Membranas cerámicas. Tipos, métodos de obtención y caracterización

B O L E T I N D E L A S O C I E DA D E S PA Ñ O L A D E

Cerámica y Vidrio

        A        R        T        I        C        U        L        O

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Membranas cerámicas.

Tipos, métodos de obtención y caracterización.[pic 2][pic 3]

J.M. BENITO, A. CONESA, M.A. RODRÍGUEZ

Instituto de Cerámica y Vidrio (CSIC), 28049 Cantoblanco, Madrid

Esta revisión resume los últimos avances en tecnología de membranas cerámicas. En los últimos años estas membranas y sus módulos vienen compitiendo con las membranas orgánicas en muchas aplicaciones debido a que muestran una alta estabilidad térmica y química, un largo periodo de funcionamiento y una gran facilidad para ser limpiadas. Uno de los métodos usados para su obtención es el proceso sol-gel, el cual es considerado uno de los mejores para la síntesis de membranas cerámicas debido a su facilidad para conseguir membranas delgadas de tamaños de poro nanométrico y con estrechas distribuciones de tamaño de poro. Métodos de caracterización tales como medidas de permeabilidad, punto burbuja, adsorción-desorción de N2, porosimetría de Hg  y microscopía permiten conocer la estructura de la membrana.

Palabras clave: Membranas, cerámica, obtención, caracterización, sol-gel.

Ceramic membranes. Types, preparation methods and characterization  

The following review summarizes the last advances in technology of ceramic membrane. In the last years these membranes and their modules compete with organic membranes in many applications due to their high thermal and chemical stability, long life and good defouling properties. The sol-gel process is considered one of the best methods for ceramic membranes synthesis, because of its ability to make thin membrane top layers of nanoscale pore diameter, with narrow pore size distribution. Characterization methods such as gas permeation, bubble point test, N2 adsorption-desorption, Hg penetration and microscopy allow to know the structure of the membrane.  

Key words: Membranes, ceramic, preparation, characterization, sol-gel.  

1. INTRODUCCIÓN  

Se denomina membranas a las barreras delgadas entre dos fases, a través de las cuales, bajo la acción de una fuerza (normalmente una diferencia de presión o de concentración), tiene lugar un transporte. Los procesos capilares, fenómenos de adsorción y la carga superficial de estas membranas juegan un papel importante en las retenciones y separaciones. Estos dispositivos se introdujeron en procesos de separación hace más de 40 años y desde entonces han experimentado grandes avances.

Los procesos de separación en membranas se clasifican en varios tipos: filtración (diámetros de poro de más de 104 nm), microfiltración (entre 102 y 104 nm), ultrafiltración (entre 1 y 102 nm) y ósmosis inversa (con diámetros de poro menores de 1nm)(1).

Los requisitos que debe cumplir una membrana son una alta  permeabilidad y selectividad, resistencia mecánica adecuada, estabilidad química y térmica en las  condiciones de trabajo, baja velocidad de obstrucción, un largo y fiable funcionamiento  y una relación coste/producción mejor que otros procesos de separación(2).

Teniendo en cuenta estas necesidades, se puede comprobar, que al comparar por ejemplo las membranas poliméricas con las inorgánicas, las primeras cumplen con la mayoría de las mismas, por lo que no es de extrañar, que el comercio mundial de membranas lo domine actualmente las poliméricas. Sin embargo, se está empleando un gran esfuerzo en el desarrollo de las membranas inorgánicas, a fin de solventar los problemas que presentan las poliméricas en algunas condiciones de trabajo. Estas aplicaciones especiales de las membranas inorgánicas se encuentran en separaciones a altas temperaturas,  en condiciones de trabajo donde se empleen grandes esfuerzos mecánicos, separaciones en medios agresivos, medios donde exista peligro de ataque de microorganismos, etc(3),(4). Aunque por supuesto, presentan también algunas limitaciones: fragilidad frente a esfuerzos de tracción (sobre todo en soportes), delaminación, no poseer la resistencia necesaria a la hora de realizar su mecanizado y sus altos costes de obtención(5).

Los productos denominados membranas inorgánicas, actualmente se consideran únicamente como tamices moleculares (es decir separan por tamaños), pero esta es una visión muy reducida de lo que en verdad son. Una definición más precisa sería aquella que los define como materiales asimétricos y porosos formados por un soporte macroporoso seguido de una o varias capas  delgadas sucesivas depositadas sobre él(6). Esta descripción es más exacta y es la que muchos autores aceptan, pero dejaría fuera a un bloque importante como es el de las membranas densas. Así, las membranas inorgánicas se pueden dividir en dos grupos: membranas densas (que pueden ser de metales, híbridas inorgánicas-orgánicas o de óxidos mixtos)(7) y membranas porosas.

La clasificación del tamaño de poro recomendado por la IUPAC es la siguiente(6): macroporos φ > 50 nm, mesoporos 2 nm < φ < 50 nm y microporos φ < 2 nm, aunque existen muchos autores que prefieren utilizar el término de nanoporos para diámetros menores de 10 nm y así poder diferenciar entre poros de tamaño micrométrico y nanométrico.

Así mismo las membranas porosas se pueden clasificar, atendiendo a los materiales que las forman, en(5): cerámicas, metálicas, de carbono, vítreas y zeolíticas.

La tabla I resume el mercado mundial de membranas inorgánicas. Los valores del año 2002 son predicciones, hechas a partir de los años anteriores.

Tabla 1 Mercado Mundial de MeMbranas inorgánicas (Millones $ usa)(5).

Como se puede observar las membranas cerámicas son las que han provocado el empuje en el mercado de las membranas inorgánicas en los últimos años. Esto se debe sobre todo a sus aplicaciones en entornos químicamente agresivos, a altas temperaturas y presiones y también el precio de fabricación, que aunque es más alto que las membranas poliméricas, resulta económico para su uso durante periodos de tiempo largos(3).

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