Prefacio: En la parte anterior de este artículo, Navegando por el mundo de los filtros de membrana: Tipos, Usos y Beneficios (Ⅰ), hemos tratado una visión general de las membranas de filtración y hemos introducido los dos tipos más comunes de membranas de filtración, las membranas de filtración poliméricas, incluyendo la Polietersulfona (PES) y el Fluoruro de Polivinilideno (PVDF), y las Membranas de Filtración Cerámicas, y hemos descrito su preparación y aplicaciones. Stanford Advanced Materials (SAM) continuará presentándole otros tipos de membranas: membranas nanoestructuradas, marcos metal-orgánicos y membranas filtrantes compuestas.
5 Membranas nanoestructuradas
5.1 Membranas de nanotubos de dióxido de titanio (TiO2)
5.1.1 ¿Qué son las membranas de nanotubos de dióxido de titanio (TiO2)?
Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono en 1991, los nanomateriales de estructura tubular han atraído mucha atención debido a sus propiedades fisicoquímicas únicas y a sus prometedoras aplicaciones en microelectrónica, catálisis aplicada, conversión fotovoltaica, etc. El TiO2, con sus ventajas de buena absorción ultravioleta, alta constante dieléctrica y propiedades químicas estables, se utiliza ampliamente en los campos de la fotocatálisis, los recubrimientos de células solares, la anticorrosión, la purificación del aire y el tratamiento de aguas residuales, entre otros. Los nanotubos de dióxido de titanio suelen tener un diámetro de unos pocos a decenas de nanómetros, mientras que la longitud puede oscilar entre unos cientos de nanómetros y varios micrómetros. Este tamaño a nanoescala permite que los nanotubos de dióxido de titanio tengan una elevada superficie específica, una alta capacidad de batería y propiedades fotovoltaicas especiales, lo que hace que las membranas de nanotubos de dióxido de titanio tengan una amplia gama de aplicaciones en fotocatálisis, preparación de dispositivos fotovoltaicos, preparación de sensores y las consiguientes áreas de reacción relacionadas, como la purificación y el tratamiento del agua y el aire.
Fig. 6 Microestructura de los nanotubos de dióxido de titanio
5.1.2 Métodos de síntesis de membranas de nanotubos de dióxido de titanio (TiO2)
Entre los métodos habituales de preparación de películas finas de nanotubos de TiO2 se encuentran el método de solución, el método de deposición en fase vapor y el método electroquímico.
El método de solución se basa en precursores de TiO2 en solución y, en condiciones específicas (por ejemplo, temperatura, pH, disolvente, etc.), se forman películas de nanotubos de TiO2 controlando los procesos de precipitación, disolución y crecimiento de cristales. El método de disolución es el más utilizado debido a las ventajas de un proceso sencillo y barato, así como a la capacidad de controlar mejor la morfología del tamaño.
La deposición en fase de vapor utiliza precursores de TiO2 en fase gaseosa para formar películas finas depositándolas sobre la superficie de un sustrato en un entorno de alta temperatura. Este método incluye tanto la deposición química en fase vapor (CVD) como la deposición física en fase vapor (PVD). En el método CVD, se forma una película de TiO2 introduciendo un compuesto precursor gaseoso en una cámara de reacción y descomponiéndolo y depositándolo sobre la superficie del sustrato a altas temperaturas. En el método PVD, se utiliza un proceso físico (por ejemplo, pulverización catódica, evaporación) para convertir el material fuente de TiO2 sólido en estado gaseoso, que se deposita a continuación sobre la superficie del sustrato. Entre las ventajas del método de deposición de vapor para preparar películas de nanotubos de TiO2 cabe citar la menor cantidad de impurezas producidas durante el proceso de preparación y la mayor calidad de la película.
