ES2466571B1 - Membrana cerámica de filtración - Google Patents
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Abstract
Membrana cerámica de filtración, con un soporte poroso (1) formado por sinterizado de partículas de óxido de aluminio y partículas de óxido metálico a una temperatura superior a 1300ºC e inferior a 1500ºC, que comprende partículas finas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula inferior a 10{mi}m, y partículas gruesas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula de 20{mi}m-150{mi}m, donde las partículas finas de óxido de aluminio presentan un porcentaje en peso de entre un 3% - 10% respecto al peso total del soporte poroso (1), teniendo el soporte poroso (1) una porosidad superior al 28% con un tamaño de poro de entre 1{mi}m 7{mi}m, una resistencia a la flexión superior a los 45 MPa y una adecuada resistencia química, dando lugar a membranas cerámicas de filtración con capas cerámicas (3) de un tamaño de poro de 1 a 1000 nm.
Description
DESCRIPCIÓN
Membrana cerámica de filtración.
Sector de la técnica 5
La presente invención está relacionada con la separación de las partículas que se hallan contenidas en un líquido, utilizando elementos de filtración o de separación mediante membranas filtrantes, proponiendo una membrana cerámica que presenta un soporte poroso de material cerámico, de reducido coste de fabricación, y con unas adecuadas características de filtración, resistencia mecánica y resistencia frente a ataques químicos de limpieza. 10
Estado de la técnica
Las membranas cerámicas empleadas para la filtración están constituidas por un soporte poroso, fabricado en un material cerámico, y sobre el que se depositan unas finas capas cerámicas. El soporte poroso aporta la rigidez 15 mecánica necesaria para el funcionamiento de la membrana y es el encargado de soportar las capas cerámicas, mientras que las capas cerámicas funcionan como una barrera física semipermeable que separa las sustancias contenidas en el líquido a filtrar en función de su tamaño.
Las membranas cerámicas de filtración se consolidan tras la aplicación de un tratamiento térmico al material 20 cerámico, denominado proceso de sinterización. Como materia prima para fabricar el soporte poroso se emplean partículas de un compuesto metálico, generalmente partículas de óxido de
aluminio (Al2O3 “alumina”), aunque también se emplean partículas de dióxido de zirconio (Zr
O2 “zirconia”), o partículas de dióxido de titanio (
Ti
O2 “titania”).
aluminio (Al2O3 “alumina”), aunque también se emplean partículas de dióxido de zirconio (Zr
O2 “zirconia”), o partículas de dióxido de titanio (
Ti
O2 “titania”).
25
En la fabricación del soporte poroso, las partículas del compuesto metálico se mezclan con aditivos, como aglutinantes o plastificantes, obteniéndose una pasta cerámica que tras ser extruida adquiere la forma de la membrana de filtración, generalmente una geometría tubular. Tras la extrusión, la pasta se somete a un proceso de secado, y a continuación se le aplica un tratamiento térmico en un horno a alta temperatura, donde las partículas que conforman el soporte poroso cohesionan entre sí, obteniéndose un soporte con las características de porosidad 30 y resistencia requeridas.
En el campo de la filtración, el coste de fabricación de la membrana es transcendental, dependiendo principalmente del coste de fabricación del soporte poroso, y no tanto de las capas cerámicas depositadas. Principalmente, el coste de fabricación depende de la temperatura del proceso sinterización o densificación, ya que cuanto mayor es la temperatura de sinterización, mayor es el coste energético que se requiere para cohesionar las partículas, y mayor 35 es el coste del horno que se precisa.
Cuando el compuesto metálico para fabricar el soporte poroso es dióxido de zirconio, o dióxido de titanio, la temperatura de sinterización empleada es baja. Cuando se emplea óxido de aluminio, en cambio, puesto que su conductividad atómica es menor que la del dióxido de zirconio, o la del dióxido de titanio, la temperatura de 40 sinterización afecta negativamente al coste de fabricación de la membrana de filtración, ya que para la sinterización de las partículas de óxido de aluminio se precisan altas temperaturas superiores a 1700 ºC. Sin embargo, el empleo de óxido de aluminio presenta ciertas ventajas frente al empleo de dióxido de zirconio, o dióxido de titanio, como una mayor resistencia mecánica y química, así como un coste inferior de la materia prima empleada en su fabricación.
