Membrană sintetică - Synthetic membrane

Acest articol este despre membrane sintetice pentru separare. Pentru structuri naturale, a se vedea Membrana biologică . Pentru alte utilizări ale termenului de membrană, consultați Membrană (dezambiguizare) .

O membrană artificială sau membrană sintetică este o membrană creată sintetic care este de obicei destinată separării în laborator sau în industrie. Membranele sintetice au fost folosite cu succes pentru procese industriale mici și mari de la mijlocul secolului al XX-lea. Este cunoscută o mare varietate de membrane sintetice. Acestea pot fi produse din materiale organice precum polimeri și lichide, precum și din materiale anorganice . Cele mai multe membrane sintetice utilizate comercial în industria separării sunt realizate din structuri polimerice . Acestea pot fi clasificate în funcție de chimia suprafeței , structura în vrac, morfologia și metoda de producție. Proprietățile chimice și fizice ale membranelor sintetice și ale particulelor separate, precum și alegerea forței motrice definesc un anumit proces de separare a membranei. Cele mai utilizate forțe motrice ale unui proces de membrană în industrie sunt gradienții de presiune și concentrație . Procesul respectiv de membrană este, prin urmare, cunoscut sub numele de filtrare . Membranele sintetice utilizate într-un proces de separare pot fi de geometrie diferită și de configurație de flux respectivă. Ele pot fi, de asemenea, clasificate în funcție de regimul lor de aplicare și separare. Cele mai cunoscute procese de separare a membranelor sintetice includ purificarea apei , osmoza inversă , deshidrogenarea gazelor naturale, îndepărtarea particulelor celulare prin microfiltrare și ultrafiltrare , îndepărtarea microorganismelor din produsele lactate și Dializa .

Tipuri și structură de membrană

Membrana sintetică poate fi fabricată dintr-un număr mare de materiale diferite. Poate fi realizat din materiale organice sau anorganice, inclusiv solide precum metal sau ceramică , pelicule omogene (polimeri), solide eterogene (amestecuri polimerice, pahare mixte) și lichide. Membranele ceramice sunt produse din materiale anorganice precum oxizi de aluminiu , carbură de siliciu și oxid de zirconiu . Membranele ceramice sunt foarte rezistente la acțiunea mediilor agresive (acizi, solvenți puternici). Ele sunt foarte stabile chimic, termic și mecanic și biologic inerte . Chiar dacă membranele ceramice au o greutate ridicată și costuri de producție substanțiale, sunt ecologice și au o durată lungă de viață. Membranele ceramice sunt realizate în general ca forme monolitice ale capilarelor tubulare .

Membranele lichide

Membranele lichide se referă la membranele sintetice realizate din materiale non-rigide. În industrie se pot întâlni mai multe tipuri de membrane lichide: membrane lichide de emulsie, membrane lichide imobilizate (susținute), săruri topite și membrane lichide conținute de fibre goale. Membranele lichide au fost studiate pe larg, dar până acum au aplicații comerciale limitate. Menținerea unei stabilități adecvate pe termen lung este problema, datorită tendinței lichidelor de membrană de a se evapora sau de a se dizolva în fazele în contact cu acestea.

Membranele polimerice

Membranele polimerice conduc piața industriei de separare a membranelor, deoarece sunt foarte competitive în ceea ce privește performanța și economia. Sunt disponibili mulți polimeri, dar alegerea polimerului cu membrană nu este o sarcină banală. Un polimer trebuie să aibă caracteristici adecvate pentru aplicația dorită. Polimerul trebuie uneori să ofere o afinitate scăzută de legare pentru moleculele separate (ca în cazul aplicațiilor biotehnologice) și trebuie să reziste condițiilor dure de curățare. Trebuie să fie compatibil cu tehnologia de fabricare a membranei aleasă. Polimerul trebuie să fie o membrană adecvată în ceea ce privește rigiditatea lanțurilor, interacțiunile lanțului, stereoregularitatea și polaritatea grupurilor sale funcționale. Polimerii pot forma structuri amorfe și semicristaline (pot avea, de asemenea, diferite temperaturi de tranziție sticloasă ), afectând caracteristicile de performanță ale membranei. Polimerul trebuie să poată fi obținut și la un preț rezonabil pentru a respecta criteriile de cost redus ale procesului de separare a membranei. Mulți polimeri de membrană sunt altoiți, modificați la comandă sau produși ca copolimeri pentru a-și îmbunătăți proprietățile. Cei mai comuni polimeri în sinteza membranei sunt acetat de celuloză , nitroceluloză și esteri de celuloză (CA, CN și CE), polisulfonă (PS), polieter sulfona (PES), poliacrilonitril (PAN), poliamidă , polimidă , polietilenă și polipropilenă (PE și PP), politetrafluoretilenă (PTFE), fluorură de poliviniliden (PVDF), clorură de polivinil (PVC).

