ES2250104T3 - Cartucho de filtro termoplastico perfluorado. - Google Patents

Abstract

Un cartucho de filtración que comprende uno o más filtros de membrana en un alojamiento, de tal modo que el filtro de membrana se ha formado a partir de una primera resina termoplástica perfluorada, y se selecciona de entre el grupo consistente en un filtro de lámina plana, un filtro de fibra enrollada, un filtro de fibra hueca, un filtro del tipo de profundidad y un filtro de elementos de disco, de modo que el alojamiento tiene una abertura de entrada y una abertura de salida, de tal manera que todo el fluido ha de pasar a través del filtro de membrana situado dentro del alojamiento, caracterizado por un cierre hermético u obturación estanca al líquido, de una segunda resina termoplástica perfluorada, situado entre el filtro de membrana y el alojamiento de manera tal, que se forma un dispositivo de filtración integral, que impide que el fluido que entra en el alojamiento se mezcle con el fluido filtrado que sale del alojamiento.

Description

Cartucho de filtro termoplástico perfluorado.

Esta invención se refiere a un cartucho de filtro que está formado de una o más resinas termoplásticas perfluoradas. Es más, esta invención se refiere a un cartucho de filtro que está formado de una o más resinas termoplásticas perfluoradas, y en el que el elemento de filtro es una membrana de lámina plana que puede estar configurada de diversos modos, o bien una pluralidad de membranas de fibra hueca o un filtro de profundidad.

Antecedentes de la invención

Los cartuchos de filtración son dispositivos bien conocidos que es utilizan en muchas aplicaciones para separar sustancias tales como partículas, microorganismos, sustancias disueltas, etc. de su fluido portador. Estos cartuchos están formados de una o más membranas de filtración, ya sea con la forma de una lámina plana, ya sea con la forma de fibras huecas, que se aseguran dentro de un alojamiento. Los cartuchos están configurados de tal modo que el fluido que se ha de filtrar se introduce a través de una abertura de entrada, pasa a través del filtro de membrana, y el fluido filtrado sale a través de una abertura de salida. En algunas configuraciones se retira una parte del fluido que entra, a través de una segunda abertura de salida, como una corriente concentrada. La(s) membrana(s) proporciona(n) una barrera semi-permeable que separa la abertura de entrada de la abertura de salida, a fin de conseguir la filtración.

Los cartuchos de filtro están compuestos de un filtro de membrana, un alojamiento en el que se coloca el filtro, y obturaciones o cierres estancos al fluido. Los filtros de membrana son estructuras porosas que tienen tamaños de poro promedio de desde aproximadamente 0,005 micras hasta aproximadamente 10 micras. Las membranas con tamaños de poro promedio de desde aproximadamente 0,002 micras hasta aproximadamente 0,05 micras se clasifican generalmente como membranas de ultra-filtración. Las membranas de ultra-filtración se utilizan para separar proteínas y otras macromoléculas de soluciones acuosas. Las membranas de ultra-filtración se clasifican por lo común en términos del tamaño del soluto que retendrán. Típicamente, pueden fabricarse membranas de ultra-filtración para retener solutos disueltos o dispersados de entre aproximadamente 1.000 Daltons y aproximadamente 1.000.000 Daltons. Pueden clasificarse por su Peso Molecular de Interrupción, que es el peso molecular, expresado en Daltons, una unidad de masa molecular, para el que un cierto porcentaje establecido de la concentración de aporte del soluto que está siendo tratado, queda retenido o es rechazado por la membrana. Los fabricantes ajustan normalmente el porcentaje establecido en entre el 90% y el 95%. Las membranas con tamaños de poro de entre 0,05 y 10 micras aproximadamente se clasifican generalmente como membranas micro-porosas. Las membranas micro-porosas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Usadas como filtros de separación, extraen las partículas y bacterias de diversas soluciones, tales como soluciones amortiguadoras o tampón y soluciones que contienen sustancias terapéuticas de la industria farmacéutica, soluciones acuosas ultra-puras y de disolventes orgánicos de procedimientos para la fabricación de obleas de microelectrónica, así como para el tratamiento previo de procesos
de purificación del agua.

Las membranas micro-porosas tienen una estructura porosa continua que se extiende a través de la membrana. Los trabajadores del sector consideran que el intervalo de anchuras de poro está comprendido entre aproximadamente 0,05 micras y aproximadamente 10,0 micras. Tales membranas pueden darse en forma de láminas, tubos o fibras huecas. Las fibras huecas presentan las ventajas de ser susceptibles de incorporarse en dispositivos de separación en densidades de empaquetamiento o compactación elevadas. La densidad de empaquetamiento hace referencia a la cantidad de superficie de filtración útil con respecto al volumen del dispositivo. Éstas pueden hacerse funcionar también de forma que el suministro entre en contacto con la superficie interna o con la externa, dependiendo de lo que resulte más ventajoso en la aplicación particular.

Las membranas de lámina plana están, típicamente, plegadas con el fin de incrementar la cantidad de membrana que puede ser empaquetada dentro de un cartucho. En los cartuchos de filtro comerciales, se coloca una capa de una malla o tela, o una lámina porosa similar, a cada lado de la membrana, de manera que actúe como un soporte y proporcione drenaje en el cartucho final. Esta disposición empareda se pliega entonces de manera conjunta. Típicamente, la lámina plegada de múltiples capas se configura como un cilindro apretado, con los extremos de la lámina juntos y con los pliegues dispuestos axialmente. Los extremos de la lámina se disponen formando un cierre hermético uno con otro por medio de fusión por calor o por otros medios. La formación de cierres herméticos por fusión térmica de láminas termoplásticas, tales como de polietileno o polipropileno, puede realizarse directamente, sin materiales añadidos. Para las láminas que no son termoplásticas, tales como el PTFE, han de utilizarse materiales de unión o ligadura añadidos. El cilindro plegado se coloca en un alojamiento de cartucho, en ocasiones con un núcleo en su diámetro interior con propósitos de soporte.

Una membrana porosa de fibra hueca es un filamento tubular que comprende un diámetro exterior y un diámetro interior, con un cierto espesor de pared porosa entre ellos. El diámetro interior define la parte hueca de la fibra y se utiliza para transportar fluido, ya sea la corriente de alimentación que ha de ser filtrada a través de la pared porosa, ya sea el fluido ya filtrado, si la filtración se realiza desde la superficie exterior. La parte interior hueca se denomina en ocasiones cavidad interior o ánima.

La superficie exterior o interior de una membrana micro-porosa de fibra hueca puede estar revestida de capa exterior o desprovista de capa exterior. Una capa exterior es una capa superficial, delgada y densa que es integral con la subestructura de la membrana. En las membranas revestidas de capa exterior, la parte principal de la resistencia al flujo a través de la membrana radica en la capa exterior delgada. En las membranas micro-porosas, la capa exterior superficial contiene poros que conducen la estructura porosa continua de la subestructura. Para las membranas micro-porosas revestidas de capa exterior, los poros representan una fracción pequeña del área superficial. Una membrana desprovista de capa exterior será porosa en la mayor parte de la superficie. La porosidad puede estar constituida por poros individuales o por zonas de porosidad. La porosidad se refiere aquí a la porosidad superficial, que se define como la relación entre el área superficial que comprenden las aberturas de los poros, y el área superficial frontal total de la membrana. Las membranas micro-porosas pueden clasificarse en simétricas y asimétricas, en relación con la uniformidad del tamaño de los poros a través del espesor de la membrana. En el caso de una fibra hueca, ésta es la pared porosa de la fibra. Las membranas simétricas presentan un tamaño de poro esencialmente uniforme a través de la sección transversal de la membrana. Las membranas asimétricas tienen una estructura en la que el tamaño de poro es una función de la posición a través de la sección transversal. Otra forma de definir la asimetría la constituye la relación entre los tamaños de poro en una de las superficies y los de la superficie opuesta.

El alojamiento es normalmente un cilindro hueco, si bien se conocen otras formas. Por facilidad en la explicación, y no para que constituyan una limitación, se exponen filtros cilíndricos, si bien los profesionales de la técnica serán capaces de emplear las enseñanzas y descripciones para otras formas. El filtro de membrana se sitúa o coloca dentro del alojamiento. El alojamiento sirve para proteger la membrana, para actuar como un recinto de contención de la presión en algunos casos, y para proporcionar accesos o puertas de entrada y de salida u otras conexiones para el flujo de fluido, de manera que entre, salga y entre en contacto con el filtro de membrana de una forma controlada.

En una filtración práctica, la corriente de entrada es aislada de la corriente de salida filtrada. La membrana del cartucho de filtro se forma y coloca dentro del cartucho de un modo tal, que tan solo una de las superficies de la membrana entra en contacto con el fluido de entrada, y la otra superficie de membrana entra en contacto únicamente con el fluido filtrado que ha pasado a través del filtro de membrana. Esto requiere una obturación o cierre hermético con el fin de impedir que la corriente de fluido se salte por derivación la membrana hasta alcanzar la corriente de salida. El cierre hermético puede tener también disposiciones que permitan salir del cartucho al fluido que pasa a través de la membrana, o que sirvan como una abertura de entrada para que el fluido que ha de ser filtrado entre en contacto con la membrana.

