Dimensão dos poros e porosidade das membranas

A nanotecnologia fornece novas técnicas para controlar a detalhada microestrutura de materiais para membrana, permitindo a obtenção de membranas com estruturas de poros controladas (CHANDLER e ZYDNEY, 2006).

A geometria dos poros pode ter um grande efeito sobre as fases iniciais de filtração, onde o mecanismo de incrustação dominante é o bloqueio dos poros. Por exemplo, membranas com poros com uma relação de aspecto muito elevado seria muito difícil para bloquear durante a filtração das partículas em suspensões. Tais membranas poderiam potencialmente proporcionar uma seletividade muito elevada minimizando a taxa de declínio de fluxo.

As membranas cerâmicas têm como princípio tamanho de poro desejado e isso pode ser feito por uma combinação do método de preparação adequado e das características do material a ser utilizado na obtenção das membranas (LIN et al., 1993). Estes poros são responsáveis por todas as propriedades que tornam as membranas úteis em suas diversas aplicações, tanto para separar partículas como para fracionar moléculas de diferentes massas molares (MEDEIROS et al., 2013).

Os poros podem ser classificados como abertos ou fechados, segundo a sua disponibilidade a um fluido externo. Na Figura 4 pode ser visto vários tipos de poros fechados (a) e abertos (b, c, d, e, f, g).

Figura 4 - Representação dos diferentes tipos de poro: (a) fechados, (b) gargalo de garrafa, (c) cilíndricos, (d) afunilados, (e) interconectados, (f) irregulares, (g) representa a rugosidade da superfície (GIMENEZ et al., 2012).

Os poros fechados são inativos quanto ao fluxo de líquidos e gases, mas exercem influência sobre as propriedades mecânicas, densidade e a condutividade térmica. Poros como os representados por (b) e (f) são chamados de poros “cegos”, visto que não têm abertura em uma das extremidades. Os poros também podem ser interconectados, como ilustrado em (e). Outra forma de classificação dos poros é de acordo com sua forma: gargalo de garrafa (b), cilíndricos (c), afunilados (d) e irregulares (f). A rugosidade da superfície (g) também pode ser considerada como porosidade.

A porosidade não deve ser confundida com o tamanho dos poros, pois se trata da relação entre a parte sólida e os poros da membrana ou a “quantidade de vazios” em sua estrutura (porosidade global). Ela é a fração de volume total da membrana e é tida como a média obtida e deve ser tratada com cautela porque pode variar de um lugar para outro da membrana. Pode ser relativa à parte filtrante da membrana (pele filtrante) e, nesse caso, é expressa em poros/cm2 (densidade dos poros) (CHERYAN, 1998 apud RIBEIRO et al., 2005). Segundo Habert et al. (2006) uma maior porosidade superficial pode estar relacionada com um maior número de poros ou com um aumento em seus diâmetros médios.

A porosidade final da membrana cerâmica e o tamanho médio de poros dependem, entre outros, do material, da granulometria do pó, da pressão aplicada no molde e da temperatura de sinterização (HABERT et al., 2006).

Dong et al. (2009) avaliaram que a porosidade pode ser caracterizada pelo ajuste de três fatores principais: proporção da massa cerâmica a ser utilizada, dos reagentes formadores dos poros e da temperatura de sinterização.

Segundo Habert et al. (2006), uma membrana porosa está perfeitamente caracterizada se forem conhecidos os seguintes parâmetros: porosidade superficial, tamanho e distribuição de tamanho de poros. Qualquer que seja a técnica de caracterização empregada, um dos problemas a ser enfrentado é a definição da forma e da geometria dos poros da membrana. Independente da forma dos poros é importante que estes poros sejam ativos, somente estes poros contribuem para o fluxo permeado. No entanto, algumas técnicas de caracterização como ponto de bolha e rejeição de solutos detectam, indiscriminadamente, poros ativos e não ativos.

Dentre algumas avaliações no que diz respeito a poro e porosidade de membranas, Nandi et al. (2008) pesquisaram o uso de compósitos cerâmicos para aplicações de membranas para microfiltração. As matérias-primas para desenvolvimento das membranas foram: caulim, quartzo, carbonato de sódio, carbonato de cálcio, ácido bórico e metassilicato de sódio. Os autores observaram que o tamanho médio dos poros da membrana aumentou de 550 para 810 nm, quando a temperatura de sinterização foi elevada de 850 para 1000°C. No entanto, a porosidade da membrana reduziu de 42 para 33 % e a resistência à flexão foi aumentada de 3 para 8 MPa.

Silva e Lira (2006) confeccionaram membranas tubulares de cordierita obtidas a partir de matérias-primas naturais, tais como argilas e talco, pelo processo de extrusão. Os autores avaliaram que a porosidade aumentou de 28,7 para 29,1% quando elevada a temperatura de sinterização de 1150 para 1200°C, mas diminuiu de 27,7 para 24,3%, quando elevada a temperatura de sinterização de 1250 para 1280ºC e o tamanho médio de poro aumentou com a elevação da temperatura atingindo os valores de 1,4; 2,2; 3,3 e 4,1 µm para as temperaturas de 1150, 1200, 1250 e 1280ºC, respectivamente. Esse resultado mostrou que a formação de fase líquida fechou os poros menores, diminuiu a porosidade das membranas e aumentou o diâmetro dos poros.

Dong et al. (2007) fabricaram suportes de membranas tubulares de cordieirita para microfiltração. Os resultados demonstraram que com o aumento da temperatura de sinterização houve a diminuição da porosidade das membranas. A porosidade chegou a diminuir de 45,77 para 17,69% com a elevação da temperatura de sinterização de 1300 para 1400°C. Os autores avaliaram com base em seus resultados que os suportes porosos fabricados podem ser aplicados em potenciais no pré-tratamento de fortes meios alcalinos e na presença de gás quente.

Lima et al. (2011) também avaliaram o comportamento da porosidade da membrana em função de diferentes temperaturas de sinterização. Os autores utilizaram resíduo de granito, argila e quartzo para obter as membranas cerâmicas para aplicação na separação do índigo blue presente em efluentes da indústria têxtil. À medida que a temperatura de sinterização foi elevada de 750 para 800ºC, ao contrário do efeito ocorrido nas citações anteriores, a porosidade aumentou de 17,76 para 29,05%.