ES2215898T3 - Dispositivo formado por una membrana compuesta y de un dispositivo para un suministro de energia o evacuacion de energia. - Google Patents

Abstract

Dispositivo formado por una membrana compuesta (1) y por un dispositivo (5) para el suministro de energía o la evacuación de energía y por un dispositivo de ajuste (S), componiéndose la membrana compuesta (1) por un cuerpo de soporte (2) plano con orificios de paso relativamente grandes, sobre el que está aplicada al menos una capa funcional de separación como capa de membrana (4) con un determinado número y tamaño de poros, y componiéndose la capa de membrana (4) al menos por una parte de un material de membrana que se dilata en función de la temperatura y que contiene poros y/o que limita poros, y estando aplicada la capa de membrana (4) de forma termoconductiva sobre el cuerpo de soporte (2) de tal forma que una variación de la temperatura del cuerpo de soporte provoque al mismo tiempo una variación de la temperatura de la capa de membrana, y estando conectado el cuerpo de soporte (2) con el dispositivo (5) para el suministro de energía o la evacuación de energía, pudiendo predefinirse el suministro de energía o la evacuación de energía del dispositivo (5) con el dispositivo de ajuste (S), por lo que a través de la temperatura de la capa de membrana, que de esta forma se puede ajustar indirectamente, se puede variar y ajustar el tamaño de poros mediante el desarrollo de la temperatura de dilatación del material de membrana.

Description

Dispositivo formado por una membrana compuesta y de un dispositivo para un suministro de energía o evacuación de energía.

La invención se refiere a un dispositivo formado por una membrana compuesta y de un dispositivo para el suministro de energía o la evacuación de energía.

Generalmente, se conocen membranas para separar soluciones y suspensiones, compuestos por múltiples materiales de membrana que, por regla general, presentan un buen efecto de separación, pero un reducido flujo, incluso en caso de una presión elevada de transmembrana. Por flujo o capacidad de flujo se entiende aquí el líquido portador que pasa por la membrana, en l/(m^{2} x h) o m^{3}/(m^{2} x h). La reducción del flujo en estas membranas conocidas generalmente es provocada de tal forma que a mayores velocidades de paso vinculadas con una alta pérdida de fricción se produce un fuerte aumento del consumo de energía, por lo que únicamente resultan rentables bajas velocidades de circulación. Por velocidad de paso en m/s se entiende la velocidad a la que el líquido que contiene sustancias suspendidas pasa encima de la superficie de la membrana. En el caso de bajas velocidades de paso, este tipo de membranas generalmente conocidas tienden al "fouling", es decir al depósito de las sustancias separadas sobre la superficie de la membrana, por lo que se produce otra reducción desfavorable del flujo debido a la resistencia incrementada.

Una membrana conocida anteriormente como membrana compuesta (documento DE4210413A1) se compone de un cuerpo de soporte plano con orificios de paso relativamente grandes sobre el que está aplicada por capas una capa funcional de separación como capa de membrana que se compone de un material formado por una carga granulada y un aglutinante. El cuerpo de soporte constituye una estructura de apoyo para una capa de membrana de una carga ligada, en forma de polvo, presentando los cuerpos de polvo y el aglutinante tal constitución que la capa funcional de separación presente poros que permitan el paso continuo del líquido portador, mientras que se retengan sustancialmente las sustancias que se han de separar.

En una forma de realización concreta de una membrana de este tipo, la capa funcional se aplica durante la fabricación en varias capas, realizándose después de cada aplicación un secado y calentamiento, así como la sinterización de la capa. Estas capas aplicadas son respectivamente iguales en cuanto a su estructura y composición, de modo que la estructura estratificada se aplica sólo para fabricar un grosor de capa mayor en su conjunto con una capa funcional de separación igual en cuanto a su estructura y composición. En una mezcla de aglutinante y carga, especialmente en la relación concreta indicada, comprendida entre 30% y 70%, resultan generalmente unas condiciones más favorables en comparación con las membranas generalmente conocidas, mencionadas al principio, en cuanto a la resistencia interna al flujo de la membrana, que sin embargo se reducen de manera desventajosa a medida que crece el número de las capas estructurales iguales y, por tanto, el grosor de la capa funcional de separación. En el caso del aglutinante concreto indicado, la poliétersulfona, resulta otro inconveniente en cuanto a la hidrofilia de las membranas.

La invención tiene el objetivo de perfeccionar un dispositivo con una membrana de tal forma que sea posible reducir la resistencia alterna al flujo de la membrana por influencia directa sin reducir el efecto de retención sobre las sustancias que se han de separar, a la vez de una baja velocidad de paso necesaria, y por tanto aumentar de manera correspondiente el flujo.

