ES2293325T3 - Procedimiento para producir membranas turbulres. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para producir membranas tubulares, en donde un cuerpo tubular (10) está estructurado con varios hilos (12), de tal modo que a lo largo de líneas de unión (14) de tipo alma se produce un enlace fijo al menos de una parte de los hilos (12), en donde entre las líneas de unión (14) de tipo alma al menos una parte de los hilos (12) lleva a cabo la unión transversal (16) entre las líneas de unión (14) mutuamente adyacentes, y en donde se aplica un material de membrana (18) prefijable sobre el cuerpo tubular (10), caracterizado porque las líneas de unión (14) de tipo alma forman un sistema de hilos alargados.
Description
Procedimiento para producir membranas
tubulares.
La invención se refiere a un procedimiento para
producir membranas tubulares conforme a las particularidades del
preámbulo de la reivindicación 1 así como a una membrana producida
por medio del mismo.
Mediante el documento EP 0 349 914 B1 se conoce
un procedimiento para producir cuerpos de material no tejido
tubulares a partir de una tira de un material no tejido soporte
termoplástico, que se arrolla para formar un tubo de material no
tejido helicoidal, de tal modo que los bordes longitudinales de la
tira se solapan al menos en la región arrollada del tubo de
material no tejido a lo largo de una costura de unión, en donde
para formar esta costura de unión los bordes longitudinales se
sueldan térmicamente entre sí. Mediante el arrollamiento de la tira
con relación al cuerpo de material no tejido helicoidal se produce
una barra hueca, que presenta en su extremo libre una abertura de
salida, a través de la cual puede aplicarse una solución de
recubrimiento sobre la pared interior del tubo de material no tejido
arrollado, en donde mediante el contacto que se conecta a una
solución de coagulación se forma una membrana tubular.
Las membranas tubulares con esta finalidad son
especialmente adecuadas para la ultra- o
nano-filtración, en donde las membranas con esta
finalidad configuran medios de filtrado microscópicos, cuyos poros
de paso son tan pequeños que no sólo forman una barrera para
partículas de cualquier clase y forma como impurezas, metales
pesados, etc., sino también para todos los microorganismos, por
ejemplo en forma de bacterias, parásitos y virus. La capa activa de
las membranas con esta finalidad se designa también en lenguaje
técnico como capa semipermeable. El inconveniente en las membranas
tubulares producidas de este modo estriba en que éstas se desgarran
con frecuencia al sufrir la presión del fluido a filtrar en la
región de las costuras de unión térmicas y en consecuencia
funcionan mal. Para combatir esto, aunque ya se ha propuesto en la
publicación para información de solicitud de patente alemana 2 255
989 circundar por el lado periférico exterior tubos de membrana
semi-permeables, por lo demás también estrechos y
quebradizos, con un refuerzo en forma de una estructura trenzada de
fibras, para de este modo actuar en contra de la elevada presión
interior hidráulica; sólo el procedimiento conocido con esta
finalidad es complicado y con ello caro de producir y la estructura
trenzada de fibras de refuerzo, que hace contacto directo con la
membrana semi-permeable, influye negativamente en el
comportamiento de circulación y filtración de la membrana
tubular.
Para evitar la problemática del descosido
involuntario de las costuras de unión producidas térmicamente, en
el caso de una membrana tubular arrollada helicoidal a partir de un
cuerpo fluido en forma de tira bajo la acción de la presión de
fluido aplicada, el documento DE 199 09 930 A1 propone un compuesto
tubular dotado por un trenzado de haces de fibras y/o alambres, con
preferencia en forma de un material conductor de electrones y una
capa dispuesta encima de un material conductor de iones, como
elemento de celda de combustible. En esta solución conocida se
propone entre otras, para producir una llamada celda de combustible
PEM, crear el electrodo interior tubular compuesto de fibras de
carbono y/o alambres metálicos, mediante una máquina de trenzar.
