ES2924560T3 - Intercambiador de calor y humedad - Google Patents

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Ryan Nicholas Huizing
Frank K Ko
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Core Energy Recovery Solutions Inc
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Abstract

Una membrana de transporte de vapor de agua comprende una capa nanofibrosa dispuesta sobre una capa de soporte macroporosa, la capa nanofibrosa recubierta con un polímero permeable al agua. Un método para fabricar una membrana de transporte de vapor de agua comprende formar una capa nanofibrosa sobre una capa de soporte macroporosa y aplicar un polímero permeable al agua a la capa nanofibrosa. El polímero permeable al agua se puede aplicar de modo que la capa nanofibrosa se llene sustancial o parcialmente con el polímero permeable al agua, o de modo que el recubrimiento forme una capa sustancialmente continua sobre una superficie de la capa nanofibrosa. En algunas realizaciones del método, la capa nanofibrosa se forma electrohilando al menos un polímero en al menos un lado de la capa porosa de soporte. En algunas realizaciones, la capa de soporte es moldeable y el método comprende además formar una estructura tridimensional a partir de la membrana de transporte de vapor de agua, por ejemplo, mediante moldeo por compresión, plisado u ondulado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor y humedad
Campo de la invención
La presente invención se refiere a intercambiadores de calor y humedad con escasa o nula mezcla de las corrientes de gas a través de la membrana.
Antecedentes
Un ventilador con recuperación de calor (HRV) es un dispositivo mecánico que incorpora un intercambiador de calor con un sistema de ventilación para proporcionar ventilación controlada a un edificio. El intercambiador de calor calienta o enfría el aire fresco entrante utilizando el aire de escape. Los dispositivos que también intercambian humedad entre las dos corrientes de aire generalmente se denominan Ventiladores con Recuperación de Energía (ERV), a veces también denominados Ventiladores con Recuperación de Entalpía o intercambiadores de entalpía. Para que los edificios tengan una buena calidad del aire interior, se requiere un intercambio del aire viciado del interior por aire fresco del exterior. Se puede usar un ERV para este propósito, e incorpora un método para eliminar el exceso de humedad, o añadir humedad, procedente del aire de ventilación que ingresa en el edificio. Además de mejorar la calidad del aire interior del edificio, la instalación de un ERV genera ahorro energético. Por ejemplo, en climas cálidos y húmedos, la energía utilizable se desperdicia cuando se agota el aire enfriado procedente del edificio. En un ERV, el aire de escape se puede usar para enfriar el aire más caliente que ingresa desde el exterior, reduciendo la carga de consumo energético del acondicionador de aire y la energía asociada al acondicionamiento de aire. Con un diseño adecuado, se puede reducir el tamaño del acondicionador de aire. Si los edificios tienden a ser demasiado húmedos, los ERV pueden rebajar los niveles de humedad, reduciendo la probabilidad de moho, bacterias, virus y hongos que causan enfermedades, ausentismo y pérdida de productividad. Por otro lado, en climas fríos y secos, se desperdicia energía cuando se expulsa el aire caliente del edificio, además de que puede haber un problema adicional de que la corriente de aire entrante resulte demasiado seca. Además de transferir el calor procedente del aire de escape al aire de entrada, los ERV se pueden usar para reciclar el vapor de agua procedente de la corriente de escape, elevando los niveles de humedad y reduciendo de este modo la irritación cutánea, la sequedad y los síntomas respiratorios causados por el aire seco.
Un componente clave del sistema de ERV que transfiere calor y humedad entre las corrientes de aire se denomina núcleo de ERV. Los dos tipos más comunes de ERV son los que se basan en dispositivos de tipo placa de membrana plana y los que se basan en dispositivos rotatorios de rueda de entalpía. Los núcleos de ERV de tipo placa plana comprenden capas de membrana permeable al agua. Las dos corrientes de aire se dirigen a través de capas alternas, o en los lados opuestos, del núcleo de ERV, y el calor y la humedad se transfieren a través de la membrana. Los ERV de rueda de entalpía (también conocidos como ruedas de energía) normalmente tienen un núcleo de panal cilíndrico o con forma de disco que está revestido con un desecante. Un motor hace girar el cilindro, transfiriendo el calor y la humedad entre las corrientes de aire de entrada y salida. Los sistemas de ERV normalmente también comprenden un receptáculo, bombas o ventiladores para mover las corrientes de aire, conductos, así como también filtros, electrónica de control y otros componentes.
Dado que el aire se extrae principalmente para eliminar el aire viciado y contaminado del edificio, preferentemente no debe ser posible mezclar la corriente de escape con la corriente de entrada en el lado opuesto de la membrana cuando las dos corrientes pasan a través del ERV. Sin embargo, en muchos casos existe contaminación cruzada (fugas entre corrientes) debido a fugas en los sellados o juntas del ERV y/o debido al paso de los gases a través del material de membrana.
Preferentemente, la membrana utilizada en un núcleo de ERV es fina para permitir un intercambio de calor adecuado entre las dos corrientes, impulsado por el gradiente de temperatura entre las corrientes. La membrana también es permeable al agua para permitir que la humedad pase a través del material, impulsada por el diferencial de presión de vapor o el gradiente de concentración de agua entre las dos corrientes. Las membranas más finas tienden a presentar mayores tasas de transporte de calor y humedad. De manera ideal, la membrana también es impermeable al aire y los gases contaminantes, para evitar la mezcla y el cruce de las dos corrientes a través de la membrana.
Las membranas que se han usado o sugerido para aplicaciones de ERV incluyen películas de celulosa; papeles de fibra de celulosa o fibra de vidrio o películas poliméricas porosas que están revestidas o impregnadas con un polímero hidrofílico o una mezcla de polímero hidrofílico-desecante; composites de película fina fabricados mediante polimerización interfacial; membranas laminadas formadas por una película soplada sobre una capa de soporte no tejida; membranas laminadas que comprenden una película de ionómero unida a un soporte poroso; y películas de ionómero sulfonado y carboxilado. Otros materiales implican la aplicación de un revestimiento permeable al agua al sustrato microporoso. Sin embargo, todos estos materiales presentan inconvenientes. Por ejemplo, las películas de celulosa no son mecánica ni dimensionalmente estables en condiciones húmedas, tienden a estar sujetas a fisuración por congelación/descongelación y, por lo general, son bastante gruesas (por ejemplo, mayor que 10 micrómetros), lo que conduce a una menor permeabilidad al agua. En presencia de agua líquida, los componentes hidrosolubles tienden a arrastrar por lavado los papeles o películas poliméricas que están revestidos con polímeros hidrofílicos y/o mezclas de polímero-desecante. Cuando se añade un desecante al revestimiento, esto puede requerir cargas elevadas de desecante (> 80%) y capas gruesas de revestimiento para bloquear el transporte de gas; esto puede reducir el transporte de agua. Las películas de celulosa y los papeles revestidos también tienden a ser inflamables y están sujetos a proliferación microbiana. En el caso de composites de película fina fabricados mediante polimerización interfacial, los monómeros reaccionan sobre la superficie de un sustrato polimérico poroso para formar un revestimiento permeable al agua con unión química, con el fin de reducir el problema de lavado del revestimiento. Dichas membranas tienden a ser costosas y su fabricación implica el uso de disolventes orgánicos y otras sustancias químicas agresivas. Además, los tipos de aditivos que se pueden incorporar están limitados por la química implícita. Las membranas laminadas preparadas mediante unión de una película de ionómero fundida a un soporte poroso, o una película soplada (por ejemplo, amida de bloque de poliéter (PEBA)) laminada a un material no tejido tienden a experimentar deslaminado debido a las diferentes propiedades dimensionales (por ejemplo, hinchamiento y expansión térmica) de las dos capas y la dificultad de crear una unión fuerte entre ellas. Además, el rendimiento de transporte de agua de dichas membranas laminadas tiende a ser limitado, porque el ionómero o la película soplada ha de ser lo suficientemente gruesa (por ejemplo, mayor que 5 micrómetros) para que se pueda procesar dando lugar a una película continua sin poros y a continuación se pueda manipular para fabricar el laminado.
Las propiedades deseables de una membrana para intercambiadores de entalpía y otras aplicaciones que implican intercambio de humedad y opcionalmente calor entre corrientes de gas con escasa o nula mezcla de las corrientes de gas a través de la membrana, generalmente incluyen lo siguiente:
• Elevada permeabilidad al agua (vapor y líquido);
• Elevada absorción de agua;
• Baja o nula permeabilidad de aire o gases contaminantes;
• No es inflamable;
• Resistencia a la proliferación microbiana;
• Resistencia mecánica y propiedades favorables en seco o húmedo, de modo que la membrana resulte fácil de manipular, no se rasgue fácilmente, preferentemente acepte y mantenga un pliegue, y sea suficientemente rígida para soportar diferenciales de presión para que la membrana no se curve de forma indebida;
• Buena estabilidad dimensional en presencia de agua líquida y lavable, lo que permite la limpieza con fines de mantenimiento sin dañar o comprometer la funcionalidad del núcleo de ERV;
• Larga vida útil en las condiciones de operación requeridas, sin lixiviación perjudicial o pérdida de los componentes de membrana y sin degradación significativa del rendimiento de transporte de vapor de agua o mayor contaminación cruzada;
• Tolerancia a los ciclos de congelación-descongelación en presencia de condensación de agua líquida sin deterioro significativo del rendimiento;
• Bajo coste;
• Aptitud de conformación, lo que significa que la membrana se puede conformar para dar lugar a estructuras tridimensionales y mantendrá su forma conformada.
A menudo, lo anterior representa requisitos en conflicto. Por ejemplo, los materiales que tienen una baja permeabilidad al aire tienen tendencia a presentar también baja permeabilidad al agua; las películas poliméricas brindan una excelente manipulación, pero tienden a ser bastante inflamables; y los polímeros especiales y los composites de película fina de alta ingeniería y materiales similares tienden a ser muy costosos.
Algunas de las membranas más prometedoras de última generación para estos dispositivos son sustratos poliméricos porosos que incorporan desecante, revestidos con una capa fina de polímero permeable al agua, por ejemplo, como se describe en el documento WO2010/132983 El sustrato proporciona rigidez estructural a la membrana, mientras que la capa polimérica funcional fina proporciona selectividad en cuanto al transporte de vapor de agua. El uso de dichos sustratos permite la aplicación de una capa polimérica fina permeable al agua (por ejemplo, el espesor de revestimiento puede ser menor que 5 micrómetros, y preferentemente menor que 1 micrómetro), lo que mejora el rendimiento de permeabilidad de vapor de agua de estos materiales, aunque todavía hay cierta resistencia al transporte de agua a través de la capa de revestimiento. El espesor del sustrato suele estar dentro del intervalo de 50 a 200 micrómetros, y los ensayos indican que más de un 50% de la resistencia al transporte de vapor de agua de dichas membranas proviene del sustrato. Esto está relacionado con la naturaleza del sustrato poroso, que tiende a presentar poros tortuosos y sin salida, lo que se traduce en una mayor resistencia al transporte de agua.
Una de las formas clave de aumentar la eficiencia de intercambio de entalpía en los ERV y otros dispositivos es disminuir la resistencia al transporte de vapor de agua del material de sustrato. Al mismo tiempo, es importante no aumentar el espesor de la capa selectiva. Otra forma de aumentar el rendimiento es mejorar la permeabilidad al agua de la capa polimérica selectiva. Sin embargo, muchos polímeros de elevada permeabilidad presentan un coste prohibitivo para estas aplicaciones. La capa de sustrato representa una gran parte del coste y la resistencia al transporte en los materiales actuales. Si se puede eliminar esta capa, el coste de la membrana se reduce drásticamente, mientras que aumenta el rendimiento de transporte de vapor. Por ejemplo, en un material de membrana de generación actual para aplicaciones de ERV, el coste de la capa microporosa de sustrato supera un 80% del coste de la membrana. Si el sustrato microporoso se puede eliminar de la membrana, puede haber una justificación económica para usar materiales de revestimiento y aditivos más costosos pero de mayor permeabilidad. Las membranas que se pueden conformar resultan ventajosas en el montaje y fabricación de módulos de membrana. Los materiales de membrana de composite diseñados que se pueden conformar para dar lugar a estructuras tridimensionales autoportantes permiten un mayor rendimiento y un menor coste de los dispositivos basados en membrana.
