Schema di una membrana semipermeabile durante l'emodialisi, il sangue è colorato in rosso, il fluido dializzante è blu e la membrana è gialla.
Una membrana semipermeabile (anche chiamata membrana selettivamente permeabile, membrana parzialmente permeabile o membrana permeabile differenzialmente) è una membrana che permette a certe molecole o ioni di attraversarla tramite la diffusione e a volte tramite la "diffusione facilitata" specializzata. Il flusso di passaggio dipende dalla pressione, dalla concentrazione e dalla temperatura delle molecole o di soluti da entrambi i lati, oltre che dalla permeabilità della membrana a ciascun soluto. In base alla membrana e al soluto, la permeabilità potrebbe dipendere dalle dimensioni, dalla solubilità, dalle proprietà o dalla chimica del soluto stesso.
La proprietà principale di queste membrane (comprese alcune presenti nel corpo umano), fra le quali vi è la membrana cellulare, è la "semipermeabilità".
Le membrane semipermeabili operano una selezione dimensionale delle particelle (molecole, atomi, ioni, ecc.) e si lasciano attraversare tipicamente da alcune ma non da altre.
Generalmente passano le molecole di solvente, ma non quelle più grandi, di soluto o colloidali.
Si parla generalmente di "membrana semipermeabile" quando sono regolate da un processo di osmosi o osmosi inversa. La membrana in questione consente il passaggio delle molecole di solvente da una zona a concentrazione minore a una a concentrazione maggiore nel tentativo di una "diluizione" che altro non è che il pareggiamento delle pressioni osmotiche di ciascuno dei due liquidi a contatto attraverso la membrana semipermeabile. Tali pressioni sono funzioni della molalità dei soluti, che è a sua volta calcolabile come moli di soluto/kg di solvente. Ne segue quindi che la pressione osmotica è funzione del numero di moli di soluto disciolte in soluzione, e ad essa proporzionale.
Un esempio di membrana semipermeabile è il doppio strato fosfolipidico (sul quale si basa la membrana cellulare che circonda tutte le cellule biologiche), cioè un gruppo di fosfolipidi (che consistono in una testa di fosfato e due code di acidi grassi) disposti in un doppio strato, con le teste di fosfato idrofilo esposte all'acqua esterna e interna alla cellula e le code di acidi grassi idrofobiche nascoste al suo interno. Il doppio strato fosfolipidico è il più permeabile ai soluti piccoli e senza carica. I canali proteici passano attraverso i fosfolipidi e questo modello, collettivamente, è conosciuto come il modello del mosaico fluido.
Le membrane semipermeabili artificiali trovano largo impiego in molte applicazioni industriali, ad esempio nell'osmosi inversa, nell'ultrafiltrazione e nella depurazione delle acque, ma anche nel campo della medicina (emodialisi), riuscendo in molti casi a raggiungere prestazioni (in termini di selettività nel separare i componenti) prossime alle membrane semipermeabili presenti in natura.
Un esempio di membrana semipermeabile è quella di cui si avvalgono gli apparecchi per effettuare emodialisi nelle persone con problemi renali, che consentono una filtrazione del sangue e la separazione di questo da soluti sgraditi, funzione che in una persona sana viene effettuata all'interno dei reni, con la relativa espulsione di urina. In ciascun rene ogni giorno si calcola che filtri all'incirca 50-60 litri di liquidi per poi recuperarne buona parte. Le membrane semipermeabili talvolta sono così efficienti da abbassare in maniera fin anche eccessiva il contenuto di ioni sodio o potassio, che vanno quindi reintegrati al paziente.
Alcuni tessuti che si considerano impermeabili, che però lasciano "respirare la pelle", consentono il passaggio del vapore acqueo rilasciato dal corpo umano verso l'esterno ma non di gocce d'acqua, quindi pioggia ad esempio, verso l'interno.
Applicazioni industriali nella depurazione dell'aria
Un ulteriore campo di impiego delle membrane semipermeabili è la depurazione dell'aria, dove membrane selettive vengono utilizzate per separare i composti organici volatili (COV) da correnti gassose attraverso il recupero dei vapori.
Il processo può essere realizzato a uno stadio, a due stadi oppure a uno stadio con riciclo; quest'ultima soluzione è la più diffusa, in quanto consente di ottenere da una parte gas puliti da scaricare in atmosfera e dall'altra di recuperare i COV condensati allo stato liquido.
L'impianto a membrane prevede tipicamente due sezioni: la compressione-condensazione della corrente inquinata e la sezione di separazione vera e propria mediante membrane. La miscela di aria e vapori organici viene sottoposta a pressioni di 10⁵-10⁶N/m², quindi viene raffreddata in un condensatore; parte dei composti organici condensa e può essere recuperata per il riutilizzo in fase liquida, mentre la porzione non condensata entra nei moduli selettivi, attraversando la superficie della membrana. Si ottengono così due correnti gassose: una contenente i composti organici, ricircolata nel sistema compressore-condensatore, e una depurata dai vapori, che esce dal sistema.
La velocità di attraversamento dell'aria attraverso la membrana dipende dalla permeabilità relativa di quest'ultima e dalla differenza di pressione tra i due lati. Per questo tipo di applicazione, le membrane devono possedere un'adeguata selettività, essere il più possibile prive di difetti ed efficienti per alti flussi, avere un ingombro ridotto e un costo limitato. Sono solitamente impiegate membrane a base di gomma, in particolare al silicone, che garantiscono una separazione efficiente dei composti organici dall'aria; la membrana siliconica viene inglobata in uno strato polimerico altamente poroso, utile per la separazione dei COV dalle correnti gassose.
La prima applicazione industriale della separazione a membrana è stata l'osmosi inversa. Le membrane vengono impiegate per la separazione di COV dall'aria, in particolare per il recupero di vapori da operazioni di scarico e trasferimento di petrolio, nonché per il recupero di clorofluorocarburi e idrofluorocarburi (CFC e HCFC), cloruro di vinile e altri prodotti di valore commerciale in impianti chimici. Negli ultimi decenni l'uso di membrane per la separazione di gas e vapori si è imposto come tecnologia alternativa o complementare in diverse applicazioni industriali, come il recupero di vapori organici da flussi di gas concentrati.
Rispetto ai due processi tradizionali di separazione fisica per il recupero dei COV (condensazione e adsorbimento su carboni attivi), la separazione a membrana risulta particolarmente vantaggiosa per il trattamento di flussi gassosi ad alta portata con concentrazioni di COV non inferiori a 5.000ppm; questi processi, inoltre, non richiedono sezioni di desorbimento e non producono flussi secondari che necessitino di trattamenti supplementari.
Note
↑Molti materiali naturali e sintetici più spessi di una membrana sono permeabili. Un esempio di questo è la sottile pellicola sul lato interno di un uovo.