Este trenzado tubular discurre para centrarse sobre un mandril
hasta una tobera de aplicación para el recubrimiento de
catalizador, en donde el diámetro de tobera determina el grosor de
la capa de catalizador. Después de un corto tramo de secado a
través de por ejemplo cuerpos calefactores cerámicos, circula el
trenzado recubierto a través de una tobera de rendija anular, a
través de la cual la membrana conductora de iones se aplica en
forma de una solución de polímero. A este paso se conecta un tramo
de secado más largo para expulsar el disolvente. A continuación se
aplica una segunda capa de catalizador con una tobera de aplicación
y después de esto se trenza el electrodo exterior alrededor de la
capa de catalizador todavía pastosa. La consistencia pastosa de la
capa de catalizador hace posible una penetración de las madejas
trenzadas y con ello un compuesto interior entre catalizador y
electrodo. Si este compuesto tubular, al menos compuesto en parte de
un trenzado de hilos plano, se expone de forma correspondiente a
elevadas presiones de fluido, no debe descartarse que a causa de
las tensiones de tracción longitudinal y transversal que se producen
en el trenzado de hilos, los hilos se desplacen en el compuesto
unos respecto a otros, y de este modo pueden producirse efectos de
estirado indeseados, en especial también durante la producción del
trenzado antes del verdadero recubrimiento con el material de
membrana, lo que tiene como consecuencia que la membrana tubular
conocida adopte una forma, en especial se modifique en la región de
diámetro, de tal modo que se convierte en no idónea para el
posterior fin aplicativo.
Mediante el documento WO 03/076055 A se conoce
un procedimiento para producir membranas capilares reforzadas con
tejido, en especial para la ultra-filtración, en el
que un tubo flexible de tejido se recubre con una solución de
polímero y se guía a través de un baño de precipitación, en donde en
el baño de precipitación se produce una transformación de la
solución de polímero en una capa microscópica y se forma una
membrana reforzada mediante el tubo flexible de tejido. La membrana
producida con esta finalidad tiene por lo tanto una estructura a
modo de un sistema compuesto, compuesto del tubo flexible de tejido
y de la capa microscópica. En el estado de la técnica se conocen
asimismo fundamentalmente procedimientos para producir sistemas
compuestos con esta finalidad, en donde tales sistemas compuestos
incluyen, aparte de géneros de punto formados por cuerpos de apoyo
llamados "nonwoven" y trenzados ("braided") así como
tejidos ("woven"), también enlazados ("knitted",
"crocheted"). El uso de sistemas compuestos con esta finalidad
consiste en la mejora de las características mecánicas, en donde el
documento DD 228 452 A se refiere a un sistema compuesto con una
estructura en capas específico, que cumple tareas de separación de
material especiales y protege en especial la capa de membrana
polimérica aplicada, en el caso de aplicación de presión, contra
deformaciones por presión y, aún así, garantiza una evacuación del
permeato. Para esto se usa un cuerpo tubular textil, formado por un
género de punto de urdimbre a derecha-izquierda, o
un material compuesto en capas que después de rigidización química
introduce desde el lado trasero materiales de relleno, que se
lixivian de nuevo en el lado superior después de aplicar el
polímero que forma la membrana. Un género de punto de urdimbre a
derecha-izquierda con esta finalidad es también
objeto del documento US-A-5 342 434
que, recubierto de forma correspondiente, es permeable al vapor de
agua y se ha dado a conocer en el campo de las prendas de vestir
textiles con el nombre de marco "Goretex".
Un género de punto comparable para el uso de
membranas tubulares se indica también en el documento
EP-A- 1 059 114, en donde las mallas aisladas están
situadas sobre líneas de unión verticales y horizontales y están
enlazadas entre sí mediante hilos transversales. Sin embargo,
también en el caso de esta solución conocida pueden producirse los
efectos de estirado indeseados ya descritos, en especial durante la
producción del género de punto antes del verdadero recubrimiento
con el material de membrana.
Partiendo de este estado de la técnica, la
invención se ha impuesto la tarea de mejorar ulteriormente las
soluciones de procedimiento técnicas conocidas para producir
membranas tubulares, con la finalidad de que se obtengan, con una
elevada velocidad de producción y con costes inferiores, membranas
tubulares con mayor seguridad de funcionamiento que no presenten
efectos de estirado indeseados, ni durante su producción ni en el
funcionamiento posterior, con modificación de las geometrías de
membrana. Una tarea con esta finalidad es resuelta por completo
mediante un procedimiento con las particularidades de la
reivindicación 1.
