Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo Preparation, Characterization and Application of Composite Membranes from 2-Methyl-m-Phenylenediamine and Trimesoyl Chloride

Abstract

La presente investigación consistió en preparar membranas compuestas por el método de polimerización en interfase para formar membranas compuestas a partir de los monómeros 2-metil-m-fenilendiamina (2-MMPD) y cloruro de trimesoílo (TMC), con el objetivo de aplicarlas en el proceso de ósmosis inversa para desalinización de soluciones que contenían Na2SO4 y NaCl. Fueron caracterizadas por las técnicas de: Microscopia de fuerza atómica (AFM) con la cual se determinó que a mayor cantidad de TMC se aumenta la rugosidad de la membrana, utilizando Espectroscopia de Infrarrojo con ATR (Reflectancia Total Atenuada) se comprobó la formación de la capa delgada de poliamida, el equipo de ángulo de contacto (EAC) indicó que el ángulo disminuye al aumentar la cantidad de TMC y al aplicarse en el equipo de flujo cruzado, midiendo el flujo permeado, flujo de rechazo, presión de operación y rechazo de sales. La membrana compuesta 2-MMPD0.5%-TMC0.5% fue la que tuvo mejor eficiencia en el rechazo de sales y flujo de permeado. Elimino el 70 % de Na2SO4 y el 70% de NaCl de una solución madre de 1000 ppm. Membranas compuestas, Polimerización en interfase, Ósmosis inversa Abstract The goal of this investigation was prepared composite membranes through interphase polymerization methodology to obtained composite membranes of methyl-m-phenylenediamine (2-MMPD) and trimesoyl chloride (TMC) with the aim in order to use them to reverse osmosis process in solutions with Na2SO4 and NaCl. The membranes were characterized by Atomic Force Microscopy (AFM), determining that an increase in the content of TMC, causes an increase membrane roughness. The test Infrared spectroscopy by ATR (Attenuated Total Reflectance) it proved was obtained a thin film of polyamide. The test of contact angle proved that increasing the content of TMC, decrease the contact angle. Finally, in the cross flow equipment the composite membrane 2-MMPD0.5%-TMC0.5% had the best performance to salt reject and permeate flow. It eliminated 70 % of Na2SO4 and 70% of NaCl from 1000 ppm solution.

Full text

1
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas Compuestas a partir de
2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo
Preparation, Characterization and Application of Composite Membranes from 2-
Methyl-m-Phenylenediamine and Trimesoyl Chloride
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús†*, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario, DÉVORA-ISIORDIA,
Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna Guadalupe
Instituto Tecnológico de Sonora, Programa Educativo de Ingeniería Química, Departamento Ciencias del Agua y Medio
Ambiente, 5 de Febrero 818 Sur Centro Cd. Obregón, Sonora 85000 México
ID 1er Autor: Jesús, Álvarez-Sánchez / ORC ID: 0000-0002-3773-6420, CVU CONACYT ID: 161848
ID 1er Coautor: Maria del Rosario, Martinez-Macias / ORC ID: 0000-0002-3776-1327, CVU CONACYT ID: 248826
ID 2do Coautor: Germán Eduardo, Dévora-Isiordia / ORC ID: 0000-0002-0190-0794, CVU CONACYT ID: 163183
ID 3er Coautor: Reyna Guadalupe, Sánchez-Duarte / ORC ID: 0000-0002-6649-167X, CVU CONACYT ID: 333937
Recibido Octubre 13, 2018, Aceptado Diciembre 27, 2018
Resumen
La presente investigación consistió en preparar membranas
compuestas por el método de polimerización en interfase
para formar membranas compuestas a partir de los
monómeros 2-metil-m-fenilendiamina (2-MMPD) y
cloruro de trimesoílo (TMC), con el objetivo de aplicarlas
en el proceso de ósmosis inversa para desalinización de
soluciones que contenían Na2SO4 y NaCl. Fueron
caracterizadas por las técnicas de: Microscopia de fuerza
atómica (AFM) con la cual se determinó que a mayor
cantidad de TMC se aumenta la rugosidad de la membrana,
utilizando Espectroscopia de Infrarrojo con ATR
(Reflectancia Total Atenuada) se comprobó la formación
de la capa delgada de poliamida, el equipo de ángulo de
contacto (EAC) indicó que el ángulo disminuye al
aumentar la cantidad de TMC y al aplicarse en el equipo de
flujo cruzado, midiendo el flujo permeado, flujo de
rechazo, presión de operación y rechazo de sales. La
membrana compuesta 2-MMPD0.5%-TMC0.5% fue la que
tuvo mejor eficiencia en el rechazo de sales y flujo de
permeado. Elimino el 70 % de Na2SO4 y el 70% de NaCl
de una solución madre de 1000 ppm.
