Membrana sintética

An membrana artificialo membrana sintética, es una membrana de creación sintética que generalmente está destinada para fines de separación en laboratorio o en la industria. Las membranas sintéticas se han utilizado con éxito para procesos industriales pequeños y a gran escala desde mediados del siglo XX. Se conoce una amplia variedad de membranas sintéticas. Se pueden producir a partir de materiales orgánicos como polímeros y líquidos, así como materiales inorgánicos. La mayoría de las membranas sintéticas utilizadas comercialmente en la industria están hechas de estructuras poliméricas. Pueden clasificarse en base a su química superficial, estructura a granel, morfología y método de producción. Las propiedades químicas y físicas de las membranas sintéticas y las partículas separadas, así como la fuerza motriz de separación definen un proceso particular de separación de la membrana. Las fuerzas de conducción más utilizadas de un proceso de membrana en la industria son gradiente de presión y concentración. Por lo tanto, el proceso de membrana respectivo se conoce como filtración. Las membranas sintéticas utilizadas en un proceso de separación pueden ser de diferentes configuraciones de geometría y flujo. También pueden clasificarse sobre la base de su régimen de aplicación y separación. Los procesos de separación de membrana sintética más conocidos incluyen la purificación del agua, la osmosis inversa, la deshidratación de gas natural, la eliminación de partículas celulares por microfiltración y ultrafiltración, la eliminación de microorganismos de productos lácteos y la diálisis.

Tipos de membrana y estructura

La membrana sintética se puede fabricar a partir de un gran número de materiales diferentes. Se puede hacer a partir de materiales orgánicos o inorgánicos incluyendo sólidos como metales, cerámica, películas homogéneas, polímeros, sólidos heterogéneos ( mezclas polímicas, vasos mixtos) y líquidos. Las membranas cerámicas se producen a partir de materiales inorgánicos como óxidos de aluminio, carburo de silicio y óxido de circonio. Las membranas cerámicas son muy resistentes a la acción de medios agresivos (ácidos, solventes fuertes). Son muy estables químicamente, térmicamente y mecánicamente, y biológicamente inertes. Aunque las membranas cerámicas tienen un alto peso y costos de producción sustanciales, son ecológicamente amigables y tienen una larga vida laboral. Las membranas cerámicas generalmente se hacen como formas monolíticas de capilares tubulares.

Membranas líquidas

Las membranas líquidas se refieren a membranas sintéticas hechas de materiales no rígidos. En la industria se pueden encontrar varios tipos de membranas líquidas: membranas líquidas en emulsión, membranas líquidas inmovilizadas (soportadas), sales fundidas y membranas líquidas contenidas en fibras huecas. Las membranas líquidas se han estudiado ampliamente pero hasta ahora tienen aplicaciones comerciales limitadas. El problema es mantener una estabilidad adecuada a largo plazo, debido a la tendencia de los líquidos de las membranas a evaporarse o disolverse en las fases en contacto con ellos.

Membranas poliméricas

Las membranas poliméricas lideran el mercado de la industria de separación por membranas porque son muy competitivas en rendimiento y economía. Hay muchos polímeros disponibles, pero la elección del polímero de membrana no es una tarea trivial. Un polímero debe tener características apropiadas para la aplicación prevista. A veces, el polímero tiene que ofrecer una baja afinidad de unión por las moléculas separadas (como en el caso de las aplicaciones biotecnológicas) y tiene que resistir las duras condiciones de limpieza. Tiene que ser compatible con la tecnología de fabricación de membranas elegida. El polímero tiene que ser un formador de membrana adecuado en términos de rigidez de cadenas, interacciones de cadenas, estereorregularidad y polaridad de sus grupos funcionales. Los polímeros pueden variar entre estructuras amorfas y semicristalinas (también pueden tener diferentes temperaturas de transición vítrea), lo que afecta las características de rendimiento de la membrana. El polímero debe poder obtenerse y tener un precio razonable para cumplir con los criterios de bajo costo del proceso de separación por membrana. Muchos polímeros de membrana se injertan, se modifican a medida o se producen como copolímeros para mejorar sus propiedades. Los polímeros más comunes en la síntesis de membranas son el acetato de celulosa, la nitrocelulosa y los ésteres de celulosa (CA, CN y CE), la polisulfona (PS), la poliéter sulfona (PES), el poliacrilonitrilo (PAN), la poliamida, la poliimida, el polietileno y el polipropileno (PE). y PP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), policloruro de vinilo (PVC).

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  Polysulfone (PS)
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  Polietileno (PE)
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  Polytetrafluoroetileno (PTFE)
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  Polipropileno (PP)

Membranas electrolíticas poliméricas

Las membranas polímeros pueden ser funcionalizadas en membranas de intercambio de iones mediante la adición de grupos funcionales altamente ácidos o básicos, por ejemplo ácido sulfónico y amonio cuaternario, permitiendo que la membrana forme canales de agua y transporte selectivamente caciones o aniones, respectivamente. Los materiales funcionales más importantes de esta categoría incluyen membranas de intercambio de protones y membranas de intercambio de anión alcalino, que están en el corazón de muchas tecnologías en el tratamiento del agua, almacenamiento energético, generación de energía. Las aplicaciones dentro del tratamiento del agua incluyen osmosis inversa, electrodialisis y electrodialisis inversa. Las aplicaciones dentro del almacenamiento de energía incluyen células electroquímicas recargables de metal y varios tipos de batería de flujo. Las aplicaciones dentro de la generación de energía incluyen células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), células de combustible de membrana de intercambio de anión alcalino (AEMFC) y tanto la potencia osmótica y electrodialítica basada en la osmota o energía azul generación.

