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).

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ES2241279T3 ES99918079T ES99918079T ES2241279T3 ES 2241279 T3 ES2241279 T3 ES 2241279T3 ES 99918079 T ES99918079 T ES 99918079T ES 99918079 T ES99918079 T ES 99918079T ES 2241279 T3 ES2241279 T3 ES 2241279T3
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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
1
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.
Ejemplo 1
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
2
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.
ES99918079T 1998-04-23 1999-04-23 Membrana que comprende una mezcla de una polisulfona o una polietersulfona y etilendiamina sustituida con poli(oxido de etileno)/poli(oxido de propileno). Expired - Lifetime ES2241279T3 (es)

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