Las membranas de transporte de vapor de agua descritas en la presente memoria pueden proporcionar una elevada permeabilidad al agua y elevada selectividad (bajo cruce de gases), lo que las hace particularmente adecuadas para aplicaciones de ERV y otras aplicaciones que implican el intercambio de humedad y, opcionalmente, calor entre corrientes de gas. Además, se muestran membranas que tienen permeabilidad similar y propiedades selectivas que también se pueden conformar para dar lugar a estructuras tridimensionales.
El documento US2008149561 A1 divulga artículos que comprenden un soporte fibroso.
El documento WO2007001405 A2 divulga un medio de filtración de elevado flujo y baja obstrucción.
El documento WO2005075048 A1 divulga sustratos porosos, artículos, sistemas y composiciones que comprenden nanofibras.
El documento US2009324925 A1 divulga una estructura de revestimiento sobre soporte no tejido de fibras finas. El documento WO2012094407 A1 divulga la funcionalización de membranas de microfiltración nanofibrosas.
Sumario de la invención
La invención está definida por la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas se proporcionan en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1A es un diagrama simplificado que ilustra un ejemplo de un aparato de hilado de nanofibras y un proceso que se puede usar para preparar una capa nanofibrosa.
La FIG. 1B es un diagrama simplificado que ilustra un ejemplo de un aparato y proceso de rodillo-a-rodillo de revestimiento e hilado de nanofibras que se puede usar para preparar una capa nanofibrosa revestida y sobre soporte.
Las FIGS. 2A-D ilustran realizaciones de una membrana de transporte de vapor de agua que comprende una capa nanofibrosa y un revestimiento polimérico permeable a vapor de agua, sin una capa de soporte (no según la invención).
Las FIGS. 3A-F ilustran realizaciones de una membrana de transporte de vapor de agua que comprende una capa nanofibrosa, un polímero permeable a vapor de agua y una capa de soporte macroporosa.
La FIG. 4 es una micrografía electrónica de la superficie de una capa nanofibrosa de poliacrilonitrilo electrohilado. La FIG. 5 es una micrografía electrónica de una sección transversal de una membrana nanofibrosa revestida.
La FIG. 6 es una micrografía electrónica de la superficie de una capa nanofibrosa de poliacrilonitrilo revestida que se ha rellenado parcialmente con polímero de poliéter-poliuretano reticulado.
La FIG. 7 es una micrografía electrónica de la superficie de una capa nanofibrosa de poliacrilonitrilo revestida que está sustancialmente rellena con polímero de poliéter-poliuretano reticulado.
La FIG. 8A es una micrografía óptica de una capa nanofibrosa de poliacrilonitrilo revestida con poliéter-poliuretano sobre una capa de soporte de malla de aluminio.
La FIG. 8B es una foto de una muestra corrugada de la membrana de la FIG. 8A.
La FIG. 9 es una foto de una placa de intercambiador de entalpia conformada (moldeada por compresión) preparada a partir de una membrana selectiva permeable a vapor de agua que comprende una capa nanofibrosa revestida sobre una capa de soporte de poliéster de material textil no tejido e hilado.
La FIG. 10 es una vista isométrica simplificada de un núcleo de ERV de flujo cruzado.
La FIG. 11 es un diagrama simplificado que ilustra el uso de un sistema de ERV.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
En el presente enfoque, las membranas mejoradas de transporte de vapor de agua comprenden una capa nanofibrosa que está revestida con un polímero permeable a vapor de agua.
Como se usa en la presente memoria, "revestido" significa que las fibras de la capa nanofibrosa tienen el polímero permeable a vapor de agua depositado sobre las mismas. La capa nanofibrosa está rellena (totalmente impregnada), o parcialmente rellena, con el polímero permeable a vapor de agua. El polímero permeable a vapor de agua también se denomina en la presente memoria "revestimiento funcional" o "polímero funcional".
El revestimiento funcional permite que la membrana sea sustancialmente impermeable a gases y contaminantes, mientras permanece altamente permeable frente a agua y vapor de agua. Esta propiedad se conoce como selectividad. Las membranas descritas en la presente memoria son selectivas para vapor de agua con respecto a otros gases y contaminantes. La capa nanofibrosa se encuentra sobre una capa de soporte macroporosa, por ejemplo, para aumentar la facilidad de manipulación y procesado de la membrana. El revestimiento funcional, además de conferir selectividad y elevada permeabilidad frente a vapor de agua, también actúa como aglutinante para adherir la capa nanofibrosa a la capa de soporte. La capa de soporte se puede conformar, por ejemplo, de modo que la membrana se pueda someter a corrugado, plisado o conformación, para dar lugar a una serie de canales u otras estructuras tridimensionales. La membrana puede contener además aditivos para conferir la funcionalidad deseada a la membrana, tal como retardo de llama, actividad antimicrobiana o absorción mejorada de agua y vapor de agua.
En el presente enfoque, la capa nanofibrosa actúa como estructura principal para soportar el revestimiento funcional. La resistencia al transporte de vapor de agua en el sustrato se puede reducir sustancialmente a medida que los diámetros de fibra se aproximan a una escala nanométrica de 10-1000 nm. En la presente descripción, los materiales nanofibrosos se definen como materiales con diámetros de fibra menores que aproximadamente 1000 nm. Debido al pequeño diámetro de las fibras, la capa nanofibrosa tiene una porosidad muy elevada. El tamaño eficaz de poro de la capa nanofibrosa generalmente es función de la extensión de la deposición de material nanofibroso durante la fabricación de la capa nanofibrosa. La capa nanofibrosa tiene una elevada permeabilidad frente a vapor de agua, ya que tiene elevada porosidad y casi todos los poros son poros pasantes, con escasos puntos muertos y reducida tortuosidad. Esto significa que el vapor de agua se difunde a través de la capa nanofibrosa a través del espacio de aire abierto entre las fibras, con una trayectoria recta y relativamente sin obstrucciones a través del espesor de la capa y escasa interacción con las fibras. De este modo, la longitud de trayectoria de una molécula de vapor de agua en difusión que viaja en el eje perpendicular al plano de la capa nanofibrosa está en un intervalo de espesor de la capa. Esto se traduce en una menor resistencia al transporte de especies en difusión, ya que las moléculas tienen una trayectoria recta y no impedida a través de la capa nanofibrosa y, de este modo, una mayor permeabilidad frente a vapor de agua. La capa nanofibrosa, de manera inherente, o a través de la incorporación de aditivos, puede conferir las propiedades deseadas a la membrana. Estas propiedades pueden incluir, entre otras, mayor sorción, resistencia microbiana o resistencia a la llama. Otra ventaja de la utilización de una capa nanofibrosa para la fabricación de membranas es que la capa contiene muy poco polímero en peso y, de este modo, el coste de material resulta reducido. Por el contrario, las capas porosas o microporosas que se utilizan para soportar un revestimiento funcional en membranas de transporte de vapor de agua conocidas representan una gran parte del coste de material de la membrana.
En sumario, el uso de membranas basadas en nanofibras tiene el potencial de reducir en gran medida la resistencia al transporte de vapor de agua en el material final de la membrana, lo que se traduce en aumentos significativos de rendimiento del dispositivo y eficiencia energética general de la edificación. El mayor rendimiento de estas membranas nanofibrosas también mejora el rendimiento de los ERV en condiciones de congelación. Durante las condiciones de congelación, el mayor rendimiento de transporte de vapor de agua permite que pase más vapor de agua procedente de la corriente de escape a través de la membrana, lo que disminuye la cantidad de condensación presente y reduce la probabilidad de que se forme escarcha y hielo en los canales del intercambiador. En términos de longevidad, los sustratos fibrosos ofrecen una ventaja sobre los sustratos microporosos de generación actual en el sentido de que no sufren el colapso de los poros ni la fisuración inducida por tensión. Las membranas, que generalmente tienen menos de 100 micrómetros de espesor, presentan elevadas tasas de transporte de calor en los intercambiadores de entalpía. Se prefieren membranas más finas que 200 micrómetros y más preferentemente más finas que 100 micrómetros.
Se han incorporado capas nanofibrosas en membranas conocidas (técnica anterior) utilizadas para prendas de ropa transpirables de alto rendimiento, prendas de ropa protectoras, ultrafiltración, purificación de agua, absorción química y otras aplicaciones. Generalmente se usa al menos una capa de soporte para soportar una o más capas nanofibrosas, y en algunos casos se usan otros aditivos. La mayoría de las membranas descritas anteriormente que incorporan nanofibras son porosas y transportan vapor de agua, pero no son selectivas frente a vapor de agua con respecto a otros gases y, por tanto, no resultan adecuadas para aplicaciones de transporte selectivo de vapor de agua, tal como los dispositivos de ERV. También se han usado membranas que incorporan capas nanofibrosas en estructuras de "tipo sándwich" de varios niveles con aplicación de diversos revestimientos sobre las superficies de estos materiales para aplicaciones de ultrafiltración y purificación de agua.
En general, las membranas para aplicaciones de filtración de agua no resultan apropiadas para aplicaciones de transporte de vapor de agua. Las membranas de filtración de agua están diseñadas para estar en contacto con agua líquida a una presión relativamente elevada. A menudo, la obstrucción constituye un problema en la filtración de agua, pero normalmente constituye una preocupación menor en aplicaciones de transporte de vapor de agua. Las membranas de filtración de agua generalmente tienen estructuras de soporte gruesas y densas (en comparación con las membranas de transporte de vapor) para resistir las presiones diferenciales más elevadas a través de la membrana que se experimentan durante la filtración de agua. Las membranas de filtración de agua también están diseñadas generalmente para ser hidrófilas e hidrófobas, según el tipo de filtración; puede suceder que esto no resulte del todo deseable en aplicaciones de transporte de vapor. Dado que las membranas de filtración de agua están en contacto con agua líquida, tienden a presentar baja selectividad, baja permeabilidad o ambas, cuando se utilizan en aplicaciones de transporte de vapor de agua de gas-a-gas.
El presente enfoque que implica el uso de una capa nanofibrosa con un revestimiento polimérico selectivo permeable a vapor de agua puede permitir la formación de una capa selectiva permeable a vapor de agua sobre la parte superior de una capa de soporte macroporosa. En la presente memoria, macroporoso hace referencia a materiales con tamaños promedio de poro mayor que aproximadamente 10 micrómetros, a tamaños menores que 10 mm. De manera convencional, una dificultad con la fabricación de membranas basadas en estos materiales macroporosos radica en que resulta muy difícil formar una capa selectiva, fina y permeable al agua sobre la superficie de estos materiales. Con poros mayores que unas pocas micras, los poros tienden a llenarse con las disoluciones poliméricas en lugar de soportar una película superficial fina. Dado que estos materiales macroporosos son al menos tan gruesos (y normalmente mucho más gruesos) que el tamaño de poro del material, la capa selectiva de polímero permeable es relativamente gruesa si los poros se llenan con el polímero. Esto se traduce en una baja permeabilidad. Otra forma de fabricar membranas selectivas basadas en materiales de soporte macroporosos es mediante laminado de una película polimérica selectiva y permeable a vapor de agua sobre el soporte. Sin embargo, las películas poliméricas monolíticas y homogéneas exentas de defectos no se pueden fabricar de forma sencilla con un espesor menor que 5-15 micrómetros. Esto significa que la capa permeable selectiva sigue siendo bastante gruesa en comparación con la película moldeada sobre la superficie del material microporoso. La resistencia al transporte de vapor de agua debida al espesor de estas películas da lugar a un rendimiento deficiente en las aplicaciones de transporte de vapor de agua.
Un método novedoso para crear una capa polimérica fina, selectiva y permeable a vapor de agua sobre la capa de soporte macroporosa consiste en utilizar una capa nanofibrosa como estructura principal de soporte del polímero permeable a vapor de agua como se describe en la presente memoria. Una ventaja adicional es si el polímero permeable a vapor de agua se moldea a partir de la disolución para llenar total o parcialmente la capa nanofibrosa (en lugar de permanecer como una película superficial), y simultáneamente se adhiere la capa nanofibrosa a la capa de soporte.
