Membrana de fibra hueca no trenzada reforzada con textiles.

Un procedimiento de fabricación de una membrana (10) de fibra hueca reforzada que comprende las etapas de:

a) proporcionar un alma (32), teniendo el alma una longitud y una circunferencia perpendicular a la longitud;

b) proporcionar una pluralidad de hilos compuestos (22), comprendiendo cada uno de los hilos compuestos una primera parte (28) y una segunda parte (24, 26), comprendiendo la primera parte uno o más filamentos generalmente continuos que se extienden a lo largo de la longitud del hilo compuesto, comprendiendo la segunda parte una pluralidad de extremos o bucles de filamentos que sobresalen de la primera parte del hilo compuesto;

c) formar una estructura (12) de refuerzo en torno del alma, estando separadas las primeras partes de la pluralidad de hilos compuestos en torno de la circunferencia del alma y generalmente alineadas con la longitud del alma, y extendiéndose las segundas partes de la pluralidad de hilos compuestos en torno de una porción de la circunferencia del alma y cruzándose con uno o más filamentos de uno o más de otros hilos de la pluralidad de hilos compuestos;

d) aplicar un dopante (44) de membrana líquida a la estructura (12) de refuerzo; y

e) tratar el dopante de membrana líquida para formar una membrana sólida.

Membrana de fibra hueca no trenzada reforzada con textiles Campo

La presente memoria versa sobre membranas de fibra hueca reforzada, sobre estructuras de refuerzo para membranas de fibra hueca y sobre procedimientos de fabricación de membranas de fibra hueca y de estructuras de refuerzo para las mismas.

Antecedentes

Lo que sigue no es una admisión de que nada de lo que se expone a continuación sea citable como técnica anterior ni como parte del conocimiento general común.

Las membranas poliméricas de separación en forma de pequeños tubos capilares o fibras huecas pueden fabricarse a partir de varios polímeros mediante procedimientos diferentes, incluyendo NIPS (separación de fases inducida por no disolventes) y TIPS (separación de fases inducida térmicamente). Se describen ejemplos de procedimientos NIPS en las patentes estadounidenses números 3.615.24, 5.66.41 y 6.24.872. Se describen ejemplos de procedimientos TIPS en las patentes estadounidenses números 4.72.836 y 7.247.238. Las membranas pueden tener una capa de separación en el interior o el exterior y pueden ser usadas, por ejemplo, para la microfiltración (MF) o la ultrafiltración (UF).

Un beneficio de las membranas en el tratamiento del agua es su capacidad de eliminar del agua las bacterias, proporcionando efectivamente una desinfección física. Sin embargo, es importante mantener la integridad mecánica de la membrana durante su vida útil prevista. Con módulos de membranas de fibra hueca, un mecanismo de fallo mecánico es la ruptura de la fibra (a menudo cerca de una superficie de contacto del encapsulado) como consecuencia de la fatiga.

La publicación internacional número WO 3/97221 A1, de Yoon et al., y la publicación estadounidense número US 22/4697 A1, de Murase et al., describen la incrustación de hilos mono y multifilamento longitudinalmente dentro de la pared de una membrana de fibra hueca como manera de reforzar la membrana. Sin embargo, tras la flexión y el movimiento de la fibra hueca, es probable que los filamentos longitudinales sierren completamente el material más blando de la membrana y creen así un nuevo modo de fallo. Los inventores no son conscientes de ningún uso de tal membrana en la industria.

Otro tipo de membrana de fibra hueca reforzada que se usa actualmente en la industria utiliza un manguito textil hueco trenzado revestido o impregnado con una membrana polimérica. El trenzado proporciona la resistencia que se precisa en aplicaciones de MF/UF tales como la filtración de suspensiones acuosas o de licor mixto en la que se usa la agitación continua o intermitente (con o sin aire) de las fibras huecas para impedir la formación de suciedad o la acumulación de sólidos en la superficie de la membrana.

Ejemplos de membranas de filtración soportadas por trenzas incluyen la patente estadounidense número 4.61.861, de Hayano et al., en la que se impregna un polímero en una trenza hueca para impedir la contracción cuando se opera a una temperatura elevada; las patentes estadounidenses números 5.472.67 y 6.354.444, de Mahendran et al.; la patente estadounidense número 7.267.872, de Lee et al., en los que la membrana está revestida en la superficie exterior de la trenza y la penetración es limitada; y la patente estadounidense número 7.36.15, de Shinada et al., en la que la trenza está revestida con dos capas porosas diferentes.

