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Tecnología de membranas

La tecnología de membranas abarca los procesos científicos utilizados en la construcción y aplicación de membranas. Estas se emplean para facilitar el transporte o el rechazo de...

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La tecnología de membranas abarca los procesos científicos utilizados en la construcción y aplicación de membranas. Estas se emplean para facilitar el transporte o el rechazo de sustancias entre diferentes medios, así como la separación mecánica de corrientes de gas y líquido. En el caso más simple, la filtración se logra cuando los poros de la membrana son más pequeños que el diámetro de la sustancia no deseada, como un microorganismo dañino. La tecnología de membranas se utiliza comúnmente en industrias como el tratamiento de aguas, el procesamiento químico y metalúrgico, la farmacéutica, la biotecnología, la industria alimentaria y la eliminación de contaminantes ambientales.

Tras la construcción de la membrana, es necesario caracterizarla para conocer mejor sus parámetros, como el tamaño de poro, el grupo funcional, las propiedades del material, etc., que son difíciles de determinar de antemano. En este proceso, se utilizan instrumentos como el microscopio electrónico de barrido , el microscopio electrónico de transmisión , la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier , la difracción de rayos X y la porosimetría de desplazamiento líquido-líquido.

Introducción

La tecnología de membranas abarca todos los enfoques de ingeniería para el transporte de sustancias entre dos fracciones con la ayuda de membranas semipermeables . En general, los procesos de separación mecánica para separar corrientes gaseosas o líquidas utilizan tecnología de membranas. En los últimos años, se han utilizado diferentes métodos para eliminar contaminantes ambientales, como la adsorción , la oxidación y la separación por membranas. En el medio ambiente se producen diferentes tipos de contaminación , como la contaminación del aire, la contaminación de aguas residuales , etc. [ 1 ] Según los requisitos de la industria para prevenir la contaminación industrial, ya que más del 70% de la contaminación ambiental se produce debido a las industrias, es su responsabilidad cumplir con las normas gubernamentales de la Ley de Control y Prevención de la Contaminación del Aire de 1981 para mantener y prevenir la liberación de sustancias químicas nocivas al medio ambiente. [ 2 ] Asegúrese de realizar procesos de prevención y seguridad después de que las industrias puedan liberar sus residuos al medio ambiente. [ 3 ]

La tecnología de membranas basada en biomasa es una de las tecnologías más prometedoras para su uso como arma de eliminación de contaminantes debido a su bajo costo, mayor eficiencia y ausencia de contaminantes secundarios . [ 1 ]

Normalmente, en el proceso de preparación de membranas se utilizan polisulfona , fluoruro de polivinilideno y polipropileno . Estos materiales no son renovables ni biodegradables , lo que genera contaminación ambiental. [ 4 ] [ 5 ] Los investigadores buscan una solución para sintetizar una membrana ecológica que evite la contaminación ambiental. La síntesis de materiales biodegradables a partir de materiales naturales, como la síntesis de membranas a base de biomasa, puede utilizarse para eliminar contaminantes. [ 6 ]

Descripción general de la membrana

Ultrafiltración para una piscina
Esquema de oxigenación por membrana extracorpórea venoarterial

Los procesos de separación por membrana operan sin calentamiento y, por lo tanto, consumen menos energía que los procesos de separación térmica convencionales, como la destilación , la sublimación o la cristalización . El proceso de separación es puramente físico y ambas fracciones ( permeado y retenido ) pueden obtenerse como productos útiles. La separación en frío mediante tecnología de membranas se utiliza ampliamente en las industrias alimentaria , biotecnológica y farmacéutica . Además, el uso de membranas permite realizar separaciones que serían imposibles con métodos de separación térmica. Por ejemplo, es imposible separar los componentes de líquidos azeotrópicos o solutos que forman cristales isomórficos mediante destilación o recristalización , pero estas separaciones pueden lograrse con la tecnología de membranas. Dependiendo del tipo de membrana, es posible la separación selectiva de ciertas sustancias individuales o mezclas de sustancias. Entre las aplicaciones técnicas importantes se incluye la producción de agua potable por ósmosis inversa . En el tratamiento de aguas residuales , la tecnología de membranas está adquiriendo cada vez mayor importancia. La ultrafiltración y la microfiltración pueden ser muy eficaces para eliminar coloides y macromoléculas de las aguas residuales. Esto es necesario si las aguas residuales se vierten en aguas sensibles, especialmente aquellas destinadas a deportes acuáticos de contacto y actividades recreativas.