Un método de este tipo para la fabricación de una fina capa selectiva permeable a agua se puede utilizar en una amplia diversidad de materiales de soporte macroporosos. Los materiales de soporte que son aptos para conformación pueden resultar deseables como capas de soporte. Este tipo de aptitud de conformación se puede traducir en membranas selectivas permeables a vapor de agua que, debido a la elección del soporte, se pueden conformar en estructuras tridimensionales autoportantes. Las membranas formadas tienen claras ventajas en la fabricación de módulos de membrana, ya que es posible eliminar componentes tales como campos de flujo fabricados por separado, nervaduras de soporte y similares, del diseño de módulo. Esto puede disminuir los costes de material y la complejidad de la fabricación. Además, el uso de la membrana para formar canales de flujo (es decir, donde las paredes del canal están formadas por una membrana permeable) puede aumentar significativamente el área superficial activa de la membrana en el módulo, lo que a su vez puede aumentar el rendimiento por unidad de volumen y reducir el coste. La capa nanofibrosa revestida es esencialmente un composite reforzado con fibra. Esto confiere mayor resistencia a la capa selectiva. Combinado con una capa de soporte macroporosa apta para conformación, esto permite formar la capa selectiva permeable a vapor de agua junto con el soporte, sin dañar o comprometer la capa selectiva. Durante algunas operaciones de conformación, la capa selectiva se alarga o estira durante la conformación. Esto puede provocar que la capa selectiva se vuelva más fina y puede aumentar aún más el rendimiento de transporte de vapor de agua de la membrana.
Capa nanofibrosa
La capa nanofibrosa se puede producir a través de diversas técnicas conocidas que incluyen, entre otras, estirado, deposición química de vapor, síntesis con plantilla, autoensamblaje, separación de fases, electrohilado e hilado de fuerza. El electrohilado y el hilado-fuerza tienen el mayor potencial para el escalado industrial, pero las membranas actuales pueden incorporar material nanofibroso producido a través de cualquier proceso adecuado de fabricación de nanofibras.
El electrohilado consiste en extraer una disolución polimérica para dar lugar a fibras delgadas usando un campo eléctrico de alta tensión. En una configuración típica, ilustrada en la FIG. 1A, se coloca una disolución polimérica 15 en una jeringa 10 y se conecta un electrodo 20 a la punta 25 de aguja metálica. Se mantiene un espacio de aire entre la punta de aguja 25 y un colector 30 conectado a tierra. Cuando se aplica tensión suficiente para superar la tensión superficial y las fuerzas viscosas en la disolución polimérica, la disolución se extrae en forma de chorro 35 desde la punta de aguja 25 hacia el colector 30. A medida que se extrae el chorro polimérico 35, el disolvente se evapora a partir de la fibra, la superficie de la fibra se carga y las fuerzas de repulsión provocan la batida del chorro, extrayendo la fibra con un diámetro más fino. Es posible obtener fibras continuas en el intervalo de 10­ 1000 nanómetros por este método.
El proceso de electrohilado es muy complejo y en la síntesis controlada de nanofibras electrohiladas intervienen numerosas variables. Las variables incluyen: variables de polímero-disolvente-disolución; concentración, conductividad, viscosidad, tensión superficial, volatilidad del solvente, constante dieléctrica, peso molecular y estructura del polímero. Las variables del proceso incluyen: distancia de hilado, geometría de aguja de la hilera, tasa de alimentación de la disolución, temperatura y humedad ambientales, tensión y geometría del colector. Los expertos en la materia pueden manipular eficazmente estas variables para fabricar nanofibras poliméricas de geometría y diámetro controlados.
Se han descrito varios métodos para producir láminas o rollos continuos de sustratos nanofibrosos. Esto incluye sistemas de aguja múltiple y paso múltiple, o un electrodo rotatorio que se humedece en un baño de disolución polimérica. A menudo resulta deseable fabricar capas nanofibrosas para membranas sobre capas de soporte para mejorar la resistencia y la facilidad de manipulación.
Una capa nanofibrosa se puede someter directamente a electrohilado sobre una capa de soporte macroporosa. El espesor de la capa nanofibrosa viene determinado, por ejemplo, por el diámetro de fibra, el tiempo de deposición y la geometría de configuración de electrohilado. Durante el proceso de electrohilado, el disolvente de la disolución de hilado polimérico se evapora a medida que se forman las fibras. Esto resulta ventajoso ya que las capas fibrosas estarán secas o casi secas al depositarse sobre la capa de soporte. Por tanto, puede resultar innecesario un secado adicional, sin embargo, se puede lograr un secado o curado completo mediante secado y calentamiento por convección, secado por infrarrojos, secado a vacío u otros métodos de secado y curado.
La mayoría de los polímeros comerciales que se pueden disolver en una disolución se pueden someter a electrohilado y se han presentado en la bibliografía. Por tanto, las capas nanofibrosas se pueden preparar a partir de una amplia diversidad de polímeros que incluyen, entre otros: poli(alcohol vinílico) (PVA); alcohol etilenvinílico (EVA); materiales celulósicos tales como alfa-celulosa, acetatos de celulosa (CA), carboximetilcelulosa (CMC) y etilcelulosa (EC); biopolímeros como quitosano, colágeno, dextrano y gelatina; poliamidas tales como nailon-6, nailon-12 y poliacrilamida; poli(ácido acrílico) (PAA); poliacrilonitrilo (PAN); policaprolactona (PCL); poli(óxido de etileno) (PEO); poliésteres tales como poli(etilentereftalato) (PET) y poli(butilensuccinato) (PBS); poliácidos tales como poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA), poli(ácido láctico) (PLA) y poli-L-lactida (PLLA); acrílicos tales como poli(metacrilato de metilo) (PMMA); polisulfona (p Su ); poli(eterimida) (PEi); poliimida (PI); polibencimidazol (PBI); poliestireno (PS); poliuretanos (PU) y copolímeros de poliuretano; polímeros vinílicos tales como poli(cloruro de vinilo) (PVA) y poli(fluoruro de vinilo) (PVDF); y poli(vinilpirrolidona) (PVP).
La capa nanofibrosa incorporada en las presentes membranas de transporte selectivo de vapor de agua preferentemente no es soluble en agua, por lo que la membrana es lavable y capaz de soportar la condensación en la aplicación de uso final. Los polímeros nanofibrosos que son solubles en agua se pueden reticular para hacer que la capa nanofibrosa sea insoluble en agua. La reticulación se puede lograr a través de varios métodos conocidos, incluida radiación UV o calor, y se puede acelerar mediante aditivos iniciadores. La reticulación también se puede lograr directamente mediante el uso de agentes de reticulación reactivos. El mecanismo de reticulación dependerá del polímero utilizado para la capa nanofibrosa. Puede resultar deseable usar un polímero que sea insoluble en agua para eliminar la necesidad de reticulación. Sin embargo, esto significa que se debe utilizar un sistema de disolvente no acuoso para la formación de la capa nanofibrosa. Los disolventes no acuosos suelen ser inflamables, tóxicos o ambos, lo que aumenta la complejidad de la fabricación. Puede ser necesaria la recuperación de disolventes, lo que aumenta el coste de fabricación de la membrana.
La elección del polímero para la capa nanofibrosa depende de la elección del revestimiento polimérico selectivo permeable a vapor de agua y de cualquier material de soporte utilizado. La capa nanofibrosa puede ser hidrófoba o hidrófila, según el revestimiento funcional y la arquitectura deseada para la membrana a fabricar. Por ejemplo, el uso de una capa nanofibrosa parcialmente hidrófila y una disolución acuosa de revestimiento funcional conduce generalmente a una capa nanofibrosa rellena. Por otra parte, una disolución acuosa de revestimiento funcional aplicada a una capa nanofibrosa hidrófoba no humedece ni se introduce en la capa nanofibrosa y, en general, crea una capa nanofibrosa revestida en superficie.
Una ventaja de utilizar fibras con dimensiones nanométricas es que, a medida que disminuyen los diámetros de fibra, la proporción de átomos en superficie con respecto a volumen en la fibra aumenta de forma drástica. Se sabe que los átomos en superficie son más activos y, de este modo, las fibras en el intervalo nanométrico pueden demostrar propiedades mejoradas reactivas, antimicrobianas, naturaleza anti-inflamable y/o sorción. Además, un diámetro de fibra reducido aumenta en gran medida el área superficial de las capas nanofibrosas sobre las capas microfibrosas, lo que puede resultar beneficioso en determinadas aplicaciones de superficie activa.
Se pueden incorporar aditivos con propiedades beneficiosas en la capa nanofibrosa de las presentes membranas. Dado que esta capa tiene un área superficial elevada, también se puede aumentar el área activa del aditivo. Por lo tanto, las propiedades antimicrobianas, naturaleza anti-inflamable o absorción de la membrana se pueden mejorar en gran medida mediante la incorporación de aditivos en la capa nanofibrosa.
En algunas realizaciones de las presentes membranas, la capa nanofibrosa puede incluir uno o más tipos diferentes de polímeros o estar formada por disoluciones del mismo polímero pero con diferentes aditivos. Las disoluciones poliméricas en forma de mezcla con propiedades deseables se pueden someter a electrohilado para formar nanofibras de dos o más polímeros. Además, dos o más disoluciones poliméricas se pueden someter a electrohilado a partir de agujas independientes y se pueden depositar simultáneamente en un colector para producir una red de dos o más polímeros nanofibrosos entrelazados en la misma capa. Este método de boquilla de hilado múltiple puede permitir la distribución controlada de aditivos en la capa nanofibrosa mediante el control de la deposición de fibras a partir de diferentes disoluciones.
Las capas nanofibrosas también se pueden crear sobre otras capas nanofibrosas, donde cada capa es un polímero diferente, o cada capa tiene un diámetro o geometría de fibra diferente o incorpora aditivos diferentes. Esto puede resultar útil para crear estructuras con tamaño de poro o porosidad creciente o decreciente, o para crear capas con carácter hidrófilo o hidrófobo variable.
En realizaciones preferidas de las presentes membranas, la capa nanofibrosa se deposita directamente sobre una capa de soporte macroporosa mediante electro-hilado u otro método adecuado de formación de nanofibras. Este proceso puede ser continuo, lo que permite fabricar rollos de material nanofibroso sobre soporte. Este proceso también puede ser parte de una línea de fabricación de membrana continua, con un revestimiento funcional que se aplica después de la formación de la capa nanofibrosa sobre soporte.
Capa de revestimiento
El revestimiento polimérico selectivo permeable a vapor de agua aplicado a la capa nanofibrosa funciona como una barrera para la mezcla de gases y el transporte de contaminantes. El revestimiento funcional es altamente permeable a vapor de agua y altamente selectivo frente a vapor de agua, aunque también resulta deseable la sorción y la permeabilidad de agua líquida. El revestimiento funcional normalmente se aplica en forma de disolución. Como se usa en la presente memoria, particularmente en referencia al revestimiento funcional, "disolución" incluye dispersiones y suspensiones, así como disoluciones de polímero funcional. La disolución de revestimiento funcional también puede contener aditivos deseables, tales como antimicrobianos, retardantes de llama y desecantes.
El transporte de agua es impulsado por difusión a través del polímero funcional mediante un gradiente de concentración desde el lado húmedo de la membrana hasta el lado seco de la misma. Resulta deseable reducir el espesor del revestimiento funcional con el fin de aumentar la tasa de transporte de agua a través de la membrana, sin embargo, esto se debe hacer sin comprometer indebidamente la capacidad del revestimiento funcional para actuar como barrera para la mezcla de gases.
La permeabilidad a vapor de agua del revestimiento funcional también depende de la solubilidad y difusividad del vapor de agua en el polímero, como se describe generalmente en la bibliografía científica de membranas: permeabilidad = difusividad x solubilidad. De este modo, la permeabilidad depende de la naturaleza del polímero funcional, que incluye empaquetamiento y orientación de la cadena polimérica, grupos funcionales en la cadena polimérica, polaridad, grado de cristalinidad, aditivos poliméricos, densidad de reticulación, presencia de materiales de relleno y grado de plastificación del polímero en presencia de agua. La solubilidad depende de la naturaleza química del polímero funcional y de las especies que se absorben en la capa polimérica, por ejemplo, determinados polímeros captan de manera favorable una molécula polar, tal como agua, debido a su naturaleza química. De este modo, los polímeros hidrosolubles presentan una elevada solubilidad en agua y vapor de agua, y la sorción de vapor de agua en el polímero es termodinámicamente favorable. La reticulación de estos polímeros reduce la solubilidad hasta cierto punto, sin embargo, la reticulación permite que el polímero se hinche bastante en presencia de especies solubles sin disolver el polímero. Los elevados niveles de hinchamiento en determinados polímeros dan lugar a la formación de canales de líquido a través de la estructura polimérica. Si el agua es el soluto, esto a menudo se logra de forma espontánea debido a que el polímero experimenta una separación interna de fases, ya que las fuerzas termodinámicas provocan la alineación de los grupos hidrofílicos dentro del polímero. La presencia de estos "canales acuosos" en la capa polimérica sólida tiene un profundo efecto sobre el transporte por difusión en el polímero, ya que el transporte a través de la fase líquida es mucho mayor que a través de la fase sólida. En general, los polímeros elastoméricos tienen un movimiento menos restringido que los polímeros amorfos, que a su vez están menos restringidos que los polímeros cristalinos. Esto está relacionado con el volumen libre en el polímero a medida que las moléculas poliméricas se mueven dentro del sólido al migrar a los orificios dentro de la matriz polimérica. Generalmente, cuanto más móvil es una cadena polimérica dentro del material de revestimiento, mayor es la tasa de transporte por difusión en el material. De este modo, la difusión aumenta mucho en los polímeros en los que las cadenas son móviles. Una combinación de elevada sorción de agua y vapor de agua y una rápida difusión de vapor de agua en la matriz polimérica se traduce en polímeros funcionales con elevada permeabilidad. Estos polímeros constituyen materiales de revestimiento funcional deseables para la presente invención.
