ES2226180T3 - Membranas huecas con tubos capilares, modulos de tratamiento de fluido que utilizan las mismas y sus procedimientos de fabricacion. - Google Patents
Membranas huecas con tubos capilares, modulos de tratamiento de fluido que utilizan las mismas y sus procedimientos de fabricacion.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UNA MEMBRANA HUECA (11) QUE COMPRENDE DOS CAPAS DE SOPORTE DISPUESTAS UNA POR ENCIMA DEL OTRO DISPONIENDO ENTRE SI UN ESPACIO Y VARIOS TUBOS CAPILARES DISPUESTOS ENTRE LAS DOS CAPAS DE SOPORTE QUE FORMAN CANALES CAPILARES DE CIRCULACION DE UN PRIMER FLUIDO, FORMANDO EL ESPACIO ENTRE LOS TUBOS CAPILARES UNA CAVIDAD INTERNA DE CIRCULACION DE UN SEGUNDO FLUIDO ALREDEDOR DE LOS TUBOS CAPILARES, Y ESTANDO EL CONJUNTO CONSTITUIDO POR UN POLIMERO ORGANICO. ESTAS MEMBRANAS (11) PUEDEN UNIRSE EN MODULOS DE TRATAMIENTO DE FLUIDO CON PLACAS POROSAS INTERMEDIAS (13).
Description
Membranas huecas con tubos capilares, módulos de
tratamiento de fluido que utilizan las mismas y sus procedimientos
de fabricación.
La invención se refiere a membranas huecas
destinadas al tratamiento de fluidos (líquidos y/o gases), con el
fin de separar de éstos uno o más compuestos mediante fenómenos de
absorción, de adsorción y/o de transferencia a través de una
membrana realizada con un material que presenta propiedades
específicas frente al, o a los, fluido(s) tratado(s).
También se aplica a la transferencia de materia y/o de calor entre
los fluidos separados por medio de la citada membrana.
La invención se refiere igualmente a módulos de
tratamiento de fluidos que incluyen tales membranas. Estos módulos
pueden ser utilizados en diversos campos, por ejemplo, para el
lavado de gases ácidos, para la preparación de gases de síntesis,
para luchar contra la contaminación del ambiente purificando los
gases de horno o tratando los efluentes acuosos.
La invención se aplica igualmente a los
procedimientos biológicos como la fermentación, la fabricación de
proteínas, los procedimientos de oxidación biológica, así como los
aparatos médicos tales como los oxigenadores sanguíneos y los
riñones artificiales.
Las membranas utilizadas hasta ahora para el
tratamiento de fluidos son, o bien membranas planas, o bien
membranas en forma de fibras huecas.
Para estas últimas, se ha estudiado, en
particular, la posibilidad de realizarlas en forma de fibras huecas
de longitud y diámetro pequeños, según se describe en el documento
1: WO-A-95/00238. Una limitación de
la longitud de las fibras huecas permite, en particular, limitar la
caída de presión del fluido que circula por las mismas, como es el
caso de las membranas capilares naturales tales como el pulmón
humano. En efecto, en estos sistemas naturales, los capilares que
suministran la sangre tienen un diámetro interno tan bajo como 7
\mum, pero tienen una débil resistencia a la circulación en virtud
de su longitud extremadamente pequeña del orden de 100 \mum. Ésta
es la razón por la que los sistemas naturales son tan eficaces para
la transferencia de masa.
El documento 1 ilustra un panel de membrana de
fibras huecas auto-soportadas, que comprende dos
capas de base de material textil encapsulado en un material no
permeable, y una multiplicidad de fibras huecas de material
permeable que se extiende entre las dos capas citadas anteriormente.
Así, en esta membrana de fibras huecas, las
capas-soporte no tienen ninguna propiedad
particular respecto al fluido a tratar, puesto que las mismas son de
un material no permeable.
El documento 2:
US-A-4 959 152 describe un conjunto
de fibras huecas que incluye una pluralidad de discos apilados en
los que las fibras huecas están dispuestas horizontalmente para
hacer circular un fluido en paralelo por todos los discos. Estas
fibras son más cortas que en los dispositivos convencionales, pero
tienen todavía una longitud importante con relación a la dimensión
encontrada en los sistemas naturales, tales como el pulmón
humano.
El documento 3:
US-A-5 104 535 describe un conjunto
de fibras huecas montadas entre dos soportes extremos, y
ensambladas unas por encima de las otras para formar módulos que se
disponen lado a lado en un recinto de tratamiento. Como en el
documento anterior, las fibras huecas tienen también longitudes
importantes con relación a lo que se encuentra en los sistemas
naturales que sirven para la transferencia de materia.
Con las técnicas descritas en lo que antecede, se
debe hacer frente a los problemas siguientes. En función del
importante espesor de las membranas en forma de fibras huecas,
existe siempre una necesidad de hacer hidrófoba la superficie de
los poros de las citadas membranas, utilizando para ello métodos
bastante complejos que, además, no son de fiabilidad suficiente. Con
el fin de evitar el paso de un líquido, que contiene el compuesto a
transferir, a través de los poros de las citadas membranas, hace
falta efectuar siempre una regulación precisa de la presión
diferencial sobre los dos lados de las citadas membranas.
Utilizando membranas en forma de fibras huecas que tengan una
longitud del orden de un metro, y una relación de la longitud al
diámetro interior del orden de 2000, se obtiene una diferencia de
presión a la entrada y a la salida de dichas fibras que es
demasiado importante. Si se prueba a disminuir el espesor de la
membrana en forma de fibras huecas, se reduce la fiabilidad del
dispositivo debido a que la probabilidad de rotura de las citadas
membranas aumenta; además, la ausencia de rigidez de las fibras
huecas hace que estas fibras tengan tendencia a pegarse unas con
otras bajo la acción de los flujos de fluidos, alterando así las
condiciones hidrodinámicas de paso de los fluidos.
En los sistemas capilares naturales como un
pulmón, un intestino y un riñón, existe una amplia cantidad de
capilares más o menos cortos sobre la superficie que sirven para
transferir materia. Se trata de alvéolos en los pulmones o
epitelio, vellosidades y microvellosidades en los intestinos, y por
fin, capilares glomerulares en el riñón que comprenden capilares
finos con una relación de su longitud a su diámetro comprendida
entre alrededor de 10 y alrededor de 30. Con un número de alrededor
de 5 x 10^{8}, los alvéolos pulmonares representan una superficie
de alrededor de
200 m^{2}. Agrupados en pequeños racimos, los alvéolos están formados por células de pared muy delgada. La transferencia de los gases (oxígeno y dióxido de carbono) se efectúa a nivel de las paredes de estas células alveolares. La masa de sangre que pasa en 24 horas por los pulmones se calcula en 10 m^{3}.
200 m^{2}. Agrupados en pequeños racimos, los alvéolos están formados por células de pared muy delgada. La transferencia de los gases (oxígeno y dióxido de carbono) se efectúa a nivel de las paredes de estas células alveolares. La masa de sangre que pasa en 24 horas por los pulmones se calcula en 10 m^{3}.
Gracias a las microvellosidades que se encuentran
sobre la superficie exterior de la pared de las células biológicas
que constituyen un epitelio intestinal, la superficie geométrica de
absorción de cada una de estas células aumenta en algunos cientos
de veces. Estas vellosidades intestinales realizan movimientos
continuos de vaivén en el destilado líquido resultante de la
digestión: el paso de los alimentos digeridos a la sangre y la
linfa, se ve favorecido merced a la turbulencia del medio líquido.
En el caso de los pulmones, se observa un sistema de capilares cuyo
diámetro disminuye de forma continua a lo largo de la trayectoria
del aire aspirado desde la tráquea hacia los alvéolos, aumentando
en el mismo sentido la cantidad de capilares. Éste es el motivo de
que los sistemas capilares naturales sean tan eficaces para la
transferencia de materia desde un medio ambiental hacia la sangre, a
través de las paredes de los capilares, formados de forma
biológica.
Una transferencia de materia por los capilares de
pequeño diámetro, tiene lugar en régimen laminar de circulación del
fluido. Con el fin de intensificar el procedimiento de
transferencia en estas condiciones específicas, se necesita tener
capilares cortos de pequeño diámetro, así como una distancia
intercapilar pequeña, por una parte, y capilares de pared fina, por
otra parte. Utilizando a este efecto fibras huecas, la etapa de
transferencia de materia en un sistema de gas - líquido, está
limitada por la velocidad de difusión en fase líquida, y la
velocidad total del proceso de transferencia es proporcional a la
superficie total de la membrana a pesar de la porosidad de la
membrana (o de la pared de las fibras huecas).
Utilizando fibras huecas que tengan las
características descritas en lo que antecede, se hace una
distinción entre los dos regímenes de funcionamiento de la
membrana: la membrana mojada y la membrana no mojada. La obtención
de uno u otro régimen depende de la presión utilizada y de la
interacción entre la membrana y el líquido. La resistencia de una
membrana, en la que los poros están rellenos con una fase líquida
(régimen mojado), es mucho más elevada que la de la membrana cuyos
poros están rellenos con una fase gaseosa.
