/100g. Esta unidad tiene en cuenta la carga del ión.

 

Por ejemplo, el calcio lleva una carga de (+2). Por lo tanto, 1 mmol de calcio es equivalente a 2meq de calcio. Por otro lado, el potasio (K) lleva una carga de (+1) y  1mmol K+  = 1meq K+ .

 

El ejemplo anterior muestra que los iones de calcio son adheridos al doble del número de sitios de intercambio como el mismo número de iones de K+. 

 

 

El Efecto del pH sobre la CIC del suelo 

La carga de algunos de los componentes del suelo que contribuyen a la CIC se ve afectada por el pH del suelo.

 

Estos componentes tienen grupos funcionales de OH en sus superficies. El grupo OH puede liberar o absorber protones. En un alto pH, los protones se liberan de este grupo, la carga del grupo funcional se hace negativa y como resultado aumenta la CIC del suelo . 

 

Los grupos de OH están presentes en las superficies de arcilla caolinita, hidróxidos (principalmente Al e hidróxidos de Fe) y materia orgánica.

 

 

Precisión de la CCA por el Laboratorio de Medición 

Hay dos tipos de CIC medidas en los laboratorios:

 

CIC en condiciones neutras. CIC en el pH real del suelo.

Los valores resultantes de estas dos diferentes mediciones pueden variar y ser muy diferentes 

 

La CIC medida en el pH real del suelo se conoce como "CIC efectiva", abreviada como CICe.

 

Las imprecisiones en la medición se producen cuando el pH del suelo es mayor a 7,5 o cuando se ha aplicado recientemente cal agrícola. Bajo estas condiciones, la CIC resultante es sobreestimada. 

OSMOSIS INVERSA

Mecanismo

Se denomina [membrana semipermeable] a la que contiene poros o agujeros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micras. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes.

Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van 't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas y esto ocurre cuando las partículas que aleatoriamente vienen se equiparan con las que aleatoriamente van, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución, genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica, por ejemplo: "existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre agua desalinizada y agua de mar". El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica.1 2

El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta.

Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.

Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración, disolución hipotónica, a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas.

En los seres vivos, este movimiento del agua a través de la membrana celular puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien que se hinchen, posiblemente hasta reventar, por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.

Fundamento físico

En un sistema binario no reaccionante, en que los componentes no acarrean carga eléctrica y existe una temperatura uniforme e igual para dos reservorios, se tiene que la producción de entropía es la combinación lineal de productos entre flujos y fuerzas del sistema:3

donde los flujos son simplemente el flujo de difusión relativo del compuesto 1 y el flujo relativo de velocidades de los componentes:

Las fuerzas termodinámicas son diferencias entre magnitudes intensivas entre los dos reservorios: potencial químico y presión

Las leyes fenomenológicas son:

De lo que se deduce, para una situación estacionaria ( ) que una diferencia de concentraciones en los depósitos provoca una diferencia de presiones y viceversa. Son los fenómenos de osmosis y osmosis inversa, dados por la relación:

A la diferencia de presiones que provoca una determinada diferencia de concentración se denomina presión osmótica.

Ósmosis inversa

Ósmosis inversa

Lo descrito hasta ahora es lo que ocurre en situaciones normales, en las que los dos lados de la membrana están a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración de sales al de baja concentración.

Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración.

Si la alta concentración es de sal, por ejemplo agua marina, al aplicar presión, el agua del mar pasa al otro lado de la membrana. Sólo el agua, no la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ósmosis inversa, y puede llegar a ser potable.

Aplicaciones

La mayoría de las aplicaciones4 de la ósmosis vienen de la capacidad de separar solutos en disolución de forma activa mediante ósmosis inversa utilizando membranas semipermeables.

Desalinización

Mediante este procedimiento es posible obtener agua desalinizada (menos de 5.000 microsiemens/cm de conductividad eléctrica) partiendo de una fuente de agua salobre, agua de mar, que en condiciones normales puede tener entre 20.000 y 55.000 microsiemens/cm de conductividad.

La medida de la conductividad del agua da una indicación de la cantidad de sales disueltas que contiene, dado que el agua pura no es un buen conductor de la electricidad (su potencial de disociación es menor de 0.00001).

