ES2970053T3 - Elemento filtrante cerámico - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación se refiere a un método para preparar membranas de filtración cerámicas con una baja tasa de defectos y rendimientos de filtración mejorados. Las membranas de filtración cerámicas tienen una estructura en capas, en la que las capas están concertadas para generar un rendimiento de filtración mejorado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Elemento filtrante cerámico
Campo técnico
La presente invención se refiere a un elemento filtrante cerámico inorgánico para nanofiltración y ultrafiltración en procesos de purificación y filtración de líquidos, y a un proceso para la preparación de dicho elemento.
Antecedentes
El suministro de agua limpia y potable es uno de los problemas emergentes a resolver en vista del crecimiento mundial de la población y la industrialización junto con los desastres naturales. El agua puede estar contaminada con bacterias, virus, protozoos y hongos, concomitantes bacteriológicos y biológicos o microplásticos, productos químicos farmacéuticamente activos, productos químicos tóxicos, plaguicidas, herbicidas, proteínas y otros contaminantes que pueden amenazar la salud de los seres humanos. Además de esto, las aguas residuales industriales pueden estar contaminadas con productos químicos orgánicos, sólidos disueltos o material en suspensión.
Para reducir la cantidad de contaminantes liberados y la cantidad de desechos tóxicos de una manera energéticamente eficiente, a menudo se usan elementos filtrantes con fines de filtración o separación, es decir, en la purificación de aguas residuales industriales. Estos elementos filtrantes pueden comprender membranas poliméricas o membranas cerámicas. Estas últimas suelen preferirse a las membranas poliméricas, especialmente en procesos de filtración o separación que requieren condiciones duras para la limpieza de las membranas, o que implican altas temperaturas y medios agresivos, tales como aguas residuales muy ácidas o muy básicas, fluidos de proceso, disolventes orgánicos y productos químicos altamente reactivos.
El documento US 2005/0172811 A1 divulga membranas permeoselectivas al hidrógeno, que son membranas permeables depositadas sobre sustratos porosos, que tienen una capa intermedia graduada, que exhiben tanto una alta permeabilidad al hidrógeno como una alta permeoselectividad al hidrógeno.
El documento US 2019/202707 A1 divulga un método para fabricar un artículo cerámico en forma de panal que comprende una membrana inorgánica porosa sobre un soporte cerámico poroso aplicando uno o más recubrimientos de partículas de color verde sobre un sustrato verde y cociendo el sustrato recubierto.
El documento JP 2005/118771 A divulga un cuerpo poroso cilíndrico y un método para fabricar el mismo mediante moldeo por extrusión.
El documento US 2016/0096150 A1 divulga una membrana compuesta de transporte de iones de oxígeno que tiene una capa densa, una capa de soporte porosa y una capa porosa intermedia opcional.
En general, se usan habitualmente dos clases de membranas filtrantes cerámicas: membranas filtrantes de óxido y sin óxido.
Las membranas filtrantes cerámicas sin óxido se preparan normalmente a partir de partículas tales como partículas de carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de tungsteno (WC), nitruro de aluminio (AlN) o nitruro de boro (BN), o mezclas de los mismos. Las membranas preparadas a partir de partículas cerámicas sin óxido normalmente tienen excelentes propiedades con respecto a su resistencia a medios corrosivos y una baja tendencia al ensuciamiento de la membrana debido al bajo punto isoeléctrico.
Las membranas filtrantes cerámicas de óxido comprenden partículas de óxidos metálicos, tales como óxido de aluminio (ALO3), óxido de berilio (BeO), óxido de calcio (CaO), óxido de hafnio (HfO<2>), óxido de hierro (FeO/Fe2O3), óxido de lantano (La2O3), óxido de magnesio (MgO), óxido de manganeso (MnO<2>), dióxido de silicio (SiO<2>), óxido de estroncio (SrO), óxido de torio (ThO<2>), dióxido de titanio (TiO<2>), óxido de itrio (Y<2>O<3>), dióxido de circonio (ZrO<2>) o mezclas de los mismos. El proceso de fabricación de membranas filtrantes cerámicas de óxido se logra normalmente mediante un proceso sol-gel, en el que se recubre una superficie de soporte con un sol que contiene un compuesto metálico precursor, por ejemplo, un alcoholato metálico. Durante el secado y la sinterización, el precursor se oxida en el óxido metálico correspondiente, formando capas de membrana con tamaño de poro pequeño.
Las membranas filtrantes cerámicas obtenidas mediante procesos sol-gel tienen la desventaja de que contienen una proporción elevada de fase amorfa que reduce su resistencia contra medios corrosivos, es decir, ácidos, bases o limpiadores de membranas disponibles comercialmente, y a la abrasión mecánica.
Otro problema importante con las filtraciones de membrana es la disminución del flujo de permeado debido al ensuciamiento de la membrana. La incidencia de ensuciamiento se ve influenciada por la naturaleza de los solutos, sus concentraciones, el tipo de membrana y la distribución del tamaño de poro, la calidad del agua, la hidrodinámica y las características superficiales de la membrana. El ensuciamiento de las membranas reduce la eficiencia económica de la filtración por membranas al reducir la calidad del agua tratada, reduce la durabilidad y aumenta la frecuencia de la limpieza de las membranas.
Además de esto, particularmente en el campo de la nanofiltración (tamaño de poro entre 1 y 10 nm) y la ultrafiltración (tamaño de poro de aproximadamente 10 nm a 100 nm), la integridad de la membrana es esencial para el rendimiento de la filtración. Los defectos en la membrana (tales como grietas, orificios o poros sobredimensionados) son generalmente mucho más grandes (hasta varios pm de diámetro) que los poros nominales de la membrana, lo que influye mucho en el rendimiento de filtración y separación y degrada la calidad del filtrado, lo que hace que el proceso de purificación sea ineficiente.
Por lo tanto, es deseable proporcionar membranas filtrantes cerámicas con una distribución estrecha del tamaño de poro, una baja cantidad de defectos y una alta estabilidad química y mecánica para lograr la retención deseada de productos químicos, reducir el bloqueo de la membrana y mejorar la calidad del filtrado y mejorar la concentración del líquido residual.
Sumario
La presente invención se refiere a un material compuesto para la purificación y filtración de líquidos. En un aspecto, la presente divulgación se refiere a un elemento filtrante cerámico multicapa como se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.
En un segundo aspecto, la presente divulgación se refiere a un proceso para la preparación de un elemento filtrante cerámico de acuerdo con el primer aspecto, en donde las capas se forman por la aplicación consecutiva de suspensiones que comprenden partículas de al menos un compuesto cerámico de diferentes tamaños a una estructura de soporte cerámico, evitando así un proceso sol-gel.
Breve descripción de las figuras
Figura 1 Comparación de curvas de tamiz para PEG de membrana M1 de acuerdo con la presente divulgación (MWCO: 2,9 kDa para polietilenglicoles (PEG), tamaño de poro medio de membrana de 3 nm) con una tasa de defectos mínima y una membrana de nanofiltración del estado de la técnica obtenida en Inopor® (tamaño de poro: 1 nm, información del fabricante).
Figura 2 Imagen de la sección transversal de la membrana M1 (MWCO: 4 kDa) de acuerdo con la presente divulgación (Ejemplo 1) obtenida por REM con una estructura de capa intermedia bien definida y una capa de membrana con una tasa de defectos mínima.
Figura 3 Imagen de la sección transversal de la membrana M1 (MWCO: 4 kDa) de acuerdo con la presente divulgación (Ejemplo 1) obtenida por REM con una estructura de capa intermedia bien definida y una capa de membrana con una tasa de defectos mínima.
Figura 4 Imagen de la superficie de la capa de membrana de la membrana M1 (MWCO: 4 kDa) de acuerdo con la presente divulgación (Ejemplo 1) obtenida por REM que muestra una tasa de defectos mínima.
Figura 5 Imagen de la superficie de una membrana de la técnica anterior obtenida en Inopor® (superficie TiO<2>, tamaño de poro nominal 1 nm) obtenida por REM que muestra una alta tasa de defectos (grietas en la superficie de la membrana).
Descripción detallada
La presente invención se refiere a un material compuesto para la purificación y filtración de líquidos. En un aspecto, la presente divulgación se refiere a un elemento filtrante cerámico multicapa como se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.
En el sentido de la presente divulgación, cada capa intermedia y la capa de membrana pueden estar compuestas por hasta 8 capas caracterizadas por que cada una de las hasta 8 capas tienen la misma composición, es decir, partículas de los mismos al menos un compuesto cerámico y tamaño de partícula. En el sentido de la presente divulgación, las "capas" que tienen la misma composición se denominan una capa, es decir, las hasta 8 capas con la misma composición que forman la capa más externa se denominan capa de membrana, por ejemplo. El uso de varias capas que componen la capa intermedia, o la capa de membrana, puede tener razones de procedimiento. Por ejemplo, la capa de membrana final puede prepararse mediante varias etapas de recubrimiento usando la misma composición, generando así "capas" del mismo tipo directamente adyacentes entre sí, y formando así una única capa en el sentido de la presente solicitud.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un elemento filtrante cerámico formado sobre un material de soporte poroso y que tenga un flujo satisfactorio, una alta permeabilidad de compuestos de bajo peso molecular y una alta retención de compuestos de alto peso molecular, incluyendo partículas de determinado tamaño. Debido a la estructura estratificada del elemento filtrante cerámico, las membranas de la presente divulgación muestran además una pendiente pronunciada de la curva de tamiz (figura 1) y un corte de peso molecular (MWCO) agudo junto con flujos elevados que permiten la provisión de residuos de filtración altamente concentrados que contienen compuestos orgánicos moleculares. Adicionalmente, las membranas de la presente divulgación exhiben una alta estabilidad frente al estrés térmico, químico y mecánico, lo que da como resultado una estabilidad a la abrasión y propiedades de limpieza superiores. Después del proceso de filtración, las superficies lisas de las membranas de la presente divulgación se pueden limpiar fácilmente mediante lavado mecánico, por ejemplo, los dispositivos de filtración se pueden lavar con un disolvente en la dirección opuesta al flujo de filtrado y/o con limpiadores de membrana disponibles comercialmente, ácidos o bases. De esta manera, el caudal original se puede mantener durante muchos ciclos de filtración sin reducir la calidad del filtrado.
