ES2346131T3 - Membranas modificadas. - Google Patents
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Abstract
Membrana polimérica porosa formada a partir de una combinación de un material de formación de membrana polimérico que es PVDF o una polisulfona seleccionada del grupo que consiste en polisulfona per se, poliétersulfonas, poliarilsulfonas, polialquilsulfonas y poliaralquilsulfonas, y un agente de modificación de la reactividad polimérico adaptado para modificar las propiedades de superficie de la membrana polimérica porosa en relación a una membrana polimérica porosa formada a partir del material de formación de membrana polimérico solo, siendo dicho agente poli(alquil vinil éter/anhídrido maleico), en la que el agente de modificación de la reactividad se añade al material de formación de membrana polimérico antes de colarse la membrana.
Description
Membranas modificadas.
La invención se refiere a membranas porosas que
tienen propiedades físicas modificadas conferidas mediante la
adición de modificadores químicos.
Se usan membranas sintéticas para una variedad
de aplicaciones incluyendo desalinización, separación de gases,
filtración y diálisis. Las propiedades de las membranas varían
dependiendo de la morfología de la membrana, es decir propiedades
tales como simetría, forma de poro y tamaño de poro y el material
polimérico usado para formar la membrana.
Pueden usarse diferentes membranas para procesos
de separación específicos, incluyendo microfiltración,
ultrafiltración y ósmosis inversa. La microfiltración y la
ultrafiltración son procesos dirigidos por presión y se distinguen
por el tamaño de la partícula o molécula que la membrana puede
retener o dejar pasar. La microfiltración puede eliminar partículas
coloidales muy finas en el rango micrométrico y submicrométrico.
Como regla general, la microfiltración puede filtrar partículas de
hasta 0,1 \mum, mientras que la ultrafiltración puede dejar pasar
a su través partículas de tan sólo 0,01 \mum. La ósmosis inversa
funciona a una escala incluso inferior.
A medida que aumenta el tamaño de las partículas
que van a separarse, también lo hace la presión requerida para
llevar a cabo la separación y la densidad de la membrana.
Un área superficial grande es necesaria cuando
se requiere un flujo grande. Una técnica conocida para hacer el
aparato de filtración más compacto es formar membranas en forma de
una fibra porosa hueca. Pueden fabricarse módulos de tales fibras
con un área superficial por unidad de volumen extremamente
grande.
Las membranas sintéticas microporosas son
particularmente adecuadas para el uso en fibras huecas y ellos se
producen mediante inversión de fase. En este procedimiento, se
disuelve un polímero en un disolvente apropiado y se logra una
viscosidad adecuada de la disolución. La disolución de polímero
puede entonces colarse como una película o fibra hueca, y entonces
sumergirse en un baño de precipitación tal como agua. Esto provoca
la separación de la disolución de polímero homogénea en una fase de
disolvente líquido y polímero sólido. El polímero precipitado forma
una estructura porosa que contiene una red de poros uniformes. Los
parámetros de producción que afectan a las propiedades y la
estructura de la membrana incluyen la concentración de polímero,
los medios de precipitación y la temperatura y la cantidad de
disolvente y no disolvente en la disolución de polímero. Estos
factores pueden variarse para producir membranas microporosas con un
gran intervalo de tamaños de poro (de desde menos de 0,1 hasta 20
\mum), y alteran las propiedades mecánicas, térmicas y
químicas.
Las membranas microporosas de inversión de fase
son particularmente muy adecuadas para la aplicación de la
eliminación de virus y bacterias. De todos los tipos de membranas,
la fibra hueca contiene la mayor área de membrana por volumen de
unidad.
Pueden usarse diferentes técnicas para inducir
la separación de fases y preparar membranas de polímero. Un
polímero disuelto en un disolvente puede solidificar con
enfriamiento, lo que se conoce como separación de fases
líquida-sólida. La separación de fases puede
inducirse o bien mediante un cambio de temperatura o bien mediante
un cambio en la concentración de la disolución. Estos dos procesos
se denominan separación de fases inducida térmicamente (TIPS) y
separación de fases inducida por difusión (DIPS). Es necesario
asegurar la morfología inducida por la separación de fases y, por
tanto, es necesario conseguir la solidificación de la fase de
polímero. En el proceso TIPS esto se realiza habitualmente
disminuyendo la temperatura por debajo de la temperatura de
transición vítrea o el punto de fusión del polímero. El proceso DIPS
usa un cambio en la concentración, provocado por la difusión de un
disolvente y un no disolvente, para inducir una separación de
fases. Con esta técnica, se producen membranas de fibra hueca usando
un procedimiento discontinuo. El proceso DIPS tiene una ventaja de
que pueden formarse fácilmente membranas asimétricas. Además, el
hilado de fibras huecas puede realizarse a temperatura ambiente,
mientras que el proceso alternativo, la separación de fases
inducida térmicamente (TIPS), requiere temperaturas mucho mayores.