La ósmosis inversa o reversa (RO) se ha convertido hoy en día en uno de los sistemas más eficientes para desalinizar y potabilizar el agua, siendo usada en barcos, aviones, industrias, hospitales y domicilios.

Mediante ósmosis inversa se consigue que el agua bruta que llega a la desaladora se convierta por un lado en un 40% de agua producto y un 55-60% de agua salobre.

La clave está en la constitución del fajo de membranas que intercalan redes-canales de circulación entre capa y capa y finalmente convergen en el centro del sistema. Como hay un flujo de entrada y dos flujos de salida, al uno se le conoce como rechazo salino y al otro como flujo de permeado y sus valores dependerán de la presión de entrada impuesta al sistema. Por lo general es factible encontrar membranas confeccionadas con poliamida o acetato de celulosa (este último material está en desaparición) con un rechazo salino de entre 96.5-99.8%. Existen membranas especializadas para cada tipo de agua, desde agua de mar hasta aguas salobres.

Los equipos de ósmosis inversa industriales montan varios trenes o carros de membranas interconectadas entre sí, una bomba de alta presión, medidores de TDS, pH y caudalímetros de columna. Existen equipos que se ubican en grandes salas debido a su enorme tamaño.

Para el óptimo funcionamiento de estos sistemas, se requiere mantener un anti-incrustante contra sílice (sílice gelificada neutra) que obtura el sistema, además de un biocida para mantener libre de biomasas las capas del sistema.

La ósmosis inversa tiene algunas restricciones, hay ciertas especies químicas que el sistema no es capaz de retener, estos son el arsenito (As+3), la sílice neutra (ya mencionada) y el boro. Para retener estas especies hay que realizar una modificación del estado químico de la especie, ya sea vía oxidación, co-precipitación o cambios de pH del medio. Por ejemplo el arsenito (As+3) experimenta un rechazo de menos de 25%, el arsenato (As+5) es capaz de ser retenida en un 95-98%.

Las incrustaciones en las membranas son un factor no despreciable en la eficiencia del equipo, esto ocurre cuando se pretende forzar el caudal de permeado, ocurriendo frentes de saturación en la superficie de la membrana. Otras sustancias son incrustantes, tales como la mencionada sílice, biomasas de microorganismos. Una vez incrustada la membrana, solo es posible revertir la situación desmontando la unidad y tratándola con mezclas de ácidos fuertes y sometiéndolas a contracorriente.

Un desarrollo tecnológico reciente especialmente relevante es el de la ósmosis inversa para desalinización basada en energía solar fotovoltaica, empleando sólo y exclusivamente una pequeña batería para que todo funcione correctamente.

Reducción de la dureza

Las aguas duras contienen iones de calcio y magnesio que pueden precipitar combinados con iones como carbonatos, sulfatos o hidróxidos estos precipitados se van acumulando (obstruyendo) en las tuberías de distribución, calentadores, etc.

Con la ósmosis inversa se consigue eliminar estos precipitados químicos.

Descontaminación y tratamiento de efluentes

Para la eliminación de contaminantes en disolución principalmente encaminado al ahorro de agua. Si se tiene agua con contaminante "X" cuyas moléculas tienen un tamaño de "Y" micras, siendo "Y" mayor que el tamaño de la molécula de agua. Si se busca una membrana semipermeable que deje pasar moléculas de tamaño de las del agua pero no de "Y", al aplicar presión (ósmosis inversa) se obtendrá agua sin contaminante.

La utilización de la ósmosis inversa en el tratamiento de efluentes persigue alguno de los tres objetivos siguientes:5

Concentrar la contaminación en un reducido volumen. Recuperar productos de alto valor económico. Recircular el agua.

La ósmosis inversa no destruye la contaminación sino que, como mucho, permite concentrarla en un pequeño volumen.

Reducción del contenido de nitratos

Las aguas subterráneas suelen incorporar altas concentraciones de nitratos, superiores a las admitidas por la reglamentación técnico-sanitaria. Con las membranas de ósmosis inversa con un alto porcentaje de rechazo del ion nitrito permite obtener agua con un bajo contenido en dichos iones.