El revestimiento polimérico funcional es preferentemente flexible para permitir una manipulación, plisado y procesado más sencillos de la membrana final con vistas a la formación de núcleos de ERV u otros dispositivos similares. Por tanto, se prefieren los polímeros no cristalinos, elastoméricos o amorfos, ya que generalmente son flexibles.
Después del secado y curado, el revestimiento funcional debe ser insoluble en agua, ya que normalmente se produce condensación en el dispositivo en la aplicación de uso final. En las aplicaciones de ERV, dado que la membrana forma una interfaz con el aire que entra y sale del edificio, resulta deseable la posibilidad de lavar la membrana de forma periódica.
Se pueden usar varios revestimientos funcionales que incluyen, por ejemplo, celulosa y sus derivados tales como carboximetilcelulosa, etilcelulosa, acetato de celulosa; poliéteres tales como poli(óxido de etileno), polietilenglicol, poli(óxido de fenileno); alcoholes vinílicos tales como poli(alcohol vinílico); y acrílicos tales como poliacrilatos y poliacrilamidas. Sin embargo, puede resultar difícil conseguir que algunos de estos revestimientos funcionales se vuelvan insolubles en agua, tengan escasa selectividad o permeabilidad insuficiente para aplicaciones de ERV.
Los elastómeros termoplásticos (TPE) son materiales de revestimiento candidatos, ya que algunos de estos materiales ofrecen elevada permeabilidad (como se ha comentado anteriormente) y se pueden producir como copolímeros con polímeros permeables al agua para producir polímeros con elevadas tasas de transporte de vapor de agua e integridad estructural. Se encuentra disponible una amplia gama de polímeros de TPE exclusivos, con varias calidades preparadas específicamente para el transporte de vapor de agua. Las familias incluyen poliuretanos termoplásticos, poliésteres termoplásticos, poliamidas termoplásticas y copolímeros de bloques de estireno. Estos polímeros se encuentran disponibles comercialmente, por ejemplo, Estane (Lubrizol), PEBAX (Arkema), Arnitel (DSM), Hytrel (DuPont) y Kraton (Shell). Estos polímeros normalmente se procesan en masa fundida y están disponibles en forma de lámina como "películas transpirables". La permeabilidad a vapor de agua de estos materiales es suficiente para algunas aplicaciones, sin embargo, la menor limitación de formación de película (típicamente 5-15 gm) tiende a traducirse en un rendimiento de transporte de vapor de agua menor al que se requiere en aplicaciones de elevado transporte de vapor de agua, tal como aplicaciones de ERV.
Las dispersiones de poliuretano, tales como copolímeros de poliuretano-poliéter, son revestimientos adecuados, flexibles, duraderos y permeables al agua que se pueden aplicar como disoluciones acuosas y posteriormente se pueden reticular. Por ejemplo, se ha encontrado que los polímeros de poliuretano-poliéter no iónicos (tales como los que, por ejemplo, están disponibles en Lubrizol con el nombre PERMAX 230) que contienen un segmento 'duro' de cadena principal de poliuretano para resistencia mecánica y cadenas laterales de segmento 'blando' de poli(óxido de etileno) (PEO) para permeabilidad y funcionalidad de transporte de agua, resultan apropiados. Dado que el polímero es soluble en agua, se requiere cierto grado de reticulación para que el polímero sea suficientemente insoluble. Para estos revestimientos, la reticulación generalmente tiene lugar en los grupos carboxilo en los segmentos de poliuretano de la cadena polimérica. Este mecanismo de reticulación hace que el revestimiento polimérico sea menos soluble en agua líquida, mientras que las propiedades de transporte de agua de las secciones blandas (PEO) del polímero se conservan de manera apropiada. Los agentes de reticulación adecuados para estos polímeros incluyen aziradinas, melaminas, isocianatos y carbodiimidas.
Las resinas poliméricas diseñadas específicamente para el transporte de vapor de agua (por ejemplo, PEBAX MV3000, PEBAX 1074 y 1657) se pueden disolver en disolventes apropiados y a continuación se pueden aplicar a la capa de nanofibras como revestimiento funcional. Estos polímeros resultan más difíciles de disolver, pero tienen la ventaja añadida de ser insolubles en agua una vez que se moldean.
Determinados polímeros ionoméricos, tales como los polímeros carboxilados o sulfonados, muestran elevadas tasas de transporte de vapor de agua debido a la capacidad de estos polímeros para hincharse y formar "canales acuosos" en presencia de agua líquida o vapor de agua. Los polímeros sulfonados disponibles comercialmente, tales como poliestireno sulfonado (sPS), ácido sulfónico perfluorado (PFSA), poliéterétercetona sulfonada (sPEEK), poliétersulfona sulfonada (sPES) y estireno-etileno-butileno-estireno sulfonado (sSEBS) tienden tendencia a presentar un transporte de vapor de agua muy elevado y pueden ser altamente selectivos frente a vapor de agua. Estos polímeros tienden a mostrar fenómenos de hinchamiento, formando canales acuosos en el polímero y elevada permeabilidad al agua. El hinchamiento excesivo disminuye la estabilidad dimensional del polímero y puede provocar problemas de durabilidad en el material y los dispositivos fabricados a partir de la membrana cuando se exponen a agua líquida. El alcance del hinchamiento se puede controlar mediante el grado de sulfonación y la naturaleza estructural del polímero. El hinchamiento también se puede reducir restringiendo físicamente el polímero sobre o dentro de una estructura porosa. Las capas nanofibrosas tienen grandes áreas superficiales y proporcionan un sustrato excelente para albergar polímeros susceptibles de hinchamiento. Por tanto, los polímeros ionoméricos que transportan vapor de agua se pueden usar como revestimientos funcionales aplicados a la capa nanofibrosa en las presentes membranas. No obstante, estos materiales tienden a presentar un coste más elevado que otros polímeros funcionales y puede suceder que el uso de estos materiales no resulte económicamente viable para determinadas aplicaciones.
El revestimiento polimérico permeable a vapor de agua también puede ser una mezcla de varios polímeros, por ejemplo, un polímero altamente permeable y de alto coste mezclado con un polímero de menor permeabilidad y menor coste, se puede conferir una mayor permeabilidad al revestimiento sin aumentar el coste de forma sustancial. Un ejemplo no limitante sería preparar un revestimiento selectivo altamente permeable a vapor de agua mezclando una pequeña parte de polímero sulfonado costoso con poliéter-poliuretano permeable al agua de bajo coste.
Aditivos para revestimiento
Las propiedades de la membrana final se pueden mejorar aún más para la aplicación particular de uso final mediante la incorporación de uno o más aditivos en el revestimiento polimérico funcional que se aplica a la capa nanofibrosa. Ejemplos incluyen:
(a) mayor resistencia a la llama mediante el uso de retardantes de llama; y/o
(b) mayor resistencia microbiana mediante el uso de microbicidas para resistir la proliferación de moho, bacterias y/u hongos; y/o
(c) mayor permeabilidad y absorción de agua mediante el uso de desecantes y/u otros polímeros; y/o
(d) sorción o enmascaramiento de olores, VOCs u otros contaminantes.
Se pueden añadir aditivos retardantes de llama al revestimiento funcional para mejorar la resistencia a la llama de la membrana final. Esto es particularmente importante si la capa nanofibrosa y/o capa de soporte (en caso de estar presente) no son resistentes a la llama, en cuyo caso, el revestimiento puede contener suficiente aditivo para hacer que la membrana final sea resistente a la llama. Diversos tipos de aditivos resultan adecuados para este propósito. Estos incluyen intumescentes tales como grafito expansible y fosfonatos; trihidratos de aluminio; hidróxidos metálicos, tales como hidróxidos de aluminio e hidróxidos de magnesio; compuestos de antimonio tales como trióxido de antimonio, pentóxido de antimonio y antimonito de sodio; compuestos de boro, tales como ácido bórico, bórax, borato de zinc; otros compuestos metálicos, tales como compuestos de molibdeno, compuestos de titanio, compuestos de circonio, compuestos de cinc tales como estannato de cinc, hidroxiestannato de cinc; compuestos de fósforo tales como fósforo rojo y polifosfato de amonio; melamina; y guanidina. De manera ideal, el aditivo retardante de llama no es soluble en la disolución de revestimiento funcional y se puede dispersar de forma sencilla en la disolución. También resulta deseable que el aditivo no sea tóxico y resulte eficaz con cargas bajas.
La capa nanofibrosa, el revestimiento funcional y la capa de soporte utilizados en las realizaciones de las membranas descritas en la presente memoria generalmente no favorecen y, en algunos casos evitan, la proliferación de moho y bacterias (a diferencia de la celulosa y otros sustratos y revestimientos utilizados con anterioridad). La adición de microbicidas al revestimiento puede impedir aún más la proliferación de moho, hongos y bacterias en un intercambiador de entalpía u otro dispositivo. Para los intercambiadores de entalpía que forman parte de un sistema de tratamiento de aire, los materiales se pueden utilizar en un entorno oscuro, húmedo y cálido, que resulta favorable a la proliferación de moho y bacterias. La adición de estos aditivos puede resultar beneficiosa incluso si los materiales de membrana utilizados no son susceptibles de degradación. Los aditivos adecuados para este propósito incluyen Microban®, Bioban (bronopol), Dowicide (2-fenilfenol), Filmguard (3-yodopropinilbutilcarbamato), Amical (diyodometil-p-tolilsulfona) y Canguard (1,2-benzisotiazolin-3-ona).
En algunos casos, puede resultar deseable añadir desecantes al revestimiento funcional para aumentar la capacidad de transporte de agua del material. Preferentemente, los desecantes añadidos al revestimiento están seleccionados y se utilizan en cantidades tales que no aumentan negativamente la permeabilidad de gas a través de la membrana y no se disuelven en agua con el tiempo. Los desecantes adecuados pueden incluir cloruro de litio, sílice, tamices moleculares, zeolitas, alúmina, cloruro de calcio y sulfato de calcio, aunque algunos de estos tienen tendencia a ser hidrosolubles.
Los aditivos, tales como los anteriores, pueden tener la ventaja de absorber y bloquear olores y otros contaminantes en la corriente de aire.
Se pueden añadir polímeros hidrosolubles al revestimiento funcional en forma de agentes de modificación de viscosidad y agentes de formación de película, para mejorar la consistencia del revestimiento y aumentar la facilidad de fabricación. Se pueden añadir tensioactivos al revestimiento funcional para mejorar la dispersión del revestimiento sobre el sustrato o disminuir la formación de espuma en la disolución de revestimiento durante el procesado.
Capa de soporte
Como se ha mencionado anteriormente, las presentes membranas comprenden además una capa de soporte, por ejemplo, para proporcionar rigidez estructural y hacer que la membrana resulte más fácil de manipulación y uso. Dado que la capa nanofibrosa suele ser bastante fina y frágil, resulta ventajoso disponer de una capa de soporte sobre la que se pueda fabricar la capa nanofibrosa con el fin de facilitar la manipulación entre el proceso de hilado de nanofibras y el proceso de revestimiento. Una vez que se aplica el revestimiento funcional, la membrana puede aprovechar la mayor integridad estructural proporcionada por la capa de soporte. La capa de soporte puede ser importante para el procesado aguas abajo y la incorporación de la membrana en dispositivos e intercambiadores de entalpía. Por ejemplo, la capa de soporte puede mejorar la facilidad con la que la membrana se puede plisar, enrollar, conformar, soldar, encintar, encapsular o manipular en diversos procesos de fabricación. La capa de soporte también puede proporcionar a la membrana suficiente resistencia y/o tenacidad para ser utilizada en un dispositivo en las condiciones operativas requeridas. Por ejemplo, puede suceder que la membrana se soporte a sí misma entre las nervaduras o canales bajo una presión diferencial aplicada a temperatura elevada sin deformación no deseada. La capa de soporte puede permitir que la membrana experimente soldadura térmica, por vibración o ultrasonidos o se una en cierto modo consigo misma u otros componentes.