Ya que DIPS usa la difusión de no disolvente y disolvente es
relativamente fácil controlar la velocidad a que tiene lugar la
formación de membrana cambiando la concentración del baño de no
disolvente y la disolución de polímero. Sin embargo, la desventaja
es que pueden producirse macrohuecos, en forma de intrusiones
similares a dedos en la membrana. Éstos disminuyen la resistencia
mecánica de la membrana pero pueden evitarse eligiendo la
composición correcta de la disolución.
Las membranas de lámina plana se preparan de la
siguiente manera. Se ponen en contacto una disolución de polímero
que consiste en un polímero y disolvente con un no disolvente. El
disolvente difunde hacia fuera en el baño de coagulación y el no
disolvente difundirá hacia la película colada. Después de un periodo
de tiempo dado, el intercambio del no disolvente y el disolvente ha
procedido de manera que la disolución se vuelve termodinámicamente
inestable y se produce segregación. Finalmente se obtiene una lámina
plana con una estructura simétrica o asimétrica.
Las superficies hidrófobas se definen como
"con repulsión al agua" y superficies hidrófilas como "con
atracción del agua". Muchos de los polímeros que componen las
membranas porosas son hidrófobos. Puede forzarse agua a través de
una membrana hidrófoba mediante el uso de presión suficiente, pero
la presión necesaria es muy alta (de 10,34 x 10^{5} Pa a 20,68 x
10^{5} Pa o de 150-300 psi), y la membrana puede
dañarse a tales presiones y generalmente no llegan a humectarse
uniformemente.
Las membranas microporosas hidrófobas se
caracterizan por su resistencia química, biocompatibilidad,
resistencia mecánica y rendimiento de separación excelentes. Por
tanto, en la aplicación de filtración de agua, es necesario
hidrofilizar tales membranas hidrófobas para permitir que el agua
penetre en ellas. Muchos materiales hidrófilos no son adecuados
para las membranas MF y UF que requieren resistencia mecánica y
estabilidad térmica ya que las moléculas de agua desempeñan el papel
de plastificantes.
Actualmente, poli(tetrafluoroetileno)
(PTFE), polietileno (PE), polipropileno (PP) y poli(fluoruro
de vinilideno) (PVDF) son los materiales de membranas hidrófobas
más populares y disponibles. El poli(fluoruro de vinilideno)
(PVDF) es un polímero semicristalino que contiene una fase
cristalina y una fase amorfa. La fase cristalina proporciona buena
estabilidad térmica mientras que la fase amorfa tiene flexibilidad
para las membranas. El PVDF, presenta varias características
deseables para aplicaciones de membrana, incluyendo resistencia
térmica, resistencia química (para una gama de productos químicos
corrosivos, incluyendo cloro), y resistencia a la intemperie
(UV).
La modificación de una superficie del polímero
potencialmente puede mantener las propiedades volumétricas
deseables de un polímero pero puede proporcionar nuevas propiedades
interfaciales diferentes. Las membranas compuestas por polímeros
hidrófilos son generalmente menos propensas a la incrustación que
los polímeros hidrófobos. En algunos casos, la modificación de la
superficie de los polímeros más resistentes químicamente los ha
vuelto menos susceptibles a la incrustación. Existen numerosas
técnicas para la modificación de la superficie de los polímeros.
Los ejemplos más comunes de esta química son reacciones que
introducen un único tipo de grupo funcional o una mezcla de grupos
funcionales.
En general, todas las técnicas de
hidrofilización de superficies de polímero implican un aumento de la
cantidad en superficie de grupos polares. Desde un punto de vista
microscópico, la base de la hidrofilización de superficie es
maximizar la hidratación y las interacciones de enlaces de
hidrógeno. Todas las clases de grupos funcionales orgánicos que
contienen oxígeno, nitrógeno o azufre pueden interaccionar con agua
de manera más eficaz que las unidades de repetición basadas en
carbono comunes. Hay diversos métodos para humectar una membrana de
manera no permanente. Un método de hidrofilización de una membrana
hidrófoba porosa ha sido hacer pasar alcohol a través de los poros
de la membrana, entonces sustituir el alcohol por agua. También se
han usado surfactantes y un tratamiento posterior con un
recubrimiento de glicerol. Ésta es una solución adecuada para el
problema, siempre que el agua permanezca en los poros. Sin embargo,
si el agua se elimina de los poros o bien total o bien
parcialmente, y éstos se llenan de aire, la membrana hidrofilizada
se vuelve hidrófoba de nuevo, y el agua no puede pasar a través de
los poros si no se somete a alta presión.
El documento US 4.707.266 da a conocer una
membrana de poliamida con propiedades de superficie controladas. El
documento US 3.556.305 da a conocer una membrana compuesta y un
procedimiento para preparar la misma.