Membranas compuestas, Polimerización en interfase,
Ósmosis inversa
Abstract
The goal of this investigation was prepared composite
membranes through interphase polymerization
methodology to obtained composite membranes of methyl-
m-phenylenediamine (2-MMPD) and trimesoyl chloride
(TMC) with the aim in order to use them to reverse osmosis
process in solutions with Na2SO4 and NaCl. The
membranes were characterized by Atomic Force
Microscopy (AFM), determining that an increase in the
content of TMC, causes an increase membrane roughness.
The test Infrared spectroscopy by ATR (Attenuated Total
Reflectance) it proved was obtained a thin film of
polyamide. The test of contact angle proved that increasing
the content of TMC, decrease the contact angle. Finally, in
the cross flow equipment the composite membrane 2-
MMPD0.5% -TMC0.5% had the best performance to salt reject
and permeate flow. It eliminated 70 % of Na2SO4 and 70%
of NaCl from 1000 ppm solution.
Composite membranes, Interfacial polimerization,
Reverse osmosis
Citación: ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario, DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y
SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna Guadalupe. Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas Compuestas a partir de 2-Metil-
m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo. Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018, 4-14: 1-9.
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: jesus.alvarez@itson.edu.mx)
† Investigador contribuyendo como primer Autor.
©ECORFAN-Spain www.ecorfan.org/spain

2
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe. Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Introducción
El agua dulce es el recurso más importante para
la humanidad, utilizable en todas las actividades
sociales, económicas y ambientales. Se trata de
una condición para toda la vida en nuestro
planeta, un factor limitante para la habilitación o
cualquier desarrollo social y tecnológico, una
posible fuente de bienestar, cooperación o el
conflicto (UNESCO, 2018).
Aunque tres cuartas partes de la tierra están
cubiertas por agua, el 97.5% es salada
(forma mares y océanos) y sólo 2.5% es agua
dulce, del cual sólo 0.3% se localiza en lagos y
ríos (figura 1) de donde el hombre toma la mayor
parte del agua que utiliza, el resto se encuentra en
glaciares, casquetes polares en forma de hielo y
en depósitos subterráneos (INEGI, 2018).
Figura 1 Distribución del agua en el mundo
Fuente: INEGI, 2018
México posee aproximadamente el 0.1%
del total de agua dulce disponible a nivel
mundial, lo que determina que un porcentaje
importante del territorio este catalogado como
zona semidesértica. Esto implica, también, la
necesidad de considerar al agua no sólo como un
elemento vital, sino como un factor para el
desarrollo global del país (Centro Virtual de
Información del Agua, 2018).
En México, el 77% del agua se utiliza en la
agricultura; el 14% en el abastecimiento público;
el 5%, en las termoeléctricas y un 4% en la
industria (INEGI, 2018). De acuerdo a los
reportado por Dévora et al., (2016) Sonora ocupa
el segundo lugar en cultivos de riego en México.
Los problemas de disponibilidad de los
recursos hídricos, principalmente para
agricultura en Sonora, se deben a la alta
concentración de sales en los pozos, que van
desde 2 000 hasta 5 000 mg/L de sólidos disueltos
totales (SDT) de ahí la importancia de la ósmosis
inversa para rescatar los pozos con instrucción
salina y también el diseño de nuevas membranas
compuestas.
En los últimos años, las técnicas de
separación empleando membranas se han
incrementado, a partir de ensayos a nivel
laboratorio, hasta llegar a un proceso industrial
con una considerable técnica e impacto
comercial. Hoy en día, las membranas se utilizan
para limpiar los efluentes industriales y recuperar
componentes valiosos por electrodiálisis, para
fraccionar macromoléculas, soluciones en la
industria alimentaria y medicamentos por
ultrafiltración, para eliminar la urea y otras
toxinas de las corrientes de sangre procedente de
la diálisis en un riñón artificial, y para liberar
fármacos tales como escopolamina,
nitroglicerina, etc., a una velocidad
predeterminada en tratamientos médicos y en
gran escala para producir agua potable del mar
por ósmosis inversa (Baker, 2012).
Inclusive las membranas compuestas
pueden utilizarse para la generación de energía
electrica mediante el proceso de la ósmosis por
presión retardada (PRO) (Alzate et al. 2018) o
usando membranas cerámicas para serarar CO2 y
asi reducir las emisiones de este al medio
ambiente (Mendoza-Serrato et al., 2018).
