Simulación molecular de una membrana de intercambio catiónico para un sistema de electrodiálisis inversa

Abstract

Las membranas de intercambio iónico desempeñan un papel fundamental en diversas tecnologías de separación y generación de energía. En particular, su aplicación en dispositivos de electrodiálisis inversa es clave, ya que la eficiencia de estos dispositivos depende del transporte selectivo de iones a través de las membranas y es sensible a la presencia de iones multivalentes cuando se operan con aguas naturales. Estos últimos reducen significativamente la densidad de potencia (hasta la mitad) que se puede obtener y disminuyen la eficiencia del equipo. Una mayor comprensión de los fenómenos relacionados con el transporte de los iones contribuye al diseño y mejora de membranas de intercambio iónico que estén adaptadas a las necesidades de la tecnología. Típicamente, los efectos de los iones multivalentes se han evaluado experimentalmente, sin embargo, es importante realizar estudios que brinden una comprensión más detallada de los fenómenos involucrados. Para esto se usaron técnicas de simulación molecular, que permitieron estudiar la autodifusión de los iones sodio, magnesio y cloro en membranas del polímero poliéter éter cetona sulfonado (SPEEK). Este enfoque fue útil para determinar las interacciones específicas entre el grupo cargado fijo de la membrana y los iones, y para obtener información sobre el transporte de los iones monovalentes y el ion divalente, en relación con la estructura del polímero. Asimismo, se observó la transición de difusión normal a anómala cuando se disminuye el contenido de agua en la membrana, teniendo en cuenta diferentes grados de hidratación experimentalmente observados para esta membrana. También, en este trabajo se encontró que los iones divalentes se caracterizan por una difusión anómala y coeficientes de autodifusión hasta diez veces menores que los coeficientes de autodifusión observados para el sodio y los iones cloro. Finalmente, dado que los iones divalentes se unen con mayor fuerza a los grupos funcionales de la membrana, la presencia de este ion da lugar a una disminución de las distancias probables entre los grupos funcionales de la membrana y una mayor tortuosidad, lo que puede limitar la movilidad de los iones divalentes y afectar propiedades críticas como la conductividad eléctrica y la permselectividad de la membrana de intercambio iónico.

Ionic exchange membranes are fundamental in various separation and energy generation technologies. Their application in reverse electrodialysis devices is crucial, as their efficiency relies on the selective transport of ions across the membranes. They are also sensitive to the presence of multivalent ions when operating in natural waters. The latter significantly reduces the obtainable power density (by up to half) and decreases the device’s efficiency. A deeper understanding of the phenomena related to ion transport contributes to the design and improvement of ion exchange membranes tailored according to the requirements of the technology. Typically, the effects of multivalent ions have been experimentally evaluated; however, it is important to conduct studies that offer a more detailed understanding of the phenomena involved. Molecular simulation techniques were used for this purpose, allowing the study of self-diffusion of sodium, magnesium, and chloride ions in membranes of the polymer sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK). This approach was useful in determining the specific interactions between the fixed-charged group of the membrane and the ions and in obtaining information on the transport of monovalent ions and divalent ions concerning the polymer structure. The results showed the transition from normal to anomalous diffusion as the membrane water content decreased for experimentally reported levels of membrane hydration. Moreover, this work found that divalent ions exhibit anomalous diffusion and have self-diffusion coefficients up to ten times lower than those of sodium and chloride ions. Finally, since divalent ions bind stronger to membrane functional groups, the presence of this ion results in decreased probable distances between membrane functional groups and increased tortuosity, which may limit the mobility of divalent ions and affect critical properties such as electrical conductivity and permselectivity of the ion exchange membrane.