Por medio de que, conforme a la parte
característica de la reivindicación 1, las líneas de unión de tipo
alma forman un sistema de hilos alargados, se obtiene un
procedimiento de producción muy económico con el que pueden
obtenerse velocidades de expulsión muy elevadas en membranas
tubulares. Con el procedimiento conforme a la invención pueden
obtenerse antes de la aplicación del material de membrana unos
cuerpos tubulares, a modo de un encordado de escalera o encordado
redondo de escalera, y con el modelo de encordado de escalera citado
puede absorberse con seguridad cualquier tipo de tensión de
tracción longitudinal que se produzcan por medio de hilos alargados
que circulan a lo largo de las líneas de unión de tipo alma. El
envolvimiento en los puntos de cruce del modelo de encordado de
escalera, es decir, en los puntos del enlace fijo entre las líneas
de unión y las llamadas uniones transversales, evita el
desplazamiento mutuo de los sistemas de hilos y se minimiza el
efecto de estirado indeseado descrito durante el recubrimiento, en
donde los capilares de filtración reforzados con tejido de este
modo resisten presiones interiores muy elevadas y fuerzas de
tracción longitudinales aplicadas mecánicamente.
Al contrario que en los cuerpos tubulares
trenzados, en los que las pistas de trenzado pueden desplazarse
unas respecto a las otras si se someten a un esfuerzo o a una carga,
a causa del envolvimiento en los puntos del enlace fijo entre
líneas de unión y uniones transversales no pueden producirse
desplazamientos, de tal modo que cualquier tipo de movimiento
longitudinal o transversal del sistema de hilos sólo está
determinado por la elasticidad propia del material de hilo usado.
Llegados a este punto se obtienen con el uso del procedimiento
conforme a la invención unas estructuras de cuerpo tubular muy
estables de forma y presión, tanto durante la producción de los
tubos de membrana como durante su posterior utilización en el campo
de la ultra- o nano-filtración de fluidos de todo
tipo, incluyendo los campos del tratamiento de agua y bebidas.
En el caso de una forma de ejecución
especialmente preferida del procedimiento conforme a la invención se
crea el cuerpo tubular configurado como encordado de escalera
mediante un dispositivo mecánico de ganchillo, en donde a cada hilo
usado se asocia su propia aguja de gancho o ganchillo. En el caso
del ganchillo se trata por principio de un procedimiento de trabajo
manual, en donde con ayuda de las agujas de gancho o ganchillo se
moldea "en el aire", es decir, sin una base formando enganches,
en donde los enganches suspendidas unas dentro de otras pueden
ensamblarse entre sí formado modelos. A través del dispositivo de
ganchillo es posible introducir hilos de apoyo o sujeción que se
extienden de forma continua a lo largo de las líneas de unión de
tipo alma, para de este modo crear una especie de armazón base para,
después, usar los otros hilos para el envolvimiento en los puntos
de cruce a lo largo de las líneas de unión así como para producir el
compuesto de hilos transversales entre las citadas líneas de
unión.
El cuerpo tubular se crea con ello con
preferencia mediante ganchillo, de tal modo que entre las uniones
transversales aisladas se configuran puntos de paso de fluidos de
elevada velocidad de circulación, en donde las líneas de unión de
tipo alma están configuradas de forma estanca a los fluidos o con
menor velocidad de circulación. En el caso de una forma de
ejecución preferida del procedimiento conforme a la invención, los
hilos citados (monofilares o multifilares) se eligen del grupo
- -
- de los materiales sintéticos como poliesteres, poliaramidas, otros polímeros; carbono, Kevlar, etc. o
- -
- de los materiales metálicos (alambres) como níquel, platino, paladio, oro, plata, aceros inoxidables, etc. o
- -
- de los materiales catalíticamente activos como rutenio, rodio, iridio, níquel, etc. o
- -
- de los otros materiales como acetato de celulosa, fibras de vidrio, polvo de grafito, carbono activo, etc. o
de mezclas y combinaciones de los
grupos anteriormente
citados.
