Una membrana de fibra hueca reforzada mediante malla, caracterizada porque comprende un material de refuerzo de una malla tubular y una película fina resinosa polimérica que recubre a la superficie del material de refuerzo,

teniendo dicha película fina resinosa polimérica una capa de revestimiento superficial con microporos que tienen un diámetro en el intervalo de 0,01 a 1 μm y una capa interna de una estructura esponjosa con microporos que tienen un diámetro menor de 10 μm, y en la que no existen microporos que tienen un diámetro mayor de 10 μm, en la que la película fina resinosa polimérica está hecha de una solución lubricante de hilado constituida por resina polimérica, disolvente orgánico, polivinilpirrolidona y compuesto hidrófilo, siendo dicha resina polimérica resina de polisulfona, resina de polietersulfona, resina de polisulfona sulfonada, resina de fluoruro de polivinilideno (PVDF), resina de poliacrilonitrilo (PAN), resina de poliimida, resina de poliamidaimida o resina de poliésterimida y dicho compuesto hidrófilo es agua o un compuesto de glicol

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una membrana de separación polimérica que tiene una excelente resistencia química, fiabilidad frente a filtraciones, resistencia mecánica y permeabilidad al agua, y más particularmente, a una membrana de fibra hueca compuesta.

Recientemente, las membranas de separación poliméricas se están utilizando en campos más diversos así como en campos de aplicación existentes con la mejora de sus técnicas. Particularmente, con la importancia del medioambiente, su demanda está aumentando en el campo del tratamiento de aguas. En todos los campos de aplicación de las membranas de separación, una resistencia mecánica siempre destaca como un factor importante así como la selectividad y la permeabilidad al agua. Particularmente, en el campo del tratamiento de aguas, se requiere necesariamente una excelente resistencia mecánica, simultáneamente con una alta permeabilidad, desde el punto de vista de la fiabilidad de un sistema de membrana de separación.

Una membrana en forma de fibra hueca tiene una alta permeabilidad por área de instalación y es adecuada para el tratamiento de aguas, mientras que su resistencia mecánica ha sido un problema a resolver debido a las características de una estructura de membrana porosa. Por lo tanto, una membrana de fibra hueca está reforzada con un tejido o una malla tubular que tiene una excelente resistencia como soporte de la membrana de separación.

Descripción de la técnica relacionada

Dicha idea general de una membrana compuesta es un hecho bien conocido. Técnicas de la misma se describen en la Patente de Estados Unidos Nº 4.061.821, la Patente de Estados Unidos Nº 3.644.139, la Patente de Estados Unidos Nº 5.472.602 y similares.

Entre ellas, una idea general de una membrana de fibra hueca compuesta que usa una malla tubular se describió por primera vez en la Patente de Estados Unidos Nº 4.061.821 de Hayano et al. En esta técnica, sin embargo, la malla tubular no se usa como soporte de recubrimiento, sino que está completamente embebida en la membrana para compensar una reducción de permeabilidad al agua debida a la retracción ocurrida cuando una membrana de tipo fibra hueca de acrilonitrilo se usa en solitario a una temperatura superior a 80ºC. Dicha membrana compuesta tiene un mayor grosor que la fina película que recubre a un soporte, y la malla embebida aumenta la resistencia al flujo de fluido para reducir de este modo significativamente la permeabilidad al agua.

A diferencia de la técnica anterior, en la Patente de Estados Unidos Nº 5.472.602, un material de refuerzo no está embebido en la membrana, sino que recubre a su superficie con una fina película mediante un método de recubrimiento de la membrana plana existente. En la fabricación de una membrana de fibra hueca compuesta que tiene una capa de película fina recubriendo la superficie de un material de refuerzo o material de soporte de una malla tubular, la estabilidad termodinámica difiere de acuerdo con la composición de una solución lubricante que se usará para el recubrimiento. Esto determina la estructura de la capa de película fina de recubrimiento.