Es un objeto de la presente invención superar o
mejorar al menos una de las desventajas de la técnica anterior, o
proporcionar una alternativa útil.
El objeto se logra mediante una membrana
polimérica porosa formada a partir de una combinación de un material
de formación de membrana polimérico que es PVDF o una polisulfona
seleccionada del grupo que consiste en polisulfona per se,
poliétersulfonas, poliarilsulfonas, polialquilsulfonas y
poliaralquilsulfonas, y un agente de modificación de la reactividad
polimérico adaptado para modificar las propiedades de superficie de
la membrana polimérica porosa en relación a una membrana polimérica
porosa formada a partir del material de formación de membrana
polimérico solo, siendo dicho agente poli(alquil vinil
éter/anhídrido maleico), en el que el agente de modificación de la
reactividad se añade al material de formación de membrana polimérico
antes de colarse la membrana.
Las realizaciones preferidas se establecen en
las reivindicaciones dependientes.
El término "combinación" tal como se usa en
el presente documento se refiere a una aleación o mezcla íntima del
material de formación de membrana polimérico y el agente de
modificación de la reactividad polimérico, lo que requiere que los
dos componentes sean compatibles, es decir miscibles, entre sí.
El término polisulfona se usa en el presente
documento en el sentido amplio en el que lo entienden los expertos
en la técnica, y pretende abarcar polisulfona per se, así
como las poliétersulfonas, poliarilsulfonas (en particular,
polifenilsulfona), polialquilsulfonas, poliaralquilsulfonas y
similares.
La membrana polimérica porosa se prepara
mediante un método en el que el agente de modificación de la
reactividad polimérico se combina en la membrana polimérica porosa
activa en superficie mediante la incorporación en el material en
volumen.
Mediante el agente de modificación de la
reactividad, se entenderá que incluye, pero no se limita a, el
comportamiento global de la membrana y/o la superficie de la
membrana para especies químicas. Además de la reactividad, la
membrana puede modificarse con respecto a otras propiedades. Por
ejemplo, una reactividad particularmente preferida para que se
modifique es la hidrofilicidad/hidrofobicidad y/o el cambio de
superficie de la membrana.
Preferiblemente, el agente de modificación de la
reactividad polimérico es Gantrez^{TM}.
El agente de modificación de la reactividad
polimérico se incluye en la membrana polimérica porosa activa en
superficie mediante la incorporación en el material en volumen,
combinándolo con el material de formación de membrana polimérico
antes de la formación de la membrana. En particular, el agente de
modificación de la reactividad se añade a la mezcla de dope de
polímero antes de colarse la membrana.
El agente de modificación de la reactividad
puede incorporarse en la membrana en una forma que ha reaccionado o
que no ha reaccionado. El agente de modificación de la reactividad
incorporado en la membrana porosa polimérica puede someterse a
modificación química posterior a la incorporación en la membrana.
Una modificación química preferida es hidrólisis para volver la
membrana hidrófila. Otras modificaciones químicas preferidas
incluyen reticulación. En una forma sumamente preferida de la
invención, el Gantrez^{TM} se incluye en la membrana durante la
formación y la membrana modificada con Gantrez^{TM} resultante se
somete entonces a reticulación o a un tratamiento adicional que
modifica la reactividad, tal como tratamiento con un o más de
tetraetilenpentamina (TEP), tris-(hidroximetil)aminometano
(TRIS), ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}), polietilenglicol (PE),
carbonato de calcio (CaCO_{3}).
Las membranas que contienen grupos de superficie
reactivos, tales como grupos ácido o anhídrido resultantes de la
incorporación de Gantrez pueden reticularse con aminas de
reticulación para formar uniones amida. El grado de incorporación y
la extensión de reticulación pueden usarse para construir una
membrana adecuada para operaciones de ósmosis inversa. De esta
manera, agentes de modificación de la reactividad poliméricos tales
como Gantrez puede formar membranas de ultrafiltración o
microfiltración poliméricas porosas que actúan como sustratos para
membranas de ósmosis inversa.
Cuando el agente de modificación de la
reactividad polimérico se incorpora en el material de formación de
membrana polimérico antes de la formación de la membrana, está
adoptado preferiblemente para combinarse con el material de
formación de membrana en una cantidad tal que el precursor combinado
para la membrana polimérica porosa activa en superficie actúa como
una mezcla monofásica. La membrana puede prepararse entonces
preferiblemente mediante métodos conocidos en la técnica. Más
preferiblemente, se forma en una membrana de fibra hueca o una
membrana de lámina plana.
El copolímero comercial Gantrez^{TM}, o
poli(metil vinil éter/anhídrido maleico), es un anhídrido
polimérico lineal que está disponible en varios intervalos de peso
molecular.
