25/11/2022
Tipos de membranas: ¿Qué son y cómo se clasifican?
La síntesis de membranas nos permite ofrecer soluciones alineadas con la economía circular. Gracias a esta tecnología, logramos procesos más sostenibles para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, capturar microplásticos, generar nuevos métodos de almacenamiento de energía o producir diferentes compuestos.
¿Qué es una membrana?
Una membrana es una interfase o barrera física semipermeable que separa dos fases y actúa como barrera selectiva regulando el transporte de materia. La tecnología de membranas se ha desarrollado ampliamente para llevar a cabo procesos de separación y concentración de mezclas líquidas o gaseosas. Sin embargo, las membranas tienen otras aplicaciones importantes como biomateriales, catalizadores (incluyendo sistemas de pila combustible), almacenamiento de energía, separación de CO2, entre otras.
Clasificación de las membranas
Existen distintos tipos de criterios asociados a la clasificación de membranas, según sus características y propiedades. Los más comunes son según su naturaleza y estructura.
1. Según su naturaleza
Se clasifican en membranas naturales y sintéticas.
1.1. Membranas naturales: Biológicas o no biológicas
Las membranas de origen natural son más habituales debido a su bajo coste, sin embargo, tienen poca aplicación industrial. Estas se pueden clasificar en membranas biológicas o no biológicas.
- Membranas Biológicas. Son aquellas barreras permeables selectivas que están presentes en seres vivos. Son bicapas de moléculas lipídicas autosellables y flexibles que incorporan proteínas y azúcares en su estructura. Los fosfolípidos de las membranas cumplen la función aislante de las membranas (barrera de permeabilidad), mientras que las proteínas cumplen diversas funciones en el transporte de sustancias, la comunicación celular, la adhesión celular, la actividad enzimática, entre otras funciones.
- No biológicas. Aquellas barreras permeables selectivas que no están presentes en seres vivos.
1.2. Membranas sintéticas
Las membranas sintéticas son las más utilizadas a nivel industrial en procesos de separación en sectores como el farmacéutico, alimentario, industria química o automovilístico. Pueden clasificarse en función de su material de partida.
- Inorgánicas. Poseen gran estabilidad mecánica, química y térmica. Se pueden clasificar según su origen en: metálicas, cerámicas, de zeolitas o de vidrio. Entre las aplicaciones más destacadas se encuentra el tratamiento de aguas, la separación de los lixiviados, catálisis de reacciones gaseosa, eliminación de bacterias y purificación de efluentes, entre otras. Los soportes cerámicos porosos deben ser químicamente inertes, no biodegradables y no contener carbón orgánico que pueda generar microorganismos.
- Poliméricas. Se obtienen a partir de polímeros orgánicos como acetato de celulosa, poliamida, polisulfona, polipropileno, fluoruro de polivinilideno, entre otros. El desarrollo de polímeros hechos a medida se ha estado investigando debido a su alta selectividad y permeabilidad en comparación con los materiales de membrana comerciales disponibles actualmente. Los métodos de preparación incluyen inversión de fase (más utilizada comercialmente), reacción interfacial, coating, estiramiento, evaporación, etc. Uno de los parámetros críticos en todas las aplicaciones es la permeabilidad de la membrana. Las membranas de poliuretano son materiales microporosos a prueba de humedad, flexibles y resistentes que se pueden emplear en el proceso de fabricación de tejidos en combinación con otros polímeros como el politetrafluoroetileno (PTFE).