En el comienzo del período de 1980 a 2016
se han introducido cambios significativos en el
estado de la tecnología de membrana de
nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO), por
lo cual se han convertido en una alternativa viable
para los procesos de separación convencionales
(Gohil y Ray, 2017). Como es sabido, las
diaminas pueden reaccionar con diácidos para
formar poliamidas (Liu et al., 2018) por la
reacción de policondensación. Estos polímeros
tienen un gran valor comercial, son aceptados
porque pueden formar fibras y películas
resistentes. Tan et al., (2015) las poliamidas
aromáticas alifáticas hiperramificadas que
contienen fósforo se preparan a través de la
polimerización directa de tríacidos (B3) con
diferentes diaminas (A2), para mejorar la
capacidad de procesamiento de las poliamidas
aromáticas a la vez que se mantienen propiedad
térmica y mecánica excelentes.

3
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe.Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Sundet et al. (1985), desarrollaron un
método para producir membranas compuestas y
utilizarlas en ósmosis inversa, empleando
precursores como: m-fenildiamina, cloruro de
trimesoílo y 1, 3, 5 cloruro de tricarbonilo
ciclohexano; polimerizándolos en una soporte de
polisulfona (35,000 g/mol).
Por lo anterior, la presente investigación
consistió en preparar membranas compuestas de
polisulfona (soporte), por el método de inversión
de fase y por el método de polimerización en
interfase (figura 2), a partir de los monómeros 2-
metil-m-fenilendiamina (2-MMPD) y cloruro de
trimesoílo (TMC) con la finalidad de aplicarlas
en el proceso de ósmosis inversa para desalar
agua de mar (figura 3). Dichas membranas,
fueron caracterizadas por las técnicas de:
Microscopia de fuerza atómica (AFM),
espectroscopia de infrarrojo con ATR
(Reflectancia Total Atenuada), ángulo de
contacto y su aplicación en el equipo de flujo
cruzado midiendo flujo de permeado, flujo de
rechazo, presión de operación y rechazo de sales.
Figura 1 Esquema de la polimerización en interfase para
preparar membranas compuestas
Fuente: Baker et al, 2012
Figura 3 a) Estructura química de la polifulsona y b)
Estructura química de monómeros, (2-metil-m-
fenilendiamina (2-MMPD), cloruro de trimesoílo (TMC)
Fuente: Elaboración propia
Metodología
Reactivos
Polisulfona (PS), n-metil pirrolidona (NMP), 2-
metil-m-fenilendiamina (2-MMPD), cloruro de
trimesoílo (TMC), ciclohexano, agua destilada,
cloruro de sodio (NaCl), sulfato de sodio (Na-
2SO4) y tanque contenedor de nitrógeno (N2)
PRAXAIR, modelo P0426.
Material
Navaja de alta precisión para preparar membrana
de PS, cinta, tijeras, reglas, papel poliéster,
guantes, brocha para dispersión de solución,
rodillo de PVC, cristal de 30 x 20 cm, cristal de
65 x 35 cm, recipiente contenedor de atmosfera
inerte y espátula.
Equipo
Calibrador, micrometro Mitutoyo, modelo
7300S, cronometro, conductímetro YSI, modelo
30, balanza analítica digital Explorer OHAUS,
modelo E12140, horno Thermo Scientific,
modelo 6522, equipo de ángulo de contacto
Dataphysics, modelo OCA 15EC, equipo de
infrarrojo por ATR Thermo Scientific, modelo
Nicolet iS5, equipo de flujo cruzado Sterlitech
Corporation, modelo CF042, equipo de
microscopio de fuerza atómica AFM Workshop,
modelo TT-AFM.
Preparación de membranas de polisulfona por
el método de inversión de fase
Utilizando el método de inversión de fase
propuesto por Álvarez et al., (2014) y Perez et al.
(2016); se pesaron 15 g de polisulfona (PS) y 85
g de n-metil pirrolidona (NMP) en balanza
digital, para posteriormente ser mezclados en un
frasco el cual fue sellado hermeticamente. La
solución fue agitada en un sistema formado por
rodillos giratorios por 24 h. Terminada la
agitación de la solución, se procedió a marcar un
contorno de 62 cm de largo por 30 cm de ancho
con ayuda de un lápiz, una regla y una escuadra,
posteriormente se recortó el contorno del papel
poliéster marcado. Con la cara interna del papel
recortado hacia arriba se pega con cinta en el
cristal de 65 x 32 cm. El papel debe quedar lo más
estirado posible sobre el cristal para evitar
abolladuras o arrugas ya que estas interfieren en
el espesor de la membrana cuando se dispersa la
solución.