Los métodos electroquímicos utilizan reacciones electroquímicas para depositar películas de nanotubos de TiO2 sobre la superficie del electrodo. Una técnica común es la anodización, en la que se forma una capa de óxido en la superficie de un sustrato aplicando un voltaje en un electrolito específico, y esta capa de óxido se utiliza después como plantilla para hacer crecer nanotubos de TiO2 en condiciones específicas. Las ventajas de este método incluyen la simplicidad del proceso de preparación, la facilidad de manipulación y el hecho de que puede realizarse a temperatura ambiente.
5.1.3 Dónde se utilizan las membranas de nanotubos de dióxido de titanio (TiO2)
1. Tratamiento del agua: Las membranas de nanotubos de dióxido de titanio pueden utilizarse en el tratamiento de aguas para la eliminación de microcontaminantes y la mejora de la calidad del agua. Su elevada superficie específica y sus propiedades fotocatalíticas le permiten adsorber y degradar eficazmente contaminantes como la materia orgánica, los iones de metales pesados y los microorganismos presentes en el agua, y realizar la purificación y desinfección del agua. Por ejemplo, la combinación de la membrana de nanotubos de dióxido de titanio con la tecnología fotocatalítica puede estimular la producción de especies activas de oxígeno mediante la irradiación de luz ultravioleta, eliminando los contaminantes orgánicos y las bacterias del agua.
2. Purificación del aire: Las membranas de nanotubos de TiO2 también pueden utilizarse para la purificación del aire, eliminando sustancias orgánicas transportadas por el aire, COV (compuestos orgánicos volátiles), formaldehído y otros gases nocivos. De forma similar a las aplicaciones en el tratamiento del agua, las propiedades fotocatalíticas de estas membranas pueden utilizarse para irradiar luz ultravioleta sobre la membrana, promoviendo la degradación y eliminación de gases nocivos.
3. Filtración de partículas: Aunque las membranas de nanotubos de dióxido de titanio son principalmente fotocatalíticas, su estructura tubular a nanoescala también las hace capaces de filtrar partículas en cierta medida. Aunque este rendimiento de filtración puede no ser tan eficiente como el de otros materiales de filtración, sigue teniendo un cierto efecto de filtración en escenarios de aplicación específicos y puede utilizarse como una capa de filtración adicional.
5.2 Membranas de óxido de grafeno (GO)
5.2.1 Introducción a las membranas de óxido de grafeno (GO)
El óxido de grafeno (GO) es un óxido de grafeno. Tras la oxidación, aumenta el número de grupos funcionales que contienen oxígeno en el grafeno, lo que lo hace más reactivo y mejora sus propiedades a través de diversas reacciones con grupos funcionales que contienen oxígeno. El GO es una sola capa atómica que puede escalarse fácilmente hasta decenas de micrómetros en dimensión lateral. Como tal, su estructura abarca escalas típicas de la química general y la ciencia de los materiales. Los copos de óxido de grafeno son el producto de la oxidación química y la exfoliación del polvo de grafito. Puede considerarse un tipo no tradicional de material blando con propiedades de polímeros, coloides y películas finas, así como de moléculas anfifílicas.
El óxido de grafeno tiene un gran contenido de oxígeno (por ejemplo, grupos hidroxilo, grupos carboxilo, etc.), que forma defectos y grupos funcionales entre las capas de grafeno, lo que conduce a la formación de estructuras microporosas en los huecos entre capas. Estas estructuras microporosas confieren a las membranas filtrantes de óxido de grafeno un alto grado de superficie y permeabilidad. Estas estructuras microporosas pueden utilizarse tanto para filtraciones físicas, es decir, para bloquear o dejar pasar selectivamente moléculas de líquidos o gases en función del tamaño de los microporos, como para eliminar sólidos en suspensión, solutos, microorganismos, etc. Los grupos funcionales de la superficie de la membrana de filtración de óxido de grafeno también pueden quimisorberse con moléculas de soluto, de modo que las moléculas de soluto se adsorben o adhieren a la superficie de la membrana de filtración, eliminando así la materia orgánica, los iones de metales pesados y otros contaminantes presentes en el líquido o el gas. Al mismo tiempo, los grupos funcionales en la superficie de la membrana de filtración de óxido de grafeno pueden estar cargados positiva o negativamente, y estos efectos de carga pueden afectar a la adsorción y distribución de las moléculas de soluto en la superficie de la membrana de filtración, realizando así la filtración selectiva de solutos específicos.
