ES2898913T3 - Método de preparación de una estructura porosa compuesta - Google Patents
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Abstract
Método de preparación de una estructura porosa compuesta, que comprende los siguientes pasos: paso (a1): preparar un sustrato poroso (10) que tiene múltiples poros (103), una primera superficie (1011) y una segunda superficie (1012) opuesta a la primera superficie (1011), donde el sustrato poroso (10) es un tubo hueco, un cono hueco o una columna hueca; paso (a2): verter un líquido en los poros (103) del sustrato poroso (10), donde el líquido es agua, alcoholes, cetonas o combinaciones de estos; y paso (b): calentar un material de recubrimiento hasta obtener múltiples partículas fundidas (201) mediante una fuente de calor y pulverizar las partículas fundidas (201) sobre la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10), de manera que se forme una capa de recubrimiento (20) que tenga múltiples microporos en la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10) y se obtenga la estructura porosa compuesta (1); donde el material de recubrimiento es un material de recubrimiento polimérico orgánico o un material de recubrimiento inorgánico; el método de preparación se caracteriza en que: el paso b) comprende además alimentar continuamente un fluido refrigerante (30) para que entre en contacto con la primera superficie (1011) y que fluya continuamente hacia la segunda superficie (1012) a través de los poros (103) del sustrato poroso (10) cuando se pulverizan las partículas fundidas (201) sobre la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10); y donde un caudal del fluido refrigerante (30) está comprendido entre 0,1 L/min y 10 L/min; donde una temperatura de las partículas fundidas (201) es superior a la temperatura del fluido refrigerante (30); y una temperatura de la fuente de calor del paso (b) se sitúa entre 100°C y 10000°C, y una temperatura del fluido refrigerante (30) del paso (b) se sitúa entre 5°C y 60°C.
Description
DESCRIPCIÓN
Método de preparación de una estructura porosa compuesta
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para preparar una estructura porosa compuesta, en particular para la separación de películas.
2. Descripción de la técnica relacionada
La tecnología de separación de películas finas utiliza la diferencia de los materiales que pasan a través de la película delgada en presencia de una fuerza motriz, con el fin de lograr la separación, la concentración o la purificación. Ofrece las ventajas de tener una alta selectividad, un funcionamiento sencillo, ahorro de energía, una fácil amplificación, etcétera, por lo que se ha utilizado ampliamente en varias industrias en los últimos años, especialmente en las industrias de la química de precisión, alimentaria, de prevención de la contaminación, de la ingeniería biomédica, de la biotecnología, etcétera, cuyas demandas de la tecnología de separación de películas finas han crecido rápidamente.
Según el tamaño de las partículas que las películas finas porosas pueden bloquear, la tecnología de separación de películas finas puede clasificarse en microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa. La microfiltración (MF) utiliza una película fina porosa con un tamaño de poro de 0,2 |im a 10 |im para bloquear a presión las partículas más grandes que el tamaño de los poros, como las bacterias o las partículas que quedan suspendidas en el agua. La ultrafiltración (UF), que se adapta a la recuperación de aguas residuales, a los productos farmacéuticos y a la separación y concentración de proteínas, utiliza una película fina porosa con un tamaño de poro de 10 nm a 100 nm y una diferencia de presión como fuerza motriz para bloquear solutos macromoleculares cuyos pesos moleculares oscilan entre 1.000 Da (Dalton) y 500.000 Da en una solución, y así separar disolventes o pequeñas moléculas de la solución. La nanofiltración (NF) es una tecnología de separación de películas que se sitúa entre la ultrafiltración y la ósmosis inversa, y es aplicable para bloquear sustancias, como los iones de metales pesados o las sales de alta valencia, cuyos pesos moleculares oscilan entre 200 Da y 1.000 Da en la solución, pudiendo utilizarse para eliminar iones metálicos o desalar el agua de mar en la industria. La ósmosis inversa (OI) utiliza una película fina porosa con un tamaño de poro de 1 angstrom (A) a 50 A, permitiendo que sólo pasen pequeñas moléculas por debajo del tamaño nanométrico, y se utiliza principalmente en la preparación del agua ultrapura.