4
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe. Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Una vez correctamente pegado el papel en
el cristal, se pone la navaja sobre uno de los
extremos del papel y se mide el espesor deseado
(0.152 mm) con el calibrador. Calibrada la
navaja, se colocó 50 g de la solución de
polisulfona dentro de las paredes de esta y se
distribuye la solución a lo largo del papel a una
velocidad de 5.5 m/min. Inmediatamente,
después de la dispersión de la solución, se retiró
la navaja y, el cristal con el papel impregnado de
solución fue introducido a una bandeja con un
volumen de 15 L de agua destilada, se dejó
reposar dentro del agua por 7 min para permitir
que se lleve a cabo la inversión de fase. Al
terminar los 7 min se obtuvó la membrana de PS
al 15%p/p. La membrana es retirada del agua y
del cristal, para conservarse dentro de una
bandeja a una temperatura de 5 °C. Se prepararon
5 membranas por el método anterior variando la
concentración de PS y NMP.
Preparación de membranas compuestas por la
técnica de polimerización en interfase
Una vez realizada la membrana de polisulfona, se
procedió a utilizar las metodologias de Lin et at.
(2007) y Perez et al. (2016), primero se preparo
una solución acuosa con 0.25 g de 2-MMPD en
49.75 g de agua destilada y después otra solución
con 0.125 g cloruro de trimesoílo en 49.87 g de
ciclohexano.
Se recortó una parte de la membrana de PS
al 15% en peso con las dimensiones del cristal de
25 x 30 cm, el recorte fue pegado al cristal con la
cara de PS hacia arriba. Con la ayuda de una
brocha, se dispersó la solución 2-MMPD al
0.5%p/p, sobre la superficie de la membrana de
PS por 30 s. Posteriormente fue colocado un
marco de plástico con dimensiones de 23 x 28 cm
sobre el cristal presionando la membrana con la
finalidad de que las soluciones permanezcan más
tiempo en contacto sobre la membrana de PS.
Una vez realizado lo anterior fue añadida la
solución de TMC al 0.25%p/p sobre la membrana
de PS previamente mojada con la solución 2-
MMPD. Despues de transcurridos 60 s de
reacción, se introduce la membrana de PS con
ambas soluciones a un recipiente que
inmediatamente es cerrado (atmosfera inerte),
dicho recipiente es alimentado de gas nitrógeno a
través de un tanque. La atmosfera inerte es
fundamental para frenar la reacción, así
permaneció durante 3 min.
Después de este tiempo, es retirada la
membrana de la atmosfera inerte y se coloca
sobre una parrilla metálica utilizando ganchos.
La membrana impregnada y colgada en la
parrilla, fue introducida al horno por 5 minutos a
una temperatura de 80 ºC para que se lleve a cabo
el proceso de curado de la membrana compuesta.
Terminado este tiempo, se saco la membrana del
horno, y se puso a secar a temperatura ambiente,
después se lavó con agua destilada y alcohol
isopropílico y, posteriormente, fue guardada en
bolsas plásticas para su conservación y uso en
aplicaciones futuras. Por la metodolgoia anterior
se prepararon 3 membranas compuestas
modificando la cantidad de TMC.
Aplicación de las membranas
El equipo de flujo cruzado (figura 4) funciona
haciendo pasar una solución salina a través de
una celda que contiene en su interior una de las
membranas elaboradas en esta investigación,
contiene una bomba que eleva la presión del
fluido a niveles mayores que la presión osmótica,
para que el fluido logre pasar a través de la
membrana compuesta. La celda contiene dos
salidas de fluido, la primera es del fluido de
permeado (producto), que contiene una menor
cantidad de sales después del pasarla a través de
la membrana y la segunda, tiene el nombre de
rechazo, corriente donde se concentra la mayor
cantidad de sales, es decir, contiene las sales de
la alimentación más las sales que no pasaron a
través de la membrana.
El equipo consta de las siguientes partes: 1.
Depósito de alimentación (19 L), 2. Bomba (1.5
hp), 3. Celda de permeado (forma rectangular
medidas externas: alto 8.3 cm, ancho 10.2 cm y
largo 12.7 cm, área de membrana efectiva: 42
cm2, área de sección transversal: 1.8 cm2), 4.
Válvula de aguja para controlar la presión, 5.
Depósito (250 mL), 6. Balanza, 7. Válvula de
desfogue para tubo con desviación, 8.
Manómetro y 9. Medidor de flujo. A = tubo
rígido de acero inoxidable, D = tubo de PVC, E =
manguera de Nylon, B y C= manguera con
resistencia de 1,000 psia.
