Desarrollo de nuevas membranas compuestas para la separación de iones metálicos y aplicaciones electroquímicas

Abstract

Las investigaciones recogidas en esta memoria versan sobre el desarrollo de nuevos materiales y membranas con propiedades mejoradas preparados mediante la técnica de Reactivos Incorporados en Fase Sólida (Solid-Phase Incorporated Reagents, SPHINER.). Esta técnica se basa en la incorporación de reactivos en una fase sólida mediante diferentes procedimientos como un primer paso para la preparación de materiales compuestos. Por este medio, se han preparado Membranas Compuesta Activadas (Activated Composite Membranes, ACM) con ácido di-(2-etilhexil)ditiofosfórico como transportador de iones metálicos. Este tipo de membranas son membranas bicapa formadas por un soporte microporoso de polisulfona y una capa densa y delgada de poliamida en la parte superior. En el interior se atrapa el reactivo incorporado que es capaz de formar complejos estables con los metales de interés. En este sentido, las ACM han demostrado su capacidad para el transporte selectivo y efectivo de varios iones metálicos como cinc, cadmio, bismuto, cobre, estaño e indio. A partir de los datos recogidos en el transcurso de las investigaciones, se ha confeccionado un modelo semicuantitativo para predecir el flujo de los iones en un sistema específico en la función de las constantes de equilibrio de las especies implicadas. Además, se ha realizado una caracterización morfológica exhaustiva para asociar los parámetros estructurales de la membrana con sus propiedades de transporte. Esta caracterización ha revelado que la formación de la capa de poliamida sobre soportes de polisulfona comercial produce unas membranas poco satisfactorias sin las propiedades de transporte requeridas. Además, se han preparado nuevos materiales que incorporan en su interior nanopartículas metálicas (Metal Nanoparticles, MNP) mediante el procedimiento de síntesis intermatricial tanto en polímeros funcionalizados como no funcionalizados. De esta manera se ha logrado sintetizar nanopartículas metálicas macizas y también nanopartículas mixtas con estructura "core-shell". Las nanopartículas formadas han sido caracterizadas por diferentes técnicas microscópicas para saber su tamaño, su distribución y su grado cristalino. Todos los parámetros determinados han sido considerados satisfactorios. Finalmente, los nanoobjetos desarrollados han sido incorporados como membranas sensoras en sensores amperométricos y, como resultado, su eficiencia ha aumentado considerablemente.

The research reported in this is memory deals with the development of new membranes and materials with enhanced properties prepared by using the SPHINER technique. This technique consists in the incorporation of reagents in solid phase as a first step to prepare composite materials. By these means, Activated Composite Membranes (ACM) containing di(2-ethylhexyl) dithiophosphoric acid as a carrier have been prepared. This type of membrane are bilayer membranes with a microporous support of polysulfone and a thin dense layer of polyamide in the top. Inside, the incorporated reagent is an extracting agent capable to complex metal ions of interest. The ACM have demonstrated their capacity to selective and effective transport several metal ions such as zinc, cadmium, bismuth, copper, tin and indium. From the data collected in the course of the investigations, a semiquantitative model has been obtained to predict the ion flux for a specific system in function of the equilibrium constant of the involved spices. Moreover, an exhaustive morphological characterization has been carried out in order to link the membrane structure parameters with their transport properties. This characterization has revealed that the formation of the polyamide layer onto commercial polysulfone supports yields to an unsatisfactory composite membranes without transport properties. In addition, new materials containing metal nanoparticles (MNP) have been prepared by inter-matrix synthesis in both functionalized and non-functionalized polymers that behave as synthetic nanoreactors. It has been possible to synthesise bulk metal nanoparticles and core-shell ones. The formed nanoparticles have been characterized by microscopic techniques in order to know their size, distribution, and crystalline degree. All the parameters have been found satisfactory. In addition, the developed nanoobjects have been incorporated in the sensing membranes of amperometric sensors and, as a results, their efficiency has increased considerably.