45
La Patente Europea EP751817, da a conocer un soporte inorgánico poroso para membranas de filtración que sinteriza a temperaturas inferiores a 1700ºC, y que emplea como materia prima partículas de corindón, de un tamaño de partícula de 63µm, y como aglutinante inorgánico arcillas seleccionadas del grupo de minerales de los nesosilicatos, sorosilicatos, ciclosilicatos, inosilicatos, filosilicatos y tectosilicatos.
50
Concretamente, según la composición mostrada en la Tabla 2 del primer ejemplo de realización de esta Patente Europea, el soporte inorgánico poroso queda formado por óxido de aluminio (Al2O3) en unas proporciones de 61,05% - 84,42%, y óxido de silicio (SiO2) en unas proporciones de 13,4% - 33,5%, con lo que se obtiene un soporte inorgánico poroso de una adecuada porosidad de entre 27,9% - 31%, con un diámetro de poro de entre 4µm – 5µm, y empleando una baja temperatura de sinterización de 1180 ºC. Sin embargo, el soporte inorgánico poroso obtenido 55 con esta composición presenta una resistencia a la flexión relativamente baja de entre 18 Mpa – 27 Mpa.
La Patente japonesa JP2009220074, da a conocer un soporte de alúmina para membranas de filtración inorgánicas que sinteriza a temperaturas comprendidas entre 1200ºC - 1600ºC, y que en su composición presenta óxido de aluminio (Al2O3) en unas proporciones de 87% - 98%, óxido de silicio (SiO2) en unas proporciones de 1% - 12%, y un 60 óxido metálico alcalino y/o un óxido metálico mineral alcalino en una proporción inferior al 4%.
Con esta composición, también se obtiene un soporte de una adecuada porosidad superior al 25%, sin embargo, al emplear partículas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula de 4µm - 12µm, el tamaño de poro del soporte obtenido es relativamente fino, y puede dar problemas a la hora de depositar partículas cerámicas con tamaños de 65
partícula gruesos, que darán lugar a capas cerámicas de microfiltración de tamaños de poro superiores a 50 nm. Si el tamaño de la partículas cerámicas es muy similar al tamaño de poro del soporte sobre el cual se van a depositar, las partículas cerámicas no penetran en el soporte y forman una capa cerámica superficial que durante su funcionamiento puede desprenderse debido a la falta de adherencia al soporte. Por tanto, el soporte descrito en la Patente japonesa JP2009220074 es adecuado para membranas cerámicas de tamaños de poro fino, pero no para 5 membranas cerámicas con tamaños de poro superiores a los 50 nm. Esto conllevaría la necesidad de desarrollar varios soportes porosos para poder cubrir todos los rangos de filtración de las membranas cerámicas, lo cual limitaría la viabilidad técnico-económica del producto.
Se hace por tanto necesario un soporte poroso de óxido de aluminio (Al2O3 “alumina”), que pueda sinterizar a 10 temperaturas inferiores a 1700ºC, y que tenga un tamaño de poro adecuado para dar lugar a membranas cerámicas con tamaños de poro desde 1 hasta 1000 nm, de manera que resulte una variante alternativa y de bajo coste de fabricación a las soluciones ya existentes.
Objeto de la invención 15
De acuerdo con la presente invención se propone una membrana cerámica de filtración, que por las características estructurales del soporte poroso que la conforma resulta de una adecuada porosidad, resistencia y bajo coste de fabricación.
20
La membrana cerámica de filtración se compone de un soporte poroso de material cerámico sobre el que se depositan unas finas capas cerámicas. El soporte poroso se obtiene tras un proceso de sinterización de partículas de óxido de aluminio y partículas de óxido metálico a una temperatura superior a 1300ºC e inferior a 1500ºC. Concretamente, para la obtención del soporte poroso, previamente las partículas de óxido de aluminio y las partículas de óxido metálico se mezclan mediante un proceso de amasado, para posteriormente pasar por un 25 proceso de extrusión en donde se obtiene la forma del soporte poroso, posteriormente la estructura cerámica obtenida se seca, y se procede al proceso de sinterización en horno.