La capa de soporte preferentemente proporciona propiedades mecánicas deseables sin conferir ningún aumento significativo de la resistencia al transporte de vapor de agua. Por este motivo se utilizan materiales macroporosos con elevada porosidad tales como capas de soporte. El material de soporte está seleccionado de forma que sea física y químicamente compatible con el resto del sistema de membranas. En algunas aplicaciones, resulta deseable que el material de soporte no sea inflamable y/o resista la proliferación de moho, bacterias u otros microbios.
La capa de soporte puede ser cualquier material poroso adecuado, incluidos, entre otros: materiales no tejidos, materiales tejidos, mallas poliméricas, mallas metálicas, filtros, materiales fibrosos, carbono sinterizado, metales sinterizados, plásticos sinterizados y espumas. Se ha encontrado que los materiales no tejidos formados por fibras poliméricas resultan particularmente adecuados para aplicaciones de ERV. Estos materiales se encuentran ampliamente disponibles, son relativamente económicos y se fabrican a partir de una amplia gama de polímeros. También se pueden utilizar estructuras de malla metálica como capas de soporte, con la ventaja añadida de que se pueden plisar, corrugar o conformar de forma sencilla antes o después de la fabricación de la membrana.
Fabricación de membranas
En un procedimiento de revestimiento, se vierte una disolución polimérica funcional sobre la capa nanofibrosa, después de lo cual el disolvente se evapora dejando un revestimiento polimérico sólido sobre la capa nanofibrosa. La disolución polimérica tiene afinidad por la capa nanofibrosa, de modo que la capa nanofibrosa se llena con la disolución polimérica, y cuando el disolvente se evapora, se produce el relleno polimérico funcional o relleno parcial de poros de la capa nanofibrosa. El alcance del relleno depende de una serie de variables de la disolución que incluyen, por ejemplo, la concentración y el tipo de polímero de la disolución, el disolvente y la tensión superficial de la disolución. El alcance del relleno también depende de una serie de propiedades de la capa nanofibrosa, incluido el tamaño de poro, diámetro de fibra y la energía superficial del polímero nanofibroso. El alcance del relleno también depende del método de aplicación y del volumen de disolución de revestimiento funcional depositada sobre la capa nanofibrosa. Con el fin de aumentar la permeabilidad al agua de la membrana final, preferentemente la cantidad de polímero funcional aplicada debe ser solo suficientemente elevada para cumplir los requisitos de selectividad de la aplicación.
Los métodos para formar las presentes membranas se describen con más detalle a continuación. En algunas realizaciones, se pueden utilizar procesos de multietapa, mientras que otras realizaciones pueden implicar la fabricación en un proceso continuo.
Se puede aplicar una disolución polimérica funcional directamente a la capa nanofibrosa o la capa nanofibrosa sobre soporte por medio de una varilla, cuchilla o dispositivo similar. Otros métodos de aplicación adecuados incluyen el revestimiento por inmersión, varilla de Mayer, revestimiento con cuchilla sobre rodillo, huecograbado directo, huecograbado con compensación, revestimiento superficial, boquilla de rendijas y revestimiento por pulverización. A continuación, la membrana revestida normalmente se hace pasar a través de un dispositivo de secado u horno para eliminar el exceso de disolvente y hacer que el revestimiento se adhiera a la superficie nanofibrosa. El secado se puede lograr, por ejemplo, mediante secado con aire caliente por convección, uso de dispositivos de calentamiento por infrarrojos o una combinación de ambos. La temperatura elevada en el dispositivo de secado puede iniciar o acelerar la reticulación del revestimiento polimérico. Dependiendo del tipo de polímero de revestimiento, se pueden usar otras técnicas de reticulación. La producción de estas membranas se puede completar en equipos de rodillo-arodillo en un proceso continuo, lo que permite una fabricación de alto volumen y bajo coste.
La FIG. 1B es un diagrama simplificado que ilustra un ejemplo de un aparato y proceso de rodillo-a-rodillo que se puede usar para preparar una capa de nanofibras revestida sobre soporte. Se utilizan tres filas de aparato de jeringa 115 (similares a los descritos con referencia a la FIG. 1A) para provocar el electrohilado y la deposición de una capa nanofibrosa sobre una capa 140 de soporte macroporosa que se somete a tensión y se mueve entre los rodillos 145a y 145b, pasando por debajo del rodillo 150. Un colector 130 conectado a tierra se ubica debajo de la capa 140 de soporte macroporosa directamente bajo el aparato de jeringa 115. Una vez que se ha formado la capa nanofibrosa sobre la capa de soporte, se aplica una disolución de revestimiento funcional utilizando un revestimiento por rodillos adecuado o un aparato de revestimiento 155 alternativo, y posteriormente se elimina el disolvente y se seca la membrana utilizando un horno, dispositivo de calentamiento o dispositivo de secado 160 antes de la recogida sobre el rodillo 145b.
Según el método de revestimiento y las propiedades químicas de la capa nanofibrosa, la capa de soporte y la disolución de revestimiento funcional, la capa nanofibrosa y la capa de soporte se pueden humedecer durante el proceso de revestimiento. En este caso, el revestimiento puede actuar para unir las capas formando la membrana final. Sin embargo, para mantener una elevada permeabilidad a vapor de agua en la membrana, se requiere una baja utilización del revestimiento, pero no tan baja como para comprometer la selectividad de la membrana. Los expertos en la técnica pueden lograr un equilibrio entre las dimensiones de nanofibra, espesor de la capa nanofibrosa, densidad, tamaño de poro, porosidad y formulación de revestimiento, método de aplicación y uniformidad y grosor, lo que conduce a la fabricación de membranas con elevada permeabilidad y elevada selectividad.
Una realización de membrana preferida se puede preparar por medio de hilado de una carga reducida de capa fibrosa con fibras de menos de 500 nm de diámetro sobre la superficie de una capa de soporte macroporosa. Esta capa fibrosa tiene poco peso, bajo espesor y elevada porosidad. La capa nanofibrosa se reviste posteriormente con una disolución de un polímero funcional con elevada permeabilidad a vapor de agua que humecta la capa nanofibrosa y la capa de soporte macroporosa. El exceso de revestimiento se retira mecánicamente y el disolvente del revestimiento se evapora. El resultado es una membrana nanofibrosa sobre soporte que está unida por el revestimiento funcional. Esta membrana es altamente permeable a agua y vapor de agua, y sustancialmente impermeable a aire, gases, partículas y contaminantes.
Si la disolución de revestimiento funcional es incompatible con la capa nanofibrosa, entonces no humecta la capa nanofibrosa. En este caso, se puede verter un revestimiento fino sobre la superficie de la capa nanofibrosa. Esto tiene la ventaja del potencial de elevada permeabilidad (debido a la baja resistencia en la capa fina de revestimiento selectivo), pero la desventaja de no unir la capa nanofibrosa a la capa de soporte. En la invención, la capa nanofibrosa es apta para adherirse a la capa de soporte. Esto se puede mejorar por medio de imprimación de la capa de soporte con un agente aglutinante, promotor de adhesión, revestimiento, tratamiento de corona o tratamiento similar de la capa de soporte, antes del hilado de la capa nanofibrosa sobre la capa de soporte. La membrana final también se puede someter a un tratamiento posterior mediante calentamiento, calandrado, laminado o procesos similares para contribuir a la unión de los componentes.
En una realización, no según la invención, que comprende dos capas nanofibrosas, una primera capa nanofibrosa no se humedece con el revestimiento funcional y una segunda capa nanofibrosa se humedece con el revestimiento. Esto permite el revestimiento preferente de una capa nanofibrosa sobre la otra, o la unión preferente de una capa nanofibrosa a la capa de soporte.
Cuando se someten a hilado varios polímeros nanofibrosos de forma conjunta en una capa, el revestimiento funcional puede humedecer únicamente uno de los polímeros nanofibrosos y esto puede permitir el control del alcance de revestimiento dependiendo de la proporción de las diferentes nanofibras.
En otra realización, la capa nanofibrosa se puede revestir con un revestimiento de baja concentración (alto contenido de disolvente) o una disolución aglutinante para adherir la capa nanofibrosa a la capa de soporte y provocar la imprimación de la capa nanofibrosa para la aplicación de una capa de revestimiento funcional. Este proceso de imprimación reviste esencialmente el soporte y las capas nanofibrosas adhiriéndolas entre sí. Esto también puede mejorar la adhesión de la capa de revestimiento funcional a la capa nanofibrosa.
Otro método para fabricar una membrana, no según la invención, consiste en llenar la capa nanofibrosa con un líquido antes de verter el revestimiento funcional sobre la superficie de la capa nanofibrosa, y a continuación evaporar o retirar el(los) disolvente(s). Esto puede permitir que se deposite un revestimiento funcional continuo sobre la superficie de la capa nanofibrosa sin llenar sustancialmente la capa nanofibrosa. Esto puede tener la ventaja de reducir el espesor y, de este modo, aumentar la permeabilidad a vapor de agua de la capa de revestimiento funcional. Sin embargo, es posible que sea necesario unir la membrana final mediante un proceso de pretratamiento o postratamiento como se ha descrito con anterioridad.
Otra realización de un método de fabricación de una membrana es similar al método anterior, con la diferencia de que la capa nanofibrosa se rellena con una primera disolución de revestimiento con una baja concentración de polímero funcional. El polímero y el disolvente pueden ser los mismos que la segunda disolución de revestimiento, pero deben humedecer la capa nanofibrosa y la capa de soporte. A continuación, la membrana nanofibrosa llena de líquido se reviste con la segunda disolución polimérica funcional, que tiene una mayor concentración de polímero y, de este modo, mayor viscosidad y densidad. Dado que la capa nanofibrosa se llena con la primera disolución de baja concentración, el polímero funcional no rellena sustancialmente la capa nanofibrosa. A continuación, la membrana se seca para eliminar el disolvente. Esto une simultáneamente la capa de soporte a la capa nanofibrosa y crea un revestimiento fino y selectivo permeable a vapor de agua sobre la superficie de la capa nanofibrosa.
Como se ha descrito anteriormente, las presentes membranas para el transporte selectivo de vapor de agua comprenden una capa nanofibrosa y un revestimiento polimérico permeable a vapor de agua. La membrana también puede incluir una o más capas de soporte y una o más capas nanofibrosas adicionales con diversos grados de revestimiento superficial o relleno en cada capa. Como tal, los componentes de la membrana se pueden incorporar y disponer de varias maneras. A continuación se describen ejemplos no limitantes de posibles configuraciones de membrana.
Las FIGS. 2A-D ilustran varias membranas de transporte de vapor de agua, no según la invención, que comprenden una capa nanofibrosa y un polímero permeable a vapor de agua, sin una capa de soporte. La FIG. 2A muestra una capa nanofibrosa que está completamente rellena con un polímero selectivo permeable a vapor de agua (201). La capa nanofibrosa actúa como estructura de sujeción del polímero selectivo permeable, y el polímero funcional también actúa como aglutinante, uniendo las nanofibras y aumentando la resistencia mecánica de la membrana de composite. La FIG. 2B muestra una capa (211) nanofibrosa parcialmente rellena; el polímero funcional une las nanofibras, aumenta la resistencia del material y puede conferir suficiente selectividad a la membrana mientras mantiene una elevada permeabilidad al agua. La FIG. 2C muestra una capa nanofibrosa (222) que se ha revestido con una fina capa superficial de polímero (221) selectivo permeable a vapor de agua. La capa nanofibrosa 222 prácticamente no tiene resistencia al transporte de vapor de agua, mientras actúa de soporte para la capa 221 de revestimiento selectivo. La FIG. 2D muestra una capa (232) nanofibrosa parcialmente rellena con una fina capa superficial de polímero (231) selectivo permeable a vapor de agua. La capa 232 nanofibrosa parcialmente rellena contiene un polímero aglutinante que confiere resistencia mecánica y rigidez estructural a la membrana, al tiempo que no aumenta significativamente la resistencia al transporte de vapor de agua en la capa nanofibrosa. La capa de revestimiento 231 es fina y muy permeable a vapor de agua, pero es selectiva y no permite el transporte de gases y otros contaminantes.