Con este equipo se analizó el desempeño de
las membranas en cuanto a rechazo de sales,
presión y flujo de permeado. En la figura 4, se
muestra los componentes principales del equipo
de flujo cruzado.

5
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe.Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Figura 4 Equipo de flujo cruzado
Fuente: Elaboración Propia
Una vez preparada la membrana
compuesta, se recortó una pieza de 11.5 cm x 6
cm para colocarse dentro de la celda del equipo
de flujo cruzado. Previamente, al recorte es
preparada una solución salina a 1,000 ppm (las
sales usadas fueron Na2SO4 y NaCl por separado,
se verifica con ayuda de un conductímetro, C1)
con un volumen de 10 L, vaciada al recipiente de
alimentación del sistema.
Abrir completamente la válvula de salida
del flujo del rechazo para dejar escapar el aire que
pueda estar dentro del sistema e ir cerrandola
poco a poco, hasta alcanzar la presión deseada
una vez encendida la bomba de alta presión.
Puesto en marcha el sistema y alcanzando la
presión deseada, se recolecta el flujo o producto
de permeado, en un recipiente para
posteriormente, medir la concentración de sales
en ppm con el conductímetro, y mientras es
obtenido el volumen de permeado deseado, se
mide el tiempo. Obtenidas ambas
concentraciones C1 y C2 (concentración de la
alimentación y concentración del permeado
respectivamente), se aplica la ecuación 1 para
determinar el porcentaje de rechazo de sales
(%R) y la ecuación 3 para el caudal o flujo de
permeado.
  
 (1)
La siguiente figura 5, muestra los flujos o
caudales que se generaron durante el proceso, de
los cuales podemos distinguir: Flujo o caudal de
alimentación, que es el que se pretende desalar y
se aplica a un lado de la membrana, Fa; flujo o
caudal de permeado (producto), que corresponde
al agua a la que se le han eliminado o reducido
las sales, Fp; flujo o caudal del concentrado
(rechazo), que arrastra las sales que han sido
separadas por la membrana y que se depositaran
sobre ella, Fr.
Figura 5 Flujos en el proceso de ósmosis inversa.
Fuente: Elaboración Propia
La ecuación para calcular las magnitudes
anteriores son:
  (2)
También:

 (3)
Dónde:
V= Volumen
∆t=Diferencial de tiempo
Caracterización de la membrana de PS y las
membranas compuestas
Ángulo de contacto
El análisis del ángulo de contacto se realizó en un
equipo Dataphysics, modelo OCA 15EC,
mediante la utilización del software SCA20. Las
membranas se recortaron a una dimensión de 5
cm x 2 cm para después colocarlas sobre la base
del equipo con cinta adhesiva (cuidando de solo
pegar la orilla de la membrana para no dañar la
medición). Se colocó agua destilada dentro de la
jeringa (previamente filtrada con filtro de 0.2
µm). Posteriormente se realizaron las mediciones
aplicando seis gotas de la jeringa sobre la
membrana, donde cada una de ellas se colocaron
en sitios diferentes sobre la superficie de la
membrana, dejando una distancia aproximada de
medio centímetro entre cada medición y con un
arreglo rentangular.
Espectrofotómetro de infrarrojo por ATR
La identificación de grupos funcionales de las
membranas compuestas se realizó con el equipo
de infrarrojo por ATR Thermo Scientific, modelo
Nicolet iS5. Se recortaron las membranas a
analizar a una dimensión aproximada de 1 cm x
1 cm.

6
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe. Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Posteriormente, se tomó la muestra con
unas pinzas sujetándola por la orilla, evitando
tener contacto con la cara del polímero, y se
colocó sobre la base de análisis con la cara hacia
abajo. Se ajustó el tornillo de la base a fin de tener
una mejor imagen de la muestra (la cual era
observada en software OMNIC), y se inició el
análisis. Se repitió el mismo procedimiento para
cada una de las membranas preparadas.
Microscopio de fuerza atómica
Primero fue necesario verificar si el equipo
estaba nivelado. Se utilizó el equipo de
microscopio de fuerza atómica AFM Workshop,
modelo TT-AFM. Cada membrana a analizar se
recortó a una dimensión aproximada de 1 cm x 1
cm, y se pegaron con adhesivo en la base del
equipo. Una vez colocada la muestra, se inició el
software AFM 50 µm, después se enfocó la
cámara y se acercó una pequeña punta llamada
cantiliver a la muestra, la cual se encarga de
escanear la muestra. Se realizaron 3 mediciones
para cada una de las membranas, utilizando áreas
de escaneo de 25 y 40 µm.
