Membranas e sua Importância para Engenharia

O que são Membranas?

Membranas são barreiras semipermeáveis que separam fisicamente duas fases, permitindo a passagem seletiva de determinados componentes de um lado para o outro, sob a influência de uma força motriz que impulsiona o transporte de matéria. Esse processo é amplamente utilizado em diversos setores, incluindo o tratamento de gases, como o dióxido de carbono (CO₂) e o nitrogênio (N₂), principalmente na separação de gases do gás natural. Diferente de métodos tradicionais, as membranas oferecem uma alternativa eficiente e econômica para a captura e separação de gases, reduzindo o consumo energético.

A ideia de membranas artificiais foi inicialmente inspirada pelas membranas biológicas, que realizam transporte seletivo de substâncias por meio de macromoléculas especializadas. Ao longo do tempo, as membranas evoluíram em diferentes gerações. A primeira geração envolvia membranas poliméricas feitas de biopolímeros, como derivados de celulose, ou polímeros sintéticos. Com o avanço tecnológico, surgiram as membranas poliméricas funcionais e, posteriormente, as membranas inorgânicas e híbridas orgânico-inorgânicas, cada uma trazendo melhorias em termos de seletividade e durabilidade.

As membranas sintéticas são classificadas de acordo com o material utilizado em sua fabricação, podendo ser orgânicas, como as membranas líquidas ou sólidas poliméricas, ou inorgânicas. As membranas híbridas, que combinam materiais orgânicos e inorgânicos, são especialmente promissoras por unir as melhores propriedades de ambos os tipos de materiais, superando limitações presentes em membranas puramente orgânicas ou inorgânicas.

Este campo de estudo oferece soluções inovadoras para os desafios atuais de separação de componentes em diversas indústrias, com destaque para a gestão de gases de efeito estufa, o que tem se tornado crucial desde o aumento das emissões industriais iniciadas com a Revolução Industrial.

Tipos de Membranas

Em geral as membranas são classificadas em naturais e sintéticas. A classificação destas membranas ocorre em função do material usado na sua produção. Os materiais utilizados na produção das membranas variam. Há membranas preparadas com materiais poliméricos (orgânicos) e aquelas que são produzidas com materiais inorgânicos

Membranas Poliméricas: é uma barreira feita de materiais poliméricos, que são compostos formados por longas cadeias de moléculas. Essas membranas são amplamente utilizadas em processos de separação e filtração devido a suas propriedades específicas. Alguns exemplos de membranas poliméricas são:

– Polietileno (PE): Usado em aplicações de filtração e separação, devido à sua resistência química.

– Polipropileno (PP): Utilizado em membranas de microfiltração e ultrafiltração, sendo conhecido por sua durabilidade.

– Poliamida (PA): Frequentemente empregada em membranas de osmose reversa, especialmente na purificação de água.

– Polissulfona (PSF): Usada em aplicações de separação de gases e tratamento de água, conhecida por sua boa resistência térmica.

– Politetrafluoretileno (PTFE): Utilizado em aplicações que exigem alta resistência química e hidrofobicidade, como separação de gases corrosivos.

– Membranas de poliéster: Utilizadas em processos de filtração em várias indústrias.

Figura 1: Membrana polimérica: várias finalidades. Foto: Lilian Vermeersch (IQSC)

Membranas Inorgânicas: são membranas baseadas em materiais inorgânicos, dos quais se destacam aquelas preparadas a partir de materiais cerâmicos, tais como alumina, zircônio, sílica e hematite. Estas membranas apresentam maior vida útil e permitem operar em intervalos alargados de pH e temperatura. Os tipos de membranas mais utilizadas são:

– Membranas Cerâmicas: Feitas de materiais como alumina (Al₂O₃) e sílica

(SiO₂). Conhecidas por sua alta resistência térmica e química, sendo usadas em filtração e separação de gases.

– Membranas de Zeólitas: Compostas por estruturas cristalinas que permitem a separação de moléculas com base em tamanho e carga. Utilizadas em aplicações como adsorção e separação de gases.

