ES2219776T3 - Dispositivo para el filtrado de agua. - Google Patents

Dispositivo para el filtrado de agua.

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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO DE FILTRACION DE AGUA PARA LA ESTERILIZACION LOCAL DE AGUA DOMESTICA Y/O POTABLE, QUE COMPRENDE UN ALOJAMIENTO DE FILTRO (10), QUE LLEVA UNA CONEXION DE ENTRADA (11) Y OTRA DE SALIDA (12), Y QUE, EN EL CITADO ALOJAMIENTO DEL FILTRO (10), LLEVA UN HAZ DE MEMBRANAS CAPILARES (20), ESTANDO ABIERTO UN PRIMER EXTREMO (21) DE DICHAS MEMBRANAS CAPILARES, Y CERRADO OTRO EXTREMO (22), Y ENCONTRANDOSE DICHAS MEMBRANAS CAPILARES (20) DEL PRIMER EXTREMO (21) ENCERRADAS EN UN SOPORTE DE MEMBRANAS QUE CIERRA EL ESPACIO ENTRE LAS MEMBRANAS CAPILARES (20) Y EL ALOJAMIENTO DEL FILTRO. LAS MEMBRANAS SON DEL TIPO DE MICROFILTRACION O ULTRAFILTRACION, TENIENDO UNA ESTRUCTURA ASIMETRICA DE POROS, SIENDO LA ESTRUCTURA DE POROS ASIMETRICA POR EL HECHO DE QUE EL DIAMETRO DE LOS POROS DISMINUYE GRADUALMENTE EN LA DIRECCION DEL FLUJO DEL LIQUIDO A TRAVES DE LA PARED DE LA MEMBRANA. LAS MEMBRANAS SE FABRICAN A PARTIR DE UN POLIMERO DE POLIETER - SULFON - POLIVINIL - PIRROLIDONA (POLIMERO PES/PVP) Y EL DIAMETRO DE POROS EN EL LADO DE LA ESTRUCTURA ASIMETRICA DE POROS QUE TIENE EL MENOR DIAMETRO ES DE 0,01 A 0,3 (MU)M, SEGUN LA APLICACION.

Description

Dispositivo para el filtrado de agua.
Dispositivo para el filtrado de agua para esterilización local de agua doméstica y/o de beber, que comprende un cuerpo de filtro dotado de una conexión de entrada y de salida y dotado en dicho cuerpo de filtro de un haz de membranas capilares, estando abierto un primer extremo de dichas membranas capilares y encontrándose cerrado el otro extremo, y encontrándose dichas membranas capilares del primer extremo encajadas en un soporte de la membrana que cierra el espacio entre las membranas capilares y el cuerpo del filtro, siendo las membranas, membranas de microfiltración o de ultrafiltración, teniendo una estructura de poros asimétrica en la que el diámetro de los poros disminuye desde el exterior al interior a través de la pared de la membrana, de manera que los poros más grandes están situados en la superficie exterior de las membranas capilares.
Dispositivos para la purificación de líquidos, y más específicamente para la purificación de agua potable y para la eliminación de microorganismos vivos de dicha agua potable son ya conocidos en este sector. En general, las instalaciones que se utilizan para la purificación de agua potable son grandes, para dar servicio a un área importante. Frecuentemente se utilizan técnicas o instalaciones anticuadas, de manera que no es fácil conseguir una purificación adecuada del agua potable. También es posible que aparezcan posteriormente patógenos u otros tipos de contaminación en el agua inicialmente purificada. En muchos casos se añade cloro al agua potable para impedir la aparición de patógenos peligrosos para la salud. Esto tiene la desventaja importante de que el sabor y olor del agua se deterioran muy considerablemente. Además, una serie de microorganismos, tales como los Cryptosporidium y Giardia, son resistentes al cloro y sobreviven en el agua potable clorada. También es problemático que en muchas zonas, especialmente en países en desarrollo, no existe suministro de agua potable fiable en absoluto.
La esterilización local de agua (punto de utilización) por medio de membranas capilares montadas en un cuerpo envolvente es conocida por el documento GB 2 135 902. Una desventaja de estos dispositivos es que, por una parte, la capacidad expresada en litros de líquido filtrado por unidad de área de la superficie de la membrana y por unidad de tiempo es baja, y que, por otra parte, se requiere una elevada caída de presión sobre el dispositivo de filtrado para obtener la acción de filtrado.
El documento JP 5245350 A da a conocer una membrana de filtro de fibras huecas de precisión, de alto rendimiento, para la separación de microorganismos.
El documento JP 63287593A se refiere a un tubo modular de purificación de agua del tipo, cánula o "paja", dotado de una membrana de fibras huecas, mientras que el documento GB 2.246.771A da a conocer un dispositivo para la purificación de agua, dotado de una membrana de separación/filtrado y de carbón activado.