Aproximadamente la mitad del mercado se destina a aplicaciones médicas, como riñones artificiales para eliminar sustancias tóxicas mediante hemodiálisis y pulmones artificiales para el suministro de oxígeno en la sangre sin burbujas .

La importancia de la tecnología de membranas está creciendo en el campo de la protección ambiental ( Base de datos Nano-Mem-Pro IPPC ). Incluso en las técnicas modernas de recuperación de energía , las membranas se utilizan cada vez más, por ejemplo, en pilas de combustible y en centrales osmóticas .

transferencia de masa

Se pueden distinguir dos modelos básicos para la transferencia de masa a través de la membrana:

  • el modelo de solución-difusión y
  • el modelo hidrodinámico .

En las membranas reales, estos dos mecanismos de transporte sin duda ocurren simultáneamente, especialmente durante la ultrafiltración.

modelo de solución-difusión

En el modelo de solución-difusión, el transporte se produce únicamente por difusión . El componente que se desea transportar debe disolverse primero en la membrana. El enfoque general de este modelo consiste en suponer que el potencial químico de los fluidos de alimentación y permeado se encuentra en equilibrio con las superficies adyacentes de la membrana, de modo que las expresiones adecuadas para el potencial químico en las fases fluida y de membrana pueden igualarse en la interfaz solución-membrana. Este principio es más importante para membranas densas sin poros naturales , como las utilizadas en ósmosis inversa y en pilas de combustible. Durante el proceso de filtración, se forma una capa límite en la membrana. Este gradiente de concentración se crea por moléculas que no pueden atravesar la membrana. Este efecto se denomina polarización de concentración y, al producirse durante la filtración, reduce el flujo transmembrana . La polarización de concentración es, en principio, reversible mediante la limpieza de la membrana, lo que restablece casi por completo el flujo inicial. El uso de un flujo tangencial a la membrana (filtración de flujo cruzado) también puede minimizar la polarización de concentración.

Modelo hidrodinámico

El transporte a través de poros  , en el caso más simple  , se realiza por convección . Esto requiere que el tamaño de los poros sea menor que el diámetro de los dos componentes separados. Las membranas que funcionan según este principio se utilizan principalmente en microfiltración y ultrafiltración. Se utilizan para separar macromoléculas de soluciones , coloides de una dispersión o para eliminar bacterias. Durante este proceso, las partículas o moléculas retenidas forman una masa pulposa ( torta de filtración ) en la membrana, y esta obstrucción dificulta la filtración. Esta obstrucción se puede reducir mediante el método de flujo cruzado ( filtración de flujo cruzado ). En este método, el líquido a filtrar fluye por el frente de la membrana y se separa por la diferencia de presión entre el frente y el fondo de la membrana en retenido (el concentrado que fluye) en el frente y permeado (filtrado) en el fondo. El flujo tangencial en el frente crea una tensión de cizallamiento que fractura la torta de filtración y reduce la obstrucción .