La presente invención propone resolver los
problemas mencionados en lo que antecede por medio de una membrana
hueca de tubos capilares, cuya estructura sea mucho más próxima a
la de los sistemas biológicos naturales.
A este efecto, la invención propone una membrana
hueca que comprende dos capas-soporte dispuestas
una por encima de la otra, dejando entre ellas un espacio y una
pluralidad de tubos capilares dispuestos entre las dos
capas-soporte, y presentando cada uno de ellos una
abertura a nivel de cada una de las dos
capas-soporte con el fin de formar canales capilares
de circulación de un primer fluido, formando el espacio entre los
tubos capilares y las dos capas-soporte una cavidad
interna de circulación de un segundo fluido alrededor de los tubos
capilares, y estando las dos capas-soporte y los
tubos capilares constituidos por un polímero orgánico, incluyendo la
citada membrana de 10^{5} a 5.10^{8} tubos capilares por
cm^{2} de capa soporte, y presentando una superficie específica
de transferencia de 10^{2} a 10^{4} m^{2} por litro de
fluido.
Esta estructura particular de la membrana hueca
de la invención presenta numerosas ventajas. En efecto, los
capilares formados entre las dos capas soporte pueden poseer las
características siguientes:
- -
- una longitud muy pequeña, por ejemplo de 1 a 1000 micras (\mum), con preferencia de 3 a 200 \mum, y mejor aún de 5 a 60 \mum,
- -
- un diámetro interno muy pequeño, por ejemplo de 0,02 a 50 \mum, con preferencia de 0,1 a 10 \mum, y
- -
- un espesor de pared muy pequeño, por ejemplo de 0,01 a 10 \mum, con preferencia de 0,1 a 3 \mum.
Se dispone así de una estructura que presenta
características próximas a las de los sistemas naturales, tales
como el pulmón, el riñón y el intestino.
Además, la membrana hueca de la invención
presenta, no sólo una superficie de intercambio a nivel de los
tubos capilares, sino también a nivel de las dos
capas-soporte que están realizadas con el mismo
material que los tubos capilares.
Según la invención, la membrana hueca se realiza,
con preferencia, con polímero orgánico susceptible de ser obtenido
por oxidación química o electroquímica de un monómero
precursor.
Tales polímeros pueden ser, en particular,
polímeros heterocíclicos o de poliacetileno. A título de ejemplo de
polímeros heterocíclicos se pueden citar los polipirroles, las
polianilinas y los politiofenos.
Se precisa que se entienden como
"polipirrol" los polímeros obtenidos, no sólo a partir de
pirrol, sino también a partir de derivados de pirrol. Lo mismo
ocurre para las polianilinas y los politiofenos.
En la membrana hueca de la invención, los tubos
capilares se disponen, con preferencia, de forma sensiblemente
perpendicular a las dos capas-soporte y/o según
direcciones que forman ángulos de, a lo sumo, 45º con la
perpendicular a las dos capas-soporte.
La membrana hueca de la invención puede ser
utilizada para transferir un compuesto de un primer fluido puesto
bajo presión en los tubos capilares de la membrana hueca, hasta
otro fluido que circula por la cavidad interna de la membrana
hueca. Así, los dos fluidos que participan en el proceso de
transferencia del compuesto considerado, están separados en la
membrana hueca por medio de una capa de separación que comprende
las paredes de los tubos capilares, por una parte, y las dos
capas-soporte, por otra parte.
La presente invención tiene asimismo por objeto
un procedimiento de fabricación de una membrana hueca que presenta
las características que se proporcionan en lo que sigue.
Este procedimiento comprende las etapas
siguientes:
- a)
- formar en las superficies externas y en los poros de una membrana matriz que incorpora poros rectilíneos abiertos, dispuestos entre sus dos superficies externas, un revestimiento de polímero orgánico por polimerización in situ de un monómero precursor del polímero, y
- b)
- eliminar a continuación el material que forma la membrana-matriz por destrucción en un reactivo selectivo que no afecta al polímero, para formar la cavidad interna de la citada membrana hueca.
En este procedimiento, se parte de una
membrana-matriz que incluye poros rectilíneos que
tienen dimensiones ligeramente superiores a las de los tubos
capilares que se han de realizar, y un espesor tal que corresponde a
la longitud de los capilares que se han de realizar.
Esta membrana-matriz puede ser de
material polímero o de material inorgánico. Con preferencia, los
poros rectilíneos han sido creados en esta
membrana-matriz por irradiación mediante haces de
iones pesados, seguido de una disolución de la materia en las
trazas dejadas por los iones y/o alrededor de las mismas. Una
técnica de este tipo se encuentra descrita en los documentos
siguientes:
Flerov G.N. Síntesis de los elementos
súper-pesados y aplicación de los métodos de física
nuclear en los dominios adyacentes. Vestnik, de la Academia de las
Ciencias de la URSS, 1984, núm. 4, p. 35-48 (en
ruso).
Apel, P. Yu, Kuznetsow, V.I. Zhitariuk, N.I.
& Orelovich, O.L. (1985). Ultra-filtros
nucleares. Colloid Journal de la URSS, 47, 1-5 (en
inglés).
Los materiales polímeros susceptibles de ser
utilizados, pueden ser, por ejemplo, los policarbonatos, el
poli(tereftalato de etileno), las poliimidas o el
poli(fluoruro de vinilideno). Con materiales polímeros de
este tipo, se puede utilizar como reactivo selectivo en la etapa b)
del procedimiento, bases y ácidos inorgánicos, o incluso
permanganato de potasio en el caso del poli(fluoruro de
vinilideno).
Los materiales inorgánicos susceptibles de ser
utilizados para formar la membrana-matriz pueden
ser, por ejemplo, el óxido de aluminio o la mica. En el caso del
óxido de aluminio, el reactivo utilizado en la etapa b) puede ser
una base inorgánica o un ácido inorgánico. En el caso de la mica,
se utiliza con preferencia como reactivo en esta etapa b), el ácido
fluorhídrico.
Las membranas-matriz utilizables
en la invención, que tienen un espesor de 1 a 1000 \mum, con
preferencia de 3 a 200 \mum, y mejor aún de 5 a 60 \mum, un
diámetro de poro de 0,02 a 50 \mum, con preferencia de 0,1 a 10
\mum, y una densidad de poros de 10^{4} a 8.10^{9}/cm^{2},
con preferencia de 10^{5} a 5.10^{8} cm^{-2}, son
comercializadas por las compañías siguientes: Costar, Millipore,
Osmonics (Estados Unidos de América), Whatman (Bélgica,
Inglaterra), y Centro de Física Aplicada del Instituto Uni de
Investigaciones Nucleares (Rusia).
Las membranas minerales utilizables como
membrana-matriz, son comercializadas bajo la marca
Anopore® por la compañía Whatman, y presentan un diámetro de poro
de 0,1 a 0,2 \mum, un espesor de alrededor de 60 \mum, y una
porosidad del 40 al 60%.
Según la invención, se deposita sobre estas
membranas-matrices un revestimiento de polímero
orgánico, no sólo sobre las superficies externas de la membrana
matriz, sino también en los poros de esta membrana, por
polimerización in situ de un monómero precursor del
polímero.
Esta polimerización puede ser efectuada por vía
química o electroquímica, y se aplica a los monómeros precursores
elegidos en el grupo que comprende los compuestos heterocíclicos
siguientes: el pirrol, la anilina, el tiofeno y sus derivados, así
como el acetileno. La polimerización del monómero precursor puede
ser iniciada en una fase acuosa u orgánica que utilice solventes
polares como el acetonitrilo y el carbonato de propileno, o una
mezcla de un solvente orgánico (alcohol, por ejemplo) y agua,
mediante un agente oxidante elegido en el grupo que comprende las
sales férricas (Fe^{3+}), los periodatos, perbromatos o
percloratos de tetraalquilamonio u otros cationes, y las sales que
contienen el anión persulfato. La polimerización se efectúa, con
preferencia, poniendo en contacto una cara de la membrana matriz
con una solución del monómero precursor, y la otra cara de la
membrana con la solución del agente oxidante.
Con el fin de obtener una capa de polímero, es
decir, una capa de separación, que tenga diferentes tamaños de
poros, diferentes niveles de mojado por las soluciones acuosas o
los solventes orgánicos, y/o diferentes propiedades de
electroconductividad, de solidez, de porosidad y de flexibilidad, se
puede:
- a)
- añadir a la solución, conteniendo ya el agente oxidante, un dopante elegido, en general, entre los ácidos de Lewis, con preferencia entre los compuestos que tienen un anión del tipo (R-SO_{3}-), en el que R es un grupo alquilo, arilo, o alquilarilo, tales como los ácidos alquilbenceno sulfónicos, alquiltoluenosulfónicos, o las sales de los citados ácidos;
- b)
- realizar una copolimerización injertando en la citada capa de separación compuestos no saturados elegidos en el grupo que comprende el ácido acrílico, la vinilpirrolidona, la vinilpiridina, la acrilamida y sus derivados;
- c)
- tratar la citada capa de separación en un plasma o por medio de radiaciones procedentes de un láser excímero, con o sin inyección de moléculas orgánicas (benceno y sus derivados, alcenos); o
- d)
- tratar el citado polímero mediante álcalis minerales tales como los hidróxidos o los carbonatos de metales alcalinos como el hidróxido de sodio o de potasio.
