ES2241279T3 - Membrana que comprende una mezcla de una polisulfona o una polietersulfona y etilendiamina sustituida con poli(oxido de etileno)/poli(oxido de propileno). - Google Patents
Membrana que comprende una mezcla de una polisulfona o una polietersulfona y etilendiamina sustituida con poli(oxido de etileno)/poli(oxido de propileno).Info
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Abstract
Membrana de polisulfona caracterizada porque comprende una mezcla de una polisulfona o una poliétersulfona y una diamina sustituida con poli(óxido de etileno) / poli(óxido de propileno) de fórmula en la que R1, R2, R3 y R4 son los mismos restos, o diferentes, de copolímero de polioxietileno / polioxipropileno de fórmula o en las que X, X1, Y e Y1 pueden ser iguales o diferentes en cada uno de R1, R2, R3 y R4.
Description
Membrana que comprende una mezcla de una
polisulfona o una poliétersulfona y etilendiamina sustituida con
poli(óxido de etileno)/poli(óxido de propileno).
La presente invención se refiere a una membrana
que puede utilizarse en procesos de filtración de membrana
incluyendo la microfiltración, ultrafiltración y ósmosis inversa y
que tiene una tendencia reducida a la incrustación.
Se utilizan membranas en técnicas de separación
tales como la filtración, microfiltración, ósmosis inversa, etc. y
para la recuperación de sólidos. Las membranas pueden fabricarse de
material polimérico y una clase particular de polímeros son las
polisulfonas, incluyendo las poliétersulfonas.
Las polisulfonas se han utilizado ampliamente
debido a su resistencia química y buenas propiedades físicas.
"Polisulfona" se utiliza como un nombre genérico de un tipo de
polímeros de alto peso molecular que contienen núcleos aromáticos y
grupos sulfona en la cadena principal.
Una sulfona típica se forma como el producto de
condensación de un bisfenol "A" y
dicloro-difenil-sulfona. También se
utilizan ampliamente las poliétersulfonas, polifenilsulfonas y
poliarilétersulfonas. Sin embargo, las polisulfonas tienen una
superficie que es hidrófoba y, en uso, las membranas de polisulfona
se ven sometidas a incrustación, particularmente cuando se utilizan
para filtrar líquidos que contienen componentes orgánicos tales como
material proteico. Esta incrustación da como resultado la formación
de una capa sobre la superficie de la membrana que bloquea los poros
de la membrana y produce deterioro de su funcionamiento.
Se sabe cómo tratar la superficie de membranas
hidrófobas para formar una superficie más hidrófila y se describe un
método en el documento
US-A-4.618.553. En la solicitud de
patente internacional PCT
WO-A-90/14149, se da a conocer otro
método de tratamiento de una membrana para hacerla más
hidrófila.
Sin embargo, los métodos descritos anteriormente
de modificación de membranas hidrófobas para producir una superficie
más hidrófila pueden ser relativamente complejos y costosos y están
limitados por su eficiencia.
El documento
EP-A-0407665A1 da a conocer una
membrana de poliétersulfona fabricada a partir de poliétersulfona y
otros componentes poliméricos y un método de fabricación de tales
mezclas disolviendo los componentes poliméricos en
n-metilpirrolidona (NMP), dimetilformamida (DMF) o
dimetilacetamida y mediante coprecipitación de la mezcla polimérica
mediante un proceso de inversión de fases utilizando agua.
La solicitud de patente
WO-A-96/27429 da a conocer una
membrana que comprende una mezcla de una polisulfona o
poliétersulfona y un copolímero de óxido de etileno / óxido de
propileno.
Ahora, se han concebido membranas con mezclas de
polisulfona / poliétersulfona con propiedades mejoradas y un método
de fabricación de tales membranas.
