La membrana FilmTec de Cadotte hizo crecer su piel bloqueadora de sal en el punto de encuentro de dos líquidos

La ósmosis inversa se volvió práctica con una membrana de un solo material: la membrana asimétrica de acetato de celulosa con piel integrada fabricada por Loeb y Sourirajan en la UCLA en 1959 y patentada en 1960. Un solo polímero tenía que cumplir ambas funciones —rechazar la sal y dejar pasar el agua—, de modo que las mejoras en el rechazo se lograban a costa del flujo, y las mejoras en el flujo a costa del rechazo. John Cadotte, que trabajaba en el North Star Research & Development Institute, había estado fabricando laminados de película polimérica ultrafina, patentados en 1970, y presentó sus propias patentes de membranas de ósmosis inversa en 1975 y 1977.

En 1972 Cadotte desarrolló la primera membrana compuesta de película delgada de poliamida polimerizada interfacialmente. La receta aparece en la solicitud presentada el 22 de febrero de 1979 y concedida el 7 de julio de 1981 como la patente estadounidense 4.277.344, asignada a FilmTec Corporation: recubrir un soporte poroso con una disolución acuosa de una poliamina como la fenilendiamina y, a continuación, poner el soporte recubierto en contacto con un haluro de poliacilo como el cloruro de trimesoílo. La polimerización comienza en la interfaz, in situ sobre el soporte, y el producto seco es un compuesto —una poliamida aromática reticulada laminada sobre ese soporte.

Los reactivos están contenidos en líquidos inmiscibles, por lo que solo se encuentran en un plano. La película se forma allí y entonces deja de crecer, porque separa la diamina acuosa del cloruro de ácido orgánico; la capa selectiva permanece ultrafina mientras el soporte subyacente soporta la presión. El uso de un haluro de acilo de carácter al menos trifuncional retícula la poliamida; la patente muestra que esto proporciona menor alargamiento y menor solubilidad que los polímeros lineales —una piel densa que sobrevive a la operación y a la limpieza. La patente también registra una buena resistencia al cloro, mejorable con un agente clorante.

Esa arquitectura se impuso. Hoy la gran mayoría de las membranas de ósmosis inversa y de nanofiltración son compuestos de película delgada de poliamida, y FilmTec, la empresa que surgió de North Star, forma ahora parte de DuPont. La patente de 1981 se sitúa al final de una línea documentada —el laminado de película ultrafina de North Star de 1970, las membranas de ósmosis inversa de Cadotte de 1975 y 1977— y sus reivindicaciones describen la capa selectiva como un material fabricado donde dos líquidos se tocan, en lugar de uno vertido, colado o extruido como una lámina.

Hacer crecer la piel selectiva donde se encuentran dos líquidos

Una membrana de un solo material tiene que sacrificar flujo de agua a cambio de rechazo de sal; un compuesto asigna cada función a un material diferente.

La polimerización interfacial se autolimita: la película que forma separa los reactivos, por lo que la capa selectiva permanece ultrafina sin volverse gruesa y lenta.

Un haluro de acilo de funcionalidad tres o superior retícula la poliamida, lo que, según muestra la patente, proporciona menor alargamiento y menor solubilidad que los análogos lineales.

El soporte poroso soporta la carga mecánica, de modo que la química puede ser delicada y costosa mientras el sustrato sigue siendo barato y resistente.

La resistencia al cloro decide si una membrana sobrevive a regímenes de limpieza reales; la patente abarca su mejora con un agente clorante.

No pidas a un solo material que cumpla dos funciones. Coloca la química selectiva en una capa demasiado delgada para resistir el flujo, deja que una más gruesa soporte la presión —y construye la capa delgada in situ.

Los compuestos de película delgada de poliamida fabricados mediante polimerización interfacial se convirtieron en la arquitectura de referencia para la ósmosis inversa y la nanofiltración, y FilmTec Corporation forma ahora parte de DuPont. La misma reacción —una diamina acuosa frente a un cloruro de ácido orgánico, que polimeriza solo en la interfaz— sigue siendo el método estándar para formar la capa selectiva, y desde entonces se ha extendido a la nanofiltración, a las membranas resistentes a disolventes y a capas construidas en torno a nanopartículas. Las revisiones de materiales de membranas de desalinización remontan la línea comercial hasta este compuesto.