Los procesos de dopado o de desdopado descritos
en lo que antecede, pueden conducir a un cambio de tamaño de los
poros en la capa de polímero depositada, es decir, en la capa de
separación. Realizando el dopaje de esta capa, con preferencia,
durante la polimerización, se llega a una capa de separación
desprovista de cualquier poro. Realizando a continuación el
desdopaje de la capa de separación mediante tratamiento en medios
básicos, se eliminan los iones (moléculas) de dopante de la citada
capa, y se sustituyen por otro dopante que tenga un tamaño menos
importante. Los tamaños de los citados poros dependen del tamaño de
los iones (moléculas) de dopante retirados: cuanto más gruesos sean,
mayores son los poros de la capa de separación.
Los tratamientos mencionados en lo que antecede,
pueden ser llevados a cabo durante la polimerización del monómero
precursor, o como tratamiento complementario tras la formación de
la capa de polímero.
El espesor de la capa de polímero depositada
sobre las superficies y en los poros de la
membrana-matriz, depende de las condiciones de
polimerización, de la concentración de reactivos en las soluciones
de polimerización, y de la duración de la polimerización. Se opera
generalmente a una temperatura de -35ºC a +30ºC. Generalmente, el
espesor de la capa de polímero depositada es más importante sobre
las superficies de la membrana que sobre las paredes de los poros
rectilíneos, es decir, de los tubos capilares. Para efectuar a
continuación la etapa b) de destrucción del material que forma la
membrana-matriz, es suficiente con practicar una
abertura en la capa de polímero depositada, y hacer que penetre un
reactivo capaz de destruir el material que forma la
membrana-matriz dejando intacta la capa de polímero
depositada.
Tras esta operación, se puede someter la capa de
polímero, en caso necesario, a los tratamientos de dopaje o de
desdopaje mencionados en lo que antecede.
La invención tiene todavía por objeto un módulo
de tratamiento de fluido que comprende al menos una membrana hueca
tal como la que se ha definido anteriormente, dispuesta en un
recinto estanco de manera que se forman entre dos membranas huecas
adyacentes y entre cada membrana hueca y una pared adyacente del
recinto, espacios de circulación de un primer fluido en comunicación
únicamente con el interior de los tubos capilares de la (de las)
membrana(s) hueca(s), medios para poner en
circulación el citado primer fluido por los tubos capilares de las
membranas huecas introduciéndolo en uno de los citados espacios de
circulación y recogiéndolo en otro de los citados espacios de
circulación, y medios para poner en circulación al menos un segundo
fluido en la(s) cavidad(es) interna(s) de
la(s) membrana(s) hueca(s).
Con preferencia, en este módulo, los espacios de
circulación del citado primer fluido se rellenan con una guarnición
que permite generar turbulencias en el primer fluido.
Esta guarnición puede estar formada, en
particular, por una materia porosa cuyos poros tengan dimensiones
mayores que el diámetro de los tubos capilares.
A título de ejemplo, se pueden realizar estos
espacios de circulación de dicho primer fluido en forma de placas
porosas que tengan, por ejemplo, una dimensión de poro de 0,1 a 200
\mum, con preferencia de 5 a 150 \mum, y un espesor de 10 a
1000 \mum, con preferencia de 20 a 200 \mum. Las dimensiones de
los poros de esta materia porosa son, con preferencia, tales que la
relación de la dimensión de poro respecto al diámetro de los tubos
capilares es de 5 a 200, con preferencia de 10 a 200, y mejor aún
de 10 a 50.
En el módulo de la invención, estos elementos
porosos que están dispuestos a una y otra parte de la(s)
membrana(s) hueca(s), se destinan a distribuir el
fluido hacia los tubos capilares de la(s) membrana(s)
hueca(s) y a generar turbulencias en el citado fluido
formando, gracias a una subida del número de Reynolds, remolinos
hidráulicos en el mismo. Esto permite intensificar la transferencia
de materia y/o de calor al fluido con anterioridad a su entrada en
los tubos capilares de la membrana hueca.
Para mejorar las separaciones efectuadas en la
membrana hueca, se pueden llenar también parcialmente los poros de
la materia porosa mediante un compuesto elegido entre los
catalizadores, las enzimas y los sorbentes insolubles en el citado
primer fluido, con el fin de efectuar reacciones catalíticas o de
otro tipo en el primer fluido con anterioridad a su entrada en los
tubos capilares de la membrana hueca. Una reacción de este tipo
puede ser llevada a cabo, por ejemplo, para retener un compuesto
y/o partículas finas del primer fluido con anterioridad a su
tratamiento en los tubos capilares. Se puede utilizar también una
reacción catalítica para obtener un compuesto separado a
continuación en los tubos capilares.
Bien entendido, la cobertura de los poros se
realiza de tal modo que la relación de la dimensión de poro de la
materia porosa respecto al diámetro interno de los tubos capilares,
se mantiene en la gama de 10 a 50, y el tamaño de las partículas de
catalizador o de sorbente debe ser más importante que el diámetro
interior de los tubos capilares.
Según la invención, se pueden montar varias
membranas huecas con el fin de formar un apilamiento que permita la
puesta en contacto a través de las paredes de los capilares, del
fluido a tratar, ya sea del primer fluido, con un segundo, y
eventualmente con un tercer fluidos.
Según un primer modo de realización de este
conjunto, el módulo comprende:
- -
- un apilamiento de n membranas huecas y de (n+1) placas de materia porosa alternadas con las membranas huecas, de modo que cada membrana hueca esté dispuesta entre dos placas de materia porosa, formando estas placas los espacios de circulación del primer fluido.
- -
- medios para introducir el primer fluido sobre la cara inferior o superior del apilamiento, y recuperarlo sobre la cara opuesta de este apilamiento,
- -
- una cámara de introducción del segundo fluido dispuesta sobre la cara lateral del apilamiento y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas, y
- -
- una cámara de recepción del segundo fluido dispuesta sobre la cara lateral opuesta del apilamiento y en comunicación con las cavidades internas de las citadas membranas huecas.
Según un segundo modo de realización de este
conjunto, el módulo comprende:
- -
- un apilamiento de n membranas huecas y de (n+1) placas de materia porosa alternadas con las membranas huecas, de modo que cada membrana hueca esté dispuesta entre dos placas de materia porosa, formando estas placas los espacios de circulación del primer fluido, comprendiendo el apilamiento una primera serie de membranas huecas de número impar, y una segunda serie de membranas huecas de número par, dispuestas entre las membranas de número impar,
- -
- medios para introducir el primer fluido sobre la cara inferior o superior del apilamiento, y recuperarlo sobre la cara opuesta de este apilamiento,
- -
- una cámara de introducción de un segundo fluido dispuesta sobre una primera cara lateral del apilamiento y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la primera serie,
- -
- una cámara de recepción del segundo fluido dispuesta sobre la cara lateral opuesta a la citada primera cara, y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la primera serie,
- -
- una cámara de introducción de un tercer fluido dispuesta sobre la cara lateral, llamada segunda cara lateral, contigua a la citada primera cara lateral, en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la segunda serie, y
- -
- una cámara de recepción del tercer fluido, dispuesta sobre la cara lateral opuesta a la citada segunda cara, y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la segunda serie.
Según un tercer modo de realización de este
conjunto, el módulo comprende:
- -
- un apilamiento de n membranas huecas y de (n+1) placas de materia porosa, alternadas con las membranas huecas, de modo que cada membrana hueca esté dispuesta entre dos placas de materia porosa, formando estas placas los espacios de circulación del primer fluido, comprendiendo el apilamiento una primera serie de membranas huecas de número impar, y una segunda serie de membranas huecas de número par dispuestas entre las membranas de número impar,
- -
- medios para introducir el primer fluido sobre la cara inferior o superior del apilamiento, y recuperarlo sobre la cara opuesta de este apilamiento,
- -
- una cámara de introducción de un segundo fluido, dispuesta sobre una primera cara lateral del apilamiento y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la primera serie,
- -
- una cámara de recepción del segundo fluido dispuesta sobre una cara lateral del apilamiento, llamada segunda cara, contigua a la citada primera cara y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la primera serie,
- -
- una cámara de introducción de un tercer fluido, dispuesta sobre otra cara lateral del apilamiento, denominada tercera cara, y en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la segunda serie, y
- -
- una cámara de recepción del tercer fluido, dispuesta sobre la última cara lateral del apilamiento, denominada cuarta cara lateral, estando la citada cámara en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de la segunda serie.