El material de la película fina porosa puede clasificarse en películas finas porosas orgánicas, películas finas porosas inorgánicas y películas finas porosas orgánico-inorgánicas. Entre ellas, la película fina inorgánica porosa tiene las ventajas de la resistencia a las altas temperaturas, la resistencia a los ácidos y álcalis y la alta estabilidad mecánica, por lo que se convierte en una prioridad de desarrollo de la tecnología de separación de películas finas. Los métodos típicos para preparar películas finas inorgánicas porosas son: (1) sol-gel, (2) sinterización en estado sólido, (3) deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), etc. Todos ellos requieren complicados pasos de preparación, lo que se traduce en un largo tiempo de preparación y en un mayor coste. Debido a los requisitos del proceso, sólo se aceptan materias primas específicas, por ejemplo, sólo se aceptan las materias primas vaporizables para la reacción de CVD. Además, los métodos mencionados anteriormente utilizan frecuentemente disolventes o compuestos organometálicos nocivos durante la preparación de los materiales precursores, lo que también da lugar a la contaminación del medio ambiente y no satisface las exigencias actuales de protección del medio ambiente.
Para resolver los problemas mencionados, se ha propuesto la pulverización térmica para preparar una película fina inorgánica porosa. La pulverización térmica utiliza una fuente de calor para calentar rápidamente la materia prima del recubrimiento hasta convertirla en partículas fundidas, y a continuación impulsa las partículas fundidas para que lleguen a la superficie del sustrato a través del chorro de alta velocidad y formen así un recubrimiento. Bajo tal tratamiento de alta temperatura, un líquido en la superficie del sustrato se vaporizaría en vapor y luego pasaría a través del recubrimiento, con el fin de formar la estructura de poros de la película porosa.
Por ejemplo, la patente de Taiwán n° 200927994 divulga un método para formar una membrana compuesta que tiene una capa de recubrimiento porosa. Mediante el método divulgado, una materia prima se transformó en gotas fundidas o semifundidas con una fuente de calor y luego se pulverizaba sobre la superficie del sustrato poroso lleno de líquido en sus poros. El líquido en el sustrato poroso se vaporizaría en vapor y pasaría a través de las gotas fundidas o semifundidas para formar la membrana compuesta que tiene una capa de recubrimiento porosa.
A modo de ejemplo, la solicitud de patente estadounidense n° 2009/0280262 A1 también divulga un método para formar una membrana compuesta que tiene una capa de recubrimiento porosa. Mediante
el método divulgado, una materia prima se transformó en gotas fundidas o semifundidas con una fuente de calor y luego se pulverizó sobre la superficie de un sustrato poroso lleno de líquido en sus poros. Al igual que la situación que se produce en la patente de Taiwán n° 200927994A mencionada anteriormente, a pesar de que los poros del sustrato poroso estaban llenos de líquido antes del proceso de pulverización, dicho líquido se vaporizaría y la temperatura del sustrato poroso sería cada vez mayor.
Aunque la técnica de pulverización térmica puede simplificar o acortar el proceso de producción de la película, la película porosa que se obtiene mediante la pulverización térmica convencional presenta una falta de uniformidad y una amplia distribución en el tamaño de los poros, lo que resulta en una baja eficiencia de bloqueo.
En vista de los defectos técnicos de la película fina porosa convencional o de su método de preparación, un objetivo de la presente invención es proporcionar un método simple y económico para preparar una estructura porosa compuesta, y que, por lo tanto, tenga más potencial para la práctica comercial.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un método para preparar una estructura porosa compuesta que pueda producir una estructura porosa compuesta con una eficacia de bloqueo superior al 99%.
