MX2008001671A

MX2008001671A - Membrana microporosa para destilacion instantanea.

Info

Publication number: MX2008001671A
Application number: MX2008001671A
Authority: MX
Inventors: Kirit Patel; Donald H White; Andrew Dahlgreen; Richard Brandimarte
Original assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-02-19
Also published as: EP1913795A2; AU2006278421A1; EP1913795B1; WO2007019350A3; CN101495216B; US9108163B2; JP5599566B2; CN101495216A; JP2009502500A; IL189234A0; WO2007019350A2; US20080314727A1

Abstract

La presente invencion describe una membrana microporosa para la destilacion instantanea que comprende por lo menos tres capas que tienen propiedades distintas. En general, las membranas contienen capas exteriores de tamano de poro relativamente pequeno, con una capa interior con un tamano de poro relativamente grande. La invencion tambien se relaciona con un sistema para la desalinizacion que comprende una fuente de salmuera caliente.

Description

MEMBRANA MICROPOROSA PARA DESTILACIÓN INSTANTÁNEA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con membranas microporosas para el uso la destilación de agua salada y con métodos para usar tales membranas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La disponibilidad del agua potable es uno de los problemas ambientales y de salud más significativos a los que se enfrenta la población de la tierra. El aumento de la urbanización, junto con la degradación y agotamiento de los suministros de agua dulce, han creado una necesidad creciente de plantas de desalinización para convertir el agua de mar en agua dulce potable. Un método de desalinización establecido es el uso de las membranas de osmosis inversa para producir agua potable para el consumo humano. La osmosis inversa (RO, por sus siglas en inglés) ha tenido un crecimiento significativo en los últimos años, pero la mayoría de los sistemas de RO existentes demuestran una baja calidad de separación, lo que limita el alcance de su aplicación y economía de uso, y también requieren energía significativa para operar debido a que el agua impura debe bombearse a una presión relativamente alta a través de las membranas de RO. La destilación instantánea multietapa (MSF, por sus REF. : 190027 siglas en inglés), especialmente en las áreas con recursos energéticos significativos, es otra tecnología de desalinización existente. Además, la destilación multi-efecto (MED, por sus siglas en inglés) o los sistemas de compresión de vapor (VC, por sus siglas en inglés) han atraído algún interés. La MSF y MED pueden usar membranas para ayudar en la desalinización y tratamiento del agua residual. Aunque los sistemas de MSF y MED han mostrado una aceptación aumentada, las membranas existentes usadas en estos métodos tienen algunas deficiencias, que incluyen un bajo rechazo de los iones salinos, bajas velocidades de flujo del agua dulce o vapor a través de las membranas, carencia de durabilidad o un costo indeseable. Por lo tanto, existe una necesidad de una membrana mejorada para el uso en los sistemas de MSF y MED.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona, en general, con una membrana microporosa para la destilación instantánea, que comprende por lo menos tres capas que tienen propiedades distintas. En general, las membranas contienen capas exteriores de tamaño de poro relativamente pequeño, con una capa interior con un tamaño de poro relativamente grande. De esta manera, por ejemplo, el material de la membrana puede incluir una primera capa o región de membrana porosa; una segunda capa de membrana porosa adyacente a la primera región de membrana porosa y que tiene una densidad menor que la de la primera capa de membrana porosa; y una tercera capa de membrana porosa adyacente a la segunda región de la membrana porosa y que tiene una densidad mayor que la de la segunda región de la membrana porosa. La invención también se relaciona con un sistema para la desalinización que comprende una fuente de salmuera caliente. El sistema incluye, en algunas modalidades, una primera región de membrana microporosa en donde la salmuera caliente se evapora a vapor y una segunda región de soporte de membrana microporosa que tiene una densidad menor que la primera región de membrana, en donde se expande el vapor de la primera región de membrana. Una tercera región de membrana microporosa tiene una densidad mayor que la de la segunda región de soporte de membrana. El vapor expandido de la segunda región de soporte de membrana fluye a través de la tercera región de membrana, mientras que la resistencia al flujo dentro de la tercera región de membrana causa una contrapresión dentro de la segunda región de soporte de membrana. Esta contrapresión se cree que ayuda a prevenir el paso de salmuera desde la primera región de membrana a través de la segunda región de soporte de membrana. Un condensador colecta vapor de la tercera región de membrana como agua potable. Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención y las reivindicaciones. La breve descripción anterior de los principios de la descripción no se limita a describir cada modalidad ilustrativa o cada implementación de la presente descripción. La descripción detallada que sigue ejemplifica más completamente algunas modalidades que usan los principios descritos en la presente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La invención se describirá más completamente con referencia a las figuras: La Figura 1 es un diagrama esquemático de un aparato de destilación instantánea de membrana continua de cuatro secciones elaborado de acuerdo con los aspectos de la invención. La Figura 2 es un dibujo de la sección transversal de una cámara de destilación instantánea elaborada de acuerdo con una modalidad de la invención. La Figura 3 es un dibujo de la sección transversal parcial de la cámara de destilación instantánea de la Figura 2, que muestra la pared del condensador, medio de separación/drenado y membrana de vapor. La Figura 4A es un dibujo de la sección transversal ampliada de una membrana de vapor elaborada de acuerdo con una implementación de la invención.