Resultados
Medida del Ángulo de Contacto
En la tabla 1, se describen los resultados de
ángulo de contacto obtenidos de la membrana de
PS y de las membranas compuestas. Al aumentar
la concentración de TMC en las membranas
disminuyó el ángulo de contacto, es decir,
aumento la hidrofilicidad de las membranas y con
ello se esperaría que aumentará la permeabilidad
de las membranas. La membrana compuesta 2 fue
la excepción, ya que aumentó ligeramente el
ángulo de contacto. Todas las membranas
compuestas son más hidrofílicas que la
membrana de PS. Comparando la membrana de
PS contra la membrana compuesta 3, el porciento
de aumento de hidrofilicidad fue del 9.3 %,
membrana compuestas 1 fue el 4.2 % y la
membrana compuesta 2 fue del 3.4 %.
No.
% TMC
Promedio
Membrana PS
-
78.84±4.59
1
0.25
75.62±3.16
2
0.50
76.2±3.44
3
1.00
72.08±3.68
Tabla 1 Ángulo de contacto de membrana de PS y
membranas compuestas
Fuente: Elaboración Propia
La reducción del ángulo de contacto se
debe a la formación de una nueva capa en la
superficie de la membrana de PS. Al reaccionar
el 2-MMPD y el TMC se forma una capa de
polímero delgada (figura 6) al reaccionar el
cloruro de acilo del TMC con moléculas de agua
formando el grupo funcional –COOH, el cual
vuelve mas hidrofílica a la membranas, debido a
los puentes de hidrógeno que se generan (Do et
al., 2012; Lin et al., 2016).
Figura 6 Reacción de polimerización en interfase entre el
2-MMPD y TMC
Fuente: Elaboración Propia
Caracterización por Microscopia de Fuerza
Atómica
Los valores de rugosidad que aparecen en la tabla
2, son las medidas promedio en un área de 25 µm
y 40 µm. La membrana compuesta 1 presenta una
rugosidad de 186 nm siendo la más lisa respecto
al resto de las membranas compuestas. La
rugosidad aumentó directamente con el
incremento de la concentración de TMC, de
acuerdo con los resultados por AFM y lo
demostrado por Lin et al., (2007).
No
TMC
(% masa)
Rugosidad (nm)
RPa
(nm)
a
b
c
1
0.25
171
195
192
186±18
2
0.50
171
181.6
386
246±111
3
1.00
423
572
538
511±160
a Rugosidad Promedio
Tabla 2 Rugosidad de membranas compuestas
Fuente: Elaboración Propia
En la figura 7, se muestran las imágenes
tomadas en un tamaño de 25x25 μm para la
membrana TFC, con una concentración de 0.25%
p/p de TMC y de 40x40 μm para las siguientes
dos membranas compuestas con concentraciones
de 0.50 y 1.00% p/p de TMC respectivamente.

7
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe.Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Los diferentes cambios de color a lo largo
y ancho de las muestras hacen referencia a los
puntos más altos y bajos de la membrana, es
decir, los picos de color azul hasta el morado muy
intenso muestran que la superficie presenta
valores de rugosidad mayor a 1 μm y de manera
en que desciende la superficie (picos) para formar
valles disminuye la intensidad del color hasta
llegar al rojo o negro que indican valores
negativos (hoyos o poros) en la muestra.
Figura 7 Rugosidad de la superficie de las membranas
compuestas 1, 2 y 3
Fuente: Elaboración Propia
Caracterización por espectrospia de
infrarrojo con ATR
En base a lo reportado por Wu (2015), se dará una
polimerización por condensación formándose un
polímero entrecruzado en la superficie y en los
poros de la membrana de polisulfona. El enlace
formado en las membranas compuestas fue C-N,
esto es mostrado en el espectro de infrarrojo a una
longitud de onda de 1653.62 cm-1por analisis en
ATR (figura 6 y 8). En la figura 6, se muestra
como se realizó la reacción de polimerización en
interfase (Álvarez et al, 2018 y Torres, 2018).
La formación del grupo funcional ácido
carboxílico va relacionado a la presencia de agua
y cloruro de acilo, produciendo el grupo
funcional COOH, (Álvarez et al., 2018). Por lo
tanto, la señal a 1717.97 cm-1, se debe al
estiramiento del C=O del grupo funcional ácido
carboxílico como se muestra en el espectro de la
figura 8. El grupo acido vuelva mas hidrofílica la
membrana, como lo indica la medida del angulo
de contacto.