Con el fin de lograr el objetivo mencionado, la presente invención proporciona un método de preparación para una estructura porosa compuesta que comprende los siguientes pasos: paso (a1): preparar un sustrato poroso que tiene múltiples poros, una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, en el que el sustrato poroso es un tubo hueco, un cono hueco o una columna hueca; paso (a2): verter un líquido en los poros del sustrato poroso, en el que el líquido es agua, alcoholes, cetonas o combinaciones de estos; y paso (b): alimentar continuamente un fluido refrigerante para que entre en contacto con la primera superficie y fluya hacia la segunda superficie a través de los poros del sustrato poroso, y al mismo tiempo, calentar un material de recubrimiento hasta obtener múltiples partículas fundidas mediante una fuente de calor y pulverizar las partículas fundidas sobre la segunda superficie del sustrato poroso, de manera que se forme una capa de recubrimiento que tenga múltiples microporos en la segunda superficie del sustrato poroso y se forme una estructura porosa compuesta. En este caso, el material de recubrimiento es un material de recubrimiento polimérico orgánico o un material de recubrimiento inorgánico. En el que un caudal del fluido refrigerante (30) está comprendido entre 0,1 L/min y 10 L/min, y en el que una temperatura de las partículas fundidas es superior a la temperatura del fluido refrigerante; y una temperatura de la fuente de calor del paso (b) se sitúa entre 100°C y 10000°C, y una temperatura del fluido refrigerante del paso (b) se sitúa entre 5°C y 60°C. De conformidad con la presente invención, dado que se alimenta continuamente un fluido refrigerante en el sistema, el fluido refrigerante entra en contacto con la primera superficie del sustrato poroso, y por lo tanto una parte del fluido refrigerante se llenaría al menos en los poros del sustrato poroso, e incluso una parte del fluido refrigerante fluye hacia la segunda superficie a través de los poros del sustrato poroso. Cuando las múltiples partículas fundidas llegan a la segunda superficie del sustrato poroso, la energía térmica acompañada de las partículas fundidas puede vaporizar continuamente el fluido refrigerante en los poros en el vapor, y dicho vapor pasará a través de la capa de recubrimiento formada por las partículas fundidas y creará muchos microporos. Dado que las partículas fundidas llegan a la segunda superficie mientras el fluido refrigerante entra en contacto continuamente con la primera superficie, el fluido refrigerante puede eliminar la energía térmica excesiva, mantener la temperatura general del sustrato poroso y llenar continuamente los poros del sustrato poroso. Por lo tanto, puede superarse el fallo de que el líquido de los poros no pueda vaporizarse y no forme microporos cuando se adopta únicamente el método de pulverización térmica y el sustrato poroso se caliente gradualmente. Por lo tanto, el método de preparación de la presente invención tiene un proceso de fabricación simple, acorta en gran medida el tiempo de preparación y obtiene una estructura porosa compuesta con alta uniformidad en el tamaño de los poros, y por lo tanto puede hacer que la estructura porosa compuesta tenga una eficiencia de bloqueo superior al 99%.
De conformidad con la presente invención, las partículas fundidas incluyen partículas sustancialmente fundidas o semi-fundidas, por lo que las partículas fundidas pueden ser líquidas o sólidas. La diferencia de temperatura entre las partículas fundidas y el sustrato poroso puede afectar a la morfología final de las partículas fundidas apiladas en la segunda superficie del sustrato poroso, así como al tamaño de los poros de la capa de recubrimiento. Dado que la temperatura de las partículas fundidas es superior a la temperatura del fluido refrigerante, el fluido refrigerante puede tener un mejor efecto de refrigeración sobre el sustrato poroso.
En algunas realizaciones, el fluido refrigerante del paso (b) puede ser agua, alcoholes, cetonas o una combinación de estos. Por ejemplo, el agua puede ser, entre otras, agua desionizada o similar. Los alcoholes pueden incluir, entre otros, alcoholes que tienen un número de carbono de 1 a 5, tales como etanol, 1-propanol, 2-propanol, y combinaciones de estos. Las cetonas pueden incluir, entre otras, cetonas que tienen de 3 a 4 átomos de carbono, como la acetona, y combinaciones de estas.
De conformidad con la invención, el material del sustrato poroso puede ser un material polimérico orgánico, un material cerámico o un material metálico. Por ejemplo, el material polimérico orgánico puede incluir, entre otros, una poliolefina como el polietileno (PE), el polipropileno (PP), etc., politetrafluoroetileno (PTFE), poliacrilonitrilo (PAN) o poliuretano (PU). El material cerámico puede incluir, entre otros, óxido de aluminio (Al2O3), dióxido de silicio (SiO2), óxido de magnesio (MgO), dióxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO), óxido de circonio (ZrO2), o una combinación de estos. El material metálico puede incluir, entre otros, cobalto (Co), hierro (Fe), níquel (Ni), cobre (Cu), aluminio (Al), una combinación de estos o similares.
En algunas realizaciones, el espesor del sustrato poroso es inferior a 20 mm. Preferiblemente, el grosor del sustrato poroso se sitúa entre 1 mm y 20 mm.