Los inventores de la presente divulgación han encontrado que las propiedades de un elemento filtrante cerámico, es decir, el rendimiento de filtración, el caudal y la retención de productos químicos, se pueden mejorar sorprendentemente mediante una disposición concertada de capas de soporte, intermedias y de membrana. La presente divulgación se refiere particularmente a una disposición concertada de las capas con respecto a las partículas de al menos un compuesto cerámico comprendido en las capas. El experto en la técnica puede elegir las partículas de manera que formen poros que tengan un diámetro menor en cada capa posterior. De este modo, se forman capas adyacentes que difieren en su tamaño de poro medio en aproximadamente un 50-95 %, permitiendo que se forme una red continua de poros que, a su vez, permite que los líquidos atraviesen el elemento filtrante a baja presión transmembrana y generando un óptimo rendimiento de filtración. En el sentido de la presente divulgación, el tamaño de poro medio se considera como el D<50>del tamaño de poro, es decir, el tamaño de los poros, en donde la porción de poros con diámetros inferiores o iguales a este valor es del 50 % con respecto al número total de poros. En el sentido de la presente divulgación, una red continua de poros permite un flujo fácil de líquidos desde un lado del elemento filtrante al otro lado que es impulsado por una diferencia de presión entre los lados del elemento filtrante, es decir, la presión transmembrana. En paralelo, se forma una superficie lisa que permite la formación de capas con tasas de defectos mínimas (véanse las figuras 2, 3, 4 y 5). Esto es muy deseable ya que los defectos pueden ser mucho mayores que el tamaño de poro del elemento filtrante y, por lo tanto, reducen la calidad del filtrado.
La figura 2 muestra una representación fotográfica REM del elemento filtrante cerámico preparado de acuerdo con el Ejemplo 1, en donde A es una estructura de soporte; 1 es la primera capa intermedia; 2 es la segunda capa intermedia; 3 muestra la tercera capa intermedia y la capa de membrana. Detector = InLens; Señal B = MPSE; Señal = 1,0000; EHT = 5,00 kV; Aum. = 2,50 KX; DT = 3,3 mm; Imagen registrada en un Zeiss Leo 15340VP.
La figura 3 es una ampliación de la figura 2 en factor de 10. El límite entre la capa de membrana (3) y la tercera capa intermedia (2) en la segunda capa intermedia (1) es ahora más claramente visible. Detector = InLens; Señal B = MPSE; Señal = 1,0000; EHT = 5,00 kV; Aum. = 25,00 KX; DT = 3,3 mm; Imagen registrada en un Zeiss Leo 15340VP.
La figura 4 muestra una representación fotográfica REM de la capa de membrana del elemento filtrante cerámico preparado de acuerdo con el Ejemplo 1. La superficie más externa del elemento filtrante, es decir, la capa de membrana, no muestra defectos, tales como orificios o grietas. Detector = InLens; Señal B = MPSE; Señal = 1,0000; EHT = 5,00 kV; Aum. = 1,00 KX; DT = 6,9 mm; Imagen registrada en un Zeiss Leo 15340VP.
La figura 5 muestra una representación fotográfica REM de una capa de membrana del estado de la técnica de un elemento filtrante cerámico obtenido en Inopor® (material de superficie TiO<2>; tamaño de poro nominal 1 nm). La superficie más externa del elemento filtrante, es decir, la capa de membrana, muestra una alta tasa de defectos, por ejemplo, grietas. Detector = InLens; Señal B = MPSE; Señal = 1,0000; EHT = 5,00 kV; Aum. = 1,00 KX; DT = 6,6 mm; Imagen registrada en un Zeiss Leo 15340VP.
En lo sucesivo, la estructura de soporte se denominará "soporte". La numeración de las capas intermedias se iniciará por la capa intermedia directamente adherida al soporte, es decir, siendo la primera capa intermedia. Todas las capas intermedias adicionales se numeran consecutivamente dependiendo de su posición con respecto al soporte, la segunda capa intermedia está unida a, es decir, en contacto directo con, la primera capa intermedia, etc.
En el sentido de la presente divulgación, el tamaño de un lote de partículas se caracteriza por sus diámetros medios Q<0>, es decir, sus valores numéricos de D<10>, D<50>y D<90>determinados mediante dispersión dinámica de la luz (DLS, por sus siglas en inglés). D<10>se define como el diámetro de las partículas, en donde la porción de partículas con diámetros inferiores o iguales a este valor es del 10 % con respecto al número total de partículas. Por lo tanto, el 10 % de las partículas del lote tienen un diámetro inferior o igual al valor de D<10>, y el 90 % de las partículas tienen un diámetro superior al valor de D<10>. Por lo tanto, se trata de una distribución numérica de las partículas. De manera similar, D<50>se define como el diámetro de las partículas, en donde la porción de partículas con diámetros inferiores o iguales a este valor es del 50 % con respecto al número total de partículas. Finalmente, D<90>se define como el diámetro de las partículas, en donde la porción de partículas con diámetros inferiores o iguales a este valor es del 90 % con respecto al número total de partículas. En el sentido de la presente divulgación, todos los diámetros de partícula se determinan mediante DLS con un analizador del tamaño de nanopartícula Nanotrac Flex (obtenido en Microtrac MRB).
En el sentido de la presente divulgación, las partículas tienen un diámetro D<90>^1000 nm.
Las partículas en cada capa x de la presente divulgación se pueden caracterizar por el ancho de su distribución del tamaño de partícula expresada por:
Dg0 (de partículas en la capa x)
x D10 (de partículas en la capa x)'
En otras palabras, la relación Z de la capa x, es decir, Zx, es el cociente del tamaño de partícula D<90>de las partículas que componen la capa y el tamaño de partícula D<10>de las mismas partículas que componen la capa.
En el sentido de la presente divulgación, las partículas de un compuesto cerámico pueden seleccionarse del grupo que consiste en partículas de al menos un óxido metálico, partículas de al menos un carburo metálico y partículas de al menos un nitruro metálico. Dichas partículas de un compuesto cerámico pueden considerarse "partículas" para la presente divulgación.
En el sentido de la presente divulgación, las partículas de al menos un óxido metálico pueden seleccionarse del grupo que consiste en materiales cerámicos de óxido tales como óxido de aluminio (AbO3), óxido de berilio (BeO), óxido de calcio (CaO), óxido de hafnio (HfO<2>), óxido de hierro (FeO/Fe2O3), óxido de lantano (La2O3), óxido de magnesio (MgO), óxido de manganeso (MnO<2>), dióxido de silicio (SiO<2>), óxido de estroncio (SrO), óxido de torio (ThO<2>), dióxido de titanio (TiO<2>), óxido de itrio (Y<2>O<3>), dióxido de circonio (ZrO<2>) y mezclas de los mismos.
En realizaciones preferidas, las partículas del al menos un óxido metálico se seleccionan de partículas del grupo que consiste en óxido de aluminio (AbO3), dióxido de silicio (SiO<2>), dióxido de titanio (TiO<2>), dióxido de circonio (ZrO<2>) y mezclas de los mismos. Para todas las capas, independientemente del tipo de capa, las partículas se pueden seleccionar individualmente por el experto en la técnica de manera que proporcionen un cuerpo estratificado que tenga una superficie lisa y una baja tasa de defectos.
En el sentido de la presente divulgación, las partículas de al menos un carburo metálico pueden seleccionarse del grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), carburo de tungsteno (WC), carburo de boro (B<4>C) y mezclas de los mismos.
En realizaciones preferidas, las partículas del al menos un carburo metálico son carburo de silicio (SiC).
En el sentido de la presente divulgación, las partículas de al menos un nitruro metálico pueden seleccionarse del grupo que consiste en nitruro de silicio (Si3N4), nitruro de aluminio (AlN), nitruro de titanio (TiN), nitruro de boro (BN) y mezclas de los mismos.
En realizaciones preferidas, las partículas del al menos un nitruro metálico se seleccionan del grupo que consiste en nitruro de silicio (Si3N4), nitruro de aluminio (AlN), nitruro de titanio (TiN) y mezclas de los mismos.
En la presente divulgación, el uso de óxidos metálicos como materiales en al menos una capa intermedia y la capa de membrana se prefiere particularmente al uso de carburos metálicos o nitruros metálicos.
