ES2318058T3 - Membrana de separacion. - Google Patents
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Abstract
Membrana de separación, que comprende una película funcional para la separación y un soporte poroso hecho de un material textil tejido, material textil no tejido o red con una superficie posterior rugosa, en la que el soporte poroso presenta una región de la superficie posterior cuya densidad es inferior a la de una región de la superficie anterior, la superficie posterior del soporte poroso presenta una lisura que se determina según la norma JIS P8119 comprendida entre 1 y 20 s, la película funcional se dispone sobre una superficie anterior del soporte poroso y se extiende hacia el interior del soporte poroso, y en la que la región que se extiende desde la superficie posterior del soporte poroso hasta una profundidad igual al 50% de grosor total presenta una densidad media comprendida entre el 5% y el 90% de la correspondiente una región que se extiende desde la superficie anterior del soporte poroso hasta una profundidad igual al 50% del grosor total.
Description
Membrana de separación.
La presente invención se refiere a una membrana
de separación que incluye un soporte poroso y una película
funcional para la separación, estando colocada la película funcional
sólo sobre una cara del soporte poroso. La membrana de separación
de la presente invención se utiliza para la separación por
nanofiltración o la separación por ósmosis inversa.
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Habitualmente, las membranas de separación
utilizadas para la separación por nanofiltración o la separación
por ósmosis inversa se preparan aplicando soluciones formadoras de
películas sobre soportes porosos.
Dichas membranas de separación se clasifican en
dos tipos: uno que incluye un soporte poroso y una película
funcional colocada sólo sobre una cara del soporte poroso, y otro
que incluye un soporte poroso y películas funcionales colocadas en
ambas caras del soporte poroso. Ambos tipos de membranas de
separación presentan ventajas y desventajas. En general, el primer
tipo presenta la desventaja de que la película funcional puede
desprenderse debido a que la adherencia entre la película funcional
y el soporte poroso es débil, mientras que el segundo tipo presenta
la desventaja de que el rendimiento de separación/eliminación es
bajo cuando se utiliza en forma de un elemento o de un módulo,
debido a que el grosor es grande. En los últimos años, ha surgido
la necesidad de incrementar el área de la membrana de los módulos
que incluyen dichas membranas de separación. Dado que el área de
membrana por volumen aumenta de forma inversamente proporcional al
grosor de las membranas de separación, el primer tipo de membrana
de separación, que puede presentar un grosor reducido, se ha
convertido en el tipo dominante.
En la membrana de separación que incluye una
película funcional sólo sobre una cara del soporte poroso, la
adherencia entre la película funcional y el soporte poroso pueden
mejorarse permitiendo que la solución formadora de películas permee
suficientemente al soporte poroso. No obstante, cuando se deja
permear una cantidad excesiva de la solución formadora de películas
sobre soporte poroso, la solución formadora de película alcanza la
cara posterior del soporte poroso. La solución formadora de
películas presente sobre la cara posterior ensucia un aparato de
formación de películas y, por consiguiente, causa los siguientes
problemas: se forman defectos en una subsiguiente membrana de
separación y/o se deteriora la superficie de la membrana de
separación adyacente durante su bobinado.
La publicación de solicitud de Patente examinada
japonesa nº 4-21526 da a conocer una técnica para
resolver los problemas anteriores, es decir, una técnica en la que
la solución formadora de películas se aplica sobre un soporte
poroso que presenta una estructura bicapa consistente en una capa
anterior rugosa y una capa posterior densa. En esta técnica, la
adherencia entre la película funcional y el soporte poroso se
mejora, permitiendo que la solución permee suficientemente la capa
anterior y la capa posterior densa impide que la solución alcance
la superficie posterior del soporte poroso.
No obstante, en la técnica, el soporte poroso
presenta un gran grosor; por consiguiente, no se puede preparar una
membrana de separación con un pequeño grosor, si bien recientemente
ha surgido la necesidad de una membrana de separación de este
estilo.
La Patente JP59120211 da a conocer una membrana
compuesta que comprende una película de polímero soportada sobre un
soporte de polisulfona.
En el documento M. Mulder, Basic Principles of
Membrane Technology (Principios básicos de la tecnología de
membranas), Kluwer, 1990, Dordrecht, se da a conocer una membrana
compuesta que comprende una capa superior, una capa porosa y una
capa no tejida.
Las Patentes JP61015705, JP2001157825,
JP10225626, JP09313905 y DE3628187 dan a conocer películas
funcionales soportadas sobre materiales no tejidos, materiales
tejidos y redes.
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Constituye un objetivo de la presente inversión
dar a conocer una membrana de separación en la que se puede impedir
que una solución formadora de películas alcance la superficie
posterior de un soporte poroso durante una etapa de formación de
una película, la adherencia entre la película funcional para la
separación y el soporte poroso es elevada, y el grosor es
pequeño.
A fin de conseguir este objetivo, la membrana de
separación incluye una película funcional para la separación y un
soporte poroso, según la reivindicación 1.
