APARATO DE MEDICIÓN DE PERMEABILIDAD Y DIFUSIVIDAD DE GASES EN MATERIALES POROSOS Y METODO PARA MEDIR DICHOS PARÁMETROS MEDIANTE DICHO APARATO.
Aparato de medición de permeabilidad y difusividad de gases en materiales porosos y método para medir dichos parámetros mediante dicho aparato.
La presente invención se refiere a un aparato de medición de la permeabilidad y la difusividad de un material poroso que se encuentra en contacto con una solución líquida por una de sus caras y con un gas que se difunde en él por la cara contraria, independientemente del grado de penetración del líquido en el material poroso. Gracias al empleo de sensores ópticos no invasivos, se consigue una medida más precisa de los parámetros, ante cualquier gas, cualquier líquido y cualquier material poroso. Asimismo, constituye otro objeto de la presente invención un método de medida de los parámetros citados en las condiciones aquí especificadas mediante este aparato.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201130187.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE VALLADOLID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: DEL ALAMO SANZA,María, NEVARES DOMÍNGUEZ,Ignacio.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01N15/08 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 15/00 Investigación de características de partículas; Investigación de la permeabilidad, del volumen de los poros o del área superficial efectiva de los materiales porosos (identificación de microorganismos C12Q). › Investigación de la permeabilidad, del volumen de los poros o del área superficial de los materiales porosos.
Fragmento de la descripción:
TÍTULO DE LA INVENCIÓN
APARATO DE MEDICIÓN DE PERMEABILIDAD Y DIFUSIVIDAD DE GASES EN MATERIALES POROSOS Y MÉTODO PARA MEDIR DICHOS PARÁMETROS MEDIANTE DICHO APARATO CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al sector de aparatos y procedimientos para medir la permeabilidad y la difusividad de gases en materiales porosos; concretamente, para la medida de la transferencia de un gas contenido en una fase gaseosa hasta un líquido a través de un material poroso que los separa, de acuerdo con la disposición gas-material poroso-líquido. El objetivo principal es la caracterización de la permeabilidad a los gases de materiales porosos para su clasificación de cara a la fabricación de recipientes con permeabilidad gaseosa controlada (alimentación, industria farmacéutica y otros usos en los que se requiera materiales porosos de permeabilidad controlada) .
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR A LA INVENCIÓN
En aplicaciones técnicas, la permeabilidad de un material a un gas se mide generalmente mediante una diferencia de presiones de los fluidos (US 2010/0281951 Al; ISO 15105-1; ASTM D1434-82 (2009) e1) , tanto en estado estacionario como no estacionario. La metodología consultada en el estado de la técnica está dirigida a la medida de la permeabilidad en un escenario muy diferente al que se produce en materiales porosos que separan líquidos de gases, en los que el transporte del gas se realiza a presión constante, y por tanto el gas fluye a través del material poroso por difusión, como un flujo másico molecular ocasionado por el gradiente de concentración de dicho gas entre ambos lados del material poroso, esto es el gas y el líquido. Este flujo másico molecular se rige bajo la primera Ley de Fick y se mide en mOl/m2·s, en lugar de considerarse como un flujo de gas debido a una diferencia de presión a ambos lados del material poroso y regirse por la ley de Darcy que lo expresaría en m3/·s.
Las normas ISO 15105-1, ASTM F1927-07, ASTM D398505 (2010) , Y ASTM F1307-02 (2007) establecen diferentes métodos para realizar la medida sin gradiente de presiones,
mientras que la patente US 2010/0268488-A1 recoge la
posibilidad de medir ambas situaciones, esto es con un
gradiente de presiones o con un gradiente de
concentraciones. Tanto dicha solicitud de patente como las solicitudes de patente internacionales W098/52015 W02008/032170A2 lo hacen siempre con gases donantes y portadores, es decir suponiendo una situación gas-material poroso-gas muy alejada de la realidad planteada en el caso que nos ocupa. Todo esto es debido a que al utilizar sistemas de medida del oxígeno que consumen dicho oxígeno se está alterando el contenido del gas que se está midiendo, es decir son medidas destructivas, con la necesidad de medirse en un fluj o de gas portador para no alterar las condiciones de medida.