Este objetivo se consigue con las características de la reivindicación 1.

Según la reivindicación 1, el dispositivo se compone de una membrana compuesta y de un dispositivo para el suministro de energía o la evacuación de energía y de un dispositivo de ajuste. La membrana compuesta se compone de un cuerpo de soporte plano con orificios de paso relativamente grandes, sobre el que está aplicada al menos una capa funcional de separación como capa de membrana con un determinado número y tamaño de poros. La capa de membrana se compone al menos de una parte de un material de membrana que se dilata en función de la temperatura y que contiene poros y/o que delimita poros. La capa de membrana está aplicada de forma termoconductiva sobre el cuerpo de soporte, de tal forma que la modificación de la temperatura del cuerpo de soporte cause también la modificación de la temperatura de la capa de membrana. El cuerpo de soporte está unido con el dispositivo para el suministro de energía o la evacuación de energía, y con el dispositivo de ajuste se puede definir el suministro de energía o la evacuación de energía del dispositivo.

Por lo tanto, es posible variar y ajustar mediante una influencia directa de la temperatura del cuerpo de soporte ajustable y, por tanto, a través de la temperatura de la capa de membrana, que se puede ajustar indirectamente, el tamaño efectivo de poros mediante el desarrollo térmico por dilatación del material de membrana. La magnitud de variación para la anchura de poro se determina sustancialmente por el desarrollo térmico por dilatación del material de membrana y la posible variación de la temperatura de la capa de membrana. Por ejemplo, al usar un material de membrana que se dilata en caso de un aumento de temperatura, a medida que crece la temperatura se reduce la anchura de los poros incluidos. Por tanto, el flujo puede ser controlado, de forma similar a una válvula de control, a través de la anchura de poros controlable.

De esta forma, de manera ventajosa, el tamaño de poros de una membrana compuesta de este tipo puede adaptarse a la aplicación correspondiente, pudiendo incrementarse la capacidad de flujo sin que se requiera ningún aumento de la presión de transmembrana necesaria en comparación con las membranas conocidas. Al mismo tiempo, es posible reducir notablemente la velocidad de paso necesaria del líquido que contiene las sustancias que se han de separar, sin reducir el flujo.

De esta forma, se facilita una medida excelente para adaptar y optimizar una membrana compuesta partiendo de una membrana estándar fabricada con un tamaño base de poros a distintas circunstancias y condiciones de servicio actuales, mediante la modificación simple y directa del tamaño de poros. Especialmente, para incrementar la capacidad de permeato, de esta forma es posible reducir sensiblemente la resistencia interna al flujo de la membrana según las condiciones de flujo laminares predominantes, sin causar la disminución del efecto de retención sobre las sustancias que se han de separar.

Según la reivindicación 2, el cuerpo de soporte presenta al menos una parte de un material electroconductivo y está conectado con una fuente de energía eléctrica controlable. Por tanto, según una construcción especialmente sencilla, el cuerpo de soporte se usa para una variación de temperatura, directamente como calefacción óhmica. En un material de soporte base no conductivo, para realizar una calefacción óhmica según la reivindicación 3 se puede utilizar también un material formado por materiales electroconductivos y materiales no conductivos, para realizar el cuerpo de soporte.

Para ello, según la reivindicación 4 se propone una estructura de tejido a modo de un microtamiz, pudiendo utilizarse también combinaciones de varias capas de tejido, especialmente de un material electroconductivo y un material no conductivo. Dado el caso, se pueden realizar también conexiones/ enlaces en los puntos de cruce, para aumentar la estabilidad.

Según una forma de realización especial según la reivindicación 5, el cuerpo de soporte se compone de un material de fibras huecas, que reacciona de forma flexible con una modificación del hueco a las diferencias de presión en un líquido circundante. De esta forma, es posible influir en la consistencia y la dilatación de volumen del cuerpo de soporte junto con la al menos una capa de membrana aplicada, dado el caso adicionalmente a la influencia térmica mencionada anteriormente, igualmente mediante la variación de la presión del líquido. De esta manera, se proporciona otra medida dado el caso adicional para optimizar la membrana e influir en su funcionamiento.

Las estructuras de membrana y los materiales de membrana usados no deben presentar variaciones permanentes en los intervalos de temperatura aplicadas, teniendo que ser además estables frente a las sustancias químicas contenidas en el líquido portador. Con las características de la reivindicación 6 se proponen unas estructuras y unos materiales para el cuerpo de soporte, que según las circunstancias y el caso de aplicación se pueden emplear en una o varias capas con el mismo material o en combinación.