El listado citado anteriormente deja claro que
en el sentido del procedimiento conforme a la invención el término
hilo debe entenderse en sentido amplio, y aparte de los hilos mono-
o multifilamento usuales otros elementos lineales incluyendo hilos
trenzados, alambres o componentes de tipo alma, también
estructurados como polvos.
Las uniones transversales adyacentes que se
disponen de este modo entre dos líneas de unión, forman entre sí un
ángulo de entre 10º y 70º, con preferencia aproximadamente de entre
25º y 45º, de forma especialmente preferida aproximadamente de
30º.
En el caso de otra forma de ejecución
especialmente preferida del procedimiento conforme a la invención se
recubre el cuerpo tubular con una sustancia que puede activar una
membrana, que es guiada a través de un baño de precipitación, en
donde se produce una transformación de la sustancia en una capa de
membrana microporosa.
Como materiales de membrana entran en cuestión
en especial los procedentes del grupo de los materiales sintéticos
como polietersulfon (PES), polisulfon (PSU), poliacrilnitrilo (PAN)
o polivinilidenfluoruro (PVDF).
A continuación se explica con más detalle el
procedimiento conforme a la invención con base en un ejemplo de
ejecución según el dibujo. Con ello la única figura muestra en una
representación de principio y no a escala una vista delantera
frontal, en perspectiva, sobre un corte de la membrana tubular en
una reproducción claramente simplificada.
El procedimiento conforme a la invención para
producir membranas tubulares prevé que un cuerpo tubular designado
en conjunto con 10 esté estructurado con varios hilos 12, de tal
modo que a lo largo de líneas de unión 14 de tipo alma se produzca
un enlace fijo al menos de una parte de los citados hilos 12, en
donde entre las líneas de unión 14 de tipo alma al menos una parte
de los hilos 12 lleva a cabo la unión transversal 16 entre las
líneas de unión 14 mutuamente adyacentes, y en donde se aplica un
material de membrana 18 prefijable sobre el cuerpo tubular 10. Las
líneas de unión 14 de tipo alma forman con ello una especie de
sistema de hilos alargados que configura, a través de los hilos
transversales 12 de la respectiva unión transversal 16, una especie
de encordado de escalera, en especial un encordado redondo de
escalera.
Para obtener el encordado de escalera con esta
finalidad se crea el cuerpo tubular 10 mediante un dispositivo de
ganchillo industrial, en donde a cada hilo usado se asocia su propia
aguja de gancho o ganchillo. Debido a que los dispositivos de
ganchillo mecánicos con esta finalidad pertenecen al estado de la
técnica, no se hace más referencia en este punto a la creación por
ganchillo del cuerpo tubular 10. En cualquier caso el cuerpo
tubular 10 se crea mediante el citado ganchillo, de tal modo que
entre las uniones transversales 16 aisladas en forma de hilos
transversales 12 con esta finalidad se forman puntos de paso de
fluido 20 con una elevada velocidad de circulación, en donde las
líneas de unión 14 de tipo alma se configuran, como sistema de
hilos alargados, de forma estanca a los fluidos o con una velocidad
de circulación correspondientemente menor. Para simplificar la
representación se ha representado en la figura el envolvimiento de
los hilos 12 de uniones transversales 16 con las líneas de unión 14
de tipo alma como esferas de enlace 22, en donde en realidad a
causa del procedimiento de ganchillo las esferas 22 con esta
finalidad están formadas por mallas o puntos nodales unidos entre
sí, y en donde las mallas de unión formadas presentan además, a lo
largo de las líneas de unión 14 que se transforman por lo tanto a
derecha e izquierda en los hilos 12 de las uniones transversales
16, hilos alargados 12 adicionales que aumentan adicionalmente la
estabilidad y la resistencia a la tracción longitudinal para el
cuerpo tubular 10.