En la membrana de separación, la superficie
posterior del soporte poroso presenta preferentemente un gran
número de muescas, y la película funcional se extiende
preferentemente hasta las muescas de la superficie posterior del
soporte poroso y está unida a las muescas.
La presente invención da a conocer un elemento
de membrana de separación que incluye la membrana de separación, un
conducto de los permeados, un separador de alimentación y un tubo
central para los permeados, estando la membrana de separación
enrollada en espiral sobre el tubo central para los permeados junto
con el conducto de los permeados y el separador de alimentación.
Además, la presente invención da a conocer un módulo de membrana de
separación que incluye el elemento de membrana de separación y un
recipiente a presión, estando colocado el elemento en el
recipiente.
La figura 1 es una vista en sección, que muestra
una membrana de separación no según la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección, que muestra
una membrana de separación no según la presente invención.
La figura 3 es una vista en sección, que muestra
una membrana de separación según la presente invención.
La figura 4 es una vista en perspectiva, con las
piezas parcialmente desmontadas, que muestra un elemento de
membrana de separación que incluye una membrana de separación según
la presente invención.
La figura 5 es una fotografía que muestra una
sección transversal de un ejemplo de material textil no tejido para
la preparación de un soporte poroso de una membrana de separación
según la presente invención.
La figura 6 es una fotografía que muestra una
sección transversal de un ejemplo de material textil no tejido para
la preparación de un soporte poroso de una membrana de separación
conocida.
A continuación se describirán las realizaciones
de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos
adjuntos. La figura 3 es una vista en sección, que muestra una
membrana de separación según la presente invención. La figura 5 es
una fotografía que muestra una sección transversal de un ejemplo de
material textil no tejido para la preparación de un soporte poroso
de una membrana de separación según la presente invención. La figura
6 es una fotografía que muestra una sección transversal de un
ejemplo de material textil no tejido para la preparación de un
soporte poroso de una membrana de separación conocida. La figura 4
es una vista en perspectiva, con las piezas parcialmente
desmontadas, que muestra un elemento de membrana de separación que
incluye una membrana de separación según la presente invención.
Una membrana de separación de la presente
invención incluye una película funcional para la separación y un
soporte poroso, y la película funcional se coloca sobre el soporte
poroso y se extiende hacia el interior del soporte poroso. La
membrana de separación se utiliza preferentemente, por ejemplo, para
la separación por ósmosis inversa o la separación por
nanofiltración.
El soporte poroso está fabricado de un material
poroso que no presenta función de separación y cuya función
consiste en mejorar la resistencia de la membrana de separación. La
película funcional presenta una función de separación, y entre los
ejemplos de la misma se incluye una película asimétrica y una
película compuesta.
Como ejemplos del soporte poroso se incluyen un
material textil tejido, un material textil no tejido, y una red,
hechos de poliéster, polipropileno, polietileno o poliamida, y el
material textil no tejido es preferente, debido a sus propiedades
formadoras de película y al coste de fabricación. El material textil
no tejido se puede fabricar, por ejemplo, mediante el siguiente
procedimiento: las fibras principales y las fibras aglutinantes
dispersas en agua se filtran, por ejemplo, mediante una máquina de
papel cilíndrica o una máquina de papel Fourdrinier, y las fibras
obtenidas se secan en un secador. Para eliminar las fibras sueltas o
mejorar las propiedades mecánicas, preferentemente el material
textil no tejido se procesa mediante un tratamiento térmico a alta
presión, de forma que el material textil no tejido se sitúa entre
dos rodillos.
La película asimétrica es un tipo de película
funcional, hecha de un único material, para la separación. La
película asimétrica se prepara dejando que la solución para la
formación de la película funcional se extienda sobre el soporte
poroso formando una capa. Como ejemplos de material para la
formación de la película funcional se incluyen poliacrilonitrilo,
polisulfona, polietersulfona, sulfona de polifenileno, sulfona de
sulfuro de polifenileno, fluoruro de polivinilideno, acetato de
celulosa, polietileno y polipropileno.
La película compuesta es un tipo de película
funcional, que incluye una lámina de soporte microporosa y una capa
que es sustancialmente responsable de realizar la separación de la
membrana. La película compuesta se prepara mediante el siguiente
procedimiento: la lámina de soporte microporosa se dispone sobre un
soporte poroso y, seguidamente, la capa que es sustancialmente
responsable de realizar la separación de la membrana se forma sobre
la lámina de soporte microporosa. Como ejemplos de material para la
formación de la lámina de soporte microporosa se incluyen
polisulfona, polietersulfona, sulfona de sulfuro de polifenileno,
sulfona de polifenileno, óxido de polifenileno, sulfuro de
polifenileno, poliacrilonitrilo, poliamida, poliéster y poliimida.
Como ejemplos de la capa que es sustancialmente responsable de
realizar la separación de la membrana se incluye una membrana
semipermeable que contiene poliamida, poliimida o acetato de
celulosa. Se pueden utilizar diversos materiales para formar la
lámina de soporte microporosa o la capa que es sustancialmente
responsable de realizar la separación de la membrana, y se pueden
utilizar diversos procedimientos para formar la lámina de soporte
microporosa o la capa que es sustancialmente responsable de realizar
la separación de la membrana.