Además, algunas membranas de filtración de óxido de grafeno tienen actividad fotocatalítica, es decir, cuando se exponen a la luz, el óxido de grafeno en la superficie puede generar especies reactivas de oxígeno, tales como radicales hidroxilo e iones superóxido, etc., que pueden oxidar y degradar la materia orgánica, realizando así la degradación y eliminación de contaminantes orgánicos en el agua.
Fig. 7 Estructura del óxido de grafeno (GO)
5.2.2 Diferentes métodos de preparación de las membranas de óxido de grafeno (GO)
El óxido de grafeno se obtiene mediante la reacción de oxidación del grafeno, generalmente utilizando dos métodos: el método Hummers y el método Brodie.
1. Método Hummers: El grafeno se mezcla con ácido sulfúrico concentrado y se agita para hacer contacto completo, luego se agrega ácido nítrico y la reacción se agita a menos de 5℃, después de lo cual se agrega peróxido de hidrógeno enfriado a la reacción, y se agrega una gran cantidad de agua para diluir la solución de reacción al final de la reacción, y el óxido de grafeno se obtiene por filtración, lavado, secado y otros pasos.
Fig. 8 Preparación de óxido de grafeno por el método Hummers
2. Método Brodie: polvo de grafito y ácido nítrico concentrado mezclados, mientras se agita se añade ácido sulfúrico frío, la oxidación de ácido nítrico de la reacción de grafito produce NO2, después del final de la reacción, añadir una gran cantidad de agua para diluir la solución de reacción, después de la filtración, lavado, secado y otros pasos para obtener óxido de grafeno.
Una vez obtenido el óxido de grafeno, se puede fabricar en láminas delgadas utilizando diversas técnicas, cada una de ellas adaptada a aplicaciones específicas y a las propiedades deseadas del producto final.
1. Método de recubrimiento: los pasos son relativamente sencillos, el polvo de óxido de grafeno se añade a la cantidad adecuada de disolvente y se agita uniformemente para que se disperse, la solución se recubre uniformemente sobre el sustrato para que se seque y, a continuación, se repiten los pasos anteriores hasta que el espesor sea el adecuado.
2. 2. Deposición química en fase vapor (CVD): El polvo de óxido de grafeno se coloca en un horno de alta temperatura y se calienta a más de 700°C. Uno o más gases que contienen fuentes de carbono (como metano, etileno, etc.) fluyen hacia la cámara de reacción, y los gases de la fuente de carbono se descomponen a altas temperaturas para formar grafeno, que reacciona con los óxidos de la superficie del óxido de grafeno para generar películas de óxido de grafeno.
3. Método hidrotérmico: en comparación con el método de deposición química de vapor, la temperatura de reacción requerida es menor, el polvo de óxido de grafeno se añade a la cantidad adecuada de disolvente, se calienta a la temperatura adecuada y, a continuación, el agente reductor (como hidrógeno, amoníaco, etc.) se añade al sistema de reacción, y el agente reductor en las condiciones hidrotérmicas para reducir el óxido de grafeno y obtener la película.
5.2.3 Diversos escenarios de aplicación de las membranas de óxido de grafeno (GO)
1. Tratamiento del agua y purificación del aire: la membrana de óxido de grafeno no sólo puede llevar a cabo la filtración convencional, sino que su selectividad molecular permite realizar la desalinización, la separación de agua y aceite, etc. Mientras tanto, su estructura microporosa y sus componentes oxidados también pueden eliminar materia orgánica, así como iones de metales pesados, etc., eliminando eficazmente partículas, solutos y contaminantes.
