ES2614464T3

ES2614464T3 - Membrana de fibra hueca soportada

Info

Publication number: ES2614464T3
Application number: ES11848095.3T
Authority: ES
Inventors: Attila Palinkas; Marcell Marschall; Robert Szabo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: EP2651544A2; CN103260730A; EP2651544B1; US8529814B2; BR112013014393A2; WO2012082441A2; EP2651544A4; HUE031717T2; EP3150274A1; WO2012082441A3; TW201237078A; AR084259A1; US20120156485A1; KR20130137188A; CN103260730B; KR101904559B1

Abstract

Método para fabricar una membrana de fibra hueca (10) que comprende las etapas de, a) proporcionar una estructura de soporte tubular (12); b) hacer pasar la estructura de soporte tubular (12) a través de una máquina de tejer por urdimbre circular para formar una estructura de refuerzo textil (22) en forma de tejido circular alrededor de la estructura de soporte; c) cubrir la estructura de refuerzo textil (22) con un dopante de membrana (18); y, d) convertir el dopante de membrana (18) en una pared de membrana porosa sólida (14).

Description

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DESCRIPCION

Membrana de fibra hueca soportada Campo de la invencion

La presente memoria descriptiva se refiere a membranas de fibra hueca, a metodos para fabricar membranas de fibra hueca y a estructuras de soporte para membranas de fibra hueca.

Antecedentes de la invencion

Lo que sigue no es una admision de que nada de lo que se expone a continuacion sea citable como tecnica anterior ni como parte del conocimiento general comun.

El documento de patente US 5.472.607 describe una membrana polimerica de fibra hueca soportada por un tubo textil trenzado. El tubo trenzado es suficientemente denso y esta firmemente trenzado para tener una redondez estable antes de ser revestido con un dopante de membrana. El polfmero de membrana se encuentra situado principalmente en el exterior de la trenza. Este tipo de estructura se ha utilizado con gran exito en los productos de membrana de la serie ZeeWeed® 500 comercializados actualmente por GE Water y Process Technologies. En particular, este tipo de membrana soportada ha demostrado ser extremadamente duradera.

Introduccion

Los siguientes parrafos pretenden introducir al lector en la descripcion detallada a seguir y no limitar o definir ninguna invencion reivindicada.

Los inventores han observado que el numero de filamentos necesarios para hacer un soporte trenzado con redondez estable tiende a dar como resultado trenzas con sobreabundancia de resistencia a la traccion. Trenzar un soporte con redondez estable supone tambien un proceso lento, hecho tfpicamente a una velocidad de entre aproximadamente 20 y 30 metros por hora. En comparacion, el proceso de revestimiento de dopante se puede hacer a velocidades de hasta entre 20 y 40 metros por minuto y por tanto la trenza debe enrollarse en un carrete a medida que se hace, y luego retirarse de nuevo durante el proceso de revestimiento. La reduccion del numero de filamentos en un soporte trenzado podna reducir el coste de la membrana proporcionando aun una resistencia a la traccion adecuada. Sin embargo, con menos filamentos, el soporte trenzado puede no tener una redondez estable y puede no proporcionar suficiente soporte al dopante de membrana durante el revestimiento. Ademas, aunque se usaran menos filamentos en la trenza, la velocidad de trenzado seguina siendo mucho menor que la velocidad de revestimiento y las operaciones de trenzado y revestimiento no podnan todavfa combinarse en la misma lmea de produccion.

En el presente documento se describen varios metodos para fabricar membranas de fibra hueca en los que se extruye un dopante de membrana sobre una estructura de soporte tubular, denominada alternativamente soporte o soporte tubular. En un primer conjunto de membranas, el soporte tubular es poroso y permanece como parte de la membrana terminada. La estructura de soporte porosa puede hacerse, por ejemplo, mediante un proceso textil para producir no tejidos, un proceso de sinterizacion utilizando un extrusor o mediante la extrusion de un polfmero mezclado con un segundo componente. El segundo componente puede ser un solido o lfquido soluble, un gas supercntico o un segundo polfmero que no reacciona con el primer polfmero. La estructura de soporte soporta el dopante de membrana hasta que el dopante se solidifica en una pared de membrana. Dependiendo del tipo y del material del soporte tubular, la estructura compuesta resultante, que comprende la estructura de soporte y la pared de membrana, puede tener mas resistencia a la traccion que una pared de membrana del mismo grosor hecha solo con el dopante.