Cuando se usa la expresión "que comprende" en la presente divulgación y las reivindicaciones, no excluye otros elementos. Para los fines de la presente invención, la expresión "que consiste en" se considera que es una realización preferente de la expresión "que comprende". Si en lo sucesivo en el presente documento se define que un grupo comprende al menos un determinado número de realizaciones, se debe entender que esto también divulga un grupo que consiste, preferentemente, únicamente en estas realizaciones.
La estructura de soporte
De acuerdo con la presente divulgación, el soporte está formado por un material poroso para permitir el paso de líquidos. El soporte está formado por un material cerámico. El tamaño de poro medio está en el intervalo de 0,5 pm a 1,5 pm.
Para la presente divulgación, es deseable que el tamaño de poro del soporte no sea superior a 1,5 pm para proporcionar una superficie adecuada para el recubrimiento de las capas intermedias, en particular, la primera capa intermedia directamente adyacente al soporte. Si el tamaño de poro en la superficie de soporte es demasiado grande, es más difícil reducir el tamaño de poro mediante capas intermedias, en particular, dos o tres capas intermedias, para proporcionar una superficie adecuada para el recubrimiento de la capa de membrana que se caracteriza por una baja tasa de defectos y/o una superficie lisa. En caso de que no se cumpla este requisito, es decir, el tamaño de poro del soporte es muy grande, una o más capas de soporte pueden recubrir el soporte para lograr el tamaño de poro deseado en la superficie del soporte. En este caso, las capas de soporte se consideran como la estructura de soporte, es decir, el soporte. Para la presente solicitud, es importante en particular el tamaño de poro en la superficie del soporte e influye en las capas adicionales, especialmente en la tasa de defectos de las capas adicionales.
El soporte puede tener diferentes formas. No se impone ninguna limitación particular sobre la forma del soporte. De manera similar, no se impone ninguna limitación particular sobre la forma de las capas intermedia y de membrana.
Por ejemplo, el soporte puede tener la forma de un disco, una placa poligonal, una placa, una lámina plana, un cilindro, un cilindro en forma de caja, una varilla, un pilar cuadrado, etc., que pueden seleccionarse con respecto al propósito de uso. No se impone ninguna limitación a las dimensiones de las capas de soporte, intermedias o de membrana, excepto su grosor, y las dimensiones pueden seleccionarse con respecto al propósito de uso, siempre que las dimensiones garanticen una resistencia suficiente del soporte. El experto en la técnica elige el grosor y el material del soporte de manera que proporcione al elemento filtrante una resistencia mecánica suficiente para el propósito de uso.
En una realización, el soporte es una estructura de soporte de fibra hueca que tiene un tamaño de poro medio de 0,5 pm a 1,5 pm. En caso de que el tamaño de poro del soporte ya esté en el intervalo del tamaño de poro de la capa intermedia dispuesta sobre la superficie del soporte, el fin de la primera capa intermedia es proporcionar una superficie lisa para el posterior proceso de recubrimiento de otra capa intermedia.
En otra realización, el soporte es una estructura de tubería multicanal que tiene un tamaño de poro medio de 1,5 pm a 12 pm. En una realización preferida, el soporte es una estructura de tubería multicanal que tiene un tamaño de poro medio de 1,5 pm a 3 pm, o de 3 pm a 4 pm, o de 7 pm a 10 pm, o de 10 pm a 12 pm dependiendo del proveedor comercial. En estos casos, otra capa de soporte recubre el soporte para lograr el tamaño de poro medio deseado de 0,5 pm a 1,5 pm. En este caso, la capa de soporte se considera parte de la estructura de soporte, es decir, la estructura de soporte abarca el elemento de soporte seleccionado y la capa de soporte, en resumen, también denominada soporte.
De acuerdo con una realización de la presente divulgación, una capa de soporte opcionalmente recubierta comprende o consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico.
En una realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en Al2Ü3, BeO, CaO, HfÜ<2>, FeO, Fe2Ü3, La2Ü3, MgO, MnÜ<2>, SiÜ<2>, SrO, ThÜ<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de AhO3.
En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de Al<2>O<3>.
En otra realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un compuesto cerámico de carburos metálicos seleccionados del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un compuesto de carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de SiC.
En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de SiC.
En otra realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un compuesto de nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta comprende partículas de AlN o TiN.
En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de soporte opcionalmente recubierta consiste en partículas de AlN o TiN.
Se entiende que la estructura de soporte comprende o consiste en los materiales mencionados anteriormente también en ausencia de una capa de soporte opcionalmente recubierta.
Capa intermedia
Para proporcionar una capa, por ejemplo, una capa de membrana, con una baja tasa de defectos en un material de soporte poroso, el tamaño de poro de la superficie de soporte se reduce poco a poco mediante varias capas intermedias, alisándose así también la superficie del soporte.
En una realización (no de acuerdo con la invención), una capa intermedia reviste el soporte. Esta capa intermedia reduce el tamaño de poro medio de la superficie del soporte en aproximadamente un 60-95 %. Esto proporciona una superficie más lisa para el recubrimiento de la capa de membrana. Sin embargo, la reducción del tamaño de poro medio y la suavidad de la superficie de la capa intermedia puede no ser suficiente para conseguir una capa de membrana con una baja tasa de defectos porque el tamaño de poro medio de la capa intermedia puede ser todavía demasiado grande, o la capa intermedia todavía puede tener una alta tasa de defectos. En otra realización, dos capas intermedias recubren el soporte. La primera capa intermedia en contacto directo con el soporte puede reducir el tamaño de poro medio de la superficie del soporte en aproximadamente un 60-95 %. La segunda capa intermedia en contacto directo con la primera capa intermedia puede reducir aún más el tamaño de poro medio de la superficie de la primera capa intermedia en aproximadamente un 87-95 %. Por lo tanto, el tamaño de poro del soporte se reduce en dos etapas.
No obstante, la reducción del tamaño de poro medio y la mejora de la suavidad de la superficie de la capa intermedia pueden no ser suficientes para lograr una capa de membrana con una tasa de defectos baja, una distribución estrecha del tamaño de poro y un corte de peso molecular agudo. Por lo tanto, en una realización preferida, se disponen tres capas intermedias entre el soporte y la capa de membrana más externa. Por lo tanto, la primera capa intermedia en contacto directo con el soporte puede reducir el tamaño de poro medio de la superficie de la estructura de soporte en aproximadamente un 60-95 %, la segunda capa intermedia en contacto directo con la primera capa intermedia puede reducir el tamaño de poro medio de la superficie de la primera capa intermedia en aproximadamente un 87-95 %, y la tercera capa intermedia en contacto directo con la segunda capa intermedia puede reducir aún más el tamaño de poro medio de la superficie de la segunda capa intermedia en aproximadamente un 55-80 %. Esta estructura concertada permite al experto en la técnica reducir el tamaño de poro medio del soporte en tres etapas con cada capa posterior. Sin embargo, todavía se puede formar una red de poros continua entre las capas para permitir que los líquidos atraviesen el elemento filtrante de un lado al otro fácilmente, sin imponer la necesidad de altas presiones transmembrana que generen un alto flujo de líquido. Al mismo tiempo, se proporciona una superficie lisa con la que se puede recubrir la capa de membrana, y sobre la tercera capa intermedia se puede estratificar una capa de membrana caracterizada por que muestra una baja tasa de defectos y una superficie de membrana lisa y, por lo tanto, propiedades de filtración mejoradas, es decir, una distribución estrecha del tamaño de poro y un bajo corte de peso molecular, una inhibición y/o retardo de la formación de una capa de ensuciamiento durante un proceso de filtración y propiedades de limpieza mejoradas debido a la superficie de membrana lisa. Por otra parte, las tres capas intermedias muestran una red de poros suficiente que permite que los líquidos fluyan de un lado al otro del elemento filtrante sin necesidad de altas presiones transmembrana. Por lo tanto, la presencia de tres capas intermedias permite propiedades de filtración óptimas del elemento filtrante ya que tres capas intermedias generan una superficie lisa de la capa más externa mientras se mantiene una alta permeabilidad del elemento filtrante que permite un flujo transmembrana alto a una presión transmembrana baja.
En otra realización, se disponen cuatro o más capas intermedias entre el soporte y la capa de membrana más externa. Por lo tanto, la estructura concertada permite al experto en la técnica reducir el tamaño de poro medio del soporte en cuatro o más etapas con cada capa posterior. Aunque todavía se puede formar una red de poros continua entre las capas para permitir que los líquidos atraviesen el elemento filtrante de un lado al otro, la preparación de elementos filtrantes con cuatro o más capas intermedias es costosa y requiere mucho tiempo, pero el rendimiento de la filtración no está mejorado en comparación con los elementos filtrantes que tienen tres capas intermedias. El soporte, todas las capas intermedias y la capa de membrana difieren en su grosor y composición, tal como la composición química y el tamaño de las partículas usadas en el recubrimiento. En cada capa, los materiales se seleccionan independientemente del grupo que consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico que proporciona diferentes propiedades. Particularmente, las capas difieren en el tamaño de partícula proporcionando diferentes tamaños de poro medios a través de las capas.
La primera capa intermedia comprende las partículas más grandes que dan como resultado el tamaño de poro medio más grande.