2. Separación molecular: la estructura microporosa de la membrana de filtración de óxido de grafeno puede regular la permeabilidad y la separación selectiva de moléculas, por lo que tiene un valor potencial de aplicación en la separación de gases, la separación de disolventes, el cribado molecular, etc. Por ejemplo, una membrana de filtración de óxido de grafeno se puede utilizar para realizar la captura de CO2, la separación de gases y la purificación orgánica.
3. Biomedicina: La membrana de filtración de óxido de grafeno tiene buena biocompatibilidad y biosorción, por lo que se utiliza en los campos de biosensores, bioseparación y bioanálisis. Por ejemplo, las membranas de filtración de óxido de grafeno pueden utilizarse para el cultivo celular, la separación de proteínas y la captura de ADN.
4. Energía: Las membranas de filtración de óxido de grafeno se utilizan en dispositivos como baterías, supercondensadores y pilas de combustible en el sector energético como membranas de transporte de iones y membranas electrolíticas para mejorar el rendimiento y la estabilidad de los dispositivos.
5.3 Membrana de nanotubos de carbono (CNT)
5.3.1 Propiedades de la membrana de nanotubos de carbono (CNT)
El nanotubo de carbono (CNT) es un tubo hueco sin costura formado por copos de grafito rizados. Los átomos de carbono de los nanotubos de carbono están hibridizados y enlazados en modo sp2, con un anillo de seis miembros como unidad estructural básica. Esta estructura hace que los nanotubos de carbono tengan un alto módulo de Young, y son materiales con alta resistencia a la fractura que no se dañan fácilmente en situaciones de flexión. Los nanotubos de carbono también tienen buena estabilidad química alta resistencia mecánica y flexibilidad y pueden adaptarse a la mayoría de los entornos para mantener sus propiedades estructurales estables y sin cambios.
La membrana de nanotubos de carbono es una estructura de red bidimensional de nanotubos de carbono formada por nanotubos de carbono individuales rellenos de matrices libres de nanotubos de carbono mediante métodos físicos o químicos. Su rendimiento está relacionado con la conformación de los nanotubos de carbono, su orientación, el grado de defectos y la relación longitud-diámetro. Las membranas de nanotubos de carbono tienen una estructura de poros a escala nanométrica y una gran superficie específica, lo que hace que la membrana filtrante tenga una gran superficie, propicia para la adsorción y separación de solutos. Su estructura de poros tiene dimensiones a nanoescala, lo que la hace eficaz para bloquear solutos, como partículas, moléculas orgánicas, etc. A pesar de la estructura de poros a nanoescala, la membrana de filtración de nanotubos de carbono tiene una alta permeabilidad, lo que facilita el paso rápido de solutos y reduce la resistencia a la filtración. Existen varios métodos para preparar membranas de filtración de nanotubos de carbono, que pueden realizarse ajustando la estructura, la densidad, el número de capas y otros parámetros de los nanotubos de carbono para regular el rendimiento de las membranas de filtración y satisfacer las necesidades de los distintos escenarios de aplicación.