Los hilos 12 usados para las uniones
transversales 16 así como para su enlace mutuo a lo largo de los
puntos 22, en la región de transición a las líneas de unión 14 de
tipo alma, se componen de hilos sintéticos multifilamento, por
ejemplo de poliester o poiliaramida, en donde aquí pueden usarse
también otros polímeros. Para aumentar la resistencia, los hilos
longitudinales se han estructurado con materiales de fibra de
carbono a lo largo de las líneas de unión 14 de tipo alma. Si por
ejemplo se desea usar la membrana tubular con esta finalidad como
elemento de celda de combustible, etc., existe la posibilidad de
estructurar una parte de los hilos con un material conductor de
electrones y otra parte de los hilos con un material conductor de
iones. Asimismo el sistema de hilos que actúa como conductor de
iones puede estar dotado de una capa catalizadora, que
adicionalmente puede dotarse de medios de hidrofugación y/o
material conductor de protones. También existe de este modo la
posibilidad de utilizar la membrana tubular descrita como membrana
bipolar de intercambio de iones, para de esta forma obtener ácido
láctico, etc. Mediante el uso de alambres metálicos como sistema de
hilos puede prefijarse también la capacidad eléctrica de potencial
de carga de la membrana tubular.
En el caso presente el cuerpo tubular 10 se
compone de ocho líneas de unión 14 así como de ocho superficies de
unión transversales 16. Sin embargo, han demostrado ser
especialmente ventajosos cuerpos tubulares 10 (no representados)
que están estructurados con seis líneas de unión 14 y seis uniones
transversales 16. La premisa mínima para estructurar un cuerpo
tubular 10 de sección transversal triangular (no representado) es
que éste se estructure con tres uniones transversales 16.
Para recubrir de aquí en adelante el cuerpo
tubular 10 producido de este modo con una sustancia que puede
activar la membrana, la misma es guiada a través de un baño de
precipitación, en donde se produce una transformación de la
sustancia en una capa de membrana microporosa. Un procedimiento con
esta finalidad se hace patente a modo de ejemplo en el documento WO
03/076055 A1, de tal modo que ya no entraremos con más detalle en
este punto. La solución conocida según la publicación WO se refiere
a un procedimiento para producir membranas capilares reforzadas con
tejido, en especial para la ultra-filtración, en las
que en cada caso se recubre un tubo flexible de tejido con una
solución de polímero y se guía a través de un baño de precipitación,
en donde en el baño de precipitación se produce una transformación
de la solución de polímero en una capa microporosa. De este modo se
forma una membrana reforzada mediante el tubo flexible de tejido.
Con ello el tubo flexible de tejido recubierto con la solución de
polímero circula por el baño de precipitación sin contacto mecánico,
desde arriba hacia abajo, y sale a través de una tobera en el lado
inferior. A través de la tobera se descarga el líquido que ejerce
una fuerza de tracción, que estabiliza el recorrido del tubo
flexible de tejido recubierto, sobre la membrana capilar que
abandona el baño de precipitación. El procedimiento de recubrimiento
con esta finalidad sólo se indica a modo de ejemplo y existen
muchos otros procedimientos de recubrimiento, incluyendo
procedimientos de baño de inmersión, que pueden usarse aquí. Como
material de membrana se elige uno del grupo de los materiales
sintéticos como polietersulfon (PES), polisulfon (PSU),
poliacrilnitrilo (PAN) o polivinilidenfluoruro (PVDF).
La membrana tubular conforme a la invención
puede producirse de forma continuada y de este modo económica, es
decir, el cuerpo tubular 10 se apronta permanentemente a través del
procedimiento de ganchillo para el procedimiento de recubrimiento a
continuación con el material de membrana 18. A causa de la
configuración del material filtrante en forma de un encordado de
escalera o encordado redondo de escalera, mediante el uso de la
técnica de ganchillo convencional, se obtiene un tubo filtrante en
el que las tensiones de tracción longitudinal que se producen
durante la filtración son absorbidas por los hilos longitudinales
circulantes a lo largo de las líneas de unión 14 de tipo alma, en
donde las tensiones sobre el perímetro a causa de los hilos 12 que
discurren transversalmente del compuesto de capas de tejido son
absorbidas con seguridad mediante las uniones transversales 16 en
forma de superficie. El envolvimiento en los puntos de cruce
(esferas 22) reduce el desplazamiento mutuo de los hilos 12, de tal
modo que se minimizan claramente efectos de trenzado indeseados
tanto en dirección longitudinal como en la dirección transversal del
cuerpo tubular 10 durante el recubrimiento con el material de
membrana y los capilares de filtración, reforzados de este modo con
tejido, resisten presiones interiores y tracciones longitudinales
muy elevadas durante la filtración. Como robustez de hilo pueden
usarse aquí hilos 12 con un diámetro de entre 20 y 200 \mum y el
número de hilos a lo largo de las líneas 14 es con preferencia de
entre tres y seis unidades.