La particularidad del escenario producido en materiales porosos que separan un líquido de un gas radica en la importancia que la penetración del líquido en el material poroso tiene en la formación de una inter-fase "sólido seco-sólido saturado de líquido" en el interior de dicho material poroso, inter-fase que marca claramente la permeabilidad y el coeficiente de difusión del material poroso en su conjunto. Las solicitudes de patente W098/52015, W02008/032170A2, US2010/0268488-A1 y DE102004047427, usan disposiciones gas-material poroso-gas, y las solicitudes de patente US2010/0281951A1 y W02006/093818A2 usan líquido-material poroso-líquido, estando ambas situaciones alej adas de la situación necesaria para medir la permeabilidad según la invención, esto es gas-material poroso-líquido. La solicitud de patente W02006/093818A2 estudia una situación en la que ambos lados de la membrana en estudio están en contacto con un líquido, determinándose la existencia de una capa límite gaseosa en uno de los lados y realizándose una corrección y una acción para eliminar su influencia; esta situación no responde tampoco al escenario que se pretende resolver con la invención que aquí se presenta.
Para solventar los problemas encontrados en el campo, la presente invención está dirigida a un aparato de medida de la permeabilidad de un material poroso que se encuentra parcialmente o totalmente saturado de líquido, así como de la determinación de su coeficiente de difusión (o difusividad) a un gas. El escenario de partida es poner este material poroso en contacto por un lado con un gas y por el otro con un líquido, siendo este último lado del material el que se satura parcial o totalmente del líquido. La invención engloba asimismo un método para medir la permeabilidad y la difusividad de gases en materiales porosos parcial o totalmente inundados mediante la utilización del aparato mencionado.
La principal ventaja de la presente invención es que permite medir un material poroso, como puede ser por ejemplo la madera que compone las duelas de un recipiente conteniendo un líquido (por ejemplo, una barrica) en las condiciones reales en las que se encuentra cuando se utiliza, esto es, con un lado de dicho material poroso (la madera) en contacto con el líquido que contiene y saturada total o parcialmente de él. Este es un factor vital al influir decisivamente en las propiedades del material poroso, por ejemplo la madera, para difundir el gas de estudio, por ejemplo el oxígeno en este caso, a través de las duelas. El resto de los documentos encontrados no consideran esta situación de un material poroso, o en todo caso consideran la humedad global del material poroso o del gas de arrastre que se emplea para desplazar el gas a medir, en lugar de considerar que parte del material poroso (la madera en este ejemplo particular) está saturado parcial o totalmente de forma no homogénea del líquido con el que está en contacto. Aunque la solicitud de patente JP2006292714 (A) presenta esta posibilidad, la medida se realiza en realidad poniendo en contacto el material poroso con dos gases, no con un gas y un líquido. Otro punto clave es que, a diferencia de otros sistemas de medida de la permeabilidad de materiales (US2010/0268488 Al) o membranas (W02006/093818A2) , el presente aparato y procedimiento utilizan un método óptico de medida no invasivo, mediante sensores en el interior, que al no ser destructivo o consumidor del gas durante la medida no interfiere en la concentración del gas a medir. Como ventaja adicional, el aparato objeto de interés presenta una construcción sólida sin circulación de fluidos en la fase de medida, que hace fácil conseguir una elevada estanqueidad evitando contaminaciones con el aire como sucede en la mayoría de las patentes encontradas o en las normas de ensayo existentes (ASTM, ISO) .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Descripción general
El objetivo principal de la presente invención es un aparato para medir la permeabilidad y la difusividad de un material poroso que se encuentra en contacto con una solución líquida por una de sus caras y con un gas que se difunde a través de él por la cara contraria, independientemente del grado de penetración del líquido en el material poroso, caracterizado porque dicho aparato comprende al menos:
una primera cámara, delimitada por una celda de material impermeable, que se rellena con una solución líquida, dicha primera cámara siendo adyacente a una primera cara del material poroso, de tal forma que se pone en contacto directo dicha cara del material con la solución líquida;
un anillo de ajuste, de material impermeable, que sella la cámara y la celda y en el que se aloja el material poroso sobre un soporte que lo sostiene; una segunda cámara ubicada en el interior de una tapa de material impermeable, dicha segunda cámara siendo adyacente a una segunda cara del material poroso que es opuesta a la primera cara adyacente a la cámara, y que se rellena con el gas de difusión; tornillos que unen la celda con el anillo de ajuste y la tapa; j untas impermeables al gas de medición que sellan la celda, el anillo y la tapa; un tubo de entrada del líquido que entra en contacto con una de las caras del material poroso en la cámara y de evacuación de un gas de arrastre del gas de difusión (y por tanto, de éste mismo) fuera de la primera cámara; un elemento de acople que permite realizar por la parte superior del tubo la entrada de la solución líquida, y que se conecta con la válvula de salida de los gases de difusión y de arrastre; una pieza porosa, que conecta una válvula de inyección del gas de arrastre a la primera cámara; una segunda válvula de salida del gas de arrastre de la cámara, conectada al elemento de acople superior del tubo; y un primer elemento sensor del gas de difusión, ubicado en la primera cámara, basado en tecnología óptica no invasiva...