Operaciones de membrana

Según la fuerza motriz de la operación, es posible distinguir:

Formas de membrana y geometrías de flujo

Geometría de flujo cruzado
Geometría sin salida

Existen dos configuraciones principales de flujo en los procesos de membrana: filtración de flujo cruzado (o tangencial) y filtración de extremo muerto. En la filtración de flujo cruzado, el flujo de alimentación es tangencial a la superficie de la membrana, el retenido se elimina del mismo lado aguas abajo, mientras que el flujo de permeado se sigue en el otro lado. En la filtración de extremo muerto, la dirección del flujo de fluido es normal a la superficie de la membrana. Ambas geometrías de flujo ofrecen algunas ventajas y desventajas. Generalmente, la filtración de extremo muerto se utiliza para estudios de viabilidad a escala de laboratorio. Las membranas de extremo muerto son relativamente fáciles de fabricar, lo que reduce el costo del proceso de separación. El proceso de separación por membrana de extremo muerto es fácil de implementar y suele ser más económico que la filtración por membrana de flujo cruzado. El proceso de filtración de extremo muerto suele ser un proceso por lotes , donde la solución filtrante se carga (o se alimenta lentamente) en el dispositivo de membrana, que luego permite el paso de algunas partículas sujetas a la fuerza impulsora. La principal desventaja de la filtración de extremo muerto es la extensa obstrucción de la membrana y la polarización de concentración . La obstrucción suele producirse más rápidamente con fuerzas impulsoras más elevadas. La obstrucción de la membrana y la retención de partículas en la solución de alimentación también generan gradientes de concentración y reflujo de partículas (polarización de concentración). Los dispositivos de flujo tangencial son más costosos y requieren más mano de obra, pero son menos susceptibles a la obstrucción debido a los efectos de barrido y las altas velocidades de cizallamiento del flujo. Los dispositivos de membrana sintética (módulos) más utilizados son las láminas/placas planas, las espirales y las fibras huecas . Las membranas planas empleadas en procesos de filtración y separación pueden mejorarse mediante la creación de patrones superficiales, introduciendo estructuras microscópicas para optimizar el rendimiento. Estos patrones aumentan la superficie, optimizan el flujo de agua y reducen la obstrucción, lo que se traduce en una mayor permeabilidad y una vida útil más prolongada de la membrana. Las investigaciones han demostrado que estas modificaciones pueden mejorar significativamente la eficiencia en la purificación de agua, las aplicaciones energéticas y las separaciones industriales. [ 7 ]

Las placas planas se construyen generalmente como superficies de membrana planas delgadas circulares para ser utilizadas en módulos de geometría de extremo cerrado. Las espirales se construyen a partir de membranas planas similares, pero en forma de un "bolsillo" que contiene dos láminas de membrana separadas por una placa de soporte altamente porosa. [ 8 ] Varios de estos bolsillos se enrollan alrededor de un tubo para crear una geometría de flujo tangencial y reducir la obstrucción de la membrana. Los módulos de fibra hueca consisten en un conjunto de fibras autoportantes con capas de separación de piel densas y una matriz más abierta que ayuda a soportar gradientes de presión y mantener la integridad estructural. [ 8 ] Los módulos de fibra hueca pueden contener hasta 10 000 fibras que van desde 200 a 2500 μm de diámetro; la principal ventaja de los módulos de fibra hueca es la gran superficie dentro de un volumen cerrado, lo que aumenta la eficiencia del proceso de separación.

Módulo de membrana enrollada en espiral

El módulo de tubo de disco utiliza una geometría de flujo cruzado y consta de un tubo de presión y discos hidráulicos, que se mantienen en su lugar mediante una varilla de tensión central, y cojines de membrana que se encuentran entre dos discos. [ 9 ]

