Membranas

As aplicações das membranas estão amplamente difundidas a nível industrial, sobretudo centradas em processos de purificação. No entanto, surgiram novas linhas de investigação, tais como o armazenamento de energia, a separação de gases ou mesmo a criação de biossensores que permitem classificar as membranas como produtos de elevado valor acrescentado.

Aplicações das membranas

Separação de gases para reduzir o efeito de estufa

A utilização da tecnologia de membranas apresenta-se como uma aposta interessante para ajudar a combater as alterações climáticas, reduzindo os gases com efeito de estufa como o CO₂ ou o metano. As membranas são capazes de separar seletivamente diferentes tipos de gases que poderão ser utilizados para gerar produtos de maior valor acrescentado; as mais utilizadas comercialmente separam O₂/N₂, CO₂/CH₄, H₂/N₂, He/ar e H₂/CH₄. Esta tecnologia é empregue em diversas aplicações, como a separação de hidrogénio em instalações de produção de amoníaco, a produção de azoto, o enriquecimento de gás natural (separando o CO₂ do CH₄), a desidratação de correntes de ar ou gás natural, a recuperação de hélio, a recuperação de gasolina e a pervaporação.

Armazenamento de energia

As baterias de metal-ar têm chamado especialmente a atenção, devido à sua natureza semiaberta que utiliza oxigénio inesgotável do ar como oxidante, o que resulta numa elevada densidade de energia teórica.

No fabrico de baterias, as membranas têm um papel fundamental, uma vez que são capazes de transportar os iões entre os elétrodos, atuando como barreira física e prevenindo curto-circuitos. Estas membranas devem ter elevada resistência estrutural, estabilidade química e elevada condutividade iónica para garantir a segurança e a fiabilidade a longo prazo da bateria.

Comercialmente, as membranas Celgard são muito utilizadas em baterias de Zn-ar, dada a sua boa estabilidade química e baixo custo. No entanto, estas apresentam um aumento da polarização celular, o que resulta num desvanecimento da capacidade da bateria; abordar este desafio requer desenvolver diferentes tipos de membranas, incluindo membranas aniónicas ou de troca catiónica (AEM/CEMs), membranas compósitas e membranas de nanofibras eletrofiadas.

Tratamento de águas

As membranas são amplamente utilizadas em processos de tratamento de efluentes. Foram efetuadas diversas investigações centradas no tratamento de águas residuais, procurando obter melhores rendimentos de depuração, redução de custos de operação e manutenção na geração de processos que possuam uma elevada flexibilidade para suportar as variações no afluente, gerando a mínima produção de lamas possível. Assim mesmo, são habitualmente utilizadas em aplicações farmacêuticas, onde as membranas são capazes de separar nanopartículas lipídicas, proteínas e nanopartículas poliméricas, entre outras, presentes no efluente.

Os processos com membranas mais utilizados no tratamento de águas residuais incluem a electrodiálise, microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa. Comercialmente, as membranas baseadas em polissulfonas e polímeros fluorados suportadas com polipropileno são muito utilizadas para este tipo de aplicação.

Membranas de osmose inversa

A osmose inversa é um dos processos mais utilizados no tratamento de águas, mediante o qual se eliminam os contaminantes da água, reduzindo o caudal a tratar que passa por uma membrana semipermeável e onde se exerce uma força de impulso superior à pressão osmótica em direção oposta ao processo de osmose. Desta forma, consegue-se separar as substâncias que se encontram na água num lado da membrana (concentrado) e do outro lado obtém-se uma solução diluída baixa em sólidos dissolvidos (permeado).

Electrodiálise

A electrodiálise é uma técnica baseada no transporte de iões através de membranas seletivas sob a influência de um campo elétrico. Estas membranas devem ter grupos aniónicos ou catiónicos carregados distribuídos uniformemente. Esta técnica requer energia elétrica contínua, pelo que é necessária uma correta otimização do processo de separação. Pode aplicar-se na indústria alimentar, química, têxtil, entre outras; é comummente utilizada para o tratamento de águas.

Catalisadores

O desenvolvimento de membranas catalíticas apresenta-se como uma alternativa atrativa em diversos processos de produção, como é o caso do hidrogénio.

As membranas dopadas com paládio e as suas ligas conduzem a maior conversão e seletividade ao hidrogénio, permitindo uma conversão mais rápida ao estar em contacto direto o gás metano com o catalisador e a película seletiva.

Empregam-se membranas dopadas de platina para armazenamento energético (hidrogénio) em pilhas de combustível. Assim mesmo, existem membranas de tipo zeólito capazes de produzir hidrogénio, metanol, dimetil éter ou mesmo desidrogenar isobutano, entre outros.

Desenvolvimento de biossensores

O desenvolvimento de biossensores tem suposto um grande desafio devido à importância da sua estabilidade e especificidade. Por isso, foi necessário desenvolver materiais porosos, como membranas sintéticas que, juntamente com o elétrodo, são capazes de atuar como circuito elétrico de resistências e condensadores e, da mesma forma, podem detetar um composto específico, como, por exemplo, patogénios, glucose, bisfenol A, entre outros, graças à sua elevada sensibilidade, reversibilidade, velocidade de medida e seletividade.

As membranas sensoras cumprem duas funções principais. Por um lado, a imobilização dos elementos sensíveis (enzimas, anticorpos, etc.) e os elementos complementares (plastificantes, coenzimas, nanopartículas…) e, por outro lado, a separação, atuando como barreira das possíveis interferências que poderiam modificar o sinal analítico. Por conseguinte, podem aplicar-se em campos como clínico, biomédico ou ambiental.

Experiência da AIMPLAS em aplicação de membranas

Levamos a cabo projetos onde a utilização de membranas oferece um vasto leque de possibilidades e vantagens no desenvolvimento de processos mais sustentáveis, tanto na separação de gases com efeito de estufa como no armazenamento de energia.

O desafio que supõe a utilização de membranas em processos de recuperação de compostos como o metano em correntes líquidas impulsionou a investigação da modificação superficial destas películas mediante processos físicos e químicos, com o fim de aumentar a sua seletividade e mesmo dotá-las de propriedades hidrofóbicas.

É de especial interesse o desenvolvimento de processos que impliquem a melhoria da economia circular; por isso, está-se a trabalhar em projetos para a captura de CO₂ de emissões industriais mediante processos inovadores que implicam a utilização de materiais porosos tipo MOFs ou zeólitos em combinação com tecnologia de membranas.