Con preferencia, en estos tres modos de
realización del conjunto, el apilamiento está dispuesto entre dos
rejillas rígidas en las que las aberturas son al menos iguales, o
mayores, que la dimensión de poro de las placas de materia porosa.
Por otra parte, en estos conjuntos, se pueden utilizar membranas
huecas de las que al menos una tiene características diferentes en
lo que se refiere al diámetro, la longitud y/o la cantidad de tubos
capilares, para obtener efectos particulares.
Con preferencia, el diámetro de los tubos
capilares disminuye de una membrana hueca a otra en el sentido de
la circulación del primer fluido mientras que la cantidad de tubos
capilares por unidad de superficie de las membranas huecas aumenta
de una membrana hueca a otra en el sentido de circulación del
primer fluido.
Este dispositivo permite tener un módulo que
presenta características más próximas a las de los sistemas
capilares naturales.
Los módulos descritos en lo que antecede pueden
ser preparados mediante un procedimiento que comprende las etapas
siguientes:
- 1)
- preparar al menos una membrana compuesta formando sobre las superficies externas y en los poros de una membrana-matriz que incluye poros rectilíneos abiertos dispuestos entre sus dos superficies externas, un revestimiento de polímero orgánico por polimerización in situ de un monómero precursor del polímero,
- 2)
- formar a partir de la(s) membrana(s) compuesta(s) y de las placas de materia porosa, un apilamiento en el que cada membrana compuesta esté dispuesta entre dos placas de materia porosa,
- 3)
- formar juntas estancas entre las membranas compuestas y las placas porosas sobre las superficies laterales del apilamiento,
- 4)
- realizar aberturas en la junta estanca solamente a nivel de las membranas compuestas, y para cada membrana compuesta solamente sobre dos caras laterales diferentes del apilamiento,
- 5)
- introducir para estas aberturas un reactivo capaz de destruir el material que forma la membrana-matriz de las membranas compuestas sin que afecte al polímero que recubre las superficies y los poros de la membrana-matriz, para obtener un apilamiento de membranas huecas y de placas de materia porosa en el que las cavidades internas de las membranas huecas son accesibles por dos caras laterales del apilamiento.
Otras características y ventajas de la invención,
se pondrán mejor de manifiesto con la lectura de la descripción que
sigue como referencia, proporcionada bien entendido a título
ilustrativo y no limitativo, con referencia a los dibujos
anexos.
La Figura 1 es una vista en corte vertical de una
membrana-matriz utilizada para la fabricación de la
membrana hueca de la invención;
La Figura 2 ilustra, en corte vertical, una
membrana compuesta obtenida a partir de la
membrana-matriz de la Figura 1;
La Figura 3 ilustra, en corte vertical, una
membrana hueca obtenida a partir de la membrana compuesta de la
Figura 2;
La Figura 4 representa, de forma esquemática, en
corte vertical, un modo de tratamiento de fluido conforme al primer
modo de realización de la invención;
Las Figuras 5 a 9 ilustran las etapas de
fabricación de un módulo de tratamiento de fluido conforme a la
invención;
La Figura 10 ilustra, en perspectiva, un módulo
de tratamiento de fluido conforme al segundo modo de realización de
la invención, y
La Figura 11 es una vista, en perspectiva, de un
módulo de tratamiento de fluido conforme al tercer modo de
realización del módulo de la invención.
Con referencia a las Figuras 1 a 3, se va a
describir la fabricación de una membrana hueca conforme a la
invención.
Para la fabricación de esta membrana hueca, se
parte de la membrana matriz 1 representada en corte vertical en la
Figura 1, la cual puede ser realizada en material polímero o en
material inorgánico. Ésta incluye poros rectilíneos que son rectos
o están ligeramente inclinados, y que atraviesan totalmente la
membrana matriz 1. Estos poros pueden ser obtenidos por la acción de
un haz de iones pesados sobre una membrana plana, pudiendo ser
orientados perpendicularmente a las dos superficies de la membrana,
o formar un ángulo que va hasta 45º con relación a la dirección
perpendicular a la superficie de la membrana 1.
En la Figura 2, se ha ilustrado una membrana
compuesta 6, obtenida tras haber revestido de polímero orgánico las
dos superficies externas de la membrana matriz 1, así como el
interior de sus poros 3. En esta Figura, se ve la
membrana-matriz 1 revestida por la capa de polímero
5. Tras haber formado la membrana compuesta de la Figura 2, se
disuelve el material que formaba la membrana-matriz
de partida, para obtener una membrana hueca constituida únicamente
por polímero orgánico. Con este objeto, se hace accesible el
interior de la membrana practicando una abertura en los lados, y se
sumerge en un solvente apropiado capaz de disolver el material que
forma la matriz sin disolver el polímero orgánico. Se obtiene así
la membrana hueca representada en la Figura 3, la cual incluye dos
capas-soporte (5a y 5b) de polímero, y tubos
capilares 3 asimismo de polímero, dispuestos entre estas dos
capas-soporte. El espacio entre los tubos capilares
forma una cavidad interna 7 de circulación de un segundo fluido
alrededor de los tubos capilares.
En la Figura 4, se ha representado el primer modo
de realización de un módulo de tratamiento de fluido conforme a la
invención.
Este módulo está formado por un apilamiento de n
membranas huecas 11, que son un total de 5 en esta Figura, y de
(n+1) placas porosas 13 alternadas con las membranas huecas
11, de modo que cada membrana hueca 11 esté dispuesta entre dos
placas porosas 13. El apilamiento está soportado por dos rejillas 15
dispuestas a una y otra parte del apilamiento. El conjunto se
introduce en un recinto estanco 17, dejando sobre dos caras
laterales opuestas del recinto una cámara 19 de introducción de un
segundo fluido, y una cámara 21 de recepción de este segundo
fluido. Estas cámaras están en comunicación únicamente con las
cavidades internas de las membranas huecas 11, existiendo juntas 23
intercaladas a nivel de cada placa porosa 13. El fluido a tratar se
introduce por la base del apilamiento, por medio del conducto 25, y
sale por la cima del apilamiento a través del conducto 27, tras
haber circulado por las placas porosas 13, y después por los
canales capilares de las membranas huecas 11 donde entra en
contacto, por medio de las paredes de los capilares, con el segundo
fluido introducido por el conducto 29 y recuperado por el conducto
31.
Bien entendido, se podría utilizar este
dispositivo introduciendo el primer fluido por el conducto 27, y
recuperándolo por el conducto 25.
Aunque en este dibujo se hayan representado
varias membranas huecas 11, se podría realizar un módulo de
tratamiento de fluido que no incorpore más que una sola membrana
rodeada por dos espacios de circulación 13 del fluido a tratar,
eventualmente rellenos con una materia porosa.
Utilizando este modo de realización del módulo de
la invención, se puede transferir un compuesto a partir del primer
fluido o fluido a tratar, hasta el segundo fluido o a la inversa.
El segundo fluido podría constituir, de manera evidente, el fluido
a tratar.
Se puede realizar el apilamiento representado en
el módulo de la Figura 4, utilizando las etapas de procedimiento
descritas en relación con las Figuras 5 a 9.
En este caso, se parte de
membranas-matriz idénticas a las representadas en
la Figura 1, y se forma sobre las mismas un revestimiento de
polímero para obtener una membrana compuesta 6 conforme a la Figura
2. Según se ha representado en la Figura 5, se ensamblan a
continuación estas membranas compuestas 6 con placas porosas 13 y
rejillas extremas 15 para formar el apilamiento de la Figura 6, en
el que solamente se han representado dos membranas compuestas.
Según se puede ver en la Figura 7, se hace a continuación que el
conjunto sea estanco en estas paredes, formando una junta 23 para
hacer que sean inaccesibles las placas porosas 13 y las membranas
compuestas 6. Esto puede efectuarse bañando cada cara lateral en
una cola, o realizando sobre la periferia del conjunto una fusión
parcial de las placas porosas 13. Se logra así que el conjunto
representado en la Figura 7, comprenda por toda su periferia una
junta estanca 23.
Para asegurar mejor la penetración de la cola en
las placas porosas, se pueden someter éstas, con anterioridad al
ensamblaje, a un tratamiento para hidrofilizarlas, por ejemplo.
Este tratamiento puede consistir en:
- -
- una oxidación química con soluciones que contengan peróxido de hidrógeno, ácido sulfúrico con bicromato de potasio, o un perclorato;
- -
- una oxidación en fase gaseosa mediante ozono, flúor o un plasma; o
- -
- un injerto de monómeros hidrófilos.
Este tratamiento puede ser realizado solamente
sobre uno o varios elementos del apilamiento. La cola debe penetrar
también en los canales capilares de las membranas compuestas, hasta
la profundidad de la citada junta.