Rendimiento de la membrana y ecuaciones que la rigen

La selección de membranas sintéticas para un proceso de separación específico generalmente se basa en pocos requisitos. Las membranas deben proporcionar suficiente área de transferencia de masa para procesar grandes cantidades de corriente de alimentación. La membrana seleccionada debe tener propiedades de alta selectividad ( rechazo ) para ciertas partículas; debe resistir la obstrucción y tener alta estabilidad mecánica. También debe ser reproducible y tener bajos costos de fabricación. La ecuación principal de modelado para la filtración de extremo muerto a caída de presión constante está representada por la ley de Darcy : [ 8 ]

dVpagdt=Q=Δpagμ A(1Rmetro+R){\displaystyle {\frac {dV_{p}}{dt}}=Q={\frac {\Delta p}{\mu }}\ A\left({\frac {1}{R_{m}+R}}\right)}

donde V p y Q son el volumen del permeado y su caudal volumétrico respectivamente (proporcional a las mismas características del flujo de alimentación), μ es la viscosidad dinámica del fluido permeante, A es el área de la membrana, R m y R son las resistencias respectivas de la membrana y del depósito creciente de los contaminantes. R m puede interpretarse como una resistencia de la membrana a la permeación del solvente (agua). Esta resistencia es una propiedad intrínseca de la membrana y se espera que sea bastante constante e independiente de la fuerza impulsora, Δp. R está relacionada con el tipo de contaminante de la membrana, su concentración en la solución de filtración y la naturaleza de las interacciones contaminante-membrana. La ley de Darcy permite calcular el área de la membrana para una separación dirigida en condiciones dadas. El coeficiente de tamizado del soluto se define mediante la ecuación: [ 8 ]

S=dopagdoF{\displaystyle S={\frac {C_{p}}{C_{f}}}}

donde C f y C p son las concentraciones de soluto en la alimentación y el permeado, respectivamente. La permeabilidad hidráulica se define como la inversa de la resistencia y se representa mediante la ecuación: [ 8 ]

Lpag=JΔpag{\displaystyle L_{p}={\frac {J}{\Delta p}}}

donde J es el flujo de permeado , que es el caudal volumétrico por unidad de área de membrana. El coeficiente de tamizado del soluto y la permeabilidad hidráulica permiten evaluar rápidamente el rendimiento de la membrana sintética.

procesos de separación por membrana

Los procesos de separación por membrana desempeñan un papel muy importante en la industria de la separación. Sin embargo, no se consideraron técnicamente importantes hasta mediados de la década de 1970. Los procesos de separación por membrana difieren según los mecanismos de separación y el tamaño de las partículas separadas. Los procesos de membrana más utilizados incluyen microfiltración , ultrafiltración , nanofiltración , ósmosis inversa , electrólisis , diálisis , electrodiálisis , separación de gases , permeación de vapor, pervaporación , destilación por membrana y contactores de membrana. [ 10 ] Todos los procesos, excepto la pervaporación, no implican cambio de fase. Todos los procesos, excepto la electrodiálisis, son impulsados ​​por presión. La microfiltración y la ultrafiltración se utilizan ampliamente en el procesamiento de alimentos y bebidas (microfiltración de cerveza, ultrafiltración de jugo de manzana), aplicaciones biotecnológicas e industria farmacéutica ( producción de antibióticos , purificación de proteínas), purificación de agua y tratamiento de aguas residuales , la industria microelectrónica y otras. Las membranas de nanofiltración y ósmosis inversa se utilizan principalmente para fines de purificación de agua. Las membranas densas se utilizan para la separación de gases (eliminación de CO₂ del gas natural, separación de N₂ del aire, eliminación de vapores orgánicos del aire o de una corriente de nitrógeno) y, en ocasiones, en la destilación por membrana. Este último proceso facilita la separación de composiciones azeotrópicas, reduciendo así los costes de los procesos de destilación.

Gama de separaciones basadas en membranas

Tamaño de poro y selectividad

La distribución de poros de una membrana de ultrafiltración ficticia con el tamaño de poro nominal y el D 90

Los tamaños de poro de las membranas técnicas se especifican de manera diferente según el fabricante. Una distinción común es el tamaño de poro nominal . Este describe la distribución máxima del tamaño de poro [ 11 ] y proporciona información vaga sobre la capacidad de retención de una membrana. El límite de exclusión o "corte" de la membrana se especifica generalmente en forma de NMWC (corte de peso molecular nominal, o MWCO , corte de peso molecular , con unidades en Dalton ). Se define como el peso molecular mínimo de una molécula globular que es retenida en un 90% por la membrana. El corte, según el método, puede convertirse al llamado D90 , que luego se expresa en una unidad métrica. En la práctica, el MWCO de la membrana debe ser al menos un 20% menor que el peso molecular de la molécula que se va a separar.