La figura 1 muestra un ejemplo de una membrana
de separación no según la presente invención. La membrana de
separación (1) incluye una película funcional (1a) para la
separación y un soporte poroso (2), y la película funcional (1a) se
coloca sobre una superficie anterior (2a) del soporte poroso (2) y
se extiende hacia el interior del soporte poroso (2). La membrana
de separación (1) se prepara mediante el siguiente procedimiento:
se aplica sobre la superficie anterior (2a) de un soporte poroso (2)
una solución para formar la película funcional y, seguidamente, la
solución aplicada se solidifica.
En el procedimiento anterior, se deja que la
solución fluya a través de los orificios (2e) del soporte poroso
(2) de forma que se difunda en el soporte poroso (2), tras lo que se
solidifica. Por consiguiente, la película funcional (1a) se
extiende sobre soporte poroso (2), por lo que la adherencia entre la
película funcional (1a) y el soporte poroso (2) es elevada. Cuando
la cantidad de la solución que permea en el soporte poroso (2) es
pequeña, la adherencia entre la película funcional (1a) y el soporte
poroso (2) es baja, por lo que la película funcional (1a) puede
desprenderse. Por el contrario, cuando la cantidad de la solución
que permea en el soporte poroso (2) es grande, la adherencia entre
ellos es elevada. No obstante, cuando la cantidad de la solución
que permea en el soporte poroso (2) es excesivamente grande, la
solución alcanza la superficie posterior (2b). Por consiguiente, la
solución ensucia el aparato de formación de películas y provoca
defectos en una membrana de separación preparada posteriormente.
Además, la solución que ha alcanzado la superficie posterior y se
ha solidificado provoca daños sobre una superficie de una membrana
de separación adyacente y/o provoca defectos en la misma cuando la
membrana de separación se bobina o se enrolla en forma de espiral.
En particular, cuando el grosor del soporte poroso se reduce para
preparar una membrana de separación delgada, es probable que
aparezcan estos problemas.
En la presente invención, el soporte poroso (2)
es uno que presenta una superficie posterior rugosa. Como ejemplos
de dicho soporte poroso con una superficie posterior rugosa se
incluye la superficie posterior (2b), que presenta un gran número
de muescas (2d), según se muestra en la figura 1.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, la
superficie posterior (2b) del soporte poroso (2) presenta un gran
número de muescas (2d) dispuestas de una forma distribuida, y la
película funcional (1a) se extiende hasta las muescas (2d) de la
superficie posterior (2b) del soporte poroso (2) y está unida a las
muescas (2d). La frase "la película funcional se extiende hasta
las muescas de la superficie posterior del soporte poroso y está
unida a las muescas" se refiere a una situación en la que la
solución ha alcanzado las muescas (2d), pero no ha alcanzado las
protuberancias (2c) y, entonces, se ha solidificado, quedando
dispuestas las protuberancias (2c) como las partes más
sobresalientes de la superficie posterior.
La solución aplicada sobre la superficie
anterior se deja fluir a través de los orificios (2e) del soporte
poroso (2) hasta alcanzar las muescas (2d) de la superficie
posterior (2b), tras lo que se solidifica. Dado que la solución que
ha alcanzado las muescas (2d) se extiende en la dirección
horizontal, según se muestra en la figura 1, la solución apenas
llega hasta las protuberancias (2c).
Las partes de la solución solidificada en las
muescas (2d) quedan rebajadas con respecto a las protuberancias
(2c) del soporte poroso (2). Así pues, se evita que la solución
solidificada en la superficie posterior cause defectos en la
membrana de separación. La solución solidificada en las muescas (2d)
forma anclas (1b), que se acoplan a las muescas (2d). De esta
forma, la adherencia entre el soporte poroso (2) y la película
funcional (1a) es elevada.
La figura 2 muestra otra realización no según la
presente invención. Un soporte poroso, con una superficie posterior
rugosa, puede presentar una superficie anterior con muescas, según
se muestra en la figura 2. Cuando tanto la superficie anterior como
la posterior presentan las muescas, el soporte poroso tiene baja
resistencia, lo que se traduce en una disminución de la resistencia
de una membrana de separación. Así pues, la superficie anterior del
soporte poroso es preferentemente lisa.
La figura 3 ilustra otro ejemplo de un soporte
poroso que presenta una superficie posterior rugosa, que no incluye
muescas reconocibles. Una región de la superficie posterior posee
una densidad inferior a la de una región de la superficie anterior.
En dicho ejemplo, se puede obtener la misma ventaja que en el caso
del soporte poroso que presenta las muescas.
La solución aplicada sobre la superficie
anterior del soporte poroso (2) se deja fluir a través de los
orificios (2e) hasta alcanzar una capa (2f) (denominada en lo
sucesivo capa gruesa), situada en la superficie posterior, que
presenta baja densidad, tras lo que se solidifica. Dado que la
solución que ha alcanzado la capa gruesa (2f) se extiende en la
dirección horizontal, según se muestra en la figura 3, la solución
apenas llega hasta la superficie posterior (2b). Así pues, se evita
que la solución que ha alcanzado la superficie posterior y después
se ha solidificado cause defectos en la membrana de separación.