En un segundo conjunto de membranas, el soporte tubular esta rodeado por un refuerzo textil formado sobre un soporte tubular. Por ejemplo, el refuerzo textil puede ser tejido alrededor del soporte tubular. En el segundo conjunto de membranas, el soporte tubular puede ser disuelto fuera de la membrana acabada despues de que el dopante haya formado una pared de membrana, dejando el refuerzo textil incrustado en la pared de membrana. Alternativamente, un soporte poroso como en el primer conjunto de membranas, puede estar rodeado por un refuerzo textil y permanecer en la membrana acabada. El soporte tubular soporta el dopante de membrana hasta que la dopante se solidifica en una pared de membrana. El refuerzo textil aumenta la resistencia a la traccion de la membrana con respecto a una pared de membrana del mismo espesor hecha solo con el dopante. El soporte tubular, si se retiene, tambien puede contribuir a un aumento de resistencia textil. Opcionalmente, el refuerzo textil puede ser tejido alrededor del soporte tubular a la misma velocidad que, y en consonancia con, un proceso de revestimiento de dopante.

Figuras

La figura 1 es una seccion transversal esquematica de una primera membrana de fibra hueca.

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La figura 2 es una seccion transversal esquematica de una segunda membrana de fibra hueca.

La figura 3 es una seccion transversal de un cabezal de revestimiento.

La figura 4 es una fotograffa de una estructura de soporte tubular soluble debajo de una estructura de soporte tubular soluble con un refuerzo textil tejido alrededor de la misma.

La figura 5 es una seccion transversal de una membrana de fibra hueca fabricada usando una estructura de soporte soluble con una capa de refuerzo textil tejida despues de que la estructura de soporte tubular soluble haya sido lavada.

Descripcion detallada

Refiriendonos a las figuras 1 y 2, una membrana de fibra hueca 10 se hace formando una pared de membrana 14 que tiene una capa de separacion exterior 15 sobre un soporte tubular 12. El soporte tubular 12 puede hacerse de antemano y almacenarse en un carrete hasta que se utilice para fabricar la membrana de fibra hueca 10. Para fabricar la membrana de fibra hueca 10, se tira del soporte tubular 12 a traves del centro de un cabezal de revestimiento 16, mientras que se bombea un dopante de membrana 18 a traves de una boquilla 19 sobre el soporte tubular 12. El soporte tubular 12 pasa a traves de un orificio central 17 del cabezal de revestimiento 16. El orificio central 17 permite que el soporte tubular pase a traves de la boquilla 19 y tambien centra el soporte tubular 12 con respecto a la boquilla 19 de modo que el dopante 18 se aplica uniformemente alrededor de la parte exterior del soporte tubular 12. La superficie cilmdrica del soporte 12 permite elegir el espesor de revestimiento del dopante, la viscosidad del dopante y otros parametros sin estar limitados a valores que se podnan utilizar para crear una membrana solo con el dopante. Despues de salir del cabezal de revestimiento 16, el soporte tubular 12 y el dopante 18 pasan a un bano de temple en el que el dopante 18 se convierte en una pared de membrana solida porosa 14. La formacion de la pared de membrana 14 puede ser mediante una separacion de fases inducida termicamente (TIPS) o un proceso de separacion de fases inducida por no disolventes (NIPS). La capa de separacion 15 puede tener un tamano de poro nominal en la gama de microfiltracion o mas pequeno.

