Membrana con soporte de porosidad modificada para la filtración tangencial de un fluido.

Membrana (4) para la filtración tangencial de un fluido a tratar,

que asocia:

- un soporte poroso (1), para la filtración tangencial de un fluido a tratar, formado por un material inorgánico seleccionado de entre los óxidos metálicos, presentando dicho soporte por lo menos una superficie (3) orientada hacia el fluido a tratar que circula según una dirección de circulación y una superficie de salida (11) para una fracción denominada permeado que atraviesa el soporte poroso,

1- con por lo menos una capa de separación (5) para el fluido a tratar, obtenida a partir de una suspensión que contiene por lo menos un óxido metálico y que recubre la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, presentando dicha capa de separación (5) una porosidad inferior a la del soporte (1),

caracterizada porque el soporte (1) corresponde a un soporte inicial parcialmente colmatado con unas partículas constituidas por un material seleccionado de entre los óxidos metálicos y presenta, en una profundidad (p) constante dada medida a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, una porosidad transversal media creciente cuando uno se desplaza al interior del soporte, transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado, siendo a su vez homogénea la porosidad longitudinal media del soporte (1) cuando uno se desplaza al interior del soporte (1), paralelamente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, según la dirección de circulación del fluido a tratar.

Membrana con soporte de porosidad modificada para la filtración tangencial de un fluido.

La presente invención se refiere al campo técnico de la separación tangencial que utiliza unos elementos de separación denominados generalmente membranas. Estas membranas se realizan generalmente a partir de materiales inorgánicos y están constituidas por un soporte poroso y por lo menos por una capa separadora cuya naturaleza y morfología están adaptadas para asegurar la separación de las moléculas o de las partículas contenidas en el medio fluido a tratar. La separación por membranas separa un líquido que contiene moléculas y/o partículas en dos partes: una parte de permeado que contiene las moléculas o partículas que han atravesado la membrana y, por lo tanto, el soporte y la capa separadora, y una parte de retentado que contiene moléculas o partículas retenidas por la membrana.

El objetivo de la invención prevé más precisamente realizar una membrana que integra un soporte poroso.

Una membrana es una estructura material que permite la detención o el paso selectivo bajo el efecto de una fuerza motriz de transferencia de sustancias entre los volúmenes de fluido que ésta separa.

El nombre de la separación efectuada depende de la fuerza motriz de transferencia. Si la fuerza motriz de transferencia es:

-un campo eléctrico, la separación se denomina electrodiálisis,

-una presión, la separación se denomina microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración u ósmosis inversa,

-una diferencia de potencial químico, la separación se denomina diálisis.

El objeto de la invención encuentra una aplicación particularmente ventajosa en el campo de la nanofiltración, la ultrafiltración, la microfiltración, la filtración o la ósmosis inversa.

La separación por membranas encuentra dos aplicaciones principales:

-la extracción en el caso en que las moléculas o partículas que se desea valorar atraviesan la membrana,

-la concentración en el caso en que las moléculas o partículas que se desea valorar son retenidas por la membrana.

De una manera clásica, una membrana se define por la asociación de un soporte poroso de materia inorgánica, tal como cerámica, y una o varias capas separadoras de materia inorgánica. El soporte presenta una superficie orientada hacia el fluido a tratar y, por lo tanto, de entrada del permeado y una superficie de salida del permeado. La capa o las capas separadoras se depositan sobre la superficie orientada hacia el fluido a tratar y están unidas entre ellas y al soporte por sinterización. Estos tipos de membrana se denominan membrana compuesta. Estas membranas pueden adoptar diferentes geometrías, en particular planas o tubulares. El papel de las capas es asegurar la separación de las especies moleculares o particuladas, mientras que el papel del soporte es permitir, por su resistencia mecánica, la realización de capas de pequeño espesor.

Si se considera que una membrana está provista de poros que se extienden sobre la totalidad de su espesor, transversalmente a la dirección de circulación, estos poros tienen generalmente una morfología asimétrica (o de tipo “torre Eiffel”) , estando la parte más estrecha en contacto con el fluido a tratar. Esta morfología permite tener un diámetro de poro mínimo en la parte activa del poro, con la consecuencia de una permeabilidad máxima. Esta morfología se obtiene, en el caso de las membranas cerámicas, por apilamiento de medios porosos de granulometría decreciente sobre el soporte poroso.

Cuando la fuerza actuante es una presión, la separación es únicamente física. Las moléculas o las partículas no se modifican y se mantienen en su estado inicial. Las moléculas o partículas detenidas por la membrana se depositan en la superficie de la membrana y realizan un colmatado que puede ser muy importante.

