Procedimiento para preparar membranas compuestas para la separación de gases usando un sistema de recubrimiento polimérico continuo y membranas obtenidas por el procedimiento.

Procedimiento para preparar una membrana compuesta para separación de gases que comprende una membrana sustrato micro, ultra o nanoporosa y un recubrimiento polimérico, en el que la membrana sustrato se hace subir a través de un baño de recubrimiento que comprende un líquido de baño que comprende un líquido de alta densidad y tensión superficial y una disolución de polímero aplicada sobre la superficie del líquido de baño, añadir en continuo al baño una cantidad de disolución de polímero correspondiente a la cantidad de disolución de polímero depositada en la membrana sustrato que ha pasado a través del baño de recubrimiento, y evaporar el disolvente de la disolución de polímero depositada en la membrana sustrato que ha pasado por el baño de recubrimiento en un tubo vertical de evaporación relleno con un gas inerte y calentado en su parte superior, formándose en dicha membrana sustrato una capa polimérica

Procedimiento para preparar membranas compuestas para la separación de gases usando un sistema de recubrimiento polimérico continuo y membranas obtenidas por el procedimiento.

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para producir membranas compuestas para la separación de gases, proporcionando un sistema innovador de recubrimiento polimérico continuo para su uso en el recubrimiento polimérico de una membrana sustrato micro, ultra o nanoporosa con el fin de preparar una membrana compuesta para la separación de gases.

Antecedentes de la invención

Las membranas son barreras de película fina que permiten el paso selectivo a su través de ciertos componentes de una mezcla fluida mientras que discriminan a los otros componentes para conseguir la separación. Estas membranas típicamente se forman a partir de polímeros y son semipermeables.

Cuatro elementos determinan el comportamiento y aplicación de una membrana, particularmente, (1) el tamaño de los poros y su distribución, (2) el espesor de la capa selectiva, (3) las propiedades químicas y físicas de los materiales de la membrana y (4) el coste. El tamaño de los poros y su distribución normalmente determinan las aplicaciones de la membrana, el factor de separación o la selectividad, mientras que la capa selectiva controla el flujo o productividad de la membrana. Las propiedades químicas y físicas del material rigen la permeancia selectiva intrínseca para la separación de gases y la resistencia química para membranas usadas bajo condiciones severas (Jiang, L., Journal of Membrane Science 240 (2004) 91-103).

En las cuatro últimas décadas, la mayoría de los estudios sobre mecanismos de inversión de fase, formación de capas densas finas y control de la morfología de la membrana y del tamaño de los poros se han basado en membranas asimétricas planas o de una sola capa.

Actualmente, la fibra hueca es una de las configuraciones de membranas más populares empleadas en la industria. Esto se debe a sus numerosas características beneficiosas que hacen que sea atractiva para esas industrias. Las fibras huecas tienen una necesidad energética moderada, no producen productos residuales excepto el componente deseado, tienen una gran superficie por unidad de volumen, son flexibles y presentan bajos costes de operación.

Las membranas también pueden clasificarse como compuestas, soportadas o integrales. Las membranas compuestas comprenden una capa de retención muy fina unida a un soporte poroso formado previamente. En la membrana soportada, la membrana real está unida a una lámina de material fuerte con una retentividad insignificante. Las membranas de tipo integral se forman en una sola operación teniendo capas de la misma composición. Estas capas pueden tener propiedades muy diferentes dependiendo, en general, de si la membrana es simétrica o asimétrica. Así, las membranas pueden clasificarse de acuerdo con la diferencia o similitud de porosidad entre sus dos caras. De esta manera, las membranas pueden clasificarse como simétricas cuando las dos caras tiene una porosidad similar o como asimétricas cuando las dos caras difieren en porosidad.

Las membranas para gases se usan ampliamente en una diversidad de industrias de producción de gas porque la tecnología de separación con membranas tienen muchas ventajas en procesos de gases, tales como un bajo coste capital, bajo consumo de energía, facilidad de funcionamiento, eficacia en cuanto al coste incluso a bajos volúmenes de gas y buena eficacia en relación con el peso y el espacio.

Los fabricantes producen membranas de separación de gases a partir de una diversidad de materiales, siendo la clase más general los polímeros sintéticos. Se sabe que muchos materiales poliméricos ofrecen propiedades intrínsecamente atractivas, es decir, alta permeabilidad y selectividad para los gases deseados.