Para terminar este ensamblaje, se hace accesible
el material-matriz de las membranas compuestas 6,
formando aberturas en la junta 23 a nivel de las membranas
compuestas 6, pero solamente sobre dos caras laterales opuestas del
conjunto. Se obtiene así el conjunto semi-abierto
representado en la Figura 8, el cual comprende aberturas 24 a nivel
de cada membrana compuesta 6, mientras que las placas porosas 13
están siempre dotadas de junta estanca 23. Se procede entonces a la
eliminación del material que forma la matriz de las membranas
compuestas 6, introduciendo en el conjunto un reactivo capaz de
destruir este material sin que afecte al polímero. Este reactivo
puede ser introducido por las aberturas 24 practicadas
anteriormente, y se obtiene así el conjunto representado en la
Figura 9, en el que las membranas compuestas 6 han sido
transformadas en membranas huecas 11, mientras que las placas
porosas 13 permanecen sin cambio, siendo las cavidades internas de
las membranas huecas 11 accesibles a través de las aberturas 24
practicadas anteriormente.
Mediante la colocación del conjunto de la Figura
9 en el recinto estanco 17 representado en la Figura 4, se obtiene
el módulo representado en la Figura 4.
En la Figura 10, se ha representado un módulo de
tratamiento de fluido de acuerdo con el segundo modo de realización
de la invención. En esta Figura, se han tomado de nuevo las mismas
referencias que en la Figura 4 para representar los elementos
comunes a los dos módulos.
En este segundo modo de realización, el módulo
comprende un apilamiento de n membranas huecas 11 (n = 3 en este
ejemplo), y de (n+1) placas de materia porosa 13 (4 en este
ejemplo), las cuales están alternadas con las membranas huecas, de
modo que cada membrana hueca 11 esté dispuesta entre dos placas
porosas 13. En este apilamiento, las membranas huecas de número
impar o membranas de la primera serie, han sido referenciadas con
11_{1}, mientras que la membrana hueca de número par, o membrana
de la segunda serie, ha sido referenciada con 11_{2}.
En este apilamiento, las dimensiones de las
membranas huecas y de las placas de materia porosa, así como su
posición, son tales que se delimita en el recinto:
- -
- una cámara frontal 51 de introducción de un segundo fluido que se encuentra únicamente en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas de número impar 11_{1} de la primera serie,
- -
- una cámara de recepción 53 de este segundo fluido sobre la cara opuesta, es decir la cara trasera, asimismo en comunicación únicamente con las cavidades internas de las membranas huecas 11_{1} de número impar de la primera serie,
- -
- en la cara lateral derecha del apilamiento, una cámara 55 de introducción de un tercer fluido, estando esta última en comunicación únicamente con la cavidad interna de la membrana hueca de número par 11_{2} de la segunda serie, y
- -
- en la cara lateral opuesta del módulo, una cámara 57 de recepción del tercer fluido, asimismo en comunicación únicamente con la cavidad interna de la membrana hueca 11_{2} de la segunda serie.
El fluido a tratar puede ser introducido, como en
el módulo de la Figura 4, en la base del apilamiento, por el
conducto 59, y ser recuperado en la cima de éste, en el conducto
61, tras haber circulado por las placas de materia porosa 13 y por
los tubos capilares de todas las membranas huecas 11_{1} y
11_{2}.
En la disposición representada en la Figura 10,
las membranas huecas y las placas de materia porosa que les están
asociadas, tienen sección rectangular, y están dispuestas unas por
encima de las otras, de manera que la longitud de la sección de las
membranas huecas de número impar 11_{1} esté en una dirección, y
que la longitud de la sección de las membranas huecas de número par
11_{2} esté dispuesta formando ángulo recto con relación a la de
la sección de las membranas huecas de número impar. Las placas
porosas están dispuestas de la misma manera, asociando dos placas
porosas a la primera membrana hueca situada en la base del
apilamiento.
Este conjunto se dispone en un recinto estanco
concebido para aislar entre sí las cámaras 51, 53 y 57, y los
conductos 59 y 61 de alimentación y de recepción de los diferentes
fluidos. Por los lados del conjunto, se han formado así juntas
estancas para que sólo sea posible el acceso a la cavidad interna de
la membrana hueca de número par 11_{2} en las cámaras 55 y 57, y
el acceso a las cavidades internas de las membranas huecas de
número impar 11_{1} en las membranas 51 y 53. Se han dispuesto
igualmente juntas de estanquidad en la base y en la cima del
apilamiento, para asegurar una circulación del primer fluido sin
posibilidad de comunicación con las cámaras 51, 53, 55 y 57, estando
estas últimas asimismo aisladas entre sí.
Un módulo de este tipo puede ser realizado según
el mismo procedimiento que el descrito anteriormente para el módulo
de la Figura 4, en relación con las Figuras 5 a 9. En este caso,
tras haber estanquizado el apilamiento de placas y de membranas
huecas por sus cuatro caras laterales por inmersión en la cola, se
realizan los cortes de manera que se formen aberturas únicamente en
las membranas huecas de número par, o en las membranas huecas de
número impar, según su disposición.
En la Figura 10, se ha representado con trazo
discontinuo la junta de cola 60, realizada inicialmente por las
cuatro caras laterales del apilamiento. Esta junta de cola penetra
hasta el perímetro ABCD representado en la Figura 10, el cual
delimita la zona útil del apilamiento para el paso del primer
fluido.
Tras la formación de esta junta de cola, se han
cortado las caras laterales del apilamiento correspondientes a las
cámaras 51 y 53, siguiendo las líneas de corte de trazos mixtos
A'D' y B'C'. De esta manera, se han cortado únicamente los
conjuntos constituidos por las membranas 11_{1} y las placas
porosas 13 que les están asociadas, puesto que estos conjuntos se
encontraban inicialmente sobresaliendo con relación a estas líneas
de corte. Por el contrario, este corte no ha alcanzado la membrana
11_{2}, ni la placa porosa asociada a la misma, puesto que éstas
se encuentran retrasadas con relación a estas líneas de corte. De
esta manera, resultan accesibles las cavidades internas (que serán
formadas tras la destrucción del material que constituye la
membrana-matriz), de las membranas 11_{1} en las
cámaras 51 y 53, conservando la estanquidad de la cavidad interna
de la membrana 11_{2}.
De igual modo, se han cortado las caras laterales
del apilamiento correspondiente a las cámaras 55 y 57, siguiendo
las líneas de corte de trazos mixtos D'C' y A'B', para cortar
únicamente el conjunto formado por la membrana 11_{2} y la placa
porosa que está asociada a la misma, sin tocar los conjuntos
constituidos por las membranas 11_{1} y las placas porosas que les
están asignadas, puesto que éstas se encuentran retrasadas con
relación a las líneas de corte. De este modo, se ha hecho accesible
la cavidad interna (que será formada tras la destrucción del
material que constituye la membrana-matriz), de la
membrana 11_{2}, al fluido que circula desde la cámara 55 hasta la
cámara 57.
En la Figura 11, se ha representado en
perspectiva un módulo de tratamiento de fluido de acuerdo con un
tercer modo de realización de la invención.
En esta Figura, se han vuelto a tomar igualmente
las mismas referencias para designar las placas de materia porosa
13, las membranas huecas de número par 11_{2} y de número impar
11_{1}, y las rejillas 15.
Como se puede ver en la Figura 11, el apilamiento
comprende cuatro membranas huecas 11, que están repartidas en dos
membranas huecas de la primera serie 11_{1} y dos membranas
huecas de la segunda serie 11_{2}, y cinco placas de materia
porosa 13 que están alternadas con las membranas huecas como en la
Figura 10.
En este apilamiento, las dimensiones de las
membranas huecas y de las placas de materia porosa, así como su
disposición, son tales que se delimita en el recinto:
- -
- una cámara frontal 71 de introducción de un segundo fluido, que se encuentra únicamente en comunicación con la cavidad interna de las membranas huecas de número impar 11, de la primera serie,
- -
- una cámara de recepción 73 de este segundo fluido, situada en la cara lateral contigua del apilamiento, la cual se encuentra en comunicación igualmente con las cavidades internas de las membranas huecas 11_{1} de la primera serie por las dos caras laterales;
- -
- una membrana de introducción 75 de un tercer fluido, situada en la cara lateral opuesta a la cámara de recepción 73, la cual está en comunicación únicamente con las cavidades internas de las membranas huecas 11_{2} de la segunda serie, y
- -
- en la última cara del conjunto, una cámara de recepción 77 del tercer fluido, asimismo en comunicación únicamente con las cavidades internas de las membranas huecas 11_{2} de la segunda serie.
El fluido a tratar puede ser introducido, como en
el módulo de la Figura 10, por el conducto 59 situado en la base
del apilamiento, y recuperado a su salida por el conducto 61, en la
cima del apilamiento, tras haber circulado por las placas de
materia porosa 13 y por los tubos capilares de todas las membranas
huecas 11_{1} y 11_{2}.
En la disposición representada en la Figura 11,
las membranas huecas 11 y las placas de materia porosa 13 asociadas
a las mismas, tienen una sección rectangular o cuadrada, y están
dispuestas unas por encima de las otras, estando decaladas a la vez
en el sentido de la longitud y en el sentido de la anchura del
rectángulo, de modo que las membranas huecas de número par 11_{2}
sobresalen en las cámaras 75 y 77 de introducción y de recepción del
tercer fluido, mientras que las membranas huecas 11_{1} de la
primera serie sobresalen de las cámaras de introducción y de
recepción 71 y 73 del segundo fluido.
