Membrana sintética - Synthetic membrane

Uma membrana artificial , ou membrana sintética , é uma membrana criada sinteticamente que geralmente se destina a fins de separação em laboratório ou na indústria. As membranas sintéticas têm sido usadas com sucesso em processos industriais de pequena e grande escala desde meados do século XX. Uma grande variedade de membranas sintéticas é conhecida. Eles podem ser produzidos a partir de materiais orgânicos , como polímeros e líquidos, bem como de materiais inorgânicos . A maioria das membranas sintéticas comercialmente utilizadas na indústria de separação é feita de estruturas poliméricas . Eles podem ser classificados com base em sua química de superfície , estrutura em massa, morfologia e método de produção. As propriedades químicas e físicas das membranas sintéticas e das partículas separadas, bem como a escolha da força motriz, definem um processo específico de separação por membrana. As forças motrizes mais comumente usadas de um processo de membrana na indústria são gradientes de pressão e concentração . O respectivo processo de membrana é, portanto, conhecido como filtração . As membranas sintéticas utilizadas em um processo de separação podem ser de geometria diferente e da respectiva configuração de fluxo. Eles também podem ser categorizados com base em seu regime de aplicação e separação. Os processos de separação por membrana sintética mais conhecidos incluem purificação de água , osmose reversa , desidrogenação de gás natural, remoção de partículas celulares por microfiltração e ultrafiltração , remoção de microorganismos de laticínios e diálise .

Tipos de membrana e estrutura

A membrana sintética pode ser fabricada a partir de um grande número de materiais diferentes. Pode ser feito de materiais orgânicos ou inorgânicos, incluindo sólidos como metal ou cerâmica , filmes homogêneos (polímeros), sólidos heterogêneos (misturas poliméricas, vidros mistos) e líquidos. As membranas cerâmicas são produzidas a partir de materiais inorgânicos, como óxidos de alumínio , carboneto de silício e óxido de zircônio . As membranas cerâmicas são muito resistentes à ação de meios agressivos (ácidos, solventes fortes). Eles são muito estáveis ​​química, térmica, mecânica e biologicamente inertes . Embora as membranas cerâmicas tenham um peso elevado e custos de produção substanciais, são ecologicamente corretas e têm longa vida útil. As membranas cerâmicas são geralmente feitas como formas monolíticas de capilares tubulares .

Membranas líquidas

As membranas líquidas referem-se a membranas sintéticas feitas de materiais não rígidos. Vários tipos de membranas líquidas podem ser encontrados na indústria: membranas líquidas de emulsão, membranas líquidas imobilizadas (suportadas), sais fundidos e membranas líquidas contendo fibras ocas. As membranas líquidas têm sido amplamente estudadas, mas até agora têm aplicações comerciais limitadas. Manter uma estabilidade adequada a longo prazo é o problema, devido à tendência dos líquidos da membrana de evaporar ou se dissolver nas fases em contato com eles.

Membranas poliméricas

As membranas poliméricas lideram o mercado da indústria de separação por membrana porque são muito competitivas em desempenho e economia. Muitos polímeros estão disponíveis, mas a escolha do polímero de membrana não é uma tarefa trivial. Um polímero deve ter características apropriadas para a aplicação pretendida. O polímero às vezes tem que oferecer uma baixa afinidade de ligação para moléculas separadas (como no caso de aplicações de biotecnologia) e tem que suportar as condições de limpeza adversas. Deve ser compatível com a tecnologia de fabricação de membrana escolhida. O polímero deve ser um formador de membrana adequado em termos de rigidez de cadeias, interações em cadeia, estereorregularidade e polaridade de seus grupos funcionais. Os polímeros podem variar entre estruturas amorfas e semicristalinas (também podem ter diferentes temperaturas de transição vítrea), afetando as características de desempenho da membrana. O polímero deve ser obtido e ter um preço razoável para atender aos critérios de baixo custo do processo de separação por membrana. Muitos polímeros de membrana são enxertados, modificados de maneira personalizada ou produzidos como copolímeros para melhorar suas propriedades. Os polímeros mais comuns na síntese de membrana são acetato de celulose , nitrocelulose e ésteres de celulose (CA, CN e CE), polissulfona (PS), poliéter sulfona (PES), poliacrilonitrila (PAN), poliamida , poliimida , polietileno e polipropileno (PE e PP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoreto de polivinilideno (PVDF), cloreto de polivinil (PVC).

Membranas de eletrólito de polímero

As membranas de polímero podem ser funcionalizadas em membranas de troca iônica pela adição de grupos funcionais altamente ácidos ou básicos, por exemplo, ácido sulfônico e amônio quaternário, permitindo que a membrana forme canais de água e transporte seletivamente cátions ou ânions, respectivamente. Os materiais funcionais mais importantes nesta categoria incluem membranas de troca de prótons e membranas de troca de ânions alcalinas , que estão no centro de muitas tecnologias em tratamento de água, armazenamento de energia e geração de energia. As aplicações no tratamento de água incluem osmose reversa , eletrodiálise e eletrodiálise reversa . As aplicações no armazenamento de energia incluem células eletroquímicas recarregáveis ​​de metal-ar e vários tipos de bateria de fluxo . Aplicações no interior de geração de energia incluem células de combustível de membrana de permuta de protões (PEMFC), células de combustível de membrana de permuta aninica alcalinas (AEMFCs), e tanto a osmotic- e à base de electrodiálise poder osmótico ou energia azul geração.