Concentración de nitritos y nitratos

Los efluentes procedentes de la limpieza de depósitos contenedores de tetróxidos de nitrógeno (N2O4) están contaminados con iones nitrito (NO2

-) y nitrato (NO3-). Los efluentes son neutralizados previamente

con sosa cáustica tras lo cual son enviados a un primer paso de una ósmosis inversa que trabaja con una recuperación del 95%. El rechazo de este primer paso es enviado hasta una segunda etapa de ósmosis inversa que trabaja con una recuperación del 75%. El rechazo de este segundo paso es recirculado al depósito situado en cabeza de la instalación y el perneado, con un contenido inferior a 10 ppm, puede ser reutilizado.

Eliminación del color y de los precursores de trihalometanos

El color procedente de la descomposición de la materia orgánica natural disuelta por las aguas. El color, además de no admitirse en el agua potable por motivos estéticos, es un precursor de los trihalometanos (THM).

Vinazas

Las vinazas sufren en primer lugar un proceso de filtración para eliminar las materias en suspensión que pudiesen atascar las membranas. Continuación son impulsadas hacia unas membranas de ósmosis inversa que permiten el paso tanto del agua como del alcohol etílico. El permeado de la ósmosis inversa, que constituye el 90% del volumen inicial de las vinazas, se envía hacia una columna de destilación que permite recuperar el alcohol y otros productos nobles. El residuo de la columna de destilación es agua con

un bajo contenido en DBO que puede enviarse hacia una planta convencional de aguas residuales urbanas. El rechazo de la ósmosis inversa, que constituye el 10% del volumen inicial de las vinazas, se envía a una columna donde se destila a baja temperatura para evitar la degradación de productos termosensibles permitiendo se recuperación.

Alpechines

Los efluentes de las almazaras, compuestas por el agua de la aceituna y el agua utilizada para extraer el aceite de oliva, es altamente contaminante y difícilmente biodegradable. La ósmosis inversa, combinada con una ultrafiltración, permite recuperar de los efluentes materiales de alto valor económico y obtener agua reutilizable.

Uso como agua potable

Cada vez es más frecuente el uso de la desalinización para producir agua para consumo humano, y la tendencia probablemente continuará conforme aumenta la escasez de agua a causa de las presiones que produce el crecimiento demográfico, la sobreexplotación de los recursos hídricos y la contaminación de otras fuentes de agua.

Los sistemas de desalinización actuales están diseñados para tratar tanto el agua estuarina, costera y marina, como también aguas salobres interiores (tanto superficiales como subterráneas).

El agua producida mediante la osmosis inversa es “agresiva” para los materiales utilizados, por ejemplo en la distribución del agua y en las tuberías y dispositivos de fontanería domésticos.

Los materiales generalmente utilizados en las instalaciones domésticas pueden ser atacados por estas aguas agresivas, por este motivo también después de la desalación se suele estabilizar el agua. Este proceso se hace sustancias químicas como carbonato cálcico y magnésico con dióxido de carbono. Una vez aplicado este tratamiento, el agua desalinizada no debería ser más agresiva que el agua de consumo habitual.

El agua desalinizada suele mezclarse con volúmenes pequeños de agua más rica en minerales para mejorar su aceptabilidad y, en particular, para reducir su agresividad. Algunas aguas subterráneas o superficiales pueden utilizarse, tras un tratamiento adecuado, para mezclar en proporciones mayores y pueden mejorar la dureza y el equilibrio iónico.6

Usos industriales

Producción de aguas de alta calidad

Producción de agua desmineralizada: las membranas de baja presión eliminan la mayor parte de las sales en el agua, finalizando su desmineralización total con el intercambio iónico.

Producción de agua ultrapura: además de eliminar las sales en el agua y una gran variedad de sustancias orgánicas, también depura microorganismos consiguiendo un agua ultrapura.

Circuitos de refrigeración semiabiertos

Las centrales de producción de energía eléctrica deben ceder al foco frío grandes cantidades de energía en forma de calor. El medio utilizado para esta transferencia es habitualmente el agua de un circuito de refrigeración. Con el fin de economizar la máxima cantidad de agua posible se concentra el agua de aporte tantas veces como lo permita su composición iónica y la resistencia a la corrosión de los materiales del circuito. Al mismo tiempo, con tal finalidad y para cumplir con la legislación vigente en algunos

países, reduciendo el impacto ecológico que supondría el vertido de las aguas de alta salinidad de la purga del circuito, se procede a tratar estas para obtener un vertido practicante nulo donde la ósmosis inversa juega un papel importante en la concentración del vertido.