El tamaño de las partículas se reduce con cada capa intermedia consecutiva; la capa de membrana comprende las partículas más pequeñas, dando como resultado el tamaño de poro medio más pequeño. Las partículas de las diferentes capas se eligen porque el tamaño de poro medio de la capa intermedia posterior es menor que el tamaño de poro medio de la capa anterior para proporcionar una superficie lisa y proporcionar una red adecuada de poros para permitir el paso de los líquidos fácilmente.
Estos materiales o mezclas de estos materiales presentan una resistencia ventajosa, de modo que el elemento filtrante tiene una buena estabilidad a la presión. Además, el material cerámico puede comprender aditivos, preferentemente en forma de compuestos de óxidos alcalinos y/o alcalinotérreos.
Las partículas del al menos un compuesto cerámico se seleccionan individualmente para cada capa con respecto tanto a su composición química como a su tamaño de partícula. En realizaciones preferidas, una cuidadosa selección y combinación de las partículas del al menos un compuesto cerámico genera las propiedades óptimas con respecto al tamaño de poro medio, la suavidad de la superficie y la red continua de poros. Una selección concertada de partículas del al menos un compuesto cerámico con respecto a las propiedades inherentes de tamaño de poro medio, porosidad y microestructura en las respectivas capas genera un elemento filtrante cerámico estratificado optimizado.
Otro aspecto de la invención se refiere al grosor de las capas intermedias individuales x y de la capa de membrana m. De este modo, el grosor de cada una de las capas se adapta a las capas adherentes para generar una organización concertada del dispositivo de filtración de membrana. En realizaciones preferidas, la primera capa intermedia tiene el mayor grosor y el grosor de cada capa se reduce con cada capa posterior.
En el sentido de la presente divulgación, la relación de grosores entre dos capas Tx/x<+1>, para los fines de la presente divulgación, está caracterizada por la ecuación:
grosor t (de la capa x)
Tx/x+i _ grosor t (de la capa x+1)'
Además, para cada capa, la relación Yx del grosor de la capa respectiva x, es decir, tx, y el tamaño de partícula D<50>de las nanopartículas cerámicas respectivas en la misma capa x, se calcula como
grosor t (de la capa x)
Yx D50 (de partículas en la capa x)'
El tamaño de poro medio de las capas se determina mediante porometría de flujo capilar, mediante análisis de corte de peso molecular (MWCO) o mediante experimentos de adsorción de N<2>usando el método común establecido por Barret, Joyne y Halenda. En el sentido de la presente divulgación, el tamaño de poro medio se define como el diámetro D<50>de los poros, en donde la porción de poros con diámetros inferiores a este valor es del 50 % con respecto al número total de poros.
De acuerdo con una realización de la presente divulgación, al menos una capa intermedia comprende o consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico.
De acuerdo con otra realización, el al menos un compuesto cerámico de la al menos una capa intermedia se selecciona del grupo que consiste en AbO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona del grupo que consiste en Al2O3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AbO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es SiC o AhO3.
De acuerdo con una realización de la presente divulgación, la primera capa intermedia comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AbO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la primera capa intermedia comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SÓ<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos.
De acuerdo con una realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de AhO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de AbO3 o TiO<2>. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización, la al menos una capa intermedia comprende partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B4C y mezclas de los mismos. En otra realización, la al menos una capa intermedia comprende partículas de al menos un compuesto de carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia comprende partículas de SiC.
En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización, la al menos una capa intermedia comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización, la al menos una capa intermedia comprende partículas de al menos un compuesto de nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la al menos una capa intermedia comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia comprende partículas de AlN o TiN.
En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico<seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, b>N,<AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la>al menos una capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la al menos una capa intermedia consiste en partículas de AlN o TiN.
En el sentido de la presente divulgación, la primera capa intermedia se dispone entre el soporte y la segunda capa intermedia de manera intercalada, en donde el soporte tiene un tamaño de poro medio de 0,5 pm a 1,5 pm determinado por porometría de flujo capilar. Cuando el tamaño de poro medio es mayor que el intervalo especificado, otra capa de soporte recubre el soporte original. Para la primera capa intermedia, se usan partículas del al menos un compuesto cerámico con una distribución del tamaño de partícula de Z <4.
En una realización, la al menos una capa intermedia comprende partículas con un tamaño de partícula de D<10>en el intervalo de 70 a 250 nm, preferentemente de 100 a 180 nm, y además preferentemente D<90>en el intervalo de 200 a 500 nm, más preferentemente de 250 a 400 nm.
La relación entre el grosor de la primera capa intermedia y el tamaño de partícula de las partículas en la primera capa intermedia Y<1>puede elegirse en el intervalo de 18,5 a 313 (es decir, el grosor es de 5 a 50 pm). El tamaño de poro medio es de 110 a 170 nm, determinado por porometría de flujo capilar.
De acuerdo con una realización de la presente divulgación, una segunda capa intermedia, si está presente, comprende o consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico.
De acuerdo con otra realización, el al menos un compuesto cerámico de la segunda capa intermedia se selecciona del grupo que consiste en Al2Ü3, BeO, CaO, HfÜ<2>, FeO, Fe2Ü3, La2Ü3, MgO, MnÜ<2>, SiÜ<2>, SrO, ThÜ<2>, TiÜ<2>, Y<2>O<3>, ZrÜ<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de ALO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es Al2O3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es SiC o ALO3.
De acuerdo con otra realización de la presente divulgación, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en ALO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la segunda capa intermedia comprende nanopartículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la segunda capa intermedia comprende nanopartículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en ALO3, TiO<2>y ZrO<2>.
De acuerdo con una realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AhO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ALO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AhO3 o TiO<2>. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ALO3.
En otra realización, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un compuesto de carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia comprende partículas de SiC.
En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un compuesto de nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la segunda capa intermedia comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia comprende partículas de AlN o TiN.
En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AlN o TiN.
De este modo, la segunda capa intermedia se dispone entre la primera y la tercera capas intermedias o la capa de membrana de manera intercalada. Para la segunda capa intermedia, pueden usarse partículas del al menos un compuesto cerámico con una distribución del tamaño de partícula de Z <2,7. En otra realización, la segunda capa intermedia comprende partículas con una relación Z de D<90>/D<10>de hasta 3, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 50 a 170 nm, preferentemente de 80 a 120 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 150 a 350 nm, más preferentemente de 180 a 210 nm. La relación entre el grosor de la segunda capa intermedia y el tamaño de partícula de las partículas en la segunda capa intermedia Y puede elegirse en el intervalo de 6 a 250 (es decir, el grosor puede ser de 1 a 30 pm). Una o más de estas capas pueden estar superpuestas una sobre otra.
De acuerdo con una realización de la presente divulgación, una tercera capa intermedia o adicional, si está presente, comprende o consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico.
De acuerdo con otra realización, el al menos un compuesto cerámico de la tercera capa intermedia o adicional, si está presente, se selecciona del grupo que consiste en Al2Ü3, BeO, CaO, HfÜ<2>, FeO, Fe2Ü3, La2Ü3, MgO, MnÜ<2>, SiÜ<2>, SrO, ThÜ<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de Al2O3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AbO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3 o TiO<2>.
De acuerdo con otra realización de la presente divulgación, una tercera capa intermedia o adicional comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AbO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe3O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en Al2O3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos.
De acuerdo con una realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de Al<2>O<3>, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. De acuerdo con otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de Al2O3 o TiO<2>. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. De acuerdo con otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de al menos un compuesto de carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de SiC.
En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de SiC.
En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de al menos un compuesto de nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en SÍ<3>N<4>, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional comprende partículas de
AlN o TiN.
En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en
AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la tercera capa intermedia o adicional consiste en partículas de AlN o TiN.
La tercera capa intermedia o adicional se dispone entre la capa intermedia anterior (por ejemplo, la segunda capa intermedia) y la capa de membrana de manera intercalada. Para la tercera capa intermedia o adicional, pueden usarse partículas del al menos un compuesto cerámico con una distribución de partícula de Z <6. En otra realización, la tercera capa intermedia o adicional, si está presente, comprende partículas con una relación Z de D<90>/D<10>de hasta 6, preferentemente hasta 3, más preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 8 a 25 nm, preferentemente de 12 a 17 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 18 a 50 nm, más preferentemente de 25 a 35 nm. La relación entre el grosor de la tercera capa intermedia y el tamaño de partícula de las partículas en la tercera capa intermedia Y puede elegirse en el intervalo de 9 a 176 (es decir, el grosor de la tercera capa intermedia o adicional puede elegirse en el intervalo de 0,2 a 3 pm).
La capa de membrana
De acuerdo con la presente divulgación, una capa de membrana se dispone en contacto directo con la tercera capa intermedia o adicional, es decir, la capa de membrana es la capa más externa.
En una realización, el al menos un compuesto cerámico de la capa de membrana se selecciona del grupo que consiste en Al2Ü3, BeO, CaO, HfÜ<2>, FeO, Fe2Ü3, La2Ü3, MgO, MnÜ<2>, SiÜ<2>, SrO, ThÜ<2>, TiÜ<2>, Y<2>O<3>, ZrÜ<2>, SiC, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN,
TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AbO3, TiO<2>o
ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3, TiO<2>o ZrO<2>.
En una realización, la capa de membrana comprende o consiste en partículas de al menos un compuesto cerámico.