Es decir, en el caso de una solución lubricante termodinámicamente estable, ésta tiene una estructura de tipo dedo. Por el contrario, una solución lubricante con una baja estabilidad termodinámica tiene una estructura esponjosa sin región de defecto. Por ejemplo, en el caso de una solución lubricante usada como disolvente que tiene un gran poder disolvente tal como N-metil-2-pirrolidona (NMP) entre disolventes orgánicos, puede formar fácilmente una estructura de tipo dedo, dado que tiene una alta estabilidad termodinámica.

Adicionalmente, la permeabilidad al agua y la resistencia mecánica de la membrana de toda la fibra hueca compuesta depende de la estructura y las propiedades de la capa de película fina. Esto es porque la capa de película fina tiene pequeños poros y una resistencia mecánica más baja que un material de refuerzo de malla tubular que tiene poros relativamente mucho más grandes y una mayor resistencia. En otras palabras, el filtrado que ha pasado a través de la capa de película fina pasa a través de una capa de soporte de malla con poros relativamente grandes sin una gran resistencia. Aunque, dado que la capa de película fina tiene una gran resistencia al flujo, la permeabilidad al agua de toda la membrana se determina de acuerdo con una estructura microporosa y la porosidad de la capa de película fina.

En vista de la resistencia, la resistencia a la tracción, la resistencia a la presión y similares son complementadas por el material de refuerzo de malla que tiene una resistencia mecánica muy superior. Sin embargo, si la resistencia de la película fina se reduce, la película fina se separa o resulta dañada.

En la Patente de Estados Unidos Nº 4.061.821 y la Patente de Estados Unidos Nº 5.472.602, la importancia de la estructura de capa de película fina de recubrimiento se pasó por alto con respecto a la presente invención. Particularmente, la estructura de la capa de película fina en las dos técnicas anteriores tiene una región porosa

mayor de 5 m en una capa interna de un revestimiento superficial, es decir, la capa interna tiene algunos microporos que tienen un diámetro de poro mayor de 5 m.

La figura 2 es una vista de sección en despiece ordenado de una membrana de fibra hueca compuesta descrita en la Patente de Estados Unidos Nº 4.061.821; y la figura 3 es una vista de sección en despiece ordenado de una membrana de fibra hueca compuesta descrita en la Patente de Estados Unidos Nº 5.472.602. Estas membranas tienen una estructura similar a un dedo como se muestra en las figuras 2 y 3 y tienen un macrovacío que funciona como defecto en la capa de película fina.

Como se ve a partir del hecho bien conocido, pueden actuar como defecto al expresar las propiedades mecánicas de la película fina. Particularmente, cuando el revestimiento superficial de una capa densa resulta dañado, un material capaz de ser cortado por la capa interna se permeabiliza. Esto reduce la fiabilidad frente a filtraciones de la membrana relativamente.

La membrana de fibra hueca compuesta es adecuada, particularmente para módulos de filtración en el campo del tratamiento de aguas debido a su superior resistencia mecánica. En dicho módulo de filtración, existe una posibilidad de dañar la superficie de la membrana mediante la fricción y el impacto físico generados entre membranas debido a la aireación.

El documento US-A-5 472 607 describe una membrana semipermeable de fibra hueca que comprende una malla, una capa interna, una capa intermedia, una capa externa y un revestimiento superficial. La capa interna recubre a la malla y comprende poros que tienen diámetros preferentemente en el intervalo de 10 m a 200 m, en la que los poros están presentes en una distribución estadística normal.

El documento WO 00/78473 A describe una membrana de fibra hueca que comprende una malla tubular que está soportada por una película polimérica tubular. La película polimérica puede comprender varias capas. En la figura 4 se muestra una realización preferida. La capa interna 38 tiene un tamaño de poro de más de 10 m.

El documento Kim J. H et al, “Effect of PEG additive on membrane formation by phase inversion”, Journal of Membrane Science, 138 (1998), 153-163, describe el efecto del aditivo de PEG sobre la formación de membranas mediante inversión de fase. Se proporcionan consideraciones termodinámicas y cinéticas para el efecto de PEG como agente formador de poros en la solución de moldeo.

Es un objeto de la presente invención proporcionar una membrana de fibra hueca que tiene una excelente resistencia mecánica, fiabilidad frente a filtraciones, y permeabilidad al agua recubriendo con una película fina resinosa polimérica al soporte de una malla.