La solución solidificada en la capa gruesa (2f)
forma anclas (1b), que se acoplan a la capa gruesa (2f). De esta
forma, la adherencia entre el soporte poroso (2) y la película
funcional (1a) es elevada.
En la presente invención, es crítico que una
región (denominada en lo sucesivo región posterior) que se extiende
desde la superficie posterior del soporte poroso hasta una
profundidad igual al 50% de grosor total, tenga una densidad media
comprendida entre el 5% y el 90% de la correspondiente a una región
(denominada en lo sucesivo región anterior) que se extiende desde
la superficie anterior del soporte poroso hasta una profundidad
igual al 50% de grosor total. Dado que la región posterior presenta
una densidad media inferior o igual al 90% de la de la región
anterior, se puede impedir que la solución que ha alcanzado la
superficie posterior, y que después se ha solidificado, provoque
defectos en la membrana de separación. La región posterior presenta,
preferentemente, una densidad media inferior o igual al 80% de la
de la región anterior, y más preferentemente, 70% o menor. Dado que
la región posterior presenta una densidad media mayor o igual al 5%
de la de la región anterior, la membrana de separación posee una
elevada resistencia. La región posterior presenta, preferentemente,
una densidad media superior o igual al 15% de la de la región
anterior, y más preferentemente, 30% o más.
La densidad media se define en el presente
documento como el porcentaje de área transversal del el soporte
poroso en el área de una sección de medición, cuando soporte poroso
se corta de forma perpendicular a la superficie, determinándose el
área transversal mediante una fotografía ampliada de un corte
transversal tomada utilizando un microscopio óptico. Es decir, la
densidad media se define como un valor obtenido de dividir el área
transversal del soporte poroso entre el área de la sección de
medición. A continuación se describirá con detalle un procedimiento
para la determinación de la densidad media.
La película funcional se extiende
preferentemente hasta la región que se extiende desde la superficie
posterior del soporte poroso hasta una profundidad igual al 50% de
grosor total, es decir, la región posterior. La frase "la
película funcional se extiende hasta la región posterior" se
refiere a una situación en la que la solución ha alcanzado la
región posterior, pero no ha alcanzado la superficie posterior (2b),
y se ha solidificado. Dado que la película funcional se extiende
hasta la región posterior, la adherencia entre el soporte poroso
(2) y la película funcional (1a) es elevada.
En la presente invención, se utiliza un soporte
poroso que presenta una superficie posterior rugosa. Un
procedimiento para la preparación del soporte poroso no se
encuentra particularmente limitado, y el soporte poroso se procesa
preferentemente mediante un tratamiento térmico a alta presión.
Cuando se utiliza material textil no tejido, la superficie
posterior de una lámina del material textil no tejido se convierte
en rugosa mediante el tratamiento térmico a alta presión durante la
producción del material textil no tejido, en vistas de la
productividad y del coste de fabricación.
Como ejemplos del tratamiento térmico a alta
presión se incluyen el grabado y el calandrado. Cuando se utiliza
el calandrado, la lisura del soporte poroso se puede controlar
ajustando la temperatura de la superficie de los rodillos entre los
que se sitúa el soporte poroso, la fuerza de presión de los rodillos
y la velocidad de transferencia del soporte poroso, es decir, el
tiempo de prensado. Las superficies del soporte poroso son lisas
cuando la temperatura superficial de los rodillos es elevada y el
tiempo de contacto entre el soporte poroso y los rodillos es largo.
Las superficies del soporte poroso son rugosas cuando la temperatura
superficial es baja y el tiempo de contacto es corto. Es decir, el
soporte poroso con propiedades preferentes se puede obtener
consiguiendo que la temperatura de uno de los rodillos en contacto
con la superficie posterior del soporte poroso sea inferior a la
del otro rodillo en contacto con la superficie anterior del soporte
poroso, o que el tiempo de contacto entre la superficie posterior
del soporte poroso y uno de los rodillos sea inferior al tiempo de
contacto entre la superficie anterior del soporte poroso y el otro
rodillo. Cuando se utiliza el grabado, el soporte poroso con
propiedades preferentes se puede obtener presionando un rodillo con
irregularidades contra la superficie posterior del soporte
poroso.
Preferentemente, el soporte poroso tiene un
grosor comprendido entre 40 \mum y 150 \mum. Cuando grosor es
inferior a 40 \mum, la membrana de separación posee una baja
resistencia. Por el contrario, cuando grosor es superior a 150
\mum, no se puede reducir grosor de la membrana de separación. Más
preferentemente, el soporte poroso tiene un grosor comprendido
entre 40 \mum y 80 \mum.