Las membranas de fibra hueca soportadas por trenzas se preparan normalmente como sigue. La trenza se fabrica en una trenzadora, se enrolla en una bobina, se vuelve a embalar en carretes mayores empalmando los extremos y luego es transferida a una línea de hilado, en la que es desenrollada y luego revestida o impregnada con una solución polimérica que hay en un cabezal de revestimiento. Se usan trenzas de paredes relativamente gruesas y de tejido cerrado para que la trenza sea de redondez estable, lo que significa que no se aplana al enrollarse y desenrollarse y sigue siendo redonda cuando se inserta en el cabezal de revestimiento.

Los soportes trenzados tienen, por ello, algunas desventajas. Por ejemplo, las trenzas de redondez estable se fabrican en máquinas de trenzado con gran número de correderas de trenzado (por ejemplo, 16 o más). Cada corredera es alimentada desde una bobina diferente y las bobinas deben cruzar recorridos en la máquina de trenzado. Las bobinas deben acelerar, decelerar y dar marcha atrás radialmente cada vez que las correderas se cruzan entre sí. Esta es una operación costosa y lenta. Las trenzas de pequeño diámetro (menos de 2 mm) se fabrican normalmente a una velocidad inferior a ,5 m/min. En cambio, la operación de revestimiento o impregnación de la trenza se realiza normalmente mucho más deprisa, por ejemplo a una velocidad superior a 15 m/min; de ahí la necesidad de separar las operaciones con una transferencia de carrete entre ambas. Desenrollar un gran carrete de trenza a tensión constante para el revestimiento de membrana también supone un desafío, y el procedimiento de revestimiento debe detenerse de vez en cuando para cambiar carretes.

Además, las trenzas usadas para el soporte de membranas son normalmente de un diámetro relativamente grande (>1,5 mm). Esto se debe a que la velocidad de trenzado y los costes del trenzado son generalmente independientes del diámetro, pero el área de la superficie aumenta proporcionalmente con el diámetro. Así, las trenzas tienen normalmente un gran diámetro, así como una pared gruesa, requeridos para hacerlas de redondez estable. En 5 consecuencia, el cociente entre los diámetros interior y exterior es pequeño, normalmente inferior a ,5. Este es el parámetro normalizado que determina la pérdida de presión para conducir un permeado a través de la luz. La elevada caída de presión en la luz en trenzas de paredes gruesas limita la longitud útil de las fibras huecas que pueden encapsularse en un módulo.

El diámetro de la fibra también es un significativo contribuyente oculto al coste total de la membrana, porque el 1 volumen de una fibra es proporcional al cuadrado de su diámetro, mientras que el área de la superficie desarrollada es directamente proporcional al diámetro. Por lo tanto, a una densidad constante de embalado de fibras huecas en un módulo y un cociente constante entre los diámetros interior y exterior, un aumento en el diámetro exterior de una fibra disminuye el área específica de la superficie (área por unidad de volumen) y aumenta el uso específico de polímero (masa de polímero por unidad de área de superficie), aumentando ambos el coste de un sistema de 15 membranas diseñado para filtrar un flujo dado de agua.

El documento WO 24/9221 da a conocer membranas de fibra hueca reforzada por filamentos en las que, para el refuerzo, se combinan mono y multifilamentos; sin embargo, no en un hilo compuesto.

Se conoce el uso de fibras en bucle por los documentos WO 27/11672 o DE 13 58 477, en los que se usan monofilamentos combinados por medio de una estructura en bucles de tricotaje.

El documento WO 28/6634 da a conocer el uso de tejidos sin tejer en una estructura tubular de refuerzo.

El documento CH 57 12 enseña el uso de almas solubles en la producción de membranas de fibra hueca; sin embargo, únicamente en la producción de fibras huecas ordinarias sin estructura de refuerzo.

Introducción

La presente invención incluye un procedimiento y una membrana de fibra hueca según se definen en las 25 reivindicaciones adjuntas.

Lo que sigue está concebido para que introduzca al lector en la descripción detallada que ha de seguir y no para que limite ni defina las reivindicaciones.

En la descripción detallada, se describen diversos procedimientos de fabricación de una membrana reforzada, dispositivos para la fabricación de membranas y las membranas resultantes. Normalmente, los procedimientos 3 proporcionan una estructura de refuerzo (denominada a veces en el presente documento "jaula tubular" o "jaula") que incluye filamentos que se extienden en torno de la circunferencia de la membrana, pero sin que los filamentos sean parte de una estructura trenzada o tejida. Algunas de las estructuras de refuerzo también incluyen filamentos longitudinales. Los procedimientos y los dispositivos pueden ser usados para fabricar una estructura de soporte en línea con las etapas de formación de membranas, y también permiten que se produzca una membrana reforzada 35 que tiene un cociente entre los diámetros interior y exterior de ,5 o más.