- Líquidas. Dichas membranas son de volumen, pudiendo estar soportadas o inmovilizadas (SLM o ILM) y de emulsión. El transporte con membrana líquida incluye procesos de extracción líquido-líquido (LLX) y la membrana opera en continuo, en donde 2 líquidos, homogéneos y completamente miscibles son separados por un tercer líquido inmiscible y prácticamente insoluble a los dos líquidos. Las membranas líquidas tienen dos ventajas considerables sobre las membranas sólidas: la difusión molecular en los líquidos (excepto en los superviscosos) es, en varios órdenes de magnitud, más rápida que la de los sólidos y, por otro lado, en algunos casos la difusión molecular en la membrana líquida es reemplazada por la difusión turbulenta, que intensifica el proceso de transferencia. Por lo tanto, las membranas sólidas, incluso las de espesor submicrónico, no pueden competir con las membranas líquidas con respecto a la intensidad de transferencia.
Un ejemplo sería las membranas de poliuretano en base acuosa o acrílica capaz de aplicarse como un recubrimiento resistente a UV, impermeable alta elasticidad y gran adhesión al hormigón.
- Compuestas. Son aquellas que poseen capas químicas o estructuralmente diferentes. Pueden estar compuestas por capas, por inclusión o por mezcla de polímeros. Estas membranas presentan mejores propiedades selectivas y permeabilidades, se preparan mediante procesos de múltiples etapas y normalmente se utiliza polisulfona y sus derivados ya que combinan buena resistencia a la compactación con elevada porosidad superficial.
2. Según su estructura
Se pueden considerar de estructura microscópica o macroscópica.
2.1. Estructura microscópica
La estructura microscópica de las membranas permite clasificarlas según su porosidad y su configuración.
Según su porosidad:
- Porosas o microporosas. Son estructuras con una pequeña distribución de tamaño de poros, muy similares en estructura y función a un filtro convencional. Se caracterizan por tener una estructura rígida y muy ligera, una distribución aleatoria y poros interconectados. La separación se produce principalmente en función del tamaño molecular y la distribución de tamaño de poro. La fuerza impulsora responsable del flujo de permeado (cantidad de material que atraviesa la membrana por unidad de área de la misma y por unidad de tiempo) es una diferencia de presión. Este tipo de membranas se suelen emplear en procesos de microfiltración (poros de 0,1 a 10 µm) y ultrafiltración (poros de 0,001 a 0,1µm), impidiendo por exclusión de tamaño el paso de determinadas sustancias.
- Densas/ no porosas. Estructuras sin poros que están formadas por una película densa a través de la cual las sustancias permeantes son transportadas por difusión bajo un gradiente de presión, concentración o eléctrico. Los procesos que utilizan este tipo de membranas son la ósmosis inversa y la nanofiltración. En este tipo de membranas se trabaja con el concepto de diámetro de poro equivalente (tamaño de la mayor molécula que es capaz de atravesarla). Un ejemplo de este tipo de membranas serían las cerámicas, ya que son consideradas membranas impermeables con amplia aplicación en separación de gases debido al tamaño del poro que impide el paso de vapor de agua o incluso de otros gases haciéndolas más selectivas.
Según su configuración:
- Simétricas o isotrópicas. Las membranas simétricas se caracterizan por tener poros uniformes y misma resistencia al flujo a lo largo de toda la membrana. Pueden ser porosas, densas o cargadas eléctricamente (electrodiálisis). Sus propiedades morfológicas (diámetro de poro, porosidad, etc) y sus propiedades funcionales (permeabilidad, retención, etc) no dependen de la cara de la membrana que se elija para realizar el análisis.
- Asimétricas o anisotrópicas. Están constituidas por estructuras laminares o tubulares con tamaño de poro variante. Este tipo de membranas permiten obtener mayores flujos. Tienen propiedades morfológicas y/o funcionales distintas por ambas caras de la membrana.