La fabricación de un cierre hermético útil presenta arduos problemas. El material de obturación ha de ser estable química y térmicamente para la aplicación en la que el cartucho se ha de someter a exigencias elevadas. Para aplicaciones en las que son beneficiosos los filtros de membrana perfluorada, un material de obturación con propiedades menos exigentes impediría el aprovechamiento máximo del cartucho. El material de obturación debe unirse bien al filtro de membrana; en caso contrario, pueden producirse fugas a través de la interfaz entre membrana y cierre hermético. En muchos diseños de cartucho, el cierre hermético y el alojamiento del cartucho han de ser unidos entre sí de forma estanca al líquido por las mismas razones. La unión térmica es un método que se prefiere, puesto que proporciona una unión a un nivel molecular, y no requiere materiales adicionales.

Para los cartuchos de membrana de fibra hueca, la fibra se corta o confecciona de otra manera para que tenga una longitud específica, y se reúnen o juntan un cierto número de fibras en un manojo. Una porción de uno o de ambos extremos del manojo de fibras se encapsula en un material que llena el volumen intersticial entre las fibras y forma una lámina tubular. Este procedimiento se denomina en ocasiones embebido de las fibras y el material utilizado para embeber las fibras recibe el nombre de material de embebido. La lámina tubular actúa a modo de obturación o cierre hermético en combinación con un dispositivo de filtración. Si el procedimiento de encapsulado cierra y obtura los extremos de las fibras, uno o ambos extremos del manojo de fibras embebidas se cortan a través del diámetro o se abren de otro modo. En algunos casos, los extremos de fibra abiertos se cierran y obturan antes de su encapsulado para impedir que el material de encapsulado penetre en los extremos abiertos. Si tan solo se ha de abrir uno de los extremos para permitir el flujo de fluido, el otro extremo se deja cerrado o es obturado. El dispositivo de filtración soporta el manojo de fibras embebidas y proporciona un volumen para el fluido que ha de ser filtrado y para su concentrado, ya separado del fluido que lo traspasa. Durante el uso, una corriente de fluido entra en contacto con una de las superficies y se produce la separación en la superficie o en el seno de la pared de fibra. Si se establece contacto con la superficie exterior de fibra, entonces el fluido que la traspasa y las sustancias pasan a través de la pared de fibra y son recogidos en la cavidad interior y dirigidos hacia el extremo o extremos abiertos de la fibra. En caso de que se establezca el contacto con la superficie interior de fibra, la corriente de fluido que se ha de filtrar se suministra al interior del extremo o extremos abiertos, y el fluido de traspaso y las sustancias pasan a través de la pared de fibra y son recogidos desde la superficie exterior.

El elemento de embebido se une térmicamente, en la presente invención, a la vasija o receptáculo de alojamiento con el fin de producir una estructura de extremo unitaria. La estructura de extremo unitaria comprende la parte del manojo de fibras que está englobada en un extremo embebido, el elemento de embebido y la parte de extremo del alojamiento termoplástico perfluorado, cuya superficie interna es congruente con el elemento de embebido y queda unida a éste. Al formar una estructura unitaria, se produce un cartucho más robusto, con una menor probabilidad de fugas o de otros fallos en la interfaz entre el elemento de embebido y el alojamiento. El procedimiento de embebido y de unión es una adaptación del método que se describe en la Solicitud de Patente norteamericana Nº 60/117.853, depositada el 29 de enero de 1999, cuya descripción se incorpora aquí como referen-
cia.

El filtro cilíndrico plegado se obtura de un modo análogo. Se coloca una parte de un extremo de la membrana y cualesquiera capas de soporte en una forma que contiene una resina fundida, que rodea y llena los espacios intersticiales en el seno de la membrana y de las capas de soporte, y entre ellas. La resina que contiene el extremo de filtro se enfría y recorta según se requiera. Se conocen diversos métodos a disposición de los expertos de la técnica.

Estos cartuchos son deseables por cuanto que son fáciles de instalar y de retirar, proporcionan protección a la membrana durante la instalación, el uso y el almacenamiento, y hacen posible un artículo desechable.

Los fabricantes confeccionan cartuchos de filtro a partir de diversos materiales poliméricos. Por lo común, los cartuchos se fabrican de poliolefinas, polímeros de polisulfona, poliamidas y otros materiales similares bien conocidos.

En el sector de la microelectrónica, tal como en la fabricación de semiconductores, tales materiales poliméricos comunes no pueden emplearse, puesto que las condiciones de la fabricación, a saber, los productos químicos o disolventes altamente ácidos u oxidantes que se emplean a temperaturas elevadas, tienden a disolver o debilitar la mayor parte de los materiales poliméricos comunes. Por esta razón se utilizan los polímeros fluorados, en particular el poli(tetrafluoroetileno) (PTFE), al ser más estables química y térmicamente. Los materiales de PTFE son los materiales preferidos en la elección, por cuanto que son inertes, son capaces de soportar temperaturas elevadas y tienden a presentar niveles extremadamente bajos de sustancias extraíbles. Sin embargo, los problemas de la fabricación de cartuchos con material de base de PTFE son proverbiales. Al no ser termoplásticos, se requieren parámetros de tratamiento extremos para la fabricación de PTFE en formas moldeadas complejas. Adicionalmente, los materiales de PTFE no tienden a unirse fácilmente a ningún otro material, incluidos ellos mismos.

Los fluoropolímeros pueden contarse dentro de dos clases generales: los que se fabrican a partir de monómeros de perfluorocarbono y los que se fabrican a partir de monómeros con hidrógeno, cloro o ambos, y el suficiente flúor para contribuir significativamente a las propiedades poliméricas que se obtienen. Los polímeros perfluorados incluyen poli(tetrafluoroetileno) (PTFE), poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) (FEP) y poli (tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)) (PFA). La segunda clase incluye poli(etileno-co-tetrafluoroetileno) (ETFE), poli (clorotrifluoroetileno) (CTFE) y poli(clorotrifluoroetileno-co-etileno) (ECTFE). Se incluyen a veces en la segunda clase el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el fluoruro de polivinilo (PVF).

El PTFE no es fluyente y no puede fabricarse con técnicas convencionales que requieran la manipulación de un polímero fundido. Los fabricantes han desarrollado tecnologías de proceso innovadoras, similares a los métodos metalúrgicos de polvo modificado, con el fin de utilizar este polímero. Los polímeros FEP y PFA se desarrollaron para satisfacer la necesidad de polímeros perfluorados que presentasen una estabilidad química y térmica cercana a la del PTFE, si bien tienen las ventajas de poder tratarse en estado fundido. Los fabricantes de plásticos son capaces de producir una amplia variedad de productos, tales como películas, tubería extrudida, válvulas y partes moldeadas intricadas, con PFA y FEP por medio de métodos de extrusión de alta velocidad, moldeo por inyección y moldeo por soplado. El PFA tiene también una mejor resistencia a la fluencia que el PTFE, lo que es importante para productos sometidos a cargas constantes de compresión o de tracción.

Los polímeros de la segunda clase no tienen la estabilidad química o térmica de los tipos de FEP y, en particular, de PFA. El ETFE tiene una temperatura superior de uso de aproximadamente 150ºC y es afectado por los ácidos oxidantes fuertes, las bases orgánicas y el ácido sulfónico a temperaturas elevadas. El PCTFE se hincha a temperatura ambiente por efecto de algunos éteres y ésteres, de disolventes halogenados y del tolueno. El PECTFE tiene una temperatura superior de uso de entre aproximadamente 163ºC y 177ºC, y se ve afectado por aminas calientes. El FEP tiene una temperatura superior de uso de aproximadamente 200ºC y el PFA, de aproximadamente 260ºC. Ambos se ven menos afectados por los productos químicos que los miembros de la segunda clase descrita.

Se han realizado diversos intentos de fabricar cartuchos de filtro químicamente resistentes bajo la terminología de "resinas totalmente de fluorocarbono", "totalmente de fluoropolímero" o una terminología similar. Estos cartuchos de filtro están basados en membranas de PTFE y no preconizan un cartucho totalmente de termoplástico perfluorado.