El soporte tubular 12 puede ser poroso y en uso, puede permanecer en el interior de la membrana de fibra hueca acabada 10. El soporte tubular 12 puede tener una resistencia a la traccion mayor que una pared de membrana 14 del mismo espesor. Por consiguiente, la membrana compuesta 10 tambien puede tener una resistencia a la traccion mayor que una membrana del mismo espesor hecha solo con el dopante 18. Un soporte tubular poroso permanente adecuado 12 puede hacerse extruyendo una mezcla que comprende dos componentes principales aunque una boquilla anular. Un primer componente principal es un polfmero de grado de extrusion termoplastica que permanecera como el soporte poroso 12. Un segundo componente principal es una dopante compatible que es soluble en un no disolvente del primer componente principal. Por ejemplo, el primer componente principal puede ser un polfmero insoluble en agua y el segundo componente principal puede ser una dopante soluble en agua tal como azucar, sal, PVA o glicerol. Los componentes principales primero y segundo se eligen de manera que no reaccionen entre sf. En su lugar, los componentes principales primero y segundo se mezclan con agitacion suave antes de la extrusion para producir una mezcla homogenea, por ejemplo una emulsion, de partfculas pequenas del segundo componente principal en el primer componente principal. La mezcla se extruye a traves de una boquilla anular y, opcionalmente, una boquilla adicional de calibracion de diametro exterior. El primer componente principal de la mezcla extruida se solidifica para formar el soporte 12. El soporte tubular 12 se coloca en un bano de un disolvente del segundo componente principal, por ejemplo agua, para que el segundo componente principal pueda lixiviarse en el bano. Esta etapa de lixiviacion puede ocurrir antes o despues de que la pared de membrana 14 se forme sobre el soporte 12. El primer componente principal podna ser un polfmero de bajo costo (con respecto al dopante de membrana 18), tal como polietileno (PE), si el soporte tubular 12 es requerido principalmente para soportar el dopante de membrana 18 durante el revestimiento. Sin embargo, si se desea una membrana 10 con mayor resistencia, entonces el primer componente principal puede ser un polfmero mas fuerte, tal como poliester (tereftalato de polietileno, PET).

Alternativamente, un soporte tubular 12 puede hacerse extruyendo una mezcla de dos materiales termoplasticos diferentes. Los dos materiales se eligen de manera que no sean reactivos entre sf. Los dos materiales son tambien incompatibles en el sentido de que el segundo material no se mezcla con o se disuelve bien en el primer material y en su lugar el segundo material forma grupos con baja adherencia a una matriz proporcionada por el primer material. Por ejemplo, un segundo material conocido es polimetilpenteno (PMP). El primer material puede ser, por ejemplo, PE o PET en funcion de si el costo o la resistencia es mas importante para la membrana acabada 10. Despues de que el tubo extruido se ha solidificado, se estira para establecer el diametro exterior final del soporte tubular 12, y para crear pequenas fisuras entre los dos materiales. Las fisuras proporcionan al soporte tubular 12 la porosidad deseada. Un soporte tubular similar 12 puede hacerse mezclando el primer material con un no soluto que no sea un polfmero tal como CaCO3.

Como alternativas adicionales basadas en extrusion, se puede usar un tubo de filtracion disponible en el mercado para el soporte 12. Un soporte tubular 12 con una estructura de celdas abiertas tambien se puede extruir de un polfmero mezclado con un gas supercntico tal como dioxido de carbono. A medida que la mezcla sale por la boquilla

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de extrusion, una reduccion de la presion permite que el gas supercntico escape dejando una estructura de celdas abiertas. Un tubo solido extruido tambien puede ser perforado de forma mecanica, o con uno o mas haces de rayos laser de pulsacion, para formar el soporte 12.

Un soporte tubular 12 tambien se puede hacer sin extrusion. Por ejemplo, se puede fabricar un soporte no tejido dirigiendo segmentos de fibras electrohiladas, extruidas sopladas o extruidas por pulverizacion sobre un mandril giratorio. El mandril es poroso con su orificio interior conectado a una fuente de succion de manera que los segmentos de fibras semisolidificadas se acumulan sobre el mandril. Los segmentos de fibras se solidifican completamente y se unen entre sf sobre el mandril para formar un tubo no tejido. Un extremo del tubo se separa de manera continua del mandril para crear el soporte tubular 12. Opcionalmente, una estructura no tejida puede tener una densidad suficiente para aumentar la resistencia de la membrana 10. Un soporte 12 tambien puede hacerse mediante un proceso de sinterizacion continuo con una maquina de extrusion. En este proceso, unos granulos de polfmero semifundidos se comprimen juntos en un extrusor y se sinterizan a presion empujandolos a traves del molde de extrusion de una manera similar a la sinterizacion metalica, aunque en una forma tubular. Este tubo se utiliza despues como un soporte 12. El proceso de sinterizacion no produce un soporte 12 con tanta fuerza como un soporte no tejido, aunque se pueden realizar tecnicas de sinterizacion y de no tejido en consonancia con el proceso de revestimiento.