Las FIGS. 3A-F ilustran varias membranas de transporte de vapor de agua que comprenden una capa nanofibrosa, un polímero permeable a vapor de agua y una capa de soporte. La FIG. 3A, no según la invención, muestra una capa de soporte (303) con una capa nanofibrosa (302) dispuesta en una de sus superficies. La capa nanofibrosa 302 se ha revestido con una fina capa superficial de polímero (301) selectivo permeable a vapor de agua. La FIG. 3B muestra una capa de soporte (312) que soporta una capa nanofibrosa que se ha rellenado con un polímero (311) selectivo permeable a vapor de agua. La FIG. 3C, no según la invención, muestra una capa de soporte (323) que soporta una primera capa nanofibrosa (322) que no está rellena, y una segunda capa nanofibrosa que está rellena con un polímero (321) selectivo permeable a vapor de agua. La primera capa nanofibrosa puede contener un aglutinante para mantener las fibras juntas y unirlas a la capa de soporte 323. La FIG. 3D, no según la invención, muestra una capa de soporte (334) que soporta una primera capa nanofibrosa (333) y una segunda capa nanofibrosa (332). La segunda capa nanofibrosa se ha revestido con una fina capa superficial de polímero (331) selectivo permeable al vapor de agua. La primera y/o segunda capas nanofibrosas pueden contener un aglutinante para mantener las fibras juntas y unirlas a la(s) capa(s) adyacente(s). La FIG. 3E muestra una capa de soporte (342) que soporta una capa nanofibrosa (341), estando ambas capas parcialmente rellenas con un polímero selectivo permeable al vapor de agua. La FIG. 3F muestra una capa de soporte (353) que soporta una capa nanofibrosa (352), estando ambas capas parcialmente rellenas con un polímero selectivo permeable a vapor de agua. La capa 352 nanofibrosa parcialmente rellena se ha revestido con una capa superficial delgada de polímero (351) selectivo permeable a vapor de agua. El uso de una capa de soporte se lleva a cabo en la invención ya que la capa de nanofibras tiende a ser frágil, y la capa de soporte facilita la manipulación y la fabricación en procesos aguas abajo y aplicaciones de uso final. La capa de soporte también puede permitir que la membrana se forme o se pliegue después de la fabricación. La capa de soporte tiene una resistencia muy baja al transporte de vapor y preferentemente es una estructura abierta macroporosa.
Ejemplos Experimentales
En los siguientes ejemplos se preparan soportes, capas nanofibrosas y membranas con la intención de someter a ensayo sus propiedades, con vistas a determinar su idoneidad como elementos en el cabezal e intercambiador de humedad de la invención.
Ejemplo 1: Capas nanofibrosas sobre soporte en comparación con sustratos microporosos conocidos
Se compararon varios sustratos microporosos con capas nanofibrosas sobre soporte no revestidas. Se obtuvo un sustrato de polipropileno microporoso de Celgard LLC, bajo el nombre de Celgard 2500; el espesor fue de 25 micrómetros, el tamaño promedio de poro fue de 0,204 x 0,054 micrómetros (dimensión promedia de aproximadamente 0,13 micrómetro) y la porosidad fue de un 55%. Se obtuvo una membrana microporosa de sílicepolietileno de ENTEK International; el espesor fue de 191 micrómetros, el tamaño promedio de poro fue de 0,065 micrómetros y la porosidad fue de un 63%.
Se obtuvo una capa de soporte no tejida, poliéster no tejido (Reemay 2004/2006), 1 onza/yarda cuadrada (33,9 g/m2) a partir de Fiberweb. El poliacrilonitrilo (PAN) se obtuvo en Scientific Polymer Products con un peso molecular promedio de 150000 g/mol. Se creó una disolución de PAN al 10% en peso en dimetilformamida (DMF) con agitación a 70 °C. La disolución de PAN se colocó en una jeringa de 10 ml con una aguja hipodérmica de calibre dieciocho, de 1,5" (3,8 cm) de longitud sin bisel. La jeringa se montó a 15 cm de un colector rotatorio conectado a tierra sobre el que se fijó la capa de soporte no tejida. Se colocó un electrodo en la punta de la aguja. Se aplicó un potencial de 17,5 kV a la punta de la aguja, lo que provocó que el polímero saliera a borbotones de la jeringa hacia el colector. Se usó una bomba de jeringa para mantener un suministro sustancialmente constante de disolución de polímero a la punta de la aguja, a una tasa de aproximadamente 0,02 ml/min. El objetivo del colector era un tambor que giraba a una tasa de 0,5 m/min. El diámetro del tambor era de 10 cm y la anchura cubierta con la capa de soporte no tejida fue de 32 cm. La jeringa se movía de un lado a otro y a lo ancho del tambor a una tasa de 3 cm/min a una distancia sustancialmente constante de 15 cm. Se crearon muestras de capas nanofibrosas sobre soporte con tres cargas diferentes de nanofibras haciéndolas girar durante 1 hora (N.° 1 A), 3 horas (N.° 1B), y 5 horas (N.° 1C). Se determinó la porosidad de cada muestra pesando las muestras en seco y sumergiéndolas en un líquido humectante. Se midieron la permeabilidad al aire y la permeabilidad a vapor de agua para cada muestra. Las muestras se evaluaron bajo SEM para determinar el tamaño promedio de poro y el diámetro de fibra. El diámetro de fibra promedio fue de 483 nm. En la FIG. 4 se muestra una micrografía electrónica de barrido de las fibras electrohiladas.
TABLA 1
Porosidad Tamaño de Espesor
Muestra poro Paso de aire Flujo de vapor (%) (cm3/min) de agua (pm) (pm) (kg/m2/día) Celgard 2500 55 0,13 25 5500 51,2 ENTEK Si-PE 63 0,07 191 700 25,1
N.21A 97 ~5 44 >25000 104,9
N.21B 96 ~5 85 >25000 80,3
N.21C 94 ~5 136 >25000 68,5
Los resultados de los ensayos de paso de aire y flujo de vapor de agua se recogen en la Tabla 1. Es evidente que las muestras resultantes de capas nanofibrosas sobre soporte tienen una porosidad muy elevada, tamaño de poro grande, baja resistencia al transporte de agua y elevado flujo de vapor de agua. Las capas nanofibrosas sobre soporte tienen un flujo de vapor de agua mucho mayor que los materiales microporosos que se utilizan actualmente como sustratos de membrana. Sin embargo, las capas nanofibrosas sobre soporte no revestidas no son selectivas. Ejemplo 2: Revestimiento de capas nanofibrosas de PAN sobre soporte con PEO-PU
Para hacer que los materiales nanofibrosos sobre soporte sean selectivos, se puede aplicar una capa de revestimiento polimérico denso a la capa nanofibrosa. Se sabe que los poliéter-poliuretanos son capas poliméricas densas y eficaces, que confieren elevada selectividad frente a vapor de agua con respecto a otros gases y ofrecen una elevada permeabilidad a vapor de agua. Las capas nanofibrosas de poliacrilonitrilo se sometieron a electrohilado sobre una capa de soporte de poliéster no tejido con un método similar al descrito en el Ejemplo 1. El soporte de poliéster no tejido (30 cm x 80 cm) se unió a un objetivo colector conectado a tierra que era una cinta transportadora rotatoria. Se hizo rotar la cinta transportadora a una tasa de 1,5 m/min. Las esteras nanofibrosas se depositaron sobre los soportes no tejidos en 3 niveles de carga de nanofibras; los resultados de los ensayos para las tres muestras se muestran en la Tabla 2. La porosidad de las tres muestras es bastante elevada, mayor que un 90% en el ensayo realizado.
TABLA 2
Muestra Tiempo de giro (minutos) Espesor(pm) Porosidad (%)
60 8 >90
90 12 >90
Figure imgf000014_0001
120 15 >90
Se formularon disoluciones de óxido de polietileno-poliuretano (PEO-PU) (PERMAX 230) con un agente de reticulación de policarbodiimida (Picassian XL-702) en una proporción de peso de 10:1, con tres concentraciones de polímero de un 21%, 15% y 11% en agua. Cada una de las tres disoluciones poliméricas funcionales se revistió sobre muestras de cada una de las tres capas nanofibrosas sobre soporte (N°. 2A, N°. 2B y N°. 2C). Se colocó una disolución polimérica sobre la muestra y se usó una varilla de revestimiento (barra N.° 2) para verter una capa de revestimiento sobre la superficie nanofibrosa. El revestimiento tendía a humedecer la capa nanofibrosa y la capa de soporte de poliéster y la capa nanofibrosas se llenaron con la disolución de revestimiento. El exceso de revestimiento se eliminó con una toallita y las muestras se secaron en un horno a 50 °C para eliminar el disolvente acuoso. La carga de revestimiento, las tasas de paso de oxígeno y el flujo de vapor de agua se determinaron para cada muestra como se muestra en la Tabla 3.
TABLA 3
Peso del
polímero de Paso de oxígeno Flujo de vapor Muestra Sustrato Peso revestido
revestimiento de agua (g/m2) (%) (kg/m2/día)
%
Figure imgf000015_0001
Sustrato 15 3,0 1,0 25,0 microporoso
revestido
(Mx4-A)
Se encontró que las muestras revestidas con concentraciones más bajas de disolución polimérica de PEO-PU generalmente tenían un elevado paso de oxígeno (pobre selectividad), pero también un elevado flujo de vapor de agua. La FIG. 5 muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido de una sección transversal de la muestra de membrana N.° 2C-2.
Las imágenes del microscopio electrónico de barrido se muestran para la muestra N.° 2A-3 y la muestra N.° 2A-2 en la FIG. 6 y la FIG. 7 respectivamente. Se puede apreciar que a menor concentración de disolución (11%) el polímero solo llena parcialmente los poros de la capa nanofibrosa (FlG. 6), mientras que a mayor concentración de di solución (15%) el polímero parece llenar completamente la capa nanofibrosa (FIG. 7). Evidentemente, habrá una combinación óptima de deposición de capa nanofibrosa y concentración de disolución de revestimiento para maximizar el flujo de vapor de agua, mientras se mantiene una selectividad aceptable (por ejemplo, paso de oxígeno <1%). Los resultados experimentales para una membrana microporosa revestida (DPoint Mx4) se incluyen en la Tabla 3. Esta membrana es un material de composite de sílice-polietileno microporoso revestido con una capa de 3 micrómetros de poliéter-poliuretano reticulado (similar a los materiales descritos en el documento WO2010/132983). El rendimiento del transporte de vapor de agua de la muestra de membrana nanofibrosa (N.° 2A-2) es mejor y el paso de oxígeno es similar. Dado que los sustratos microporosos son generalmente de alto coste, existe un potencial significativo de materiales de menor coste basados en las membranas nanofibrosas descritas en la presente memoria.
Ejemplo 3: Revestimiento de una capa nanofibrosa de PAN sobre soporte con PFSA
Las membranas que comprenden capas nanofibrosas sobre soporte revestidas como las fabricadas en el Ejemplo 3 demostraron un rendimiento mejorado de permeabilidad a vapor de agua con respecto a las membranas convencionales que comprenden sustratos microporosos revestidos, al tiempo que mantienen suficiente selectividad. No obstante, la permeabilidad a vapor de agua fue considerablemente menor que la de las capas nanofibrosas sobre soporte no revestidas descritas en el Ejemplo 1. Por lo tanto, resulta deseable disminuir la carga del revestimiento funcional o aumentar la permeabilidad a vapor de agua del revestimiento funcional.
Un método para aumentar la permeabilidad de la membrana final sería usar un polímero funcional con una mayor permeabilidad a vapor de agua que los polímeros de poliéter-poliuretano usados en el Ejemplo 3. Hay muchos polímeros con mayor permeabilidad que los poliéter-poliuretanos, como se ha comentado con anterioridad. Los polímeros sulfonados son una de esas clases de polímeros; muchos de ellos tienen una elevada permeabilidad a vapor de agua y una elevada selectividad por el vapor de agua, por ejemplo, los copolímeros de ácido perfluorosulfónico-politetrafluoroetileno (PFSA), disponibles con el nombre comercial Nafion®.
Se obtuvo una dispersión Nafion® (DE2021) en DuPont que contenía un polímero PFSA al 20% en alcoholes. La disolución se vertió sobre una capa nanofibrosa sobre soporte usando el método descrito en el Ejemplo 3. La capa nanofibrosa se rellenó con la disolución de revestimiento de PFSA y la muestra se colocó en un horno a 70 °C para evaporar el disolvente y atemperar el revestimiento polimérico. El revestimiento funcional solo fue parcialmente efectivo para unir la capa nanofibrosa a la capa de soporte de poliéster. No obstante, la capa nanofibrosa se rellenó con PFSA y fue mecánicamente sólida y dimensionalmente estable en agua. La carga de revestimiento fue de 25 g/m2, el paso de oxígeno fue de un 0% y el flujo de agua fue de 42 kg/m2/día. Aunque la carga de revestimiento fue bastante elevada, el uso de un polímero con mayor permeabilidad mejora en gran medida el rendimiento de permeabilidad de agua. La membrana nanofibrosa de este ejemplo tiene 1,5 veces el flujo de agua del material DPoint Mx4 mencionado en el Ejemplo 2. No obstante, el coste del polímero PFSA es significativamente mayor que el del polímero PEO-PU utilizado en el Ejemplo 3, por lo que puede haber una compensación entre coste y rendimiento.
