Membranas cerámicas. Tipos, métodos de obtención y caracterización

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También es de destacar el crecimiento que han experimentado las membranas metálicas, sobre todo las de acero inoxidable. La durabilidad, la facilidad para limpiarlas y la regeneración son las principales características de este material, sin embargo aún no se ha introducido por completo en el mundo de las membranas(5).

La aparición de las membranas compuestas de fibras de carbono (CFCC), también ha contribuido a incrementar este impulso de las membranas inorgánicas. Estas compiten con las anteriores en separaciones en medios agresivos(5).

El desarrollo de las membranas cerámicas ha provocado una disminución en el estudio y desarrollo de otro tipo de membranas, como son las vítreas. Se pueden encontrar algunas aplicaciones de ellas, como son separaciones de gases y separaciones de emulsiones de aceite(8), sin embargo su fragilidad no las hace aptas para cualquier medio.

Se está empleando mucho esfuerzo, desde hace años, en el desarrollo de membranas zeolíticas con diámetros de poro de dimensiones moleculares, sobre todo en aplicaciones de separación de gases(9).

Este artículo se centra en membranas cerámicas, dando una visión general de su funcionamiento, estructura y materiales de los que se obtienen.

2.CONFIGURACIONES

Actualmente, las membranas cerámicas se comercializan en distintas configuraciones. Así, existen dos grupos bien diferenciados: con forma de disco plano y con forma tubular, siendo esta última la que domina absolutamente el campo. Los monolitos multicanal y entre ellos las estructuras de nido de abeja (honeycomb) se consideran una variación tubular; así como también las fibras huecas, que son básicamente tubos delgados y capilares(5).

La causa de la aparición de los monolitos multicanal se produjo debido a la competencia que existe en el mercado mundial de membranas entre membranas cerámicas y poliméricas. Las membranas poliméricas se pueden obtener hoy en dia con una alta relación superficie/volumen. Teniendo en cuenta esto, todos los esfuerzos se centraron en conseguir un aumento de esta relación en membranas cerámicas. Estas investigaciones dieron lugar a la aparición de los monolitos multicanal y más tarde las estructuras de nido de abeja(10).

2.1. Membranas con forma de disco plano

En vista de la necesidad que tienen las membranas actuales de poseer un área superficial filtrante lo mayor posible, el uso de la configuración de disco plano ha disminuido en favor de las tubulares, sin embargo su utilización está bastante generalizada y existen muchas membranas cerámicas que se comercializan con esta forma. Ejemplo de esto son los discos Anodisc(5), comercializados por Whatman, que consisten en discos de alúmina utilizados para procesos de microfiltración como pueden ser la separación de emulsiones de aceite en agua, en donde se utilizan estructuras asimétricas que tienen un soporte de 0.2 µm de tamaño de poro(11). También los microfiltros fabricados por Osmonics que son utilizados comúnmente para aplicaciones médicas(5). Una muestra de las aplicaciones del material cerámico como elemento idóneo para la obtención de filtros lo podemos observar en los discos de Kerafil, los cuales son capaces de operar a temperaturas superiores a 800oC y presiones de hasta 1MPa(5).

2.2. Membranas con forma tubular

A parte de poseer un área superficial mayor que las anteriormente citadas, el incremento del mercado de esta configuración también se ha debido a que ofrecen un buen compromiso entre resistencia a la presión y adaptabilidad a procesos continuos de flujo transversal (crossflow). En la actualidad, en procesos continuos se prefiere trabajar en régimen de flujo transversal en lugar de frontal con el fin de evitar posibles obstrucciones de los poros de la membrana(10). En la primera generación de membranas cerámicas tubulares, los principales problemas estaban en que requerían una alta energía para bombear un fluido a su través y que poseían una baja relación superficie/volumen. Estos problemas fueron en parte subsanados gracias a la segunda generación que ha aparecido en los últimos años, la cual presenta una estructura monolítica con relaciones más altas superficie/volumen, manteniendo las propiedades intrínsecas de estas membranas (10). Actualmente se está poniendo mucho esfuerzo y dinero en el desarrollo de estos materiales, y se han realizado estudios donde se utilizan esta configuración para distintas aplicaciones, como por ejemplo el uso de configuraciones tubulares multicapa para separación de gases, donde hay una reducción progresiva del tamaño del poro, desde la capa filtrante hasta el soporte y se pueden utilizar tanto para la recuperación de hidrógeno(12), como para la separación de mezclas de gases de CO2 y CH4(13). Dentro de las fibras huecas, se están obteniendo interesantes membranas, como las obtenidas por TNO con una relación superficie/volumen de más de 1000m2/m3(14). En reactores catalíticos la configuración predominante es la tubular (estructuras abiertas, cerradas, fibras huecas, monolitos multicanal) aunque aún se utiliza la forma de disco plano(15); también existen aplicaciones en separaciones líquidas y de emulsiones(16) y en la industria alimentaria(17).

En los últimos años están apareciendo algunos estudios de sistemas con estructuras de nido de abeja, en los cuales se puede observar que todavía queda mucho por avanzar en obtención y desarrollo. C. Agrafiotis et al(18) emplea soportes de cordierita y deposita sobre ellos capas de γ-alúmina producidas por procesos sol-gel.

En la fig. 1 se puede observar un sistema multicanal que trabaja en un régimen transversal. De este tipo son las membranas Membralox de U.S. Filter/CMP, las cuales tiene una capa filtrante en el lado interno de cada canal(5).

Las configuraciones multicanal, se comercializan en módulos montados en paralelo, para conseguir así una mayor superficie y una eficiencia de filtración mayor.

Otros sistemas de este tipo que se comercializan son por ejemplo los Celtex Filter que pertenecen a Corning, y consisten en sistemas multicanal de cordierita-mullita. Ceramem comercializa membranas con estructuras de nido de abeja. Èstas poseen soportes de cordierita y los canales internos son de 1,8 mm(10).

3. FUNCIONAMIENTO Y PROCESOS

3.1. Mecanismos de separación

Los procesos de separación a través de membrana se pueden clasificar según el tipo de membrana usada (microfiltración, ultrafiltración…). Otra forma común