Una membrana artificial , o membrana sintética , es una membrana creada sintéticamente que generalmente está destinada a fines de separación en el laboratorio o en la industria. Las membranas sintéticas se han utilizado con éxito para procesos industriales de pequeña y gran escala desde mediados del siglo XX. [1] Se conoce una amplia variedad de membranas sintéticas. [2] 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 . Se pueden clasificar en función de su química de superficie , estructura en masa, morfología y 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 membrana particular. Las fuerzas impulsoras más utilizadas de un proceso de membrana en la industria son la presión y el gradiente de concentración . Por lo tanto, el proceso de membrana respectivo se conoce como filtración . Las membranas sintéticas utilizadas en un proceso de separación pueden tener diferentes configuraciones de geometría y flujo. También se pueden clasificar en función de su aplicación y régimen de separación. [2] Los procesos de separación por membrana sintética más conocidos incluyen la purificación de agua , la ósmosis inversa , la deshidrogenación de gas natural, la eliminación de partículas celulares mediante microfiltración y ultrafiltración , la eliminación de microorganismos de productos lácteos y la diálisis .
Las membranas sintéticas se pueden fabricar a partir de una gran cantidad de materiales diferentes. Pueden estar hechas de materiales orgánicos o inorgánicos, incluidos sólidos como metales , cerámicas , películas homogéneas , polímeros , sólidos heterogéneos (mezclas poliméricas, vidrios mixtos [ aclaración necesaria ] ) 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 alto peso y costos de producción sustanciales, son ecológicamente amigables y tienen una larga vida útil. Las membranas cerámicas generalmente se fabrican como formas monolíticas de capilares tubulares . [3]
Las membranas líquidas son membranas sintéticas fabricadas con materiales no rígidos. En la industria se pueden encontrar varios tipos de membranas líquidas: membranas líquidas de emulsión, membranas líquidas inmovilizadas (soportadas), [4] membranas soportadas con sales fundidas , [5] y membranas líquidas con contenido de fibra hueca. [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 membrana a evaporarse, disolverse en las fases en contacto con ellos o deslizarse fuera del soporte de la membrana.
Las membranas poliméricas lideran el mercado de la industria de separación de 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 para las moléculas separadas (como en el caso de aplicaciones de biotecnología), y tiene que soportar las duras condiciones de limpieza. Tiene que ser compatible con la tecnología de fabricación de membrana elegida. [6] El polímero tiene que ser un formador de membrana adecuado en términos de rigidez de sus cadenas, interacciones de cadena, estereorregularidad y polaridad de sus grupos funcionales. [6] Los polímeros pueden variar en estructuras amorfas y semicristalinas (también pueden tener diferentes temperaturas de transición vítrea ), lo que afecta las características de rendimiento de la membrana. El polímero tiene que ser obtenible y tener un precio razonable para cumplir con los criterios de bajo costo del proceso de separación de 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 acetato de celulosa , nitrocelulosa y ésteres de celulosa (CA, CN y CE), polisulfona (PS), poliéter sulfona (PES), poliacrilonitrilo (PAN), poliamida , poliimida , polietileno y polipropileno (PE y PP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), cloruro de polivinilo (PVC).
Las membranas poliméricas pueden funcionalizarse 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 aniónico alcalino , que están en el corazón de muchas tecnologías en el tratamiento de agua, almacenamiento de energía, 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 batería 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 la generación de energía osmótica o azul basada en electrodiálisis y ósmosis .
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Las membranas cerámicas están hechas de materiales inorgánicos (como alúmina , titania , óxidos de zirconio , carburo de silicio recristalizado o algunos materiales vítreos). A diferencia de las membranas poliméricas, se pueden utilizar en separaciones en las que hay medios agresivos (ácidos, disolventes fuertes). También tienen una excelente estabilidad térmica que las hace utilizables en operaciones de membrana a alta temperatura .
Una de las características críticas de una membrana sintética es su química. La química de la membrana sintética 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 en masa. Esta diferencia puede ser resultado 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 para las partículas en una solución y la biocompatibilidad (en caso de bioseparaciones). [6] La hidrofilicidad e hidrofobicidad de las superficies de la membrana se pueden expresar en términos de ángulo de contacto del agua (líquido) θ. Las superficies de membrana hidrófilas tienen un ángulo de contacto en el rango de 0°<θ<90° (más cerca de 0°), donde los materiales hidrófobos tienen θ en el rango de 90°<θ<180°.
El ángulo de contacto se determina resolviendo la ecuación de Young para el equilibrio de fuerza interfacial. En 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 , que es importante para caracterizar el comportamiento de intrusión capilar (poro). 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 de surfactantes, para mejorar la humectación de superficies de membrana no humectantes. [6] La energía libre de la superficie de la membrana (y la hidrofilicidad/hidrofobicidad relacionada) influye en la adsorción de partículas de la membrana o los fenómenos de ensuciamiento . En la mayoría de los procesos de separación de membranas (especialmente bioseparaciones), una mayor hidrofilicidad de la superficie corresponde a un menor ensuciamiento. [6] El ensuciamiento de la membrana sintética perjudica el rendimiento de la membrana. Como consecuencia de ello, se ha desarrollado una amplia variedad de técnicas de limpieza de membranas. A veces, la suciedad es irreversible y es necesario sustituir 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 separación se utilizan habitualmente tres tipos de membranas sintéticas: membranas densas, membranas porosas y membranas asimétricas. Las membranas densas y porosas se diferencian entre sí en función del tamaño de las moléculas separadas. La membrana densa suele ser una capa fina de material denso que se utiliza en los procesos de separación de moléculas pequeñas (normalmente 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 densas poliméricas, como el politetrafluoroetileno y los ésteres de celulosa, se fabrican habitualmente mediante moldeo por compresión , fundición con disolvente y pulverización de una solución de polímero. 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 de los medios de filtrado. Las membranas porosas se utilizan 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 para simplificar. 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 de diferentes tamaños. La formación de un poro puede ser inducida por la disolución de un disolvente "mejor" en un disolvente "más pobre" en una solución de polímero. [2] Otros tipos de estructura de poro pueden producirse mediante el estiramiento de 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 componentes, el peso molecular , la temperatura y el tiempo de almacenamiento en solución. [2] Las membranas porosas más gruesas a veces proporcionan soporte para las capas de membrana densas delgadas, formando las estructuras de membrana asimétricas. Estas últimas generalmente se producen mediante una laminación de membranas densas y porosas.