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[Autores: M. Montiel, P. Oc\u00f3n. Universidad Aut\u00f3noma de Madrid]<\/span><\/strong><\/p>\n Una membrana semipermeable (o membrana de intercambio) es una l\u00e1mina delgada que permite que ciertas mol\u00e9culas o iones pasen a trav\u00e9s de ella por difusi\u00f3n. Este paso de sustancias depende de factores inherentes a la membrana, como la afinidad qu\u00edmica por los solutos; a los propios solutos, como el tama\u00f1o, o su solubilidad; o de otros factores relacionados con el entorno, como la presi\u00f3n osm\u00f3tica, la concentraci\u00f3n, el gradiente electroqu\u00edmico o la temperatura en cualquiera de los lados de la membrana <\/span>[1]<\/span>. En la naturaleza podemos encontrar ejemplos de membranas semipermeables en las bicapas lip\u00eddicas que forman parte de la membrana celular o que envuelven el n\u00facleo de las c\u00e9lulas. Y, de forma artificial pero inspirados en estas bicapas lip\u00eddicas, podemos hablar de los liposomas empleados para el suministro de determinados medicamentos <\/span>[2]<\/span>. Adem\u00e1s, existen otros tipos de membranas de intercambio que han sido profundamente estudiadas y empleadas industrialmente, en campos tan diversos como la \u00f3smosis inversa, la nano-, ultra- y microfiltraci\u00f3n, la pervaporaci\u00f3n o la electrodi\u00e1lisis <\/span>[3]<\/span>. <\/span><\/span><\/p>\n Una clasificaci\u00f3n de las membranas de intercambio se puede hacer atendiendo a la naturaleza del material del que est\u00e1n hechas:<\/span><\/p>\n Pese a la proliferaci\u00f3n de procesos de intercambio a trav\u00e9s de estos materiales, la Ciencia y Tecnolog\u00eda de Membranas puede considerarse que a\u00fan est\u00e1 dando sus primeros pasos. Thomas Graham es considerado uno de los padres de la Ciencia de Membranas, ya que realiz\u00f3 los primeros experimentos de transporte de gases a trav\u00e9s de membranas en 1829, al observar c\u00f3mo una vejiga de cerdo h\u00fameda se hinchaba hasta casi el punto de explosi\u00f3n al ser expuesta a una atm\u00f3sfera de CO<\/span>2<\/span><\/sub>. En 1861, Graham inform\u00f3 de los primeros experimentos de di\u00e1lisis usando una membrana sint\u00e9tica. A lo largo del siglo XIX, varios cient\u00edficos se interesaron por la permeabilidad de los materiales, como Mitchell, que estudi\u00f3 el paso de gases a trav\u00e9s de caucho, o Fick, y sus estudios sobre difusi\u00f3n a trav\u00e9s de nitrato de celulosa <\/span>[4]<\/span>. <\/span><\/span><\/p>\n Pero la Ciencia de Membranas entr\u00f3 en auge en las d\u00e9cadas de 1960 y 1970,<\/span>\u00a0 <\/span>de forma paralela al desarrollo de gran n\u00famero de pol\u00edmeros sint\u00e9ticos y de sus m\u00e9todos de obtenci\u00f3n. Fue en estos a\u00f1os cuando se produjo el desarrollo de procesos de desalinizaci\u00f3n de agua de mar para el consumo humano, por lo que puede considerarse un \u00e1rea relativamente nueva en qu\u00edmica aplicada e ingenier\u00eda qu\u00edmica. Durante las dos \u00faltimas d\u00e9cadas se han desarrollado membranas con multitud de aplicaciones en la separaci\u00f3n qu\u00edmica: relacionadas con el tratamiento industrial de gases y l\u00edquidos (como el tratamiento de aguas residuales, control de contaminantes o recuperaci\u00f3n de residuos); con el procesado de alimentos, la biotecnolog\u00eda o la biomedicina; con la industria petrol\u00edfera\u2026 <\/span><\/span><\/p>\n En la actualidad tambi\u00e9n est\u00e1n jugando un papel especial en el campo de las energ\u00edas alternativas, con aplicaciones en:<\/span><\/p>\n En este sentido, el Grupo de Investigaci\u00f3n en Electroqu\u00edmica de la UAM est\u00e1 trabajando en la actualidad en el desarrollo de membranas de intercambio de iones para uso en pilas de combustible