Membranas de matriz mixta basadas en Matrimid® 5218 y redes de polímeros porosos para la separación de gases

Abstract

En este trabajo se prepararon membranas de matriz mixta (MMMs) cargadas con una red polimérica porosa (PPN por sus siglas en inglés) de 1,3,5-trifenilbenceno-trifluoroacetofenona (1,3,5- TPB- TFAP) sobre una poliimida aromática comercial, Matrimid®, con el fin de estudiar el rendimiento y las prestaciones en la separación de gases. El PPN es una red altamente microporosa que tiene una elevada absorción de CO2 y una alta estabilidad química y térmica. Fue caracterizado, además, por microscopía electrónica de barrido (SEM) y el estudio de la isoterma de adsorción-desorción de N2 mediante el análisis de superficie multipunto Brunauer-Emmett-Teller (BET). Las membranas obtenidas se caracterizaron por SEM, difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR), análisis termogravimétrico (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y propiedades mecánicas mediante curvas esfuerzo-deformación. La adecuada compatibilidad y adhesión entre los componentes (contenido de PPN de 15 y 30% p/p) fue respaldada por el ligero aumento de la temperatura de transición vítrea de las MMM con respecto a la membrana de poliimida pura. Se observó además una distribución uniforme de partículas de PPN en la matriz. Las propiedades mecánicas de las membranas son suficientemente buenas para ser probadas y estudiadas en la separación de gases. Las propiedades de transporte de gas de las membranas para gases puros He, N2, O2, CO2 y CH4 se midieron a 30 °C y a una presión de alimentación de 3 bar utilizando un permeador de gases de volumen constante/presión variable. La adición de las partículas de PPN mejoraron las propiedades de permeación de las membranas en todos los gases probados, aumentando además la difusividad. Las mejoras de las propiedades permoselectivas fueron especialmente destacables en el CO2, incrementando un 111 % y un 180 % para membranas cargadas con el 15 y 30% de PPN respectivamente, en comparación con la poliimida pura. También se observó un incremento considerable para el He con 65 y 88 % de incremento para el 15 y 30% respectivamente. Se observó un incremento en torno al 100 y al 110 % para la selectividad ideal del par de gases CO2/CH4 para el 15 y 30% respectivamente, y una disminución de apenas el 20% la selectividad ideal CO2/N2, en comparación con la poliimida pura. En el caso de la selectividad ideal He/CH4 se obtuvo un incremento del 50 y del 35 % para MMM cargadas con 15 y el 30% de PPN respectivamente.