La Figura 4B es un dibujo de la sección transversal ampliada de una membrana de vapor elaborada de acuerdo con una implementación de la invención. Mientras que los principios de la invención son susceptibles de varias modificaciones y formas alternativas, específicos de la misma, se han mostrado a manera de ejemplo en las figuras y se describirán en detalle. Sine embargo, debería entenderse que la intención no es para limitar la invención a las modalidades particulares descritas. Por el contrario, la intención es para cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caen dentro del espíritu y alcance de la descripción y las reivindicaciones .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona, en parte, con una membrana microporosa para la destilación instantánea que comprende por lo menos tres regiones del material de membrana. En general, este material de membrana incluye una primera región de membrana porosa; una segunda región de la membrana porosa adyacente a la primera región de la membrana porosa y que tiene una densidad menor que la de la primera región de membrana porosa; y una tercera región de membrana porosa adyacente a la segunda región de la membrana porosa y que tiene una densidad mayor que la de la segunda región de la membrana porosa. Refiriéndose ahora a las figuras, la figura 1 muestra un diagrama esquemático de un aparato de destilación instantánea de membrana continua de cuatro secciones elaborado de acuerdo con los aspectos de la invención. En particular, la figura 1 muestra un aparato de destilación instantánea de membrana continua 10 apropiado para el uso con las membranas microporosas multicapa de la invención. El aparato 10 de la figura 1 incluye cuatro cámaras de destilación 12a, 12b, 12c y 12d conectados en serie. Cada cámara de destilación 12a a 12d incluye una entrada correspondiente 14a a 14d para el agua de mar calentada (que incluye otra agua que contiene sal que no se origina del agua de mar, tal como agua que contiene sal de los lagos cercados) , más salidas de salmuera 16a a 16d. El agua de mar se calienta por la unidad de calentador 17 en la modalidad descrita. Además, cada cámara de destilación 12a a 12d incluye una fuente de alimentación de entrada de agua de mar 18a a 18d y salida 20a a 20d. Se observará que el flujo de agua de mar calentado en la dirección opuesta a través de las cámaras de destilación que la fuente de agua de mar entra por la alimentación de entrada. De esta manera, el agua de mar calentada fluye desde la cámara de destilación 12d a 12c a 12b y por último a 12a. La fuente de agua de mar fluye en la dirección opuesta de la cámara 12a a 12b a 12c a 12d. Durante la operación, en la modalidad representada, el agua de mar calentada de las entradas 14d, 14c, 14b y 14a funcionan como una fuente de calor contracorriente para calentar la fuente de agua de mar que entra de la alimentación de entrada de agua de mar 18a en la cámara 12a y después a través de las cámaras de destilación subsecuentes 12a, 12c y 12d. El destilado se colecta en el fondo de cada cámara por medio de las salidas de destilado respectivas 22a, 22b, 22c y 22d. Refiriéndose ahora a las figuras 2 y 3, se explica la operación del aparato de desalinización 10. El interior de la cámara 12a se muestra en la sección transversal en la figura 2, con un detalle de una sección de tal cámara mostrada en la figura 3. El agua de mar calentada entra a la cámara 12a en la entrada 14a, atraviesa a lo largo de la longitud de la cámara 12a por medio del pasaje de agua de mar calentada 23a a la salida 16a. El agua de mar calentada en el pasaje 23a entra en contacto con la membrana 24a y algo del agua de mar calentada se forma en vapor en la membrana y entra en la cámara de colección 26a. En algunas modalidades, la membrana 24a incluye una primera región de membrana microporosa, en donde la salmuera caliente se expande a vapor y una segunda región de soporte de membrana microporosa que tiene una densidad menor que la de la primera región de la membrana, en donde se expande el vapor de la primera región de la membrana. Una tercera región de la membrana microporosa tiene una mayor densidad que la de la segunda región de soporte de la membrana. El vapor expandido de la segunda región de soporte de la membrana fluye a través de la tercera región de la membrana, mientras que la resistencia al flujo dentro de la tercera región de la membrana causa una contrapresión dentro de la segunda región de soporte de la membrana. Esta contrapresión se cree que ayuda a prevenir el pasaje de salmuera de la primera región de membrana a través de la segunda región de soporte de la membrana, ün condensador colecta vapor de la tercera región de la membrana como agua potable. La membrana microporosa puede incluir, por ejemplo, una película polimérica caracterizada por nodos interconectados por fibrilos. En algunas modalidades, la primera región y la tercera región se caracterizan por un tamaño de poro promedio de 0.02 a 1.0 micrómetros. También, en algunas modalidades, la primera región y la tercera región se caracterizan por una fracción hueca promedio de 70 a 97 por ciento. La segunda región puede tener, por ejemplo, una fracción hueca promedio de 80 a 97 por ciento. En general, el espesor de cada región es de aproximadamente 0.001 a 0.004 pulgadas (0.0025 a 0.010 cm) , pero puede ser más gruesa o más delgada en algunas modalidades. En algunas modalidades, la membrana microporosa global es de 0.001 a 0.01 pulgadas de espesor (0.0025 a 0.025 cm) , en otras modalidades el espesor global de la membrana microporosa es de 0.004 a 0.01 pulgadas (0.0101 a 0.025 cm) .