Elementos multicanal cerâmicos

Membranas cerâmicas

As membranas cerâmicas são feitas de materiais inorgânicos (como alumina , titânia , óxidos de zircônia , carboneto de silício recristalizado ou alguns materiais vítreos). Em contraste com as membranas poliméricas, elas podem ser usadas em separações onde meios agressivos (ácidos, solventes fortes) estão presentes. Eles também têm excelente estabilidade térmica, o que os torna utilizáveis ​​em operações de membrana de alta temperatura .

Química de superfície

Ângulo de contato de uma gota de líquido umedecida em uma superfície sólida e rígida. Equação de Young: γ LG ∙ cos θ + γ SL = γ SG .

Uma das características críticas de uma membrana sintética é sua química. A química da membrana sintética geralmente se refere à natureza química e à composição da superfície em contato com a corrente do processo de separação. A natureza química da superfície de uma membrana pode ser bem diferente de sua composição em massa. Essa diferença pode resultar da partição do material em algum estágio da fabricação da membrana ou de uma modificação pós-formação de superfície pretendida. A química da superfície da membrana cria propriedades muito importantes, como hidrofilia ou hidrofobicidade (relacionada à energia livre de superfície), presença de carga iônica , resistência química ou térmica da membrana, afinidade de ligação para partículas em uma solução e biocompatibilidade (no caso de biosseparações). A hidrofilia e a hidrofobicidade das superfícies da membrana podem ser expressas em termos de ângulo de contato θ com água (líquido) . As superfícies da membrana hidrofílica têm um ângulo de contato na faixa de 0 ° <θ <90 ° (mais próximo de 0 °), onde os materiais hidrofóbicos têm θ na faixa de 90 ° <θ <180 °.

Molhar de uma folha.

O ângulo de contato é determinado resolvendo a equação de Young para o equilíbrio de força interfacial. No equilíbrio, três tensões interfaciais correspondentes às interfaces sólido / gás (γ SG ), sólido / líquido (γ SL ) e líquido / gás (γ LG ) são contrabalançadas. A consequência das magnitudes do ângulo de contato é conhecida como fenômeno de umedecimento , importante para caracterizar o comportamento de intrusão capilar (poro). O grau de umedecimento da superfície da membrana é determinado pelo ângulo de contato. A superfície com menor ângulo de contato tem melhores propriedades de umedecimento (θ = 0 ° - umedecimento perfeito). Em alguns casos, líquidos de baixa tensão superficial , como álcoois ou soluções surfactantes , são usados ​​para aumentar a umectação das superfícies da membrana não umectantes. A energia livre da superfície da membrana (e hidrofilicidade / hidrofobicidade relacionada) influencia a adsorção de partículas de membrana ou fenômenos de incrustação . Na maioria dos processos de separação por membrana (especialmente biosseparações), a hidrofilia de superfície mais alta corresponde à incrustação mais baixa. A incrustação da membrana sintética prejudica o desempenho da membrana. Como consequência, uma ampla variedade de técnicas de limpeza de membrana foi desenvolvida. Às vezes, a incrustação é irreversível e a membrana precisa ser substituída. Outra característica da química da superfície da membrana é a carga superficial. A presença da carga altera as propriedades da interface membrana-líquido. A superfície da membrana pode desenvolver um potencial eletrocinético e induzir a formação de camadas de partículas de solução que tendem a neutralizar a carga.

Morfologia da membrana

As membranas sintéticas também podem ser categorizadas com base em sua estrutura (morfologia). Três desses tipos de membranas sintéticas são comumente usados ​​na indústria de separação: membranas densas, membranas porosas e membranas assimétricas. As membranas densas e porosas são distintas umas das outras com base no tamanho das moléculas separadas. A membrana densa é geralmente uma camada fina de material denso utilizado nos processos de separação de pequenas moléculas (geralmente na fase gasosa ou líquida). As membranas densas são amplamente utilizadas na indústria para separações de gases e aplicações de osmose reversa.

Membranas densas podem ser sintetizadas como estruturas amorfas ou heterogêneas . Membranas poliméricas densas, como politetrafluoroetileno e ésteres de celulose, são geralmente fabricadas por moldagem por compressão , fundição de solvente e pulverização de uma solução de polímero. A estrutura da membrana de uma membrana densa pode estar em um estado de borracha ou vítreo em uma determinada temperatura, dependendo de sua temperatura de transição vítrea . As membranas porosas destinam-se à separação de moléculas maiores, como partículas coloidais sólidas, biomoléculas grandes ( proteínas , DNA , RNA ) e células do meio filtrante. As membranas porosas são utilizadas em aplicações de microfiltração , ultrafiltração e diálise . Existe alguma controvérsia na definição de um "poro de membrana". A teoria mais comumente usada assume um poro cilíndrico para simplificar. Este modelo assume que os poros têm a forma de capilares cilíndricos paralelos e não interseção. Mas, na realidade, um poro típico é uma rede aleatória de estruturas de formatos irregulares de tamanhos diferentes. A formação de um poro pode ser induzida pela dissolução de um solvente "melhor" em um solvente "mais pobre" em uma solução de polímero. Outros tipos de estrutura de poro podem ser produzidos por estiramento de polímeros de estrutura cristalina . A estrutura da membrana porosa está relacionada às características do polímero e do solvente em interação, concentração de componentes, peso molecular , temperatura e tempo de armazenamento em solução. As membranas porosas mais espessas às vezes fornecem suporte para as camadas densas de membrana fina, formando as estruturas de membrana assimétricas. Os últimos são geralmente produzidos por uma laminação de membranas densas e porosas.

Veja também

Notas

Referências

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