Figura 8 Infrarrojo de membrana compuesta 2
Fuente: Elaboración Propia
Aplicación de membranas de PS y membranas
compuestas en el equipo de flujo cruzado
En la tabla 3, se observa que a una menor
concentración de PS (15% p/p) el flujo de
permeado es mayor (72 L/d y conforme aumenta
la concentración de PS, disminuye gradualmente
el flujo de permeado. Esto se debe a que la
membrana de PS es más densa al aumentar su
concentración y con ello existe un mayor cierre
de poros de la membrana.
No.a,b
PS (% p/p)
% R de Na2SO4
Flujo de permeado (L/d)
1
15
9
72
2
20
10
28.8
3
25
15
11.08
4
30
20
7.5
5
35
20
6.92
a Presión 450 psia.
b Solución de alimentación a 1000 ppm Na2SO4.
Tabla 3 Rechazo de sales de Na2SO4 y flujo de permeado
en membranas de PS
Fuente: Elaboración Propia
Se aprecia que el aumento de la
concentración de PS, es inversamente
proporcional respecto al flujo de permeado, y
directamente proporcional al rechazo de sales. En
la tabla 4, se aprecia que usando una
concentración del 0.5 % p/p, se logró obtener el
mayor rechazo de sales con 70%, el flujo de
permeado disminuyó al preparar la membrana
compuesta con 1 % en peso de TMC. El mismo
comportamiento obtuvo Lin et al. (2007).
No.a,b
Monómeros %
p/p
Flujo de permeado
(L/d)
% de
rechazo
1
0.5
0.25
13.3
50
2
0.5
0.5
13.3
70
3
0.5
1.0
11.25
50
aSolución de alimentación de 1000 ppm de Na2SO4
bPresión 400 psia
Tabla 4 Rechazo de sales de Na2SO4 y flujo de permeado
de las membranas compuestas en el equipo de flujo cruzado
Fuente: Elaboración Propia

8
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe. Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
La membrana compuesta 2 con
concentración de 0.5 % de TMC rechazo el 70 %
de sales de NaCl el resultado fue superior a la
membrana con las mismas característica que
preparo Lin et al. (2007). Tambien, se tiene el
mismo comportamiento que obtuvo Lin et al.,
(2007) al aumentar la cantidad de TMC, el
rechazo de sales disminuye.
No.
a,b
Monómeros %
p/p
Flujo de permeado
(L/d)
% de
rechazo
1
0.5
0.25
4.2
20
2
0.5
0.5
4.2
70
3
0.5
1.0
9.0
40
aSolución de alimentación de 1000 ppm de NaCl
bPresión 400 psia
Tabla 5 Resultados de remoción y flujo de permeado de las
membranas compuestas en el equipo de flujo cruzado con
NaCl
Fuente: Elaboración Propia
Conclusiones
Se prepararon membranas de polisulfona por
método de inversión de fase y membranas
compuestas por el método de polimerización en
interfase. Se caracterizaron por ángulo de
contacto, microscopia de fuerza atómica y
espectroscopia de infrarrojo con ATR. También,
se probaron las membranas con dos tipos de sales
modelos.
Tanto la caracterización y la aplicación
comprueban, que las membranas compuestas
están formadas de monómeros 2-MMPD y TMC,
lo cual permitió la remoción del 70% de sales en
las muestras tratadas. Se seguirá investigando
con las metodologías probadas, preparando
membranas compuestas capaces de desalar agua
marina eliminando el 99% de las sales a través de
la modificación de la capa delgada de las
poliamidas.
Referencias
Álvarez-Sánchez, J., Encinas-Meneses, E.,
Pérez-Sicairos, E., Ríos-Vazquez, N. J., Dévora-
Isiordia, G. E. & González-Enríquez, R. (2014).
Preparación y caracterización de membranas
compuestas elaboradas a partir de 2,4,6 Trimetil
m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista Iberoamericana de Ciencias, 1:7, 123-
136.
Álvarez-Sánchez, J., Romero-López, G. E.,
Pérez-Sicairos, S., Devora-Isiordia, G. E.,
Sánchez-Duarte, R. G. & Fimbres-Weihs, G. A.
(2018). Development, Characterization, and
Applications of Capsaicin Composite
Nanofiltration Membranes. Yüksel, E. & Eyaz,
M. Desalination and Water Treatment (pp. 255-
268). 32 London Bridge Street, London, United
Kingdom IntechOpen.
Alzate, C. E. A. (2018). Energía Azul: generación
de potencia a través de la Ósmosis por Presión
Retardada (PRO). Ingenierías USBMed, 9(1), 3-
8.