Ejemplo 4: Capa nanofibrosa revestida sobre un soporte de malla metálica
Se obtuvo una lámina de malla de aluminio de 18 x 16, con un diámetro de alambre de 0,011" (0,028 cm) de Phifer. Se colocó una malla de 30 x 70 cm en la cinta transportadora colectora de un aparato de electrohilado y se depositó un revestimiento de PAN nanofibroso sobre la superficie de la malla desde una distancia de 15 cm. La tensión de hilado fue de 17,5 kV, la cinta transportadora colectora se hizo girar a una velocidad de 1,5 m/min, la jeringa de 1,5" (3,8 cm) 18G atravesó una distancia de 15 cm a una tasa de 1,5 cm/min. El tiempo de deposición fue de 30 minutos. Se mezcló una disolución acuosa de poliéter-poliuretano al 16,5% con un agente de reticulación (1,3%) y se aplicó a la malla de aluminio revestida con nanofibras. La disolución polimérica humedeció la malla metálica y la capa nanofibrosa. Se eliminó el exceso de revestimiento de la malla metálica con una toallita y se secó la muestra en un horno a 50 °C. En la FIG. 8A se muestra una micrografía de la membrana resultante. Se aprecia un pequeño defecto donde no se aplicó revestimiento, que proporciona contraste para mostrar el revestimiento. La membrana tenía un paso de oxígeno de cero y un flujo de vapor de agua de 27 kg/m2/día. El rendimiento es similar al de las membranas microporosas de la técnica anterior, pero el material se puede doblar y conformar de forma sencilla, sin dañar la capa nanofibrosa revestida. La resistencia añadida del revestimiento funcional reforzado con fibra ayuda a conformar este material sin dañar el revestimiento funcional. En la FIG. 8B se ilustra una muestra corrugada de la membrana.
Ejemplo 5: Membranas aptas para conformación basadas en mallas metálicas
Se fabricó una serie de membranas similares al Ejemplo 4, con cinco tiempos de deposición (30, 45, 60, 75 y 90 minutos de tiempo de electro-hilado). La malla metálica utilizada fue una malla metálica revestida polimérica (malla metálica de aluminio revestida con polvo electrostático PERMA-KOTE) de Phifer con una malla metálica de 7 x 8 y un diámetro de alambre de 0,011" (0,028 cm). Las muestras de la capa nanofibrosa sobre soporte se impregnaron a continuación con una disolución acuosa de disolución de revestimiento de poliéter-poliuretano con agente de reticulación a tres concentraciones diferentes (11%, 14,5% y 18% en peso). Las muestras se secaron a 50 °C en un horno. Las muestras finales de membrana se pesaron para determinar el peso del revestimiento y a continuación se analizaron para detectar el paso de oxígeno y el transporte de vapor de agua. Los resultados se resumen en la Tabla 4. Algunos de estos resultados son anómalos debido a imperfecciones en el proceso de revestimiento. La malla metálica tuvo tendencia a revestirse durante el proceso, y los pesos de revestimiento en la capa nanofibrosa resultaron difíciles de determinar con certeza. Además, los defectos en el proceso de revestimiento afectaron a los experimentos de transporte en las membranas. Generalmente, el aumento de la deposición de nanofibras y el aumento de la concentración de disolución de polímero funcional se tradujo en un aumento de peso final de revestimiento. El aumento de peso de revestimiento correspondió a una disminución del paso de oxígeno (deseable, es decir, menos defectos), pero también a un menor transporte de agua (no deseable, menor eficacia). Algunas de las membranas producidas tuvieron rendimientos comparables o mejores que los materiales de membrana conocidos o convencionales.
A continuación, se conformaron las membranas en un molde de compresión para fabricar placas de ERV. Sin embargo, el proceso de moldeo tuvo tendencia a fracturar los alambres del soporte de malla metálica, y se determinó que las capas de soporte alternativas aptas para conformación resultarían más apropiadas.
TABLA 4
Muestra Deposición Peso de Peso revestido Paso de oxígeno Flujo de vapor estimada de polímero de (g/m2) (%) de agua nanofibras revestimiento (kg/m2/día) (g/m2) %
N.20077 0,35 11,0 3,3 24 45,2
N.20078 0,52 11,0 5,2 1,4 31,7
N.20079 0,70 11,0 4,9 5,8 37,5
N.20080 0,87 11,0 8,6 0,5 27,4
N.20081 1,04 11,0 4,2 0,0 23,2
N.20082 0,35 14,5 1,0 0,5 21,5
N.20083 0,52 14,5 2,6 0,5 26,7 Muestra Deposición Peso de Peso revestido Paso de oxígeno Flujo de vapor estimada de polímero de (g/m2) (%) de agua nanofibras revestimiento (kg/m2/día) (g/m2) %
N.20084 0,70 14,5 9,9 46,2 34,0
N.20085 0,87 14,5 6,4 47,1 29,0
N.20086 1,04 14,5 8,0 0,0 20,0
N.20087 0,35 18,0 0,8 0,5 26,7
N.20088 0,52 18,0 7,1 0,5 23,5
N.20089 0,70 18,0 14,0 13,5 36,2
N.20090 0,87 18,0 2,2 1,0 19,6
N.20091 1,04 18,0 10,2 0,0 18,2
Ejemplo 6: Membranas aptas para conformación basadas en materiales no tejidos
Se obtuvieron láminas de material textil no tejido hilado de poliéster (Smash Specialty Nonwoven Y15100) de Asahi Kasei. Estos materiales están diseñados para conformación a baja temperatura (<100 °C). Se depositaron revestimientos de nanofibras de PAN sobre estas capas de soporte con tres cargas diferentes. A continuación, se impregnaron las capas nanofibrosas con disoluciones acuosas de un copolímero de poliéter-poliuretano a tres concentraciones (13, 15 y 17% en peso). Los materiales se secaron en un horno a 50 °C. Las membranas se sometieron a ensayo en cuanto a paso de oxígeno y transporte de vapor de agua, y los resultados se resumen en la Tabla 5. Los materiales con bajo paso de oxígeno tuvieron tendencia a presentar velocidades de transporte de vapor de agua más bajas.
A continuación, los materiales se conformaron en un molde de compresión calentado (80 °C) para una placa de intercambiador de entalpía. En la FIG. 9 se puede apreciar una placa conformada de intercambiador de entalpia, fabricada a partir de una de las muestras de membrana nanofibrosa.
A continuación, se midieron el alargamiento de las tiras de materiales formados y se sometieron a ensayo nuevamente para evaluar el transporte de vapor de agua y el transporte de oxígeno, y los resultados se muestran en la Tabla 6. Se determinó que la etapa de conformación alargaba las membranas, lo que conducía a un aumento del transporte de vapor de agua, sin aumentar significativamente el transporte de oxígeno. La etapa de conformación alarga el revestimiento selectivo permeable a vapor de agua haciéndolo más fino, lo que conduce a un mayor flujo en la membrana. Las membranas conformadas se alargaron en una dirección (perpendicular a los canales de flujo) en un promedio de un 8,3% y presentaron un aumento del transporte de vapor de agua de un 21%.
Este procedimiento creó membranas con elevado transporte de vapor de agua (>25 kg/m2/día) y bajo paso de oxígeno (< 1 %), que se pueden conformar para dar lugar a placas de intercambiador de entalpía.
TABLA 5
Muestra Deposición Peso de Peso revestido Paso de oxígeno Flujo de vapor estimada de polímero de (g/m2) (%) de agua nanofibras (g/m2) revestimiento % (kg/m2/día)
N.20108 0,92 13% 9,9 0 21,2
N.20109 0,92 15% 13,8 0,5 21,0
N.20110 0,92 17% 20,4 0,5 17,2
N.20111 0,53 13% 8,5 0,5 21,7
N.20112 0,53 15% 13,8 0,5 22,6
N.20113 0,53 17% 20,3 1,0 19,0
N.20114 0,36 13% 6,8 9,6 32,7
N.20115 0,36 15% 18,0 13,5 30,6
N.20116 0,36 17% 17,9 13,0 24,3
TABLA 6
Muestra Paso de Flujo de vapor Alargamiento Aumento en el % de aumento Oxígeno Pos­ de agua Pos­ (%) paso de oxígeno en el transporte conformación conformación de vapor de (%) (kg/m2/día) agua N.20108 0,0 23,9 6,1 Ninguna 13 N.20109 0,5 25,7 9,4 Ninguna 23 N.20110 0,0 20,4 6,7 Ninguna 19 N.20111 0,0 24,7 10,0 Ninguna 14 N.20112 1,0 26,5 8,3 Menor 17 N.20113 1,9 26,6 11,7 Menor 40 N.20114 9,1 39,5 7,8 Ninguna 21 N.20115 12,0 36,8 8,9 Ninguna 20 N.20116 14,9 30,1 6,1 Menor 24 Promedio 8,3% 21%
Ejemplo 7: Ensayos de revestimiento por huecograbado
El procedimiento de revestimiento/impregnación utilizado en los Ejemplos anteriores presentó el reto de que resulta difícil controlar la cantidad de disolución de revestimiento aplicada a la capa nanofibrosa. En el Ejemplo 5, las capas nanofibrosas están formadas por un polímero moderadamente humectable (PAN) y la capa de soporte está formada por un polímero PET altamente humectable. La capa nanofibrosa es altamente absorbente para los revestimientos acuosos debido a la acción capilar y, por ello, ambas capas tienen tendencia a humedecerse por medio del revestimiento acuoso. Como se ha mencionado anteriormente, esto resulta ventajoso, ya que la capa se une entre sí en el procedimiento de revestimiento/secado formando un material de composite estructuralmente robusto. Sin embargo, existe dificultad a la hora de dosificar la disolución de revestimiento a través de este método.
En un intento por mejorar el procedimiento de revestimiento, se sometió a electrohilado una capa de PAN nanofibrosa sobre una capa de PET no tejido y este material se impregnó a continuación con un cabezal de revestimiento por huecograbado. El rodillo de huecograbado es un rodillo de ataque químico con un patrón superficial definido. El rodillo usado para estos ensayos fue 180Q (180 celdas con forma de cuadrilátero por pulgada cuadrada (6,45 cm2)). En los ensayos de revestimiento, el rodillo de huecograbado se hace pasar a través de un baño que contiene la disolución de revestimiento funcional, y la disolución se recoge por acción capilar en las celdas de huecograbado. La disolución de revestimiento utilizada fue una disolución acuosa de copolímero de poliéterpoliuretano con un agente de reticulación de policarbodiimida con un 26,5% de sólidos. Una rasqueta eliminó el exceso de revestimiento del rodillo, de modo que la disolución de revestimiento únicamente permaneció en las celdas de huecograbado. La capa nanofibrosa sobre soporte formó una interfaz con el rodillo de tal manera que la capa nanofibrosa entró en contacto con el rodillo de huecograbado. La capa nanofibrosa absorbió el revestimiento procedente de las celdas de huecograbado y se secó. Este método permite aplicar una cantidad controlada de disolución de revestimiento a la capa nanofibrosa, lo cual resulta ventajoso con respecto a otros métodos de revestimiento sometidos a ensayo. Los expertos en la técnica reconocen que los huecograbados con otros patrones y volúmenes de celda, así como el uso de disoluciones de revestimiento con diferentes concentraciones, permiten diversos grados de deposición/impregnación del polímero funcional sobre o dentro de la capa nanofibrosa, y diferentes cargas generales deseadas.
Las membranas producidas por este método tuvieron cargas de revestimiento funcional dentro del intervalo de 3 a 4 g/m2. La tasa de transporte de oxígeno fue de un 2,9% y la tasa de transporte de vapor de agua fue de 30,0 kg/m2/día.