La superficie posterior del soporte poroso
presenta preferentemente una lisura comprendida entre 1 y 20 s,
determinándose la lisura mediante la norma JIS P8119. A fin de
incrementar la profundidad de las muescas de la superficie
posterior del soporte poroso, y a fin de que la solución no alcance
las protuberancias (2c) y se solidifique completamente en las
muestras (2d), la lisura es preferentemente de 20 s ó inferior, más
preferentemente de 15 s ó inferior, y más preferentemente de 10 s ó
inferior. Por el contrario, cuando el soporte poroso presenta una
lisura extremadamente pequeña, el grosor puede ser grande y las
irregularidades de la superficie posterior pueden provocar, en
algunos casos, daños sobre una superficie de una membrana de
separación adyacente, cuando la membrana de separación se bobina o
se enrolla en forma de espiral. Por consiguiente, la lisura es
preferentemente de 1 s o más, más preferentemente de 3 s o más, y
más preferentemente de 5 s o más.
La membrana de separación descrita anteriormente
se dobla en dos partes y se coloca un conducto de los permeados
(102) entre las partes de la misma, formándose de este modo una
membrana de tipo sobre (104), según se muestra en la figura 4. La
membrana de tipo sobre (104) resultante se enrolla en espiral sobre
un tubo central para los permeados (105) junto con un separador de
alimentación (106). La membrana de tipo sobre (104) resultante se
utiliza como componente de un elemento de membrana de separación
(100). A fin de mejorar la estabilidad de forma durante la
utilización de las mismas, se colocan placas terminales (110) en los
extremos correspondientes del sustrato aislante (100) visto en
dirección axial, y se coloca una capa de enrollamiento de filamentos
(112) sobre una sección exterior de la misma.
En el elemento de membrana de separación, se
hace fluir un líquido de alimentación (107) por uno de los extremos
dispuestos en la dirección axial, que después permea a través de la
membrana de separación (1), al tiempo que fluye a través de los
canales que se extienden por el separador de alimentación. El
líquido que permea a través del mismo fluye a través de los canales
se extienden por el conducto de los permeados (102), se recoge en
el tubo central para los permeados y, posteriormente, se desecha por
el otro extremo. El líquido resultante se denomina líquido permeado
(109). El resto del líquido de alimentación (107), que no permea a
través de la membrana de separación (1), se desecha, y el líquido
resultante se denomina líquido concentrado (108). El elemento de
membrana de separación se coloca en un recipiente a presión, y ambos
forman un módulo de membrana de separación de líquidos.
Las características especificadas en el presente
documento se determinaron siguiendo los procedimientos descritos a
continuación.
La medición se realizó según la norma JIS P8118,
según se describe a continuación. Se utilizó un micrómetro que
incluye dos caras de presión circulares y paralelas: una de ellas es
una cara de presión fija con un diámetro de 16,0 mm o más, y la
otra es una cara de presión móvil que se desplaza verticalmente y
que presenta un diámetro de 16,0 mm. El micrómetro se situó en una
mesa antivibraciones con una superficie horizontal, y se colocó
cada muestra de ensayo entre las caras de presión. La cara de
presión móvil se desplazó a una velocidad de 3 mm/s o menor y se
aplicó una presión de 100 kPa entre las caras de presión. Se
confirmó que la muestra de ensayo se encontraba retenida entre las
caras de presión, y se registró un valor justo después de la
estabilización. Para cada muestra de ensayo, se midieron 20
posiciones y se utilizó como medida del grosor el promedio de los
valores obtenidos.
Un soporte poroso se cortó perpendicularmente a
una superficie, y se tomó una fotografía de un corte transversal
mediante un microscopio óptico con un aumento de 700x. Se transfirió
una imagen del soporte poroso desde la fotografía hasta una lámina
de papel normal mediante un trazador. En la imagen, se colocaron dos
líneas rectas paralelas en una superficie anterior y en una
superficie posterior del soporte poroso. Las dos líneas paralelas,
que indican cada una de ellas la superficie anterior o la superficie
posterior, se encontraron en contacto, cada una de ellas, con las
protrusiones más elevadas de la superficie anterior o la superficie
posterior. Se trazaron dos líneas paralelas adicionales de forma
que se extendieron perpendicularmente a las dos líneas paralelas
que indican cada una de ellas la superficie anterior o la superficie
posterior, y la distancia entre ellas es tres veces superior a la
existente entre las dos líneas paralelas que indican cada una de
ellas la superficie anterior o la superficie posterior. Se definió
una región rodeada por las cuatro líneas rectas como una región de
medición. La distancia entre las líneas paralelas que indican cada
una de ellas la superficie anterior o la superficie posterior se
definió como el espesor del soporte poroso.
A continuación, se trazó una línea recta
paralela a las superficies en el centro entre las dos líneas
paralelas que indican cada una de ellas la superficie anterior o la
superficie posterior, es decir, se trazó una línea central. En la
sección de medición, se definió una región que se extiende desde la
superficie anterior hasta la línea central como "una región que
se extiende desde la superficie anterior hasta una profundidad
igual al 50% de grosor total", es decir, una "región
anterior". Además, se definió una región que se extiende desde
la superficie posterior hasta la línea central como "una región
que se extiende desde la superficie posterior hasta una profundidad
igual al 50% de grosor total", es decir, una "región
posterior".
