Caracterización de Membranas Híbridas de Nanofiltración

Abstract

En este trabajo de investigación se han sintetizado membranas híbridas o compuestas de nanofiltración y se han estudiado tanto sus propiedades superficiales y estructurales como su comportamiento y rendimiento en filtración y ensuciamiento. La estructura de las membranas es asimétrica (bicapa). Sobre una primera capa de poliéster comercial se ha depositado una segunda capa de material híbrido cuyo compuesto principal es el polímero denominado polietersulfona (PES) al cual se han añadido nanopartículas de óxido de titanio (TiO2). La capa de polietersulfona fue preparada por el método de inversión de fases. Como disolventes primarios del polímero comercial en bruto se utilizaron N-metil-2-pirrolidona (NMP) y dimetilformamida (DMF) con una cierta cantidad adicional de etanol (EtOH) como co-disolvente. Una importante aportación de este trabajo ha sido precisamente el estudio del efecto de la concentración inicial de polímero en la disolución en relación con las propiedades de la capa de PES depositada, así como la influencia en las mismas del uso del etanol como co-disolvente. Pero la principal novedad de este trabajo es la incorporación en la estructura de la capa PES de la membrana de nanopartículas de TiO2 en la región de muy baja concentración. La mayoría de las publicaciones acerca de este material dopante se refieren al rango de altas concentraciones. Por el contrario, en este estudio se trabajó en un rango inusualmente bajo de concentraciones: de 0,035 ¿ 0,375 % en peso. Una parte importante del presente trabajo es la caracterización de las nanopartículas de TiO2 utilizadas para lo cual se llevaron a cabo los siguientes estudios: difracción de rayos X, distribución de tamaño de partícula, determinación de potencial zeta y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Se llegó a la conclusión de que las partículas son microcristalinas con las formas rutilo y anatasa y un tamaño de partícula aproximado de 20 a 50 nm. Una vez dispersadas las partículas en la disolución polimérica su tamaño aumenta por aglomeración en un orden de magnitud. La capa de polietersulfona se modificó mediante la dispersión previa de nanopartículas de TiO2 en el disolvente antes de la adición del polímero en bruto. Tras la deposición de la lámina de PES se ha investigado el efecto de la presencia de las nanopartículas de TiO2 en relación con la estructura y propiedades de la membrana y con sus capacidades permeantes. En cuanto a la caracterización de la membrana, se ha observado mediante el estudio del ángulo de contacto, ¿ , que la presencia de las partículas de óxido de titano le proporciona un carácter más hidrófilo (reducción de 75º a 55º en ¿). Además, los estudios SEM han mostrado que la estructura interna se modifica notablemente en las membranas dopadas, ya que aumentan la porosidad y el tamaño de los poros. Este efecto se explica por el obstáculo que representan las partículas de TiO2 durante el proceso de inversión de fases que origina poros mayores y más profundos. La caracterización funcional de las membranas se ha centrado en el estudio de las siguientes variables: permeabilidad al agua pura, flujo de agua (pura y en disoluciones) y rechazo de solutos (polietilenglicoles y colorantes típicos). En general, tanto la permeabilidad como el flujo de agua aumentan con la adición de nanopartículas con un valor óptimo en torno al 0,085 % en peso. En cuanto al rechazo de soluto, la presencia de nanopartículas tiene poca influencia en solutos hidrofóbicos (colorantes) y se observa una ligera reducción para solutos hidrofílicos (polietilenglicoles). Por último, se ha estudiado el ensuciamiento de las membranas para lo cual se han utilizado ácidos húmicos como sustancias orgánicas modelo. En general, la resistencia al ensuciamiento, determinada por la evolución temporal del flujo de permeado aumentó considerablemente en las membranas dopadas.