2.2. Estructura macroscópica
La estructura macroscópica hace referencia a la geometría de las membranas y su posición en el espacio en relación con el flujo del fluido de alimentación y del permeado. Por tanto, se pueden clasificar en función de la siguiente configuración:
De fibras huecas
Las membranas poliméricas de fibra hueca se preparan por extrusión de una solución polimérica a través de una hilera anular y un fluido de perforación que fluye en el centro anular, el tamaño del canal central es inferior a 1 mm. Este proceso de síntesis es complejo ya que implica muchos parámetros de rotación, la termodinámica de la solución polimérica y el proceso de inversión de fase, las reologías de la solución polimérica dentro de la hilera y en el espacio de aire, y otras condiciones de hilatura. Dichas membranas son muy sensibles al ensuciamiento por lo que requieren una manipulación de las fibras muy controlada, en cambio, presentan elevada relación superficie/volumen de filtrado pudiendo llegar a 30.000 m2/m3. En este tipo de membranas el fluido a tratar puede circular por el interior de las fibras huecas o perpendicularmente a las fibras.
Laminares o de lámina plana
Las membranas laminares se preparan por casting o moldeo de una disolución del polímero (10-30% en peso). Dicha disolución posteriormente se somete a evaporación o inversión en otro disolvente, normalmente agua, para obtener la membrana laminar. La fabricación de membranas de lámina plana también es un proceso complicado, que implica la preparación de la disolución, la reología de la solución de fundición, el espacio de aire y la precipitación de inmersión en el baño coagulante. Estas membranas presentan una baja relación superficie/volumen de filtrado (100-400 m2/m3). Sin embargo, al poder formar un módulo de membranas laminares, este se puede disponer en serie o paralelo aumentando la superficie de filtrado, además, son compactos y se limpian fácilmente.
Membrana de lamina plana sintetizada en AIMPLAS
Tubulares
Los módulos tubulares están formados por un conjunto de elementos filtrantes de geometría tubular o multicanal. En este tipo de configuración, las membranas se disponen en el interior de carcasas cilíndricas que actúan como soporte. Estos módulos pueden regenerarse químicamente, mecánicamente o con agua a presión, son muy resistentes y capaces de aceptar casi cualquier fluido prácticamente sin pretratamiento. Sin embargo, presentan relación superficie/volumen baja alrededor de 400 m2/m3.
De arrollamiento en espiral
El módulo espiral consiste en el enrollamiento de diversas láminas o membranas planas separadas entre sí por capas de tejidos de distinta naturaleza que funcionan como transportadores y generadores de turbulencia de las disoluciones de alimentación y permeado, empleando un tubo central perforado. Este tipo de configuración mejora considerablemente la relación superficie/volumen pudiendo alcanzar en 300 y 1000 m2/m3 y reduce el coste energético. No obstante, se ensucian con facilidad y son difíciles de limpiar.
Experiencia de AIMPLAS en la síntesis de membranas
Dado los grandes retos en cuanto a economía circular que está viviendo la sociedad en los últimos años, ha surgido la necesidad de investigar nuevos métodos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, capturar microplásticos presentes en el agua, generar nuevos métodos de almacenamiento de energía o producir diferentes compuestos de forma más sostenible.
En AIMPLAS desarrollamos proyectos donde trabajamos en la síntesis de diferentes tipos de membranas que permitan alcanzar estos objetivos, ofreciendo un amplio abanico de posibilidades y ventajas en el desarrollo de procesos más sostenibles, tanto en la captura y separación de contaminantes en efluentes líquidos y gases como en la producción y almacenamiento de energía tipo hidrógeno.
En estos proyectos perseguimos diferentes objetivos:
- Captura del CO2 para posteriormente convertirlo en compuestos de alto valor añadido para la industria química como el etileno, policarbonatos, ácidos carboxílicos.
- Desarrollo de procesos innovadores que implican la combinación de tecnología de membranas donde se pueda reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Generación de membranas sintéticas para almacenamiento de energía aplicables a pilas de combustible o celdas electroquímicas.
- Captura de micro y nanoplásticos de las aguas residuales mediante membranas de ultrafiltración en combinación con procesos de digestión anaerobia.
Daniela Andrea Ramírez Espinosa Técnico investigación del grupo de Descarbonización en AIMPLAS
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