Reivindicaciones:
1. Aparato para medir la permeabilidad y la difusividad de un material poroso (1) que se encuentra en contacto con una solución liquida por una de sus caras y con un gas de difusión por la cara contraria, caracterizado porque dicho aparato comprende al menos:
- una primera cámara (2) , delimitada por una celda (3) de
material impermeable, que se rellena con una solución
líquida, dicha primera cámara (2) siendo adyacente a una
primera cara del material poroso (1) , de tal forma que
se pone en contacto directo dicha cara del material (1)
con la solución líquida¡
- un anillo (4) de aj uste, de material impermeable, que
sella la cámara (2) y la celda (3) y en el que se aloja
el material poroso (1) sobre un soporte (5) que lo
sostiene¡
- una segunda cámara (6) ubicada en el interior de una
tapa (7a¡ 7b) de material impermeable, dicha segunda
cámara (6) siendo adyacente a una segunda cara del
material poroso (1) que es opuesta a la primera cara
adyacente a la primera cámara (2) , y que se rellena con
el gas de difusión¡
tornillos (8) que unen la celda (3) con el anillo de
ajuste (4) y la tapa (7a¡ 7b) ¡
juntas impermeables (9) al gas de medición que sellan la
celda (3) , el anillo (4) y la tapa (7a¡ 7b) ¡
- un tubo (10) de entrada del líquido que entra en
contacto con una de las caras del material poroso en la
primera cámara (2) y de evacuación del gas de difusión
arrastrado por un segundo gas, de arrastre del gas de
difusión fuera de la primera cámara (2) ¡
- un elemento de acople (11) en la parte superior del tubo
(10) de entrada de la solución líquida a la primera
cámara (2) , y que se conecta con una válvula de salida
(12) de los gases de difusión y de arrastre¡
una pieza porosa (13) , que conecta una válvula (14) de inyección del segundo gas, de arrastre, a la primera
cámara (2) i Y
un primer elemento sensor (15) del gas de difusión,
ubicado dentro de la primera cámara (2) , basado en
tecnología óptica no invasiva y con un nivel de
detección igualo inferior a 1pg/l.
2. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado por que el material poroso se encuentra total o parcialmente saturado de la solución líquida con la que entra en contacto directo en la primera cámara (2) .
3. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que el material poroso es un fragmento de una duela de madera que compone un recipiente.
4. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el gas de arrastre es seleccionado entre nitrógeno y helio.
5. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el material impermeable del que se componen los elementos del aparato es seleccionado dentro del grupo compuesto por acero inoxidable y otros materiales de muy baja permeabilidad, inoxidables y de dureza suficiente para evitar deformaciones.
6. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que comprende además una primera fibra óptica (16) situada en el exterior que ilumina de forma no invasiva el primer sensor (15) situado en el interior de la primera cámara (2) .
7. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la tapa (7a) comprende una abertura que es del mismo tamaño que la superficie de la segunda cara del material poroso adyacente a la segunda cámara (6) .
8. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la tapa (7b) comprende válvulas de entrada (17) y de salida (18) del gas de arrastre y del gas de difusión de la segunda cámara (6) .
9. Aparato según la reivindicación 8, caracterizado por que comprende además una segunda fibra óptica (20) que ilumina un segundo elemento sensor (19) del gas de difusión ubicado en el interior de la segunda cámara (6) , basado en tecnología óptica no invasiva y con un nivel de detección igualo inferior a 1pg/l.
10. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque las j untas de unión (9) de la celda (3) , el anillo (4) y la tapa (7a¡ 7b) son de un material seleccionado dentro del grupo de elastómeros compuesto por: fluoroelastómeros, silicona elástica encapsulada con etileno-propileno perfluorinado o con perfluoro/alcano alcóxido y otros materiales de muy baja permeabilidad al gas de difusión con bajo coeficiente de fricción, deformables, que permitan el sello en seco y tengan alta resistencia química y a la luz solar.
11. Método de medición de la permeabilidad y la difusividad de un material poroso (1) que se encuentra en contacto con una solución líquida por una de sus caras y con un gas de difusión por la cara opuesta mediante el aparato descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizada porque dicho método comprende al menos: fij ar de forma estanca el material poroso en el soporte (5) del anillo de ajuste (4) ; acoplar el anillo de ajuste (4) a la celda (3) y seguidamente acoplar la tapa (7a; 7b) al anillo de ajuste (4) , colocando las juntas (9) entre ellos; fijar la celda (3) , el anillo de ajuste (4) y la tapa (7a; 7b) con los tornillos (8) ; rellenar la primera cámara (2) con la solución
liquida hasta un nivel del tubo (10)
correspondiente a una pres~on hidrostática dentro
de la primera cámara (2) ;
introducir una corriente del gas de arrastre en la primera cámara (2) mediante la válvula (14) y por la pieza porosa (13) , borboteando; medir la presencia de gas de difusión con el primer sensor óptico (15) hasta la ausencia medible del gas de difusión en la primera cámara (2) ; cerrar las válvulas de entrada y salida de ambos gases, de difusión y de arrastre; y calcular la permeabilidad y la difusividad del material poroso a partir de la evolución de las lecturas de las medidas registradas por el sensor óptico (15) .
12. Método según la reivindicación 11, caracterizado por que el cálculo de los parámetros se realiza con los datos obtenidos de un ensayo que tiene una duración de 20 horas.
13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 11
o 12, caracterizado por que, en condiciones de calibración, a la vez que se introduce una corriente del gas de arrastre en la primera cámara (2) , se inyecta una corriente de gas de arrastre al interior de la segunda cámara (6) por una válvula de entrada (17) comprendida en la tapa (7b) , y se evacúan por una válvula de salida (18) comprendida también en dicha tapa (7b) , hasta que la ausencia medible del gas de difusión permanece constante, cerrándose entonces las válvulas de entrada (17) y salida (18) de la tapa (7b) , y las válvulas de entrada (14) y de salida (12) de la primera cámara (2) .
14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 11
o 12, caracterizado por que, en condiciones de atmósfera controlada: se introduce una corriente del gas de arrastre por la válvula de entrada (14) para arrastrar el gas de difusión disuelto en el líquido en la primera cámara (2) Y se evacúa por la válvula de salida
(12) unida a la celda (3) por medio del tubo (lO) , mientras que a la vez se inyecta una corriente del gas de arrastre al interior de la segunda cámara
(6) por una válvula de entrada (17) comprendida en la tapa (7b) , Y se evacúan los gases por una válvula de salida (18) comprendida también en dicha tapa (7b) , hasta que la ausencia medible del gas de difusión en las dos cámaras permanece constante; de tal forma que se genera un gradiente de concentraciones de dicho gas de difusión entre ambas cámaras, antes de proceder al cálculo de la difusividad y la permeabilidad del material poroso.
15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 11
o 12, caracterizado por que, en condiciones atmosféricas reales, el gas de difusión es uno de los que componen el aire atmosférico y se introduce en la segunda cámara (6) por la tapa (7a) del aparato a través de una abertura que
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