Según la invención, se proporciona una membrana
que comprende una mezcla de una polisulfona o una poliétersulfona y
una diamina sustituida con poli(óxido de etileno) / poli(óxido de
propileno) de fórmula
en la que R_{1}, R_{2}, R_{3}
y R_{4} son los mismos restos, o diferentes, de copolímero de
polioxietileno / polioxipropileno de
fórmula
(II)H ---
(OCH_{2}CH_{2})_{VI} ---
(O
\uelm{C}{\uelm{\para}{CH _{3} }}HCH_{2})_{XI} ---
o
(III)H ---
(O
\delm{C}{\delm{\para}{CH _{3} }}HCH_{2})_{X} --- (OCH_{2}CH_{2})_{Y} ---
en las que X, X1, Y e Y1 pueden ser
iguales o diferentes en cada uno de R_{1}, R_{2}, R_{3} y
R_{4}.
Preferiblemente, el compuesto (I) tiene un peso
molecular promedio en peso de 400 a 100.000, y más preferiblemente
de 1.650 a 50.000 y X, Y, X_{1}, Y_{1} se seleccionan en
consecuencia.
Los compuestos de fórmula (I) pueden prepararse
mediante la adición secuencial de óxido de propileno y óxido de
etileno a etilendiamina. Los compuestos (I) se venden con la marca
registrada "Tetronics" de BASF o como "Poloxamers" o
"Superonics" de ICI y están disponibles comercialmente.
Los compuestos (I) preferidos son aquellos en los
que R_{1}, R_{2}, R_{3} y R_{4} son de fórmula (II), es
decir, los grupos terminales son polioxietileno.
La polisulfona puede ser cualquier polisulfona
que pueda producirse en forma de una película, membrana, fibra hueca
u otra configuración que se utilice convencionalmente y las
polisulfonas preferidas son polisulfonas y poliétersulfonas
habituales.
Las polisulfonas se describen en el documento
US-A-4.230.463. Las polisulfonas que
tienen restos que contienen grupos hidrocarbonados aromáticos tienen
generalmente una buena estabilidad térmica. Las polisulfonas y
poliétersulfonas adecuadas para fabricar membranas tienen pesos
moleculares en el intervalo de 20.000 a 80.000 y se venden con los
nombres comerciales UDEL, P-1700 y
P-3500 de Amoco, ASTREL 360 Plastic de la compañía
3M y como Ultrasons tales como la polisulfona Ultrason S y la
polisulfona Ultrason E, de BASF.
La relación molar de polisulfona con respecto a
diamina sustituida con poli(óxido de etileno) / poli(óxido de
propileno) en el material absorbente es preferiblemente de desde
25:1 hasta 1:40 y más preferiblemente de desde 8:1 hasta 1:30.
Las membranas de la presente invención tienen
preferiblemente una estructura tal que las moléculas de diamina
sustituida con copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno
se concentran hacia la superficie de la membrana, de modo que las
moléculas de copolímero más hidrófilas hacen que la superficie del
material se vuelva más hidrófila con poca o sin pérdida en el
funcionamiento de la membrana.
Una parte de la molécula de copolímero de óxido
de etileno / óxido de propileno puede tener una mayor afinidad con
el polímero de polisulfona disuelto y otra parte (la parte más
hidrófila) puede tener una mayor afinidad por la fase que no es
disolvente. Mediante una variación de la diamina sustituida con
copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno, pueden variarse
las propiedades de la composición final.
Las cadenas de copolímero de óxido de etileno /
óxido de propileno tienen preferiblemente una relación de grupos de
óxido de etileno con respecto a los de óxido de propileno tal que el
copolímero es sustancialmente soluble en agua, mientras que es
compatible con la polisulfona en disolución en un disolvente.
La relación molar de grupos de óxido de etileno
con respecto a los de óxido de propileno en las cadenas laterales
del copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno es
preferiblemente de desde 1:10 hasta 10:1.
Las mezclas pueden prepararse disolviendo ambos
componentes poliméricos en un disolvente y mediante la
coprecipitación de la mezcla mediante un proceso de inversión de
fases. El disolvente para los polímeros debe ser uno que sea inerte
con respecto a los polímeros y disolverá ambos polímeros, por
ejemplo, n-metilpirrolidona, dimetilformamida,
dimetilacetamida y compuestos similares.