En las caras laterales del conjunto, se han
formado juntas estancas para que solo sea posible el acceso a las
cavidades internas (que serán formadas tras la destrucción del
material que constituye la membrana-matriz) de las
membranas huecas 11_{1} de la primera serie sobre su cara frontal
en la cámara 71, y sobre su cara lateral contigua en la cámara 73,
y que el acceso a las cavidades internas (que serán formadas tras
la destrucción del material que constituye la membrana matriz) de
las membranas huecas 11_{2}, sea posible sobre su cara lateral en
la cámara 75 y sobre su cara lateral contigua en la cámara de
recepción 77 del segundo fluido. Igualmente se han dispuesto juntas
de estanquidad en la base y en la cima del apilamiento para
asegurar una circulación del primer fluido sin posibilidad de
comunicación con las cámaras 71, 73, 75 y 77.
Se puede realizar un módulo de este tipo mediante
el mismo procedimiento que el descrito anteriormente para el módulo
de la Figura 10, realizando una junta de cola sobre las cuatro
caras del apilamiento, de tal modo que la cola penetre hasta el
perímetro ABCD que delimita la zona útil del apilamiento para el
paso del primer fluido.
Después de esta operación, conviene recortar las
caras laterales a nivel de los conjuntos (membranas - placas
porosas asociadas) de número par o impar, para hacer que sean
accesibles las cavidades internas de las membranas huecas de la
primera serie 11_{1} en las cámaras 71 y 73, y las cavidades
internas de las membranas huecas de la segunda serie 11_{2} en
las cámaras 75 y 77, todo ello manteniendo la estanquidad de las
placas porosas asociadas a aquellas.
Esto puede realizarse como en lo que antecede,
partiendo de la junta de cola 60 representada con trazos
discontinuos en la Figura 11, la cual penetra hasta el perímetro
ABCD. Tras la formación de esta junta de cola, se han cortado las
caras laterales del apilamiento correspondiente a las cámaras 71 y
73 por las líneas de corte de trazos mixtos: A'D' y A'B', con el
fin de cortar únicamente los conjuntos formados por las membranas
11_{1} y las placas porosas asociadas a aquellas, sin tocar los
conjuntos formados por las membranas 11_{2} ni las placas porosas
que les son asociadas, puesto que éstas se encuentran retrasadas
con respecto a las líneas de corte. Al igual que en lo que
antecede, se logra que sean así accesibles las cavidades internas de
las membranas 11_{1} en las cámaras 71 y 73, manteniendo la
estanquidad de las cavidades internas de las membranas
11_{2}.
Se cortan a continuación las caras del
apilamiento correspondientes a las cámaras 75 y 77, siguiendo las
líneas de corte C'D' y B'C' de trazos mixtos, las cuales permiten
alcanzar únicamente los conjuntos formados por las membranas
11_{2} y las placas porosas asociadas a éstas, sin tocar los
conjuntos formados por las membranas 11_{1} ni las placas porosas
asociadas a las mismas. De ese modo, se hacen accesibles las
cavidades internas de las membranas 11_{2} para el fluido que
circula por las cámaras 75 y 77.
Se introduce a continuación el conjunto en un
recinto estanco con el fin de aislar los conductos 59, 61, y las
cámaras 71, 73, 75 y 77, unos de otros.
Los módulos representados en las Figuras 10 y 11,
que utilizan el fluido a tratar y dos fluidos de tratamiento,
pueden ser utilizados, por ejemplo, para extraer en el segundo
fluido un compuesto del primer fluido a tratar, y para añadir a
continuación al primer fluido otro compuesto por intercambio con el
tercer fluido.
De este modo, en el caso de un primer fluido que
comprenda carboxihemoglobina, se podría extraer el grupo carboxi en
el segundo fluido, por ejemplo mediante una amina, y a continuación
transformar la hemoglobina en oxihemoglobina por medio del tercer
fluido, por ejemplo oxígeno.
Los módulos de tratamiento de fluido de la
presente invención pueden ser utilizados como aparato membranar de
transferencia de materia entre un gas y un líquido, entre dos gases
o entre dos líquidos separados por las paredes de las membranas
huecas. Aquellos pueden ser aplicados al tratamiento de los humos
gracias a la estabilidad térmica elevada de los polímeros
heterocíclicos, al tratamiento de desechos líquidos corriente abajo
de los pre-tratamientos utilizados para retener las
materias en suspensión, a la separación de los componentes de las
soluciones y de las suspensiones obtenidas en los procedimientos
microbiológicos.
Los módulos de la invención pueden aplicarse
también como riñón o pulmón artificial. Utilizando capilares con un
diámetro interno de alrededor de 10 micras, el dispositivo puede
ser utilizado como un oxigenador sanguíneo artificial. También
pueden ser utilizados para procedimientos térmicos de separación
(pervaporación, desgasificación termo-membranar del
agua y de las soluciones a tratar), en los que existe
simultáneamente una transferencia de materia o de calor.
Los módulos según la presente invención pueden
ser aplicados también como reactor membranar. Según el primer modo
de realización, el dispositivo puede ser utilizado como un reactor
membranar que tenga una sola capa de separación que esté
constituida por paredes capilares. Para la reacción del tipo: A + B
\rightarrow C, esta capa de separación servirá para la separación
de un producto C de los reactivos A y B que reaccionan entre sí,
sin o con la presencia de un catalizador. En el segundo y en el
tercer modos de realización, pueden ser utilizados como reactor de
dos membranas. Para una reacción del tipo (la reacción puede ser
también catalítica): A + B \rightarrow C + D, estos dispositivos
sirven para la separación selectiva de dos productos diferentes C y
D de la reacción, y de los reactivos A y B. Los citados
catalizadores pueden ser insertados en los poros de las placas
porosas, o pueden constituir una parte de las placas porosas. En el
caso general, las partículas de catalizador utilizadas deben ser
más grandes que el diámetro interno de los capilares de la membrana
hueca.
También pueden servir como extractor para una
transferencia selectiva de iones y/o de compuestos del primer
fluido hacia el tercer fluido, por medio del segundo fluido. En
este caso, el segundo fluido contiene un extractante selectivo para
el compuesto que se ha de eliminar, por ejemplo una amina, un
éter-corona, etc.
Los ejemplos que siguen ilustran la realización
de una membrana hueca, de una membrana compuesta y de un módulo de
tratamiento de fluido, de acuerdo con la invención.
Esta membrana se prepara de acuerdo con el
procedimiento descrito en relación con las Figuras 1 a 3.
Se parte de una membrana-matriz
de poli(tereftalato de etileno) (PTPE) de 20 \mum de
espesor, que comprende poros aproximadamente cilíndricos,
inclinados caóticamente con relación a la perpendicular a las
superficies frontales de las membranas. Estos poros han sido
formados por irradiación de la membrana mediante haces de iones
pesados, y tienen un tamaño de alrededor de 0,3 \mum, estando
comprendida su inclinación con respecto a la perpendicular a las
superficies de la membrana entre 0 y 45º.
A continuación se forma sobre esta
membrana-matriz y en sus poros, un revestimiento de
polipirrol para obtener la membrana compuesta representada en la
Figura 2. Se deposita este revestimiento de polipirrol mediante
polimerización del pirrol por vía química, utilizando como agente
oxidante una solución de cloruro férrico FeCl_{3}. Para efectuar
este revestimiento, se utiliza la membrana como diafragma que
separa:
- 1)
- una solución acuosa de pirrol recientemente destilada, cuya concentración de pirrol es de 0,1 mol/l, y que contiene además 0,36 mol/l de ácido tolueno-sulfónico-4 como dopante, y
- 2)
- una solución acuosa de cloruro férrico a 0,3 mol/l.
Se opera a temperatura ambiente, y se realiza la
polimerización durante un tiempo de 20 min.
Se mide el peso de la membrana antes y después de
la polimerización, y se calcula la ganancia de peso expresada en
porcentaje. La ganancia para la muestra obtenida, es del 24,9%. Se
pule la muestra así obtenida con un papel de lija (número 600 o más
fino), para arrancar los aglomerados de polipirrol que se
encuentran sobre las capas superficiales de polipirrol que cubren
las superficies frontales de la membrana. Con frecuencia, no hace
falta pulir más que la superficie que estaba en contacto con la
solución de FeCl_{3}. La ganancia de peso de la muestra tras el
pulido es igual al 23,1%.