Para el ajuste y la optimización adecuados del tamaño de poros en la al menos una capa de membrana resulta ventajoso medir la corriente de permeato. Para ello, un dispositivo de medición de cantidades de permeato se introduce en un conducto de permeato. En función del valor de medición de dicho dispositivo de medición se pueden realizar entonces ajustes para la temperatura de membrana para regular la corriente de permeato, por ejemplo, a mano.

Según otra forma de realización especialmente preferible, según la reivindicación 7, la disposición está realizada como circuito de regulación cerrado para una regulación de temperatura y/o regulación de la cantidad de permeato. Para ello, el valor de medición de un dispositivo de medición de la cantidad de permeato y/o de un dispositivo de medición de temperatura en la membrana se proporciona como valor real a un regulador, preferentemente a un regulador de funcionamiento continuo, sujeto a un valor teórico predeterminable. Convenientemente, se regula la cantidad de permeato. Para mejorar el comportamiento de regulación, además se puede conectar y considerar la temperatura de la membrana como magnitud de perturbación. Asimismo, se pueden registrar midiendo y considerar en la regulación otras magnitudes de influencia física, por ejemplo la temperatura del líquido y/o la velocidad de paso y/o la presión de transmembrana. De este modo, de manera ventajosa se proporciona una disposición que se adapta automáticamente a distintas circunstancias y condiciones de funcionamiento variadas. Además, los resultados de medición puede utilizarse también para variar las magnitudes de influencia en la cantidad de permeato, por ejemplo, para variar la velocidad de paso. También para ello, aplicando los algoritmos de regulación y programas adecuados es posible una adaptación y optimización automáticas.

Con las características de la reivindicación 8 se proporciona una estructura de la capa de membrana, apropiada para un buen funcionamiento de la membrana. Para ello, la al menos una capa de membrana aplicada sobre el cuerpo de soporte se compone de un material compuesto de una carga granulada y un aglutinante. En el caso de varias capas de membrana como capas estructurales superpuestas, unidas entre sí, éstas deben presentar diferentes estructuras, de tal forma que las capas estructurales presenten respectivamente de manera sucesiva y escalonada una menor parte de carga y una parte correspondientemente mayor de aglutinante en comparación con una capa estructural situada delante en dirección hacia el cuerpo de soporte. Con las características de las reivindicaciones 9 y 10 se indican unas estructuras ventajosas, concretizadas en detalle.

Unas relaciones ensayadas y acreditadas en la práctica entre las partes de aglutinante y las partes de carga, así como para tamaños de granos de carga para realizar una membrana microfiltrante, una membrana ultrafiltrante y una membrana nanofiltrante, se indican en las reivindicaciones 11 a 14. Según la reivindicación 15, por ejemplo, para una ósmosis de inversión puede resultar ventajosa una última capa estructural de aglutinante sin carga.

Los materiales apropiados para las cargas y los aglutinantes se indican en las reivindicaciones 16 y 17, pudiendo emplearse los materiales que allí se mencionan usando, según el caso de aplicación, un solo material o dado el caso combinaciones. De manera ventajosa, se usan cargas electroconductivas y/o de buena conductividad térmica, con una unión con los materiales correspondientes del cuerpo de soporte, de forma que sea posible influir desde el cuerpo de soporte, directamente en la al menos una capa de membrana, y que sea posible un control rápido y efectivo en el sentido de un ensanchamiento o una reducción de los poros.

Además, con la reivindicación 18 se prevé un dispositivo para generar un campo magnético constante o intermitente en la zona de la membrana compuesta. De esta forma, se puede evitar el "scaling" sobre la superficie de la membrana de tal forma que sea posible influir en la carga en un posible layer iónico sobre la superficie de la membrana, de tal forma que no se pueda producir ninguna capa impermeable. Esto sirve para la estabilización adicional de la capacidad de flujo de la membrana.

Dado el caso, al usar la membrana compuesta, optimizada según la invención, la velocidad de paso se puede elegir relativamente alta para conseguir una alta cantidad de permeato, imposibilitando el "fouling". Al mismo tiempo se minimizan la formación de depósitos dentro de la capa límite laminar y la resistencia de filtrado adicional resultante.

Resulta ventajoso el uso de una membrana compuesta según la invención, según la reivindicación 19, para separar sustancias disueltas y suspendidas de líquidos orgánicos o inorgánicos o para descomponer mezclas de sustancias líquidas en sus componentes.

Con la ayuda de un dibujo, la invención se describirá más detalladamente.