Refiriendonos a la figura 2, una segunda membrana de fibra hueca 20 tiene una pared de membrana 14, un soporte tubular permanente o temporal 12 y un refuerzo textil 22. El refuerzo textil 22 esta preferiblemente incrustado en la pared de membrana 14. En la segunda membrana 20 mostrada, el refuerzo textil 22 se teje a partir de hilos o hebras monofilamento o multifilamento. En general, el tejido puede hacerse mas rapido que el trenzado y requiere una maquina menos complicada. En el refuerzo textil 22 mostrado, el tejido tambien esta disenado para producir una estructura mas floja, con respecto a estructuras de soporte de membrana trenzadas actuales, y por tanto requiere menos material que un soporte de membrana trenzada. El refuerzo textil 22 no es lo suficientemente denso para soportar por sf mismo el dopante 18 y por tanto, el refuerzo textil 22 se utiliza en combinacion con un soporte tubular 12. Sin embargo, el refuerzo textil 22 aumenta la resistencia de la membrana resultante 10.

El refuerzo tejido 22 se aplica al soporte tubular 12 haciendo pasar el soporte 12 a traves de una maquina de tejer, mientras teje uno o mas monofilamentos o multifilamentos 24 en un tubo alrededor del soporte 12. El tejido puede hacerse a la misma velocidad que el proceso de revestimiento de dopante descrito en relacion a la figura 3, permitiendo asf que el tejido se haga en consonancia con el revestimiento. En ese caso, el soporte tubular 12 se puede extraer de un carrete y hacer que pase directamente, es decir sin volver a ser enrollado, a traves de la maquina de tejer y el cabezal de revestimiento 16.

Alternativamente, el refuerzo textil 22 se puede proporcionar en forma de una o mas envolturas en espiral hechas haciendo pasar un soporte 12 a traves de una maquina de envolver.

Tambien alternativamente, se puede proporcionar un refuerzo textil 22 en forma de muchos segmentos cortos de filamentos 24. Por ejemplo, el refuerzo textil puede hacerse mezclando microfibras en el dopante de membrana 18. Las microfibras tambien se pueden aplicar a la superficie exterior de un dopante de membrana semisolidificado 18 pulverizando fibras cortadas, electrohiladas o extruidas sopladas sobre la superficie del dopante 18. Las fibras se pulverizan sobre el dopante de membrana 18 a medida que sale del cabezal de revestimiento 16 o poco despues de tal manera que el dopante 18 puede haber empezado a solidificarse, pero aun no es solido.

Opcionalmente, el uno o mas filamentos 24 en el refuerzo 22 pueden ser filamentos revestidos o filamentos bicomponente 24, o un hilo u otra forma de multifilamento de filamento 24 puede tener dos o mas tipos de componentes monofilamento. Se pueden fijar entre sf filamentos cruzados o adyacentes 24 en puntos de contacto. Por ejemplo, los filamentos 24 se pueden fijar entre sf mediante fijacion por calor, luz ultravioleta, soldadura, plasma, resinas u otros adhesivos. El material de los filamentos 24, el revestimiento de filamentos revestidos 24, uno o mas materiales expuestos en filamentos bicomponente 24 o uno o mas monofilamentos en multifilamentos pueden elegirse como adecuados para un metodo de fijacion elegido, si es necesario. La flexibilidad del refuerzo textil 22 se puede ajustar alterando la densidad de los filamentos 24, al decidir si es o no para fijar filamentos entre sf 24 en puntos de contacto o de interseccion, y ajustando la densidad de puntos de contacto o de interseccion entre filamentos 24.