En una realización, la capa de membrana comprende partículas de al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AbO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de membrana comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de membrana comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en TÓ<2>,
ZrO<2>y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de membrana comprende partículas del al menos un óxido metálico seleccionado del grupo que consiste en TiO<2>y ZrO<2>.
En una realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de AbO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de TiO<2>, ZrO<2>o mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de TiO<2>o ZrO<2>.
En otra realización, la capa de membrana comprende partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B<4>C y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de membrana comprende partículas de al menos un compuesto de carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana comprende partículas de SiC.
En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC, WC, B4C y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de al menos un carburo metálico seleccionado del grupo que consiste en SiC,
WC y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de SiC.
En otra realización, la capa de membrana comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización, la capa de membrana comprende partículas de al menos un compuesto de nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4,
AlN, TiN y mezclas de los mismos. En una realización preferida, la capa de membrana comprende partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana comprende partículas de AlN o TiN.
En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, BN, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de al menos un nitruro metálico seleccionado del grupo que consiste en AlN, TiN y mezclas de los mismos. En otra realización preferida, la capa de membrana consiste en partículas de AlN o TiN.
En realizaciones preferidas, las partículas del al menos un compuesto cerámico se seleccionan de TiO<2>o ZrO<2>con una distribución del tamaño de partícula de Z <15 (por ejemplo, tamaño de partícula medio de D<10>= 1-9 nm, D<50>= 2 10 nm, D<90>= 3-15 nm (DLS)). El grosor la capa de membrana puede elegirse en el intervalo de 10-800 nm.
En otra realización, la capa de membrana consiste en partículas de TiO<2>con una relación Z de D<90>/D<10>inferior a 3, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 5 a 9 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 9 a 15 nm.
En otra realización más, la capa de membrana consiste en partículas de ZrO<2>con una relación Z de D<90>/D<10>inferior a 5, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 1 a 3 nm, y además preferentemente D90 está en el intervalo de 3 a 5 nm.
La disposición de las capas
En una realización preferida, el cuerpo estratificado comprende un soporte, tres capas intermedias y una capa de membrana.
En una realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AhO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AhO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AhO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TÍO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3 y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AbO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de AhO3.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de ZrO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de SiC y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de SiC, la segunda capa intermedia consiste en partículas de SiC y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de TiO<2>, la segunda capa intermedia consiste en partículas de SiC y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de SiC y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
En otra realización preferida, la primera capa intermedia consiste en partículas de AbO3, la segunda capa intermedia consiste en partículas de AbO3, y la tercera capa intermedia consiste en partículas de SiC.
Se entiende que el experto puede combinar una cualquiera de las combinaciones con uno cualquiera de los materiales divulgados en el presente documento adecuados para formar la capa de membrana.
En otra realización preferida, el cuerpo estratificado comprende un soporte, tres capas intermedias y una capa de membrana. De este modo, la primera capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 100-180 nm, D<50>= 160-270 nm, D<90>= 250-400 nm (DLS), tiene un grosor de 5 a 50 pm y un tamaño de poro medio de 110 a 170 nm. La segunda capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 80 120 nm, D<50>= 120-160 nm, D<90>= 180-210 nm (DLS), tiene un grosor de 1 a 30 pm y un tamaño de poro medio de D<50>= 9-14 nm. La tercera capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 12-17 nm, D<50>= 17-22 nm, D<90>= 25-35 nm (DLS) y tiene un grosor de 0,2 a 3 pm. La capa de membrana consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 5-9 nm, D<50>= 6-10 nm, D<90>= 9-15 nm (DLS), tiene un grosor de 40-800 nm y un tamaño de poro medio de 0,8-1,5 nm determinado por la filtración de un mezcla que comprende dextranos. Después de la detección de los dextranos en el filtrado, se calculó el tamaño de poro medio (PSS WinGPC Unity, build 9350, GLC; obtenido en PSS GmbH) usando la relación empírica de Granath y Kvist (1967) para la correlación del peso molecular de los dextranos retenidos con el tamaño de poro del elemento filtrante.
En otra realización preferida, el cuerpo estratificado comprende un soporte, tres capas intermedias y una capa de membrana. De este modo, la primera capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 100-180 nm, D<50>= 160-270 nm, D<90>= 250-400 nm (DLS), tiene un grosor de 5-50 pm y un tamaño de poro medio de 110 a 170 nm. La segunda capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 80 120 nm, D<50>= 120-160 nm, D<90>= 180-210 nm (DLS), tiene un grosor de 1-30 pm y un tamaño de poro de D50 = 9 14 nm. La tercera capa intermedia consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 12-17 nm, D<50>= 17-22 nm, D<90>= 25-35 nm (DLS) y tiene un grosor de 0,2-3 pm. La capa de membrana consiste en partículas con un tamaño de partícula medio de D<10>= 1-3 nm, D<50>= 2-4 nm, D<90>= 3-7 nm (DLS), tiene un grosor de 10-150 nm y un tamaño de poro medio de ~0,6 nm (determinado con experimentos de adsorción de N<2>y evaluación usando el método BJH; equipo obtenido en ThermoFisher Scientific).
La presente divulgación se refiere también a una disposición concertada de las capas con respecto a sus grosores. En una realización, la relación del grosor entre la primera y la segunda capas intermedias es al menos T<1/2>= 0,15. En otra realización, la relación de grosor entre la primera y la segunda capas intermedias es inferior a T<1/2>= 50. En una realización preferida, la relación de grosor entre la primera y la segunda capas intermedias está en el intervalo de T<1/2>= 0,15 a T<1/2>= 50. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la primera y la segunda capas intermedias está en el intervalo de T<1/2>= 1 a T<1/2>= 50. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la primera y la segunda capas intermedias está en el intervalo de T<1/2>= 1,5 a T<1/2>= 10.
En una realización, la relación de grosor entre la segunda y la tercera capas intermedias es al menos T<2/3>= 0,3. En otra realización, la relación de grosor entre la segunda y la tercera capas intermedias es inferior a T<2/3>= 150. En una realización preferida, la relación de grosor entre la segunda y la tercera capas intermedias está en el intervalo de T<2/3>= 0,3 a T<2/3>= 150. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la segunda y la tercera capas intermedias está en el intervalo de T<2/3>= 1 a T<2/3>= 150. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la segunda y la tercera capas intermedias está en el intervalo de T<2/3>= 5 a T<2/3>= 20.
En una realización, la relación de grosor entre la tercera capa intermedia y la capa de membrana es al menos T3/m = 0,25. En otra realización, la relación de grosor entre la tercera capa intermedia y la capa de membrana es inferior a T3/m = 300. En una realización preferida, la relación de grosor entre la tercera capa intermedia y la capa de membrana está en el intervalo de T3/m = 0,25 a T3/m = 300. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la tercera capa intermedia y la capa de membrana está en el intervalo de T3/m = 1 a T3/m = 300. En otra realización preferida, la relación de grosor entre la tercera capa intermedia y la capa de membrana está en el intervalo de T3/m = 2 a T3/m = 20.
Los elementos filtrantes cerámicos divulgados en el presente documento tienen una estrecha distribución del tamaño de poro, tasas mínimas de defectos en la superficie lisa y una buena estabilidad frente a altas temperaturas y productos químicos corrosivos en un amplio intervalo de pH de 1 a 14. La baja tasa de defectos en las capas, además, da como resultado la reducción de obstrucciones dentro del elemento filtrante causadas por compuestos y/o partículas grandes que entran a través de defectos y grietas, de modo que se mantiene durante muchos ciclos de filtración una alta permeabilidad de los disolventes y productos químicos de bajo peso molecular, es decir, sales, con un alto flujo tangencial o en procesos de filtración sin salida. Por lo tanto, los elementos filtrantes cerámicos son muy duraderos y pueden encontrar diversas aplicaciones en procesos industriales de separación y filtración. El procesamiento, purificación y reciclaje de aguas residuales industriales que se generan durante las etapas de reacción o purificación en la industria química o farmacéutica y sus fluidos de proceso se vuelven así más eficientes gracias a los elementos filtrantes cerámicos divulgados.
Proceso de fabricación de elementos filtrantes
La presente divulgación se refiere además a un método para la producción de los elementos filtrantes cerámicos descritos anteriormente. Por consiguiente, un segundo aspecto de la presente divulgación se refiere a un proceso para fabricar un elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con el primer aspecto como se ha detallado anteriormente, en donde las capas se forman por la aplicación consecutiva de suspensiones que comprenden partículas de al menos un compuesto cerámico de diferentes tamaños a una estructura de soporte cerámico, evitando así un proceso sol-gel.
Una ventaja del proceso para la fabricación de un elemento filtrante cerámico de acuerdo con la presente divulgación es el uso de etapas de proceso que evitan el proceso sol-gel. El proceso sol-gel puede requerir temperaturas más altas y/o etapas de secado que, a su vez, pueden provocar huecos y grietas en las capas.
El proceso para la preparación de cada capa comprende las siguientes etapas (A) a (F):
(A) La dispersión de partículas cerámicas para el recubrimiento se prepara a partir de polvos cristalinos de partículas de al menos un compuesto cerámico y un disolvente en presencia de un aditivo de dispersión para formar una suspensión de recubrimiento.