Además, el documento EP 0.645.174 da a conocer un método para la eliminación de componentes que provocan turbidez de un fluido, por medio de microfiltrado.
El dispositivo de filtración de agua según la invención está destinado a eliminar estas desventajas. Con este objetivo, el dispositivo de filtración de agua, según la invención, está dotado de membranas capilares que son permanentemente hidrofílicas y tienen un diámetro de poros de 1 \mum aproximadamente en la superficie externa y un diámetro de poros de 0,01-0,3 \mum en la superficie interna.
Como consecuencia de la estructura asimétrica de los poros con características hidrofílicas permanentes y el diámetro definido de los poros en combinación de las membranas, la resistencia al flujo a través de la membrana se reduce considerablemente, aumentando por lo tanto la capacidad. Además, la estructura asimétrica retrasa la contaminación de las membranas y permite la limpieza fácil del dispositivo para su reutilización. Las tareas de limpieza tienen lugar invirtiendo la dirección de flujo, con lo que la contaminación es eliminada fácilmente de los poros asimétricos. Partículas y moléculas mayores que el diámetro de los poros de las membranas de filtración de agua, son eliminadas eficazmente por filtrado del líquido a purificar.
La eficacia y capacidad de aplicación del dispositivo de filtración de agua se mejora adicionalmente si las membranas son fabricadas a partir de un polímero de poliéter sulfona/polivinil pirrolidona (polímero PES/PVP). En este caso se obtienen membranas permanentemente hidrofílicas, las cuales, en combinación con la estructura asimétrica, tienen como resultado una presión diferencial baja que se requiere sobre la membrana con el resultado de un elevado rendimiento de filtración/permeación, es decir, se consigue una gran capacidad para una baja presión operativa. El dispositivo de filtración de agua, según la presente invención, se puede aplicar a presiones operativas comprendidas entre 0,5 y 4 bares, consiguiendo de manera sencilla una capacidad superior a 1000 litros/m^{2}/hora/bar. Esto hace el dispositivo de filtración de agua especialmente apropiado para su utilización en una salida de agua, tal como un tubo de salida de un grifo mezclador, o cualquier otro lugar del sistema de suministro doméstico de agua.
Además, al utilizar el polímero PES/PVP en la fabricación, se consigue una estructura de poros muy regular, con el significado de que existe poca variación en el diámetro de poros seleccionado. Cuando se fabrican las membranas, el diámetro de los poros se puede ajustar de manera que es posible fabricar membranas capilares con un diámetro de poros predeterminado. Debido a la estructura de poros muy regular, la distribución de diámetros de poros difiere muy poco con respecto al diámetro seleccionado, haciendo la membrana capilar extremadamente efectiva para la aplicación deseada. Por ejemplo, si se selecciona un tamaño de poros muy reducido con el objetivo de conseguir una barrera absoluta contra las bacterias y virus, no habrán diámetros de poros grandes que pudieran contrarrestar el efecto de esta barrera. Un valor típico de la eliminación logarítmica de los microorganismos es superior a 8.
Otra ventaja de fabricación de la membrana a partir de un polímero PES/PVP es que dicho polímero posee una resistencia mecánica, química y térmica muy elevada. La membrana se puede desinfectar por medio de agua caliente o vapor de agua, por ejemplo, en un autoclave. Esto es un método de eliminación de patógenos que permanecen posiblemente en la membrana después de la limpieza por inversión del líquido a través de la membrana.
Dependiendo de la aplicación deseada, el diámetro de los poros en el lado que corresponde a la estructura de poros asimétrica con el menor diámetro se escoge entre 0,01 y 0,3 \mum. Al escoger el diámetro de los poros en esta gama de valores se obtiene una filtración efectiva, mientras que la variación alrededor del diámetro de poros seleccionado será mucha menor que dicha gama de valores. La selección de un diámetro de poros en el límite inferior de esta gama (0,01 \mum), especialmente cuando se utiliza para finalidades médicas, tiene como resultado una barrera absoluta contra las bacterias y los virus. Además, los productos de degradación bacteriana tales como pirógenos y endotoxinas se separan por filtrado de manera excepcionalmente efectiva cuando el valor del diámetro de los poros es muy próximo a 0,01 \mum. Con el incremento de diámetro, la capacidad aumentará, no obstante, lo cual permitirá que las partículas que tienen un diámetro menor que el diámetro de poro seleccionado pasarán a través de las membranas. La elección del diámetro de poros dependerá de la aplicación deseada. Por encima de 0,3 \mum la efectividad del filtrado disminuye. Para este valor de 0,3 \mum las bacterias más reducidas, es decir, Pseudomonas diminuta, consideradas como norma por la Food and Drug Administration (FDA) de los Estados Unidos, son todavía eliminadas por filtrado.