En algunas realizaciones, el diámetro medio del poro de los múltiples poros del sustrato poroso es inferior o igual a 50 |im. Preferiblemente, el diámetro medio del poro de los múltiples poros en el sustrato poroso se sitúa entre 0,1 |im y 50 |im.
De conformidad con la presente invención, ya que el método de preparación de una estructura porosa compuesta incluye el paso (a1): preparar un sustrato poroso que tiene los poros; y el paso (a2): verter un líquido en los poros, puede hacer que los poros se llenen con suficiente líquido y, por lo tanto, proporcionar un método para preparar una estructura porosa compuesta con una consistencia de diámetro de poro más alta.
De conformidad con la invención, el paso (a2) de verter el líquido en los poros puede ser, entre otros, llenado a presión, llenado por aspersión, llenado por succión al vacío o llenado por inmersión.
De conformidad con la invención, el líquido es agua, alcoholes, cetonas o combinaciones de estos. Por ejemplo, el agua puede ser, entre otras, agua desionizada o similar. Los alcoholes pueden incluir, entre otros, alcoholes que tienen un número de carbono de 1 a 5 como el etanol, el n-propanol, el isopropanol, y combinaciones de estos. Las cetonas pueden incluir, entre otras, cetonas que tienen de 3 a 4 átomos de carbono, como la acetona, y combinaciones de estas.
De conformidad con la invención, el fluido refrigerante contiene el líquido como uno de sus componentes o el fluido refrigerante es igual que el líquido.
El caudal de volumen del fluido refrigerante que empieza a entrar en contacto con el sustrato poroso es el flujo de entrada del fluido refrigerante, y el caudal de volumen del fluido refrigerante que deja de entrar en contacto con el sustrato poroso es el flujo de salida del fluido refrigerante. La relación entre el flujo de entrada y el flujo de salida del fluido refrigerante puede afectar al rendimiento de disipación de calor del sustrato poroso, afectando así al tamaño de los poros y a la consistencia de los mismos en la capa de recubrimiento hecha por vapor. De conformidad con la invención, la relación entre el volumen de entrada y el volumen de salida del fluido refrigerante se sitúa entre 1:0,9 y 1:1.
El caudal del fluido refrigerante también puede afectar al rendimiento de disipación de calor del sustrato poroso, afectando así a la uniformidad del tamaño de los poros de los poros en la capa de recubrimiento hecha por vapor. De conformidad con la invención, la fuente de calor en este paso (b) puede ser, entre otros, llama, arco o plasma.
El número de pasos de pulverización afecta al grosor final del recubrimiento y al tamaño de los poros de los microporos de la capa de recubrimiento. Por lo tanto, las partículas fundidas pueden pulverizarse sobre la segunda superficie del sustrato poroso repetidamente en el paso (b) y el número de pasos de pulverización puede determinarse de acuerdo con el espesor requerido de la capa de recubrimiento. Preferiblemente, el número de pasos de pulverización es de 2 a 25.
La distancia de pulverización de las partículas fundidas desde la fuente de calor hasta la superficie del sustrato poroso afecta a las características de la capa de recubrimiento final. Si la distancia de pulverización es demasiado corta, la superficie del sustrato poroso puede deformarse térmicamente; si la distancia de pulverización es demasiado larga, la deformación térmica de la superficie del sustrato poroso puede evitarse, pero la temperatura y la velocidad de calentamiento de las partículas fundidas disminuyen, lo que reduce la densidad de la capa de recubrimiento. En algunas realizaciones, la distancia de pulverización se sitúa entre 5 cm y 30 cm.