En una realización, la suspensión de recubrimiento para una capa intermedia comprende partículas de al menos un compuesto cerámico, preferentemente en una cantidad de <20 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, más preferentemente en una cantidad de <15 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, mucho más preferentemente en una cantidad de <10 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento. En otra realización, la suspensión de recubrimiento para una capa intermedia comprende partículas en una cantidad de al menos el 0,1 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento. En una realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa intermedia comprende partículas en una cantidad del 0,1 % en peso al 20 % en peso. En otra realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa intermedia comprende partículas en una cantidad del 0,1 % en peso al 15 % en peso. En otra realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa intermedia comprende partículas en una cantidad del 0,1 % en peso al 10 % en peso.
En una realización, la suspensión de recubrimiento para una capa de membrana comprende partículas de al menos un compuesto cerámico, preferentemente en una cantidad de <5 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, más preferentemente en una cantidad de <2,5 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, mucho más preferentemente en una cantidad de <1 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento. En otra realización, la suspensión de recubrimiento para una capa de membrana comprende partículas en una cantidad de al menos el 0,02 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento. En una realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa de membrana comprende partículas en una cantidad del 0,02 % en peso al 5 % en peso. En otra realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa de membrana comprende partículas en una cantidad del 0,02 % en peso al 2,5 % en peso. En otra realización preferida, la suspensión de recubrimiento para una capa de membrana comprende partículas en una cantidad del 0,02 % en peso al 1 % en peso.
Las suspensiones comprenden además un aditivo de dispersión para facilitar la mezcla óptima y evitar la agregación acelerada. El aditivo de dispersión puede seleccionarse del grupo de tensioactivos, por ejemplo, ácidos carbónicos o alcoholes grasos, o ácidos minerales. En una realización preferida, el ácido de dispersión se selecciona del grupo que consiste en ácidos minerales. En una realización preferida, el aditivo de dispersión es ácido nítrico. En otra realización preferida, el aditivo de dispersión es ácido clorhídrico. En otra realización preferida, el aditivo de dispersión se selecciona del grupo que consiste en ácidos carbónicos. En otra realización preferida, el aditivo de la dispersión es ácido acético.
Además, puede añadirse un agente aglutinante para facilitar la sinterización y mejorar la fuerza de la unión. Este agente aglutinante puede seleccionarse de un polímero, especialmente, un alcohol polivinílico, una polivinilpirrolidona o una celulosa, o una mezcla de los mismos. En una realización preferida, el agente aglutinante es un alcohol polivinílico. En otra realización preferida, la celulosa se selecciona de una metilcelulosa y una carboximetilcelulosa, o mezclas de las mismas.
En otra realización, el agente aglutinante está presente en una cantidad de <15 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, preferentemente en una cantidad de <10 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento. En otra realización, el agente aglutinante está presente en una cantidad de al menos el 0,5 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento para la formación de una capa intermedia. En otra realización preferida, el agente aglutinante está presente en una cantidad del 0,5 % en peso al 15 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento para la formación de una capa intermedia. En otra realización preferida, el agente aglutinante está presente en una cantidad del 0,5 % en peso al 10 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento para la formación de una capa intermedia. En otra realización preferida, el agente aglutinante está ausente en la suspensión de recubrimiento para la formación de una capa de membrana.
Se aplica energía mecánica para obtener una distribución uniforme de partículas en la suspensión de recubrimiento. La energía mecánica puede aplicarse mediante agitación, zarandeo o molienda con un aporte de energía de aproximadamente 0,1 kWh/kg de suspensión a aproximadamente 6 kWh/kg de suspensión. En una realización preferida, el aporte de energía aumenta para cada suspensión con cada capa posterior.
(B) En otra etapa del proceso de preparación, se forma una capa poniendo en contacto la capa más externa del cuerpo estratificado con una suspensión de recubrimiento. En una realización preferida, la capa más externa del cuerpo estratificado tiene forma de tubo. Para el recubrimiento, el tubo se dispone verticalmente y se llena con una suspensión de recubrimiento mediante una bomba. En otra realización preferida, el tubo se llena completamente.
La suspensión de recubrimiento se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia. En una realización, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de menos de 120 segundos. En una realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de menos de 60 segundos. En otra realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de 60 segundos. En otra realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de 30 segundos. En otra realización, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de al menos 10 segundos. En una realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de 10 segundos a 120 segundos. En otra realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de 10 segundos a 60 segundos. En otra realización preferida, la suspensión se pone en contacto con la capa más externa del cuerpo estratificado durante un tiempo de permanencia de 30 segundos a 60 segundos.
Transcurrido el tiempo de permanencia, la suspensión de recubrimiento se retira cuidadosamente, dejando una película sobre el soporte. En una realización, la suspensión se extrae del tubo dejando una película de suspensión de recubrimiento sobre la superficie de la capa más externa del cuerpo estratificado. El grosor de la película que queda en la capa más externa del cuerpo estratificado se puede controlar mediante el tiempo de permanencia a través del efecto de la polarización de la concentración y las fuerzas de corte causadas por la velocidad de la suspensión de recubrimiento durante el drenaje de la superficie a recubrir. Las partículas forman una capa en la parte superior de la capa más externa del cuerpo estratificado mediante el entrelazamiento entre las partículas y las fuerzas de adhesión que se ven reforzadas por los efectos capilares de la capa sólida debajo de la película. El grosor de la capa se controla por el tiempo de permanencia y la concentración de partículas en la suspensión de recubrimiento.
(C) Posteriormente, la película residual de la suspensión de recubrimiento se seca. En una realización, la película se seca en una atmósfera de aire. En otra realización, la película se seca en una atmósfera de aire a temperatura ambiente. En una realización preferida, la película se seca durante al menos 12 h. En otra realización, la película se seca a una temperatura de 60 0C a 90 0C en una atmósfera de aire. En una realización más preferida, la película se seca a una temperatura de 60 0C a 90 0C en una atmósfera de aire durante 2 h a 6 h.
La película seca se somete a un proceso de sinterización.
(D) Las temperaturas de sinterización deben elegirse para que sean compatibles con la temperatura máxima de sinterización del soporte y del material a sinterizar. En caso de que al menos una capa haya recubierto el soporte, las temperaturas de sinterización deberán elegirse de acuerdo con la temperatura máxima de sinterización de una de las capas o del soporte, dependiendo de cuál sea la más baja. En realizaciones preferidas, las temperaturas de sinterización están en un intervalo de 300 0C a 1400 0C. En otra realización preferida, la temperatura de sinterización se reduce con cada capa posterior en comparación con la capa anterior. En otra realización preferida, la temperatura de sinterización durante la sinterización de la primera capa intermedia está en el intervalo de 1000 0C a 1400 0C. En otra realización preferida, la temperatura durante la sinterización se reduce al menos 100 0C durante cada etapa de sinterización en la preparación de cualquier capa posterior.
En una realización, la sinterización se realiza a una temperatura superior a 300 0C, preferentemente superior a 350 0C, más preferentemente inferior a 1700 0C, además preferentemente inferior a 1500 0C, además preferentemente inferior a 1400 0C, preferentemente además en el intervalo de 300 °C a 1700 0C, preferentemente además en el intervalo de 300 0C a 1500 0C, preferentemente además en el intervalo de 300 0C a 1500 0C, mucho más preferentemente en el intervalo de 300 °C a 1400 0C o en el intervalo de 350 0C a 1400 0C.
En el sentido de la presente divulgación, todas las etapas de sinterización para la sinterización de óxidos metálicos se realizan en una atmósfera de aire.
Se entiende que los carburos metálicos y los nitruros metálicos requieren una selección cuidadosa de las condiciones durante la sinterización. Como consecuencia, en una realización de la presente divulgación, los elementos filtrantes que comprenden carburos metálicos y/o nitruros metálicos pueden sinterizarse a temperaturas inferiores a 900 0C en una atmósfera de aire. En otra realización de la presente divulgación, los elementos filtrantes que comprenden carburos metálicos y/o nitruros metálicos pueden sinterizar en una atmósfera inerte, tal como una atmósfera de argón o una atmósfera de nitrógeno, o al vacío a una temperatura de sinterización en un intervalo de 1000 0C a 2000 0C.
(E) En una realización, las etapas (A) a (D) del proceso de fabricación se pueden repetir con la misma suspensión hasta que se obtenga el grosor deseado de una capa. En realizaciones preferidas, todas las etapas se realizan al menos una vez por capa. En otra realización preferida, ninguna de las etapas del proceso se realiza más de seis veces por capa. En el sentido de la presente divulgación, las capas que consiste en los mismos materiales en cuanto a composición química y tamaño de partícula se consideran una sola capa.
(F) En otra realización, las etapas (A) a (E) se repiten para formar capas con diferentes propiedades químicas, mientras que la suspensión se cambia para las suspensiones que comprenden las partículas del al menos un compuesto cerámico que constituye las capas posteriores, respectivamente. Las etapas (A) a (E) se repiten hasta que todas las capas deseadas se unen al cuerpo estratificado.
En una realización preferida, se forman tres capas intermedias y una capa de membrana mediante la repetición consecutiva de las etapas (A) a (E) con diferentes suspensiones de recubrimiento.
En otra realización, los elementos filtrantes descritos en el presente documento se usan en el proceso de filtración de líquidos.