La única figura muestra esquemáticamente una membrana compuesta 1 que comprende un cuerpo de soporte 2 plano con orificios de paso 3 relativamente grandes, estando aplicada sobre el cuerpo de soporte 2 una capa funcional de separación 4 como capa de membrana, representada aquí sólo a título de ejemplo y esquemáticamente, con un número y tamaño determinados de poros.

El cuerpo de soporte 2 presenta al menos una parte de un material electroconductivo, estando contenido el material electroconductivo como material orgánico o inorgánico, preferentemente como material metálico, de forma continua en el material del cuerpo de soporte y/o como alma, y/o aplicado por capas.

Según está representado esquemáticamente en la figura 1, para ajustar una temperatura determinada del cuerpo de soporte, el cuerpo de soporte 2 está conectado con un dispositivo 5 ajustable mediante un dispositivo de ajuste S, para el suministro de energía predefinible hacia el cuerpo de soporte 2 y/o para la evacuación de energía desde el cuerpo de soporte 2. Como se ve en la representación esquemática de la figura 1, aquí el dispositivo 5 ajustable y conectado de forma eléctrica con el cuerpo de soporte 2 está realizado como fuente de energía eléctrica, de manera que el cuerpo de soporte 2 pueda utilizarse como calefacción óhmica.

El dispositivo de ajuste S y el dispositivo ajustable 5 están realizados para una regulación de temperatura y/o regulación de cantidad de permeato, como circuito de regulación cerrado, siendo suministrado el valor de medición de un dispositivo de medición 6 de la cantidad de permeato, que aquí está representado sólo a título de ejemplo y esquemáticamente como rueda de medición, y de un dispositivo de medición de temperatura 7, dispuesto en la membrana compuesta 1, como valor real a un regulador R de funcionamiento preferentemente continuo. Este regulador R está sujeto a un valor teórico predefinible, pudiendo registrarse por la técnica de medición y considerarse en el circuito de reglaje la temperatura de la membrana y/o la temperatura del líquido y/o la velocidad de paso y/o la presión de transmembrana.

La capa funcional de separación 4 realizada como capa de membrana está aplicada de forma termoconductiva sobre el cuerpo de soporte 2, de forma que una variación de la temperatura del cuerpo de soporte provoque al mismo tiempo una variación de la temperatura de la capa de membrana.

La capa funcional de separación 4 se compone al menos de una parte de un material de membrana que se dilata en función de la temperatura y que contiene y/o limita poros, de manera que sea posible variar y ajustar el tamaño de poros por medio del desarrollo de la temperatura de dilatación del material de membrana mediante la influencia directa en la temperatura ajustable del cuerpo de soporte. La magnitud de variación para la anchura de poro está predeterminada principalmente por el desarrollo de la temperatura de dilatación del material de membrana y la posible variación de la temperatura de la capa de membrana. Así, por ejemplo al usar un material de membrana que se dilata en caso de un aumento de temperatura, a medida que aumenta la temperatura disminuye la anchura de los poros incluidos, de forma que, parecido a una válvula de control, el flujo pueda regularse a través de la anchura de poros regulable.

Claims (18)