Fig. 9 Estructura esquemática de diferentes formas de monómeros de carbono
5.3.2 Enfoques de síntesis para membranas de filtración de nanotubos de carbono
1. 1. Deposición química en fase vapor (CVD): Los gases fuente de carbono que se suelen utilizar incluyen hidrocarburos como el etileno y el metano, mientras que para el catalizador se suelen elegir catalizadores metálicos como el hierro, el níquel, el cobalto, etc. El sustrato que se va a depositar (por ejemplo, oblea de silicio, oblea de vidrio, etc.) se coloca en una cámara de reacción para garantizar que la superficie del sustrato esté limpia y plana. La cámara de reacción se calienta a una temperatura adecuada y después se extrae a un determinado nivel de vacío para garantizar la pureza y estabilidad de los gases durante el proceso de reacción. El gas fuente de carbono y el gas catalizador se introducen en la cámara de reacción a través de un sistema de suministro de gas para controlar el caudal de gas y el volumen de flujo. El gas fuente de carbono se disocia en la superficie del catalizador para generar átomos de carbono, que posteriormente se depositan en la superficie del sustrato para formar nanotubos de carbono. Se controla el tiempo de crecimiento de los nanotubos de carbono, que suele oscilar entre minutos y horas, para controlar la longitud y la densidad de los nanotubos. Un crecimiento prolongado da lugar a nanotubos de carbono más largos y densos. Al final del crecimiento, se interrumpe el suministro de fuente de carbono y gas catalizador y la cámara de reacción se enfría a temperatura ambiente. Al final de la reacción, se elimina el gas residual de la cámara de reacción suministrando un gas inerte como nitrógeno o argón.
2. 2. Método de recubrimiento: La suspensión de nanotubos de carbono se recubre sobre la superficie del sustrato por centrifugación, pulverización, cepillado o laminación. Durante el proceso de recubrimiento, pueden controlarse parámetros como la velocidad de recubrimiento y la velocidad de rotación del cabezal de recubrimiento para controlar el grosor y la uniformidad de la película. Tras el recubrimiento, éste se coloca en una zona ventilada o en un banco calentado para inducir la evaporación del disolvente. Una vez que el disolvente se ha evaporado por completo, se procede al secado para formar una película uniforme de nanotubos de carbono. Opcionalmente, la película de nanotubos de carbono se trata térmicamente para mejorar la cristalinidad y las propiedades mecánicas de la película. Las condiciones del tratamiento térmico pueden ajustarse según sea necesario y suelen realizarse bajo una atmósfera de gas inerte.
3. 3. Filtración: Los materiales de las membranas de filtración utilizados habitualmente incluyen membranas de policarbonato (PC), poliéster (PET) y poliamida (Nylon), mientras que el tamaño de los poros suele seleccionarse en función del espesor de la película y la permeabilidad deseados. La suspensión de nanotubos de carbono se filtra sobre la membrana filtrante mediante vacío o presión. Las operaciones de filtración pueden realizarse utilizando equipos como embudos de filtración al vacío o filtros de membrana.
4. 4. Método de despojamiento: los métodos de despojamiento habituales incluyen el despojamiento mecánico, en el que la película de nanotubos de carbono se desprende directamente del sustrato utilizando herramientas de despojamiento (por ejemplo, cintas, rascadores, etc.), cintas, raspadores, etc.); el decapado químico, en el que la película de nanotubos de carbono cultivada se coloca en un disolvente o solución adecuados de modo que se dañe la unión entre la película y el sustrato para realizar el decapado; y el decapado térmico, en el que el sustrato o la película se calientan para expandirlos o contraerlos térmicamente con el fin de destruir la unión entre el sustrato y la película para realizar el decapado. y la película calentando el sustrato o la película, haciendo que se expanda y contraiga térmicamente, rompiendo así la unión entre el sustrato y la película.