  • Polisulfonă (PS)

  • Polietilenă (PE)

  • Politetrafluoretilenă (PTFE)

  • Polipropilenă (PP)

Membrane electrolitice polimerice

Membranele polimerice pot fi funcționalizate în membrane schimbătoare de ioni prin adăugarea de grupe funcționale foarte acide sau bazice, de exemplu acid sulfonic și amoniu cuaternar, permițând membranei să formeze canale de apă și să transporte în mod selectiv cationi sau anioni. Cele mai importante materiale funcționale din această categorie includ membranele de schimb de protoni și membranele de schimb de anioni alcalini , care se află în centrul multor tehnologii în tratarea apei, stocarea energiei, generarea de energie. Aplicațiile în tratamentul apei includ osmoza inversă , electrodializa și electrodializa inversată . Aplicațiile din stocarea energiei includ celule electrochimice reîncărcabile metal-aer și diverse tipuri de baterii cu flux . Aplicațiile din cadrul generării de energie includ celule de protoni de combustibil cu membrană de schimb (PEMFCs), pile de combustie cu membrană schimbătoare de anioni alcalin (AEMFCs), și atât osmotic- și bazate pe electrodializă putere osmotică sau energie albastră generație.

Elemente ceramice multicanale

Membrane ceramice

Membranele ceramice sunt realizate din materiale anorganice (cum ar fi alumina , titania , oxizi de zirconiu , carbură de siliciu recristalizată sau unele materiale sticloase). Spre deosebire de membranele polimerice, ele pot fi utilizate în separări în care sunt prezente medii agresive (acizi, solvenți puternici). De asemenea, au o stabilitate termică excelentă, care le face utilizabile în operații cu membrană la temperatură ridicată .

Chimia suprafeței

Unghiul de contact al unei picături de lichid umezite pe o suprafață solidă rigidă. Ecuația tânărului: γ LG ∙ cos θ + γ SL = γ SG .

Una dintre caracteristicile critice ale unei membrane sintetice este chimia acesteia. Chimia membranelor sintetice se referă de obicei la natura chimică și compoziția suprafeței în contact cu un flux de proces de separare. Natura chimică a suprafeței unei membrane poate fi destul de diferită de compoziția sa în vrac. Această diferență poate rezulta din partiționarea materialului într-un anumit stadiu al fabricării membranei sau dintr-o modificare de postformare a suprafeței intenționată. Chimia suprafeței membranei creează proprietăți foarte importante, cum ar fi hidrofilicitatea sau hidrofobia (legate de energia liberă a suprafeței), prezența sarcinii ionice , rezistența chimică sau termică a membranei, afinitatea de legare pentru particulele dintr-o soluție și biocompatibilitatea (în cazul bioseparărilor). Hidrofilicitatea și hidrofobicitatea suprafețelor membranei pot fi exprimate în termeni de unghi de contact cu apă (lichid) θ. Suprafețele membranei hidrofile au un unghi de contact în intervalul 0 ° <θ <90 ° (mai aproape de 0 °), unde materialele hidrofobe au θ în intervalul 90 ° <θ <180 °.

Umectarea unei frunze.

Unghiul de contact este determinat prin rezolvarea ecuației lui Young pentru echilibrul forței interfaciale. La echilibru, trei tensiuni interfațiale corespunzătoare interfețelor solid / gaz (γ SG ), solid / lichid (γ SL ) și lichid / gaz (γ LG ) sunt contrabalansate. Consecința mărimilor unghiului de contact este cunoscută sub numele de fenomene de udare , care este importantă pentru a caracteriza comportamentul de intruziune capilar (poros). Gradul de udare a suprafeței membranei este determinat de unghiul de contact. Suprafața cu unghi de contact mai mic are proprietăți de umectare mai bune (θ = 0 ° -umectare perfectă). În unele cazuri , lichidele cu tensiune superficială scăzută , cum ar fi alcoolii sau soluțiile de surfactant , sunt utilizate pentru a îmbunătăți umectarea suprafețelor membranei care nu umezesc. Energia liberă a suprafeței membranei (și hidrofilicitatea / hidrofobitatea aferentă) influențează fenomenele de adsorbție sau de murdărire a particulelor de membrană . În majoritatea proceselor de separare a membranelor (în special bioseparații), hidrofilicitatea suprafeței mai ridicată corespunde murdăriei inferioare. Încurcarea membranei sintetice afectează performanța membranei. În consecință, s-au dezvoltat o mare varietate de tehnici de curățare a membranelor. Uneori, murdărirea este ireversibilă , iar membrana trebuie înlocuită. O altă caracteristică a chimiei suprafeței membranei este încărcarea suprafeței. Prezența sarcinii schimbă proprietățile interfeței membrană-lichid. Suprafața membranei poate dezvolta un potențial electrocinetic și poate induce formarea straturilor de particule de soluție care tind să neutralizeze sarcina.

