Membrana sintética

Una membrana artificial , o membrana sintética , es una membrana creada sintéticamente que generalmente se utiliza para 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 su química superficial , estructura volumétrica, 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 por membrana particular. Las fuerzas impulsoras más utilizadas en un proceso de membrana en la industria son la presión y el gradiente de concentración . Por lo tanto, el proceso de membrana correspondiente se conoce como filtración . Las membranas sintéticas utilizadas en un proceso de separación pueden tener diferentes geometrías y configuraciones de flujo. También se pueden categorizar según 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 por microfiltración y ultrafiltración , la eliminación de microorganismos de productos lácteos y la diálisis .

Las membranas sintéticas se pueden fabricar a partir de una gran variedad de materiales. Pueden estar compuestas de materiales orgánicos o inorgánicos, incluyendo sólidos como metales , cerámicas , películas homogéneas , polímeros , sólidos heterogéneos (mezclas poliméricas, vidrios mixtos ) y líquidos. ^{[ 3 ]} Las membranas cerámicas se producen a partir de materiales inorgánicos como óxidos de aluminio , carburo de silicio y óxido de circonio . Son muy resistentes a la acción de medios agresivos (ácidos, disolventes fuertes). Son muy estables química, térmica y mecánicamente, y biológicamente inertes . Si bien las membranas cerámicas tienen un peso elevado y costos de producción sustanciales, son respetuosas con el medio ambiente y tienen una larga vida útil. Generalmente, se fabrican como capilares tubulares monolíticos . ^{[ 3 ]}

Membranas de electrolito polimérico

Las membranas poliméricas pueden funcionalizarse para convertirse en membranas de intercambio iónico mediante la adición de grupos funcionales altamente ácidos o básicos, como el ácido sulfónico y el 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 las membranas de intercambio de protones y las membranas de intercambio aniónico alcalinas , que son fundamentales para muchas tecnologías en el tratamiento de agua, el almacenamiento de energía y la generación de energía. Las aplicaciones en el tratamiento de agua incluyen la ósmosis inversa , la electrodiálisis y la electrodiálisis inversa . Las aplicaciones en el almacenamiento de energía incluyen celdas electroquímicas metal-aire recargables y varios tipos de baterías de flujo . Las aplicaciones en la generación de energía incluyen celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), celdas de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalinas (AEMFC) y la generación de energía osmótica o energía azul basada tanto en ósmosis como en electrodiálisis .

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 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 resultar de la partición del material en alguna etapa de la fabricación de la membrana, o de una modificación posterior a la formación de la superficie. La química de la superficie de la membrana crea propiedades muy importantes como hidrofilicidad o hidrofobicidad (relacionada con la energía libre superficial), presencia de carga iónica , resistencia química o térmica de la membrana, afinidad de unión para partículas en una solución y biocompatibilidad (en el caso de bioseparaciones). ^{[ 6 ]} La hidrofilicidad e hidrofobicidad de las superficies de la membrana se pueden expresar en términos del ángulo de contacto con el agua (líquido) θ. Las superficies de membrana 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 interfaciales. En equilibrio, tres tensiones interfaciales correspondientes a las interfaces sólido/gas (γ _SG ), sólido/líquido (γ _SL ) y líquido/gas (γ _LG ) se contrarrestan. ^{[ 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 menor 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 humectables. ^{[ 6 ]} La energía libre superficial de la membrana (y la hidrofilicidad/hidrofobicidad relacionada) influye en la adsorción de partículas de la membrana o en los fenómenos de ensuciamiento . En la mayoría de los procesos de separación por membrana (especialmente bioseparaciones), una mayor hidrofilicidad superficial corresponde a un menor ensuciamiento. ^{[ 6 ]} La obstrucción de las membranas sintéticas perjudica su rendimiento. En consecuencia, se han desarrollado diversas técnicas de limpieza. En ocasiones, la obstrucción 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 esta carga modifica las propiedades de la interfaz membrana-líquido. La superficie de la membrana puede generar un potencial electrocinético e inducir la formación de capas de partículas de la 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 diferencian por el tamaño de las moléculas que separan. Una 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 la separación de gases y en aplicaciones de ósmosis inversa.

Las membranas densas pueden sintetizarse 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 polimérica. La estructura de una membrana densa puede estar en estado gomoso o vítreo a una temperatura dada, 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 se utilizan en aplicaciones de microfiltración , ultrafiltración y diálisis . Existe cierta controversia en la definición de un "poro de membrana". La teoría más utilizada asume un poro cilíndrico por simplicidad. Este modelo asume que los poros tienen la forma de capilares cilíndricos paralelos que no se intersecan. Pero en realidad, un poro típico es una red aleatoria de estructuras de formas irregulares y diferentes tamaños. La formación de un poro puede ser inducida por la disolución de un disolvente "mejor" en un disolvente "peor" en una solución polimérica. ^{[ 2 ]} Otros tipos de estructura porosa 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 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 de membrana densa, formando estructuras de membrana asimétricas. Estas últimas generalmente se producen por una laminación de membranas densas y porosas.

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