Se trata la muestra así obtenida con la ayuda de
una solución de hidróxido de sodio que tiene una concentración de 3
moles/l a una temperatura, con preferencia, inferior a 35ºC,
durante alrededor de 48 horas, para disolver el material PTPE de la
membrana-matriz. Se cambia a continuación
gradualmente la solución de NaOH por agua destilada, añadiendo esta
última en una cantidad igual a la solución de NaOH. A este objeto,
se retira la mitad de la solución y se añade la misma cantidad de
agua, disminuyendo así progresivamente la concentración de NaOH. Se
realiza un lavado 4 veces durante media hora, y la quinta vez se
retira la solución y se añade agua destilada manteniendo la muestra
obtenida en la misma durante 2 horas. Tras esta última operación de
lavado, se puede secar la muestra. La pérdida de peso de la muestra
así obtenida con relación a la muestra que contiene el polipirrol y
el PTPE, es igual a un 82%, lo que significa que todo el PTPE ha
sido arrancado del espacio inter-capilar.
Se obtiene así una membrana hueca de polipirrol,
tal como la representada en la Figura 3, que comprende varios
canales capilares 3 que tienen un diámetro interno de 0,15 \mum,
y un diámetro externo de 0,3 \mum, es decir, un espesor de pared
de 0,08 \mum, y dos capas-soporte 5a y 5b de
polipirrol que tienen un espesor de alrededor de 0,2 \mum.
Esta membrana hueca comprende así canales
capilares 3 de circulación de un primer fluido, y una cavidad
interna 7 para la circulación de un segundo fluido por el espacio
entre los capilares. Los contactos entre los dos fluidos son
posibles, no solo en el interior de los canales capilares, sino
también en las capas-soporte 5a y 5b.
En este ejemplo, se sigue el mismo modo operativo
que en el ejemplo 1 para preparar una membrana compuesta, pero se
parte de una membrana matriz de policarbonato de 10 \mum de
espesor que tiene poros aproximadamente cilíndricos de 1,0 \mum
de diámetro. Se forma la membrana compuesta depositando sobre esta
membrana-matriz una capa de polipirrol mediante
polimerización por vía química como en el ejemplo 1, utilizando un
tiempo de polimerización de 30 minutos. Se obtiene una ganancia de
peso del 17%.
Se obtiene así la membrana compuesta representada
en la Figura 2, la cual comprende canales capilares de 0,5 \mum de
diámetro interno, que tienen un espesor de pared de 0,3 \mum, y
una capa soporte de polipirrol sobre las caras superiores e
inferior de la membrana compuesta, de alrededor de 0,5 \mum de
espesor.
En este ejemplo, se realiza un módulo conforme al
primer modo de realización de la invención, tal como el
representado en la Figura 4, utilizando el procedimiento descrito
en relación con las Figuras 5 a 9.
A este objeto, se apilan membranas compuestas
tales como las preparadas en los ejemplos 1 y 2, intercalando entre
ellas las placas de materia porosa de polipropileno de tipo AN
(Sociedad Millipore) que tienen una dimensión media de poro de
alrededor de 10 \mum y un espesor de alrededor de 200 \mum.
Se utilizan en este apilamiento las membranas
compuestas obtenidas en las ejemplos 1 y 2, y se disponen en el
orden siguiente, desde abajo: placa porosa AN / membrana compuesta
obtenida en el ejemplo 1, en la que los canales tienen un diámetro
interno de 0,15 \mum / placa porosa AN / membrana del ejemplo 2
cuyos canales capilares tienen un diámetro interno de 0,5 \mum /
placa porosa AN. Se dispone el conjunto entre dos rejillas de
polipropileno, que tienen una abertura de malla de 0,2 mm.
Se procede a continuación a la estanquización del
apilamiento sobre estas caras laterales, sumergiendo cada una en
una cola de tipo araldite, de manera que se sumerge cada cara en un
espesor de 4 mm. Tras el endurecimiento de la cola, se corta una
capa de 2 mm de espesor por dos caras laterales opuestas del
apilamiento, y a continuación se procede a la eliminación del
material que forma la matriz por inmersión del conjunto en una
solución de hidróxido de sodio a 3 mol/l durante 50 horas, a la
temperatura ambiente. Se realiza después un lavado como en el
ejemplo 1, sustituyendo gradualmente la solución de hidróxido de
sodio por agua.
Se obtiene así un módulo de acuerdo con el
representado en la Figura 4, en el que se puede introducir y hacer
circular un primer fluido por los canales capilares de las
membranas huecas, introduciéndolo por la base del módulo y
extrayéndolo por la cima del mismo, y un segundo fluido por las
cavidades internas de las membranas huecas para ponerlo en
contacto, en el interior de las membranas huecas, con el primer
fluido.
La presencia de las placas de materia porosa
permite al primer fluido experimentar algunas turbulencias que
favorecen así la velocidad de transferencia de los compuestos
presentes en el fluido hacia una capa separadora formada por las
paredes de los capilares y de las capas-soporte de
las membranas huecas.
En la tabla 1 anexa, se han recopilado las
características de las membranas huecas obtenidas según la
invención, así como las correspondientes a las membranas de fibras
huecas de la técnica anterior, y las de los sistemas naturales
formados por el pulmón humano, el riñón y el intestino.
A la vista de esta tabla, se comprueba que las
membranas huecas de la invención están más próximas a los sistemas
naturales que las de la técnica anterior.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
- 1:
- WO-A-95/00238
- 2:
- US-A-4 959 152
- 3:
- US-A-5 104 535
- 4:
- Membrane Handbook, Eds.: W.S. Winston Ho and K.K. Sirkar, Van Nostrand Reinhold, New York, 1992.
- 5:
- S. Karror & K.K. Sirkar, Ind. Eng. Chem. Res. 32 (1993), 674-684.
Claims (28)
1. Membrana hueca, que comprende dos
capas-soporte (5a, 5b) dispuestas una encima de la
otra, dejando entre sí un espacio y una pluralidad de tubos
capilares (3) dispuestos entre las dos
capas-soporte, y presentando cada uno de ellos una
abertura a nivel de cada una de las dos
capas-soporte con el fin de formar canales
capilares de circulación de un primer fluido, formando el espacio
entre los tubos capilares y las dos capas-soporte
una cavidad interna (7) de circulación de un segundo fluido
alrededor de los tubos capilares, y estando las dos
capas-soporte y los tubos capilares constituidos por
un polímero orgánico, incluyendo la citada membrana de 10^{5} a
5.10^{8} tubos capilares por cm^{2} de
capa-soporte, y presentando una superficie
específica de transferencia de 10^{2} a 10^{4} m^{2} por
litro de fluido.
2. Membrana hueca según la reivindicación 1, en
la que el polímero orgánico es un polímero heterocíclico o un
poliacetileno.
3. Membrana hueca según la reivindicación 2, en
la que el polímero heterocíclico es un polipirrol, una polianilina
o un politiofeno.
4. Membrana hueca según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en la que los tubos capilares tienen una
longitud de 1 a 1000 pm, un diámetro interno de 0,02 a 50 pm, y un
espesor de pared de 0,01 a 10 \mum.
5. Membrana hueca según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en la que los tubos capilares (3) están
dispuestos de forma sensiblemente perpendicular a las dos
capas-soporte (5a, 5b), o según direcciones que
forman un ángulo de, como máximo, 45º con la perpendicular a las
dos capas-soporte.
6. Membrana hueca según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en la que los tubos capilares tienen una
longitud de 5 a 60 \mum, un diámetro interno de 0,1 a 10 \mum,
y un espesor de pared de 0,1 a 3 \mum.
7. Procedimiento de fabricación de una membrana
hueca según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que
comprende las etapas siguientes:
a) formar sobre las superficies externas y en los
poros de una membrana- matriz (1) que incorpora poros rectilíneos
abiertos (3) dispuestos entre sus dos superficies externas, un
revestimiento de polímero orgánico (5) mediante polimerización
in situ de un monómero precursor del polímero, y
b) eliminar a continuación el material que forma
la membrana-matriz por destrucción en un reactivo
selectivo que no afecta al polímero, para formar la cavidad interna
de la citada membrana hueca.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el
que la membrana-matriz es un material polímero o un
material inorgánico, y en el que los poros rectilíneos de la
membrana matriz han sido creados por irradiación mediante un haz de
iones pesados, seguido de una disolución de la materia en las
trazas formadas por los iones y/o alrededor de las mismas.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el
que el material polímero se elige entre los policarbonatos, el
poli(tereftalato de etileno), las poliimidas, el
poli(fluoruro de vinilideno), y el reactivo se elige entre
las bases y los ácidos orgánicos.
10. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que el material orgánico es óxido de aluminio, y el reactivo se
elige entre las bases y los ácidos inorgánicos, o el material
inorgánico es mica y el reactivo es ácido fluorhídrico.
11. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que se realiza la polimerización in situ del monómero
precursor por oxidación química o electroquímica de dicho
monómero.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, en
el que la polimerización por oxidación química se efectúa poniendo
en contacto una cara de la membrana-matriz con una
solución de dicho monómero, y la otra cara de la
membrana-matriz con una solución de un agente
oxidante.
13. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 7, 11 y 12, en el que, con el fin de obtener
diferentes tamaños de poros en las paredes de los tubos capilares,
diferentes índices de mojabilidad de las citadas paredes por
soluciones acuosas o por solventes orgánicos, y/o propiedades
diferentes de electroconductividad, de solidez, de porosidad y/o de
flexibilidad, se somete el revestimiento de polímero orgánico,
durante o después de la polimerización, a un tratamiento por:
a) un reactivo elegido entre los ácidos de Lewis,
en particular los ácidos alquil, aril o alquilarilsulfónicos, o
entre las sales de los citados ácidos, o
b) un reactivo elegido entre los hidróxidos o
carbonatos de metales alcalinos.
14. Módulo de tratamiento de fluido, que
comprende al menos una membrana hueca según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, dispuesto en un recinto estanco de modo que
deja entre dos membranas huecas adyacentes (11) y entre cada
membrana hueca (11) y una pared adyacente (17) del recinto, espacios
de circulación (13) de un primer fluido en comunicación únicamente
con el interior de los tubos capilares de la(s)
membrana(s) hueca(s), medios (25, 27) para poner en
circulación el citado primer fluido por los tubos capilares de las
membranas huecas introduciéndolo en uno de los citados espacios de
circulación y recogiéndolo en otro de dichos espacios de
circulación, y medios (29, 31) para poner en circulación al menos
un segundo fluido en la(s) cavidad(es)
interna(s) de la(s) membrana(s)
hueca(s) (11).
15. Módulo según la reivindicación 4, en el que
el (los) espacio(s) de circulación (13) de dicho primer
fluido se rellena(n) con una guarnición que permite generar
turbulencias en el primer fluido.
16. Módulo según la reivindicación 15, en el que
la guarnición está formada por una materia porosa cuyos poros tienen
dimensiones más grandes que el diámetro de los tubos capilares.
17. Módulo según la reivindicación 16, en el que
la relación de la dimensión de los poros de la materia porosa
respecto al diámetro de los tubos capilares, es de 5 a 200.
18. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 y 17, en el que los poros de la materia porosa
cubiertos por un compuesto elegido entre los catalizadores, las
enzimas y los sorbentes insolubles en el citado primer fluido,
siendo la relación de la dimensión de poro de la materia porosa
respecto al diámetro de los tubos capilares de 5 a 50.
19. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 18, que comprende:
- un apilamiento de n membranas huecas (11) y de
(n+1) placas (13) de materia porosa alternadas con las membranas
huecas, de manera que cada membrana hueca queda dispuesta entre dos
placas de materia porosa, formando estas placas los espacios de
circulación del primer fluido,
- medios (25, 27) para introducir el primer
fluido por la cara inferior o superior del apilamiento, y
recuperarlo por la cara opuesta de este apilamiento,
- una cámara de introducción (19) del segundo
fluido, dispuesta sobre una cara lateral del apilamiento y en
comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas
(11), y
- una cámara de recepción (21) del segundo fluido
dispuesta sobre la cara lateral opuesta del apilamiento, y en
comunicación con las cavidades internas de las citadas membranas
huecas (11).
20. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 18, que incluye:
- un apilamiento de n membranas huecas (11) y de
(n+1) placas (13) de materia porosa alternadas con las
membranas huecas, de manera que cada membrana hueca esté dispuesta
entre dos placas de materia porosa, formando estas placas los
espacios de circulación del primer fluido, comprendiendo el
apilamiento una primera serie de membranas huecas de número impar
(11_{1}) y una segunda serie de membranas huecas de número par
(11_{2}) dispuestas entre las membranas de número impar,
- medios (59, 61) para introducir el primer
fluido sobre la cara inferior o superior del apilamiento, y
recuperarlo por la cara opuesta del apilamiento,
- una cámara de introducción (51) de un segundo
fluido, dispuesta sobre una primera cara lateral del apilamiento y
en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas
(11_{1}) de la primera serie,
- una cámara de recepción (53) del segundo
fluido, dispuesta sobre la cara lateral opuesta a la citada primera
cara, y en comunicación con las cavidades internas de las membranas
huecas (11_{1}) de la primera serie,
- una cámara de introducción (55) de un tercer
fluido, dispuesta sobre la cara lateral, llamada segunda cara
lateral, contigua a la citada primera cara lateral, en comunicación
con las cavidades internas de las membranas huecas de la segunda
serie (11_{2}), y
- una cámara de recepción (57) del tercer fluido,
dispuesta sobre la cara lateral opuesta a la citada segunda cara, y
en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas
(11_{2}) de la segunda serie.
21. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 18, que comprende:
- un apilamiento de n membranas huecas (11) y de
(n+1) placas (13) de materia porosa alternadas con las
membranas huecas, de manera que cada membrana hueca quede dispuesta
entre dos placas de materia porosa, formando estas placas los
espacios de circulación del primer fluido, comprendiendo el
apilamiento una primera serie de membranas huecas de número impar
(11_{1}) y una segunda serie de membranas huecas de número par
(11_{2}) dispuestas entre las membranas de número impar,
- medios (59, 61) para introducir el primer
fluido por la cara inferior o superior del apilamiento, y
recuperarlo por la cara opuesta de este apilamiento,
- una cámara de introducción (71) de un segundo
fluido, dispuesta sobre una primera cara lateral del apilamiento, y
en comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas
(11_{1}) de la primera serie,
- una cámara de recepción (73) del segundo
fluido, dispuesta sobre una cara lateral del apilamiento,
denominada segunda cara, contigua con la citada primera cara, y en
comunicación con las cavidades internas de las membranas huecas
(11_{1}) de la primera serie,
- una cámara de introducción (75) de un tercer
fluido, dispuesta sobre otra cara lateral del apilamiento,
denominada tercera cara, y en comunicación con las cavidades
internas de las membranas huecas (11_{2}) de la segunda serie,
y
- una cámara de recepción (77) del tercer fluido,
dispuesta sobre la última cara lateral del apilamiento, denominada
cuarta cara lateral, estando la citada cámara en comunicación con
las cavidades internas de las membranas huecas (11_{2}) de la
segunda serie.
22. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 21, en el que el apilamiento está dispuesto
entre dos rejillas rígidas (15) cuyas aberturas son al menos
iguales, o mayores, que la dimensión de poro de las placas de
materia porosa.
23. Módulo según una cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 22, en el que el diámetro, la longitud y/o la
cantidad de tubos capilares de las membranas huecas del apilamiento
son diferentes en al menos una membrana hueca del apilamiento.
24. Módulo según la reivindicación 23, en el que
el diámetro de los tubos capilares disminuye de una membrana hueca
a otra, en el sentido de circulación del primer fluido, y la
densidad de tubos capilares aumenta de una membrana hueca a otra en
el sentido de circulación del primer fluido.
25. Procedimiento de fabricación de un módulo de
tratamiento de fluido según una cualquiera de las reivindicaciones
14 a 24, que comprende las etapas siguientes:
1) preparar al menos una membrana compuesta (6),
formando sobre las superficies externas y en los poros de una
membrana-matriz (1) que incorpora poros rectilíneos
abiertos, dispuestos entre sus dos superficies externas, un
revestimiento (5) de polímero orgánico por polimerización in
situ de un monómero precursor del polímero,
2) formar a partir de la(s)
membrana(s) compuesta(s) (6) y de las placas (13) de
materia porosa, un apilamiento en el que cada membrana compuesta (6)
está dispuesta entre dos placas (13) de materia porosa,
3) formar juntas estancas (23) entre las
membranas compuestas y las placas porosas sobre las caras laterales
del apilamiento,
4) realizar aberturas (24) en la junta estanca,
únicamente a nivel de las membranas compuestas, y para cada
membrana compuesta solamente sobre dos caras laterales diferentes
del apilamiento,
5) introducir por estas aberturas un reactivo
capaz de destruir el material que forma la membrana matriz de las
membranas compuestas, sin afectar al polímero que recubre las
superficies y los poros de la membrana matriz, para obtener un
apilamiento de membranas huecas (11) y de placas (13) de materia
porosa en el que las cavidades internas (7) de las membranas huecas
son accesibles por dos caras laterales del apilamiento.
26. Procedimiento según la reivindicación 25, en
el que, con el fin de obtener diferentes tamaños de poros en las
paredes de los tubos capilares, diferentes índices de mojabilidad
de las citadas paredes por las soluciones acuosas o por los
solventes orgánicos, y/o propiedades diferentes de
electroconductividad, solidez, porosidad y/o flexibilidad, se
somete el revestimiento de polímero orgánico, durante o después de
la polimerización, a un tratamiento por medio de:
a) un reactivo elegido entre los ácidos de Lewis,
en particular los ácidos alquil, aril o alquilarilsulfónicos, o
entre las sales de los citados ácidos, o
b) un reactivo elegido entre los hidróxidos o
carbonatos de metales alcalinos.
27. Procedimiento según la reivindicación 25 ó
26, en el que la etapa 3) se realiza haciendo penetrar la cola en
las placas porosas y en las membranas compuestas por las caras
laterales del apilamiento.
28. Procedimiento según la reivindicación 27, que
comprende además una etapa de tratamiento de las placas de materia
porosa, para facilitar la penetración de la cola, antes de realizar
la etapa 3).
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