5.3.3 Caso práctico: Membranas de ósmosis inversa mejoradas con nanotubos de carbono
Una aplicación única de los nanotubos de carbono, además de las aplicaciones funcionales similares a otros tipos de membranas de filtración, son las membranas de ósmosis inversa. Esta tecnología de separación por membranas es capaz de separar impurezas, iones, microorganismos, etc. del agua, lo que se utiliza ampliamente en los campos del agua potable, el tratamiento de aguas residuales industriales y la desalinización del agua de mar. Sin embargo, la membrana de ósmosis inversa tiene el problema del bajo flujo y la baja eficiencia de procesamiento. Para resolver este problema, los estudiosos introdujeron nanotubos de carbono en las membranas de ósmosis inversa. Los nanotubos de carbono tienen excelentes propiedades, como una elevada superficie específica, alta resistencia, alta conductividad, etc., que pueden formar una especie de canal conductor de protones en la membrana de ósmosis inversa y aumentar el flujo. Al mismo tiempo, los nanotubos de carbono también pueden adsorber iones, microorganismos y otras impurezas del agua, lo que puede mejorar eficazmente la eficacia de la purificación del agua y la vida útil de la membrana de ósmosis inversa. En la actualidad, la membrana de ósmosis inversa basada en nanotubos de carbono se ha puesto en uso comercial, en el campo del agua potable, desalinización de agua de mar, y otras áreas para obtener resultados significativos. En el futuro, la tecnología de investigación y preparación de materiales de nanotubos de carbono se desarrollará aún más, y el flujo y la eficiencia de procesamiento de membranas de ósmosis inversa se mejorará continuamente.
Tabla 2 Comparación de las propiedades de los nanotubos de TiO2, GO y CNT
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Propiedades
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Membranas de nanotubos de dióxido de titanio (TiO2)
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Membranas de óxido de grafeno (GO)
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Membrana de nanotubos de carbono (CNT)
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Estructura del material
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Nanotubos de óxido de titanio
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Óxido de grafeno con grupos funcionales que contienen oxígeno
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Nanotubos de carbono
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Método de preparación
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Método de solución Método de deposición de vapor Método electroquímico
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Método de recubrimiento Método de deposición química de vapor Método hidrotérmico
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Método de recubrimiento Método de filtración
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Campos de aplicación
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Fotocatálisis Dispositivos fotovoltaicos Purificación del agua y del aire
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Tratamiento del agua Purificación del aire Separación molecular Biomedicina
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Tratamiento del agua Membranas de ósmosis inversa Separación molecular Biomedicina
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Ventajas
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Alta superficie Propiedades fotovoltaicas especiales Actividad fotocatalítica
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Muchos grupos funcionales que contienen oxígeno Alta actividad superficial Selectividad molecular
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Elevada resistencia Elevada conductividad Elevada superficie específica Rendimiento ajustable
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Inconvenientes
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Proceso de preparación complejo y coste elevado
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Propenso a defectos estructurales y poca estabilidad durante el proceso de preparación
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Proceso de preparación complejo Altos requisitos de control del proceso
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Aplicaciones
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Tratamiento fotocatalítico del agua Purificación del aire Preparación de dispositivos fotovoltaicos
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Tratamiento del agua Separación molecular Aplicaciones biomédicas
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Membranas de ósmosis inversa Separación molecular Aplicaciones biomédicas
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6 Membranas basadas en marcos orgánicos metálicos (MOF)
6.1 ¿Qué son las membranas MOF?
Elmarco orgánico metálico (MOF) es un polímero de coordinación formado por el autoensamblaje de ligandos orgánicos polidentados que contienen oxígeno, nitrógeno, etc. con iones de metales de transición. Consiste en centros metálicos inorgánicos y ligandos orgánicos puente conectados mediante autoensamblaje para formar un material poroso cristalino con una estructura de red periódica. Como material híbrido orgánico-inorgánico, el MOF tiene tanto la rigidez de los materiales inorgánicos como la flexibilidad de los materiales orgánicos.
Las estructuras de tipo backbone en diferentes dimensiones vienen determinadas principalmente por la coordinación entre los ligandos orgánicos y los iones metálicos, así como por los enlaces de hidrógeno. Durante el proceso de síntesis, los reactivos residuales y las pequeñas moléculas de disolventes ocupan los poros de la estructura esquelética, mientras que la eliminación de las pequeñas moléculas por tratamiento de activación puede dejar una estructura de poros persistente. El tamaño y la estructura de los poros pueden modificarse cambiando la estructura de los ligandos orgánicos y el tipo de iones metálicos en la materia prima sintetizada para controlar el área superficial específica y la porosidad para adaptarse a diferentes aplicaciones. En la actualidad, los materiales de esqueleto metalorgánico utilizados junto con ligandos neutros orgánicos heterocíclicos que contienen nitrógeno o con ligandos aniónicos orgánicos que contienen carboxilo pueden sintetizarse en grandes cantidades, lo que presenta un gran potencial de desarrollo y aplicación en la investigación de materiales modernos.