El soporte poroso obtenido presenta una porosidad superior al 28 %, con un tamaño de poro de entre 1µm - 7µm, y una resistencia a la flexión superior a 45MPa. 30
Las partículas de óxido de aluminio del soporte poroso comprenden:
partículas finas de óxido de aluminio, con un tamaño de partícula inferior a 10µm;
35
y partículas gruesas de óxido de aluminio, con un tamaño de partícula de 20µm-150µm.
Las partículas finas de óxido de aluminio presentan un porcentaje en peso de entre un 3% - 10% respecto al peso total del soporte poroso.
40
Se ha previsto que las partículas gruesas de óxido de aluminio comprendan partículas con un tamaño de partícula de 45µm -150µm, que presentan un porcentaje en peso de entre un 50% - 70% respecto al peso total del soporte poroso, y partículas con un tamaño de partícula de 20µm -45µm, que presentan un porcentaje en peso de entre un 10% - 30% respecto al peso total del soporte poroso.
45
El empleo de partículas de óxido de aluminio de diferente granulometría permite que el área de contacto entre partículas sea mayor, ya que las partículas finas de óxido de aluminio actúan como nexo de unión entre las partículas gruesas de óxido de aluminio. Además, la reactividad térmica de las partículas finas de óxido de aluminio es mayor que la de las partículas con un tamaño de partícula mayor, por lo que las partículas finas de óxido de aluminio permiten reducir la temperatura de sinterización a valores de entre 1300ºC y 1500ºC, manteniendo unas 50 adecuadas características de resistencia mecánica. Asimismo, el empleo de partículas finas mezcladas con partículas gruesas permite regular la porosidad y el tamaño del poro del soporte poroso.
Es especialmente relevante el porcentaje en peso de las partículas finas de óxido de aluminio, ya que cuanto mayor es el porcentaje de las partículas finas de óxido de aluminio, menor es el tamaño de poro y la porosidad del soporte, 55 y cuanto menor es el porcentaje de las partículas finas de óxido de aluminio, mayor es el tamaño de poro del soporte poroso, con lo que no se podría garantizar el tamaño de poro requerido para las operaciones de filtración. (Entre 1µm - 7µm).
El óxido metálico se selecciona del grupo que consiste en óxido de silicio, óxido de titanio, óxido de calcio, y óxido 60 de magnesio. Según un ejemplo de realización de la invención, el óxido metálico empleado es óxido de silicio, y presenta un porcentaje en peso de entre un 3% - 10% respecto al peso total del soporte poroso.
El óxido de silicio se puede obtener a partir de arcillas, como por ejemplo la illita, o se puede obtener en forma de sílice coloidal sintético. 65
En el caso de emplear arcillas, la arcilla en combinación con las partículas de óxido de aluminio facilita la extrusión, y también permite reducir la temperatura de sinterización, debido a la formación de una fase líquida entre ambas. En el caso de emplear sílice coloidal, las partículas de sílice coloidal actúan como nexos de unión entre las partículas de óxido de aluminio, disminuyendo también la temperatura de sinterización. 5
El soporte poroso adicionalmente presenta en su composición hidróxido de aluminio, en un porcentaje en peso de entre un 2%-3% respecto al peso total del soporte poroso. El hidróxido de aluminio, al igual que el óxido de silicio, actúa como agente de unión de las partículas gruesas de óxido de aluminio y ayuda a reducir la temperatura de sinterización necesaria para cohesionar las partículas del soporte poroso. 10
Se obtiene así una membrana cerámica de filtración que por sus características estructurales, su formulación y su proceso de fabricación resulta de reducido coste, ya que la sinterización de las partículas que conforman el soporte poroso de la membrana de filtración se lleva a cabo a una temperatura superior a 1300ºC e inferior a 1500ºC, reduciendo el consumo energético y el gasto en inversión de hornos. Además, se consigue obtener una alta 15 resistencia mecánica a la flexión, una alta resistencia a los ataques químicos (tanto ácidos como bases) y una elevada porosidad, lo que permite obtener membranas aptas para la filtración de grandes volúmenes de líquidos.