Debido a los sitos de anhídrido reactivos en la
estructura de Gantrez^{TM} y la extensa química asociada con
esto, Gantrez^{TM} puede no sólo proporcionar la hidrofilicidad
apropiada a las fibras de polímero sino que puede proporcionar
numerosas posibilidades para adaptar la fibra a aplicaciones
específicas, dependiendo de la química implicada.
En una realización de la invención, se añadió
Gantrez^{TM} a la mezcla de dope de polímero y se produjeron
membranas tanto de lámina plana como de fibra hueca a partir de
esto. Las pruebas primarias llevadas a cabo en las membranas de
lámina plana constituyeron la experimentación inicial, e implicaron
cuantificar los tintes absorbidos tras el tratamiento posterior de
las membranas.
Se sometieron a prueba las membranas de fibra
hueca producidas para determinar la resistencia a la tracción,
permeabilidad, estructura microscópica y el cambio en la temperatura
de transición vítrea de la membrana modificada.
Gantrez^{TM} es un componente comercial. Se
conocen sus propiedades y diversidad tanto en formas hidrolizadas
como no hidrolizadas. Gantrez^{TM} permite que se fabriquen
membranas que tienen sitios de anhídrido en exceso, y mediante la
adición de diversas aminas y bases por ejemplo, pueden conservarse
las propiedades mecánicas esenciales de la membranas, aunque pueden
mejorarse la hidrofilicidad (y por tanto el flujo a través de la
membrana porosa) y la reacción con otros materiales. Puede haber
también una disminución resultante en la incrustación de la
membrana, puesto que digamos por ejemplo que si hubiera un cambio
negativo ligero en la fibra entonces más partículas permanecerían
suspendidas en disolución.
Gantrez^{TM} o poli(metil vinil
éter/anhídrido maleico) es un copolímero soluble en agua que tiene
la siguiente estructura:
Gantrez^{TM} es un anhídrido polimérico
lineal, que es el interpolímero de metil vinil éter y anhídrido
maleico. Gantrez^{TM} lo fabrica International Specialty Products
(ISP) y está disponible en un intervalo de pesos moleculares. Las
propiedades físicas y químicas de algunas formas preferidas de
Gantrez^{TM} se enumeran a continuación:
Aspecto: polvo blanco esponjoso
Intervalo de punto de reblandecimiento
200-225ºC
Pesos moleculares, viscosidad específica y
temperatura de transición vítrea:
También puede usarse poli(metil vinil
éter/anhídrido maleico) que tiene un peso molecular en el intervalo
de 5 x 10^{4} a 5 x 10^{7}. Se determinaron los pesos
moleculares mediante cromatografía de exclusión molecular, la
viscosidad específica se llevó a cabo a 25ºC en una de disolución de
MEK al 1% en un viscosímetro capilar.
Los dos tipos de monómeros en Gantrez^{TM}
contribuyen individualmente a las propiedades para hacer que el
copolímero sea un material de alto valor en una variedad de
aplicaciones. El poli(metil vinil éter) es un agente de
formación de película flexible mientras que el anhídrido maleico es
un monómero polar duro que contribuye a la resistencia de unión.
La reacción de anhídrido maleico y metil vinil
éter es tal como sigue:
Gantrez^{TM} es soluble en agua y varios
disolventes orgánicos incluyendo alcoholes, fenoles, piridina,
aldehídos, cetonas, lactamas y ésteres alifáticos inferiores. Es
insoluble en hidrocarburos alifáticos, aromáticos o halogenados,
etil éter y nitroparafinas.
Cuando el copolímero se disuelve en agua o
alcoholes, la unión anhídrido se escinde de manera que se produce la
formación del ácido libre polimérico, polar o los ésteres parciales
correspondientes.
Las disoluciones tanto en disolvente acuoso como
orgánico de Gantrez^{TM} forman películas que están libres de
pegajosidad y tienen una alta resistencia de cohesión y a la
tracción. Estas películas, sin embargo, tienen una fragilidad
inherente, de modo que esta propiedad tendrá que monitorizarse con
cuidado cuando incorporar el Gantrez^{TM} en la membrana.
Aunque el polvo de Gantrez^{TM} es
higroscópico y va a hidrolizarse lentamente en un ambiente húmedo,
puede absorber hasta un 30% en peso de agua sin afectar a las
características de flujo del polvo. Un calentamiento suave (100ºC
durante 1-2 horas) puede eliminar el agua no
unida.
Se han llevado a cabo varios estudios preparando
membranas asimétricas usando pequeños aditivos moleculares para
mejorar las características de la membrana. Tales características
incluyen alta permeabilidad, buena integridad macroscópica tal como
luz circular, espesor de pared uniforme, y resistencia mecánica. Se
conoce a partir de bibliografía que el PVDF tiene una pequeña
tensión superficial crítica (aproximadamente de 25 dinas/cm), la
velocidad de coagulación y solidificación de la fibra son lentas
como resultado de la interacción débil entre el coagulante (agua o
disolvente) y el polímero. Como consecuencia, surgen dificultades
cuando se preparan membranas de fibra hueca de PVDF asimétricas
porosas sin aditivos.