La Patente norteamericana Nº 4.588.464 se refiere a un método para producir un elemento de filtro hecho completamente de una resina de fluorocarbono, que está caracterizado por formar una lámina que comprende una membrana de filtro hecha de una resina de fluorocarbono, superpuesta sobre ambas superficies de la misma para constituir una forma plegada, doblar la lámina plegada hasta obtener una forma cilíndrica, soldar de forma estanca al líquido las partes de borde de ambas partes adyacentes de los dos lados adyacentes, efectuar una soldadura previa de los pliegues mediante el calentamiento de ambas partes de extremo de la forma en pliegues cilíndrica hasta una temperatura superior al punto de fusión del soporte de red, enfriar el filtro sometido a soldadura previa, fundir una resina termoplástica de fluorocarbono en un molde circular que tiene medios que definen una abertura central, insertar las partes de extremo del pliegue sometido a soldadura previa y enfriado, en la resina termoplástica de fluorocarbono fundida que está contenida en el molde circular, que tiene una abertura central para forzar el paso de la resina al interior de los pliegues, por lo que la parte de extremo y la resina se sueldan integralmente una con otra, y ajustar capas de fluorocarbono que tienen una forma prescrita en las partes de extremo del material de filtro que se obtiene. Esta Patente no diferencia entre los polímeros termoplásticos perfluorados y otros fluorocarburos que tienen una estabilidad química y térmica inferior. Es más, la Patente está encaminada al uso de membranas de PTFE, puesto que "la soldadura de las partes de borde de ambas partes adyacentes de los dos lados adyacentes" requiere una cinta o tira termoplástica independiente, ya que la membrana de PTFE no puede formar un cierre hermético térmicamente consigo misma, como sí podrían las membranas termoplásticas.

La Patente norteamericana Nº 5.114.508 se refiere a la misma invención que la Nº 4.588.464, sin la soldadura previa de los soportes de banda a la membrana que se ha descrito en lo anterior. Como en el documento Nº 4.588.464, esta Patente no hace distinción entre las ventajas de los polímeros termoplásticos perfluorados y otros fluorocarburos que tienen una estabilidad química y térmica inferior. Las partes de borde se sueldan con una tira independiente, lo que no sería necesario para una membrana termoplástica. No se proporciona ninguna descripción de membranas termoplásticas perfluoradas.

La Patente norteamericana Nº 4.154.688 sugiere fusionar un cilindro de membrana plegada con una tapa de extremo de PTFE, si bien afirma que esto sería difícil, y que, dado que el PTFE no es fluido ni siquiera por encima de su punto de fusión, el PTFE no serviría como agente de ligadura o unión adecuado.

La Patente norteamericana Nº 4.609.465 proporciona un aparato de filtrado para extraer partículas de fluidos destructivos o agresivos. De acuerdo con la invención, todos los componentes del aparato de filtrado se fabrican a partir de un fluoropolímero. Éstos se definen como cualquier polímero que contenga flúor, incluyendo los perfluoropolímeros, que son altamente resistentes a los efectos deterioradores de los fluidos agresivos, tales como ácidos y/o disolventes. No se preconiza ninguna ventaja que permita a un profesional escoger entre termoplásticos perfluorados y otros fluoropolímeros, tales como el PVDF, en una realización preferida de la invención. Se conoce del PVDF que es soluble en disolventes apróticos tales como la dimetilacetamida, y se hincha por efecto de otros disolventes, tales como algunos ésteres, por lo que no resulta adecuado, en consecuencia, para usos en numerosas aplicaciones que requieren resistencia a los disolventes. Es más, la invención Nº 4.609.465 requiere un anillo de obturación dispuesto cooperativamente con una tapa de extremo, de tal manera que al menos la superficie del anillo de obturación comprende un material fluoropolimérico. Tal disposición no proporcionará una obturación tan integral, bajo condiciones rigurosas, como una obturación ligada térmicamente.

Las Patentes norteamericanas Nos. 5.066.397 y 4.980.060 proporcionan elementos de filtro de fibra hueca que comprenden una pluralidad de membranas de fibra hueca porosa de una resina termoplástica, de tal manera que cada una de dichas membranas tiene dos partes de extremo, siendo al menos una de dichas partes de extremo de dichas membranas unida directamente por fusión, por su periferia, para formar un bloque terminal unificado en el que se unen entre sí de forma estanca al fluido las partes de extremo de dichas membranas de manera fundida. En el documento Nº 4.980.060, las membranas se unen por fusión a través de un medio de resina termoplástica, a fin de formar una estructura de bloque terminal unificado en el que se unen entre sí de forma estanca al fluido las partes de extremo de dichas membranas de manera fundida. Es evidente que un elemento clave de estas invenciones es la fusión de las fibras individuales en una única estructura de extremo. Incluso en el documento Nº 4.980.060, el medio de resina termoplástico constituye tan solo una pequeña fracción de la estructura de extremo, tal y como se ha descrito en la descripción. En consecuencia, la resistencia de la estructura de extremo depende de la uniformidad de la fusión de fibra con fibra, y depende de las propiedades físicas del material de fibra. Además, al fundir las membranas de fibra hueca unas con otras, la estructura de las fibras individuales puede verse comprometida, con la posibilidad de efectos perjudiciales. Los espacios existentes entre las fibras hechas de polímeros que tienen una alta viscosidad en el estado fundido, tales como los termoplásticos perfluorados, generarían burbujas durante la fusión. Dichas burbujas resultarían muy difíciles de eliminar y constituirían puntos de origen de debilidad. En consecuencia, un cartucho de filtro que tuviera las fibras individuales unidas al material de obturación de extremo presentaría una estructura más uniforme y resistente. Por otra parte, estas Patentes no acometen las muy serias dificultades que implica la fabricación de un cartucho totalmente de termoplástico perfluorado, que requiere operar a temperaturas por encima de 250ºC con polímeros de elevada viscosidad. Ciertamente, no se proporciona explicación alguna que permita a un profesional diferenciar entre la confección de elementos de filtro a partir de termoplásticos perfluorados u otros fluoropolímeros, que se consideran difíciles de fabricar, y otros termoplásticos, tales como la polisulfona y el polipropileno.

La Patente norteamericana Nº 5.154.827 describe un cartucho de filtro de polifluorocarbono micro-poroso que se sirve de una membrana confeccionada de tres o más láminas de polímero de fluorocarbono micro-poroso agregado, de tal manera que dicho polímero tiene, en el estado agregado, un diámetro de partícula individual de no más de 0,3 micras. Este procedimiento está encaminado fundamentalmente a la fabricación de membranas de PTFE. La reducción del tamaño de partícula al intervalo especificado incrementa en gran medida la dificultad del procedimiento de fabricación. En la presente invención, que se describe en esta Solicitud, las membranas están fabricadas a partir de resinas termoplásticas perfluoradas, reducidas a un tamaño de entre aproximadamente 100 y 1.000 micras, y preferiblemente, a un tamaño de aproximadamente 300 micras, por medio de procedimiento de amolado adecuado. Es más, en la presente invención es posible utilizar una única lámina de membrana.

La Patente norteamericana Nº 5.158.680 describe un separador del tipo de membrana que tiene una membrana de película porosa que consiste esencialmente en una capa de una estructura ligada de partículas de resina de politetrafluoroetileno porosa, sustancialmente desprovista de una parte confeccionada en fibrillas. La invención proporciona un método para producir una membrana porosa que comprende: formar una película que tiene una construcción o estructura hueca, o bien una estructura con forma de lámina, a partir de una dispersión de resina de politetrafluoroetileno y un polímero de formación de fibra o de película. La descripción establece que la "membrana" de la invención significa la membrana porosa que se obtiene de la película anterior al eliminar el polímero de formación de película. Tales membranas requeridas conllevan un procedimiento de fabricación más complejo y son más débiles, debido a la estructura ligada de partículas, que las que se forman a partir de métodos de inversión de fase según se describen en esta Solicitud, y están limitadas, por lo que se refiere a los polímeros que se pueden emplear, a los que se suministran en forma de dispersiones acuosas o con material de base de disolvente.

En la Patente norteamericana Nº 5.855.783, un cartucho de filtro plegado se sirve de un soporte de papel de poli(tetrafluoroetileno) para membranas de poli(tetrafluoroetileno). No se contemplan ni describen las membranas termoplásticas perfluoradas.

El presente Solicitante está al corriente de la Solicitud de Patente Europea EP 0217482 A, la cual describe un elemento de filtro confeccionado enteramente de componentes fabricados a partir de fluoropolímeros y que incluye un medio de filtro confeccionado de un material de resina de fluorocarburo no termoplástico. El elemento de filtro incluye un miembro de núcleo sobre el que se dispone un medio de filtro, cuyos bordes de extremo se unen por flujo en fusión a un par de tapas de extremo. Puede incorporarse un manguito de protección exterior con el fin de proteger el medio de filtro de posibles daños. El medio de filtro incluye una membrana de resina de fluorocarburo y una o más protecciones que pueden disponerse o no estratificadas unas con otras.

Lo que se desea es un cartucho formado de un material que tenga las mismas o similares propiedades que la resina de PTFE, pero que sea más fácil y menos caro de fabricar, y que proporcione un cartucho que sea susceptible de diversas modificaciones y diseños complejos de los que no se dispone hoy en día con los productos de PTFE. La presente invención proporciona tal dispositivo.