– Membranas de Carbono: Feitas de carbono em várias formas, como carbono ativado ou nanotubos de carbono. Oferecem alta estabilidade térmica e são utilizadas na separação de gases.

– Membranas de Óxido Metálico: incluem materiais como óxido de zircônio (ZrO₂) e óxido de titânio (TiO₂). Utilizadas em processos de separação e catalíticos devido à sua resistência química.

Figura 2: Membrana de cerâmica. Foto: inovacaotecnologica

 

Membranas Híbridas Orgânicas-Inorgânicas: fazem parte de uma classe que busca materiais com combinação de propriedades que não são encontradas nos materiais convencionais, com o objetivo de contornar as limitações dos materiais puramente orgânicos ou inorgânicos

Estrutura

As membranas podem ser definidas em dois grandes grupos: densas e porosas e, ambas podem apresentar características isotrópicas ou anisotrópicas. As membranas isotrópicas possuem propriedades físicas uniformes em todas as direções, enquanto as anisotrópicas variam de acordo com a direção interna da estrutura.

As membranas porosas possuem poros que permitem a passagem seletiva de solventes e solutos, sendo amplamente utilizadas em processos de filtração, como purificação de água, microfiltração e ultrafiltração. Já as densas, baseiam-se nas características físico-químicas do polímero utilizado, além da espessura do filme polimérico, para realizar a separação e. Assim, temos algumas destas características expostas pelo esquema (Figura 3) a seguir:

Figura 3: Esquematização de algumas características de membranas.

 

De outra maneira, podemos observar as membranas por meio de duas perspectivas, uma sendo quanto as poliméricas e a outra em relação às inorgânicas. Desta forma, temos que uma cadeia polimérica (Figura 5) é uma macromolécula composta por unidades (monômeros) (Figura 4) que se repetem diversas vezes, e são conectadas por ligações primárias robustas. Essas ligações, conhecidas como intramoleculares, geralmente são covalentes e ocorrem dentro da mesma molécula, contudo, diferentes cadeias poliméricas ou segmentos de uma única cadeia são mantidos juntos por forças secundárias mais fracas, chamadas intermoleculares.

Figura 4: Representação de um monômero.

Figura 5: Representação de um polímero.

Outrossim, nas membranas inorgânicas, que podem ser compostas por cerâmicas, óxidos metálicos e materiais mesoporosos, temos que a estrutura cristalina dos átomos ou íons exercem grande influência sobre suas propriedades. A organização interna dos átomos em arranjos repetitivos define características como permeabilidade seletiva, resistência mecânica e condutividade iônica ou eletrônica. Existem diferentes tipos de estruturas cristalinas que podem ser encontradas nessas membranas, como a cúbica de face centrada (cfc), a hexagonal compacta (hc) e a cúbica de corpo centrado (ccc).

Assim, a escolha da estrutura cristalina adequada é fundamental para o desempenho otimizado das membranas inorgânicas em diferentes aplicações, como filtração, separação seletiva de íons e catálise heterogênea. Cada tipo de estrutura cristalina oferece vantagens e desvantagens, com isso, a aplicação específica da membrana determina qual arranjo é mais adequado para alcançar as características desejadas.

Propriedades

As membranas de separação são caracterizadas por uma série de propriedades que determinam sua eficiência e aplicabilidade. Tanto as membranas poliméricas quanto as inorgânicas possuem características distintas que as tornam adequadas para diferentes tipos de processos.