El injerto de superficie en la química de
polímeros es un proceso conocido en la técnica mediante el cual se
introducen cadenas laterales de un segundo polímero sobre una cadena
principal de polímero existente. El injerto de superficie conduce
generalmente a un recubrimiento de un segundo polímero
funcionalizado unido covalentemente al polímero de sustrato. A
diferencia de la simple funcionalización, que produce una interfase
o superficie de polímero, el injerto produce un recubrimiento
físicamente definido con propiedades que se asemejan a las del
homopolímero de injerto puro. La metodología para el injerto se basa
en polimerizaciones por radicales.
A diferencia de las técnicas en las que la
composición de superficie se modifica mediante algún tratamiento
externo, en modificaciones volumétricas la composición de superficie
es el resultado del efecto de la presencia de otro componente en el
sistema polimérico.
El objetivo para las combinaciones poliméricas
es combinar las propiedades de los componentes individuales en un
material. Disolviendo un polímero en otro polímero de manera que sea
una interpenetración de un polímero en otro. La "combinación
polimérica" que se sintetiza de esta manera no es
termodinámicamente estable. La inestabilidad termodinámica
significa que se produce un proceso de segregación en la masa
fundida. Para aumentar la estabilidad es necesario reticular uno o
ambos polímeros.
Sorprendentemente, los presentes solicitantes
han descubierto que Gantrez^{TM} es miscible con polímeros
polares tales como las polisulfonas y PVDF. Normalmente, muy pocos
polímeros son miscibles con otros polímeros, por ejemplo, la
bibliografía da a conocer que se sólo conoce un polímero,
polivinilpirrolidona (PVP) que es miscible (compatible) tanto con
PVDF como con polisulfona.
En la técnica anterior, se conoce usar cómo
mezclas de dos materiales de formación de membrana poliméricos que
no son miscibles. Estas mezclas de la técnica anterior requieren
estabilización mediante reticulación, es decir los dos materiales
no miscibles se estabilizan mediante reacción química, y a este
respecto, no son verdaderas "combinaciones" tal como se define
en el presente documento.
La gelificación es una importante consideración
en la formación de membranas. La gelificación puede definirse como
la formación de una red tridimensional mediante reticulación química
o física. Cuando se produce la gelificación, una disolución de
polímero diluida o más viscosa se convierte en un sistema de
viscosidad infinita, es decir, un gel. Un gel puede considerarse
como un sólido gomoso, muy elástico. Es importante observar que la
gelificación no es una separación de fases y puede producirse en
una disolución homogénea (que es un polímero y un disolvente)
también. Tendrán que controlarse los experimentos con cuidado de
manera que se evite la gelificación en la disolución de polímero, y
uno de los objetivos de la modificación química de las membranas
preexistentes es optimizar la cantidad de Gantrez^{TM} en la
disolución de polímero sin que se produzca gelificación.
Puede producirse la gelificación de
combinaciones que incorporan Gantrez^{TM} si hay componentes
multivalentes en la combinación polimérica tal como polialcoholes
(en diversas formas tales como azúcares, poli(alcoholes
vinílicos), polietilenglicoles, etilenglicol, glicerol y similares).
Estas de reacciones gelificación pueden minimizarse reduciendo el
tiempo que pasa el Gantrez en disolución con los componentes
multivalentes combinando el Gantrez en la mezcla de formación de la
membrana (o viceversa) inmediatamente antes de la colada de la
membrana.
Uno de los copolímeros que tienen más capacidad
para unir moléculas son los copolímeros de anhídrido maleico. Las
reacciones puestas como ejemplo a continuación son sólo algunas de
las muchas reacciones que pueden producirse.
Tal como se mencionó anteriormente,
Gantrez^{TM} experimenta hidrólisis con bastante facilitad. La
reacción de hidrólisis se llevó a cabo en presencia de un tampón de
sodio (cloruro de sodio 0,5 M + borato de sodio 0,1 M, pH = 9,3).
El problema con la hidrolización del Gantrez^{TM} se encuentra en
el hecho de que los sitios de anhídrido reactivos se perderán
cuando esta reacción tenga lugar. En segundo lugar, los disolventes
en los que se disuelve el Gantrez^{TM} disolverán también el
material polimérico que compone la fibras de la membrana.
Para superar este problema, en los ensayos de
modificación de la superficie, el Gantrez^{TM} se hidroliza sólo
parcialmente, entonces se hace reaccionar con la amina
polifuncional, con el fin de reticular el Gantrez^{TM} con los
grupos de amina reactivos. En las condiciones apropiadas, la
reacción de los grupos de amina puede favorecerse con respecto a la
hidrólisis incluso en un medio acuoso.