En una realización preferente el cuerpo de filtro del dispositivo de filtración de agua, según la invención, está realizado a base de un material plástico resistente a temperaturas superiores a 100ºC. El dispositivo de filtración de agua se puede utilizar a una temperatura superior a 100ºC, permitiendo que el dispositivo sea calentado para esterilización, entre otros objetivos.
El material plástico para la fabricación del cuerpo del filtro es preferentemente polisulfona. Dicho material plástico es resistente a una temperatura superior a 150ºC y el cuerpo del filtro puede ser fabricado a partir de dicho material plástico de una manera sencilla.
En una realización ventajosa del dispositivo de filtración de agua se disponen, como mínimo, dos deflectores en la conexión de entrada del cuerpo del filtro, cuyos deflectores están montados oblicuamente con respecto a una dirección de flujo del líquido a filtrar. Esto induce una turbulencia constante en el agua entrante, impidiendo la formación de burbujas grandes de aire que podrían obstruir las membranas. De este modo, las características de filtración del dispositivo se mejoran adicionalmente.
Un método preferente para la fabricación de un dispositivo de filtración de agua según la invención, en el que dicho dispositivo posee membranas capilares con un primer y segundo extremos, se caracteriza por el hecho de que en el segundo extremo las membranas capilares están cerradas por medio de sellado térmico. Por este método las membranas capilares pueden ser cerradas de manera simple, rápida y fiable. Este método de cierre tiene también la ventaja de que no se necesitan introducir otros materiales en las membranas capilares, cuyos otros materiales podrían dificultar las características del dispositivo de filtrado de agua.
A continuación la invención se explicará adicionalmente haciendo referencia al dibujo, en el que la figura única muestra una realización preferente del dispositivo de filtración de agua según las invención.
En la figura el cuerpo de filtro se ha indicado con el numeral de referencia (10). El cuerpo del filtro (10) está dotado de una conexión de entrada (11) y de una conexión de salida (12). En el cuerpo (10) del filtro se dispone un haz de membranas capilares de filtración (20),que están encajadas en el primer extremo (21) en un soporte (30) de las membranas. En este primer extremo (21) las membranas capilares son abiertas y en el otro extremo (22) las membranas capilares son cerradas. El cuerpo del filtro (10) puede quedar realizado a partir de un material rígido, tal como polisulfona, P.V.C., o un material metálico, pero también puede ser realizado a partir de un material flexible. En este último caso el dispositivo de filtración del agua se puede aplicar en condiciones de curvado. En la realización mostrada, el cuerpo de filtro (10) comprende un elemento tubular.
En la realización preferente que se ha mostrado, las membranas (20) se encuentran en el primer extremo (21) embebidas en una resina, tal como epoxi o poliuretano, sirviendo como soporte (30) para la membrana. En el otro extremo (22) las membranas capilares (20) están cerradas por sellado térmico, es decir, pinzado y calentamiento simultáneos. Esto constituye una forma efectiva y fiable de cierre de las membranas. También es posible cerrar cada membrana capilar (20) individualmente por medio de un tapón de resina. De manera análoga al primer extremo (21), las membranas capilares (20) pueden quedar embebidas también en el segundo extremo en una resina; en este segundo extremo (22) las membranas capilares (20), no obstante, serán cerradas por medio de la resina.
En la conexión de entrada (11), dos deflectores colocados oblicuamente (40) quedan dispuestos en el cuerpo envolvente del filtro (10). Esto inducirá una turbulencia constante en el líquido a filtrar, impidiendo acumulación de aire en el flujo de líquido. Las membranas no se pueden obstruir por burbujas de aire, de manera que el filtro funciona de manera más eficaz.
Los poros de las membranas capilares (20) tienen estructura asimétrica, en la que los poros más grandes están situados en el exterior de las membranas capilares de la realización mostrada. Con el flujo entrante en el exterior de las membranas capilares, la resistencia es más baja, consiguiendo un caudal más elevado para igual número de membranas capilares.
Se ha demostrado que debido a la estructura asimétrica en combinación con características hidrofílicas permanentes y diámetro de poros definido de las membranas, las características de filtración son considerablemente mejores que cuando se utiliza una membrana que tiene una estructura de poro simétrica. Por ejemplo, la resistencia al flujo es considerablemente más baja. Gracias en parte a esta estructura asimétrica y a las características permanentemente hidrofílicas del material de la membrana, preferentemente un polímero de poliéter sulfona/polivinil pirrolidona (polímero PES/PVP), las membranas no se taponan fácilmente con productos de contaminación, de manera que se puede conseguir una elevada capacidad para una presión operativa más baja, especialmente, más de 1000 litros/m^{2}/h/bar. Después de que las membranas capilares se han utilizado durante un determinado período de tiempo, se pueden limpiar muy bien gracias a la estructura asimétrica de los poros al invertir la dirección de flujo, después de lo cual se pueden reutilizar.