El soporte 12 puede permanecer dentro de la segunda membrana 20. En ese caso, el soporte 12 puede hacerse mediante cualquiera de los metodos descritos para la primera membrana 10. Independientemente del metodo de fabricacion del soporte permanente 12, el refuerzo 22 se forma alrededor del soporte 12, por ejemplo tejiendolo o envolviendolo como un cable alrededor del soporte 12. Puesto que el soporte 12 mantiene el refuerzo 22 en una forma redonda y con un diametro deseado, la densidad del refuerzo 22 puede ser elegida en base al uso pretendido de la membrana 20. Por ejemplo, una membrana 20 para su uso en la filtracion de agua potable puede tener un refuerzo 22 que es menos denso que en una membrana 20 para su uso en aguas residuales. Despues de que el refuerzo 22 se coloca alrededor del soporte 12, la estructura combinada se hace pasar a traves del cabezal de revestimiento 16, como se ha descrito anteriormente en relacion a la figura 3.

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Si el soporte tubular 12 no va a permanecer dentro de la membrana acabada 20, entonces el soporte 12 se hace de un material que es soluble en un no disolvente de la capa de separacion 14. Por ejemplo, el soporte 12 puede ser soluble en agua. El refuerzo 22 se aplica alrededor del soporte 12, como se describe anteriormente, y la estructura combinada se hace pasar a traves del cabezal de revestimiento 16, como se describe en relacion a la figura 3. El soporte 12 proporciona una base que mantiene la forma de la superficie interior del refuerzo 22 en una forma tubular y que mantiene la estructura combinada centrada en el cabezal de revestimiento 16. Esto ayuda a crear un revestimiento uniforme de dopante 18 y por tanto una pared de membrana 14 con un espesor uniforme.

Despues de que se ha formado una pared de membrana solida 14, el soporte 12 se lava en el bano de coagulacion o en un disolvente separado. El refuerzo 22 es de preferencia lo suficientemente flojo como para que el dopante 18 penetre a traves del refuerzo 22 a la superficie exterior del soporte 12. Al menos los filamentos externos 24, o segmento de filamentos 24, se encapsulan en la pared de membrana 14. El refuerzo 22 tambien puede ser muy delgado para que el diametro exterior de la membrana 20 pueda ser de 1 mm o menos. La cantidad total de material usado en el soporte 12 y el refuerzo 22 puede ser similar o menor que la cantidad de fluido de orificio requerido para hacer una membrana no soportada. En consecuencia, una membrana de soporte para trabajo ligero 22 se puede hacer por un precio similar al de una membrana no soportada, aunque con mayor resistencia. El material disuelto del soporte 12 puede ser recuperado del bano de coagulacion o de otro disolvente.

Con un refuerzo tejido 22 sobre un soporte tubular 12, por ejemplo en la forma de un tubo soluble en agua, la tension aplicada durante el tejido y durante el proceso de revestimiento ayuda a garantizar que el refuerzo tejido 22 repose suavemente sobre la superficie del soporte 12. El espesor de pared del soporte 12 se elige de manera que el soporte 12 no se disuelva completamente hasta que se coagule el material de membrana en el dopante 18. Por consiguiente, aunque los filamentos 24 puedan fijarse entre sf antes de que el dopante 18 sea aplicado al soporte 12, esto no es obligatorio ya que el dopante coagulado 18 es suficiente para mantener la posicion de los filamentos en el tejido en la segunda membrana acabada 20.

Un refuerzo de tejido 22 se hace preferiblemente mediante tejido por urdimbre circular. Los tejidos de urdimbre consisten en multiples sistemas de hilos (utilizando hilos mono o multifilamento), que discurren longitudinalmente a lo largo de la superficie del tejido cilmdrico. Cada sistema de hilos tiene una aguja designada y los elementos de grna de hilo alternan entre las agujas de formacion de bucle. En comparacion, un tejido de trama se forma a partir de uno o de multiples sistemas de hilos, que estan interconectados por bucles, formados por agujas. En el tejido por trama, los bucles adyacentes (puntadas) discurren en una lmea en forma de espiral alrededor del eje longitudinal del tejido circular. Una pluralidad de las agujas de formacion de bucle (puntada) y los elementos de grna de hilo giran unas con respecto a otros. Un tejido de trama proporciona una superficie mas cerrada y cilmdrica que un tejido de urdimbre, aunque se utiliza mas material de filamento 24 y es menos estable en longitud. Aunque el material de trama podna ser mejor si su proposito principal es soportar el dopante 18, en la presente membrana 10 el dopante se moldea como un soporte tubular 12 y se pretende que el tejido aumente la resistencia de la membrana 10. Un tejido de urdimbre es mas ngido o estable en longitud que un tejido de trama, y por ello se prefiere el tejido de urdimbre para su uso como el refuerzo 12.