En algunas realizaciones, el material de la capa de recubrimiento es una materia prima de recubrimiento inorgánica y la capa de recubrimiento comprende al menos un material de recubrimiento inorgánico seleccionado entre metales alcalinos, metales alcalinotérreos, silicatos, aluminatos, boratos, titanatos, fosfatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y compuestos halógenos. Por ejemplo, el metal alcalino puede ser, entre otros, un polvo metálico como el litio o el sodio; el metal alcalinotérreo puede ser, entre otros, un polvo metálico como el magnesio o el calcio; el silicato puede ser, entre otros, silicato de litio, silicato de magnesio, silicato de magnesio-litio, silicato de aluminio, silicato de circonio, silicato de sodio hidratado o silicato de magnesio hidratado, etc.; el aluminato puede ser, entre
otros, aluminato de calcio y similares; el borato puede ser, entre otros, metaborato de sodio, tetraborato de sodio y similares; el titanato puede ser, entre otros, titanato de magnesio o titanato de calcio y similares; el fosfato puede ser, entre otros, fosfato de calcio, fosfato de sodio o similares; el óxido puede ser, entre otros, un óxido metálico como la alúmina o la zirconia; el nitruro puede ser, entre otros, un nitruro metálico como el nitruro de aluminio o el nitruro de boro; el oxinitruro puede ser, entre otros, oxinitruros metálicos como los oxinitruros de aluminio o los oxinitruros de silicio; los carburos pueden ser, entre otros, carburos metálicos tales como el carburo de tungsteno o el carburo de aluminio; los carburos de oxígeno pueden ser, entre otros, el carburo óxido metálico tal como el carburo óxido de aluminio; el compuesto halógeno puede ser, entre otros, fluoruro de magnesio o similares. En otras realizaciones, cuando el material de recubrimiento es un material de recubrimiento orgánico, el material de recubrimiento orgánico se selecciona de entre el polietileno, el polipropileno o el politetrafluoroetileno, entre otros.
De conformidad con la invención, el método de preparación puede realizarse en un ambiente atmosférico o en un ambiente bajo vacío.
Además, la estructura porosa compuesta preparada por el método de preparación mencionado anteriormente comprende un sustrato poroso que contiene múltiples poros y una capa de recubrimiento que tiene múltiples microporos, el sustrato poroso tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, la capa de recubrimiento está dispuesta en la segunda superficie del sustrato poroso y el material de la capa de recubrimiento es un material polimérico orgánico o un material inorgánico. En algunas realizaciones, el material del sustrato poroso puede ser un material polimérico orgánico, un material cerámico o un material metálico. Basándose en el método de preparación mencionado anteriormente, se puede obtener una estructura porosa compuesta de sustrato orgánico de recubrimiento inorgánico, una estructura porosa compuesta de sustrato orgánico de recubrimiento orgánico, una estructura porosa compuesta de sustrato cerámico de recubrimiento inorgánico, una estructura porosa compuesta de sustrato cerámico de recubrimiento orgánico, una estructura porosa compuesta de sustrato metálico de recubrimiento inorgánico, una estructura porosa compuesta de sustrato metálico de recubrimiento orgánico, etc. Por ejemplo, el material del sustrato poroso es un material polimérico orgánico, que puede incluir, entre otros, poliolefinas tales como el polietileno, el polipropileno, etc., el politetrafluoroetileno, el poliacrilonitrilo, el poliuretano, etc.; el material del sustrato poroso es un material cerámico, que puede incluir, entre otros, alúmina, sílice, magnesia, titania, óxido de zinc, óxido de circonio, o una combinación de estos; el material del sustrato poroso es un material metálico, que puede incluir, entre otros, cobalto, hierro, níquel, cobre, aluminio o una combinación de estos. En comparación con las películas porosas existentes, la estructura porosa compuesta preparada por el método de la presente invención puede seleccionar más combinaciones de materiales, aumentando así el potencial de aplicación.
En algunas realizaciones, la capa de recubrimiento comprende al menos un material de recubrimiento inorgánico seleccionado entre metales alcalinos, metales alcalinotérreos, silicatos, aluminatos, boratos, titanatos, fosfatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y compuestos halógenos. Por ejemplo, el metal alcalino puede ser, entre otros, un polvo metálico como el litio o el sodio; el metal alcalinotérreo puede ser, entre otros, un polvo metálico como el magnesio o el calcio; el silicato puede ser, entre otros, silicato de litio, silicato de magnesio, silicato de magnesio-litio, silicato de aluminio, silicato de circonio, silicato de sodio hidratado o silicato de magnesio hidratado, etc.; el aluminato puede ser, entre otros, aluminato de calcio y similares; el borato puede ser, entre otros, metaborato de sodio, tetraborato de sodio y similares; el titanato puede ser, entre otros, titanato de magnesio o titanato de calcio y similares; el fosfato puede ser, entre otros, fosfato de calcio, fosfato de sodio o similares; el óxido puede ser, entre otros, un óxido metálico como la alúmina o la zirconia; el nitruro puede ser, entre otros, un nitruro metálico como el nitruro de aluminio o el nitruro de boro; el oxinitruro puede ser, entre otros, oxinitruros metálicos como los oxinitruros de aluminio o los oxinitruros de silicio; los carburos pueden ser, entre otros, carburos metálicos tales como el carburo de tungsteno o el carburo de aluminio; los carburos de oxígeno pueden ser, entre otros, el carburo óxido metálico tal como el carburo óxido de aluminio; el compuesto halógeno puede ser, entre otros, fluoruro de magnesio o similares. En otras realizaciones, cuando el material de recubrimiento es un material de recubrimiento orgánico, el material de recubrimiento orgánico se selecciona de entre el polietileno, el polipropileno o el politetrafluoroetileno, entre otros.
