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Dra. Mireia Oliva i Herrera FILTRACIÓN Tipos y mecanismos de filtración Materiales y dispositivos filtrantes Separación con membranas Rendimiento de un sistema de filtrado. Métodos para aumentar la velocidad Controles del proceso de filtrado: Ensayos de integridad Determinación del rendimiento Determinación del volumen máximo filtrable Mantenimiento de los dispositivos Definición de filtración Es la operación básica que tiene como finalidad separar de un fluido, sea líquido o gas, las partículas que lleva en suspensión. Es la separación de dos fases, líquida y sólida, mediante un cuerpo poroso o filtro que retiene las partículas sólidas y deja pasar el líquido. Fenómenos de Transporte Para que un fluido sea transportado a través de un filtro es necesario que exista una fuerza impulsora: Gradiente de presiones Gradiente de temperaturas Gradiente de concentraciones Gradiente de potencial eléctrico Tipos de filtración Según la presión Según el tamaño Según el tipo de retención Según el tipo de filtro Según la presión de trabajo Filtración por caída o gravitación Se realiza a presión atmosférica. Es un proceso lento, ideal para pequeñas cantidades. Filtración bajo presión Se realiza ejerciendo una presión, superior a la atmosférica, sobre el líquido que hay que de filtrar. Filtración por succión o a presión reducida Se realiza haciendo el vacío en el recipiente donde se recoge el líquido filtrado. Filtración por gravitación Filtración bajo presión FORMACIÓN DE TORTA CUERPO POROSO Filtración bajo vacío Según el tamaño de partícula Filtración : 450-10 μm (Clarificante) Microfiltración: 10 - 0,1 μm (Germicida) Ultrafiltración: 200-10 nm (Esterilizante) Nanofiltración: 100-1 nm Ósmosis inversa: 2 nm-3 Å Filtración bajo alta presión Espectro de filtración Filtración por tamaño MICROFILTRACI ÓN MICROFILTRACIÓN UA AG ES AR ÚC AZ S NA EÍ OT PR UA AG S NA EÍ OT PR AS AS GR A N A R MB E M ULTRAFILTRACI ÓN ULTRAFILTRACIÓN NA A R B M ME Filtración por tamaño NANOFILTRACI ÓN NANOFILTRACIÓN S LE SA UA AG UA AG S LE SA ES AR ÚC AZ NA A BR M ME Ó SMOSIS INVERSA ÓSMOSIS NA A BR M ME Según la forma de retención Por cribado: fenómeno mecánico en que los filtros actúan como tamices: retienen partículas de tamaño superior a sus poros. Por adsorción: fenómeno físico que permite retener partículas más pequeñas que los poros por fuerzas muy débiles. Por formación de torta: La acumulación de solutos en la superficie del filtro forma una capa que actúa de lecho filtrante . Por solubilización y difusión: la retención depende de la solubilidad en la membrana que forma el filtro y de la velocidad de difusión a través de sus poros . Por evaporación y difusión: la retención depende del punto de ebullición y de la velocidad de difusión a través de los poros de la membrana que forma el filtro. Según el tipo de filtro Filtración en profundidad: profundidad La filtración tiene lugar en la masa del filtro por adsorción y en la superficie por cribado. Filtración en superficie: superficie Las partículas se retienen en la superficie del filtro por cribado. Filtros de profundidad Filtros de profundidad La estructura no es regular y, por lo tanto, no se puede determinar exactamente la capacidad de retención: elimina partículas más pequeñas que sus poros. Aplicaciones: Prefiltros para evitar la colmatación de filtros de superficie (retención de partículas gruesas) Filtraciones clarificantes (Filtración soluciones). Filtros de profundidad Ventajas: Elevada capacidad de retención Retiene las partículas en superficie y en el interior Retiene partículas de tamaño menor que el nominal Inconvenientes: Contaminación: Fibras: posibilidad de contaminar el líquido con el material que constituye el filtro. Gérmenes: si quedan retenidos en la masa filtrante pueden desarrollarse y pasar al filtrado. Pérdidas: pueden retener un volumen de líquido considerable Filtros de profundidad MATERIALES: Flexibles: fibras prensadas. Necesitan un soporte rígido para la filtración. Son esterilizables en autoclave. Fibras de celulosa (papel de filtro) Fibra de vidrio Silicato magnésico natural y fibroso Rígidos: Bujías: Chamberland: silicato de Al hidratado (Caolín) Berkefeld: materia orgánica calcinada (tierra de infusorios o diatomeas) Vidrio fritado: Partículas de vidrio neutro que se funden en un molde. Estructura porosa. Filtros de superficie Filtros de superficie Características: Malla rígida, uniforme y continua. Tamaño de poro uniforme. Porosidad elevada (∼80%) Delgadas: 90-170 μm Aplicaciones: Filtraciones por tamaño. Necesitan prefiltros para evitar la colmatación. Necesitan soporte rígido por su fragilidad. Filtros de superficie Ventajas: Buena resistencia química Estabilidad térmica importante (hasta 260ºC ) Esterilizables en autoclave No hay crecimiento bacteriano Retiene poca cantidad de agua Tamaño de poro preciso Inconvenientes: Fragilidad Coste elevado Filtros de superficie MATERIALES: Mallas: Metálicas (retención únicamente en sup.) Acero inoxidable Plata Membranas: (otros mecanismos de filtración) Derivados de la celulosa (acetatos y nitratos) Fibras sintéticas (poliamidas, polisulfonas, etc.) Matrices poliméricas densas (mezcla polímeros, quitosano, etc.) Polímeros termoplásticos (polipropileno, difluoruro de polivinilideno, politetrafluoruro de etileno, etc.) Filtros de membrana: materiales Acetato de celulosa Poliamida Filtros de membrana: materiales Politetrafluoroetileno Polietersulfona Características de las membranas Celulosa Fibras Sint. 93% 96% 2 a 3 años 3 a 5 años Presión y TA máx. 30-42 bars, 30ºC 28 bars, 35ºC Resistencia al Cℓ Alta Baja Prefiltro obligatorio NO Anticloro Baja Alta 4,5 a 6,5 4 a 11 Baja Alta Precio Rendimiento Fragilidad Precio Tasa de depuración Duración Resistencia a la hidrólisis pH tolerados Resistencia a las bacterias Ventajas Inconvenientes Dispositivos de Filtración Módulos de filtración: Conjunto membrana-contenedor Cartuchos: Δ resistencia a la presión (Máxima área de membrana / Volumen módulo) Enrolladas en espiral: naturales Fibras huecas: naturales o sintéticas Placas filtrantes: naturales Dirección flujo: Transversal Tangencial (mayor rendimiento) ENROLLADAS EN ESPIRAL FIBRAS HUECAS FIBRAS HUECAS Permeado Agua Bruta Fibras Huecas Tubo no poroso FIBRA HUECA Agua Pura AGUA PURA Agua bruta Rechazo Tubo poroso distribuidor Disco poroso PLACAS FILTRANTES PLACAS FILTRANTES SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Temperatura Concentración Campo eléctrico Factor de separación Operación Tipo de membrana Tamaño Ultrafiltración Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Difusividad y tamaño Ósmosis inversa Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Temperatura Concentración Campo eléctrico Factor de separación Operación Tipo de membrana Tamaño Ultrafiltración Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Difusividad y tamaño Ósmosis inversa Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico PROCESO DE ÓSMOSIS: • Ósmosis: Paso espontáneo de un disolvente desde un contenedor con baja concentración de solutos hacia otro de mayor concentración, a través de una membrana semipermeable. • Membrana semipermeable: Lámina natural o sintética que deja pasar a su través moléculas de pequeño tamaño, impidiendo el paso de aquellas de mayor tamaño o con carga iónica. PROCESO DE ÓSMOSIS Membrana Semipermeable Membrana Semipermeable PRESIÓN OSMÓTICA: Presión necesaria para detener el flujo de agua a través de una membrana semipermeable. Ecuación de Van't Hoff: π ≈ (R·T/VA)·ln CBα π: presión osmótica cBα: conc. molar soluto R: constante de los gases ideales (R = NA·KB ) SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Factor de separación Tamaño Difusividad y tamaño Temperatura Concentración Campo eléctrico Operación Ultrafiltración Tipo de membrana Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Derivados de la celulosa Ósmosis inversa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico ÓSMOSIS INVERSA: Membrana Semipermeable Membrana Semipermeable CALIDAD DE LAS MEMBRANAS: Alta retención de sales minerales y compuestos orgánicos: TASA DE DEPURACIÓN