¿Qué es la filtración por membrana?
Los procesos de separación mediante membranas son muy demandados en la industria, ya que separar moléculas o pequeñas partículas es fundamental para la calidad de muchos productos, por ejemplo, la microfiltración sobre membranas se está convirtiendo en una forma muy popular de obtener agua potable a partir de diferentes fuentes, como agua superficial o agua de mar, siendo la desalinización del agua por esta vía un importante método para disponer de gua de excelente calidad o una forma muy eficiente de eliminar los contaminantes, sustancias y patógenos que se han incorporado al agua en estos días.
Las membranas son selectivas para el paso de ciertos componentes. Fuente: @emiliomoron.
¿Qué es la filtración por membrana?
La filtración por membrana es un proceso de separación física que permite retirar moléculas de diferentes tamaños y características de una corriente de gas o líquido que atraviesa una membrana semipermeable de material sólido. Las membranas que se utilizan en el proceso constituyen una barrera física elaborada con materiales de características muy especifican que retiene o evitan el paso de ciertas moléculas y permiten el flujo de otras que han sido seleccionadas.
Por lo general, las moléculas se mueven desde una zona de alta concentración a una de baja concentración mediante la aplicación de presión externa para forzar el paso del fluido a través de los poros del material filtrante, la diferencia de presión aplicada en ambos lados de la membrana causa que el fluido permee a través del material, separándolo en dos corrientes: el permeado y el retenido.
La membrana separa el flujo en dos corrientes. Fuente: @emiliomoron.
Tipos de filtración
Existen cuatro tipos de procesos de filtración por membranas, siendo estos la microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa, esta clasificación se realiza en base al tamaño de poro de la membrana utilizada.
Microfiltración:
Este tipo comprende la filtración con membranas cuyo diámetro de poro van de 0,1 a 10 µm, y están diseñadas especialmente para evitar el paso de sólidos en suspensión, partículas coloidales y bacterias.Ultrafiltración:
En este caso las membranas utilizadas tienen tamaños de poro más pequeños, que van de 0,01 a 0,1 µm, siendo empleadas para evitar el paso de proteínas, grasas y polisacáridos.Nanofiltración:
Las membranas para este tipo de filtración constan de dos capas, una capa porosa de 50 a 150μm sobre la cual se coloca una película fina, <1 μm, proporcionando selectividad para iones pequeños, están membranas son capaces de filtrar sales multivalentes y los solutos no cargados, así como partículas orgánicas como bacterias, proteínas y azucares, permitiendo el paso de algunas sales monovalentes.Osmosis inversa:
La membrana empleada en este caso contiene poros lo más pequeños posible, siendo capaz de evitar el paso de todos los iones monovalentes permitiendo solamente el paso de las moléculas de agua en las soluciones acuosas, rechazando al mismo tiempo virus y bacterias que se encuentran en el flujo de alimentación, por ello una de las aplicaciones más comunes Las aplicaciones más comunes de la filtración por ósmosis inversa es la desalinización del agua de mar y el tratamiento de agua para la industria.
Tipos de filtración por membranas. Fuente: @emiliomoron.
A su vez, la filtración por membrana se puede clasificar según la dirección de flujo, pudiendo ser de dos tipos, frontal o tangencial, siendo la diferencia entre ambas en que en la primea el fluido circula de forma paralela al material filtrante mientras que en la segunda fluye de forma perpendicular. La filtración tangencial suele ser la preferida ya que hay menos posibilidad de obstruir el filtro.
Avances en el campo de la filtración con membranas
Dadas las ventajas de este proceso de filtración, los adelantos recientes se centran en la investigación y desarrollo de nuevas membranas. En este sentido muchos investigadores buscan materiales de una sola capa cuya integridad soporte los requerimientos operativos del proceso de filtración; muchos científicos han intentado perforar materiales de grafeno para la fabricación de membranas, ya que, los materiales bidimensionales se pueden perforar con mucha precisión para obtener poros de un tamaño deseado, pero esto es sumamente difícil de hacer sin dañar el material, puesto que pierde sus propiedades mecánicas en el proceso.
Es por ello que científicos de Bielefeld, Bochum y Yale han logrado fabricar una capa de dióxido de silicio bidimensional (2D) que contiene poros naturales adecuados para la separación de moléculas e iones, así lo dieron a conocer mediante una publicación de sus resultados y método de fabricación de este material bicapa en la revista Nano Letters. Este tipo de material es de gran interés para la industria ya que podrían aportar grandes beneficios en muchos procesos, como la desalinización y purificación de agua o implementarse en nuevos tipos de pilas de combustible.
Este equipo ha logrado algo muy importante en el desarrollo de membranas moléculas, ya que según resultados, el dióxido de silicio bidimensional tiene una densidad muy alta de poros que es muy difícil de obtener en membranas artificiales.
Para fabricar esta membrana, los autores utilizaron un método denominado deposición de capas atómicas (ALD), con ello lograron hacer crecer películas de gran superficie sobre sustratos de Au/mica; luego, mediante un proceso de alta presión se le dieron a las capas su forma bidimensional. Posteriormente se probó el material mediante experimentos de permeación con sustancias gaseosas y vaporosas.
Los resultados señalan que, especies condensables como el agua y el alcohol vaporizados penetraban en la capa de óxido de sílice 2D, mientras que los gases nitrógeno y oxígeno no podían pasar.
Especies como alcohol y agua atraviesan la membrana. Fuente: @emiliomoron.
Aunque los resultados son prometedores, y este tipo de material tiene una gran demanda, aun es necesario profundizar en cuantas y que tipo moléculas pueden adherirse a la superficie de la membrana o cuales pueden penetrarla, sin embargo los resultados preparan el camino para explorar otros óxidos bicapa como membranas de separación, poniéndolos en la vanguardia del desarrollo de purificación de agua o de almacenamiento de energía.
Bueno amigos, como vemos el desarrollo de las membranas esta haciendo posible realizar un tratamiento más refinado de fluidos mediante estos procesos de filtración, siendo de especial interes obtener agua de calidad para distintos procesos, incluida la potabilizacion de agua para consumo humano.
Espero les haya gustado la información, ¡hasta la próxima!
Referencias
Synderfiltration.com. Pressure-Driven Membrane Filtration Processes
Wikipedia.com. Filtración de flujo cruzado.
Daniil Naberezhnyi, Lukas Mai, Nassar Doudin, Inga Ennen, Andreas Hütten, Eric I. Altman, Anjana Devi, and Petr Dementyev (2022). Molecular Permeation in Freestanding Bilayer Silica.
Nano Letters 22 (3), 1287-1293.
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