Sumario de la invención

En las reivindicaciones principal y subordinadas que se acompañan se exponen, respectivamente, las características esenciales y opcionales de la invención.

En una primera realización, el cartucho de filtración comprende un alojamiento que tiene un primer y un segundo extremos, un filtro de membrana que tiene dos superficies con una pared porosa entre las mismas y provisto de dos extremos dentro del alojamiento, de tal manera que el cierre hermético u obturación sirve para formar un cierre hermético con cada extremo del filtro de membrana que adopta una forma conformada, de modo que el extremo obturado de la membrana se encuentra dentro del alojamiento, en o cerca del primer extremo del alojamiento, y el cierre hermético del otro extremo del filtro de membrana está en o cerca del segundo extremo del alojamiento. La abertura de entrada y la abertura de salida permiten que un fluido que contiene una sustancia que ha de ser filtrada penetre en el alojamiento y entre en contacto con una de las superficies de la membrana, por lo que el fluido pasará a través del filtro de membrana y quedará separado de una parte de la sustancia filtrada, y el fluido que pasa a través del filtro de membrana saldrá por la abertura de salida.

En una realización adicional, el filtro de membrana de la primera realización es una membrana de lámina plana plegada.

En una segunda realización, el cartucho de filtración comprende un alojamiento con un primer y un segundo extremos, un filtro de membrana que tiene dos superficies con una pared porosa entre las mismas y provisto de dos extremos dentro del alojamiento, de tal manera que el cierre hermético u obturación sirve para formar un cierre hermético con cada extremo del filtro de membrana que adopta una forma conformada, de modo que el extremo obturado de la membrana se encuentra dentro del alojamiento, en o cerca del primer extremo del alojamiento, y el cierre hermético del otro extremo del filtro de membrana está en o cerca del segundo extremo del alojamiento. El filtro de membrana comprende una pluralidad de membranas de fibra hueca que tiene un diámetro exterior y un diámetro interior. Los diámetros interiores de las fibras se abren al flujo de fluido que pasa desde el exterior del alojamiento al interior del alojamiento a través del cierre hermético de fibras, por lo que el fluido pasará a través del filtro de membrana y quedará separado de una parte de la sustancia filtrada, y el fluido que pasa a través del filtro de membrana saldrá del alojamiento a través de la abertura de salida del alojamiento.

En una versión de la segunda realización, las fibras de ambos extremos del cartucho están abiertas al flujo de fluido.

En una tercera realización, el cartucho de filtración comprende un alojamiento con un primer y un segundo extremos, un filtro de membrana que tiene dos superficies con una pared porosa entre las mismas y provisto de dos extremos dentro del alojamiento, de tal manera que el cierre hermético u obturación sirve para formar un cierre hermético con cada extremo del filtro de membrana que adopta una forma conformada, de modo que el extremo obturado de la membrana se encuentra dentro del alojamiento, en o cerca del primer extremo del alojamiento, y el cierre hermético del otro extremo del filtro de membrana está en o cerca del segundo extremo del alojamiento. El filtro de membrana comprende una pluralidad de membranas de fibra hueca que tiene un diámetro exterior y un diámetro interior. La abertura de entrada permite que el fluido que se ha de filtrar penetre en el alojamiento y entre en contacto con el diámetro exterior de las membranas de fibra hueca. El fluido filtrado que pasa a través de las paredes de la membrana sale del alojamiento a través del diámetro interior de las membranas de fibra hueca, las cuales están abiertas al flujo de fluido a través de uno de los cierres herméticos o de ambos.

En una versión de la tercera realización, el fluido que se ha de filtrar entra en el alojamiento a través de la abertura de entrada existente en cierre hermético. Ésta podría ser u tubo o conducto que se extendiese a través del cierre hermético con perforaciones para el flujo de fluido en la longitud comprendida dentro del alojamiento, si bien no está limitada a éste.

En una cuarta realización, el filtro está formado de un filtro de profundidad enrollado.

En una realización adicional, el filtro consiste en una lámina plana conformada con la forma de una serie de discos.

En los dibujos

La Figura 1 muestra una realización de la presente invención materializada como un cartucho de filtración con una membrana plegada, visto en sección transversal.

La Figura 2 muestra una realización de la presente invención materializada como un cartucho de filtración con una membrana plegada y provista de tapas de extremo, visto en sección transversal.

La Figura 3 ilustra una realización de la presente invención materializada como un cartucho de filtración con membranas de fibra hueca, visto en sección transversal.

La Figura 4 muestra una realización de la presente invención materializada como un cartucho de filtración con un filtro de profundidad que comprende fibras arrolladas, visto en sección transversal.

La Figura 5 muestra una realización de la presente invención materializada como un cartucho de filtración que se sirve de un dispositivo de filtración de retención de pequeño volumen, visto en sección transversal.

Descripción detallada de la invención

Esta invención proporciona un cartucho de filtro de resina termoplástica perfluorada. Las ventajas de tal dispositivo son muchas. Las resinas termoplásticas perfluoradas tienen un alto grado de resistencia química y térmica, y presentan cantidades muy pequeñas de materia extraíble o desprendible, lo que hace que su uso para la filtración ultra-pura sea deseablemente ventajoso. Por último, como son termoplásticas, las membranas y los componentes pueden formarse y unirse entre sí con facilidad. En esencia, estos polímeros proporcionan todas las ventajas de las resinas de PFTE sin sus inconvenientes.

Los cartuchos de filtro están compuestos de un filtro de membrana, un alojamiento en el que se coloca el filtro, y cierres herméticos u obturaciones estancas al fluido. En la presente invención, el material de embebido o de obturación que se une a la membrana, en cualquiera que sea la forma en la que se encuentre, así como la membrana o membranas, están formados de resinas termoplásticas perfluoradas. El alojamiento está hecho, preferiblemente, de resina termoplástica perfluorada, y el resto de los elementos están formados de resinas termoplásticas perfluoradas.

En la Figura 1 se muestra una realización preferida de la presente invención para una membrana de lámina plegada. La membrana de filtro termoplástica perfluorada se fabrica según se describe en las Patentes norteamericanas Nos. 4.902.456, 4.906.377, 4.990.294 y 4.032.274. En el procedimiento habitual, la membrana se coloca entre unos soportes de tela permeable, en configuración de emparedado, y se dobla formando pliegues. Las soportes de aguas arriba y de aguas abajo procuran también el drenaje de la membrana. Soportes adecuados son telas no tejidas o tejidas, redes o mallas conformadas, tejidos de punto y láminas perforadas o bandas similares. Éstos se fabrican preferiblemente de resinas termoplásticas perfluoradas. El emparedado de membrana plegada se conforma a modo de cilindro que tiene dos extremos, de tal modo que los pliegues discurren axialmente, y los dos extremos axiales del emparedado plegado se unen entre sí mediante una combinación de calor y presión.

El alojamiento 10, que puede consistir, como en este caso, en un tubo cilíndrico, si bien pueden utilizarse otras formas y configuraciones, tiene aberturas de entrada 20 y una abertura de salida 30 provista de una membrana 40, en este caso, una membrana de lámina plana plegada 40, contenida dentro del alojamiento 10, entre la abertura de entrada 20 y la abertura de salida 30. El cartucho puede tener aberturas de salida en uno de sus extremos o en ambos. La membrana 40 es obturada de tal manera que todo el fluido que penetra por las aberturas de entrada 20 ha de pasar a través de la membrana 40 antes de alcanzar la(s) abertura(s) de salida 30. Se garantiza de esta forma la completa filtración del fluido.

En esta realización particular, la membrana de filtro plegada 40 se obtura o embebe en un cierre hermético 50 de extremo termoplástico, perfluorado y conformado. El cierre hermético 50 se forma de manera que se una de forma estanca al fluido, a las partes de extremo de pliegue de membrana, y tiene medios formados dentro de dicho cierre hermético de extremo y destinados a actuar como abertura de salida 30. El cierre hermético puede haberse formado y unido a la membrana plegada de acuerdo con las enseñanzas de la Solicitud de Patente norteamericana Nº 60/117.853, depositada el 29 de enero de 1999, cuyas enseñanzas se incorporan aquí como referencia. En este método, que supera los problemas de embebido con materiales que tienen temperaturas de fusión elevadas, el alojamiento se une al cierre hermético de extremo durante el procedimiento de embebido. Este método puede utilizarse también para embeber tan solo los extremos de membrana plegados, y el alojamiento es ajustado entonces sobre los extremos embebidos. El extremo opuesto 31 del cartucho se muestra en esta realización como un extremo cerrado, si bien podría tener también una abertura de salida 30 si así se desease.

