7. OPERACIONES D E SEPARACIÓN MEDIANTE M EM BRANAS
7.4. Propiedades de las membranas
Las membranas que se utilizan comercial- menle se obtienen a partir de materiales sinté ticos, generalmente de naturaleza polimérica, aunque también existen membranas cerámicas
o metálicas. El espesor de la membrana suele ser muy pequeño comparado con el de las fases fluidas, aunque puede variar en un intervalo bastante amplio: desde espesores inferiores a 1 pin hasta varios milímetros.
CUADRO 7.1
Características de las operaciones de separación con membranas
Operación Fuerza i.irnp. Permeación de gases Perva potación Diálisis Eleclrodiólisis Microfiltración Ultrafillración Osmosis inversa Api Api A Ci AV A P A P A P
Foses implicadas Tipo de membrana Comp. permeodos
G /M /G L/M /G l/M/L L/M/L l/M/L L/M/L l/M/L Denso Densa Densa Int. Iónico Porosa Porosa Densa Gases, vapores Solutos Solutos Iones Disolvente Disolvente Disolvente
D ependiendo de la presencia o no de poros, las mem branas pueden ser porosas o compac tas. Estas últimas tam bién reciben el nom bre de densas. En el prim er caso, el soluto se transpor ta por el interior de los poros de ía m embrana mientras que en el segundo las especies han de pasar a través de la m ateria que constituye la m em brana, disolviéndose en la misma, E n la figura 7.2 se representa esquem áticam ente una m em brana porosa. Las mem branas porosas se utilizan en operaciones como microfiltración o ultrafiltracíón, m ientras que las mem branas densas se aplican habitualm cntc en pervapora- ción y separaciones de mezclas gaseosas, El que una m em brana sea o no porosa depende de la naturaleza del m aterial de fabricación así como del m étodo de preparación de ia misma.
Si la composición, estructura y dem ás pro piedades de la m em brana son las mismas en todos los puntos, ésta recibe el nom bre de simé trica. En caso contrario, se habla de membranas asimétricas, habitualm entc formadas por la yux taposición de una m em brana porosa y una densa, lo que perm ite la combinación de dife rentes factores a fin de m ejorar la eficacia de la separación.
Asimismo, es frecuente que la capa activa, form ada por la m em brana propiam ente dicha, vaya reforzada por u n a capa soporte que le proporciona resistencia mecánica, pero que no afecta a la separación de los componentes. Este tipo de mem branas recibe el nom bre de hetero géneas (figura 7.3). La presencia del soporte es
esencial en aquellas operaciones en las que la fuerza im pulsora es una diferencia d e presiones. E n el caso de las m em branas homogéneas, la ausencia de soporte hace que toda la m em bra na participe e n el proceso de perme ación.
FIGURA 7.3. Membrana heterogénea.
A unque la m ayoría de las m em branas son neutras, tam bién se dispone de m em branas con cargas eléctricas unidas a la estructura. Estas últimas son las mem branas utilizadas e n elec- trodiálisis.
R especto del estado físico, las membranas em pleadas h abitualm cnte a escala comercial en operaciones de separación son sólidas. N o obs tante, en los últimos años se han desarrollado con éxito diferentes operaciones basadas en la aplicación de m em branas líquidas.
E n la figura 7.4 se presenta la form ula quí mica correspondiente a los materiales poliméri- cos más utilizados en la preparación de mem branas, d escribiéndose a continuación sus características más relevantes:
* Celulosa. Es un polisacárido presente en los vegetales que posee pesos molecula res en el intervalo de 500.000 a 1.500.000. E stá form ado por unidades básicas de glucosa que, al contener grupos hidroxi- los, son susceptibles de reaccionar con diferentes com puestos para dar lugar a esteres y éteres. La celulosa es un polím e ro altam ente cristalino y, a pesar de ser
c h2o h c — o c — o
/
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\ - 0+
W V W
. 1 1 I I OH O H O H O H celulosa — c h2-o-c o-c h3 CH-, -o-c o-c h l I I c — O c — o/ \ / W
W V W
. 1 1 I I OH O H O H O H acerato de celulosa C H j I " C H - C H 2 ‘ - - n polipropileno FF I I - C - C - I I FF -J n pol ¡tetrafl u oroeli le no-[N H H C H )2- C 0 5]-n poliam ida alifótica
(nylonó) N H - ^ Q j - N H - C O - ^ j - C O ■ ■ poliamida aromática (nomex)
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COxn1
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pvolíimida | o - c o - O - r| p o l ¡carbonates^ < h S» 4
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polisulfonos poliacrílonilríloFIGURA 7.4 . Tipos de polímeros utilizados en la preparación de membranas.