Ensayos prácticos han demostrado que con un
dimensionamiento comparable, mediante la solución técnica elegida
como encordado redondo de escalera, pueden lograrse resistencias a
la tracción de 100 N/m^{2} con un alargamiento de rotura de entre
el 1% y el 5%, y en la prueba de presión dinámica estos tubos
resisten una presión de reventón de aproximadamente entre 30 y 60
bar sin lectura adicional, en donde se observa un acortamiento del
tubo de sólo el 1%, de tal modo que se garantiza una fijación
segura del tubo de membrana conforme a la invención, configurado
como encordado redondo de escalera, en un dispositivo de sujeción,
en especial en forma de al menos un módulo (no representado) de una
instalación de filtración conjunta.
Claims (9)
1. Procedimiento para producir membranas
tubulares, en donde un cuerpo tubular (10) está estructurado con
varios hilos (12), de tal modo que a lo largo de líneas de unión
(14) de tipo alma se produce un enlace fijo al menos de una parte
de los hilos (12), en donde entre las líneas de unión (14) de tipo
alma al menos una parte de los hilos (12) lleva a cabo la unión
transversal (16) entre las líneas de unión (14) mutuamente
adyacentes, y en donde se aplica un material de membrana (18)
prefijable sobre el cuerpo tubular (10), caracterizado porque
las líneas de unión (14) de tipo alma forman un sistema de hilos
alargados.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el cuerpo tubular (10) se crea mediante
un dispositivo de ganchillo y porque a cada hilo usado se asocia su
propia aguja de gancho o ganchillo.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el cuerpo tubular (10) se crea mediante
ganchillo, de tal modo que entre las uniones transversales (16)
aisladas se configuran puntos de paso de fluidos (20) de elevada
velocidad de circulación, y porque las líneas de unión (14) de tipo
alma están configuradas de forma estanca a los fluidos o con menor
velocidad de circulación.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los hilos
(monofilares o multifilares) se eligen del grupo
- -
- de los materiales sintéticos como poliester, poliaramida, otros polímeros; carbono, Kevlar, etc. o
- -
- de los materiales metálicos (alambres) como níquel, platino, paladio, oro, plata, acero inoxidable, o
- -
- de los materiales catalíticamente activos como rutenio, rodio, iridio, níquel, etc. o
- -
- de los otros materiales como acetato de celulosa, fibras de vidrio, polvo de grafito, carbono activo, etc. o
de mezclas y combinaciones de los
grupos anteriormente
citados.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las uniones
transversales (16) adyacentes se disponen de tal modo entre dos
líneas de unión (14), que éstas forman entre sí un ángulo de entre
10º y 70º, con preferencia aproximadamente de 30º.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el cuerpo
tubular (10) está estructurado con preferencia con seis líneas de
unión (14), entre las cuales se extienden con preferencia seis
superficies sobre uniones transversales (16), sobre los que se
aplica de forma creciente el material de membrana.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se recubre el
cuerpo tubular (10) con una sustancia que puede activar una
membrana, que es guiada a través de un baño de precipitación, en
donde se produce una transformación de la sustancia en una capa de
membrana microporosa.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque como materiales
de membrana se eligen tales del grupo de los materiales sintéticos
como polietersulfon, polisulfon, poliacrilnitrilo o
polivinilidenfluoruro.
9. Membrana tubular producida según un
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizada porque el cuerpo tubular (10) está
estructurado con varios hilos (12), de tal modo que a lo largo de
líneas de unión (14) de tipo alma que forman un sistema de hilo
alargados se dispone de un enlace fijo al menos de una parte de los
hilos (12), porque entre las líneas de unión (14) de tipo alma al
menos una parte de los hilos (12) lleva a cabo la unión transversal
(16) entre las líneas de unión (14) mutuamente adyacentes, y en
donde se aplica un material de membrana (18) prefijable sobre el
cuerpo tubular (10).
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