Puede utilizarse un núcleo moldeado como un soporte interno para el cilindro de membrana plegado, o bien puede utilizarse el cilindro plegado sin dicho núcleo. El núcleo se fabrica de un termoplástico perfluorado y tiene aberturas para el flujo de fluido, tales como las aberturas de entrada 20 ó similares, de tal manera que el fluido filtrado que pasa a través del filtro puede alcanzar la abertura de salida.

En la Figura 2 se muestra una versión de esta realización en la que el cartucho 10 tiene tapas de extremo (15a y 15b) que se emplean en cada extremo del alojamiento. En esta Figura, la tapa de extremo 15a tiene medios para actuar como abertura de salida 35 para el fluido. También se muestran una junta tórica 37 y una acanaladura 36 destinadas a encajarse de forma hermética al fluido con el sistema de recuperación de fluido (no mostrado). La tapa de extremo 15b es impermeable al flujo de fluido, de tal modo que la totalidad del fluido filtrado sale por la abertura de salida 35. Si se desea utilizar cartuchos de filtro en serie, la tapa de extremo que se sitúe en la posición de la tapa de extremo 15b tendrá medios para el flujo de fluido que encajen con la tapa de extremo 15a de un cartucho dispuesto en serie, o bien se utilizará un adaptador de flujo de fluido para unir los dos cartuchos. También se muestra un núcleo de soporte interno 25. Se utilizan tapas de extremo para soportar el cilindro de filtro, ya sea en combinación con los extremos embebidos que se han expuesto anteriormente y que se muestran en la Figura 1, ya sea tanto para cerrar herméticamente u obturar los extremos de emparedado de la membrana plegada, como para soportar el cilindro. Tanto en uno como en otro caso, las tapas de extremo se unen térmicamente al alojamiento en una obturación estanca al fluido, alrededor de toda la periferia del alojamiento. En el caso de que se utilicen las tapas de extremo como el cierre hermético de emparedado de membrana plegada, la tapa será calentada de tal modo que se funda la superficie en la que ha de ser embebida la membrana, al tiempo que se mantiene la superficie opuesta sólida, mediante enfriamiento si es necesario. Una vez que se ha formado una profundidad suficiente de polímero fundido, uno de los extremos del cilindro de membrana plegada, que se mantiene dentro de un alojamiento, se sumerge en el polímero fundido y, a continuación, es enfriado para formar el cierre hermético de membrana y para unir el alojamiento a la tapa. El emparedado de membrana plegada puede extenderse en una corta longitud más allá del extremo del alojamiento, o bien puede ser de la misma longitud del alojamiento. Un procedimiento similar se lleva a cabo entonces en el otro extremo del alojamiento/cilindro de emparedado de membrana plegada.

El cierre hermético y la membrana 40 están formados de una o más resinas termoplásticas perfluoradas. Cada uno de los elementos del dispositivo está formado de una o más resinas termoplásticas perfluoradas.

La membrana puede darse también en la forma de una o más fibras huecas. Las fibras huecas termoplásticas perfluoradas, así como su método de fabricación, se preconizan en las Solicitudes de Patente norteamericana Nos. 60/117.852 y 60/117.854, depositadas el 29 de enero de 1999, y en las Patentes norteamericanas Nos. 4.902.456, 4.906.377, 4.990.294 y 5.032.274, todas las cuales se incorporan aquí en su integridad.

El alojamiento, así como la selección y disposición de la membrana dentro del alojamiento, es una cuestión de diseño que es bien conocida por parte de una persona con conocimientos ordinarios en la técnica. En el caso habitual, se cierra herméticamente o embebe de forma estanca al fluido, por al menos uno de sus extremos, un manojo compuesto por una pluralidad de membranas de fibra hueca que tienen dos extremos. El extremo o extremos embebidos se cortan perpendicularmente a la dirección de las fibras o se recortan o reducen de otro modo para abrir las fibras al flujo de fluido.

Los profesionales se sirven de diversos métodos para formar cartuchos de membrana de fibra hueca. En un caso, un manojo compuesto por una pluralidad de membranas de fibra hueca se embeberá con las fibras orientadas más o menos paralelamente al eje del alojamiento, y será embebido cada extremo del manojo. Se cortarán y abrirán uno de los extremos embebidos o ambos, dependiendo del diseño y la aplicación del cartucho. En otros casos, el manojo de fibras se confecciona con una disposición en lazo o bucle. Éste puede ser un sencillo bucle único doblado sobre sí mismo, o bien estructuras más complejas del tipo arrollado transversalmente, que se soportan por sí mismas. El bucle único se embebe por lo común por el extremo que no está conformado en bucle, si bien algunos profesionales embeberán el extremo en bucle para su estabilidad de uso. Las estructuras enrolladas pueden ser embebidas por uno de sus extremos o por ambos. En algunos casos, la estructura arrollada se corta por la mitad antes de embeberse para formar dos estructuras en bucle, cada una de las cuales se embebe por los extremos cortados.

Puede contemplarse por parte de un experto de la técnica un cartucho similar a los que se muestran en las Figuras 1 y 2, para lo que habitualmente se denomina "filtración de extremo muerto o ciego". El profesional sustituirá un manojo de fibras embebidas por el emparedado de filtro de membranas plegadas. Éste se puede utilizar, bien de tal manera que el fluido de corriente de alimentación para filtrar entra en contacto con la superficie exterior de las membranas y el fluido filtrado que se recupera de la cavidad interior de las fibras, o bien de modo que la corriente de alimentación puede ser suministrada a la cavidad interior de las membranas de fibra hueca, y el fluido filtrado recuperarse de la superficie exterior de las fibras.

Alternativamente, para un dispositivo de fibra hueca, la abertura de salida o la abertura de entrada se ha formado en el lado de la envuelta de las fibras (exterior), y la otra abertura de salida o abertura de entrada, según sea el caso, se ha formado de manera que se encuentre en comunicación con el interior o cavidad interna del manojo de fibras huecas. Un diseño de este dispositivo se muestra en la Figura 3, que ilustra una pluralidad de fibras huecas 60 confeccionadas formando un manojo y que tienen ambos extremos 65a y 65b contenidos dentro de un primer y un segundo elementos de embebido 70a y 70b. Se muestra una abertura de entrada 80a, montada en el alojamiento 90. De manera adicional, existe una abertura de salida de fluido filtrado, 100, que conecta las cavidades internas o interior de las fibras con la abertura de salida del dispositivo. Opcionalmente, puede existir una abertura de salida de desecho o de recirculación 80b, formada en el alojamiento para el fluido que no ha pasado a través de la pared de las fibras y que abandona el cartucho a través de la abertura de salida 100 de fluido filtrado.

Como se muestra en la Figura 3, los extremos del manojo, 65a y b, son obturados, respectivamente, con una primera tapa de extremo 105a y con una segunda tapa de extremo 105b. Los bloques 70a y b unifican el manojo y, en la realización que se muestra en este momento, forman el cierre hermético 110 estanco al fluido entre el alojamiento 90 y el manojo, de tal manera que el fluido que entra por la abertura de entrada 80a y quiere pasar a la abertura de salida 100 de fluido filtrado, ha de hacerlo pasando a través de la pared de la fibra hasta su cavidad interior. En otra realización que no se muestra, uno de los bloques podría ser obturado de tal manera que el fluido deba fluir siempre a través de tan solo uno de los extremos del manojo de fibras.

Se conocen bien en la técnica otras disposiciones para tales dispositivos de filtración de fibra hueca, las cuales pueden ser utilizadas por una persona a la hora de llevar a la práctica la presente invención.

La Figura 4 muestra un filtro de profundidad fabricado de acuerdo con la presente invención. En esta realización la membrana 41 se ha formado de una o más fibras, fabricadas a partir de una o más resinas termoplásticas perfluoradas que se enrollan como dos capas diferenciadas de distinta porosidad, 41a y 41b, en torno a un núcleo central 42. Los espacios existentes entre los arrollamientos de la fibra crean los poros de la membrana. Como es bien conocido dentro de la técnica, un filtro de profundidad puede consistir en una o más fibras, cada una de las cuales tiene un diámetro constante. De manera alternativa, éste puede estar hecho a partir de una fibra de diámetro constante, o de una fibra continua que tenga un diámetro que varíe a lo largo de su longitud, al objeto de lograr el efecto de variar el diámetro de la fibra. Preferiblemente, el filtro de profundidad puede estar fabricado con una o más fibras de varios diámetros, a fin de variar el tamaño de poro a través de la profundidad del filtro. Adicionalmente, puede utilizarse una serie de filtros de profundidad variable con el fin de crear una porosidad escalonada y, en consecuencia, una capacidad de filtración en el filtro de profundidad. Es más, el filtro de profundidad puede combinarse con una o más membranas de lámina plana, típicamente con la forma de un filtro plegado, sobre su superficie exterior, entre las capas de los filtros de profundidad, o bien sobre su superficie interior, a fin de mejorar la capacidad de filtración.