Utilizando membranas de mica grabadas con trazas [ 12 ] Beck y Schultz [ 13 ] demostraron que la difusión restringida de moléculas en los poros puede describirse mediante la ecuación de Rankin [ 14 ] .

Las membranas filtrantes se dividen en cuatro clases según el tamaño de sus poros:

La forma y el tamaño de los poros de la membrana dependen en gran medida del proceso de fabricación y, a menudo, son difíciles de especificar. Por lo tanto, para su caracterización, se realizan filtraciones de prueba y el diámetro del poro se refiere al diámetro de las partículas más pequeñas que no pudieron atravesar la membrana.

El rechazo se puede determinar de varias maneras y proporciona una medición indirecta del tamaño del poro. Una posibilidad es la filtración de macromoléculas (a menudo dextrano , polietilenglicol o albúmina ), otra es la medición del límite de exclusión mediante cromatografía de permeación en gel . Estos métodos se utilizan principalmente para medir membranas en aplicaciones de ultrafiltración. Otro método de prueba es la filtración de partículas de tamaño definido y su medición con un analizador de tamaño de partículas o mediante espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS). Una caracterización clara consiste en medir el rechazo de azul de dextrano u otras moléculas coloreadas. La retención de bacteriófagos y bacterias , la denominada "prueba de desafío bacteriano", también puede proporcionar información sobre el tamaño del poro.

Para determinar el diámetro de los poros, también se utilizan métodos físicos como la porosimetría (porosimetría de mercurio, porosimetría líquido-líquido y prueba del punto de burbuja), pero se asume una forma específica de los poros (como orificios cilíndricos o esféricos concatenados ). Estos métodos se emplean en membranas cuya geometría de poros no coincide con la ideal, obteniendo un diámetro de poro "nominal" que caracteriza la membrana, pero que no necesariamente refleja su comportamiento de filtración ni su selectividad reales.

La selectividad depende en gran medida del proceso de separación, la composición de la membrana y sus propiedades electroquímicas, además del tamaño de los poros. Con una alta selectividad, se pueden enriquecer isótopos (enriquecimiento de uranio) en ingeniería nuclear o recuperar gases industriales como el nitrógeno ( separación de gases ). Idealmente, incluso los compuestos racémicos pueden enriquecerse con una membrana adecuada.

Al elegir membranas, la selectividad tiene prioridad sobre una alta permeabilidad, ya que los flujos bajos se pueden compensar fácilmente aumentando la superficie del filtro con una estructura modular. En la filtración en fase gaseosa, operan diferentes mecanismos de deposición, de modo que también se pueden retener partículas con tamaños inferiores al tamaño de poro de la membrana.

Clasificación de membranas

Las biomembranas se clasifican en dos categorías: membranas sintéticas y membranas naturales. Las membranas sintéticas se subdividen en orgánicas e inorgánicas. Las membranas orgánicas se subclasifican en membranas poliméricas y las inorgánicas en polímeros cerámicos. [ 16 ]

Síntesis de membranas de biomasa

La membrana de biomasa compuesta

La síntesis de membranas verdes o biomembranas es la solución para entornos protegidos que ofrecen un rendimiento integral. La biomasa se utiliza en forma de nanopartículas de carbón activado , como la biomasa a base de celulosa de cáscara de coco , cáscara de avellana, cáscara de nuez, residuos agrícolas de tallos de maíz, etc. [ 5 ] , lo que mejora la hidrofilicidad de la superficie , el tamaño de poro y la rugosidad superficial, por lo que el rendimiento de separación y antiincrustación de las membranas también mejora simultáneamente. [ 17 ]