Un procedimiento de fabricación de una membrana de fibra hueca reforzada usa hilos compuestos. Los hilos comprenden filamentos longitudinales generalmente continuos que se extienden a lo largo de la longitud del hilo y otros filamentos que tienen extremos sueltos o bucles,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de fabricación de una membrana (1) de fibra hueca reforzada que comprende las etapas de:

a) proporcionar un alma (32), teniendo el alma una longitud y una circunferencia perpendicular a la longitud;

b) proporcionar una pluralidad de hilos compuestos (22), comprendiendo cada uno de los hilos compuestos una primera parte (28) y una segunda parte (24, 26), comprendiendo la primera parte uno o más filamentos generalmente continuos que se extienden a lo largo de la longitud del hilo compuesto, comprendiendo la segunda parte una pluralidad de extremos o bucles de filamentos que sobresalen de la primera parte del hilo compuesto;

c) formar una estructura (12) de refuerzo en torno del alma, estando separadas las primeras partes de la pluralidad de hilos compuestos en torno de la circunferencia del alma y generalmente alineadas con la longitud del alma, y extendiéndose las segundas partes de la pluralidad de hilos compuestos en torno de una porción de la circunferencia del alma y cruzándose con uno o más filamentos de uno o más de otros hilos de la pluralidad de hilos compuestos;

d) aplicar un dopante (44) de membrana líquida a la estructura (12) de refuerzo; y

e) tratar el dopante de membrana líquida para formar una membrana sólida.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que las segundas partes (24, 26) de la pluralidad de hilos están orientadas a lo largo de la circunferencia del alma (32) después de que las primeras partes (28) de la pluralidad de hilos estén separadas en torno de la circunferencia del alma (32).

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la distancia centro a centro en torno del alma (32) entre hilos compuestos adyacentes (22) y la distancia en que las segundas partes (24, 26) sobresalen de las primeras partes (28) de los hilos compuestos (22) son tales que las segundas partes de hilos compuestos adyacentes se solapan entre sí al colocar los hilos compuestos en el mandril.

4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el alma (32) es un mandril y los hilos (22) se mueven a lo largo de la longitud del mandril durante la etapa c) y que, además, comprende una etapa de eliminación de la pluralidad de hilos del mandril.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que el mandril (32) comprende una o más secciones, teniendo cada sección una superficie exterior generalmente cilindrica o generalmente cónica.

6. El procedimiento de la reivindicación 4 o 5, en el que el mandril tiene un taladro interior y que, además, comprende una etapa de paso de un fluido de perforación a través del taladro interior del mandril.

7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que la etapa d) comprende impregnar la pluralidad de hilos (22) con el dopante (44) de membrana líquida.

8. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa c) comprende la hilatura neumática o la hilatura por vacío de las segundas partes (24, 26) de la pluralidad de hilos (22).

9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que, además, comprende una etapa de encolado mutuo de la pluralidad de hilos (22) en puntos de contacto en los que se cruzan después de la etapa c).

1. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que la pluralidad de hilos (22) comprende filamentos de dos componentes, comprendiendo los filamentos de dos componentes una porción adaptada para ser encolada a otros filamentos de la pluralidad de hilos.

11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 que, además, comprende una etapa de alisamiento de la pluralidad de hilos (22) antes de la etapa d).

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que los hilos (22) están fabricados mediante rotura por estiramiento de una fracción de un hilo compuesto.

13. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 y 7 a 12, en el que el alma (32) es soluble en un disolvente que no disuelve la membrana sólida.

14. Una membrana (1) de fibra hueca que comprende:

a) una pared selectivamente permeable (14); y

b) una pluralidad de hilos compuestos (22) fijados a la pared y que se extienden a lo largo de la longitud de la membrana,

caracterizada porque cada uno de los hilos compuestos comprende una primera parte (28) y una segunda parte (24, 26), comprendiendo la primera parte uno o más filamentos generalmente continuos que se extienden

a lo largo de la longitud del hilo, comprendiendo la segunda parte filamentos que tienen extremos o bucles que sobresalen de la primera parte,

y porque las segundas partes de la pluralidad de hilos se extienden en torno de una porción de la circunferencia de la pared y se cruzan con uno o más filamentos de uno o más de otros hilos de la pluralidad 5 de hilos compuestos.