La presente invención proporciona una membrana de fibra hueca que tiene una película fina resinosa polimérica, que comprende una capa de revestimiento superficial de una estructura densa y una capa interna de una estructura esponjosa en la que los diámetros de los poros aumentan continua y gradualmente a medida que se aproximan al eje central de la fibra hueca, que recubre al material de refuerzo de una malla tubular.

Además, la presente invención proporciona... [Seguir leyendo]

1. Una membrana de fibra hueca reforzada mediante malla, caracterizada porque comprende un material de refuerzo de una malla tubular y una película fina resinosa polimérica que recubre a la superficie del material de refuerzo, teniendo dicha película fina resinosa polimérica una capa de revestimiento superficial con microporos que tienen un diámetro en el intervalo de 0,01 a 1 m y una capa interna de una estructura esponjosa con microporos que tienen un diámetro menor de 10 m, y en la que no existen microporos que tienen un diámetro mayor de 10 m, en la que la película fina resinosa polimérica está hecha de una solución lubricante de hilado constituida por resina polimérica, disolvente orgánico, polivinilpirrolidona y compuesto hidrófilo, siendo dicha resina polimérica resina de polisulfona, resina de polietersulfona, resina de polisulfona sulfonada, resina de fluoruro de polivinilideno (PVDF), resina de poliacrilonitrilo (PAN), resina de poliimida, resina de poliamidaimida o resina de poliésterimida y dicho compuesto hidrófilo es agua o un compuesto de glicol.

2. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque los diámetros de los microporos formados en la capa interna de la estructura esponjosa son menores de 5 m.

3. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque los diámetros de los microporos formados en la capa interna de la estructura esponjosa aumentan de forma continua y gradual a medida que se aproximan a la dirección central de la membrana de fibra hueca.

4. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque el grosor de la película fina resinosa polimérica es menor de 0,2 mm.

5. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque la longitud de la película fina resinosa polimérica que penetra en el material de refuerzo es menor del 30% del grosor del material de refuerzo.

6. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque el compuesto de glicol es polietilenglicol que tiene un peso molecular menor de 2.000.

7. La membrana de fibra hueca reforzada mediante malla de la reivindicación 1, caracterizada porque el disolvente orgánico incluye dimetilacetamida, dimetilformamida o una solución compuesta de las mismas.

8. Proceso para producir una membrana de fibra hueca reforzada mediante malla, caracterizado porque comprende un material de refuerzo de una malla tubular y una película fina resinosa polimérica que recubre a la superficie del material de refuerzo, teniendo dicha película fina resinosa polimérica una capa de revestimiento superficial con microporos que tienen un diámetro en el intervalo de 0,01 a 1 m y una capa interna de una estructura esponjosa con microporos que tienen un diámetro menor de 10 m, y en la que no existen microporos que tienen un diámetro mayor de 10 m, en el que en dicho proceso la proporción (k) de la tasa de introducción de la solución lubricante de hilado (Q) y la velocidad de avance de la malla (v) con respecto al diámetro externo de una unidad (D0) de malla, que se expresa mediante la siguiente fórmula, está en el intervalo de 200 a 3.000 (g/m2)

**(Ver fórmula)**

en el que la película fina resinosa polimérica está hecha de una solución lubricante de hilado constituida por resina polimérica del 10 al 50% en peso, disolvente orgánico del 20 al 89% en peso y polivinilpirrolidona y compuesto hidrófilo del 9 al 30% en peso, siendo dicha resina polimérica resina de polisulfona, resina de polietersulfona, resina de polisulfona sulfonada, resina de fluoruro de polivinilideno (PVDF), resina de poliacrilonitrilo (PAN), resina de poliimida, resina de poliamidaimida o resina de poliésterimida y dicho compuesto hidrófilo es agua o un compuesto de glicol.

9. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la proporción (k) de la tasa de introducción de la solución lubricante de hilado (Q) y la velocidad de avance de la malla (v) con respecto al diámetro externo de una unidad (D0) de malla está en el intervalo de 500 a 2.500 (g/m2).