Una membrana de zeolita es una membrana sintética hecha de materiales de aluminosilicato cristalino, típicamente aluminio , silicio y oxígeno con contraiones positivos como Na + y Ca2 + dentro de la estructura. Las membranas de zeolita sirven como un método de separación de baja energía. Recientemente han atraído interés debido a su alta estabilidad química y térmica, [1] y su alta selectividad. Actualmente, las zeolitas han visto aplicaciones en la separación de gases , reactores de membrana , desalinización de agua y baterías de estado sólido . [2] Actualmente, las membranas de zeolita aún no se han implementado ampliamente comercialmente debido a problemas clave que incluyen bajo flujo, alto costo de producción y defectos en la estructura cristalina.
Existen varios métodos utilizados para la formación de membranas de zeolita.
El método in situ implica la formación de membranas de zeolita sobre soportes microporosos de diversos materiales, normalmente óxido de aluminio o acero inoxidable. A continuación, estos soportes se sumergen en una solución de aluminio y silicio en una proporción estequiométrica específica . Otros factores de esta solución pueden afectar a la formación de la membrana de zeolita, entre ellos: pH, fuerza iónica, temperatura y la adición de reactivos que determinan la estructura. Al calentar la solución, los cristales de la membrana comienzan a crecer sobre los soportes.
En 2012, se desarrolló un “método de siembra” para producir membranas de zeolita. En este caso, el soporte se siembra con cristales de zeolita preformados, antes de sumergirlo en la solución. Estos cristales permiten la formación de membranas más delgadas que, por lo general, contienen menos defectos al crecer las membranas a partir de estructuras existentes. [3]
Las membranas de zeolita despertaron interés inicialmente como método de separación debido a su alta estabilidad térmica y química. La estructura cristalina de las membranas de zeolita también crea un tamaño de poro uniforme de aproximadamente 0,3-1,3 nm de diámetro. La estructura cristalina de las zeolitas también conduce a la presencia de varios defectos, que a menudo pueden crear huecos en la estructura más grandes que estos poros. La presencia de defectos puede hacer que estas membranas sean mucho menos efectivas y es difícil producir membranas de zeolita libres de defectos. [4]
Existen varios mecanismos de transporte que rigen la separación de moléculas por las membranas de zeolita. Los principales mecanismos de separación por membranas de zeolita son el tamizado molecular, la difusión y la adsorción. El tamizado molecular implica el rechazo de cualquier molécula de un tamaño mayor que el tamaño de poro de la membrana. Este es un proceso de tamizado relativamente simple que puede separar moléculas muy grandes. La adsorción implica que las moléculas que pasan a través de los poros de la membrana se adsorban en la superficie de la membrana. Las propiedades de adsorción de las membranas se pueden cambiar ajustando varias propiedades estructurales de la membrana. [5]
La difusión superficial es un proceso en el que las moléculas se adsorben en la pared de los poros de la membrana y se transportan lentamente a través de ellos. Durante la difusión superficial, las moléculas que se adsorben a una velocidad mayor pueden comenzar a bloquear los poros de la membrana y evitar que otras moléculas menos adsorbidas entren en ellos. La difusión superficial puede explicar la alta selectividad de ciertas moléculas, como el hidrógeno, por parte de las membranas de zeolita. [6] La difusión superficial suele desempeñar un papel más importante en el transporte de moléculas a temperaturas más bajas.
La difusión de Knudsen también contribuye a la selectividad variable de las membranas de zeolita hacia diferentes moléculas. La difusión de Knudsen se produce cuando las moléculas se adsorben momentáneamente a la pared del poro y luego se reflejan fuera de la superficie en una dirección aleatoria. Este movimiento aleatorio permite la separación de moléculas en función de sus velocidades. La ley de Graham para la difusión dicta que las moléculas más ligeras tendrán una velocidad media más alta que las moléculas más pesadas, lo que da como resultado un mayor flujo con respecto a las moléculas más ligeras. Estas diferencias en el flujo se pueden utilizar para separar diferentes moléculas utilizando membranas de zeolita. [3]
Las membranas de zeolita son las más prometedoras en lo que respecta a aplicaciones de separación de gases . La capacidad de las membranas de zeolita para adsorber ciertas moléculas a su superficie en condiciones variables permite a los investigadores realizar separaciones altamente selectivas. Las moléculas adsorbidas bloquean los poros de difusión y evitan la difusión de otras moléculas a través de estos poros. Las zeolitas suelen adsorber dióxido de carbono a la mayor velocidad, lo que las hace aptas para su uso en la captura y separación de dióxido de carbono. La selectividad de difusión regula la separación de moléculas en las membranas de zeolita a temperaturas más altas. La selectividad de difusión permite una difusión más rápida de moléculas más pequeñas a través de la membrana y una difusión más lenta de moléculas grandes a través de los poros de la membrana. [6]
En la industria del gas natural se han introducido membranas de zeolita para la separación de gases de metano, dióxido de carbono e hidrógeno. Las zeolitas ofrecen la ventaja de la estabilidad térmica y una mayor selectividad en comparación con las membranas de polímero que se han utilizado habitualmente para estos fines. [7] Todavía es necesario mejorar la producción de membranas de zeolita, en particular en lo que respecta al coste, antes de que se generalice su uso.
Las membranas de zeolita también se han utilizado en reactores de membrana , ya que su estabilidad química y térmica les permite soportar las condiciones de reacción. Los reactores de membrana funcionan eliminando el producto de una reacción a medida que se produce la reacción. Esta eliminación cambia el equilibrio de la reacción para permitir la formación de más productos, como se describe en el principio de Le Chatelier , creando un proceso de reacción más eficiente. La alta selectividad de las membranas de zeolita permite que se utilicen para eliminar productos de un reactor a altas velocidades. [8]
Las membranas de zeolita se han estudiado recientemente como una alternativa para la desalinización de agua con eficiencia energética . Actualmente, la desalinización de agua se realiza principalmente mediante filtración por ósmosis inversa , que utiliza una membrana polimérica densa para purificar el agua. Las membranas de zeolita se han probado como un método alternativo de purificación de agua y son capaces de separar el agua de las impurezas. Las zeolitas no se han implementado para fines de desalinización de agua industrial principalmente debido a su alto costo en comparación con las membranas de ósmosis inversa tradicionales. [9]