Las membranas poliméricas de separación de gases son bien conocidas y se usan en áreas tales como la producción de aire enriquecido en oxígeno, la producción de nitrógeno a partir de aire, la separación de dióxido de carbono de metano, la recuperación de hidrógeno a partir de mezclas de hidrocarburos y la eliminación de vapores orgánicos del aire o del nitrógeno.

La membrana preferida para uso en cualquier aplicación de separación de gases combina una alta selectividad con un alto flujo. De esta manera, la industria de fabricación de membranas ha centrado su búsqueda en el desarrollo de polímeros y membranas con el mejor comportamiento de selectividad/flujo. Se conocen muchos materiales poliméricos que ofrecen propiedades intrínsecamente atractivas, es decir, cuando se mide el comportamiento de permeación de una pequeña película de polímero usando muestras de gas puro, la película presenta una alta permeabilidad para algunos gases puros y una baja permeabilidad para otros.

En general, el paso de un gas a través de una membrana puede realizarse a través de poros, es decir, canales continuos para el flujo de fluidos en comunicación tanto con la superficie de alimentación como con la superficie de salida de la membrana (pudiendo ser dichos poros adecuados o no para la separación por difusión de flujo de tipo Knudsen). Sin embargo, en otro mecanismo, el paso de un gas a través de una membrana puede realizarse por interacción del gas con el material de la membrana. En este último mecanismo, se cree que en la permeabilidad de un gas a través de una membrana están implicadas la solubilidad del gas en el material de la membrana y la difusión del gas a través de la membrana.

En la Patente de Estados Unidos Nº 4.230.463 se considera que la constante de permeabilidad para un gas individual es el producto de la solubilidad y difusividad de ese gas en la membrana. Un material de membrana dado tiene una constante de permeabilidad particular para el paso de un gas dado por la interacción del gas con la membrana. La velocidad de permeación del gas, es decir, el flujo a través de la membrana está relacionada con la constante de permeabilidad, pero también se ve influenciada por variables tales como el espesor de la membrana, la naturaleza química de la membrana, el diferencial de presión parcial del gas infiltrado a través de la membrana, la temperatura y similares.

La Patente de Estados Unidos Nº 7.067.058 B2 indica que se prefieren polímeros hidrófobos para usarse como filtros de gas ya que poseen bajos valores de tensión superficial y carecen de grupos activos en su química de superficie para la formación de "puentes de hidrógeno" con el agua. Las membranas fabricadas a partir de estos materiales tienen baja humectabilidad y, por lo tanto, el vapor de agua presente en la corriente gaseosa de alimentación no colapsa sus poros internos.

Por otro parte, es esencial la presencia de una capa densa sin defectos en la membrana polimérica. La existencia de poros interconectados da lugar a un alto flujo, pero al mismo tiempo proporciona una selectividad muy deficiente debido a la ausencia de resistencia para cualquier componente gaseoso. La preparación de una membrana de superficie integral asimétrica con una superficie sin defectos es una tarea complicada y tediosa. Además, el alto coste de los polímeros con elevadas permeancias selectivas a gases y de sus disolventes hace que sean prohibitivos para su uso en técnicas de inversión de fase para preparar membranas de superficie integral.

Por lo tanto, están más indicadas las membranas con una película polimérica muy fina, aplicadas como un recubrimiento sobre un sustrato poroso adecuado, como se menciona en el artículo titulado "Novel composite hollow fiber gas separation membranes with high selectivity and improved solvent resistance" ("Nuevas membranas de fibra hueca compuestas de separación de gases con alta selectividad y mejor resistencia a disolventes") (F. Tasselli et al., Desalination, Vol. 200, Páginas 61-63, (2006)).

Por otra parte, de acuerdo con la solicitud de Patente en Estados Unidos Nº 2006/0117955 A1, la presencia de poros o defectos en la capa superficial con un diámetro de aproximadamente 1,0 nm reduce drásticamente la selectividad de la membrana para ciertos gases. La permeancia de las membranas integrales asimétricas es inversamente proporcional al espesor de la superficie cuando la resistencia del interior, de alta porosidad, es mínima. Por lo tanto, la capa superficial debe ser tan fina como sea posible, preferiblemente del orden de 0,1 μm para conseguir un caudal de permeación razonable.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para preparar una membrana para separación de gases que comprende una membrana sustrato micro, ultra o nanoporosa y un recubrimiento polimérico, en el que dicho recubrimiento se aplica mediante un proceso continuo que comprende

- hacer pasar la membrana sustrato por un baño de recubrimiento, que comprende un líquido de baño que comprende