En la región posterior, la densidad media de la
misma se define como un valor obtenido de dividir el porcentaje de
área transversal del soporte poroso en el área de la sección entre
el área de la sección completa.
En la región posterior, al igual que antes, la
densidad media de la misma se define como un valor obtenido de
dividir el porcentaje de área transversal del soporte poroso en el
área de la sección entre el área de la sección completa.
La medición se realizó según la norma JIS P8119,
según se describe a continuación. Se colocó una sección de ensayo
del soporte poroso en una placa de vidrio en forma de anillo y con
acabado plano, que presenta un diámetro exterior de 37,4 \pm 0,05
mm y un área plana efectiva de 10 \pm 0,05 cm^{2}. La placa de
vidrio presentó un orificio circular situado en el centro de la
misma y conectado a un recipiente al vacío. Se colocaron sobre la
sección de ensayo un soporte de caucho circular y una placa de
presión metálica conectada a un dispositivo de presión, y se aplicó
una presión de 100 kPa a la placa de presión mediante el dispositivo
de presión, de forma que la sección de ensayo se prensó contra la
placa de vidrio. El soporte de caucho tenía un diámetro de 45 mm o
más, un grosor de 4 \pm 0,2 mm, un cambio máximo de grosor de
\pm0,05 mm, una dureza de 40 \pm 5 IRHD, y una elasticidad al
rebote del 62% o más, determinándose la dureza según la norma ISO
48, y determinándose la elasticidad al rebote según la norma ISO
4662. La placa de presión tenía una cara plana circular con un
diámetro de 45 mm o más. La presión del recipiente al vacío se
redujo hasta 50,7 kPa o menos y, seguidamente, se dejó el
recipiente al vacío en estado estacionario, tras lo que la presión
del recipiente vacío aumentó gradualmente como consecuencia del
paso de aire entre la placa de vidrio y la sección de ensayo. Se
realizó una medida para determinar el tiempo transcurrido hasta que
la presión del recipiente los varió de 50,7 kPa a 48,0 kPa. El
tiempo transcurrido se definió como la lisura.
Se prepararon muestras con una anchura de 15 mm.
Las caras unidas de cada muestra se desprendieron parcialmente la
una de la otra, y la muestra resultante se dispuso en una máquina de
evaluación de la resistencia a la tensión de forma que la muestra
quedó situada en forma de T, siendo la longitud de medición de 150
mm. Se realizó la prueba de resistencia a la tensión en las
siguientes condiciones: una temperatura de 25ºC, una humedad
relativa del 65%, y la velocidad de 50 mm/min. El promedio de las
fuerzas de tensión aplicadas a la muestra hasta la longitud de
medición se definió como la resistencia al desprendimiento.
Ejemplo comparativo
1
Se preparó un soporte poroso mediante el
siguiente procedimiento: una lámina de material textil no tejido de
poliéster (con un peso base de 60 g/m^{2}, un grosor de 80 \mum,
y una anchura de 250 mm) se trató en una calandria de tal forma que
la temperatura del rodillo posterior fue inferior a la del rodillo
anterior, ajustándose la lisura de una superficie anterior de la
lámina a 21 s y ajustándose la lisura de una superficie posterior
de la lámina a 7 s. Se utilizó polisulfona (Udel (marca comercial
registrada) P-3500 fabricada por Solvay Advanced
Polymers KK) para formar una película funcional para la separación.
La polisulfona se disolvió en dimetilformamida, preparándose de
este modo una solución de polisulfona (con una concentración del 16
por ciento en peso y una temperatura de 20ºC) y se utilizó para
formar la película. La solución se aplicó sobre la superficie
anterior de la lámina de material textil no tejido, formándose de
este modo un recubrimiento con una anchura de 200 mm y un grosor de
200 \mum. En la operación anterior, se dispusieron tambores bajo
la superficie posterior de la lámina de material textil no tejido,
sobre la que no se aplica solución de polisulfona, tras lo que se
transfirió la lámina de material textil no tejido.
Transcurridos 0,5 segundos desde la aplicación
de la solución de polisulfona sobre la lámina de material textil no
tejido, la lámina de material textil no tejido resultante se
sumergió en agua pura y se mantuvo a 20ºC, tras lo que la solución
de polisulfona se solidificó, formando una película compuesta que
incluye una capa de polisulfona microporosa y la lámina de material
textil no tejido. La película compuesta se lavó con agua en un
tambor de lavado, de modo que se eliminaron de la película los
restos de disolvente. La película compuesta resultante se bobinó
mediante una máquina de bobinado. La película compuesta resultante
se sumergió en una solución acuosa que contenía el 2 por ciento en
peso de m-fenilendiamina durante un minuto. Una vez
eliminado el exceso de solución de las superficies de la capa de
polisulfona, se concentró la solución a 80ºC durante un minuto
mediante un secador de aire caliente. Posteriormente, la capa de
polisulfona se recubrió con una solución de
n-decano que contenía el 0,1 por ciento en peso de
cloruro trimésico, de forma que las superficies de la capa de
polisulfona quedan completamente mojadas, y la capa de polisulfona
resultante se dejó en estado estacionaria durante un minuto,
formándose de este modo sobre la superficie de polisulfona una capa
de poliamida que es sustancialmente responsable de realizar la
separación de membrana, preparando así una membrana de separación
(con un grosor de 170 \mum).