Las membranas de la presente invención tienen
preferiblemente un tamaño de poro con un punto de corte del peso
molecular superior a 500 y, preferiblemente, las membranas de la
presente invención tienen un tamaño de poro con un punto de corte
del peso molecular superior a 1.000 y con un tamaño de poro de hasta
1 micra (1 \mu).
De manera sorprendente, se ha descubierto que la
adición de agentes de modificación de poros a la disolución de los
polímeros puede producir membranas con un aumento del tamaño de
poro. Los agentes de modificación de poros que pueden utilizarse son
compuestos que no son disolventes tales como agua, alcoholes tales
como n-butanol, polietilenglicoles (PEG), gliceroles
y polivinilpirrolidonas (PVP).
El polietilenglicol está presente preferiblemente
en una cantidad de hasta el 80% de la disolución polimérica, la PVP
hasta el 50%, el butanol hasta el 20%, los gliceroles hasta el 20% y
el agua hasta el 15%.
Es muy sorprendente que la adición de estos
compuestos a la disolución de los polímeros no hace que la
disolución sea inestable y produce un aumento en el tamaño de poro.
Esto es particularmente cierto en el caso de polímeros tales como
PVP y PEG. Se ha encontrado también que el uso de tales aditivos
puede dar lugar a una membrana con una estructura de poros más
abiertos que se denomina estructura de poros intrincada.
El proceso que se utiliza para precipitar la
mezcla polimérica desde la disolución es la precipitación mediante
el proceso de inversión de fases a partir de la disolución de los
componentes (disolución de mezcla polimérica) utilizando un líquido
de precipitación.
Preferiblemente, el copolímero de óxido de
etileno / óxido de propileno se enriquece en la superficie de la
unión de membrana en el proceso de inversión de fases, debido a la
migración del componente soluble en agua a la interfase
coloidal.
Se cree que el copolímero de óxido de etileno /
óxido de propileno y la polisulfona coprecipitan desde el disolvente
y, que debido a la naturaleza más hidrófila de la cadena de óxido de
etileno, el copolímero migra hasta la interfase disolvente / líquido
de precipitación, enriqueciendo así la superficie de la membrana
formada. Se cree que las moléculas de copolímero de óxido de etileno
/ óxido de propileno se alinean ellas mismas con su componente
hidrófilo alineado hacia el líquido de precipitación y la parte no
hidrófila alineada hacia la matriz polimérica de polisulfona
hidrófila, enriqueciendo la superficie de la membrana para hacerla
más hidrófila.
La incorporación de la diamina sustituida con
copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno dentro de la
matriz polimérica de polisulfona se indica por el hecho de que la
diamina sustituida con copolímero de óxido de etileno / óxido de
propileno no puede eliminarse mediante un lavado repetido.
En el documento
EP-A-04076651, se describe el agua
como líquido de precipitación, pero se ha encontrado de manera
sorprendente que, si se añaden ciertos agentes al líquido de
precipitación, se producen membranas con un tamaño de poro mayor.
Los agentes de aumento de poro que pueden utilizarse son alcoholes
de bajo peso molecular tales como metanol, etanol,
polietilenglicoles, gliceroles, disolventes tales como NMP, DMF,
dimetilacetamida y similares.
La cantidad de estos agentes de aumento de poro
presentes en el líquido de precipitación puede ser de hasta el 100%
(es decir, hasta ser el único líquido de precipitación) en el caso
de los alcoholes y gliceroles y de hasta el 90% en el caso de los
polietilenglicoles y de hasta el 80% en el caso de los
disolventes.
Opcionalmente, tras la formación de la
composición que comprende la polisulfona y el copolímero de óxido de
etileno / óxido de propileno, puede reticularse el copolímero u otro
aditivo polimérico.
La reticulación puede llevarse a cabo utilizando
un agente de reticulación apropiado. Los agentes de reticulación que
pueden utilizarse son hipoclorito de sodio, isocianatos, haluros de
ácido dicarboxílico, epóxidos clorados tales como epiclorohidrina,
la reticulación también puede conseguirse mediante radiación UV, por
ejemplo, mediante el uso de iso-butironitrilo y
posterior reacción con una especie divalente adecuada. El grado de
reticulación puede controlarse mediante el tipo y la concentración
del agente de reticulación, la duración del tratamiento y la
temperatura. Cuanto más riguroso sea el tratamiento de reticulación,
mayor será el peso molecular del producto reticulado final. Tras la
reticulación, la membrana se lava preferiblemente para eliminar el
copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno en exceso sin
reaccionar. La reticulación elimina prácticamente cualquier
posibilidad de lixiviación del copolímero.