Pintado por electrodeposición

En este proceso la carrocería se sumerge en una dispersión coloidal en agua de partícula de pintura eléctricamente cargada. La aplicación de un gradiente de potencial origina una migración de las partículas de pintura hacia la carrocería sobre la que se depositan. Cuando la carrocería emerge del baño de electropintado arrastra pintura sin depositar, por lo que se lava pulverizando agua a contracorriente. De esta forma, la pintura arrastrada es recuperada y devuelta de nuevo al baño.

El baño de pintura es bombeado hacia unas membranas de ultrafiltración cuyo permeado contiene mayoritariamente agua, pequeñas cantidades de resina, solvente solubilizador y sales inorgánicas disueltas. El rechazo de la ultrafiltracion es mayoritariamente pintura del baño que es devuelta al mismo.

El permeado de la ultrafiltracion es impulsado de nuevo hacia una ósmosis inversa cuyo permeado es agua de alta pureza que se utiliza, junto con una pequeña cantidad de agua desmineralizada de aporte, para el lavado final de la carrocería.

El rechazo de la ósmosis inversa contiene solventes, solubilizadores, sales disueltas, etc. y se utiliza por un lado para arrastrar la pintura no depositada sobre las carrocerías tras su salida del baño de electropintado y por otro lado para desconcentrar el circuito de las sales que se van acumulando.

Tintado de fibras textiles

La utilización de la ósmosis inversa y de la nanofiltración para el tratamiento de los efluentes procedentes del tintado de fibras textiles permite por un lado recircular aproximadamente el 95% de los productos químicos usados en los baños de tintado y, por otro, reutilizar alrededor del 90% de las aguas residuales generadas.

Fabricación de catalizadores

Algunos catalizadores utilizados de automóviles se fabrican a partir de una pasta de aluminio, cerio y níquel. La combinación de una ultrafiltración y una ósmosis inversa permite recuperar tanto la materia prima de fabricación como el agua del proceso. El efluente de la fabricación de catalizadores es una lechada que incorpora los constituyentes de la pasta diluidos entre 3 y 50 veces así como un conjunto de aditivos. La lechada, cuya concentración oscila entre 1 y el 15% de sólidos, pasa en primer lugar a través de una ultrafiltración con un poder de corte del orden de 100.000, obteniéndose un concentrado con un contenido en sólidos del 50%, que se puede reutilizar directamente en el proceso. El permeado de la ultrafiltración pasa a continuación por una ósmosis inversa que permite recuperar la mayor parte del agua del proceso.

Procesado de papel fotográfico

El elevado coste tanto de la plata como del agua de alta calidad hace rentable recuperar ambos elementos de los efluentes del procesado de papel fotográfico. Los efluentes con un contenido en plata del orden de las 30 ppm, son enviados hacia unas membranas de ósmosis inversa que presentan un rechazo medio del tiosulfato de plata del 99,7%. El permeado es recirculado de nuevo al proceso y el rechazo de la ósmosis, con un contenido en plata de 220 a 570 ppm, es sometido a un tratamiento con ditionita y aluminio para precipitar la plata. Una centrifugación posterior permite separar el precipitado del efluente y recuperar la plata.

Usos alimentarios

La misma capacidad de concentrar moléculas ha sido ampliamente utilizada para conseguir concentrados alimenticios.

Fabricación de fécula de patata

Las aguas residuales de las fábricas de fécula de patata pasan, en primer lugar a través de una ultrafiltración cuyo contenido presenta un 10% de la materia seca, de la cual su 60% aproximadamente son proteínas que se pueden recuperar por precipitación.

El ultrafiltrado se envía de nuevo hacia una ósmosis inversa cuyo permeado presenta una contaminación menor, pudiendo enviarse a una planta convencional de aguas residuales urbanas.

En el rechazo de la ósmosis inversa, en un pequeño volumen se encuentra concentrada toda la contaminación inicial y debe procesarse en una planta de alta carga.