Morfologia membranei

Membranele sintetice pot fi, de asemenea, clasificate pe baza structurii lor (morfologie). Trei astfel de tipuri de membrane sintetice sunt utilizate în mod obișnuit în industria de separare: membrane dense, membrane poroase și membrane asimetrice. Membranele dense și poroase sunt distincte una de cealaltă în funcție de dimensiunea moleculelor separate. Membrana densă este de obicei un strat subțire de material dens utilizat în procesele de separare a moleculelor mici (de obicei în fază gazoasă sau lichidă). Membranele dense sunt utilizate pe scară largă în industrie pentru separarea gazelor și aplicații de osmoză inversă.

Membranele dense pot fi sintetizate ca structuri amorfe sau eterogene . Membranele dense polimerice, cum ar fi esteri de politetrafluoretilenă și celuloză, sunt de obicei fabricate prin turnare prin comprimare , turnare cu solvent și pulverizarea unei soluții de polimer. Structura membranei unei membrane dense poate fi într-o stare cauciucată sau sticloasă la o temperatură dată, în funcție de temperatura de tranziție sticloasă . Membranele poroase sunt destinate separării moleculelor mai mari, cum ar fi particulele coloidale solide, biomoleculele mari ( proteine , ADN , ARN ) și celulele din mediul de filtrare. Membranele poroase își găsesc utilizarea în aplicațiile de microfiltrare , ultrafiltrare și dializă . Există unele controverse în definirea unui "por de membrană". Cea mai frecvent utilizată teorie presupune un por cilindric pentru simplitate. Acest model presupune că porii au forma unor capilare cilindrice paralele, neintersectante. Dar, în realitate, un por tipic este o rețea aleatorie a structurilor inegale de diferite dimensiuni. Formarea unui por poate fi indusă prin dizolvarea unui solvent "mai bun" într-un solvent "mai slab" într-o soluție de polimer. Alte tipuri de structuri ale porilor pot fi produse prin întinderea polimerilor de structură cristalină . Structura membranei poroase este legată de caracteristicile polimerului și solventului care interacționează, concentrația componentelor, greutatea moleculară , temperatura și timpul de stocare în soluție. Membranele poroase mai groase asigură uneori suport pentru straturile subțiri de membrană densă, formând structurile de membrană asimetrice. Acestea din urmă sunt de obicei produse de o laminare a membranelor dense și poroase.

Vezi si

Note

Referințe

  • Pinnau, I., Freeman, BD, Formarea și modificarea membranelor , ACS, 1999.
  • Osada, Y., Nakagawa, T., Membrane Science and Technology , New York: Marcel Dekker, Inc, 1992.
  • Perry, RH, Green DH, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VII-a, McGraw-Hill, 1997.
  • Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Microfiltrare și Ultrafitrație , Principii și aplicații., New York: Marcel Dekker, Inc, 1996.
  • Mulder M., Principiile de bază ale tehnologiei membranelor , Kluwer Academic Publishers, Olanda, 1996.
  • Jornitz, Maik W., Filtrare sterilă , Springer, Germania, 2006
  • Jacob J., Pradanos P., Calvo JI, Hernandez A., Jonsson G. Cinetica murdară și dinamica asociată a modificărilor structurale. J. Coll și Surf . 138 (1997): 173–183.
  • Van Reis R., Zydney A. Tehnologia membranei bioprocesului. J Mem Sci . 297 (2007): 16-50.
  • Madaeni SS Efectul particulelor mari asupra microfiltrării particulelor mici J. Por Mat . 8 (2001): 143-148.
  • Martinez F., Martin A., Pradanos P., Calvo JI, Palacio L. .., Hernandez A. Adsorbția și depunerea proteinelor pe membranele de microfiltrare: rolul interacțiunilor solut-solid. J. Coll Interf Sci . 221 (2000): 254-261.
  • Palacio L., Ho C., Pradanos P., Calvo JI, Kherif G., Larbot A., Hernandez A. Încurcarea, structura și sarcinile membranei compozite de microfiltrare anorganică. J. Coll și Surf . 138 (1998): 291-299.
  • Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson ME, Belyea RL Rausch KD Separarea prin membrană a solidelor din fluxurile de procesare a porumbului. Biores Tech . 97 (2006): 1536-1545.
  • Zydney AL, Ho C. Efectul morfologiei membranei asupra capacității sistemului în timpul microfiltrării cu flux normal. Biotehnologie, Bioeng . 83 (2003): 537-543.
  • Ripperger S., Schulz G. Membranele microporoase în aplicații biotehnice. Bioproces Eng . 1 (1986): 43-49.
  • Ho C., Zydney A. Curățarea proteinelor membranelor de microfiltrare asimetrice și compozite. Ind Eng Chem Res . 40 (2001): 1412-1421.