Una membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado.

Una membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado que comprende un material derefuerzo de un trenzado tubular y una película delgada resinosa de polímero revestida sobre la superficie deltrenzado tubular caracterizada porque:

el trenzado tubular comprende multifilamentos fabricados demonofilamentos que tienen una finura de 0,01 a 0,4 denier y la resistencia al pelado del trenzado tubular y unapelícula delgada resinosa de polímero revestida sobre la superficie de la misma es 1 a 10 MPa, en la que el trenzadotubular está tejido por el uso de 16 a 60 hilos grises para tejer preparado por combinación de 4 a 10 multifilamentos,en la que los multifilamentos que constituyen el trenzado tubular consisten en 150 a 7.000 monofilamentos.

Una membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado Antecedentes de la invención

Campo técnico La presente invención se refiere a una membrana de fibra hueca de material compuesto que tiene una excelente propiedad humectante inicial, resistencia al pelado, fiabilidad de filtración y permeabilidad al agua.

Recientemente, se están usando membranas de separación de polímeros en más diversos campos así como campos de aplicación existente con la mejora de sus técnicas. Particularmente, con la importancia del medio ambiente, se están incrementando sus demandas en el campo de tratamiento de aguas. En todos los campos de aplicación de membranas de separación, una resistencia mecánica, tal como resistencia al pelado, siempre se destaca como un factor importante, así como selectividad y permeabilidad al agua. Particularmente, en los campos de tratamiento de aguas, se requiere necesariamente una resistencia mecánica excelente, simultáneamente con una alta permeabilidad, desde el punto de vista de la fiabilidad de un sistema de membrana de separación.

Técnica anterior

Una membrana formada por fibras huecas tiene una alta permeabilidad por área de instalación y es adecuada para el tratamiento de aguas, aunque la resistencia mecánica de la misma ha sido un problema a solucionar debido a las características de la estructura de la membrana porosa. De este modo, una membrana de fibra hueca reforzada con un tejido o trenzado tubular que tiene una excelente resistencia mecánica como soporte de la membrana de separación. Tal idea general de una membrana de material compuesto es un hecho bien conocido. Las técnicas de las mismas se desvelan en la Patente de Estados Unidos N.º: 4.061.821, la Patente de Estados Unidos N.º: 3.644.139, la Patente de Estados Unidos N.º: 5.472.607, N.º: 6.354.444 y similares.

Entre ellas, una idea general de una membrana de fibra hueca de material compuesto que usa un trenzado tubular se desveló por primera vez en la Patente de Estados Unidos N.º: 4.061.821 de Hayano et al. Sin embargo, en esta técnica, el trenzado tubular no se usa como soporte para revestimiento, sino que está completamente embebido en la membrana con el fin de compensar una reducción de permeabilidad al agua debido a la contracción ocurrida cuando una membrana de tipo de fibra hueca de acrilo se usa solamente a una temperatura mayor que 80 ºC. Tal membrana de material compuesto tiene un espesor mayor que la película revestida sobre un soporte y el trenzado embebido aumenta la resistencia del flujo de fluido por lo tanto reduciendo significativamente la permeabilidad al agua.

A diferencia de la técnica anterior, en la Patente de Estados Unidos N.º: 5.472.607, un material de refuerzo no está embebido en la membrana, sino que está revestida en su superficie con una delgada película por un procedimiento de revestimiento de la membrana de material compuesto plana existente. En la fabricación una membrana de fibra hueca de material compuesto que tiene una capa de película delgada revestida sobre un material de refuerzo o material de soporte de un trenzado tubular, la estabilidad termodinámica difiere de acuerdo con la composición de un barniz a usar para revestimiento. Esto determina la estructura de la capa de película delgada revestida.