Las membranas de la invención pueden ser de tipo
convencional, por ejemplo, en forma de láminas, tubos, fibras
huecas, etc.
Es una característica de las membranas de la
invención que la hidrofilicidad de una membrana de polisulfona pueda
aumentarse de manera permanente con poco o sin efecto perjudicial
sobre su funcionamiento en la filtración. Este aumento de la
hidrofilicidad reducirá la tendencia de la membrana a la
incrustación.
Una característica adicional de las membranas de
la invención es que tienen ventajas cuando se utilizan en
microfiltración o ultrafiltración. En microfiltración y
ultrafiltración, es importante que las membranas se humedezcan antes
de su uso, es decir, que los poros que están llenos de aire se
llenen de líquido. Con las polisulfonas, esto es difícil ya que
tienen una baja hidrofilicidad y, en uso, puede suponer una difícil
humectación previa de la membrana de polisulfona con un líquido con
baja tensión superficial, por ejemplo, un alcohol, y tratan de
garantizar que la membrana esté completamente humedecida previamente
antes de que pueda utilizarse en la filtración acuosa. Las membranas
de la presente invención, debido a la naturaleza más hidrófila de la
membrana, pueden humedecerse con agua y así pueden utilizarse en
ultrafiltración y microfiltración y, en particular, las membranas de
microfiltración se humedecen instantáneamente en contacto con agua,
y tras secado repetido.
Normalmente, las membranas de microfiltración se
suministran secas y humedecidas para su uso, y es una característica
de la invención que puede producir membranas de microfiltración que
pueden secarse y someterse a un secado repetido sin el colapso de la
estructura.
Las membranas de microfiltración de la presente
invención generalmente tienen un tamaño de poro de 0,1 \mu a 1
micra y son hidrófilas.
El procedimiento de la presente invención también
puede producir membranas con una estructura "intrincada", esto
significa que las membranas tienen una estructura de tipo esponja en
lugar de una estructura con macrohuecos y que puede permitir que se
obtenga una mayor capacidad de filtración. En una estructura
intrincada, existe una interconexión de las cadenas poliméricas que
forman una matriz reticulada de células abiertas y así, las
membranas tienen un espacio hueco elevado.
Ahora se describirá la invención con referencia a
los siguientes ejemplos, en los que el ejemplo 1 es un ejemplo de
una membrana preparada mediante el procedimiento del documento
EP-A-0407 665.
Se disolvieron una poliétersulfona vendida con el
nombre comercial Ultrason E y un copolímero de óxido de etileno /
óxido de propileno de peso molecular 18.000 (Tetronic 1307) en
n-metilpirrolidona (NMP) y se agitaron hasta que se
obtuvo una disolución transparente. La disolución se formó en una
membrana de fibra hueca mediante un proceso de rotación. La
composición en peso de la disolución fue un 25% de poliétersulfona
(PES), un 20% de copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno
y un 55% de n-metilpirrolidona. Las membranas
formadas se lavaron con agua durante dos días después de su
formación.
La membrana fabricada según el ejemplo tenía un
punto de corte del peso molecular de aproximadamente 50.000. Se
ensayó para determinar sus propiedades antiincrustantes en una
prueba de filtración de leche, en la que se filtró leche a través de
la membrana y se midió el flujo de agua limpia. La membrana se
limpió lavándola con agua limpia al final de cada día y se midió el
flujo de agua limpia.
Los resultados se muestran en la figura 1. El
flujo de agua limpia inicial fue de 230
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1}. Tras cada lavado, se restableció el
flujo de agua limpia próximo a su valor original. Al final del día
cuatro, se utilizó una concentración de bajo nivel para evitar que
la leche se saliera durante el fin de semana y esto casi restableció
completamente el flujo hasta su valor original para 220
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1}. El flujo de proceso de 80
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1} se mantuvo en un nivel constante
durante la prueba, lo que indica que prácticamente no se había
producido incrustación de la membrana.