Una variedad de métodos están disponibles para
la caracterización de superficies y de la permeabilidad. Un método
para estudiar la adsorción o incrustación sobre una superficie es
usar marcadores radiactivos, unidos a la molécula apropiada, sin
embargo este método ha resultado ser demasiado engorroso. La
caracterización de las membranas modificadas es crucial debido a
que un pequeño cambio en uno de los parámetros de producción de la
membrana puede cambiar la estructura de superficie y por
consiguiente tener un efecto drástico sobre el rendimiento de la
membrana. Las propiedades estructurales de la membrana tales como el
tamaño de poro y la distribución del tamaño de poro permiten
determinar que las partículas o moléculas se retienen y cuales
pasarán a través de la membrana.
Las dos técnicas usadas principalmente para
observar los espectros de vibración son la espectroscopía infrarroja
(IR) y Raman. El espectro IR surge de la absorción de radiación,
que resulta de transiciones entre los diversos niveles cuánticos
vibratorios. Las pruebas de infrarrojos se llevan a cabo
principalmente en las membranas de polímero modificadas en volumen.
Las mediciones de IR se toman en una disolución de polímero con y
sin el Gantrez^{TM} incorporado en la matriz de polímero y se
comparan estos dos resultados. Una región de interés en la
investigación de membranas poliméricas modificadas con Gantrez, son
los picos agudos de amida aproximadamente a una longitud de onda de
1700 cm^{-1}.
La reflexión total atenuada, también conocida
como espectroscopía de reflexión interna es inestimable en la
caracterización de capas de superficie. Esta técnica se basa en el
ángulo de contacto íntimo de una muestra con la superficie de un
prisma transparente al IR de alto índice de refracción. Los
principios básicos subyacentes a esta técnica es que la radiación
infrarroja entra en el prisma a un ángulo mayor que el ángulo
crítico, y se refleja internamente en las superficies del prisma,
pero se atenúa mediante absorciones desde la capa de contacto de la
muestra.
Ante todo, el SEM es un instrumento para el
examen de superficies, y es una técnica sencilla, muy conveniente
para caracterizar e investigar la estructura porosa de membranas. El
límite de resolución de un microscopio electrónico sencillo se
encuentra en el rango de 0,01 \mum, funcionando microscopios más
sofisticados a resoluciones de 0,005 \mum (5 nm). Puede obtenerse
una fotografía clara y concisa de la membrana de fibra hueca en
cuanto a la superficie y la sección transversal, y también puede
obtenerse una estimación de la porosidad y la distribución del
tamaño
de poro.
de poro.
Muchos polímeros son malos conductores de la
electricidad, y como resultado, se acumula carga rápidamente en la
superficie de la muestra a medida que se barre la misma con el haz
de electrones. El campo resultante interacciona entonces con el haz
de electrones incidente y provoca distorsión de la imagen. Este
problema puede superarse recubriendo la muestra con una capa
conductora habitualmente de oro. El oro se aplica mediante
pulverización catódica y los espesores de película típicos son de 20
nm. La pulverización catódica implica crear iones, acelerarlos
sobre un objetivo, formar átomos o agrupaciones que se depositan
entonces sobre el sustrato de la membrana.
El método del punto de burbuja es un reflejo del
tamaño de poro máximo. Es la fuerza necesaria para impulsar un
líquido a través de los poros. El líquido usado en esto caso es
agua, y se mide la presión de gas a la que emerge una burbuja. El
tamaño de poro máximo puede calcularse a partir del punto de
burbuja.
Las pruebas mecánicas se usan a menudo para
evaluar el envejecimiento o la resistencia química de materiales.
El cambio en las propiedades de tracción de un material, son
indicadores útiles de la degradación de un material. Las pruebas
consisten en sujetar la muestra de prueba entre dos conjuntos de
elementos de agarre. Un conjunto de elementos de agarre está fijo y
el otro se une a una disposición de celda de carga y cruceta móvil.
La maquinas miden la fuerza necesaria para alargar y romper la
muestra.
La fuerza de rotura se mide y se notifica como
un valor de tensión de tracción dividiendo la fuerza obtenida entre
el área de la sección transversal:
Tensión de
tracción (Mpa) =
F/A
en la que F = fuerza (Newtons)
requerida para romper la probeta, y A = área de la sección
transversal de la probeta (mm^{2}). La fuerza de rotura es un
reflejo de la resistencia de la fibra de polímero y es obviamente de
alta importancia en la determinación del rendimiento de las
membranas.
\vskip1.000000\baselineskip
El alargamiento de rotura es la medición de la
elongación a partir de la máquina de tracción que viene dado por el
alargamiento en la longitud de referencia dividido entre la longitud
de referencia original. El alargamiento de rotura se da como cifra
en porcentaje, mientras que la deformación se muestra como una
fracción.