Con independencia de la selección de las fibras y/o combinaciones con otras fibras, el núcleo 42 del filtro se fija a la abertura de salida de tal manera que forma un cierre hermético u obturación estanca al fluido entre el núcleo 42 y la abertura de salida 43. Adicionalmente, la parte superior 44 del filtro de profundidad se obtura por medio de una tapa 45 de extremo cerrado, al objeto de formar una obturación estanca al líquido. De esta forma, el fluido ha de pasar a través de la membrana 41a y b, al interior del núcleo 42 y, a continuación, a través de la abertura de salida 43. El núcleo central 42 puede estar fijado a la abertura de salida por medio de juntas tóricas, roscas mecánicas u otros equivalentes mecánicos semejantes, o bien por medio de una unión térmica entre el núcleo 42 y la abertura de salida 43. El método de unión térmica es el preferido. Más preferiblemente, la unión térmica se logra por medio del uso de resinas termoplásticas perfluoradas tanto para el núcleo como para la tapa de extremo 45b. La unión puede producirse mediante el uso de resina adicional que forma un cierre hermético al juntar uno con otro los dos componentes, o bien, alternativamente, éstos pueden ser unidos directamente uno con otro, con el uso de medios tales como soldadura ultrasónica, calentamiento por convección y otros medios similares bien conocidos en la técnica. El filtro puede colocarse, a continuación, en un alojamiento de tal manera que la abertura de salida 43 forma un cierre hermético con la abertura de salida del alojamiento por cualesquiera medios convencionales, tales como juntas tóricas 46, tal como se muestra en el dibujo, o bien elementos de fijación o apliques roscados, ajuste de fricción o una unión química o térmica.

La Figura 5 muestra otra realización preferida de la presente invención. Esta realización y su método de fabricación se preconizan en la Patente norteamericana Nº 5.762.789, cuyas enseñanzas se incorporan aquí en su integridad. El dispositivo se ha diseñado para un dispositivo de filtración de retención de pequeño volumen. Éste tiene un alojamiento 50, una tapa de extremo 51 con una abertura de ventilación o respiradero 52, una abertura de entrada 53 y una abertura de salida 54, así como una membrana 55, formada bien de una lámina plana o como un manojo de fibras huecas (según se muestra). La abertura de entrada 53 se dirige desde la parte superior de la tapa de extremo 51 hasta la parte inferior o fondo 56 del alojamiento 50, de tal modo que el fluido que se desplaza a través de la abertura de entrada 53 pasa a continuación al seno de la membrana, que está obturada en una disposición estanca al fluido, de modo que todo el fluido procedente de la abertura de entrada 53 y que pasa a la abertura de salida 54 ha de pasar a través de la membrana 55. En una disposición alternativa, la abertura de entrada 54 está situada de tal modo que se encuentra cerca del fondo del alojamiento 50 y discurre hasta la parte superior de la tapa de extremo 51. La abertura de entrada 53 está sencillamente situada dentro de la tapa de extremo 51 y hace pasar el fluido hacia la membrana, donde éste fluye a través de la abertura de salida 54.

Con independencia de la configuración del filtro, ya utilice éste una lámina plana, una fibra hueca, un elemento de filtro del tipo de profundidad o elementos de disco, un aspecto importante es la formación de una obturación estanca al líquido entre el filtro y el cartucho, de tal modo que se forme un dispositivo de filtración integral. El problema ha venido siendo, en el pasado, el modo de conseguir esta obturación sin dañar la membrana y garantizando que el material seleccionado para la obturación es idéntico o similar a la resina de poli(TFE-co-PFAVE) utilizada para la fabricación de la membrana, y compatible con ésta.

Se ha encontrado que es posible utilizar diversos métodos para cerrar herméticamente de forma apropiada la(s) membrana(s) dentro del alojamiento y obtener una obturación estanca al fluido. En todos estos métodos se ha encontrado que se deberán utilizar una o más resinas termoplásticas perfluoradas como resina de embebido o de cierre hermético, que tengan una temperatura de fusión de pico inferior a la de la membrana. Preferiblemente, éstas tienen un punto de fusión de pico al menos 5ºC por debajo del de la membrana. Más preferiblemente, tienen un punto de fusión de pico de aproximadamente 10ºC a aproximadamente 50ºC por debajo del de la membrana. De manera adicional, se prefiere que la resina tenga también una viscosidad en estado fundido relativamente baja. Por medio del uso de este material es posible conseguir un cierre hermético integral de la membrana. El uso de una resina que tiene un punto de fusión por debajo del de la membrana permite un tiempo de contacto más largo entre la resina fundida y la membrana, a fin de lograr un cierre hermético completo de la membrana sin que se produzcan daños en la membrana o el aplastamiento de su estructura de poros adyacente al plástico fundido.

Uno de tales métodos se preconiza en la Memoria de la Patente Europea Nº EP 1148933 A. En este método, en una membrana tal como de fibras huecas, se disponen en una matriz o conjunto ordenado, tal como una estera tejida, una serie de fibras fijadas a un par de cintas paralelas pero separadas entre sí, o bien una serie de fibras individuales que se mantienen juntas por la propia resina fundida. La matriz se coloca bajo una boquilla o un par de boquillas, desde las que se dispensa la resina termoplástica perfluorada fundida sobre una o más porciones de la matriz, conforme la matriz es enrollada, bien sobre sí misma o bien sobre un mandril. Una vez que se ha ensamblado la matriz, se somete entonces a una etapa de calentamiento posterior a su formación, a una temperatura y durante un tiempo suficiente para provocar que la resina se funda y fluya entre las fibras hasta llenar todos y cada uno de los espacios de separación o huecos que pudiera haber.

Un método alternativo de obturación se preconiza en la Memoria de Patente Europea Nº EP 1148932 A. En este método se crea una balsa de resina termoplástica perfluorada fundida, y se inserta una membrana que se ha de obturar dentro de un rebaje o depresión temporal formada en la balsa fundida, y se mantiene en esa depresión hasta que se rellena la depresión con resina fundida, con lo que se obtura la membrana. La membrana puede retirarse entonces de la balsa fundida y dejarse enfriar. La resina tiene un punto de fusión por debajo del de la membrana, a fin de evitar todo daño a la membrana.

Si bien la referencia anterior preconiza el uso de este método con membranas de fibra hueca, éste puede utilizarse también con otras configuraciones de membrana, especialmente láminas planas y filtros de fibra enrollada. En la realización que se sirve de láminas planas o de filtros de fibra enrollada, tales como filtros de profundidad, es posible formar la balsa en una tapa de extremo u otra parte similar del alojamiento, siempre y cuando la tapa o el componente de alojamiento seleccionado sea de una resina termoplástica perfluorada compatible con las que forman la membrana y el material de alojamiento. Preferiblemente, se ha formado también de la misma resina termoplástica perfluorada. Tanto si está formada de la misma resina o de una resina compatible, ha de tener un punto de fusión por encima del del material de cierre hermético, de tal manera que permita la fusión del material de cierre hermético dentro de ese componente.

Uno de tales métodos para la obturación de la membrana consiste en seleccionar una resina de cierre hermético que tenga un punto de fusión por debajo del de la membrana y del de la tapa o tapas de extremo. Puede sencillamente insertarse la membrana en una de las tapas de extremo y, a continuación, hacer fluir la resina fundida al interior de la tapa al tiempo que se mantiene la temperatura por encima del punto de fusión de la resina de cierre hermético, al objeto de permitir que ésta fluya y abarque o encierre completamente la membrana dentro de la tapa, y la obture. Si se desea, el extremo opuesto de la membrana puede obturarse a continuación de forma similar dentro de una tapa independiente. De forma alternativa, es posible situar la resina dentro de la tapa y elevar la temperatura hasta un punto por encima del punto de fusión de la resina, pero por debajo del de la tapa. La membrana se inserta a continuación sencillamente en la resina de cierre hermético fundida, y se mantiene la temperatura durante un periodo de tiempo suficiente como para permitir una obturación completa de la membrana dentro de la resina contenida dentro de la tapa. En esta realización, la resina puede ser sólida cuando se coloca dentro de la tapa (por ejemplo, puede consistir en un polvo que se inserta dentro de la tapa a temperatura ambiental), y se calienta a continuación hasta un punto por encima de su punto de fusión. De manera alternativa, la resina puede calentarse por separado hasta que se funde, a continuación se calienta la tapa y la resina fundida se inserta dentro de la tapa. Una alternativa adicional consiste sencillamente en insertar el componente, tal como el alojamiento y la membrana, dentro de la balsa fundida de material de cierre hermético, con el fin de formar el cierre hermético deseado.

