Una membrana artificial , o membrana sintética , es una membrana creada sintéticamente que suele estar destinada a fines de separación en laboratorio o en la industria. Las membranas sintéticas se han utilizado con éxito en procesos industriales a pequeña y gran escala desde mediados del siglo XX. [1] Se conoce una amplia variedad de membranas sintéticas. [2] Pueden producirse a partir de materiales orgánicos como polímeros y líquidos, así como de materiales inorgánicos . La mayoría de las membranas sintéticas utilizadas comercialmente en la industria están hechas de estructuras poliméricas . Se pueden clasificar según la química de su superficie , la estructura aparente, la morfología y el método de producción. Las propiedades químicas y físicas de las membranas sintéticas y las partículas separadas, así como la fuerza impulsora de la separación, definen un proceso de separación de membranas particular. Las fuerzas impulsoras más utilizadas en un proceso de membrana en la industria son la presión y el gradiente de concentración . Por ello, el respectivo proceso de membrana se denomina filtración . Las membranas sintéticas utilizadas en un proceso de separación pueden tener diferentes geometrías y configuraciones de flujo. También se pueden categorizar en función de su aplicación y régimen de separación. [2] Los procesos de separación con membranas sintéticas más conocidos incluyen la purificación del agua , la ósmosis inversa , la deshidrogenación del gas natural, la eliminación de partículas celulares mediante microfiltración y ultrafiltración , la eliminación de microorganismos de los productos lácteos y la diálisis .
Las membranas sintéticas se pueden fabricar a partir de una gran cantidad de materiales diferentes. Puede estar elaborado a partir de materiales orgánicos o inorgánicos, incluidos sólidos como metales , cerámicas , películas homogéneas , polímeros , sólidos heterogéneos (mezclas poliméricas, vidrios mixtos [ se necesita clarificación ] ) y líquidos. [3] 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, disolventes fuertes). Son muy estables química, térmica y mecánicamente y biológicamente inertes . Aunque las membranas cerámicas tienen un peso elevado y unos costes de producción sustanciales, son respetuosas con el medio ambiente y tienen una larga vida útil. Las membranas cerámicas generalmente se fabrican con formas monolíticas de capilares tubulares . [3]
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), [4] membranas soportadas de sales fundidas , [5] y membranas líquidas contenidas en fibras huecas. [3] Las membranas líquidas se han estudiado ampliamente, pero hasta ahora tienen aplicaciones comerciales limitadas. Mantener una estabilidad adecuada a largo plazo es un problema clave, debido a la tendencia de los líquidos de las membranas a evaporarse, disolverse en las fases en contacto con ellos o salirse del soporte de la membrana.
Las membranas poliméricas lideran el mercado de la industria de separación por membranas porque son muy competitivas en rendimiento y economía. [3] 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. [6] El polímero a veces tiene que ofrecer una baja afinidad de unión por las moléculas separadas (como en el caso de las aplicaciones biotecnológicas) y tiene que soportar las duras condiciones de limpieza. Tiene que ser compatible con la tecnología de fabricación de membranas elegida. [6] El polímero tiene que ser un formador de membrana adecuado en términos de rigidez de sus cadenas, interacciones de cadenas, estereorregularidad y polaridad de sus grupos funcionales. [6] 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. [6] 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 polipropileno (PE y PP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), policloruro de vinilo (PVC).
Las membranas poliméricas se pueden funcionalizar en membranas de intercambio iónico mediante la adición de grupos funcionales altamente ácidos o básicos, por ejemplo, ácido sulfónico y amonio cuaternario, lo que permite que la membrana forme canales de agua y transporte selectivamente cationes o aniones, respectivamente. Los materiales funcionales más importantes en esta categoría incluyen membranas de intercambio de protones y membranas de intercambio de aniones alcalinas , que están en el corazón de muchas tecnologías en el tratamiento del agua, el almacenamiento de energía y la generación de energía. Las aplicaciones dentro del tratamiento de agua incluyen ósmosis inversa , electrodiálisis y electrodiálisis inversa . Las aplicaciones dentro del almacenamiento de energía incluyen celdas electroquímicas de metal-aire recargables y varios tipos de baterías de flujo . Las aplicaciones dentro de la generación de energía incluyen celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), celdas de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalino (AEMFC) y generación de energía osmótica o energía azul basada tanto en osmótica como en electrodiálisis .
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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 .
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. [6] La naturaleza química de la superficie de una membrana puede ser bastante diferente de su composición general. Esta diferencia puede resultar de la partición del material en alguna etapa de la fabricación de la membrana, o de una modificación intencionada 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). [6] 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 las membranas hidrofílicas tienen un ángulo de contacto en el rango de 0°<θ<90° (más cercano a 0°), mientras que 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 el equilibrio , se contrarrestan tres tensiones interfaciales correspondientes a las interfaces sólido/gas (γ SG ), sólido/líquido (γ SL ) y líquido/gas (γ LG ). [6] 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. [6] 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. [6] La contaminación de la membrana sintética afecta el rendimiento de la membrana. 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.
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 , generalmente se fabrican mediante moldeo por compresión , fundición con solvente 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 . [2] Las membranas porosas están destinadas a la separación de moléculas más grandes, como partículas coloidales sólidas, biomoléculas grandes ( proteínas , ADN , ARN ) y células del medio filtrante. 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 disolvente "mejor" en un disolvente "pobre" en una solución polimérica. [2] Se pueden producir otros tipos de estructuras 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. [2] 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.