Concentrado de zumos de frutas

La concentración elimina el agua, y mantiene el aroma y resto de moléculas. La producción de zumos concentrados mediante ósmosis inversa tiene las siguientes ventajas:

No destruye las vitaminas ni se pierden los aromas, al hacerse a temperatura ambiente.

Bajo consumo energético por lo que hay un abaratamiento de costes de producción.

Pero también las siguientes limitaciones:

La ósmosis inversa se debe utilizar con otros procesos de concentración ya que a medida que aumenta la concentración se eleva la presión osmótica.

Puede presentar paso de algunos compuestos de bajo peso molecular no deseados a través de las membranas utilizadas y se concentran aún más.

Preconcentración de jugos azucarados

Con la ósmosis inversa se puede preconcentrar los jugos azucarados antes de su evaporación para eliminar gran parte del agua que poseen. Así se puede reducir consumos energía y aumentar capacidad de evaporación.

Preconcentrado de suero lácteo

Así se consiguen los siguientes objetivos:

Reducir el coste del transporte. Cuando el suero no se procesa en la misma planta donde se obtiene, es preciso transportarlo para su tratamiento. Con la preconcentración elimina gran parte del agua existente reduciendo considerablemente los gastos de transporte.

Reducir el consumo energético de la evaporación. Si el suero lácteo se procesa en la misma planta su preconcentración mediante ósmosis inversa permite reducir los consumos energéticos globales de la fabricación y aumentar la capacidad de producción de los evaporadores existentes.

Preconcentrado de la clara de huevo

La ósmosis inversa conserva todas sustancias solubles producto final (glucosa). Reduce costes de secado y mejora la calidad del producto.

Estabilización de vinos

La estabilización del vino tiene por objeto eliminar un precipitado de tartrato potásico que disminuye generalmente su valor comercial y puede hacerse precipitando los tartratos de forma controlada, tras concentrar el vino por ósmosis inversa.

Se hace pasar el vino a través de una ósmosis inversa, obteniéndose, por un lado, un permeado que representa aproximadamente el 60% del volumen inicial, y por otro, un concentrado que supone el 40% restante en el que los distintos productos que no pueden atravesar las membranas se encuentran concentradas 2,5 veces.

Fabricación de cerveza con bajo contenido en alcohol

La cerveza fermentada con un bajo contenido alcohólico no posee ni un sabor ni un aroma satisfactorios. Por lo que es mejor producir una cerveza con un contenido alcohólico normal o alto y reducir o eliminar dicho contenido posteriormente.

El proceso de la desalcoholización de la cerveza se basa en el hecho de que algunas membranas retienen difícilmente el etanol.

La cerveza se bombea hacia la membrana de ósmosis inversa obteniéndose por un lado un permeado formado por agua, la mayor parte del alcohol y algunos ácidos orgánicos de bajo peso molecular y por otro un concentrado de cerveza.

El agua no destilada, junto con los componentes de bajo peso molecular se mezclan de nuevo con la cerveza concentrada, dando lugar a la cerveza con bajo contenido en alcohol.

Fermentación alcohólicaArtículo principal: Fermentación alcohólica.

La ósmosis inversa puede utilizarse para producir alcohol a partir de los jugos azucarados. El contenido de la cuba de fermentación alcohólica se bombea constantemente membranas de ósmosis inversa permitiendo el paso de agua y alcohol que se destila separando el agua del alcohol.

Experimento ilustrativo de ósmosis

Se puede realizar una experiencia, consistente en llenar una bolsa de celofán (que también se usa para bolsas de supermercado), con una solución de agua y azúcar común; la boca de la bolsa debe quedar herméticamente cerrada. En estas condiciones, se le sumerge en un recipiente que contenga agua.

El celofán cumple el papel de una membrana y la característica que presenta es la de no permitir el paso de las moléculas de azúcar en la solución, lo cual significa que es impermeable al azúcar. Por el contrario, deja pasar con facilidad las moléculas de agua, o sea, es permeable a ella. Las membranas que presentan este comportamiento reciben el nombre de semipermeables. De acuerdo a lo anterior, en el experimento se puede observar que, al comienzo el recipiente formado por la membrana de celofán se encuentra distendido, pero poco a poco va aumentando de tamaño hasta quedar inflado. Esto es consecuencia de la difusión del agua a través de la membrana, desde el recipiente hacia el interior de la bolsa. Este es el fenómeno que se conoce como ósmosis.