En lo sucesivo, la presente divulgación se demuestra por medio de ejemplos sin la intención de limitar el alcance de la divulgación. El alcance de protección de la presente divulgación solo estará limitado por las reivindicaciones.Ejemplos
Proceso general de preparación de suspensiones de partículas cristalinas de al menos un óxido metálico
Las partículas cristalinas del al menos un óxido metálico se obtienen en proveedores comerciales o se muelen hasta que se obtiene el tamaño y la forma de partícula deseados. El tamaño de partícula medio se da como los valores numéricos de D<10>, D<50>y D<90>que se determinan mediante DLS antes del recubrimiento con una máquina NANO-flex (obtenida en Microtrac Europe GmbH).
Para la preparación de una dispersión, se mezclan un disolvente (por ejemplo, agua), partículas cristalinas de al menos un óxido metálico y opcionalmente un agente de dispersión (por ejemplo, ácido nítrico o ácido acético) mediante la aplicación de energía a través de un molino de perlas que aplica energía de molienda. De este modo, la cantidad de energía de molienda se adapta a las necesidades de las partículas cristalinas del al menos un óxido metálico.
De este modo, se pueden obtener suspensiones básicas que contienen una mezcla 1:1 de disolvente y la nanopartícula cerámica cristalina con respecto a su relación en peso (peso (disolvente): peso (partícula)) y aditivo de dispersión. Suspensiones de recubrimiento
Antes del proceso de recubrimiento, se diluye una suspensión básica adecuada con disolvente y se mezcla con un agente aglutinante. La cantidad de nanopartículas en la suspensión de recubrimiento resultante se expresa en % en peso (% en peso) basado en la suma total de mezclas, a menos que se especifique lo contrario.
La cantidad de partículas cristalinas del al menos un óxido metálico se ajusta individualmente para cada tipo de nanopartícula a usar en el proceso de preparación.
Para preparar la suspensión de recubrimiento cerámico, se mezclan homogéneamente la suspensión básica y el agua. Posteriormente, se añade el agente aglutinante mientras se agita.
Las suspensiones de recubrimiento adecuadas tienen las siguientes composiciones:
Tabla 1 Composiciones de ejemplo para el recubrimiento de las capas H<2>O [% Partículas del al menos un óxido Suspensión básica Agente aglutinante [% en en peso] metálico [% en peso] peso]
Al2O3; D<10>= 100 nm; D<50>=
1a capa intermedia 75 160 nm; D<90>= 310 nm 20<Alcohol polivinílico al>20 % en peso en H2O (5)Z = 3,1
Al2O3; D<10>= 80 nm, D<50>=
2a capa intermedia 77 120 nm, D<90>= 190 nm 20<Alcohol polivinílico al>20 % en peso en H2O (3)Z = 2,4
TiO<2>; D<10>= 15 nm, D<50>= 20 nm,
3a capa intermedia 97,3 D90 = 30 nm 1,68<Alcohol polivinílico al>20 % en peso en H2O (1)Z = 2,0
Capa de TiO<2>; D<10>= 6 nm, D<50>= 7 nm, D<90>
<99,7>= 11 nm 0,3 0 % en peso membrana Z = 1,8
Recubrimiento sobre soporte cerámico
La suspensión de recubrimiento mencionada anteriormente se introduce en el interior de tubos de soporte cerámicos orientados verticalmente. La solución se deja en los tubos de soporte durante un tiempo de 60 segundos después de lo cual se purga la suspensión de recubrimiento. La película restante en la superficie interior del tubo se deja secar. Posteriormente, los tubos recubiertos se pueden sinterizar hasta obtener la resistencia suficiente. Después del proceso de sinterización, la siguiente capa puede recubrir de la misma manera la capa anterior. Estas etapas se repiten hasta que la capa de membrana recubre la última capa intermedia.
Al aplicar este método, se pueden fabricar elementos filtrantes cerámicos (M1) con una tasa de defectos mínima (véanse las figuras 2, 3 y 4) y, por lo tanto, propiedades óptimas para fines de separación y filtración.
Caracterización de los elementos filtrantes - MWCO
La calidad de la filtración se analizó usando análisis MWCO con PEG (véase la figura 1). Con polietilenglicoles, el MWCO se calculó como D<90>= 2,9 kDa, lo que representa un tamaño de poro medio en el intervalo nanométrico bajo. También se muestra en la figura 1 que la membrana M1 de acuerdo con la presente divulgación muestra una pendiente pronunciada de la curva de tamiz y una retención mejorada de PEG de alto peso molecular en comparación con la membrana de la competencia a pesar del mayor tamaño de poro medio nominal de M1.
También se analizó el elemento filtrante cerámico M1 mencionado anteriormente con respecto al rendimiento de retención de dextranos de diferentes pesos moleculares. Se determinó un MWCO como D<90>= 4 kDa con dextranos en los que el 90 % de las moléculas se retienen en el elemento.
En comparación con los elementos filtrantes cerámicos descritos en la técnica anterior, el elemento filtrante M1 de la presente divulgación muestra un comportamiento de filtración mejorado como se demuestra a continuación:
se filtró una mezcla de un compuesto derivado de un biopolímero de alto peso molecular (PM: 20.000 a 50.000 Da) y un compuesto derivado de un biopolímero de peso molecular medio (PM: 2.000 a 3.000 Da), que imitaba un problema de filtración industrial, a través del elemento filtrante mencionado anteriormente, y una membrana disponible comercialmente obtenida en Orelis® (MWCO = 1 kDa) y constituye un ejemplo de la técnica anterior que da los siguientes resultados:
Tabla 2 Comparación del rendimiento de filtración de un elemento filtrante de acuerdo con la presente divulgación y elementos comparativos con un tamaño de poro nominal más pequeño Reducción del Presión Temperatura Flujo Retención Rechazo volumen [%] transmembrana [bar] [0C] [l/m2h] [%] [%] Elemento comparativo
1 (MWCO: 1 kDA)80 2,8 37 22,5 59,1 79,4 M1 (MWCO: 4 kDa) 80 3,4 35 44,3 65,8 83,9
Los resultados de esta prueba revelan que el flujo es casi un 100 % mayor a una presión transmembrana más baja cuando se usa M1 para el proceso de filtración en comparación con el elemento de la competencia. Al mismo tiempo, se retiene más biopolímero de alto peso molecular en la mezcla. Por lo tanto, la filtración con M1 requiere menos tiempo, es más eficiente energéticamente y tiene un rendimiento mejorado en términos de mayor selectividad y eficiencia de separación con respecto al elemento comparativo conocido de la técnica anterior.
Caracterización de los elementos filtrantes - Uso repetido
En otro experimento, se investigó la separación de un biopolímero de alto peso molecular procedente de la industria primaria de un compuesto aromático de bajo peso molecular (PM: 100 a 500 Da). En el mismo, la reducción de volumen de la alimentación usada (mezcla de los componentes en H<2>O) se fijó en un 60 % y las mezclas se filtraron a través de una diversidad de elementos filtrantes cerámicos del estado de la técnica obtenidos en proveedores comerciales y el elemento filtrante de la presente divulgación (M1) con una velocidad de flujo transversal de 3 m/s y una presión transmembrana de 2 bar. Todos los elementos filtrantes tenían la misma geometría.
Después de un primer proceso de filtración, los elementos filtrantes se limpiaron con un limpiador de membranas disponible comercialmente (por ejemplo, P3-Ultrasil (obtenido en Ecolab), ácidos o bases) y se repitió la filtración.
Tabla 3 Resultados de una comparación de un elemento filtrante de acuerdo con la presente divulgación y una diversidad de elementos filtrantes comparativos (CFE, por sus siglas en inglés) obtenidos en proveedores comerciales en una tarea de filtración compleja. La retención se expresa como la retención del biopolímero de alto peso molecular procedente de la industria primaria.
Material de la Permeabilidad Permeabilidad capa más MWCO<1er ciclo de>2° ciclo de promedio promedioretención [%]retención [%] (120-240 min; 1er (120-240 min; 2° externa
ciclo) [l/(M2*h*bar)] ciclo) [l/(m2*h*bar)] M1 TiO2 4 kDa 78,4 86,0 6,06 3,99
CFE 2<a>ZrO2 1 kDa 85,55 91,8 2,59 1,83
CFE 3B TiO2 1 kDa 79,3 72,1 6,18 3,99
CFE 4C TiO2 3 kDa 77,1 77,4 5,44 3,25
CFE 5D TiO2 5 kDa 76,4 71,2 8,09 6,53
CFE 6E ZrO2 0,2 kDa 88,6 89,7 1,29 1,88
CFE 7F TiO2 0,9 kDa 94,9 89,7 1,59 2,77
CFE 8G ZrO2 3 kDa 73,9 76,0 8,31 9,61
A: obtenido en Atech®; B: obtenido en Tami®; C: obtenido en Tami®; D: obtenido en Tami®; E: obtenido en Inopor®; F: obtenido en Inopor®; G: obtenido en Inopor®.
El elemento filtrante de la presente divulgación retiene eficazmente los biopolímeros de alto peso molecular, mientras que el compuesto aromático de bajo peso molecular atraviesa la membrana. La permeabilidad de la membrana se mantuvo alta en comparación con todos los elementos filtrantes comparativos conocidos a partir de la técnica anterior y obtenidos de proveedores comerciales. Esto es sorprendente en vista del mayor MWCO y, por lo tanto, del mayor tamaño de poro de la membrana divulgada en comparación con los elementos filtrantes comparativos. Esto revela que la preparación de membranas con una baja tasa de defectos es muy favorable porque la alta retención del biopolímero de alto peso molecular de la industria primaria se combina con una alta permeabilidad como consecuencia de la estrecha distribución del tamaño de poro y la superficie de membrana lisa.