Deformación por
tracción = cambio en la longitud/longitud original =
(l_{l}-l_{0})l_{0}
en la que l_{1} = longitud
entre marcas de referencia (mm) y l_{0} = longitud de
referencia original
(mm)
Alargamiento de rotura =
(l_{l}-l_{0})l_{0} x 100%
El alargamiento de rotura es una medición de la
elasticidad de la fibra de polímero, que también puede expresarse
como módulo de Young o el módulo de elasticidad:
Módulo de Young = Tensión/deformación en la
parte lineal de la curva tensión-deformación.
\vskip1.000000\baselineskip
Esto es la razón de la tensión aplicada con
respecto a la deformación que produce en la región en la que la
deformación es proporcional a la tensión. Este módulo es
principalmente una medición de la rigidez. Obviamente, cuando el
polímero se degrada, el alargamiento de rotura disminuirá, de modo
que estas dos pruebas son excelentes mediciones de la degradación
del polímero.
\newpage
La permeabilidad es un factor principal para
regir el rendimiento o la eficacia de una membrana de fibra hueca
para aplicaciones de filtración de agua, es el flujo o la fluencia a
través de la membrana. El flujo o la velocidad de permeación se
definen como el volumen que fluye a través de la membrana por área y
tiempo unitarios. La ecuación que describe el flujo es:
J = Q/A
\Deltat
en la que Q es la cantidad que ha
permeado, A es el área de la membrana y \Deltat el tiempo de toma
de muestras. La permeabilidad es un parámetro importante cuando se
considera el efecto que la adición de Gantrez^{TM} tiene sobre el
rendimiento de la
membrana.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 muestra el tiempo requerido para
completar la hidrólisis de Gantrez^{TM} como una función de la
temperatura.
\vskip1.000000\baselineskip
Se preparó una disolución de dope según la
siguiente formulación:
PVP/VA S630 es copolímero de
polivinilpirrolidona/acetato de vinilo.
NMP es N-metilpirrolidona.
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron todos los componentes juntos y se
permitió que la disolución de dope se mezclara con rodillos
calentados (50ºC) durante la noche. Una vez retirada de los
rodillos, se dejó que sedimentara la mezcla (para eliminar cualquier
burbuja de la disolución) durante medio día.
Se coló la disolución de dope sobre una placa de
vidrio (que era notablemente hidrófila) usando una varilla de vidrio
y se coló una membrana sumergiendo la placa de vidrio en un baño de
precipitación que consistía en:
45% de PE-200
45% de H_{2}O
10% de NMP
Se sumergió la membrana en el baño de
precipitación durante 10 minutos (hasta que la membrana pudo
"despegarse" de la placa de vidrio).
Se dividió la membrana en proporciones iguales y
se empaparon muestras en las siguientes disoluciones de tratamiento
posterior hasta que se llevaron a cabo las pruebas:
1. Tetraetilenpentamina (TEP) al 3%
2. Tris-(hidroximetil)aminometano (TRIS)
al 3%
3. Ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}) al 1%
4. Polietilenglicol (PE) al 100%
5. Carbonato de calcio (CaCO_{3}) al 100%
6. Butanol al 100%
Se produjo una segunda formulación de dope para
lámina plana para observar la membrana sin el aditivo PVP/VA S630.
Se preparó la siguiente disolución:
\vskip1.000000\baselineskip
Como antes, se coló la membrana en un baño de
precipitación de PEG/H_{2}O/NMP, y se sumergieron las muestras en
las seis disoluciones mencionadas anteriormente. Se llevaron a cabo
como anteriormente el análisis cualitativo y cuantitativo y los
resultados se detallan en la próxima sección.
\vskip1.000000\baselineskip
Se llevó a cabo el análisis tanto cualitativo
como cuantitativo con las diferentes membranas. El análisis
cualitativo que se llevó a cabo implicó sumergir muestras de 1
cm^{2} de membrana en diferentes tintes coloreados, concretamente
safranina, naranja de metilo y fucsina. Se examinó visualmente la
intensidad de los colores en las membranas sacando fotos de las
membranas después que estuvieron en las disoluciones de tintes
durante un día. Entonces se colocaron las muestras en agua, y se
sacaron fotos de la cantidad de color retenido y perdido por las
membranas. Se describen los resultados en la próxima sección.
El análisis cuantitativo implica la medición de
la intensidad del color retenido por las muestras usando un
espectrofotómetro Hach.
Inicialmente, las longitudes de onda de los
tintes tuvieron que calcularse usando un método de ensayo y error.
Debido a que se conoce la región de longitudes de onda de los
colores (por ejemplo, el rojo está entre 500 y 600 nm) podría
calcularse la longitud de onda exacta. La longitud de onda
correspondiente a la absorbancia máxima obtenida, fue la longitud de
onda óptima del color específico.
Entonces se llevó a cabo la calibración para el
intervalo de concentraciones de colores. Se representó un gráfico de
concentraciones fijadas frente a las absorbancias medidas. Esto se
usó posteriormente para leer las concentraciones desconocidas del
gráfico, o para usar la ecuación de calibración para calcular
valores desconocidos.
