Comprender y modelar la partición y el transporte de amoníaco a través de membranas de ósmosis inversa

Convertir los residuos de la granja en recursos útiles

En todo el mundo, las explotaciones ganaderas generan grandes cantidades de purines acuosos que contienen nitrógeno valioso en forma de amoníaco. Si no se capta este amoníaco, puede contaminar el aire y el agua y desperdiciar la energía empleada para producirlo originalmente. Este estudio explora cómo recuperar mejor el amoníaco mientras se obtiene agua limpia, utilizando membranas de ósmosis inversa similares a las de las plantas de desalación, y explica por qué un simple cambio en la acidez del agua, o pH, puede marcar la diferencia entre una eliminación fuerte o débil del amoníaco.

Por qué importa el amoníaco en las aguas residuales

La agricultura moderna depende del fertilizante sintético a base de amoníaco, producido por el proceso intensivo en energía Haber–Bosch, que consume varios porcentajes de la energía global y contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Tras el uso del fertilizante para cultivar piensos, gran parte del nitrógeno acaba en lagunas de estiércol y sistemas de tratamiento. Debido a que el estiércol es diluido y voluminoso, resulta caro transportarlo hasta donde los cultivos necesitan nutrientes. Las tecnologías que concentran el amoníaco y recuperan agua limpia pueden ahorrar energía y reducir la contaminación. La ósmosis inversa, que fuerza el agua a través de una delgada membrana de polímero dejando atrás la mayor parte de las sales, se ha convertido en una opción predominante para tratar corrientes ricas en amoníaco procedentes de digestores de estiércol y plantas avanzadas de aguas residuales.

Las dos caras del amoníaco en el agua

En el agua, el amoníaco existe en dos formas estrechamente relacionadas: una molécula neutra similar a un gas y un ion con carga positiva. El equilibrio entre estas formas depende fuertemente del pH. A pH más altos hay más de la forma neutra; a pH más bajos domina la forma cargada. Las membranas de ósmosis inversa son muy eficaces reteniendo iones cargados pero mucho menos efectivas para detener moléculas neutras, que pueden deslizarse con mayor facilidad por los diminutos canales llenos de agua. Estudios anteriores mostraron que la eliminación de amoníaco podía variar desde casi nada hasta casi completa, pero carecían de una explicación cuantitativa clara que vinculase esas variaciones tanto con la especiación del amoníaco como con el cambio de carga eléctrica en la superficie de la membrana.

Un nuevo modo de describir el movimiento a través de la membrana

Los autores desarrollaron un modelo de “partición y transporte de amoníaco” que rastrea cómo la amoníaco neutro y su par cargado se mueven por separado a través de la capa de ósmosis inversa. El modelo incluye tres modos de transporte: arrastre por el flujo de agua, difusión desde zonas de alta a baja concentración y transporte por fuerzas eléctricas. También representa cómo la propia membrana se vuelve más cargada negativamente a medida que sube el pH, lo que refuerza su capacidad para repeler iones positivos. Pruebas de laboratorio bajo presión, concentración y pH controlados mostraron que el flujo de agua se mantuvo casi constante, pero el amoníaco se comportó de manera muy diferente. La eliminación global del amoníaco fue máxima, cerca del 90 por ciento, en torno a pH neutro y disminuyó tanto a pH más bajos como más altos, formando una curva en arco que el modelo reprodujo bien.

Qué ocurre realmente con el amoníaco dentro de la membrana

Al separar el comportamiento de las dos formas de amoníaco, el modelo revela por qué el pH tiene un efecto tan marcado. La forma neutra atraviesa la membrana con facilidad y apenas se ve influida por el pH o la carga de la membrana, por lo que su rechazo permanece bajo. La forma cargada, en cambio, nota la carga negativa de la membrana: se atrae hacia la membrana pero también es empujada hacia fuera por fuerzas eléctricas, lo que crea una barrera energética alta para cruzarla. Cuando el pH supera aproximadamente 8, más amoníaco cambia a la forma neutra, por lo que el amoníaco total se filtra con mayor facilidad aunque la membrana esté más cargada. Simulaciones por ordenador a escala molecular respaldan este panorama, mostrando que el ion cargado se adhiere con fuerza a sitios negativamente cargados y enfrenta barreras energéticas mucho mayores que la molécula neutra al intentar atravesar la densa red polimérica.

De corrientes limpias al estiércol real

Los investigadores probaron su modelo no solo con soluciones salinas simples, sino también con aguas residuales reales y simuladas de una granja lechera que contenían mezclas de otros iones. En todos los casos, el mismo conjunto de parámetros del modelo pudo reproducir cómo cambiaba la eliminación de amoníaco con el pH, y el mejor rendimiento apareció de forma consistente cerca de pH 7. En soluciones más complejas, otros iones alteraron ligeramente los detalles del transporte, pero las tendencias clave permanecieron: la forma cargada fue más fácil de rechazar, y la forma neutra dominó las fugas a pH más alto. Esto sugiere que el modelo puede servir como herramienta práctica para predecir el comportamiento del amoníaco en plantas de tratamiento reales y, eventualmente, integrarse en software de diseño para ingenieros.

Qué implica esto para agua más limpia y menores emisiones

Para un lector general, el mensaje principal es que ajustar el pH del agua “justo” es crucial cuando se usa ósmosis inversa para limpiar corrientes ricas en amoníaco. Operar el proceso cerca del pH neutro mantiene la mayor parte del amoníaco en su forma cargada, que la membrana puede retener, sin acidificar tanto que la membrana pierda su carga beneficiosa. El estudio también demuestra que el amoníaco neutro y el cargado no se comportan igual dentro de la membrana, y que esta diferencia se basa en sus interacciones eléctricas con el material. Con estos nuevos conocimientos, los operadores pueden ajustar el pH y elegir propiedades de membrana para retener mejor el amoníaco, facilitando su captura como ingrediente fertilizante mientras se produce agua más limpia y se reduce la carga energética en la agricultura.

Cita: Wang, Z., Yang, K., Mahajan, S. et al. Understanding and modelling ammonia partitioning and transport across reverse osmosis membrane. Nat Commun 17, 4649 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71260-y

Palabras clave: recuperación de amoníaco, ósmosis inversa, tratamiento de aguas residuales, transporte a través de membranas, efectos del pH