muy hidrofílico, es estable en disolucio nes acuosas.
Entre los derivados de la celulosa,que también se utilizan como membranas, cabe destacar los esteres, principalmente dife rentes acetatos de celulosa. En estos mate riales el carácter hidrofílicoflridrofóbico se puede regular variando la proporción de grupos hidroxilo/acetilo, lo que afecta al flujo de agua a través de la membrana y a la selectividad y eficacia de la separación. Como inconvenientes de este tipo de membranas se encuentran su baja estabili dad térmica, química y biológica. Para minimizar la degradación, se trabaja a tem peratura ambiente, mientras que el pHdel medio ha de mantenerse entre 4 y 6,5.
I.as membranas de celulosa son muy versátiles, utilizándose en una gran varie dad de operaciones de separación: micro- filtración, ultrafiltración, ósmosis inversa, diálisis, permcación de gases, pervapora- ción, etc.
• Poliamidas aromáticas y alifáticas. Las primeras son las más utilizadas como membranas debido a su elevada resisten cia mecánica, térmica y química. Ade más, son resistentes frente a la hidrólisis y al ataque de microorganismos, pueden tolerar condiciones alcalinas y tempera turas de hasta 50°G Sin embargo, son extremadamente sensibles a la presencia de cloruros. Todas estas propiedades están determinadas en gran medida por
la n atu ra lez a de los grupos arom áticos unidos a la cadena de polím ero. Las poliam idas arom áticas se em plean fun d a m e n ta lm e n te en separaciones p o r osmosis inversa.
Las po liam id as alifáticas, au n q u e m enos im portantes, tam bién poseen una buena estabilidad química, utilizándose en m icrofiítración y ultrafiltración. • Poliimidas. Poseen u n a excelente estabili
dad térm ica com binada con una b uena estabilidad química. Se aplican en o p e ra ciones de osmosis inversa, ultrafiltración y perm eación de gases.
• P oíitetraO uoroetileno, Es un polím ero hidrófobo y altam ente cristalino que p re senta una elevada estabilidad tanto té r mica com o química. Se aplica en o p e ra ciones de m icroiiltración.
• Polipropileno isotáctico. Se trata d e un polím ero de elevada cristalinidad, con p ro p ie d a d e s h id ró fo b a s y gran resisten cia frente a disolventes. Se utiliza tam bién en separaciones por microfiítración.
• Policarbonatos. Son polím eros de elevada resistencia mecánica, por lo que se apli can en separaciones en las que la fuerza im pulsora es una diferencia de presión, como es el caso de la perm eación de gases y la microfiítración.
• Polisulfonas. Se ca racteriza n p o r su buena estabilidad térm ica y resistencia m ecánica, utilizándose en separaciones por ultrafiltración.
• Poliacrilonitrílo. A pesar de la presencia del grupo nitrilo, fuertem ente polar, este tipo de polím eros no es muy hidrofílico. Con frecuencia incorporan acetato de vinilo o m etilm etacrilato com o com onó- m ero p ara aum entar la flexibilidad de cadena y el carácter hidrofílico. Las m em branas de poliacrilonitrílo se em plean en ultrafiltración.
A dem ás de los ya com entados, tam bién se utilizan p ara la preparación de m em branas dife
rentes tipos de siliconas, polím eros de caucho, polivinilalcohol, fluoruro de polivinilideno, etc. R especto de los polím eros con cargas eléctricas que actúan com o m em branas intercam biadoras de iones, debido a su especificidad, se revisan se p arad a m en te en el apartado dedicado a la separación por electrodiábsis.