Membranas cerámicas

Las membranas cerámicas están hechas de materiales inorgánicos (como alúmina, titania, óxidos de circonio, carburo de silicio recristalizado o algunos materiales vítreos). A diferencia de las membranas poliméricas, se pueden utilizar en separaciones en las que están presentes medios agresivos (ácidos, disolventes fuertes). También tienen una excelente estabilidad térmica que los hace utilizables en operaciones de membranas a alta temperatura.

Química de superficies

Una de las características críticas de una membrana sintética es su química. La química de las membranas sintéticas generalmente se refiere a la naturaleza química y la composición de la superficie en contacto con una corriente de proceso de separación. La naturaleza química de la superficie de una membrana puede ser bastante diferente de su composición general. Esta diferencia puede deberse a la partición del material en alguna etapa de la fabricación de la membrana o a una modificación prevista de la superficie posterior a la formación. La química de la superficie de la membrana crea propiedades muy importantes como la hidrofilicidad o hidrofobicidad (relacionada con la energía libre de la superficie), la presencia de carga iónica, la resistencia química o térmica de la membrana, la afinidad de unión por las partículas en una solución y la biocompatibilidad (en el caso de bioseparaciones). La hidrofilicidad e hidrofobicidad de las superficies de las membranas se pueden expresar en términos de ángulo de contacto θ con agua (líquido). Las superficies de membrana hidrófilas tienen un ángulo de contacto en el rango de 0°<θ<90° (más cercano a 0°), donde los materiales hidrofóbicos tienen θ en el rango de 90°<θ<180°.

El ángulo de contacto se determina resolviendo la ecuación de Young para el equilibrio de fuerzas interfacial. En equilibrio, tres tensiones interfaciales correspondientes a sólido/gas (γ_SG), sólido/líquido (γ_SL) y líquido/gas (γ_LG). >) las interfaces están contrapesadas. La consecuencia de las magnitudes del ángulo de contacto se conoce como fenómeno de humectación, el cual es importante para caracterizar el comportamiento de intrusión capilar (poros). El grado de humectación de la superficie de la membrana está determinado por el ángulo de contacto. La superficie con un ángulo de contacto más pequeño tiene mejores propiedades de humectación (θ=0°-humectación perfecta). En algunos casos, se utilizan líquidos de baja tensión superficial, como alcoholes o soluciones tensioactivas, para mejorar la humectación de las superficies de las membranas que no se humedecen. La energía libre de la superficie de la membrana (y la hidrofilia/hidrofobicidad relacionada) influye en la adsorción de partículas de la membrana o en los fenómenos de incrustación. En la mayoría de los procesos de separación de membranas (especialmente en bioseparaciones), una mayor hidrofilia superficial corresponde a una menor contaminación. La suciedad de la membrana sintética afecta su rendimiento. Como consecuencia, se ha desarrollado una amplia variedad de técnicas de limpieza de membranas. A veces, la contaminación es irreversible y es necesario reemplazar la membrana. Otra característica de la química de la superficie de la membrana es la carga superficial. La presencia de la carga cambia las propiedades de la interfaz membrana-líquido. La superficie de la membrana puede desarrollar un potencial electrocinético e inducir la formación de capas de partículas de solución que tienden a neutralizar la carga.

Morfología de la membrana

Las membranas sintéticas también se pueden clasificar según su estructura (morfología). En la industria de la separación se utilizan comúnmente tres tipos de membranas sintéticas: membranas densas, membranas porosas y membranas asimétricas. Las membranas densas y porosas se distinguen entre sí según el tamaño de las moléculas separadas. La membrana densa suele ser una capa delgada de material denso que se utiliza en los procesos de separación de moléculas pequeñas (generalmente en fase gaseosa o líquida). Las membranas densas se utilizan ampliamente en la industria para separaciones de gases y aplicaciones de ósmosis inversa.

Las membranas densas se pueden sintetizar como estructuras amorfas o heterogéneas. Las membranas poliméricas densas, como el politetrafluoroetileno y los ésteres de celulosa, normalmente se fabrican mediante moldeo por compresión, fundición con disolvente y pulverización de una solución polimérica. La estructura de membrana de una membrana densa puede estar en un estado gomoso o vítreo a una temperatura determinada dependiendo de su temperatura de transición vítrea. Las membranas porosas están destinadas a la separación de moléculas más grandes, como partículas coloidales sólidas, biomoléculas grandes (proteínas, ADN, ARN) y células de los medios filtrantes. Las membranas porosas encuentran uso en aplicaciones de microfiltración, ultrafiltración y diálisis. Existe cierta controversia a la hora de definir un "poro de membrana". La teoría más utilizada supone un poro cilíndrico por simplicidad. Este modelo supone que los poros tienen la forma de capilares cilíndricos paralelos que no se cruzan. Pero en realidad un poro típico es una red aleatoria de estructuras de formas desiguales y de diferentes tamaños. La formación de un poro puede inducirse mediante la disolución de un compuesto "mejor"; solvente en un solvente "más pobre" Disolvente en una solución polimérica. Se pueden producir otros tipos de estructura de poros estirando polímeros de estructura cristalina. La estructura de la membrana porosa está relacionada con las características del polímero y el disolvente que interactúan, la concentración de los componentes, el peso molecular, la temperatura y el tiempo de almacenamiento en solución. Las membranas porosas más gruesas a veces proporcionan soporte a las capas delgadas y densas de la membrana, formando estructuras de membrana asimétricas. Estos últimos suelen producirse mediante una laminación de membranas densas y porosas.