A membrana FilmTec de Cadotte cresceu sua pele bloqueadora de sal no ponto de encontro de dois líquidos

A osmose reversa tornou-se prática com uma membrana de material único: a membrana assimétrica de acetato de celulose com pele integrada, feita por Loeb e Sourirajan na UCLA em 1959 e patenteada em 1960. Um único polímero tinha de cumprir as duas funções — rejeitar sal e deixar passar água —, de modo que ganhos na rejeição vinham ao custo do fluxo, e ganhos no fluxo ao custo da rejeição. John Cadotte, trabalhando no North Star Research & Development Institute, vinha produzindo laminados de filmes poliméricos ultrafinos, patenteados em 1970, e depositou suas próprias patentes de membranas de osmose reversa em 1975 e 1977.

Em 1972, Cadotte desenvolveu a primeira membrana composta de filme fino de poliamida polimerizada interfacialmente. A receita aparece no pedido depositado em 22 de fevereiro de 1979 e concedido em 7 de julho de 1981 como a Patente US 4.277.344, atribuída à FilmTec Corporation: revestir um suporte poroso com uma solução aquosa de uma poliamina, como a fenilenodiamina, e então colocar o suporte revestido em contato com um halogeneto de poliacila, como o cloreto de trimesoíla. A polimerização começa na interface, in situ sobre o suporte, e o produto seco é um compósito — uma poliamida aromática reticulada laminada sobre esse suporte.

Os reagentes ficam em líquidos imiscíveis, de modo que se encontram apenas num plano. O filme forma-se ali e então para de crescer, porque separa a diamina aquosa do cloreto de ácido orgânico; a camada seletiva permanece ultrafina enquanto o suporte por baixo suporta a pressão. O uso de um halogeneto de acila com caráter pelo menos trifuncional retícula a poliamida; a patente mostra que isso confere menor alongamento e menor solubilidade do que os polímeros lineares — uma pele densa que resiste à operação e à limpeza. A patente também registra boa resistência ao cloro, aprimorável com um agente clorante.

Essa arquitetura venceu. Hoje a grande maioria das membranas de osmose reversa e de nanofiltração são compósitos de filme fino de poliamida, e a FilmTec, a empresa que nasceu da North Star, hoje faz parte da DuPont. A patente de 1981 situa-se no fim de uma linha documentada — o laminado de filme ultrafino de 1970 da North Star, as membranas de osmose reversa de Cadotte de 1975 e 1977 — e suas reivindicações descrevem a camada seletiva como um material formado onde dois líquidos se tocam, e não como um material derramado, fundido ou extrudado como uma folha.

Crescer a pele seletiva onde dois líquidos se encontram

Uma membrana de material único tem de trocar fluxo de água por rejeição de sal; um compósito entrega cada função a um material diferente.

A polimerização interfacial se autolimita: o filme que forma separa os reagentes, de modo que a camada seletiva permanece ultrafina sem crescer espessa e lenta.

Um halogeneto de acila tri ou de maior funcionalidade retícula a poliamida, o que, segundo a patente, confere menor alongamento e menor solubilidade do que os análogos lineares.

O suporte poroso carrega a carga mecânica, de modo que a química pode ser delicada e cara enquanto o substrato permanece barato e resistente.

A resistência ao cloro decide se uma membrana sobrevive a regimes reais de limpeza; a patente abrange seu aprimoramento com um agente clorante.

Não peça a um único material que cumpra duas funções. Coloque a química seletiva numa camada fina demais para resistir ao fluxo, deixe uma camada mais espessa suportar a pressão — e construa a camada fina no próprio local.

Os compósitos de filme fino de poliamida produzidos por polimerização interfacial tornaram-se a arquitetura de referência para osmose reversa e nanofiltração, e a FilmTec Corporation hoje faz parte da DuPont. A mesma reação — uma diamina aquosa contra um cloreto de ácido orgânico, polimerizando apenas na interface — continua sendo o modo padrão de formar a camada seletiva, e desde então foi estendida à nanofiltração, a membranas resistentes a solventes e a camadas construídas em torno de nanopartículas. Revisões sobre materiais de membranas para dessalinização traçam a linha comercial até esse compósito.