\vskip1.000000\baselineskip
Se usaron las siguientes disoluciones de dope
para la producción de membranas de fibra hueca: Todos los pesos son
en gramos.
La marca genérica de PVDF que se usó para los
dopes 1-3 fue Kynar 461, mientras que se usó Kynar
500 para el dope 4, que tenía un mayor peso molecular que Kynar 461.
En el caso del dope 1, se mezcló todo junto con rodillos calentados
durante un día y medio. Se mezclaron los dopes 2-4
como el S630.
Para los dopes de 1 a 3 se usó un baño de
precipitación de agua (extinción). El dope 4 usó una extinción con
disolvente que consistía en un 45% de PE-200, un 45%
de agua y un 10% de NMP. Se usaron los siguientes ajustes para la
producción:
Para los dopes 1 y 4, tan pronto como las fibras
salieron de la extinción y sobre el enrollador, se dividieron en las
seis disoluciones de tratamiento posterior expuestas a continuación
y se sumergieron hasta que tuvieron lugar las pruebas:
1. Tetraetilenpentamina (TEP) al 3%
2. Tris-(hidroximetil)aminometano (TRIS)
al 3%
3. Ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}) al 1%
4. Polietilenglicol (PE) al 100%
5. Carbonato de calcio (CaCO_{3}) al 100%
6. Butanol al 100%
Para los dopes 2 y 3, se dejaron las fibras en
el enrollador hasta que se completó la producción y entonces se
dividieron en los seis tratamientos posteriores diferentes y una
permaneció en el agua como referencia.
Las formulaciones de dope que fueron
insatisfactorias
Se mezclaron todos juntos los componentes de los
dopes 3, 4 y 5 con rodillos normales durante el fin de semana.
Usando un espectrofotómetro Hach, se usó la
formulación de dope 2 y se obtuvieron los siguientes resultados:
\vskip1.000000\baselineskip
Usando la formulación de dope 3, se obtuvieron
los siguientes resultados:
\vskip1.000000\baselineskip
Los siguientes resultados son de la formulación
de dope 1. Se expresan todos los resultados como alargamiento de
rotura en porcentaje por longitud.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Claims (16)
1. Membrana polimérica porosa formada a partir
de una combinación de un material de formación de membrana
polimérico que es PVDF o una polisulfona seleccionada del grupo que
consiste en polisulfona per se, poliétersulfonas,
poliarilsulfonas, polialquilsulfonas y poliaralquilsulfonas, y un
agente de modificación de la reactividad polimérico adaptado para
modificar las propiedades de superficie de la membrana polimérica
porosa en relación a una membrana polimérica porosa formada a partir
del material de formación de membrana polimérico solo, siendo dicho
agente poli(alquil vinil éter/anhídrido maleico), en la que
el agente de modificación de la reactividad se añade al material de
formación de membrana polimérico antes de colarse la membrana.
2. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 1, en la que el material de formación de membrana
polimérico es PVDF.
3. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 1, en la que el material de formación de membrana
polimérico es una polisulfona seleccionada de polisulfona per
se, poliétersulfonas, poliarilsulfonas, polialquilsulfonas y
poliaralquilsulfonas.
4. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 3, en la que la polisulfona es polifenilsulfona.
5. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el
poli(alquil vinil éter/anhídrido maleico) es
poli(metil vinil éter/anhídrido maleico).
6. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha
membrana incluye sitios de anhídrido de superficie, haciéndose
reaccionar los anhídridos de superficie con una amina para formar
una unión amida.
7. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 6, en la que se hacen reaccionar dichos anhídridos de
superficie con una poliamina para formar una capa de poliamida
reticulada.
8. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 7, en la que dichas aminas se seleccionan de
tetraetilenpentamina (TEP) o tris-(hidroximetil)aminometano
(TRIS).
9. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicha membrana
incluye sitios de anhídrido de superficie, haciéndose reaccionar los
anhídridos de superficie con un alcohol para formar una unión
éster.
10. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 9, en la que se hacen reaccionar dichos anhídridos de
superficie con butanol.
11. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicha membrana
incluye sitios de anhídrido de superficie, haciéndose reaccionar los
anhídridos de superficie con un poliol para formar una capa de
poliéster reticulado.
12. Membrana polimérica porosa según la
reivindicación 11, en la que dicho poliol es polietilenglicol.
13. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicha membrana
incluye sitios de anhídrido de superficie, haciéndose reaccionar los
anhídridos de superficie con ácido sulfúrico.
14. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicha membrana
incluye sitios de anhídrido de superficie, haciéndose reaccionar los
anhídridos de superficie con carbonato de calcio.
15. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la membrana
es una fibra hueca.
16. Membrana polimérica porosa según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que la membrana es
una lámina plana.
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