orgánicos Alta permeabilidad al agua pura Poco espesor Baja biodegradabilidad Elevada inercia química Margen de pH amplio Buena resistencia mecánica Buena estabilidad en el tiempo CAUDAL RENDIMIENTO INSTALACIONES O.I. CAUDAL: (velocidad del flujo de permeado) Diferencia de presiones (↑) Temperatura del sistema (↑) Dureza del agua (↓) Espesor de la membrana (↓) TASA DE DEPURACIÓN: (Rechazo) Rc= (1 - Cp/CR) Cp: concentración de soluto en el permeado CR: concentración de soluto en el rechazado Idealmente Rc= 1 INSTALACIÓN DE ÓSMOSIS INVERSA Bomba de alta presión Agua bruta Módulo de ósmosis inversa Válvula de expansión RECHAZO (concentrado) Membrana semipermeable Agua depurada INSTALACIÓN DE ÓSMOSIS INVERSA INSTALACIÓN DE ÓSMOSIS INVERSA INSTALACIÓN DE ÓSMOSIS INVERSA SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Temperatura Concentración Campo eléctrico Factor de separación Operación Tipo de membrana Tamaño Ultrafiltración Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Difusividad y tamaño Ósmosis inversa Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico ELECTRODIÁLISIS: Procedimiento de separación con membranas que tiene por objeto concentrar o diluir disoluciones de electrolitos mediante el uso de membranas de intercambio iónico y la aplicación de un potencial eléctrico. Agua bruta RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO Sustancias insolubles en agua que tienen iones lábiles fácilmente intercambiables por otros iones del mismo signo presentes en una solución acuosa. Son cadenas poliméricas de elevado peso molecular unidas por un enlace iónico a un contraión. + RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO ELECTRODIÁLISIS: ELECTRODIÁLISIS: Inconvenientes: Bajo rendimiento: 40 – 66% electrolitos No elimina moléculas no ionizadas ni coloides Aplicaciones: Producción de agua potable a partir de agua salobre de baja mineralización (0.8 a 2 g/ℓ) Desalinización de soluciones coloidales u orgánicas (desmineralización de sueros) SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Temperatura Concentración Campo eléctrico Factor de separación Operación Tipo de membrana Tamaño Ultrafiltración Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Difusividad y tamaño Ósmosis inversa Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico DESTILACIÓN en MEMBRANAS Proceso combinado de evaporación y filtración: el transporte se realiza en fase vapor a través de una membrana microporosa e hidrófoba. La diferencia de presiones parciales de vapor, debida a la diferencia de temperaturas entre las dos caras de la membrana, provoca el transporte de vapor. Funciones membrana: separar mecánicamente dos líquidos que están a temperaturas diferentes y soportar la interfase líquido-vapor. Los poros no se “mojan” por la mezcla líquida. Bajo coste energético: bajas temperaturas. Técnica relativamente nueva (1967, --, 1982) DESTILACIÓN en MEMBRANAS POR ARRASTRE DE GAS A BAJA PRESIÓN DESTILACIÓN en MEMBRANAS DESTILACIÓN EN MEMBRANAS CON “GAP” DE AIRE Se rechaza el permeado: impurezas volátiles SEPARACIÓN CON MEMBRANAS Fuerza impulsora Presión Temperatura Concentración Campo eléctrico Factor de separación Operación Tipo de membrana Tamaño Ultrafiltración Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Polímeros termoplásticos Difusividad y tamaño Ósmosis inversa Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Punto de ebullición y solubilidad Pervaporación Matriz polimérica densa Punto de ebullición y difusividad Destilación en membranas Polímeros temoplásticos Punto de ebullición y tamaño Termoósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Tamaño Ósmosis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga o tamaño Diálisis Derivados de la celulosa Fibras sintéticas Carga Electrodiálisis Resinas de intercambio iónico PERVAPORACIÓN Se aprovecha la compatibilidad química de un líquido con la membrana de modo que éste se disuelva en ella. Aplicación de vacío en el permeado. El soluto se vaporiza en la membrana Aplicaciones: separación de mezclas aceotrópicas (solutos volátiles)
