Efecto del peso molecular y la concentración del aditivo de membranas de polietersulfona en su modificación superficial por plasma.

MERCEDES L. MÉNDEZ; LAURA PALACIO; VERÓNICA B. RAJAL; ELZA CASTRO VIDAURRE; JOSÉ I. CALVO; PEDRO PRÁDANOS

Salta

Congreso; VIII Congreso Ibero-Americano en Ciencia y Tecnología de Membranas (CITEM-2012); 2012

I. Introducción En los procesos separativos por membranas, generalmente, se emplean materiales polímericos para la preparación de las mismas, siendo preferidos los de naturaleza hidrofóbica debido a sus excelentes propiedades de procesabilidad, estabilidad química y térmica, con la principal desventaja de ser más suceptible al encuciamiento (fouling), reversible e irreversible, que los polímeros hidrofilicos. Por este motivo, como una forma de aumentar la hidrofilia, se agregan ciertos aditivos en la preparación de la solución polimerica que dará origen a las membranas. Estos aditivos, como otros parámetros intervinentes en la síntesis de membranas, producen cambios en la estructura morfológica y fisicoquímica de las membranas [1-3]. Así, el objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto que tiene un aditivo en particular (polietilenglicol, PEG), de forma directa o indirecta, en la modificación superficial por plasma realizada después de la síntesis. La modificación por plasma consistió en un tratamiento de argón seguido de una polimerización por plasma de acido acrílico. El objetivo de estas modificaciones, al igual que el agregado de aditivos en la síntesis de membranas, es mejorar el rendimiento de las mismas produciendo cambios en la superficie que aumenten su resistencia al ensuciamiento (fouling). II. Metodología experimental II.1 Preparacion de membranas: Las soluciones polimericas empleadas se prepararon a partir de Polietersulfona (PES) al 20 % p/p y PEG de diferente peso molecular (PM: 400, 1000 y 10000 Da) a dos concentraciones (15 y 20 % p/p), disuelto en dimetilacetamida. El proceso empleado para la preparación de las membranas fue el de inversión de fase por inmersión en un baño de no solvente (agua). Durante este procedimiento se controlaron la temperatura del baño (25ºC) y la temperatura y humedad ambiente (25ºC y 50% respectivamente). II.2 Modificación por plasma:Para la deposición por plasma se utilizó un reactor marca Harrick Plasma de tipo inductivo y de radiofrecuencia (8-12 MHz), que dispone de una entrada de gases proveniente de un mezclador de flujo de gases, PlasmaFlo-Harrick Plasma. El reactor se encuentra conectado a un sistema de vacío formado por dos bombas conectadas en serie, una mecánica y otra difusora. La presión final alcanzada fue de 75 mTorr. El tramiento por plasma consistió en una primera modificación con plasma de Ar a una presión de 150 mTorr por un tiempo de 10 minutos y posteriormente se realizó una polimerización por plasma de acido acrílico (AA) a una presión de 250 mTorr por un tiempo de 30 minutos. II.3 Caracterización Morfologica: Se realizó microscopia electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM), obteniendose imágenes superficiales y de cortes transversales. Se realizó, también, porosimetria de desplazamiento líquido- líquido (DLLP) la que permitió obtener el tamaño promedio de poro, porosidad y peso molecular de corte (MWCO) estimado de todas las membranas estudiadas. El método de DLLP empleado fue a flujo constante. II.4 Caracterización físico-química: Se realizó espectroscopia de Infrarrojo (ATR), para determinar la presencia del aditivo incorporado en la síntesis y la formación del film polimerizado por plasma, y ángulo de contacto (CA), reportando el valor promedio de las membranas sin modificar y modificadas por plasma. Además, se midió el potencial zeta de las membranas, en función del pH de una solución de Cl, el que es sustituido de forma gradual con cationes de Na+. II.5 Caracterización funcional: Se midió la permeabilidad (Lh), después de un periodo de compactación de una hora a 200kPa, registrándose de forma automática los valores de flujo másico, en estado estacionario, para diferentes presiones transmembrana. III. Resultados Modific. Memb. PM–Conc. de PEG CA [º] gs [mJ/m2] Lh [nm/s.Pa] Rg [nm] Sin PES solo 66.7±0.8 42.7 ± 0.4 0.03 5.2 400-15 63.29±0,2 45.84 ± 0.1 0.6 15.7 1000-15 60.41±0.5 47.59 ± 0.3 0.3 10.2 10000-15 59.03±0.3 48.42 ± 0.2 0.1 9.5 400-20 59.5± 0.3 48.4 ± 0.4 0.3 16.2 1000-20 51.8 ± 0.3 52.6 ± 0.2 0.5 8.4 10000-20 49.4 ± 0.7 54.6 ± 0.4 0.1 4.9 Con Ar y AA PES solo 44.2 ± 0.9 62.7 ± 0.5 0.2 3.4 400-15 40.3 ± 2 59.2 ± 1.3 Nd 5.6 1000-15 36.5 ± 0.7 61.3 ± 0.4 Nd 4.2 10000-15 36.3 ± 0.7 61.5 ± 0.4 0.9 7.3 400-20 33.3 ± 0.6 62.8 ± 0.2 0.5 3.7 1000-20 37.4 ± 0.7 60.7 ± 0.4 0.6 4.9 10000-20 39.7 ± 0.4 59.5 ± 0.2 0.1 4.9 Después de la modificación por plasma, de las imágenes de SEM superficiales, se observó una capa depositada la que disminuye la rugosidad superficial (Rg), como muestran los resultados de AFM (Tabla 1 y Figura 1b). De las imágenes de SEM transversales se observó una ablasión de la capa selectiva, notable en las membranas preparadas con PEG de menor PM, que puede estar producida por el plasma de Ar. De los resultados de DLLP, el rp disminuye a medida que aumenta el PM del aditivo para ambas concentraciones. Después de la modificación por plasma el radio de poro aumenta considerablemente para las membranas sin aditivo y con PEG400, de 6 nm a 25nm aproximadamente. Mientras que, para PEG 1000 se observa un aumento en menor proporción del tamaño de poro y para las membranas con PEG10000 el radio de poro disminuye. Esto concuerda con la ocurrencia de la mencionada ablación por el plasma de Ar, la que dejaría al descubierto poros de mayor tamaño que no alcanzan a ser reducidos o cubiertos durante la polimerización por plasma de AA. La presencia del film polimerico despositado en la superficie también es corroborado por la presencia de grupos carboxílicos determinados por ATR. IV. Conclusiones Los estudios permitieron evaluar los efectos producidos por el aditivo, agregado en la síntesis de las membranas, en las propiedades finales de las membranas después de la polimerización por plasma de AA. Así este es un factor a considerar cuando se realizan modificaciones superficiales. V. Bibliogafía [1] B. Chakrabarty, A.K. Ghoshal, M.K. Purkait. Effect of molecular weight of PEG on membrane morphology and transport properties, J Memb Sci; 309(2008) 209-221. [2] A. Idris, L.K. Yet. The effect of different molecular weight PEG additives on cellulose acetate asymmetric dialysis membrane performance, J Memb Sci; 280(2006) 920-927. [3] Y. Liu, G.H. Koops, H. Strathmann. Characterization of morphology controlled polyethersulfone hollow fiber membranes by the addition of polyethylene glycol to the dope and bore liquid solution, J Memb Sci; 223(2003) 187-199.