Claims (18)
1. Un elemento filtrante cerámico multicapa para nanofiltración y ultrafiltración en procesos de purificación y filtración de líquidos con un tamaño de poro de entre 1 y 100 nm que comprende
i) una estructura de soporte cerámico, en donde la estructura de soporte tiene un tamaño de poro medio de 0,5 a 1,5 pm;
ii) una capa de membrana,
iii) al menos una capa intermedia interpuesta entre la estructura de soporte cerámico y la capa de membrana, en donde la al menos una capa intermedia comprende partículas con un tamaño de partícula de D<10>en el intervalo de 70 a 250 nm; y
en donde todas las capas comprenden partículas de al menos un compuesto cerámico seleccionado del grupo que consiste en óxidos metálicos, carburos metálicos y nitruros metálicos, la al menos una capa intermedia comprende partículas del al menos un compuesto cerámico con una relación Z D<90>/D<10>de hasta 4,
en donde
comprendiendo el elemento filtrante cerámico multicapa al menos dos capas intermedias, en donde una primera capa intermedia está directamente soportada sobre la estructura de soporte cerámico y una segunda capa intermedia está directamente soportada sobre la primera capa intermedia, y el tamaño de poro medio de la primera capa intermedia es de 110 a 170 nm, en donde
las capas se forman por la aplicación consecutiva de suspensiones que comprenden partículas de al menos un compuesto cerámico de diferentes tamaños a una estructura de soporte cerámico, evitando así un proceso sol-gel, en donde
el proceso para cada capa comprende las etapas de
a) proporcionar una suspensión de recubrimiento que comprende partículas de al menos un compuesto cerámico;
b) poner en contacto la superficie de la estructura de soporte cerámico con una suspensión de recubrimiento durante un período de tiempo;
c) eliminar el exceso de suspensión de recubrimiento sin eliminar una película residual de suspensión de recubrimiento en la superficie;
d) secar la película residual; y
e) sinterizar el cuerpo estratificado;
en donde la suspensión de partículas cerámicas para el recubrimiento se prepara a partir de polvos cristalinos de partículas de al menos un compuesto cerámico y un disolvente en presencia de un aditivo de dispersión para formar una suspensión de recubrimiento,
en donde el tamaño de las partículas se reduce con cada capa intermedia consecutiva; la capa de membrana comprende las partículas más pequeñas, dando como resultado el tamaño de poro medio más pequeño, y en donde las partículas de las diferentes capas se eligen porque el tamaño de poro medio de la capa intermedia posterior es menor que el tamaño de poro medio de la capa anterior,
en donde el tamaño de poro medio de las capas de soporte e intermedias se determina por porometría de flujo capilar, el tamaño de poro medio de la capa de membrana se mide como se indica en la descripción, y en donde D<10>y D<90>son valores numéricos de D<10>y D<90>determinados por dispersión dinámica de la luz.
2. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el al menos un compuesto cerámico de la al menos una capa intermedia se selecciona del grupo que consiste en Al2Ü3, BeO, CaO, HfÜ<2>, FeO, Fe2Ü3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona del grupo que consiste en AhO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AbO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es SiC o Al<2>O<3>.
3. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde la al menos una capa intermedia comprende partículas con un tamaño de partícula de D<10>en el intervalo de 100 a 180 nm, y preferentemente D<90>en el intervalo de 200 a 500 nm, más preferentemente de 250 a 400 nm.
4. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el al menos un compuesto cerámico de la segunda capa intermedia se selecciona del grupo que consiste en Al<2>O<3>, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe<2>O<3>, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es SiC o AhO3.
5. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 4, en donde la segunda capa intermedia comprende partículas con una relación Z de D<90>/D<10>de hasta 3, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 50 a 170 nm, preferentemente de 80 a 120 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 150 a 350 nm, más preferentemente de 180 a 210 nm.
6. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende al menos tres capas intermedias, en donde una primera capa intermedia está soportada directamente sobre la estructura de soporte cerámico, una segunda capa intermedia está soportada directamente sobre la primera capa intermedia, y una tercera capa intermedia está soportada directamente sobre la segunda capa intermedia, en donde el al menos un compuesto cerámico de la tercera capa intermedia, se selecciona del grupo que consiste en AhO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe2O3, La2O3, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B<4>C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3 o TiO<2>.
7. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 6, en donde la tercera capa intermedia comprende partículas con una relación Z de D<90>/D<10>de hasta 6, preferentemente hasta 3, más preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 8 a 25 nm, preferentemente de 12 a 17 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 18 a 50 nm, más preferentemente de 25 a 35 nm.
8. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un compuesto cerámico de la capa de membrana se selecciona del grupo que consiste en AhO3, BeO, CaO, HfO<2>, FeO, Fe<2>O<3>, La<2>O<3>, MgO, MnO<2>, SiO<2>, SrO, ThO<2>, TiO<2>, Y<2>O<3>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, BN, AlN, WC, B4C, TiN y mezclas de los mismos, preferentemente se selecciona de AbO3, SiO<2>, TiO<2>, ZrO<2>, SiC, Si3N4, AlN, TiN y mezclas de los mismos, más preferiblemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AhO3, TiO<2>o ZrO<2>, SiC, TiN o una mezcla de los mismos, mucho más preferentemente en donde el al menos un compuesto cerámico es AbO3, TiO<2>o ZrO<2>.
9. El elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde
f) la capa de membrana consiste en partículas de TiO<2>con una relación Z de D<90>/D<10>inferior a 3, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 5 a 9 nm, y además preferentemente D<90>está en el intervalo de 9 a 15 nm; o
g) en donde la capa de membrana consiste en partículas de ZrO<2>con una relación Z de D<90>/D<10>inferior a 5, preferentemente en donde el tamaño de partícula D<10>está en el intervalo de 1 a 3 nm, y además preferentemente D90 está en el intervalo de 3 a 5 nm.
10. Un proceso para fabricar un elemento filtrante cerámico multicapa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las capas se forman por la aplicación consecutiva de suspensiones que comprenden partículas de al menos un compuesto cerámico de diferentes tamaños a una estructura de soporte cerámico, evitando así un proceso sol-gel.
11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el proceso para cada capa comprende las etapas de
a) proporcionar una suspensión de recubrimiento que comprende partículas de al menos un compuesto cerámico; b) poner en contacto la superficie de la estructura de soporte cerámico con una suspensión de recubrimiento durante un período de tiempo, preferentemente durante 10 a 120 segundos, más preferentemente durante 20 a 90 s, además preferentemente durante 30 a 60 s, o durante 30 s o 60 s;
c) eliminar el exceso de suspensión de recubrimiento sin eliminar una película residual de suspensión de recubrimiento en la superficie;
d) secar la película residual;
e) sinterizar el cuerpo estratificado, preferentemente a una temperatura inferior a 1500 0C, más preferentemente en donde la temperatura se reduce con cada etapa de sinterización posterior; y
f) opcionalmente repetir las etapas a) - d) hasta alcanzar el grosor deseado de la capa, preferentemente hasta 8 veces.
12. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, en donde se forman al menos tres capas intermedias y una capa de membrana.
13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en donde, para dos capas intermedias directamente adyacentes, la capa próxima a la estructura de soporte cerámico tiene un grosor mayor que la capa próxima a la capa de membrana.
14. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en donde la suspensión de recubrimiento comprende
a) partículas de al menos un compuesto cerámico, preferentemente en una cantidad de <20 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, más preferentemente en una cantidad de <15 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, mucho más preferentemente en una cantidad de <10 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento;
b) un agente aglutinante, preferentemente un alcohol polivinílico, una polivinilpirrolidona o una celulosa, o una mezcla de los mismos, además preferentemente en una cantidad de <5 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, más preferentemente en una cantidad de <2 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento, mucho más preferentemente en una cantidad de <1 % en peso basado en el peso total de la suspensión de recubrimiento; y
c) un disolvente, preferentemente agua o un alcohol C<1>-<6>, más preferentemente agua o etanol, más preferentemente agua, en donde el disolvente representa el peso residual de la suspensión de recubrimiento.
15. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en donde la etapa de secado comprende secado al aire durante al menos 12 h, preferentemente durante al menos 12 h y menos de 48 h.
16. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, en donde la sinterización se realiza a una temperatura superior a 300 °C, preferentemente superior a 350 °C, más preferentemente inferior a 1700 °C, además preferentemente inferior a 1500 °C, además preferentemente inferior a 1400 °C, preferentemente además en el intervalo de 300 °C a 1700 °C, preferentemente además en el intervalo de 300 °C a 1500 °C, preferentemente además en el intervalo de 300 °C a 1500 °C, mucho más preferentemente en el intervalo de 300 °C a 1400 °C o en el intervalo de 350 °C a 1400 °C.
17. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en donde la temperatura de sinterización para la capa próxima a la capa de membrana es al menos 100 °C menor que la temperatura de sinterización de todas las capas próximas a la estructura de soporte.
18. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en donde la temperatura de sinterización para la capa de membrana es superior a 300 °C e inferior a 600 °C, preferentemente inferior a 500 °C.
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