Una vez formada la capa de polisulfona, se
observó que la solución no ensució en absoluto los tambores. No se
observaron defectos visibles sobre la superficie anterior de la
membrana de separación bobinada, es decir, la superficie de la
membrana estaba en buen estado. Se observó una sección transversal
de la membrana de separación con un microscopio óptico, y dicha
observación mostró que la superficie posterior de la lámina de
material textil no tejido presentaba muescas. Además, se observó
que la capa de polisulfona se extiende hasta una región cercana a
la superficie posterior de la lámina de material textil no tejido, y
está unida a las muescas. Se midió la adherencia entre la capa
funcional y el soporte poroso de la membrana de separación, y la
medición mostró que la adherencia fue de 19,6 N/m, valor suficiente
para una membrana de separación.
Ejemplo comparativo
2
Se preparó una membrana de separación (con un
grosor de 175 \mum) de la misma forma descrita en el ejemplo 1,
con la excepción de que se preparó un soporte poroso mediante el
siguiente procedimiento: una lámina de material textil no tejido de
poliéster (con un peso base de 84 g/m^{2}, un grosor de 95 \mum,
y una anchura de 250 mm) se trató en una calandria de tal forma que
la temperatura del rodillo posterior fue inferior a la del rodillo
anterior, ajustándose la lisura de una superficie anterior de la
lámina a 20 s y ajustándose la lisura de una superficie posterior
de la lámina a 16 s.
Una vez formada la capa de polisulfona, se
observó que la solución no ensució en absoluto los tambores. Se
observó un pequeño número de defectos visibles sobre la superficie
anterior de la membrana de separación bobinada; no obstante, se
estimó poco probable que los defectos pudieran causar problemas
durante su uso práctico. Se observó una sección transversal de la
membrana de separación con un microscopio óptico, y dicha
observación mostró que la superficie posterior de la lámina de
material textil no tejido presentaba muescas. Además, se observó
que la capa de polisulfona se extiende hasta una región cercana a la
superficie posterior de la lámina de material textil no tejido, y
está unida a las muescas. Se midió la adherencia entre la capa
funcional y el soporte poroso de la membrana de separación, y la
medición mostró que la adherencia fue de 22,9 N/m, valor suficiente
para una membrana de separación.
Se preparó una membrana de separación (con un
grosor de 130 \mum) de la misma forma descrita en el ejemplo 1,
con la excepción de que se preparó un soporte poroso mediante el
siguiente procedimiento: una lámina de material textil no tejido de
poliéster (con un peso base de 65 g/m^{2}, un grosor de 72 \mum,
y una anchura de 250 mm, según se muestra en la figura 5) se trató
en una calandria de tal forma que la temperatura de un rodillo
posterior fue inferior a la de un rodillo anterior, ajustándose la
densidad media de una región anterior de la lámina al 69% y
ajustándose la densidad media de una región posterior de la lámina
al 45%, es decir, se ajustó la densidad media de la región
posterior al 66% de la correspondiente a la región anterior. La
superficie anterior de una lámina de material textil no tejido de
poliéster presentó una lisura de 10 s, mientras que la superficie
posterior presentó una lisura de 5 s.
Una vez formada la capa de polisulfona, se
observó que la solución no ensució en absoluto los tambores. No se
observaron defectos visibles sobre la superficie anterior de la
membrana de separación bobinada, es decir, la superficie de la
membrana estaba en buen estado. Se observó una sección transversal
de la membrana de separación con un microscopio óptico, y dicha
observación mostró que la superficie posterior de la lámina de
material textil no tejido presentaba muescas. Se observó que la
capa de polisulfona se extiende hasta una región cercana a la
superficie posterior de la lámina de material textil no tejido, y
está unida a las muescas. Se midió la adherencia entre la capa
funcional y el soporte poroso de la membrana de separación, y la
medición mostró que la adherencia fue de 19,6 N/m, valor suficiente
para una membrana de separación.
Ejemplo comparativo
3
Se preparó una membrana de separación (con un
grosor de 170 \mum) de la misma forma descrita en el ejemplo 1,
con la excepción de que se preparó un soporte poroso mediante el
siguiente procedimiento: una lámina de material textil no tejido de
poliéster (con un peso base de 60 g/m^{2}, un grosor de 80 \mum,
y una anchura de 250 mm), con una superficie posterior lisa, se
trató en una calandria de tal forma que la temperatura de un
rodillo posterior fue superior a la de un rodillo anterior,
ajustándose la lisura de una superficie anterior de la lámina a 7 s
y ajustándose la lisura de la superficie posterior a 21 s.