Baker, R. (2012). Membrane Technology and
Applications (3ra. Ed.). John Wiley and Sons.
Centro Virtual de Informacion del Agua. (2018).
Recuperado el 10 de Noviembre de 2018, de
https://agua.org.mx/cuanta-agua-tiene-
mexico/#algunos-datos-sobre-el-agua
Dévora-Isiordia, G. D., María Elena López-
Mercado, M. E., Gustavo Adolfo Fimbres-
Weihs, G. A., Álvarez-Sánchez, J. & Sebastian
Astorga-Trejo, S. (2016). Desalación por
ósmosis inversa y su aprovechamiento en
agricultura en el valle del Yaqui, Sonora, México.
Tecnología y Ciencias del Agua, 7(3), 155-169.
Do, V. T., Tang, C. Y., Reinhard, M. & Leckie,
J. O. (2012). Degradation of Polyamide
Nanofiltration and Reverse Osmosis Membranes
by Hypochlorite. Environmental Science &
Technology, 46(2), 852-859.
Gohil, J.M. & Paramita Ray, P. (2017). A review
on semi-aromatic polyamide TFC membranes
prepared by interfacial polymerization: Potential
for water treatment and desalination. Separation
and Purification Technology, 181, 159-182.
INEGI. (2018). CUENTAME... TERRITORIO,
POBLACIÓN Y ECONOMIA DE MEXICO.
Recuperado el 10 de Noviembre de 2018, de
http://cuentame.inegi.org.mx/territorio/agua/dist
ribucion.aspx?tema=T
Lin, S.W. Sergio Pérez-Sicairos, S. & Félix
Navarro, R.M. (2007). Preparation,
Characterization and Salt Rejection of
Negatively Charged Polyamide Nanofiltration
Membranes. J. Mex. Chem. Soc., 51(3), 129-135.

9
Artículo Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales
Diciembre 2018 Vol.4 No.14 1-9
ISSN: 2444-4936
ECORFAN® Todos los derechos reservados
ÁLVAREZ-SÁNCHEZ, Jesús, MARTINEZ-MACIAS, Maria del Rosario,
DÉVORA-ISIORDIA, Germán Eduardo y SÁNCHEZ-DUARTE, Reyna
Guadalupe.Preparación, Caracterización y Aplicación de Membranas
Compuestas a partir de 2-Metil-m-Fenilendiamina y Cloruro de Trimesoílo.
Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales. 2018.
Liu, K., Li, Y., Tao, L. & Ru Xiao, R. (2018).
Preparation & characterization of polyamide 6
fibre based on a phosphorus-containing flame
retardant. RSC Adv. 8, 9261-9271.
Mendoza-Serrato, C. G., Ramírez-Moreno, M. J.,
Ezeta, A. & Ortiz-Landeros, J. (2018).
PROCESAMIENTO DE MEMBRANAS
CERÁMICO-CARBONATO DENSAS PARA
LA SEPARACIÓN DE CO2. Rev. LatinAm.
Metal. Mat. 38(2), 1-11.
Pérez-Sicairos, S., Miranda-Ibarra, S. A., Lin-
Ho, S. W., Álvarez-Sánchez, J., Pérez-Reyes, J.
C., Corrales-López, K. A. & Morales-Cuevas, J.
B. (2016). Membranas de nanofiltración,
preparadas vía polimerización en interfase,
dopadas con nanopartículas de ZnO: Efecto en su
desempeño. Revista Mexicana de Ingeniería
Química, 15, 961-975.
Sundet, S.A. Patente EEUU 4,520,044; 1985.
Tan, Z. W., Sun, J., Zhang, M., Qiu, J. J., Hu,
S.Q. & Liu, C. M. (2015). Phosphorus-containing
polymers from THPS. II: synthesis and property
of phosphorus-containing hyperbranched
aromatic-aliphatic polyamides. Designed
Monomers and Polymers, 18, 222-231.
Torres-Valenzuela, P. G. (2018). Preparación y
aplicación de nuevas membranas resistentes al
bioensuciamiento para desalar agua marina. Tesis
de maestría no publicada, Instituto Tecnológico
de Sonora, Cd. Obregón, Sonora, México.
UNESCO. (2018). United Nations Educational,
Scientific and Cultural Organization recuperado
el 10 de Noviembre de 2018, de
https://en.unesco.org/themes/water-security
Wu D. (2015).Thin Film Composite Membranes
Derived from Interfacial Polymerization for
Nanofiltration and Pervaporation Applications.
Disertación doctoral publicada, Waterloo,
Ontario, Canada.