Preferiblemente, el tamaño medio de los poros de los microporos de la capa de recubrimiento porosa en la estructura porosa compuesta se sitúa entre 0,01 |im y 5 |im.
Preferiblemente, la capa de recubrimiento porosa en la estructura porosa compuesta tiene un grosor medio que se sitúa entre 5 |im y 500 |im.
EN LOS DIBUJOS:
La FIG. 1 es una vista esquemática del paso (b) en el método de preparación de una estructura porosa compuesta del Ejemplo 1.
La FIG. 2 es un diagrama de distribución del tamaño de los poros de los microporos en la capa de recubrimiento de la estructura porosa compuesta del Ejemplo 1.
La FIG. 3 es un diagrama de distribución del tamaño de los poros de los microporos en la capa de recubrimiento de la estructura porosa compuesta del Ejemplo 2.
La FIG. 4 es un diagrama de distribución del tamaño de los poros de los microporos en la capa de recubrimiento de la estructura porosa compuesta de un ejemplo comparativo.
Las figuras que van de la FIG. 5A a la FIG. 5C son vistas esquemáticas en perspectiva del sustrato poroso de la estructura porosa compuesta de conformidad con la presente invención.
En lo sucesivo, las realizaciones preferidas de la presente invención se describirán mediante los siguientes ejemplos, y un experto en la técnica puede comprender y alcanzar fácilmente sus ventajas y efectos de conformidad con la presente invención.
El método de preparación de una estructura porosa compuesta de la presente invención puede describirse en el Ejemplo 1 y en el Ejemplo 2 que se presentan a continuación:
Ejemplo 1
En primer lugar, en referencia ahora a la FIG. 1, se prepara un sustrato poroso tubular hueco 10 en el paso (a1). El sustrato poroso 10 tiene una pared tubular 101, un canal axial 102 y múltiples poros 103. El canal axial 102 está formado en la pared tubular 101, y los poros 103 están formados de forma cóncava en la pared tubular 101. La pared tubular 101 tiene una primera superficie 1011 (es decir, una superficie de pared interior) y una segunda superficie 1012 (es decir, una superficie de pared exterior) opuesta a la primera superficie 1011. La pared tubular 101 tiene un grosor de 2,5 mm, una longitud de 300 mm, un diámetro interior de 29,5 mm y un diámetro exterior de 30 mm. El sustrato poroso 10 es de acero inoxidable y tiene un diámetro medio de 3 |im.
Posteriormente, en el paso (a2), el sustrato poroso 10 se sumerge en un tanque lleno de agua desionizada para permitir que los múltiples poros 103 del sustrato poroso 10 se llenen de agua desionizada.
A continuación, en referencia a la FIG. 1, el fluido refrigerante 30 a 25° C se introduce en el canal axial 102 a un caudal de 3 L/min en el paso (b), de modo que el fluido refrigerante 30 entra en contacto continuamente con la primera superficie 1011 y mantiene la temperatura general del sustrato poroso 10. Una parte del fluido refrigerante 30 fluye a través de los poros 103 hacia la segunda superficie 1012. Al mismo tiempo, mediante una fuente de calor de 8000° C generada por un plasma, los materiales de recubrimiento de alúmina se calientan hasta obtener múltiples partículas fundidas 201 a una temperatura de unos 500 °C en la atmósfera, y las partículas fundidas 201 se pulverizan sobre la segunda superficie 1012 del sustrato poroso 10 con una distancia de pulverización de 10 cm entre la fuente de calor y la segunda superficie 1012, a fin de obtener una capa de recubrimiento 20 que tenga múltiples microporos. La relación entre el volumen de entrada y el de salida del fluido refrigerante 30 es de 1:0,99, lo que indica que el agua desionizada del fluido refrigerante 30 se llena continuamente en los múltiples poros 103 del sustrato poroso 10. En este paso, las partículas fundidas pulverizadas 201 se apilan en la segunda superficie 1012. El agua desionizada en los múltiples poros 103 puede ser vaporizada en vapor a través del calor (es decir, una temperatura superior a 100 °C) de las partículas fundidas 201, de modo que el vapor puede penetrar a través de la película fina para formar microporos. Además, en este paso, las partículas fundidas 201 son continuamente enfriadas y solidificadas por el fluido refrigerante 30 que fluye continuamente en el canal axial 102, y de esta manera se forma una capa de recubrimiento en la segunda superficie 1012 para obtener una estructura porosa compuesta 1. En este caso, el grosor medio de la capa de recubrimiento 20 es de 28 |im después de repetir los pasos anteriores tres veces en sincronización con el paso (b).