1. Dispositivo formado por una membrana compuesta (1) y por un dispositivo (5) para el suministro de energía o la evacuación de energía y por un dispositivo de ajuste (S), componiéndose la membrana compuesta (1) por un cuerpo de soporte (2) plano con orificios de paso relativamente grandes, sobre el que está aplicada al menos una capa funcional de separación como capa de membrana (4) con un determinado número y tamaño de poros, y componiéndose la capa de membrana (4) al menos por una parte de un material de membrana que se dilata en función de la temperatura y que contiene poros y/o que limita poros, y estando aplicada la capa de membrana (4) de forma termoconductiva sobre el cuerpo de soporte (2) de tal forma que una variación de la temperatura del cuerpo de soporte provoque al mismo tiempo una variación de la temperatura de la capa de membrana, y estando conectado el cuerpo de soporte (2) con el dispositivo (5) para el suministro de energía o la evacuación de energía, pudiendo predefinirse el suministro de energía o la evacuación de energía del dispositivo (5) con el dispositivo de ajuste (S), por lo que a través de la temperatura de la capa de membrana, que de esta forma se puede ajustar indirectamente, se puede variar y ajustar el tamaño de poros mediante el desarrollo de la temperatura de dilatación del material de membrana.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo de soporte (2) presenta al menos una parte de un material electroconductivo y el dispositivo (5) conectado eléctricamente con el cuerpo de soporte (2) es una fuente de energía eléctrica, pudiendo emplearse el cuerpo de soporte (2) como calefacción óhmica.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque el material electroconductivo está contenido como material metálico orgánico y/o inorgánico, especialmente metálico, de forma continua en el material del cuerpo de soporte y/o como alma y/o en forma de capas.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cuerpo de soporte (2) presenta una estructura de tejido, dado el caso con una conexión/ enlace en los puntos de cruce, a modo de un microtamiz.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el cuerpo de soporte (2) se compone de un material de fibras huecas, que reacciona de forma flexible con modificaciones de los huecos a las diferencias de presión en un líquido circundante.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el cuerpo de soporte (2) se compone de una o varias capas, componiéndose el material de soporte de un tejido de microtamiz de metales refinados conductivos y/o no conductivos, y/o de un tejido de microtamiz de plásticos conductivos y/o no conductivos y/o de filtros de cerámica conductivos y/o no conductivos de gran anchura de poro y/o de filtros de plástico conductivos y/o no conductivos de gran anchura de poros y/o de un tejido de fibras de vidrio conductivo o no conductivo y/o de textiles no tejidos y/o de telas no tejidas de plásticos conductivos y/o no conductivos.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el dispositivo de ajuste (S) y el dispositivo ajustable están realizados como circuito de reglaje cerrado para una regulación de temperatura y/o regulación de cantidad de permeato, con un dispositivo de medición (6) de la cantidad de permeato y/o con un dispositivo de medición (7) de la temperatura en el cuerpo de soporte (2) y/o en una capa de membrana (4) para un registro del valor real y con un regulador (R) con regulador del valor teórico, al que se alimenta el valor real y con el que está conectado el dispositivo (5) para el suministro de energía o la evacuación de energía, como elemento de ajuste.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque la al menos una capa de membrana (4) aplicada sobre el cuerpo de soporte (2) se compone de un material compuesto de una carga granulada y un aglutinante, y en el caso de varias capas de membrana como capas estructurales unidas entre sí, éstas deben presentar diferentes estructuras, de tal forma que las capas estructurales presenten respectivamente de manera sucesiva y escalonada una menor parte de carga y una parte correspondientemente mayor de aglutinante en comparación con una capa estructural situada delante en dirección hacia el cuerpo de soporte.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las capas estructurales aplicadas una encima de otra presentan respectivamente de forma sucesiva y escalonada, con una menor parte de carga un menor tamaño de granos de las cargas.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dichas capas estructurales están realizadas sucesivamente en un lado del cuerpo de soporte (2).

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque para la construcción de una membrana microfiltrante, una primera capa estructural contiene una parte de aglutinante del 15% en peso al 20% en peso, con una parte de carga del 80% en peso al 85% en peso.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque para la construcción de una membrana ultrafiltrante, una segunda capa estructural contiene una parte de aglutinante del 30% en peso al 35% en peso, con una parte de carga del 65% en peso al 70% en peso.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque para la construcción de una membrana nanofiltrante, una tercera capa estructural contiene una parte de aglutinante del 35% en peso al 45% en peso, con una parte de carga del 55% en peso al 65% en peso.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque la primera capa estructural presenta unos tamaños de grano d_{1} de la carga de

d_{1} = 25 \mum en promedio con 20 \mum < 25 \mum < 30 \mum,

y porque la segunda capa estructural presenta unos tamaños de grano d_{2} de la carga de

d_{2} = 15 \mum en promedio con 10 \mum < 15 \mum < 20 \mum,

y porque la tercera capa estructural presenta unos tamaños de grano d_{3} de la carga de

d_{3}\leq 10 \mum.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 a 14, caracterizado porque la última capa estructural se compone de aglutinante sin carga.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 7 a 15, caracterizado porque se usan cargas conductivas y/o no conductivas como óxidos y/o cerámicas y/o alumbre y/o grafito y/o plásticos finamente molidos, apropiados para el uso concreto.

17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el aglutinante se compone de una polisulfona (PSU) hidrófila o hidrófoba, incluidos sus derivados como, por ejemplo, PES,
PPSU y mezclas como, por ejemplo, PSU + ABS, y/o

porque el aglutinante se compone de fluoruros de polivinilidina hidrófilos o hidrófobos y/o

porque el aglutinante se compone de poliaramidas hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de poliamidas hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de poliolefinas hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de poliimidas hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de poliacrilatos hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de poliacetal hidrófilo o hidrófobo y/o

porque el aglutinante se compone de poliprenos hidrófilos o hidrófobos y/o

porque el aglutinante se compone de siliconas hidrófilas o hidrófobas y/o

porque el aglutinante se compone de cauchos sintéticos hidrófilos o hidrófobos.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque está previsto un dispositivo para generar un campo magnético constante o intermitente en la zona de la membrana compuesta.