Fabricación de membranas a base de biomasa pura

Una membrana a base de biomasa es una membrana hecha de materiales orgánicos como fibras vegetales. [ 5 ] Estas membranas se utilizan a menudo en aplicaciones de filtración de agua y tratamiento de aguas residuales . La fabricación de una membrana pura a base de biomasa es un proceso complejo que implica varios pasos. El primer paso es crear una suspensión de los materiales orgánicos . Esta suspensión se vierte sobre un sustrato, como una placa de vidrio o metal. [ 18 ] Luego, la suspensión se seca y la membrana resultante se somete a varios tratamientos, como tratamientos químicos o térmicos, para mejorar sus propiedades. Uno de los desafíos en la fabricación de membranas a base de biomasa es crear una membrana con las propiedades deseadas. [ 19 ]

Equipos e instrumentos utilizados en el proceso

Lista de instrumentos utilizados en los procedimientos de síntesis de membranas:

Caracterización de membranas

Tras la fabricación y síntesis de la membrana, es necesario caracterizarla para conocer con mayor detalle sus parámetros, como el tamaño de poro, los grupos funcionales, la humectabilidad, la carga superficial, etc. Es importante conocer las propiedades de la membrana para poder eliminar y tratar los contaminantes particulados que causan contaminación ambiental. [ 20 ] Para su caracterización se utilizan los siguientes instrumentos:

Aplicaciones de las membranas de biomasa

Tratamiento del agua

El tratamiento del agua es cualquier proceso que mejora la calidad del agua para hacerla más aceptable para un uso final específico. Las membranas se pueden usar para eliminar partículas del agua mediante exclusión por tamaño o separación de carga. [ 21 ] En la exclusión por tamaño , los poros de la membrana tienen un tamaño tal que solo las partículas más pequeñas que los poros pueden pasar. Los poros de la membrana tienen un tamaño tal que solo las moléculas de agua pueden pasar, dejando atrás los contaminantes disueltos. [ 22 ]

separación de gases

Utilización de membranas en la separación de gases, como el dióxido de carbono ( CO₂ ) , los óxidos de nitrógeno ( NO₂)x ),  óxidos de azufre(SOx ), los gases nocivos pueden eliminarse para proteger el medio ambiente. [ 23 ] La separación de gases mediante membranas de biomasaes más eficaz que con membranas comerciales. [ 24 ]

Hemodiálisis

La aplicación de membranas en hemodiálisis es un proceso que utiliza una membrana semipermeable para eliminar los productos de desecho y el exceso de líquidos de la sangre. [ 25 ]

Véase también

Notas

  1. 1 2 Sonawane, Shriram; Thakur, Parag; Sonawane, Shirish H.; Bhanvase, Bharat A. (2021). "Nanomateriales para la síntesis de membranas: Introducción, mecanismo y desafíos para el tratamiento de aguas residuales". Manual de nanomateriales para el tratamiento de aguas residuales . Elsevier. págs. 537–553 . doi : 10.1016/b978-0-12-821496-1.00009-x . ISBN  978-0-12-821496-1. S2CID 236721397 . 
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  4. ↑ John, Lok (26 de agosto de 2025). "Comparación de diferentes materiales de membranas de filtros de cartucho" . Recuperado el 21 de enero de 2026 .
  5. 1 2 3 Xing, Wendong; Wu, Yilin; Lu, Jian; Lin, Xinyu; Yu, Chao; Dong, Zeqing; Yan, Yongsheng; Li, Chunxiang (enero de 2020). "Síntesis basada en biomasa de membranas con impronta molecular verdes y biodegradables para el reconocimiento selectivo y la separación de tetraciclina". Nano . 15 (1): 2050004. doi : 10.1142/s1793292020500046 . ISSN 1793-2920 . S2CID 214180993 .  
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Referencias

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