La distribución del tamaño de los poros de los microporos de la capa de recubrimiento porosa 20 de la estructura porosa compuesta 1 se muestra en la FIG. 2. Se puede ver que la distribución del tamaño de los poros de los microporos es muy estrecha y el tamaño de los poros tiene una alta uniformidad. La capa de recubrimiento porosa 20 de la estructura porosa compuesta 1 se mide con un analizador del tamaño de los poros, PMI CFP-1500A. El diámetro medio de los poros de los microporos es de aproximadamente 0,5 |im, y los microporos que tienen diámetros de poro superiores a 0,55 |im ocupan el 13,4% del total de los microporos.
Además, la eficacia de bloqueo de la estructura porosa compuesta 1 se mide por el método siguiente. (1) Se formularon partículas estándar de poliestireno (PS) (0,45 |im o 0,2 |im) en soluciones acuosas de diferentes concentraciones y se midió la turbidez mediante un turbidímetro para hacer una curva de calibración de manera que la concentración y la turbidez tengan una relación lineal; (2) se preparó una solución de 100 unidades nefelométricas de turbidez (NTU, por sus siglas en inglés) que contenía partículas
estándar de poliestireno de 0,45 |im. La solución se filtró a través de la estructura porosa compuesta 1 antes de que las partículas estándar de poliestireno formaran una torta de filtración en la superficie de recubrimiento 1012. La turbidez del filtrado obtenido tras la filtración es de 1 NTU, lo que indica que la estructura porosa compuesta 1 tiene una eficacia de bloqueo del 99% para las partículas estándar de poliestireno de 0,45 |im.
Ejemplo 2
El método de preparación del Ejemplo 2 es similar al método de preparación del Ejemplo 1, la diferencia radica en que el Ejemplo 2 repite el paso (b) 5 veces. La estructura porosa compuesta preparada de acuerdo con el método de preparación del Ejemplo 2 comprende un sustrato poroso y una capa de recubrimiento que tiene múltiples microporos que están formados en la segunda superficie del sustrato poroso. El grosor medio de la capa de recubrimiento es de 48 |im y el diámetro medio de los poros de los microporos de la capa de recubrimiento es de aproximadamente 0,32 |im. La distribución del tamaño de los poros se muestra en la FIG. 3, en la que los microporos que tienen diámetros de poro superiores a 0,35 |im ocupan sólo el 2,7% del total de microporos. Además, la estructura porosa compuesta de acuerdo con el ejemplo tiene una eficacia de bloqueo del 99% para las partículas estándar de poliestireno de 0,2 |im.