Por supuesto, con una membrana de lámina plana que está conformada con una forma generalmente cilíndrica, existe también a menudo la necesidad de obturar la junta de unión longitudinal entre los dos extremos adyacentes de la lámina. Esto puede llevarse a cabo también mediante el uso de una resina termoplástica perfluorada que, de nuevo, tenga un punto de fusión de pico por debajo del de la membrana. Típicamente, la membrana se enrolla, bien sobre sí misma o bien en torno a un núcleo, y los dos extremos adyacentes, bien contactan a tope uno con otro o bien se superponen uno a otro en una magnitud adecuada. En ambos casos, la resina puede ser fundida y aplicada a lo largo de los dos bordes, de tal manera que se forme un cierre hermético con los dos bordes. Alternativamente, los extremos axiales en contacto a tope o superpuestos pueden unirse térmicamente por aplicación de calor y una presión adecuados.

La formación de un filtro de profundidad hecho de resina termoplástica perfluorada puede realizarse simplemente extrudiendo una fibra de resina perfluorada fundida sobre un mandril rotativo, de tal manera que las fibras se unen entre sí cuando se cruzan unas con otras. Alternativamente, la fibra puede ser preformada y enrollada sobre un núcleo. El núcleo sobre el que se ha enrollado se calienta a continuación hasta la temperatura del punto de fusión o temperatura de transición al estado vítreo de la fibra, o a una temperatura por encima de ésta, con el fin de hacer que las fibras se unan unas con otras cuando se cruzan entre sí.

Ejemplo 1

Se utilizaron para el embebido, en este ejemplo, membranas de fibra hueca perfluorada, termoplástica y micro-porosa, hechas de resina MFA 620 de la Ausimont, de acuerdo con las enseñanzas de las Patentes norteamericanas Nos. 4.990.294 y 4.902.456. La temperatura de fusión de pico de las fibras, según se midió por calorimetría de barrido diferencial (DSC-"differential scanning calorimetry"), era 289ºC. El diámetro exterior de cada fibra era 1.000 micras y el diámetro interior era 600 micras. La porosidad era de aproximadamente el 65%. La resina de embebido que se utilizó fue una resina perfluorada termoplástica de la que se dispone en la Ausimont, bajo la denominación de resina MFA 19405/13. La temperatura de fusión de pico de esta resina era de 258ºC y su velocidad de flujo en estado fundido (MFI a 5 kg y 372ºC, según se describe en la ASTM D 2116), era de 124 g/minuto.

Se dispusieron aproximadamente 90 filamentos de las fibras anteriores, cada una con aproximadamente 15 cm de longitud, en una matriz en una matriz o conjunto ordenado en paralelo, y se unieron con cinta entre sí, cerca de ambos extremos de la fibra, con el fin de formar una estera de fibras. Se utilizó un método similar al descrito en el documento US 5.695.702 para extrudir dos corrientes fundidas de la resina de embebido anteriormente descrita, en una dirección perpendicular sobre la estera. Las corrientes estaban separadas una de otra aproximadamente 9 cm y eran, cada una de ellas, de aproximadamente 2,5 cm de anchura, con un espesor de aproximadamente 0,075 cm. La temperatura del cabezal de extrusión de corriente se estableció en 335ºC. La combinación de corrientes de resina de estera/fundidas se arrolló helicoidalmente sobre un tubo de poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno), hasta formar un manojo conformado con forma cilíndrica y provisto de un par de extremos embebidos. Se observó que la resina de embebido fundida también se unía al tubo de FEP.

Ejemplo 2

Se calentó y fundió una resina de embebido de la Ausimont, de grado 940AX, con un punto de fusión de 256ºC y un índice de flujo en estado fundido de aproximadamente 200, a 250ºC en una copa de calentamiento de aproximadamente 10,16 cm (4'') de anchura y 7,62 cm (3'') de profundidad. Después de aproximadamente 24 horas, la resina estaba completamente clara y no tenía burbujas atrapadas. Se utilizaron fibras huecas de desgasificación, de 500 micras de diámetro interior y 150 micras de espesor de pared, hechas de una concentración de material sólido de MFA 620 del 30% y HaloVac 60, para preparar los bucles de fibra sobre un bastidor de aproximadamente 30,48 cm de longitud. Los bastidores de fibra se extrajeron en Genesolv durante aproximadamente 24 horas. Los bastidores de fibra fueron recuperados y secados, y a continuación recocidos a 280ºC durante 24 horas. Los bastidores se recuperaron del horno, se enfriaron y se desenrollaron los bucles de fibra de los bastidores. Los manojos de fibras se colocaron de nuevo en el horno y se recocieron durante otras 24 horas. Los manojos de fibras se recuperaron y enfriaron. Se ensambló entonces un manojo con aproximadamente 2.000 fibras, y éstas se insertaron en un alojamiento de PFA de aproximadamente 25,4 cm (10'') de longitud, 5,08 cm (2'') de diámetro interior y un espesor de pared de aproximadamente 0,63 cm (¼''). Se trataron previamente y fundieron los extremos del alojamiento con resina en polvo MFA 904AX. Se realizó una depresión en la copa de embebido por medio de una barra. El alojamiento y el manojo de fibras se insertaron en la cavidad y se dejaron allí durante 2 días. El manojo de fibras embebido se recuperó cuidadosamente y se invirtió o dio la vuelta al alojamiento para tratar el otro extremo. Una vez que se hubieron embebido los dos extremos, el elemento de embebido se cortó para dejar al descubierto las cavidades interiores. Las superficies embebidas se pulieron a continuación con una pistola de calor, a fin de retirar cualesquiera resinas sueltas. El módulo se sometió a un ensayo de integridad con IPA. Se encontró que una de las fibras tenía un defecto. Se empleó una pistola de soldadura para reparar el módulo para enchufar ambos extremos de la fibra. El módulo se sometió de nuevo a ensayo y estaba íntegro.

Una vez que se enfriaron los extremos embebidos, el manojo se retiró y se inspeccionó. Es posible apreciar visualmente un cierto número de huecos vacíos y burbujas en el material de embebido que rodea a las fibras. La resistencia de adherencia era excelente. No se podían sacar las fibras del compuesto de embebido tirando de ellas. Siguiendo a la inspección, se eliminó por recorte el exceso de fibras y de tubos más allá de los extremos embebidos, a fin de dejarlo listo para el tratamiento de calentamiento posterior a la extrusión. Se colocó entonces uno de los extremos en un receptáculo de metal con forma de copa cilíndrica y con una profundidad y un diámetro de aproximadamente las mismas dimensiones que el extremo embebido. El receptáculo, con el extremo embebido, se ajustó entonces dentro de un recorte o vaciado practicado en un bloque de calentamiento de metal. El bloque se calentó mediante bandas de calentamiento eléctricas y su temperatura se controló de manera que fuese de 280ºC. La muestra se calentó durante aproximadamente una hora a esa temperatura. Este procedimiento de repitió para el extremo opuesto del manojo. Tras completar el tratamiento térmico posterior a la extrusión, los extremos se mecanizaron hasta que las cavidades interiores de las fibras quedaron al descubierto. Se observaron las fibras para averiguar si estaban unidas entre sí por el lado de su envuelta, por la acción de la resina de embebido, y no se observaron huecos vacíos visibles. La resistencia de adherencia era la misma que antes del tratamiento de calentamiento.

Ejemplo 3

Se llenó parcialmente un recipiente con dimensiones de 57 milímetros (mm) de diámetro y 25 mm de profundidad con 45 gramos de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)), que tiene una temperatura de fusión de 256ºC y un índice en estado fundido de 373 a 5 kg y 373ºC. El recipiente se colocó en un horno a 275ºC durante aproximadamente 24 horas, a fin de producir una balsa en estado fundido del poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)) en el recipiente. Se confeccionó un manojo de 30 fibras de membrana hecha de fibra hueca. Las fibras eran de 8 centímetros de longitud, y tenían un diámetro exterior de 850 micras y un espesor de pared de 225 micras. Las fibras se hicieron de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)), que tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 285ºC. El manojo de fibras se ató cerca de uno de los extremos con una cierta longitud de cinta de conducto de Teflon®. Las fibras se colocaron en un cilindro hueco hecho de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(propil-vinil éter)) (PFA), que tenía un diámetro interior de aproximadamente 6,4 mm. Las fibras se mantuvieron en su lugar por medio de una delgada barra roscada a través de las fibras y situada bajo la atadura de tal manera que la barra descansaba sobre el reborde del cilindro hueco. La densidad de empaquetamiento de las fibras era de aproximadamente el 60%. El recipiente con la balsa en estado fundido de material de embebido se retiró del horno y se realizó un rebaje o depresión temporal en la balsa de aproximadamente 12 mm de profundidad con una barra de Teflon® de 12,75 mm de diámetro. El cilindro hueco se colocó dentro del rebaje temporal y quedó soportado en su lugar por medio de una abrazadera. El recipiente y el cilindro hueco con el manojo de fibras se devolvieron al horno de 275ºC y se mantuvieron en él a 275ºC durante aproximadamente dos días. El recipiente y el cilindro hueco con el manojo de fibras se retiraron del horno transcurridos los dos días, y se tiró del cilindro hueco, con las fibras encapsuladas, hasta sacarlos del material de embebido fundido, para que se enfriasen y solidificasen. Se realizó un corte según el diámetro del cilindro hueco, a través del elemento de embebido, en una cierta posición por encima de los extremos en bucle de las fibras del manojo. Los extremos de fibra opuestos se obturaron utilizando un método similar al método de embebido anteriormente descrito. Con el fin de evitar que se fundiese el elemento de embebido, el recipiente con la balsa en estado fundido de material de embebido se mantuvo en un bloque de calentamiento mantenido a 275ºC, de tal manera que únicamente se calentó el extremo que estaba siendo obturado. El extremo opuesto del cilindro hueco se colocó en un rebaje o depresión temporal practicada en la balsa, y se mantuvo en su lugar mediante una abrazadera. Transcurridas aproximadamente 2 horas, se tiró del cilindro hueco, con las fibras, hasta sacarlos del material de embebido en estado fundido, y se dejaron enfriar. Se eliminó el exceso de material de embebido.