6.2 Cómo producir membranas MOF
1. Método de síntesis in situ: de acuerdo con las propiedades superficiales especiales del propio soporte, éste se introduce directamente en el sistema de síntesis y, en determinadas condiciones, la superficie del soporte y la noche formadora de la película entran directamente en contacto y reaccionan, para preparar una membrana continua. El método de síntesis in-situ es simple y fácil de operar, fácil de realizar la producción a gran escala, pero es difícil preparar membrana MOF continua, porque las propiedades químicas entre los materiales MOF y los portadores son más diferentes, la tasa de nucleación de cristales se reduce, lo que resulta en baja densidad de nucleación heterogénea de cristales MOF en la superficie del portador, y pobre unión entre la membrana y el portador.
2. Método de crecimiento secundario de la semilla de cristal: primero se utiliza el método hidrotérmico para hacer crecer la semilla de cristal sobre el sustrato, y después del proceso de nucleación de cristales, el crecimiento de la capa de membrana, el crecimiento secundario del material para obtener una membrana densa. Por último, las especies de cristal de la superficie porosa del sustrato después de alta temperatura, la reacción de condensación entre los grupos, y los granos de zeolita combinados para formar enlaces covalentes. Sin embargo, el método es algo limitado porque la membrana del filtro no resiste altas temperaturas.
Fig. 10 Síntesis esquemática de una película MOF: Película de PSS@ZIF-8
6.3 Aplicación especializada en la eliminación de metales pesados
Además de las aplicaciones funcionales similares a otros tipos de membranas de filtración, las membranas MOF pueden aplicarse al tratamiento de iones de metales pesados. Las membranas MOF tienen una estructura porosa altamente ordenada formada por iones metálicos y ligandos orgánicos a través de enlaces químicos ligandos. Esta estructura porosa tiene un diámetro de poro y un tamaño de poro sintonizables, proporcionando muchos sitios y canales de adsorción, que son favorables para la adsorción e incrustación de iones de metales pesados. Esto permite utilizar las películas MOF en el campo del tratamiento de aguas, como la eliminación de contaminantes iónicos de metales pesados, como plomo, cadmio y mercurio, de aguas subterráneas, aguas residuales industriales y aguas residuales municipales. Los tamaños de poro altamente controlables y la funcionalización de la superficie de las películas MOF permiten la adsorción eficiente y la separación selectiva de iones específicos de metales pesados. También desempeñan un papel en el tratamiento de adsorción y recuperación para la remediación medioambiental y los procesos de tratamiento de aguas residuales. Las películas MOF pueden capturar y recuperar eficazmente los metales objetivo durante la adsorción de iones de metales pesados. A través de métodos de post-tratamiento adecuados, los iones de metales pesados adsorbidos pueden ser desorbidos de la película MOF, realizando la recuperación efectiva y la reutilización de los recursos metálicos.
7 Membrana filtrante compuesta
Las membranas filtrantes compuestas se diferencian de las membranas filtrantes tradicionales de un solo material en que combinan dos o más materiales para aprovechar al máximo sus respectivos puntos fuertes y compensar las deficiencias de cada uno, logrando así una filtración más eficaz y fiable. Estos materiales pueden ser polímeros, cerámicas, metales, nanomateriales, etc. Cada material tiene unas propiedades físicas, químicas y mecánicas únicas y puede combinarse de forma flexible según los distintos requisitos de filtración.