Una vez formada la capa de polisulfona, se
observó que la solución ensució los tambores. Es decir, se observó
que la solución alcanza la superficie posterior de la lámina de
material textil no tejido. Se observaron defectos visibles sobre la
superficie anterior de la membrana de separación bobinada, y los
defectos parecieron estar causados por el contacto de la superficie
anterior con la superficie de separación que alcanzó la superficie
posterior de un soporte poroso adyacente. Se midió la adherencia
entre la capa funcional y el soporte poroso de la membrana de
separación, y la medición mostró que la adherencia fue de 22,9
N/m.
Ejemplo comparativo
4
Se preparó una membrana de separación (con un
grosor de 130 \mum) de la misma forma descrita en el ejemplo 1,
con la excepción de que se preparó un soporte poroso mediante el
siguiente procedimiento: una lámina de material textil no tejido de
poliéster (con un peso base de 65 g/m^{2}, un grosor de 72 \mum,
y una anchura de 250 mm), con una superficie posterior lisa, se
trató en una calandria de tal forma que la temperatura de un
rodillo posterior fue superior a la de un rodillo anterior,
ajustándose la densidad media de una región anterior de la lámina
al 45% y ajustándose la de la región posterior al 69%, es decir, se
ajustó la densidad media de la región posterior al 152% de la
correspondiente a la región anterior.
Una vez formada la capa de polisulfona, se
observó que la solución ensució los tambores. Es decir, se observó
que la solución alcanza la superficie posterior de la lámina de
material textil no tejido. Se observaron defectos visibles sobre la
superficie anterior de la membrana de separación bobinada, y los
defectos parecieron estar causados por el contacto de la superficie
anterior con la superficie de separación que alcanzó la superficie
posterior de un soporte poroso adyacente. Se midió la adherencia
entre la capa funcional y el soporte poroso de la membrana de
separación, y la medición mostró que la adherencia fue de 22,9
N/m.
En una membrana de separación, según la presente
invención, se puede impedir que una solución formadora de películas
alcance la superficie posterior de un soporte poroso durante la
etapa de formación de una película, y se puede mejorar la
adherencia entre la película funcional para la separación y el
soporte poroso. Por consiguiente, se puede mantener limpio un
aparato para la fabricación de la membrana, por lo que el
mantenimiento de dicho aparato es sencillo. Además, en una etapa de
enrollamiento de la membrana de separación, se pueden evitar los
daños sobre una membrana de separación adyacente, de modo que se
puede prevenir la formación de defectos sobre la membrana de
separación. Así pues, puede conseguirse una membrana de separación
de alto rendimiento a un coste reducido. Dado que la membrana de
separación de la presente invención puede poseer un grosor reducido,
es posible aumentar el área de la membrana empaquetada tanto en el
elemento como en el módulo de membrana de separación, que incluyen
ambos la membrana de separación. La membrana de separación de la
presente invención se utiliza preferentemente para la separación
por nanofiltración y la separación por ósmosis inversa.
Claims (10)
1. Membrana de separación, que comprende una
película funcional para la separación y un soporte poroso hecho de
un material textil tejido, material textil no tejido o red con una
superficie posterior rugosa, en la que el soporte poroso presenta
una región de la superficie posterior cuya densidad es inferior a la
de una región de la superficie anterior, la superficie posterior
del soporte poroso presenta una lisura que se determina según la
norma JIS P8119 comprendida entre 1 y 20 s, la película funcional se
dispone sobre una superficie anterior del soporte poroso y se
extiende hacia el interior del soporte poroso, y en la que la región
que se extiende desde la superficie posterior del soporte poroso
hasta una profundidad igual al 50% de grosor total presenta una
densidad media comprendida entre el 5% y el 90% de la
correspondiente una región que se extiende desde la superficie
anterior del soporte poroso hasta una profundidad igual al 50% del
grosor total.
2. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en la que la superficie posterior del soporte
poroso presenta un gran número de muescas, extendiéndose la
película funcional hasta las muescas de la superficie posterior del
soporte poroso y estando unida a las muescas.
3. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en la que la película funcional se extiende hasta
la región que se extiende desde la superficie posterior del soporte
poroso hasta una profundidad igual al 50% de grosor total.
4. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en el que soporte poroso se procesa mediante un
tratamiento térmico a alta presión.
5. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en la que el soporte poroso incluye una lámina de
material textil no tejido.
6. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en la que la superficie posterior del soporte
poroso presenta una lisura comprendida entre 1 y 20 s,
determinándose la lisura mediante la norma JIS P8119.
7. Membrana de separación, según la
reivindicación 1, en la que soporte poroso presenta un grosor
comprendido entre 40 y 150 \mum.
8. Membrana de separación, según la
reivindicación 7, en la que soporte poroso presenta un grosor
comprendido entre 40 y 80 \mum.
9. Elemento de membrana de separación, que
comprende la membrana de separación, según la reivindicación 1, un
conducto de los permeados, un separador de alimentación y un tubo
central para los permeados, en el que la membrana de separación
está enrollada en espiral sobre el tubo central para los permeados
junto con el conducto de los permeados y el separador de
alimentación.
10. Módulo de membrana de separación que
comprende el elemento de membrana de separación, según la
reivindicación 9, y un recipiente a presión, en el que el elemento
se coloca en el recipiente.
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