En la realización que se ha mostrado, los poros tienen un diámetro aproximado de 1 \mum en el exterior de las membranas capilares (20) y en el interior un diámetro comprendido entre 0,01 y 0,3 \mum, dependiendo de la aplicación. Las partículas con dimensiones por encima de esta gama de diámetro seleccionada, siendo la variación alrededor del valor seleccionado mucho menor que dicha gama, serán por lo tanto separadas por filtrado de manera eficaz del agua potable a purificar. Además, las membranas pueden ser utilizadas muy bien a temperaturas de 0-120ºC.
El dispositivo de filtrado de agua se utiliza preferentemente en una salida de agua tal como un grifo mezclador. De modo general, un grifo de este tipo suministra 10 litros de agua por minuto, requiriendo una superficie de membrana aproximada de 0,1 m^{2}. Esta superficie de membranas se consigue utilizando un haz de unas 150 membranas capilares con un diámetro externo de 1,2 mm aproximadamente, un diámetro interno de 0,8 mm aproximadamente y un tamaño de poros de 0,1 \mum en el lado de la estructura asimétrica que tiene el diámetro más reducido, que se utilizará principalmente cuando existen pocas posibilidades de virus en el agua a purificar. En la práctica el número de membranas puede variar de 100 a 200 y, dependiendo del número de membranas utilizadas, la longitud de dichas membranas se debe encontrar entre 30 y 15 cm. Se ha demostrado que la capacidad del dispositivo total, dependiendo de las dimensiones del cuerpo de filtro, muestra un valor máximo para un número específico de membranas.
El agua purificada por medio del dispositivo de filtración de agua que se ha mostrado, es purgada con respecto a contaminaciones y patógenos tales como bacterias y virus. El resultado es un agua potable fiable de la que se pueden eliminar, en combinación con adsorción por carbón, los posibles malos olores y sabores provocados por la adición de cloro al agua potable, así como otros solutos. El dispositivo de filtración de agua tiene una prolongada vida de servicio y se puede limpiar y reutilizar. El dispositivo de filtrado de agua, según la invención, cuando es utilizado en un grifo de agua, puede ser incorporado en un componente del grifo pero también es muy fácil conectar el dispositivo de filtrado de agua al grifo de agua mediante, por ejemplo, una conexión roscada o de bayoneta, de manera que el dispositivo de filtrado de agua sirve también como tubo de salida. También es posible incorporar el dispositivo de filtrado de agua en los tubos de suministro de agua de un edificio, por ejemplo una casa. Evidentemente, las dimensiones del dispositivo de filtración de agua deberán ser adaptadas.

Claims (5)

1. Dispositivo para la filtración de agua para la esterilización local de agua doméstica y/o agua para beber, que comprende un cuerpo de filtro (10) dotado de una entrada (11) y una salida (12), disponiendo en dicho cuerpo de filtro (10) un haz de membranas capilares (20), siendo abierto un primer extremo (21) de dichas membranas capilares y siendo cerrado el otro extremo (22), y encontrándose dichas membranas capilares encajadas en el primer extremo (21) en un soporte (30) de la membrana que cierra el espacio entre las membranas capilares (20) y el cuerpo de filtro (10), siendo las membranas (20) de tipo micro o ultrafiltración y teniendo una estructura asimétrica de los poros por el hecho de que el diámetro de los poros disminuye desde el exterior al interior a través de la pared de la membrana, es decir, los poros más grandes están situados en la superficie exterior de las membranas capilares, y de manera que dichas membranas capilares (20) son permanentemente hidrofílicas y tienen un diámetro de poros de 1 \mum aproximadamente en la superficie externa y un diámetro de poros de 0,01 - 0,3 \mum en la superficie interna.
2. Dispositivo de filtrado de agua, según la reivindicación 1, caracterizado porque las membranas (20) están fabricadas a partir de un polímero de poliéter sulfona/polivinil pirrolidona.
3. Dispositivo de filtrado de agua, según la reivindicación 1 ó 3, caracterizado porque el cuerpo de filtro (10) está realizado en un plástico resistente a temperaturas superiores a 100ºC.
4. Dispositivo de filtrado de agua, según la reivindicación 3, caracterizado porque el plástico para la fabricación del cuerpo de filtro (10) es polisulfona.
5. Dispositivo de filtrado de agua, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se disponen como mínimo dos deflectores (40) en la conexión de entrada (11) del cuerpo (10) del filtro, cuyos deflectores (40) están montados oblicuamente con respecto a la dirección de flujo del líquido a filtrar.
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