SISTEMAS DE FILTRACIÓN EN MEDIOS NO GRANULARES

La filtración en medios no granulares es hoy en día una de las técnicas con mayores posibilidades de aplicación y de desarrollo. Este tipo de filtración consiste en hacer pasar un líquido o fluido a través de una superficie porosa o de una membrana depositada sobre un soporte sólido.

Para una mejor clasificación de los diferentes sistemas de filtración consideremos el espectro de filtración representado en la Figura 1.

Tipos de Filtración según su clasificación por tamaño.

Filtración de Partículas: de 1 a 1000 m

Microfiltración: de 0.04 a 2 m

Ultrafiltración: de 0.05 a 0.1 m

Nanofiltración: de 10 a 100 Å

Ósmosis inversa: (Hiperfiltración): de 1 a 10 Å

1 m=micrón=10,000 Å=10^-6 mts=0.0001 cm=0.001 milímetros

FILTRACIÓN DE PARTÍCULAS: En la filtración de partículas convencionalmente se han empleado medios tales como: lechos de grava y arena, filtros de diatomáceas y filtros de materiales como tela y lona.

En estos sistemas de filtración, simplemente por el efecto de la gravedad o por la aplicación de un gradiente de presión, el fluido a tratar es forzado a pasar a través del medio poroso. En su paso por dicho medio, el sólido es retenido en la superficie del material filtrante y el fluido pasa a través del medio hasta un punto de colección de donde es conducido a un siguiente paso de tratamiento  o se consume directamente.

FILTROS DE SEDIMENTOS: Los filtros no granulares operan de una forma similar a como ocurre en los filtros de grava y arena, y el agua o fluido a filtrar pasa por el medio y las partículas suspendidas se separan del liquido filtrado al ser retenidas en la superficie del medio filtrante.

Mecanismo de remoción de sólidos en una membrana: (a) Vista superior de la membrana o cartucho. (b) Paso de la solución a filtrar a través de la pared de la membrana hasta llegar a un punto hueco central de colección del liquido. (c) Saturación de la superficie de la membrana. (d) Retrolavado para desprender los sólidos depositados. (e) Membrana en su condición original.

En la filtración en medios no granulares, se emplean películas o aglomerados sintéticos soportados sobre una estructura sólida. Las partículas que no tengan un tamaño lo suficientemente grande para ser atrapados por la estructura del material filtrante, pasan con el fluido y salen con el producto.

A este tipo de filtros les llamaremos filtros de sedimentos, ya que esencialmente su funcion es remover partículas suspendidas presentes en el agua o liquido que se filtra.

Comercialmente se dispone de estos filtros cuya estructura del material filtrante tiene poros o aberturas de un cierto tamaño. Se pueden conseguir filtros de sedimentos en un rango de 1 a 100 micrones de diámetro en el poro y el material del elemento filtrante pueden ser fibras de policarbonato o una película de celulosa. También los hay de material de tela y lona o de un aglomerado de celulosa.

En la operación de un filtro de este tipo, eventualmente la superficie del material se satura con sólidos y el flujo de agua producida disminuye y si se incrementa la presión en el filtro la calidad de agua producida se deteriora. En este punto, el filtro puede lavarse manualmente, y es posible recuperar la capacidad del elemento filtrante en un 70-90% de la condición original, pero después de una serie de ciclos de saturación y lavado, finalmente el elemento filtrante tiene que cambiarse por uno nuevo. (Figura 1).

Si la calidad de producto es determinante, necesariamente se tendrá que cambiar el filtro en cuanto se tengan condiciones cercanas al punto de saturación, o en forma periódica de acuerdo a la experiencia que se adquiera.

Una gran ventaja de este sistema de filtración es que se requiere de un espacio mínimo por unidad de área de filtración. En un filtro abierto o de gravedad la relación Gasto/Area G/A es de 1 a 4 mts³/mt²·dia (0.7 a 2.8 lts/min·mt²). En un filtro cerrado o a presión, esta misma relación es de 100 a 200 mts³/mt²·dia (70 a 140 lts/min·mt²). En un filtro de membranas se pueden manejar flujos de 300 a 700 mts³/mt²·dia(210 a 490 lts/min·mt²).

Si comparamos un filtro de arena de 2 pies (0.60 mts) de diámetro, se tendrá un área de filtración de 0.283 mts². Un filtro de diámetro similar  podría acomodar 20 cartuchos de 30” de largo y 2.5” de diámetro, lo cual daría un área de filtración por cartucho de 0.152 mts² y un área total de 3.04 mts², la cual es casi 11 veces mayor al área de filtración disponible en un filtro de arena, adicionalmente, un metro cuadrado de área de filtración de un cartucho de sedimentos de este tipo puede manejar un flujo de agua mucho mayor al equivalente en un filtro de grava y arena.

Elementos de filtración y los diferentes materiales en que pueden ser fabricados: fibras de polietileno, polímeros sintéticos, nylon, etc.

Comparando los filtros de membrana para filtración de partículas con filtros de gravedad o a presión se tienen las siguientes ventajas y desventajas:

VENTAJAS:

Ø      La filtración en este tipo de medios proporciona un mejor control sobre la calidad del filtrado ya que el tamaño de partículas retenidas es mas uniforme y eficiente en las paredes del material filtrante.