Para reducir este último, existen dos tecnologías:

-el descolmatado tangencial para el cual el líquido a tratar circula tangencialmente a la superficie de la membrana. Esta circulación hace aparecer un rozamiento que aumenta el coeficiente de transferencia,

-la retrofiltración que consiste en reenviar en sentido inverso a través de la membrana una parte del líquido filtrado.

En la actualidad, las instalaciones industriales de membranas utilizan el descolmatado tangencial solo o asociado con retrofiltración. No obstante, cualquiera que sea la técnica de descolmatado utilizada, las curvas de permeabilidad en función del tiempo tienen siempre el aspecto de la curva presentada en la figura 1. Se observa una caída brutal de permeabilidad en los primeros instantes de funcionamiento de la membrana. Esta caída se estabiliza y se termina por un pseudo-escalón. La relación entre el valor de la permeabilidad después de 720 minutos de funcionamiento y el de después de 4 minutos es de 20. La importancia de esta caída muestra que los sistemas de descolmatado actuales no son satisfactorios, aunque permiten obtener valores de permeabilidad suficientes para ser económicamente aceptables.

La explicación de esta caída de permeabilidad en el curso del tiempo está en la naturaleza del colmatado. En efecto, aparecen dos tipos de colmatado: el colmatado de superficie y el colmatado de profundidad. El colmatado de superficie está limitado por la circulación tangencial del fluido a tratar, ya que esta última conlleva un rozamiento del fluido a tratar sobre la superficie de circulación, eliminando así el depósito existente sobre la superficie. La retrofiltración debería ser capaz, por principio, de desplazar partículas físicamente fijadas en el interior de la membrana y limitar así el colmatado de profundidad. No obstante, la morfología particular de los elementos constitutivos de la membrana, que forman una red interconectada de poros, reduce esta posibilidad.

Por lo tanto, los dos métodos de descolmatado no proporcionan completa satisfacción. Los primeros instantes del funcionamiento de la membrana son la razón de esta eficacia limitada. En efecto, en el ejemplo anterior, la permeabilidad de la membrana reduce el valor de la permeabilidad al agua al valor de la permeabilidad al producto. La relación entre estos dos valores es de aproximadamente 20. Las partículas o moléculas llegan a la superficie de la membrana con una velocidad que es igual a la relación del caudal por la superficie filtrante. En los primeros instantes de funcionamiento, esta velocidad es máxima y la cantidad de movimiento de una partícula o molécula es asimismo máxima. Cuando se realiza el choque con la pared, la partícula o molécula penetrará más profundamente en el interior de la membrana cuanto más importante sea su cantidad de movimiento. No obstante, una partícula o molécula que penetra en la membrana es inaccesible al descolmatado tangencial. Es más difícilmente eliminable por retrofiltración cuanto más profunda sea su penetración.

Por lo tanto, es necesario evitar esta penetración de las partículas o moléculas en la membrana.

El documento US nº 6.375.014 describe un soporte macroporoso para filtración tangencial que presenta un gradiente de permeabilidad según el sentido de circulación del fluido a tratar obtenido por un gradiente de porosidad media sobre la cintura del soporte situado al nivel de la salida del filtrado, que aumenta según el sentido de circulación del fluido a tratar.

El documento US nº 5.762.841 describe un cuerpo poroso cerámica que presenta una distribución de tamaño de partículas en dirección de su espesor que es sustancialmente continuo y monótono.

El documento US 2004/0050773 A1 describe una membrana graduada que comprende varias capas. Una capa separadora de óxido metálico está soportada por un soporte metálico sinterizado. Entre estas dos capas se encuentra una capa metálica intermedia.

En este contexto, la presente invención propone una solución que permite evitar esta penetración y prevé limitar la permeabilidad del soporte, y, por lo tanto de la membrana, cuando esta última está asociada a una capa de separación para formar una membrana.

Se describe un soporte poroso para la filtración de un fluido a tratar, que presenta por lo menos una superficie orientada hacia el fluido a tratar que circula según una dirección de circulación y una superficie de salida para una fracción denominada permeado que atraviesa el soporte poroso. Este soporte se obtiene por modificación y, en particular, por colmatado parcial de un soporte inicial, y presenta una permeabilidad reducida, con respecto al soporte inicial, y homogénea cuando uno se desplaza paralelamente a la superficie del soporte orientada hacia el fluido a tratar, según... [Seguir leyendo]

1. Membrana (4) para la filtración tangencial de un fluido a tratar, que asocia:

-un soporte poroso (1) , para la filtración tangencial de un fluido a tratar, formado por un material inorgánico seleccionado de entre los óxidos metálicos, presentando dicho soporte por lo menos una superficie (3) orientada hacia el fluido a tratar que circula según una dirección de circulación y una superficie de salida (11) para una fracción denominada permeado que atraviesa el soporte poroso,