En las baterías de iones de litio, una membrana compuesta de PVDF-MOF con una capa continua de MOF sirve como diafragma de alto rendimiento. La estructura uniforme de los poros y los canales subnanométricos con sitios metálicos abiertos conectados en la capa continua de MOF pueden generar un flujo de Li+ distribuido uniformemente, inhibir la formación de protuberancias dendríticas y mejorar el rendimiento electroquímico.
Fig. 11 Separador compuesto de PVDF-MOF con capa continua de MOF [5]
En el campo de la desalinización de agua de mar, la destilación por membranas (DM) ha surgido como una estrategia alternativa de desalinización de agua de mar que puede reducir en gran medida los costes de capital y el consumo de energía. En el proceso de DM, se elimina casi el 100% de los componentes no volátiles y no hay limitación en la concentración del agua de alimentación, mientras que el proceso de ósmosis inversa (OI) impulsado por presión tiene menos potencial para tratar soluciones de alta salinidad con baja recuperación de agua. Los componentes volátiles se separan de la mezcla de alimentación utilizando una membrana hidrófoba microporosa, y el sistema funciona por debajo del punto de ebullición del líquido de alimentación. Para las aplicaciones de MD, a menudo se prefieren materiales poliméricos con baja energía superficial, alta estabilidad térmica, estabilidad química e inercia. El politetrafluoroetileno (PTFE) y el fluoruro de polivinilideno (PVDF) se consideran los principales materiales de membrana disponibles en el mercado para la destilación por membrana al vacío (VMD) debido a su elevada estabilidad térmica e hidrofobicidad. El PVDF y el PTFE son los polímeros óptimos para las aplicaciones de VMD debido a su excelente resistencia química y durabilidad. Estas propiedades permiten al PVDF soportar los entornos químicos agresivos que suelen encontrarse en los sistemas VMD, garantizando una fiabilidad operativa a largo plazo. El PTFE, por su parte, desempeña un papel clave por sus propiedades antiadherentes y su excelente resistencia a las altas temperaturas. En VMD, el PTFE ayuda a mejorar el rendimiento de la membrana y evita eficazmente el ensuciamiento, garantizando así un transporte de vapor eficaz y sin obstrucciones a través de la membrana durante la destilación. En las aplicaciones VMD, el uso sinérgico de PVDF y PTFE mejora la durabilidad, la resistencia química y la eficacia operativa del sistema de membranas en su conjunto.
Fig. 12 Diagrama de flujo de la preparación de la membrana compuesta microporosa de PVDF-PTFE [6].
8 Conclusión
Las membranas filtrantes de diferentes materiales se utilizan en diferentes campos debido a sus diferentes características y pueden seleccionarse según diferentes necesidades además del proceso básico de filtración. Las membranas de PVDF pueden utilizarse para filtrar microorganismos como bacterias, y también para la purificación de materiales en la producción química; las membranas cerámicas se utilizan sobre todo en la industria alimentaria para la separación de bebidas alcohólicas; las membranas de nanotubos de dióxido de titanio pueden utilizarse para aplicaciones relacionadas y el tratamiento de iones de metales pesados gracias a sus propiedades fotocatalíticas; las membranas de óxido de grafeno pueden utilizarse para la separación molecular, así como para la desalinización del agua de mar y la separación de petróleo y agua; los nanotubos de carbono pueden utilizarse como membranas de ósmosis inversa; y las membranas MOF pueden utilizarse para separar selectivamente iones de metales pesados debido a la naturaleza de los compuestos de coordinación. Además, según las necesidades de los distintos escenarios de aplicación, se pueden utilizar distintos tipos de membranas de filtración conjuntamente, y el tipo de membrana compuesta puede conseguir un mejor efecto de filtración complementando las características de los distintos tipos de membranas de filtración de materiales. Stanford Advanced Materials (SAM) no sólo puede ofrecer una amplia gama de productos de membranas de filtración, sino también proporcionar asesoramiento profesional para la selección, que puede consultar inmediatamente.
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Referencias:
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