Membranas
El uso de membranas ofrece un amplio abanico de posibilidades y ventajas en el desarrollo de procesos más sostenibles tanto en la separación de gases de efecto invernadero como en el almacenamiento de energía.
Las aplicaciones de las membranas están ampliamente extendidas a nivel industrial, sobre todo centradas en procesos de purificación. Sin embargo, han surgido nuevas líneas de investigación tales como el almacenamiento de energía, la separación de gases o incluso la creación de biosensores que permiten clasificar a las membranas como productos de alto valor añadido.
Aplicaciones de las membranas
Separación de gases para reducir el efecto invernadero
El uso de la tecnología de membranas se presenta como una apuesta interesante para ayudar a combatir el cambio climático reduciendo los gases de efecto invernadero como el CO2 o el metano. Las membranas son capaces de separar selectivamente diferentes tipos de gases que podrán ser utilizados para generar productos de mayor valor añadido, las más utilizadas comercialmente separan O2/N2, CO2/CH4, H2/N2, He/aire y H2/CH4. Esta tecnología se emplea en diversas aplicaciones como la separación de hidrógeno en plantas de producción de amoníaco, la producción de nitrógeno, el enriquecimiento de gas natural (separando el CO2 del CH4), la deshidratación de corrientes de aire o gas natural, la recuperación de helio, la recuperación de gasolina y la pervaporación.
Almacenamiento de energía
Las baterías de metal-aire han llamado especialmente la atención, debido a su naturaleza semiabierta que utiliza oxígeno inagotable del aire como oxidante, lo que resulta en una alta densidad de energía teórica.
En la fabricación de baterías las membranas tienen un papel fundamental ya que son capaces de transportar los iones entre los electrodos actuando como barrera física y previniendo cortocircuitos. Estas membranas deben tener alta resistencia estructural, estabilidad química y alta conductividad iónica para garantizar la seguridad y la fiabilidad a largo plazo de la batería.
Comercialmente las membranas Celgard son muy utilizadas en baterías de Zn-aire dada su buena estabilidad química y bajo coste. Sin embargo, estas presentan un incremento de la polarización celular, lo que resulta en un desvanecimiento de la capacidad de la batería; abordar este desafío requiere desarrollar distintos tipos de membranas, incluyendo membranas aniónicas o de intercambio catiónico (AEM/CEMs), membranas compuestas y membranas de nanofibras electrohiladas.
Tratamiento de aguas
Las membranas son ampliamente utilizadas en procesos de tratamiento de efluentes. Se ha efectuado diversas investigaciones centradas en el tratamiento de aguas residuales buscando obtener mejores rendimientos de depuración, reducción de costes de operación y mantenimiento en la generación de procesos que posean una elevada flexibilidad para soportar las variaciones en el afluente generando la mínima producción de lodos posible. Así mismo, se suelen utilizar en aplicaciones farmacéuticas donde las membranas son capaces de separar nanopartículas lipídicas, proteínas y nanopartículas poliméricas, entre otras, presentes en el efluente.
Los procesos con membranas más utilizados en el tratamiento de aguas residuales incluyen la electrodiálisis, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y osmosis inversa. Comercialmente las membranas basadas en polisulfonas y polímeros fluorados soportadas con polipropileno son muy utilizadas para este tipo de aplicación.
Membranas de osmosis inversa
La osmosis inversa es uno de los procesos más utilizados en el tratamiento de aguas, mediante el cual se eliminan los contaminantes del agua, reduciendo el caudal a tratar que pasa por una membrana semipermeable y donde se ejerce una fuerza de empuje superior a la presión osmótica en dirección opuesta al proceso de ósmosis. De esta forma se logra separar las sustancias que se encuentran en el agua en un lado de la membrana (concentrado) y del otro lado se obtiene una solución diluida baja en sólidos disueltos (permeado).
Electrodiálisis
La electrodiálisis es una técnica basada en el transporte de iones a través de membranas selectivas bajo la influencia de un campo eléctrico. Estas membranas deben llevar cargados grupos aniónicos o catiónicos distribuidos uniformemente. Esta técnica requiere de energía eléctrica continua por lo que es necesario una correcta optimización del proceso de separación. Se puede aplicar en la industria alimentaria, química, textil, entre otras, comúnmente se utiliza para el tratamiento de aguas.
Catalizadores
El desarrollo de membranas catalíticas se presenta como una alternativa atractiva en diversos procesos de producción, como es el caso del hidrógeno.
Las membranas dopadas con paladio y sus aleaciones conllevan a mayor conversión y selectividad al hidrógeno, permitiendo una conversión más rápida al estar en contacto directo el gas metano con el catalizador y la película selectiva.
Se emplean membranas dopadas de platino para almacenamiento energético (hidrógeno) en pilas de combustible. Así mismo, existen membranas de tipo zeolita capaces de producir hidrógeno, metanol, dimetil éter o incluso deshidrogenar isobutano, entre otros.
Desarrollo de biosensores
El desarrollo de biosensores ha supuesto un gran reto debido a la importancia de su estabilidad y especificidad. Por ello, ha sido necesario desarrollar materiales porosos, como membranas sintéticas que junto al electrodo son capaces de actuar como circuito eléctrico de resistencias y capacitadores y de igual forma, pueden detectar un compuesto específico como por ejemplo patógenos, glucosa, bisfenol A entre otros, gracias a su alta sensibilidad, reversibilidad, velocidad de medida y selectividad.
Las membranas sensoras cumplen dos funciones principales. Por un lado, la inmovilización de los elementos sensibles (enzimas, anticuerpos, etc.) y los elementos complementarios (plastificantes, coenzimas, nanopartículas…) y, por otro lado, la separación, actuando como barrera de las posibles interferencias que podrían modificar la señal analítica. Por tanto, se pueden aplicar en campos como clínico, biomédico o medioambiental.
Experiencia de AIMPLAS en aplicación de membranas
Llevamos a cabo proyectos donde el uso de membranas ofrece un amplio abanico de posibilidades y ventajas en el desarrollo de procesos más sostenibles tanto en la separación de gases de efecto invernadero como en el almacenamiento de energía.
El reto que supone el uso de membranas en procesos de recuperación de compuestos como el metano en corrientes líquidas, ha impulsado a investigar la modificación superficial de estas películas mediante procesos físicos y químicos con el fin de aumentar su selectividad e incluso dotarlas de propiedades hidrofóbicas.
Es de especial interés el desarrollo de procesos que impliquen la mejora de la economía circular, por ello, se está trabajando en proyectos para la captura de CO2 de emisiones industriales mediante procesos innovadores que implican el uso de materiales porosos tipo MOFs o zeolitas en combinación con tecnología de membranas.