-con por lo menos una capa de separación (5) para el fluido a tratar, obtenida a partir de una suspensión que contiene por lo menos un óxido metálico y que recubre la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, presentando dicha capa de separación (5) una porosidad inferior a la del soporte (1) ,

caracterizada porque el soporte (1) corresponde a un soporte inicial parcialmente colmatado con unas partículas constituidas por un material seleccionado de entre los óxidos metálicos y presenta, en una profundidad (p) constante dada medida a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, una porosidad transversal media creciente cuando uno se desplaza al interior del soporte, transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado, siendo a su vez homogénea la porosidad longitudinal media del soporte (1) cuando uno se desplaza al interior del soporte (1) , paralelamente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, según la dirección de circulación del fluido a tratar.

2. Membrana porosa (1) según la reivindicación 1, caracterizada porque su permeabilidad se ha reducido en un factor comprendido entre 1, 5 y 10 con respecto al soporte inicial.

3. Membrana (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el diámetro medio de los poros aumenta sobre la profundidad (e) del soporte (1) , cuando uno se desplaza al interior del soporte (1) , transversalmente a la superficie

(3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado.

4. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el soporte (1) se obtiene, por colmatado (c) parcial de un soporte inicial (1) realizado a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, sobre una profundidad (p) constante dada medida a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar.

5. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el colmatado (c) parcial se realiza de manera que presente sobre esta profundidad (p) constante, una porosidad transversal media creciente cuando uno se desplaza al interior del soporte, transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado.

6. Membrana según la reivindicación 4 o 5, caracterizada porque la profundidad (p) de colmatado es superior al radio medio de las partículas aglomeradas que constituyen el soporte inicial, y preferentemente superior a su diámetro medio.

7. Membrana según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque la profundidad (p) de colmatado es superior o igual a 2, 5 µm, preferentemente superior o igual a 5 µm.

8. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el colmatado (c) parcial del soporte se obtiene por penetración, a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, de partículas inorgánicas de diámetro medio inferior al diámetro medio dp de los poros del soporte antes del colmatado, y preferentemente comprendido entre dp/100 y dp/2.

9. Membrana según la reivindicación 8, caracterizada porque la penetración de partículas inorgánicas está seguida por una sinterización.

10. Membrana según una de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizada porque la porosidad transversal media aumenta de forma regular y continua sobre la profundidad (p) cuando uno se desplaza al interior del soporte (1) , transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado.

11. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la porosidad transversal media aumenta por escalones (Pi) cuando uno se desplaza al interior del soporte (1) , transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado.

12. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque comprende por lo menos un canal interno (2) abierto en sus dos extremos y delimitado por la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar.

13. Membrana según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque la capa de separación (5) presenta un espesor que disminuye según el sentido de circulación f del fluido a tratar.

14. Procedimiento de fabricación de una membrana para la filtración tangencial de un fluido a tratar, que comprende un soporte poroso (1) formado por un material inorgánico seleccionado de entre los óxidos metálicos, que presenta por lo menos una superficie (3) orientada hacia el fluido a tratar que circula según una dirección de circulación, y una superficie de salida (11) para una fracción denominada permeado que atraviesa el soporte poroso, caracterizado porque comprende una etapa que consiste en modificar un soporte poroso inicial por penetración, sobre una profundidad (p) sustancialmente constante, a partir de la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, de partículas inorgánicas constituidas por un material seleccionado de entre los óxidos metálicos de diámetro medio inferior al diámetro medio dp de los poros del soporte inicial, con el fin de obtener una porosidad transversal media creciente cuando uno se desplaza al interior del soporte, transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado, siendo a su vez homogénea la porosidad longitudinal media del soporte (1) cuando uno se desplaza al interior del soporte (1) , paralelamente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, según la dirección de circulación del fluido a tratar.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la etapa que consiste en modificar el soporte poroso por penetración está seguida por una etapa de sinterización.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 o 15, caracterizado porque el diámetro medio de las partículas inorgánicas está comprendido entre dp/100 y dp/2.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado porque la penetración de partículas inorgánicas se realiza sobre una profundidad (p) superior al radio medio de las partículas aglomeradas que constituyen el soporte inicial, y preferentemente superior a su diámetro medio.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque el colmatado del soporte es decreciente sobre la profundidad (p) de penetración de las partículas inorgánicas, cuando uno se desplaza al interior del soporte, transversalmente a la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, desde la superficie (3) del soporte orientada hacia el fluido a tratar, hacia la superficie de salida (11) para el permeado.

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 18, caracterizado porque el colmatado se realiza de manera que la permeabilidad del soporte obtenida se reduzca en un factor comprendido entre 1, 5 y 10 con respecto al soporte inicial.