Membranas de Matriz Mixta. Efecto de las condiciones de síntesis en la morfología y el transporte de gases

ANALIA I. ROMERO; ESTELA M. ROMERO DONDIZ; MÓNICA L. PARENTIS; ELIO E. GONZO

Rio de Janeiro

Simposio; SIMPAM 2009. Simpósio de Processos de Separaçao com Membranas. I Workshop- Biorreatores com Membranas. II Workshop- Transporte Facilitado.; 2009

Laboratorio de Processos de separaçao com Membranas-PEQ-COPPE

Los materiales híbridos orgánicos-inorgánicos son crecientemente investigados para su aplicación como membranas intentando superar las limitaciones presentadas por las membranas poliméricas puras. Las propiedades del material inorgánico incorporado en la matriz polimérica como así también las condiciones de síntesis empleadas, conducen a la obtención de membranas de matriz mixta con características singulares.En el presente trabajo se exponen los resultados de incorporar sílice como material de relleno en membranas poliméricas de una polieterimida (PEI) comercial denominada ULTEM 1000, para lo cual se utilizaron dos mecanismos bien diferenciados. Se realizó la incorporación de sílice por dispersión en la solución polimérica, en cuyo caso se emplearon dos sílices comerciales de tamaño nanométrico con diferentes características superficiales (totalmente hidroxilada o funcionalizada con grupos Si(CH3)3). Por otro lado se utilizó el proceso sol-gel, el cual consiste en una serie de reacciones de hidrólisis y condensación hasta llegar a la formación de sílice, empleando tetraetoxisilano (TEOS) como precursor. Se utilizaron dos alternativas: polimerizar por separado el TEOS, o bien sintetizar la sílice dentro de la solución polimérica, modificando a su vez parámetros de síntesis tales como la temperatura, tiempo de agitación y solventes utilizados. Se analizó también el efecto del agregado de un agente de acoplamiento y la variación del contenido de sílice (5 -15%) sobre la morfología de las membranas sintetizadas.Las muestras fueron caracterizadas a través de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Eespectroscopia de IR (FTIR-ATR) y permeación de gases empleando  N2 y CO2 puros.Las imágenes de MEB de la sección transversal mostraron diferencias significativas en la morfología de las membranas sintetizadas. Las membranas poliméricas sin relleno presentan una morfología totalmente densa. En el caso de las membranas preparadas por dispersión, se observa que las partículas de sílice no se encuentran aisladas en la matriz polimérica, sino conformando aglomerados tipo ?cadenas?. En el caso de la técnica sol-gel, la variación de los parámetros de síntesis tiene un efecto directo en el aspecto macroscópico de la membrana, como así también en su morfología. Cuando el TEOS, parcialmente hidrolizado previamente, se vierte sobre la solución polimérica, se observa la formación de dominios de sílice segregados de la matriz. Este inconveniente se supera, en parte, cuando se hidroliza el alcóxido en la solución polimérica y parece ser superado al redisolver las membranas en el solvente utilizado para su síntesis y extenderlas nuevamente.Los estudios de ATR-FTIR permiten realizar un seguimiento del proceso de hidrólisis y condensación de TEOS, observando las bandas  correspondientes a vibraciones de estiramiento asimétrico de los enlaces Si-O-Si.En relación a las propiedades de transporte, se compararon las permeabilidades a N2 y CO2 de las membranas de matriz mixta y las membranas poliméricas, calculando las permeabilidades relativas (referidas a las membranas poliméricas puras) y las selectividades. Se observa en todos los casos, independientemente del tipo de sílice o precursor de la misma empleado, que la permeabilidad relativa aumenta levemente con el agregado del relleno inorgánico. Sin embargo, la selectividad CO2/N2 es menor a la de la membrana sin relleno.