Membranas de intercambio con aplicaciones energéticas

[Autores: M. Montiel, P. Ocón. Universidad Autónoma de Madrid]

Una membrana semipermeable (o membrana de intercambio) es una lámina delgada que permite que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por difusión. Este paso de sustancias depende de factores inherentes a la membrana, como la afinidad química por los solutos; a los propios solutos, como el tamaño, o su solubilidad; o de otros factores relacionados con el entorno, como la presión osmótica, la concentración, el gradiente electroquímico o la temperatura en cualquiera de los lados de la membrana [1]. En la naturaleza podemos encontrar ejemplos de membranas semipermeables en las bicapas lipídicas que forman parte de la membrana celular o que envuelven el núcleo de las células. Y, de forma artificial pero inspirados en estas bicapas lipídicas, podemos hablar de los liposomas empleados para el suministro de determinados medicamentos [2]. Además, existen otros tipos de membranas de intercambio que han sido profundamente estudiadas y empleadas industrialmente, en campos tan diversos como la ósmosis inversa, la nano-, ultra- y microfiltración, la pervaporación o la electrodiálisis [3].

Una clasificación de las membranas de intercambio se puede hacer atendiendo a la naturaleza del material del que están hechas:

• Membranas biológicas: aquellas barreras permeables selectivas que están presentes en seres vivos.
• Membranas sintéticas: las creadas sintéticamente, que pueden clasificarse en:
  • Membranas líquidas
  • Membranas poliméricas
  • Membranas cerámicas

Pese a la proliferación de procesos de intercambio a través de estos materiales, la Ciencia y Tecnología de Membranas puede considerarse que aún está dando sus primeros pasos. Thomas Graham es considerado uno de los padres de la Ciencia de Membranas, ya que realizó los primeros experimentos de transporte de gases a través de membranas en 1829, al observar cómo una vejiga de cerdo húmeda se hinchaba hasta casi el punto de explosión al ser expuesta a una atmósfera de CO₂. En 1861, Graham informó de los primeros experimentos de diálisis usando una membrana sintética. A lo largo del siglo XIX, varios científicos se interesaron por la permeabilidad de los materiales, como Mitchell, que estudió el paso de gases a través de caucho, o Fick, y sus estudios sobre difusión a través de nitrato de celulosa [4].

Pero la Ciencia de Membranas entró en auge en las décadas de 1960 y 1970,  de forma paralela al desarrollo de gran número de polímeros sintéticos y de sus métodos de obtención. Fue en estos años cuando se produjo el desarrollo de procesos de desalinización de agua de mar para el consumo humano, por lo que puede considerarse un área relativamente nueva en química aplicada e ingeniería química. Durante las dos últimas décadas se han desarrollado membranas con multitud de aplicaciones en la separación química: relacionadas con el tratamiento industrial de gases y líquidos (como el tratamiento de aguas residuales, control de contaminantes o recuperación de residuos); con el procesado de alimentos, la biotecnología o la biomedicina; con la industria petrolífera…

En la actualidad también están jugando un papel especial en el campo de las energías alternativas, con aplicaciones en:

• captura de CO₂
• producción de hidrógeno
• producción y purificación de biocombustibles
• conversión electroquímica
  • pilas de combustible
  • electrolizadores
  • baterías

En este sentido, el Grupo de Investigación en Electroquímica de la UAM está trabajando en la actualidad en el desarrollo de membranas de intercambio de iones para uso en pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC).

Tradicionalmente, este tipo de dispositivos ha utilizado como electrolito sólido membranas de intercambio catiónico, que permiten el movimiento de protones entre los electrodos y, a su vez, impiden el paso de electrones. Además, son relativamente impermeables al aire (que alimenta el cátodo) o a los combustibles empleados, como hidrógeno o alcoholes (que alimentan el ánodo). Otros requisitos que deben cumplir este tipo de membranas son la estabilidad química y electroquímica en las condiciones de trabajo del dispositivo, propiedades mecánicas y químicas adecuadas para formar el denominado conjunto membrana-electrodos (MEA) y costes de producción compatibles con la aplicación.

Dentro de las membranas de intercambio catiónico, las que más éxito comercial han tenido son las basadas en Nafion®, un polímero desarrollado por DuPont formado por un esqueleto perfluorado que presenta ramificaciones con grupos sulfónicos. Estos grupos permiten la movilidad de cationes a través de la membrana. Existen otro tipo de membranas basadas en polímeros parcialmente fluorados, como las de trifluoroestireno de Ballard Advanced Materials, o las basadas en grupos arilsulfónicos, como las de poliéter éter cetona sulfonadas (SPEEK) [5].

Por otro lado, tal y como se comentó en una entrada anterior de este blog [6], las pilas de combustible alcalinas (AFC) tienen muchas ventajas respecto a las de medio ácido, y la tendencia actual se basa en el desarrollo de membranas de intercambio aniónico (AEM). Este tipo de materiales permite aunar las ventajas de trabajar en medio básico (cinéticas más rápidas, ambiente menos corrosivo) con las derivadas del uso de electrolitos sólidos (ausencia de pérdidas de electrolito, fácil manipulación). Las membranas de intercambio aniónico empleadas en la actualidad constan generalmente de un esqueleto carbonado que presenta sustituyentes catiónicos de tipo amonio cuaternario, imidazolio, guanidinio, fosfonio, sulfonio… que permiten el intercambio de aniones a través de la membrana.

En las próximas entregas de este blog se comentarán con más detalle las tendencias actuales y las características tanto de las membranas de intercambio catiónico como de las de tipo aniónico.

[1]   Wikipedia (21/05/2015). «Semipermeable membranes»         from https://en.wikipedia.org/wiki/Semipermeable_membrane.

[2]   Wikipedia (21/05/2015). «Lipid bilayer»        from https://en.wikipedia.org/wiki/Lipid_bilayer.

[3]   Inamuddin and Luqman, M. (2012). Ion Exchange Technology I. Theory and Materials, Springer.

[4]   Khulbe, K. C., Feng, C. Y. and Matsuura, T. (2008). Synthetic Polymeric Membranes, Springer.

[5]   Zaidi, S. M. J. and Matsuura, T. (2008). Polymer Membranes for Fuel Cells, Springer.

[6]   Hernández-Fernández, P. and Ocón, P. (21/05/2015). «Pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico»         from https://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2010/05/26/130881.