Se examinó una sección transversal del elemento de embebido bajo un microscopio óptico. Se observó que el material de embebido llenaba por completo los espacios intersticiales. El material de embebido había penetrado en los poros superficiales de la membrana, y la superficie de separación o interfaz entre las fibras y el material de embebido era clara. El manojo se sumergió en alcohol de isopropil y se aplicó aire a presión a los extremos de fibra abiertos. El elemento de fibra tenía un punto de formación de burbujas visibles de aproximadamente 3,16 kg/cm^{2} (45 libras por pulgada cuadrada), lo que indicaba un elemento integral.

Ejemplo 4

Se agruparon en un manojo y prepararon para su embebido aproximadamente 175 bucles de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro (alquil-vinil éter)), con un punto de fusión de aproximadamente 285ºC, de una forma similar a la del ejemplo 1. La densidad de empaquetamiento de las fibras era de aproximadamente el 60%. Con el fin de reducir la posibilidad de compresión de este manojo, de mayor tamaño, por el flujo del material de embebido, se empleo una rejilla de alambre para dividir el manojo de fibras en cuatro grupos aproximadamente iguales. El embebido y la obturación del extremo de fibra opuesto se llevó a cabo de forma similar al método del ejemplo 1. El ensayo del punto de formación de burbujas de alcohol de isopropilo mostró que el elemento de filtro era integral.

Si bien la presente invención se ha descrito en relación con sus realizaciones preferidas, resultarán obvias otras realizaciones, alternativas y modificaciones de la presente invención para una persona con conocimientos ordinarios de la técnica, y se pretende que las siguientes reivindicaciones incluyan dichas otras realizaciones, alternativas y modificaciones de la presente invención.

Claims (24)

1. Un cartucho de filtración que comprende uno o más filtros de membrana en un alojamiento,

de tal modo que el filtro de membrana se ha formado a partir de una primera resina termoplástica perfluorada, y se selecciona de entre el grupo consistente en un filtro de lámina plana, un filtro de fibra enrollada, un filtro de fibra hueca, un filtro del tipo de profundidad y un filtro de elementos de disco,

de modo que el alojamiento tiene una abertura de entrada y una abertura de salida, de tal manera que todo el fluido ha de pasar a través del filtro de membrana situado dentro del alojamiento,

caracterizado por un cierre hermético u obturación estanca al líquido, de una segunda resina termoplástica perfluorada, situado entre el filtro de membrana y el alojamiento de manera tal, que se forma un dispositivo de filtración integral, que impide que el fluido que entra en el alojamiento se mezcle con el fluido filtrado que sale del alojamiento.

2. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas primera y segunda resinas termoplásticas perfluoradas son la misma.

3. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho cierre hermético de resina termoplástica perfluorada tiene una temperatura de fusión de pico inferior a la de la membrana.

4. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho cierre hermético de resina termoplástica perfluorada tiene una temperatura de fusión de pico al menos 5ºC por debajo de la de la membrana.

5. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho cierre hermético de resina termoplástica tiene una temperatura de fusión de pico de entre 10ºC y aproximadamente 50ºC por debajo de la de la membrana.

6. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho cierre hermético de resina termoplástica perfluorada tiene una viscosidad en estado fundido baja.

7. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas una o más membranas son una membrana de filtración plegada, situada entre la abertura de entrada y la abertura de salida, dentro del alojamiento.

8. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas una o más membranas son una membrana de filtración compuesta de una pluralidad de fibras huecas, de tal manera que dichas fibras huecas tienen al menos uno de los extremos de las fibras embebido dentro de un bloque integral unitario.

9. Un cartucho de filtración de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dichas una o más membranas son una membrana formada por una o más fibras enrolladas alrededor de un eje, de tal modo que forman un filtro de profundidad.

10. El cartucho de acuerdo con las reivindicaciones 1, 7, 8 y 9, en el cual la resina termoplástica perfluorada se selecciona de entre el grupo consistente en poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)), poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) y mezclas de los mismos.

11. El cartucho de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual el polímero termoplástico perfluorado es poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)) y el alquilo se selecciona de entre el grupo consistente en propilo, metilo y mezclas de propilo y metilo.

12. El cartucho de acuerdo con las reivindicaciones 1, 7, 8 y 9, que comprende adicionalmente una o más tapas de extremo para el alojamiento, en el cual las tapas de extremo se han formado de resina termoplástica perfluorada.

13. El cartucho de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la membrana se da en la forma de una lámina plana, de tal modo que se ha dotado a dichas membranas de lámina plana de una forma seleccionada de entre el grupo consistente en pliegues, hélices y discos.

14. El cartucho de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la membrana se ha formado de una serie de membranas de fibra hueca que tienen al menos uno de los extremos de dichas membranas de fibra embebido en un bloque de resina termoplástica perfluorada.

15. Un filtro de cartucho de acuerdo con la reivindicación 1, de tal manera que dicho filtro de cartucho comprende una forma cilíndrica y comprende adicionalmente:

(a)

un alojamiento de polímero termoplástico perfluorado, que tiene dos extremos, los cuales tienen al menos una abertura de entrada de fluido,

(b)

una disposición de filtro de membrana de polímero termoplástico perfluorado cilíndrico, que tiene una forma generalmente anular y presenta dos extremos, de tal forma que dicho filtro de membrana está situado en dicho alojamiento para filtrar un fluido que contiene sustancias filtrables,

(c)

un cierre hermético u obturación estanca al líquido, de polímero termoplástico perfluorado, en cada extremo de dicho filtro de membrana, de tal manera que dicho cierre hermético encapsula una parte de cada uno de dichos extremos de dicho filtro de membrana,

(d)

al menos una abertura de salida, que se comunica con el centro de dicho filtro de membrana cilíndrico a través de al menos uno de dichos cierres herméticos u obturaciones estancas al líquido, a fin de recuperar el fluido filtrado por dicho filtro de membrana,

(e)

de modo que dicho cierre hermético comprende adicionalmente una junta de unión estanca al líquido, con una parte de toda la periferia de la superficie interior del alojamiento.

16. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual el filtro de membrana es una membrana plegada.

17. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual dicha membrana plegada está soportada por una tela termoplástica perfluorada.

18. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual la membrana es una membrana micro-porosa.

19. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual la membrana es una membrana de ultra-filtración.

20. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual se ha unido de forma estanca al líquido una tapa de extremo en cada uno de los extremos del alojamiento.

21. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 20, en el cual las tapas de extremo y el alojamiento forman una estructura de extremo unitaria.

22. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 15, en el cual dicho polímero termoplástico perfluorado se selecciona del grupo consistente en poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)), poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) y mezclas de los mismos.

23. El cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 22, en el cual el alquilo de dicho poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquil-vinil éter)) se selecciona de entre el grupo consistente en propilo, metilo y mezclas de metilo y propilo.

24. Un cartucho de filtro de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

(a)

un alojamiento de polímero termoplástico perfluorado que tiene dos extremos, los cuales tienen una abertura de entrada y una abertura de salida, y presentan una superficie interior y una superficie exterior,

(b)

un manojo de una pluralidad de membranas de fibra hueca termoplástica perfluorada, que tienen un primer extremo y un segundo extremo, de tal manera que dichas membranas tienen una superficie exterior y una superficie interior, comprendiendo dicha superficie interior un ánima o cavidad interna,

(c)

de modo que al menos uno de dichos extremos de dicho manojo está embebido en un cierre hermético termoplástico perfluorado estanco al líquido, en el que cada fibra de dicha pluralidad está obturada independientemente, y al menos uno de dichos extremos de fibra del manojo está abierto al flujo de fluido,

(d)

comprendiendo adicionalmente dicho cierre hermético una junta de unión estanca al líquido, con una parte de la totalidad de la periferia de la superficie interior del alojamiento.