En algunas modalidades, cada región comprende un material seleccionado del grupo que consiste de fibras metálicas, fibra de vidrio de borosilicato, un polímero y combinaciones de los mismos. Por ejemplo, una o más regiones pueden formarse de un material polimérico expandido seleccionado del grupo que consiste de poliéster, polipropileno, policarbonato, polifluorocarbonos y combinaciones de los mismos. Es particularmente apropiado como un material de membrana el politetrafluoroetileno (PTFE) . En algunas modalidades, es posible adicionar un tratamiento hidrofílico a las membranas. La membrana puede proporcionarse en una forma tubular. Esta forma tubular puede formarse, por ejemplo, por fundido centrífugo o enrollado en espiral. Una forma tubular puede obtenerse por extrusión de pasta, estirado y sinterizado; o formarse enrollando una membrana estirada en un mandril seguido de sinterizado. En algunas modalidades, la membrana se estabiliza por calor aplicando calor a la membrana bajo presión. La invención también se relaciona con un sistema para la desalinización que comprende una fuente de salmuera caliente; una primera región de membrana microporosa, en donde la salmuera caliente se expande a vapor; una segunda región de soporte de membrana microporosa que tiene una densidad menor que la de la primera región de membrana, en donde el vapor de la primera región de la membrana se expande; y una tercera región de la membrana microporosa que tiene una densidad mayor que la de la segunda región de soporte de la membrana, en donde el vapor expandido de la segunda región de soporte de la membrana fluye a través de la tercera región de la membrana, en donde la residencia al flujo dentro de la tercera región de la membrana causa una contrapresión dentro de la segunda región de soporte de la membrana que evita el pasaje de salmuera de la primera región de la membrana a través de la segunda región de soporte de la membrana. En algunas modalidades de este sistema, la primera región de la membrana microporosa y la tercera región de la membrana microporosa comprende tamaños de poro de 0.02 a 1.0 micrómetros, y la segunda región de soporte de la membrana microporosa comprende una fracción hueca de 80 a 97 por ciento. En algunas aplicaciones, una membrana microporosa está comprendida de por lo menos dos capas, en donde cada capa se caracteriza por nodos interconectados por fibrilos, las capas se enlazan por medio de flujo plástico a temperaturas menores que el punto de fusión de cualquier material de membrana, y la arquitectura del poro se forma in si tu mediante un proceso de expansión. Se produce una membrana microporosa estratificada, en donde la arquitectura del poro de cada capa puede controlarse de manera discreta. La arquitectura del poro de PTFE o membranas de PTFE/silicona puede controlarse de forma discreta de una manera estratificada uniendo de forma permanente dos o más cintas extrudidas durante un proceso de calandrado. Usando diferentes composiciones de extrudidos, el grado de orientación molecular causado por extrusión y calandrado puede ser disimilar para cada capa. Dado que por lo menos una capa de la cinta extrudida está aún parcialmente saturada con un lubricante orgánico en el momento de la laminación, el flujo de masa fría se realiza fácilmente y se logra fácilmente una unión permanente. Cualquier expansión subsecuente de la cinta de extrudido estratificado produce estructuras de poro de arquitecturas dispares o diferentes en cada capa. Como resultado, el producto final es en realidad una membrana simple con una estructura de poro estratificada en lugar de una laminación de membranas separadas. El efecto puede exagerarse adicionalmente aplicando diferentes cantidades de estiramiento lineal y/o transversal a una o más de las cintas extrudidas antes de la unión por calandrado. El espesor de cada capa se determina por el espesor al que se calandra antes de la laminación y puede ser diferente para cada capa del producto.