Sumario de los métodos de ensayo utilizados en los ejemplos
Se desarrolló un procedimiento de ensayo de transporte de vapor de agua dinámico que fue diseñado para someter a ensayo las membranas en condiciones similares a aquellas en las que se podrían utilizar. Se selló una muestra de material de membrana en un aparato de ensayo con trayectorias de campo de flujo en ambos lados de la membrana para distribuir uniformemente los gases sobre ambas superficies del material, siendo separados los gases por la membrana. Se podría controlar el caudal, la temperatura y la humedad relativa de cada corriente gaseosa de entrada, y se podrían medir las temperaturas de salida y la humedad relativa de cada corriente gaseosa. Los gases se suministraron y dirigieron en contracorriente sobre las superficies opuestas de la membrana. El área activa de membrana en la plantilla de ensayo fue de 33 cm2. Todo el aparato está ubicado en un horno de temperatura controlada, de modo que todas las mediciones sean isotérmicas y que no se produzca condensación dentro del módulo de membrana o en las sondas de humedad. En un ensayo típico, se suministró una primera corriente gaseosa a 50 °C y un 0% de humedad relativa a la entrada en un lado de la membrana. Se suministró una segunda corriente gaseosa a la entrada del otro lado de la membrana a 50 °C y un 50% de humedad relativa, y al mismo valor de caudal que el primer gas. El horno se mantuvo a 50 °C para mantener los experimentos isotérmicos. El contenido de agua y la temperatura de las dos corrientes se midieron y registraron en las salidas. A partir de estos valores, se determinó la tasa de transporte de agua de la muestra de ensayo, en unidades de masa por tiempo (g/h). Los resultados también se pueden presentar en forma de flujo de agua dividiendo entre el área de la membrana sobre la cual se ha producido el transporte en unidades de masa por área y tiempo (g/m2/hora). Al dividir el flujo de agua entre el diferencial de presión media de vapor de agua calculado dentro del módulo de ensayo, se puede determinar un valor de permeabilidad al agua en unidades de moles por área por tiempo y diferencial de presión de vapor (mol/m2/s/Pa). Debido a la escala de los resultados, se encontró que era más conveniente presentar los datos de transporte de agua en forma de valor de flujo de agua en unidades de kg/m2/día.
Para evaluar las propiedades de permeabilidad de aire o paso de aire de los materiales de membrana en los Ejemplos anteriores, se sellaron muestras de material de membrana en un aparato de ensayo. Se aplicó aire presurizado a un lado de la membrana y se registró el flujo de aire a través del material. En un ensayo típico, el aire presurizado se aplicó a varias presiones. El caudal de paso a través de la muestra de ensayo se registró en centímetros cúbicos por minuto (cm3/min). Este valor se puede convertir en un valor de permeabilidad al aire dividiendo entre la presión aplicada y el área de membrana (33 cm2 en un ensayo típico). La permeabilidad al aire se puede presentar en mol/m2/s/Pa.
La porosidad se midió cortando una muestra de material de área conocida, sumergiendo la muestra en un fluido humectante de densidad conocida, eliminando el exceso de humedad con un tejido absorbente y pesando la muestra húmeda. A continuación, la muestra se secó en un horno y se determinó el peso seco. El espesor de la muestra se midió usando un micrómetro. La porosidad se calculó como la diferencia entre el peso húmedo y seco sobre la densidad del fluido humectante, dividido entre el volumen de muestra.
El paso de oxígeno proporciona una indicación de la selectividad del material de la membrana. Se desarrolló un ensayo para determinar el paso de oxígeno de la membrana. En este ensayo, nuevamente se colocó una muestra de membrana en un aparato de ensayo que separa los dos lados de la membrana, de modo que se puedan proporcionar corrientes gaseosas independientes en lados opuestos de la membrana. En un lado de la membrana se hizo pasar una corriente de nitrógeno puro sobre la superficie de la membrana. En el otro lado de la membrana, se hizo pasar una corriente de aire sobre la superficie de la membrana. La presión diferencial entre las dos corrientes se mantuvo en cero, de modo que únicamente se produce transporte por difusión y no transporte por convección a través de la membrana. Se colocó un sensor de oxígeno en la salida de la corriente de nitrógeno para medir la concentración de oxígeno. Dado que se conoce la concentración de oxígeno en el aire y la corriente de nitrógeno no contenía oxígeno en la entrada, el porcentaje de oxígeno que pasa a través de la membrana por difusión se puede expresar como:
% de Paso de Oxígeno = {[C(O2 ,1)]/[C(O2 ,2)]} x 100
en la que C hace referencia al porcentaje de concentración de oxígeno (O2) en los puntos 1 y 2, siendo el punto 1 en la salida del lado de nitrógeno (medido por el sensor), y siendo el punto 2 en la entrada del lado de aire (conocido, 20,95%). Este ensayo se completa a varios caudales, la tasa de permeabilidad a oxígeno también se puede calcular a partir de estos resultados.
Con el fin de revestir membranas de manera precisa y uniforme a escala de laboratorio, se utilizó un dispositivo de revestimiento de varilla de Mayer. Este tipo de dispositivo de revestimiento también se puede denominar barra de Meyer, varilla de inglete, varilla de Meyer, barra dosificadora, varilla de revestimiento, barra igualadora, varilla rascadora o dispositivo de revestimiento de varilla dosificadora. En este tipo de barras, se envuelve un alambre de acero de manera firme alrededor de una varilla. El espacio de separación creado entre vueltas adyacentes del alambre depende del diámetro de alambre usado para enrollar la varilla. En el aparato de revestimiento utilizado en los ejemplos anteriores, la varilla de alambre enrollado se coloca a una presión descendente sustancialmente constante sobre la capa nanofibrosa, y a continuación se deposita una disolución polimérica funcional con una pipeta sobre la superficie enfrente de la varilla. Un dispositivo de accionamiento lineal impulsa la varilla a través de la superficie a una velocidad constante, extendiendo el revestimiento funcional sobre la capa nanofibrosa. El espesor de revestimiento húmedo depositado sobre la capa nanofibrosa depende del diámetro de alambre utilizado para envolver la varilla. Los diámetros de alambre utilizados oscilaron entre 0,05 y 0,3 mm, lo que permitió depósitos de película húmeda controlados que oscilaron entre aproximadamente 4 micrómetros y aproximadamente 24 micrómetros. El revestimiento se deposita por gravedad para dar lugar a una película de espesor húmedo sustancialmente uniforme, después de lo cual el material se seca y se somete a curado para eliminar el disolvente y crear una capa nanofibrosa revestida con un espesor de revestimiento seco y una carga de revestimiento consistentes. Se puede lograr un mayor refinamiento de la carga del revestimiento modificando el contenido o la concentración de sólidos, la viscosidad, densidad y las propiedades de tensión superficial de la disolución utilizada.
Las presentes membranas son particularmente adecuadas para su uso en intercambiadores de entalpia, pero también pueden resultar apropiadas para otras aplicaciones que impliquen intercambio de humedad y opcionalmente calor entre corrientes gaseosas con poca o ninguna mezcla de las corrientes gaseosas a través de la membrana. Dichas aplicaciones potenciales incluyen humidificadores de celda de combustible, secado de gases, deshumidificación, humidificación de gases medicinales, humidificación de aviones y recuperación de agua y calor de gases de combustión.
La FIG. 10 es una vista isométrica simplificada de la realización de un núcleo de ERV 1100 que comprende capas alternas de membrana plisada 1101 con trayectorias de flujo de gas entre capas adyacentes. Las trayectorias de flujo pueden comprender canales que atraviesan el núcleo sobre la superficie de la membrana y están sellados de manera que haya un flujo de dos corrientes gaseosas a través del núcleo sin mezcla de las dos corrientes a través de la membrana. Las corrientes gaseosas se dirigen a través del núcleo de ERV 1100 de manera que un lado de cada capa de membrana queda expuesto a una corriente gaseosa 1110 y el lado opuesto de la capa de membrana queda expuesto a la otra corriente gaseosa 1120. En la realización ilustrada, los gases están en una configuración de flujo cruzado. Se pueden usar configuraciones de flujo en contracorriente, a favor de corriente y otras configuraciones de flujo relativo según la geometria del núcleo de ERV y el colector. El transporte de calor y humedad tiene lugar a través de la membrana debido al diferencial de calor de humedad entre las dos corrientes gaseosas. El flujo de calor y humedad puede tener lugar en cualquier dirección a través de la membrana, dependiendo de las condiciones de las corrientes gaseosas 1120 y 1110. Cuando la corriente 1110 está fría y seca y la corriente 1120 está caliente y húmeda, el transporte de calor y humedad tiene lugar a través de la membrana para calentar y humidificar el flujo 1110 antes de que salga del núcleo en 1121. De este modo, el flujo 1120 caliente y húmedo se enfría y se deshumidifica a medida que pasa a través del núcleo y sale por 1121.
El perímetro del cartucho de membrana plisada está sellado para evitar la fuga de gas entre el perímetro del cartucho plisado y el interior de la carcasa de ERV (no se muestra en la FIG. 10). Por ejemplo, las juntas o sellos 1102 y 1103 se pueden colocar a lo largo de los bordes del cartucho de membrana plisada y en las superficies superior e inferior para que, una vez en el sistema de ERV, se genere un sellado entre los puertos de entrada y salida para evitar cortocircuitos de los gases entre las corrientes.
La FIG. 11 es una vista simplificada de un núcleo de ERV 1200 en un sistema de ERV 1240. El sistema 1240 puede contener ventiladores y controles para mover el aire a través del sistema en las direcciones indicadas por las flechas de la FIG. 11. Los sellados están dispuestos alrededor de la periferia del núcleo. El sistema de ERV interactúa entre el aire en un espacio 1250 de estructura cerrado y el entorno exterior. Los sellados permiten que las corrientes de aire se dirijan a través del núcleo de ERV 1200 de tal manera que el aire entrante 1220 que ingresa en la estructura 1250 pasa por un lado de las capas de membrana en el núcleo 1200 y el aire saliente 1210 que abandona la estructura pasa por el otro lado de las capas de membrana en el núcleo. Si el aire que sale 1211 es frío y seco y el aire que entra 1220 es caliente y húmedo, tiene lugar el transporte de calor y humedad a través de la membrana en el núcleo, de modo que el aire de salida en 1210 gana calor y humedad, y el aire de entrada en el recinto 1221 se enfría y deshumifica.
Aunque se han mostrado y descrito realizaciones y aplicaciones particulares de la presente invención, se entiende, por supuesto, que la invención no se limita a ellas sino que queda definida por las reivindicaciones.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Un intercambiador de calor y humedad (1100, 1200) que comprende:
    capas alternas de membranas (1101) de transporte de vapor de agua con trayectorias de flujo de gas entre capas adyacentes,
    las trayectorias de flujo comprenden canales que atraviesan el intercambiador de calor y humedad sobre la superficie de las membranas, y están selladas de manera que se puede dirigir el flujo de dos corrientes gaseosas (1110, 1120) a través del intercambiador de calor y humedad sin mezclar las dos corrientes gaseosas a través de las membranas, de modo que un lado de cada capa de membrana está expuesto a una corriente gaseosa y el lado opuesto de la capa de membrana está expuesto a la otra corriente gaseosa,
    en el que las membranas (1101) de transporte de vapor de agua comprenden una capa nanofibrosa dispuesta sobre una capa de soporte poroso, en el que la capa nanofibrosa está revestida con un polímero permeable al agua, en el que el polímero permeable al agua llena la capa nanofibrosa (311, 321, 341) y une la capa nanofibrosa a la capa de soporte poroso,
    en el que el soporte poroso es un soporte macroporoso (312, 323, 342, 353) con tamaños promedio de poro mayores que aproximadamente 10 micrómetros, hasta tamaños menores que 10 mm, y
    en el que la capa (312, 323, 342, 353) de soporte poroso es apta para conformación y se somete a conformación para dar lugar a una estructura tridimensional que proporciona los canales.
  2. 2.- El intercambiador de calor y humedad de la reivindicación 1, en el que la capa de soporte poroso es una malla metálica.
  3. 3.- El intercambiador de calor y humedad de la reivindicación 1, en el que la capa de soporte poroso es un material no tejido.
  4. 4. - El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las membranas de transporte de vapor de agua están corrugadas, conformadas o plisadas.
  5. 5. - El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el polímero permeable al agua está reticulado.
  6. 6. - El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el polímero permeable al agua es no iónico.
  7. 7.- El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el polímero permeable al agua es ionomérico.
  8. 8.- El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el polímero permeable al agua comprende un polímero de poliuretano-poliéter reticulado.
  9. 9.- El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el polímero permeable al agua comprende un polímero de ácido sulfónico perfluorado.
  10. 10.- El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la capa nanofibrosa comprende fibras de poliacrilonitrilo.
  11. 11.- El intercambiador de calor y humedad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el intercambiador (1100, 1200) de calor y humedad es un ventilador con recuperación de energía.
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