de membrana polim\u00e9rica (PEMFC). <\/span><\/p>\n Tradicionalmente, este tipo de dispositivos ha utilizado como electrolito s\u00f3lido membranas de intercambio cati\u00f3nico, que permiten el movimiento de protones entre los electrodos y, a su vez, impiden el paso de electrones. Adem\u00e1s, son relativamente impermeables al aire (que alimenta el c\u00e1todo) o a los combustibles empleados, como hidr\u00f3geno o alcoholes (que alimentan el \u00e1nodo). Otros requisitos que deben cumplir este tipo de membranas son la estabilidad qu\u00edmica y electroqu\u00edmica en las condiciones de trabajo del dispositivo, propiedades mec\u00e1nicas y qu\u00edmicas adecuadas para formar el denominado conjunto membrana-electrodos (MEA) y costes de producci\u00f3n compatibles con la aplicaci\u00f3n.<\/span><\/p>\n Dentro de las membranas de intercambio cati\u00f3nico, las que m\u00e1s \u00e9xito comercial han tenido son las basadas en Nafion\u00ae, un pol\u00edmero desarrollado por DuPont formado por un esqueleto perfluorado que presenta ramificaciones con grupos sulf\u00f3nicos. Estos grupos permiten la movilidad de cationes a trav\u00e9s de la membrana. Existen otro tipo de membranas basadas en pol\u00edmeros parcialmente fluorados, como las de trifluoroestireno de Ballard Advanced Materials, o las basadas en grupos arilsulf\u00f3nicos, como las de poli\u00e9ter \u00e9ter cetona sulfonadas (SPEEK) <\/span>[5]<\/span>.<\/span><\/span><\/p>\n Por otro lado, tal y como se coment\u00f3 en una entrada anterior de este blog <\/span>[6]<\/span>, las pilas de combustible alcalinas (AFC) tienen muchas ventajas respecto a las de medio \u00e1cido, y la tendencia actual se basa en el desarrollo de membranas de intercambio ani\u00f3nico (AEM). Este tipo de materiales permite aunar las ventajas de trabajar en medio b\u00e1sico (cin\u00e9ticas m\u00e1s r\u00e1pidas, ambiente menos corrosivo) con las derivadas del uso de electrolitos s\u00f3lidos (ausencia de p\u00e9rdidas de electrolito, f\u00e1cil manipulaci\u00f3n). Las membranas de intercambio ani\u00f3nico empleadas en la actualidad constan generalmente de un esqueleto carbonado que presenta sustituyentes cati\u00f3nicos de tipo amonio cuaternario, imidazolio, guanidinio, fosfonio, sulfonio\u2026 que permiten el intercambio de aniones a trav\u00e9s de la membrana.<\/span><\/span><\/p>\n En las pr\u00f3ximas entregas de este blog se comentar\u00e1n con m\u00e1s detalle las tendencias actuales y las caracter\u00edsticas tanto de las membranas de intercambio cati\u00f3nico como de las de tipo ani\u00f3nico.<\/span><\/p>\n [1]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Wikipedia (21\/05\/2015). \u00abSemipermeable membranes\u00bb<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span> from <\/span><\/span>https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Semipermeable_membrane.<\/span><\/a><\/p>\n [2]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Wikipedia (21\/05\/2015). \u00abLipid bilayer\u00bb<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>from <\/span><\/span>https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Lipid_bilayer<\/span><\/a>.<\/span><\/p>\n [3]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Inamuddin and Luqman, M. (2012). <\/span>Ion Exchange Technology I. Theory and Materials<\/span><\/span>, Springer.<\/span><\/span><\/p>\n [4]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Khulbe, K. C., Feng, C. Y. and Matsuura, T. (2008). <\/span>Synthetic Polymeric Membranes<\/span><\/span>, Springer.<\/span><\/span><\/p>\n [5]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Zaidi, S. M. J. and Matsuura, T. (2008). <\/span>Polymer Membranes for Fuel Cells<\/span><\/span>, Springer.<\/span><\/span><\/p>\n\n
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