La figura 4 muestra, en la parte inferior de la figura, un ejemplo de soporte tubular realizado por extrusion PVAL. En la parte superior de la figura 4, se tejieron hilos multifilamento de poliester finos (133 dtex f 32), donde se tejieron en una maquina de tejer por urdimbre de 4 agujas, formando los bucles sobre agujas adyacentes, sobre un soporte tubular soluble 12. La longitud de puntada era de 2,5 - 3,5 mm (2,8 - 4 bucles / cm). A continuacion, la estructura combinada se revistio con un dopante de membrana a base de PVDF 18. Despues de formarse el dopante como una capa de separacion solida 14, se disolvio el soporte 12. Una seccion transversal de la membrana resultante 20 se muestra en la figura 5.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Metodo para fabricar una membrana de fibra hueca (10) que comprende las etapas de,

a) proporcionar una estructura de soporte tubular (12);

b) hacer pasar la estructura de soporte tubular (12) a traves de una maquina de tejer por urdimbre circular para formar una estructura de refuerzo textil (22) en forma de tejido circular alrededor de la estructura de soporte;

c) cubrir la estructura de refuerzo textil (22) con un dopante de membrana (18); y,

d) convertir el dopante de membrana (18) en una pared de membrana porosa solida (14).
2. Metodo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas una etapa de disolver la estructura de soporte tubular (12) despues de la etapa d).
3. Metodo segun la reivindicacion 2, en el que la estructura de soporte tubular (12) es soluble en agua.
4. Metodo segun la reivindicacion 1, en el la estructura de refuerzo textil (22) se forma alrededor de la estructura de soporte (12) bajo tension.
5. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la etapa c) comprende hacer pasar la estructura de soporte (12) y la estructura de refuerzo (22) a traves de la entrada de un cabezal de revestimiento (16), en el que la entrada esta centrada dentro de una salida de dopante de membrana.
6. Metodo segun la reivindicacion 6, en el que la etapa b) comprende hacer pasar la estructura de soporte (12) a traves de una maquina de tejer por urdimbre circular alineada con el cabezal de revestimiento (16).
7. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la estructura de soporte (12) es porosa.
8. Metodo segun la reivindicacion 7, en el que la etapa a) comprende extruir una mezcla de un polfmero de membrana termoplastico y un segundo material seleccionado del grupo que consiste en a) un gas supercntico, b) un solido o lfquido soluble en agua, y c) un polfmero que no es reactivo con el polfmero de membrana.
9. Metodo segun la reivindicacion 7, en el que la etapa a) comprende extruir granulos semifundidos de un polfmero.
10. Metodo para fabricar una membrana de fibra hueca (10) que comprende las etapas de,

a) proporcionar una estructura de soporte tubular porosa (12);

b) cubrir la estructura de soporte tubular con un dopante de membrana (18); y,

c) convertir el dopante de membrana (18) en una pared de membrana porosa solida (14), en el que la etapa a) comprende una etapa seleccionada del grupo de consiste en:

i) extruir una mezcla de un polfmero de membrana termoplastico y gas de dioxido de carbono supercntico;

ii) extruir una mezcla de un polfmero de membrana termoplastico y un solido o lfquido soluble en agua;

iii) extruir una mezcla de un polfmero de membrana termoplastico y un segundo polfmero que no es reactivo con el polfmero de membrana, estirando despues la extrusion para crear fisuras entre los dos polfmeros; y

iv) extruir granulos semifundidos de un polfmero a presion a traves de una boquilla anular.
11. Metodo segun la reivindicacion 10, que comprende ademas una etapa de formacion de una estructura de refuerzo textil (22) en forma de tejido circular alrededor de la estructura de soporte (12) despues de la etapa a) y antes de la etapa b).