Ø      A igual capacidad o área de filtración, el costo de inversión es mucho menor en un filtro de membranas que en un filtro de grava y arena o en un filtro de gravedad.

Ø      En un filtro de membranas es posible cambiar éstas de un tamaño de poro a otro diferente en una forma rápida y sencilla. Esto es sumamente conveniente cuando se desea mejorar la calidad del filtrado, prolongar la vida útil de los cartuchos, etc.

Ø      Las dimensiones de un filtro a presión o un filtro abierto, son mucho mayores a las que tiene un filtro de cartuchos de igual capacidad, por lo que si el espacio es limitado, ésta es una buena opción.

Ø      La instalación y la operación del filtro es mucho más sencilla que un filtro granular, además de que es más económica.

DESVENTAJAS:

Ø      En un filtro de membranas se puede tener un retrolavado, pero no es posible regresar la membrana a su condición original, ya que las partículas sólidas se adhieren firmemente a las paredes de la membrana. En un filtro de arena un retrolavado si es mucho más eficiente.

Ø      El costo de inversión es bajo comparado con un filtro de arena, pero la reposición de las membranas, la cual debe hacerse con mayor o menor regularidad, implica un gasto de operación.

Filtro de cartuchos tipo membrana

Para aspectos prácticos un filtro de sedimentos para remoción de partículas, consiste de un arreglo de cartuchos dispuestos en una estructura común, la cual está dentro del cuerpo de lo que es propiamente el filtro. El agua o líquido a filtrar es forzado a pasar a través de las membranas por medio de una bomba quedando retenidos los sólidos en la superficie del cartucho y el líquido filtrado se conecta en una tubería de salida.

Este tipo de filtración es sumamente conveniente para tratamiento y acondicionamiento de aguas de un bajo contenido de sólidos en suspensión, si no así, es más conveniente el empleo de sistemas de filtración convencionales como lo es el filtro de grava y arena. Sus posibles aplicaciones son por ejemplo: filtración de agua de albercas, clarificación de aguas potables, remoción de sólidos residuales en aguas de proceso industrial, etc.

MICROFILTRACIÓN Y ULTRAFILTRACIÓN: La microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF) son métodos de filtración en membrana, en los cuales se utilizan películas con diámetro de poros más pequeños que los empleados en filtros de sedimentos para filtración de partículas. Estas películas son de diferentes materiales tales como: nylon, microfibras de polietileno, microfibras de vidrio, polipropileno, etc.

El mecanismo de remoción de partículas sólidas en el agua es similar al que ocurre en la separación sólido/líquido en un filtro de partículas: la membrana retiene al sólido y el líquido pasa a través de la película de donde es colectado y enviado a un punto de colección.

El rango de separación de sólidos en suspensión para la MF es de 0.04 a 2 m  y en la UF el rango de retención de partículas es de 0.005 a 0.1m.

Los sistemas de filtración de este tipo de separación sólido/líquido son similares a los que existen para filtración de partículas. El conjunto de membranas o de cartuchos está dispuesto en una base común, y ésta base se encuentra dentro de un recipiente. El líquido a filtrar es forzado a pasar a través de las membranas por medio de la presión que se ejerce en  una bomba. También es posible tener una sola membrana dentro de un portafiltro y esto se emplea cuando el volumen de agua o líquido a filtrar no es muy grande.

FILTRACIÓN EN MEMBRANA

NANOFILTRACIÓN: La nanofiltración (NF) es una técnica de remoción parcial de sólidos disueltos contenidos en el agua. En la MF y UF es posible remover sólidos en suspensión (partículas) de tamaño coloidal, bacterias y virus. En la NF es posible separar elementos y moléculas de tamaño aún menor (sólidos disueltos).

La nanofiltración  se lleva a efecto en membranas que tienen poros de diámetro del orden de los 10 a los 100 Å (0.01-0.001 m). En membranas de este diámetro es posible separar del agua material orgánico y sustancias que le imparten color y que son precursoras de la formación de trihalometanos (THM) cuando el agua se desinfecta por cloracion

Con el uso de membranas de NF también es posible separar calcio Ca⁺² y magnesio Mg⁺² los cuales causan dureza en el agua. Esto es una gran ventaja ya que no se requiere del uso de reactivos químicos, lo cual si es necesario en los sistemas tradicionales de ablandamiento de aguas.

Los iones sodio Na⁺ y cloruro Cl^-, son de menor tamaño que los iones calcio y magnesio, por lo que si estos atraviesan la membrana y aparecen en el agua o líquido filtrado.

ÓSMOSIS INVERSA: Consideremos un sistema tal como el representado en la figura 5. Si tenemos dos soluciones, una de ellas con un contenido alto de sales disueltas (A) y otro con un contenido menor de dichas sales (B), separadas ambas soluciones por medio de una membrana semipermeable (una membrana que permita el paso del líquido, pero no el sólido disuelto), se presentará un fenómeno que se conoce como ósmosis.

La solución de menor contenido de sales disueltas tenderá a difundirse a través de la membrana de separación pasando al comportamiento de solución de alto contenido de sales, para de esta manera tratar de equilibrar la concentración en sales en ambos lados de la cámara del sistema.

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