Esto es, en el caso de un barniz termodinámicamente estable, tiene una estructura de tipo dedo. Por el contrario, un barniz con una baja estabilidad termodinámica tienen una estructura esponjosa sin ninguna región defectuosa. Por ejemplo, en el caso de usar como barniz un disolvente que tenga un fuerte poder disolvente tal como N-metil-2pirrolidona (NMP) entre disolventes orgánicos, puede formar fácilmente una estructura de tipo dedo debido a que tiene una estabilidad termodinámica.

De forma adicional, la permeabilidad al agua y resistencia mecánica de la membrana de fibra hueca de material compuesto global depende de la estructura y propiedades de la capa de película fina. Esto es debido a que la capa de película delgada tiene pequeños poros y una menor resistencia mecánica que un material de refuerzo trenzado tubular que tiene poros relativamente mucho mayores y una mayor resistencia. En otras palabras, el filtrado que ha pasado a través de la capa de película delgada pasa a través de una capa de soporte de trenzado con poros relativamente grandes sin una gran resistencia. Aunque, ya que la capa de película delgada tiene una gran resistencia al flujo, la permeabilidad al agua de la membrana global se determina de acuerdo con una estructura y porosidad microporosa.

En vista de la resistencia, la resistencia a la tracción, resistencia a la presión y similares se complementan por material de refuerzo trenzado que tiene una resistencia mecánica muy superior. Sin embargo, si la resistencia de la película delgada está reducida, la película delgada se separa o daña.

En la Patente de Estados Unidos N.º: 4.061.821 y la Patente de Estados Unidos N.º: 5.472.607, la importancia de la estructura de la capa de película delgada revestida estaba omitida en relación a la presente invención. Particularmente, la estructura de la capa de película delgada en las dos técnicas anteriores tiene una región porosa mayor de 5 !m en una capa interna de una piel, esto es, la capa interna tiene algunos microporos que tienen un diámetro de poro mayor de 5 !m.

FIG. 2 es una vista transversal despiezada de una membrana de fibra hueca de material compuesto desvelada en la Patente de Estados Unidos N.º: 4.061.821; y la FIG. 3 es una vista transversal despiezada de una membrana de fibra hueca de material compuesto desvelada en la Patente de Estados Unidos N.º: 5.472.607. Estas membranas tienen una estructura de tipo dedo como se muestra en las FIG. 2 y 3 y tienen una región defectuosa D que funciona como un defecto en la capa de película fina.

Como se observa del hecho bien conocido, pueden actuar como un defecto en la expresión de las propiedades mecánicas de la película fina. Particularmente, cuando la piel de una capa densa está dañada, se filtra un material capaz de ser interceptado secundariamente por la capa interna. Esto reduce la fiabilidad de filtración de la membrana relativamente.

La membrana de fibra hueca de material compuesto es adecuada, particularmente para módulos de filtración en los campos de de tratamiento de aguas debido a su superior resistencia mecánica. En tal modulo de filtración, existe una posibilidad de dañar la membrana por la fricción e impacto físico generados entre las membranas debido a aireación. Particularmente, se requiere filtración por la capa interna de manera que asegure una alta fiabilidad de filtración.