Se contempla además que cada capa de la cinta estratificada pueden modificarse independientemente con surfactantes y similares, antes de la laminación, para producir una película microporosa con diferentes propiedades superficiales en cada lado de la misma. Además, los artículos multi-estratificados pueden producirse repitiendo el proceso en serie. De manera alternativa, pueden laminarse múltiples capas de la misma formulación polimérica para permitir la expansión de la cinta extrudida de un espesor mayor que el que puede alcanzarse con un troquel de extrusión dado. El producto de este proceso es útil para numerosas aplicaciones. Por ejemplo, las arquitecturas de poro estratificadas tienen una utilidad obvia en los procesos de filtración. Una película muy delgada con un tamaño de poro pequeño puede unirse a una membrana más gruesa con un mayor tamaño de poro. El efecto es tener la mayor eficiencia del filtro de la membrana de tamaño de poro pequeño, delgado; mientras que se tiene la integridad física global de la membrana más gruesa. Dado que no se usa un adhesivo en este proceso, la velocidad de flujo y la eficiencia del sistema de filtración no se disminuyen por el bloqueo de los poros abiertos. Dado que el proceso de expansión crea gradientes de tamaños de poro in situ, se evita el efecto de la aglomeración de la termo-unión de dos membranas microporosas. La invención se relaciona más particularmente con una membrana estratificada microporosa con una estructura de poro estratificada a través de su espesor. Una capa de la membrana tiene un tamaño de poro medio que es sustancialmente más pequeño o más grande que el tamaño de poro medio en la o las otras capas. Esta estructura de poro estratificada se crea in si tu por el proceso de 1) extrusión de una resina de politetrafluoroetileno (PTFE) o una red polimérica de interpenetración de silicona (IPN) en una primera cinta; 2) opcionalmente, calandrado de la primera cinta a un espesor reducido; 3) opcionalmente, orientar la primera cinta calandrada causando un estiramiento en por lo menos una dirección; 4) extrudir una segunda cinta de PTFE o IPN de composición similar o disimilar; 5) opcionalmente, calandrar la segunda cinta a un espesor reducido; 6) laminar el primer material de película a la segunda cinta extrudida durante un proceso de calandrado de adición; 7) orientar la cinta de la etapa (6) estirando en por lo menos una primera dirección, para crear una membrana microporosa con una estructura de poro estratificada y 8) opcionalmente, calentar la membrana por encima de su punto de fusión cristalino para causar la sinterización. La unión entre la capas de la cinta se logra bajo condiciones de alta plasticidad, y la porosidad de cada capa se determina por el proceso de expansión. La presente invención no debería ser considerada limitada a los ejemplos particulares descritos anteriormente, sino debería entenderse que cubre todas las patentes de la invención como se establece completamente en las reivindicaciones anexas. Las diferentes modificaciones, procesos equivalentes, así como las numerosas estructuras a las que la presente invención puede ser aplicable, serán evidentes para los experimentados en la técnica a la que la presente invención se refiere, una vez que se revisa la presente especificación. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Membrana microporosa para la destilación instantánea, caracterizada porque comprende: por lo menos tres regiones del material de membrana, que comprende : una primera región de membrana porosa; una segunda región de membrana porosa adyacente a la primera región de la membrana porosa y que tiene una densidad menor que la de la primera región de la membrana porosa; y una tercera región de membrana porosa adyacente a la segunda membrana porosa y que tiene una densidad mayor que la de la segunda región de la membrana porosa.
2. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la membrana microporosa comprende una película polimérica formada por nodos interconectados por fibrilos.
3. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la primera región y la tercera región tienen un tamaño de poro promedio de 0.02 a 1.0 micrómetros .
4. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la primera región y la tercera región tienen una fracción hueca promedio de 70 a 97 por ciento.
5. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la segunda región tiene una fracción hueca promedio de 80 a 97 por ciento. 6. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el espesor de cada región es de 0.001 a
0.004 pulgadas (0.0025 a 0.010 cm) .
7. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la membrana microporosa es de 0.001 a 0.01 pulgadas de espesor (0.0025 a 0.025 cm) .
8. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada región comprende un material seleccionado del grupo que consiste de fibras metálicas, fibra de vidrio de borosilicato, un polímero y combinaciones de los mismos.
9. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada región comprende un material polimérico expandido del grupo que consiste de poliéster, polipropileno, policarbonato, polifluorocarbonos y combinaciones de los mismos.
10. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada región comprende politetrafluoroetileno expandido.
11. La membrana de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque además comprende un tratamiento hidrofílico.
12. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque se forma en una forma tubular por politetrafluoroetileno expandido enrollado en espiral.
13. La membrana de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque se forma en una forma tubular enrollando una membrana estirada en un mandril seguido de sinterizado.
14. La membrana de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque se estabiliza con calor aplicando calor a la membrana bajo presión.
15. Una membrana microporosa para la destilación instantánea, caracterizada porque comprende: por lo menos tres regiones de material de membrana, en donde cada región comprende politetrafluoroetileno, que comprende: una primera región de material de membrana; una segunda región de material de membrana adyacente a la primera región del material de membrana y que comprende una densidad menor que la de la primera región del material de membrana; y una tercera región del material de membrana adyacente a la segunda región del material de membrana y que comprende una mayor densidad que la de la segunda región del material de membrana .
16. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque tiene nodos interconectados por fibrilos.
17. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la primera región y la tercera región tienen un tamaño de poro de 0.02 a 1.0 micrómetros.
18. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la primera región y la tercera región tienen una fracción hueca de 70 a 97 por ciento.
19. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque la segunda región tiene una fracción hueca de 80 a 95 por ciento.
20. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque el espesor de cada región es de 0.001 a 0.004 pulgadas de espesor (0.0025 a 0.010 cm) .
21. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque es de 0.001 a 0.01 pulgadas de espesor (0.0025 a 0.025 cm) .
22. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque además comprende un tratamiento hidrofílico.
23. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque se forma en una forma tubular por politetrafluoroetileno expandido enrollado en espiral.
24. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque se forma en una forma tubular enrollando una membrana estirada en un mandril seguido de sinterizado.
25. La membrana de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque se sinteriza con calor aplicando calor a la membrana bajo presión.
26. Sistema para desalinización, caracterizado porque comprende : un suministro de salmuera caliente; una primer región de membrana microporosa en donde la salmuera caliente se expande a vapor; una segunda región de soporte de membrana microporosa que tiene una densidad menor que la de la primera región de la membrana, en donde el vapor de la primera región de la membrana se expande; y una tercera región de la membrana microporosa que tiene una densidad mayor que la de la segunda región de soporte de la membrana, en donde el vapor expandido de la segunda región de soporte de la membrana fluye a través de la tercera región de la membrana y en donde la resistencia al flujo dentro de la tercera región de la membrana causa una contrapresión dentro de la segunda región de soporte de la membrana que evita el daño de la salmuera de la primera región de la membrana a través de la segunda región de la membrana; y un condensador que colecta vapor de la primera región de la membrana como agua pura.
27. El sistema para desalinización de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque la primera región de la membrana microporosa y la tercera región de la membrana microporosa comprenden tamaños de poro de 0.02 a 1.0 micrómetros.
28. El sistema para desalinización de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque la segunda región de soporte de la membrana microporosa comprende una fracción hueca de 80 a 97 por ciento.
29. El sistema para desalinización de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque cada región de la membrana microporosa comprende politetrafluoroetileno.
30. El sistema para desalinización de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque cada región de la membrana microporosa comprende nodos interconectados por fibrilos .