Descripción de las figuras
20
Figura 1 muestra una vista en perspectiva de una membrana cerámica de filtración con una morfología tubular.
Figura 2 muestra una vista en sección longitudinal de la membrana cerámica de filtración.
Figura 3 muestra una vista esquemática ampliada de una zona del soporte poroso de la membrana cerámica de 25 filtración.
Descripción detallada de la invención
En las figuras 1 y 2 se observa un posible ejemplo de realización de una membrana cerámica de filtración de 30 acuerdo con la invención.
La membrana cerámica de filtración se constituye en un soporte poroso (1), fabricado en material cerámico, que dispone de unos canales interiores (2) a través de los cuales se hace circular el líquido a filtrar. Como se observa en la vista en sección de la figura 2, en los canales interiores (2) se depositan unas capas cerámicas (3), que actúan 35 como una barrera física semipermeable para separar las sustancias contenidas en el líquido a filtrar. Así, la mayor parte del líquido pasa a través de la membrana cerámica de filtración por los canales interiores (2), y una pequeña parte del líquido se filtra a través de las capas cerámicas (3) y del soporte poroso (1), este líquido filtrado se denomina permeado.
40
Las membranas inorgánicas de filtración presentan una morfología tubular con un diámetro comprendido entre 10mm - 200mm y una longitud de hasta 2000mm.
El soporte poroso (1) se compone de una mezcla de partículas de óxido de aluminio (Al2O3) de diferente granulometría, y de partículas de óxido metálico. En la composición del soporte poroso (1) se emplean partículas 45 finas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula inferior a 10µm, y partículas gruesas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula de 20µm-45µm, y de 45µm-120µm.
El óxido metálico se selecciona del grupo que consiste en óxido de silicio (SiO2), óxido de titanio (TiO2), óxido de Calcio (CaO), y óxido de magnesio (MgO). Preferentemente, se emplea óxido de silicio, el cual se adiciona a la 50 mezcla de partículas de óxido de aluminio en forma de arcilla, o en forma de partículas de sílice coloidal. Cuando se emplea la arcilla se ha previsto que sea la illita.
Adicionalmente, se ha previsto añadir partículas de hidróxido de aluminio AlO(OH) a la mezcla de partículas de óxido de aluminio (Al2O3). 55
En la TABLA 1 se muestra un ejemplo de los componentes que conforman el soporte poroso (1) de la membrana cerámica de filtración. Los porcentajes de los componentes se expresan en porcentaje en peso. (Peso del componente en relación al peso total de la composición del soporte poroso).
TABLA 1
- Composición del cuerpo soporte poroso:
- %
- óxido de aluminio Al2O3 con un tamaño de partícula de 45µm -150µm
- 50-70
- óxido de aluminio Al2O3 con un tamaño de partícula de 20 µm - 45µm
- 10-30
- óxido de aluminio Al2O3 con un tamaño de partícula inferior a 10µm
- 3-10
- hidróxido de aluminio AlO(OH)
- 2-3
- óxido de silicio SiO2
- 3-10
5
10
15
En la TABLA 2 se muestran las características del soporte poroso obtenido:
TABLA 2
20
- Composición del cuerpo soporte poroso:
- Magnitud
- Tamaño de poro
- 1µm - 7µm
- Porosidad
- > 28 %
- Resistencia a la flexión
- > 45 Mpa
- Resistencia a la flexión tras ataque ácido (1%wt) durante 100 horas
- > 30 Mpa
- Resistencia a la flexión tras ataque básico (1%wt) durante 100 horas
- > 30 Mpa
A modo de ejemplo ilustrativo, y en ningún caso con carácter limitativo, en la figura 3 se muestra una vista esquemática ampliada de una zona del soporte poroso (1), en donde se observan las partículas que lo componen. Aunque en la figura se muestran partículas esféricas, las partículas que componen el soporte poroso (1) presentan 25 en la mayoría de los casos una morfología irregular, con un mayor o menor número de aristas. Así, cuando únicamente se emplean partículas gruesas de óxido de aluminio, éstas tienden a contactar con otras partículas gruesas en muy pocos puntos, de manera que para garantizar una buena cohesión entre partículas, y una adecuada resistencia mecánica de la membrana, es necesario elevar la temperatura de sinterización a valores superiores a los 1700ºC. 30
De acuerdo con la presente invención, las partículas finas de óxido de aluminio, con un tamaño inferior a 10µm, incluso en algunos casos inferiores a 1µm, hacen de nexo de unión entre partículas, consiguiendo que entre las partículas gruesas de óxido de aluminio exista una mayor superficie de contacto, de manera que se pueden obtener unas adecuadas características de resistencia mecánica, empleando temperaturas de sinterización de entre 1300ºC-35 1500ºC. Además, puesto que por su tamaño, las partículas finas de óxido de aluminio tienen una reactividad térmica mayor que las partículas gruesas, se puede llevar a cabo la sinterización a menores temperaturas que si sólo se empleasen partículas gruesas. Por otro lado, las partículas de óxido de silicio también tienen una alta reactividad térmica que permite igualmente reducir la temperatura de sinterización.