Propriedades das Membranas Poliméricas

  1. Permeabilidade: As membranas poliméricas são conhecidas por sua alta permeabilidade, permitindo a passagem de substâncias através de seus poros ou matriz. No entanto, essa permeabilidade pode diminuir ao longo do tempo devido ao acúmulo de partículas (fouling) e à degradação do material.
  2. Seletividade: A seletividade é a capacidade da membrana de discriminar entre diferentes moléculas, permitindo a passagem de algumas e bloqueando outras. Modificações na superfície da membrana com grupos funcionais podem aumentar essa seletividade, mas o fouling e a degradação química podem comprometê-la com o tempo.
  3. Resistência Química: As membranas poliméricas possuem boa resistência a certos compostos químicos, mas são vulneráveis a solventes orgânicos fortes e ambientes com ácidos ou bases concentradas. A escolha do polímero adequado é fundamental para garantir a resistência necessária para aplicações específicas.
  4. Resistência Mecânica: Essas membranas têm boa resistência mecânica em condições normais, suportando tensões e choques devido à sua flexibilidade. No entanto, sob condições extremas de pressão ou altas taxas de fluxo, podem se deformar ou romper.
  5. Elasticidade: As membranas poliméricas são altamente elásticas, podendo se deformar e retornar à forma original. No entanto, essa elasticidade pode diminuir ao longo do tempo devido à fadiga do material e ao envelhecimento.

Propriedades das Membranas Inorgânicas

  1. Resistência Térmica: Membranas inorgânicas, como as de cerâmica e zeólitas, possuem excelente resistência térmica, podendo operar em temperaturas extremamente altas, o que as diferencia das poliméricas. Isso as torna adequadas para ambientes industriais severos.
  2. Estabilidade Química: As membranas inorgânicas apresentam alta estabilidade química, especialmente em ambientes corrosivos. Elas são mais resistentes a solventes fortes, ácidos e bases, comparadas às membranas poliméricas.
  3. Resistência Mecânica: Devido à sua estrutura cristalina compacta, estas membranas possuem maior resistência mecânica e podem suportar condições de alta pressão sem deformações significativas.
  4. Permeabilidade Seletiva: Membranas inorgânicas também apresentam permeabilidade seletiva, especialmente em materiais como as zeólitas, que possuem poros de tamanhos específicos para a separação molecular. Esta propriedade é fundamental em processos petroquímicos e de separação de gases.

Aplicações das membranas

As membranas têm aplicações amplamente diversificadas, desempenhando um papel crucial em várias indústrias, desde a captura de gases até a purificação de produtos químicos. Uma das inovações mais promissoras nesse campo é o desenvolvimento de membranas de matriz mista, compostas por materiais orgânicos e inorgânicos. Essas membranas combinam a flexibilidade e o menor custo dos materiais poliméricos com a estabilidade química e física superior das membranas inorgânicas. Dessa forma, elas são capazes de oferecer uma solução eficaz para o processo de separação, aumentando a eficiência e a durabilidade em ambientes industriais rigorosos.

Um exemplo interessante são as membranas de grafeno voltadas para a filtração de dióxido de carbono (CO₂). Graças às propriedades únicas do grafeno, como alta superfície específica e excelente estabilidade química, essas membranas podem ser modificadas com grupos funcionais que aumentam sua afinidade por moléculas de CO₂. O processo de separação ocorre por adsorção, onde as moléculas de CO₂ são atraídas e retidas na superfície do grafeno, enquanto os poros seletivos do material facilitam a separação eficiente de outros gases. A aplicação de membranas de grafeno oferece uma solução promissora para capturar e armazenar CO₂, ou até mesmo convertê-lo em combustíveis sintéticos, o que pode ajudar a combater as mudanças climáticas.

Além disso, as membranas inorgânicas também têm aplicações essenciais na separação de gases, como a recuperação de hidrogênio (H₂) e CO₂ a partir do gás natural, bem como na redução da emissão de gases de efeito estufa. Essas membranas possuem alta estabilidade térmica e química, permitindo que operem a temperaturas elevadas e em ambientes corrosivos, comuns em muitos processos industriais. Sua durabilidade e resistência as tornam ideais para substituir reatores convencionais, oferecendo vantagens como a integração das etapas de reação e separação em um único processo, a redução do consumo de energia e a operação em condições mais seguras e econômicas.

Essas diversas aplicações demonstram como as membranas desempenham um papel fundamental na busca por tecnologias mais eficientes e sustentáveis em vários setores industriais.

REFERÊNCIAS

HABERT, Alberto Claudio; BORGES, Cristiano Piacsek; NOBREGA, Ronaldo. Processos de Separação por Membrana. Rio de Janeiro: Editora E-Papers, 2006.

 

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