Pero si se aumentase la presión dentro de la bolsa, se vería que pasan sólo las moléculas de agua y no las de azúcar, produciendo la filtración del componente solvente, es decir, ósmosis inversa.

REOLOGIA

Se denomina reología, palabra introducida por Eugene Bingham en 1929, al estudio de la deformación y el fluir de la materia.

Una definición más moderna expresa que la reología es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir. La reología es una parte de la mecánica de medios continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales. Dichas ecuaciones son en general de carácter tensorial.

Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de la propiedades reológicas más importantes son:

Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte) Coeficientes de esfuerzos normales Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio) Módulo de almacenamiento y módulo de perdidas (comportamiento viscoelástico lineal) Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal

Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos microscópicos para explicar el comportamiento de un material. Por ejemplo en el estudio de polímeros, éstos se pueden representar como cadenas de esferas conectadas mediante enlaces rígidos o elásticos.

Si nos fijamos en el sentido etimológico de la palabra Reología podríamos definirlo como la ciencia del flujo. La reología describe la deformación de un cuerpo bajo la influencia de esfuerzos, pero la reología no está limitada a los polímeros, se puede aplicar a todo tipo de material, sólido, líquido o gas.

Un sólido ideal se deforma elásticamente y la energía requerida para la deformación se recupera totalmente cuando se retira el esfuerzo aplicado. Mientras que, los fluidos ideales se deforman irreversiblemente, fluyen, y la energía requerida para la deformación se disipa en el interior del fluido en forma de calor y no se puede recuperar al retirar el esfuerzo. Pero sólo unos pocos líquidos se comportan como líquidos ideales, la inmensa mayoría de los líquidos muestra un comportamiento reológico que se clasifica en una región intermedia entre los líquidos y los sólidos: son a la vez elásticos y viscosos, por lo que se les denomina viscoelásticos. Por otra parte, los sólidos reales pueden deformarse irreversiblemente bajo la influencia de fuerzas de suficiente magnitud, en definitiva, pueden fluir.

En esta clasificación de los comportamientos reológicos de los materiales con relación a su respuesta a los esfuerzos aplicados hemos de introducir un nuevo parámetro que es la escala de tiempo en la cual se aplica la deformación. Está escrito en la biblia que: “Todo fluye ante los ojos del señor, incluso las montañas”. Quiere esto decir que si el tiempo de observación es lo suficientemente grande (en el caso de Dios serían millones de años), se podría comprobar que las montañas fluyen.

Por todo ello, debemos definir una nueva magnitud que tenga en cuenta el tiempo de observación; se trata del número de Deborah: t Deλ= Donde λ es el tiempo de relajación y t es el tiempo de observación.

En este sentido podemos decir que los sólidos tienen un tiempo de relajación infinito, mientras que en el caso de los líquidos este valor se aproxima a cero, por ejemplo, el tiempo de relajación del agua es de 10-12 s. Por otra parte, si consideramos procesos de deformación característicos asociados a los típicos

tiempos de observación, podemos decir que un número de Deborah grande define un comportamiento tipo sólido y un número de Deborah pequeño define un comportamiento tipo líquido.

El siguiente ejemplo puede ayudar a entender lo explicado hasta ahora: Las famosas vidrieras de la catedral de Chartres en Francia han fluido desde que fueron producidas hace 600 años. En la época medieval estas vidrieras tenían un espesor uniforme a lo largo de toda su longitud, pero hoy en día las moléculas de vidrio han fluido por efecto de la gravedad, de manera que el espesor en la parte inferior es más que el doble del espesor en la parte superior. El tiempo de observación tan grande hace que el número de Deborah sea pequeño, por lo que sólidos como el vidrio se pueden clasificar como líquidos…siempre y cuando se espere el tiempo suficiente!

Como conclusión se puede decir que sustancias como el agua o el vidrio no se pueden clasificar como líquidos o sólidos, sino que se como mucho podemos decir que tienen un comportamiento de líquido o sólido bajo unas determinadas condiciones de esfuerzo, deformación o tiempo.