40
Además, al emplear las partículas finas de óxido de aluminio, se puede disminuir el tamaño de poro del soporte poroso (1), obteniendo un soporte poroso con un tamaño de poro de entre 1µm - 7µm, una resistencia a la flexión superior a los 45 MPa y una adecuada resistencia química. Dada las características del soporte poroso obtenido, éste permite la deposición de partículas cerámicas sobre el que penetran en su interior dando lugar a capas cerámicas (3) con un tamaño de poro de entre 1 a 1000 nm. 45
Claims (9)
- REIVINDICACIONES1.- Membrana cerámica de filtración, con un soporte poroso (1) formado por sinterizado de partículas de óxido de aluminio y partículas de un óxido metálico a una temperatura superior a 1300ºC e inferior a 1500ºC, caracterizado porque las partículas de óxido de aluminio comprenden partículas finas de óxido de aluminio con un tamaño de 5 partícula inferior a 10µm, y partículas gruesas de óxido de aluminio con un tamaño de partícula de 20µm-150µm, donde las partículas finas de óxido de aluminio presentan un porcentaje en peso de entre un 3% - 10% respecto al peso total del soporte poroso (1), teniendo el soporte poroso (1) una porosidad superior al 28 % con un tamaño de poro de entre 1µm - 7µm.10
- 2.- Membrana cerámica de filtración, según la primera reivindicación, caracterizada porque las partículas gruesas de óxido de aluminio comprenden partículas con un tamaño de partícula de 45µm -150µm, que presentan un porcentaje en peso de entre un 50% - 70% respecto al peso total del soporte poroso (1), y partículas con un tamaño de partícula de 20µm -45µm, que presentan un porcentaje en peso de entre un 10% - 30% respecto al peso total del soporte poroso (1). 15
- 3.- Membrana cerámica de filtración, según la primera reivindicación, caracterizada porque el óxido metálico se selecciona del grupo que consiste en óxido de silicio, óxido de titanio, óxido de calcio, y óxido de magnesio.
- 4.- Membrana cerámica de filtración, según la reivindicación anterior, caracterizada porque el óxido metálico es 20 óxido de silicio, y presenta un porcentaje en peso de entre un 3% - 10% respecto al peso total del soporte poroso (1).
- 5.- Membrana cerámica de filtración, según la reivindicación anterior, caracterizada porque el óxido de silicio se obtiene a partir de arcilla. 25
- 6.- Membrana cerámica de filtración, según la reivindicación anterior, caracterizada porque la arcilla empleada es illita.
- 7.- Membrana cerámica de filtración, según la cuarta reivindicación, caracterizada porque el óxido de silicio se 30 obtiene a partir de sílice coloidal.
- 8.- Membrana cerámica de filtración, según la primera reivindicación, caracterizada porque el soporte poroso (1) adicionalmente presenta en su composición hidróxido de aluminio AlO(OH).35
- 9.- Membrana cerámica de filtración, según la reivindicación anterior, caracterizada porque el hidróxido de aluminio AlO(OH) presenta un porcentaje en peso de entre un 2%-3% respecto al peso total del soporte poroso (1).
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