Los resultados de la figura 1 pueden compararse
con los resultados de una membrana de poliétersulfona de buena
calidad comercialmente disponible, también con un punto de corte de
aproximadamente 50.000, mostrada en la figura 2. La membrana
disponible comercialmente tenía un flujo de agua inicial superior de
500 lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1} comparado con 230
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1} para la membrana del ejemplo. Sin
embargo, el flujo del proceso inicial era mucho menor a 40
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1}, comparado con 80
lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1} para la membrana del ejemplo. Para la
membrana disponible comercialmente, la limpieza con agua no
restableció el flujo de agua hasta un nivel satisfactorio y, al día
siguiente, el flujo del proceso disminuyó más. Debido a que se había
producido incrustación, esta membrana se dejó en disolución diluida
de hipoclorito de sodio durante el fin de semana después del día
dos. Aunque esto mejoró algo el flujo de agua limpia, no estableció
el flujo hasta próximo a su valor inicial y el posterior flujo del
proceso disminuyó hasta 22 lm^{-2}h^{-1}/bar^{-1}. El lavado
con agua al final del día tres fue ineficaz en la mejora del flujo
de agua limpia, lo que muestra que en la membrana se había producido
una grave incrustación.
Claims (10)
1. Membrana de polisulfona caracterizada
porque comprende una mezcla de una polisulfona o una poliétersulfona
y una diamina sustituida con poli(óxido de etileno) / poli(óxido de
propileno) de fórmula
en la que R_{1}, R_{2}, R_{3}
y R_{4} son los mismos restos, o diferentes, de copolímero de
polioxietileno / polioxipropileno de
fórmula
(II)H ---
(OCH_{2}CH_{2})_{VI} ---
(O
\uelm{C}{\uelm{\para}{CH _{3} }}HCH_{2})_{XI} ---
o
(III)H ---
(O
\delm{C}{\delm{\para}{CH _{3} }}HCH_{2})_{X} --- (OCH_{2}CH_{2})_{Y} ---
en las que X, X1, Y e Y1 pueden ser
iguales o diferentes en cada uno de R_{1}, R_{2}, R_{3} y
R_{4}.
2. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque el compuesto (I) tiene un peso molecular
promedio en peso de 1.650 a 50.000 y X, Y, X1 e Y1 se eligen en
consecuencia.
3. Membrana según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los compuestos
(I) son aquellos en los que R_{1}, R_{2}, R_{3} y R_{4} son
de fórmula (II).
4. Membrana según la reivindicación 1 a 3,
caracterizada porque la polisulfona tiene un peso molecular
en el intervalo de 20.000 a 80.000.
5. Membrana según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la relación
molar de polisulfona con respecto a diamina sustituida con
poli(óxido de etileno) / poli(óxido de propileno) es desde 8:1 hasta
1.30.
6. Membrana según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque las cadenas de
copolímero de óxido de etileno / óxido de propileno tienen una
relación de grupos de óxido de etileno con respecto a los de óxido
de propileno tal que el copolímero es sustancialmente soluble en
agua, mientras que es compatible con la polisulfona en disolución en
un disolvente.
7. Membrana según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque tiene un tamaño
de poro de 0,1 a 1 micrómetros.
8. Método para fabricar una membrana según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende
disolver ambos componentes poliméricos en un disolvente y
coprecipitar la mezcla.
9. Método según la reivindicación 8,
caracterizado porque el disolvente para los polímeros es
n-metilpirrolidona, dimetilformamida,
dimetilacetamida.
10. Método según la reivindicación 8 ó 9,
caracterizado porque se añaden a la disolución de los
polímeros, agentes de modificación de poros seleccionados de agua,
un alcohol, un polietilenglicol (PEG), un glicerol,
polivinilpirrolidonas (PVP), n-metilpirrolidona
(NMP), dimetilformamida (DMF) o dimetilacetamida.
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