Ejemplo comparativo 1
El método de preparación del Ejemplo comparativo 1 es similar al método de preparación del Ejemplo 1, la diferencia radica en que, cuando las partículas fundidas se pulverizan sobre la segunda superficie del sustrato poroso, no se alimenta continuamente ningún fluido refrigerante que contenga agua desionizada para entrar en contacto con la primera superficie del sustrato poroso al mismo tiempo. De hecho, la primera superficie del sustrato poroso sólo entra en contacto de forma estática con el agua desionizada. La estructura porosa compuesta preparada de acuerdo con el método de preparación del Ejemplo comparativo 1 contiene un sustrato poroso y una capa de recubrimiento que tiene múltiples microporos que están formados en la segunda superficie del sustrato poroso, en la que el grosor medio de la capa de recubrimiento es de 25 |im y el diámetro medio de los poros de los microporos de la capa de recubrimiento es de aproximadamente 0,33 |im. Los tamaños de los poros de estos microporos en la estructura porosa compuesta son diferentes. La distribución del tamaño de los poros se muestra en la Figura 4, en la que los microporos que tienen diámetros de poro superiores a 0,35 |im ocupan el 43,6% del total de microporos, y los microporos que tienen diámetros de poro superiores a 0,55 |im ocupan incluso el 23% del total de microporos. Por lo tanto, la estructura porosa compuesta de acuerdo con el ejemplo comparativo tiene una eficacia de bloqueo de sólo el 83% para las partículas estándar de poliestireno de 0,45 |im. En referencia a las figuras que van de la Fig.5A a la Fig.5C, la estructura porosa compuesta 1 del Ejemplo 1 puede utilizar el tubo hueco 10 que se muestra en la FIG. 5A como sustrato poroso 10. Además, dependiendo de las necesidades de las diferentes aplicaciones, la columna hueca 10' que se muestra en la FIG. 5B o la columna hueca 10" que se muestra en la FIG. 5C pueden utilizarse como sustrato poroso, entre otros, sin afectar a la estructura porosa compuesta de la presente invención.
En conclusión, el método de preparación de la estructura porosa compuesta tiene un proceso simple, un tiempo de preparación corto y un coste más bajo. Además, el método puede adoptar más materiales diversos en combinación para aumentar el potencial de aplicación y no utilizar reactivos orgánicos tóxicos con el fin de cumplir los requisitos de protección del medio ambiente. Además, la estructura porosa compuesta que se obtiene con el método de la presente invención tiene una alta uniformidad del tamaño de los poros y, por lo tanto, tiene una buena eficacia de bloqueo.
Claims (5)
1. Método de preparación de una estructura porosa compuesta, que comprende los siguientes pasos:
paso (a1): preparar un sustrato poroso (10) que tiene múltiples poros (103), una primera superficie (1011) y una segunda superficie (1012) opuesta a la primera superficie (1011), donde el sustrato poroso (10) es un tubo hueco, un cono hueco o una columna hueca; paso (a2): verter un líquido en los poros (103) del sustrato poroso (10), donde el líquido es agua, alcoholes, cetonas o combinaciones de estos; y paso (b): calentar un material de recubrimiento hasta obtener múltiples partículas fundidas (201) mediante una fuente de calor y pulverizar las partículas fundidas (201) sobre la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10), de manera que se forme una capa de recubrimiento (20) que tenga múltiples microporos en la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10) y se obtenga la estructura porosa compuesta (1); donde el material de recubrimiento es un material de recubrimiento polimérico orgánico o un material de recubrimiento inorgánico; el método de preparación se caracteriza en que:
el paso b) comprende además alimentar continuamente un fluido refrigerante (30) para que entre en contacto con la primera superficie (1011) y que fluya continuamente hacia la segunda superficie (1012) a través de los poros (103) del sustrato poroso (10) cuando se pulverizan las partículas fundidas (201) sobre la segunda superficie (1012) del sustrato poroso (10); y donde un caudal del fluido refrigerante (30) está comprendido entre 0,1 L/min y 10 L/min; donde una temperatura de las partículas fundidas (201) es superior a la temperatura del fluido refrigerante (30); y una temperatura de la fuente de calor del paso (b) se sitúa entre 100°C y 10000°C, y una temperatura del fluido refrigerante (30) del paso (b) se sitúa entre 5°C y 60°C.
2. El método de preparación según la reivindicación número 1, en el que el material del sustrato poroso (10) es un material polimérico orgánico, un material cerámico o un material metálico.
3. El método de preparación según la reivindicación número 2, en el que el material polimérico orgánico incluye polietileno, polipropileno o politetrafluoroetileno.
4. El método de preparación según la reivindicación número 1, en el que la relación entre el volumen de entrada y el volumen de salida del fluido refrigerante (30) se sitúa entre 1:0,9 y 1:1.
5. El método de preparación según la reivindicación número 1, en el que el material de recubrimiento inorgánico es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en metales alcalinos, metales alcalinotérreos, silicatos, aluminatos, boratos, titanatos, fosfatos, óxidos, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos y compuestos halógenos; el material de recubrimiento polimérico orgánico incluye polietileno, polipropileno o politetrafluoroetileno.
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