Mientras tanto, la Patente de Estados Unidos N.º: 6.354.444 propone una membrana de fibra hueca de material compuesto revestida con una película delgada resinosa de polímero sobre un trenzado fabricado de monofilamentos que tiene una finura de 0, 5 a 7 denier. Sin embargo, en la membrana de fibra hueca de material compuesto, el trenzado está fabricado de monofilamentos de 0, 5 o de mayor denier, de manera que el área de la superficie del trenzado que está en contacto con la película delgada resinosa de polímero es pequeña, que conduce a una baja resistencia al pelado entre el trenzado y la resina de polímero revestida sobre su superficie. Con el fin de aplicar en primer lugar la membrana de fibra hueca de material compuesto a una planta de tratamiento, el aire de los microporos que existen en una membrana de separación (capa de revestimiento) de la membrana de fibra hueca tiene que eliminarse para así activar la permeabilidad al agua. Particularmente, la propiedad de absorción (propiedad humectante inicial) para eliminar el aire ya que el agua se filtra de manera natural en los microporos de una membrana seca es baja, existe un problema en la aplicación de la permeabilidad al agua. Por lo tanto, la mayoría de las membranas de separación de tratamiento de aguas se aplican de una manera tal que las membranas de separación se empapan en una solución de empapado antes en un procedimiento de fabricación debido a tal propiedad de humectación inicial baja y se almacena y transporta en estado húmedo, o en caso de aplicación de la membrana seca al sitio, la membrana seca se sumerge en solución acuosa de alcohol o similar que es más fácil permeable en los microporos que el agua, activando por lo tanto la permeabilidad inicial. Sin embargo, en este caso, ya que la membrana seca se almacena y transporta en estado húmedo, un tratamiento conservante separado y el peso de la membrana es alto y si se usa una solución acuosa de alcohol en un estado seco, se genera una gran cantidad de solución de desecho y se requiere un proceso separado.

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1. Una membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado que comprende un material de refuerzo de un trenzado tubular y una película delgada resinosa de polímero revestida sobre la superficie del trenzado tubular caracterizada porque: el trenzado tubular comprende multifilamentos fabricados de monofilamentos que tienen una finura de 0, 01 a 0, 4 denier y la resistencia al pelado del trenzado tubular y una película delgada resinosa de polímero revestida sobre la superficie de la misma es 1 a 10 MPa, en la que el trenzado tubular está tejido por el uso de 16 a 60 hilos grises para tejer preparado por combinación de 4 a 10 multifilamentos, en la que los multifilamentos que constituyen el trenzado tubular consisten en 150 a 7.000 monofilamentos.

2. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 1, en la que la propiedad humectante inicial de la membrana de fibra hueca de material compuesto es 80 al 120 %,

en la que la propiedad humectante inicial se mide de acuerdo con fórmula 1 dada a continuación:

fórmula 1

permeabilidad al agua de la membrana de fibra hueca de material compuesto de estado seco

Propiedad de humectación inicial (%) = ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- x 100

permeabilidad al agua de la membrana de fibra hueca de material compuesto tratada con alcohol y agua pura en la que la permeabilidad al agua se mide de acuerdo con la fórmula 2 dada a continuación:

fórmula 2

cantidad de permeación (g)

Permeabilidad al agua (gr/cm2 · min · kg/cm2) = ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- x 100

área de permeación de membrana de fibra hueca (cm2) x presión (kg/cm2) x tiempo de permeación (min)

3. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 1 o 2, en la que la finura de los multifilamentos es 30 a 140 deniers.

4. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 1 o 2, en la que el espesor de la película delgada resinosa de polímero es menor de 0, 2 mm.

5. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 1 o 2, en la que la longitud de penetración de la película delgada resinosa de polímero en el material de refuerzo es menor del 30 % del espesor del material de refuerzo.

6. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 1 o 2, en la que la película delgada resinosa de polímero está fabricada de un barniz hilado que consiste en resina de polímero, disolvente orgánico, polivinilpirrolidona y compuesto hidrófilo.

7. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 6, en la que la resina de polímero es resina de polisulfona, resina de poliétersulfona, resina de polisulfona sulfonada, resina de fluoruro de polivinilideno (PVDF) , resina de poliacrilonitrilo (PAN) , resina de poliimida, resina de poliamidaimida o resina de poliéterimida.

8. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 6, en la que el compuesto hidrófilo es compuesto de agua o glicol.

9. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzada por trenzado de la reivindicación 8, en la que el compuesto de glicol es polietilenglicol que tiene un peso molecular menor de 2.000.

10. La membrana de fibra hueca de material compuesto reforzado por trenzado de la reivindicación 6, en la que el disolvente orgánico incluye dimetilacetamida, dimetilformamida o una de sus mezclas.

FIG. 1

FIG. 2

FIG. 3