Filtració mitjançant membranes ceràmiques per al tractament d’aigües

Seccions

• Introducció
• Filtració frontal i Filtració tangencial
• Característiques de les membranes ceràmiques
• Àmbit d’aplicació
• Recuperació de filtrats i concentrats
• Càlculs instal·lació membranes ceràmiques

Introducció

Les tendències actuals en el tractament d’aigües s’orienten cap a la utilització de membranes de filtració, ja sigui per filtrar partícules en suspensió, col·loides, material orgànic, bacteris, macromolècules i fins i tot sals; d’aquesta manera cobrim l’espectre de separació en funció de la mida i naturalesa dels contaminants.

Bàsicament, les membranes es classifiquen en orgàniques, i inorgàniques. Les primeres s’utilitzen habitualment per a aigües poc contaminades, ja que els materials amb què estan construïdes (polisulfon, poliamida, cel·lulosa, etc.) no toleren agents contaminants en altes concentracions, ni valors de pH o temperatures extremes; a més, els oxidants, els olis i la matèria orgànica són agents poc desitjables que s’han d’evitar per impedir la seva brutícia i deteriorament.

Si ens centrem en el tractament d’efluents complexos, s’imposa l’ús de membranes inorgàniques, i, entre elles, observem que les que s’utilitzen al mercat de manera creixent són les membranes ceràmiques per la seva alta eficiència, resistència als medis més extrems i durabilitat.

Per determinar les membranes ceràmiques a utilitzar en un cas específic, hem de tenir en compte la naturalesa de l’efluent a tractar i la mida de les partícules que volem separar. Així s’estableix el denominat cut-off, i les unitats en què es mesura la mida del porus de les membranes.

Unitats de mesura i relació entre elles

Les unitats que s’utilitzen per mesurar la mida de les partícules són bàsicament:

• La micra (µm) = 10^-3 mm
• El nanòmetre (nm) = 10^-3 µm
• L’Angstrom (A⁰) = 10^-4 µm

Els rangs de filtració en funció de la mida dels porus de les membranes es classifiquen en: Microfiltració, Ultrafiltració i Nanofiltració, encara que la Nanofiltració contempla la separació parcial de les sals de major mida i es queda en un límit proper a la osmosi inversa.

Quan parlem de Microfiltració, utilitzem la µm com a unitat de mesura de partícules, mentre que per a la Ultrafiltració i la Nanofiltració s’utilitza el KD (kilodalton), que es defineix com la unitat de massa molecular equivalent a 1.000 daltons. Un dalton és la desena part de la massa de l’àtom de carboni i equival a 1,66 X 10^-24 g.

Veiem doncs que, per a aquests nivells, s’estableix una relació aproximada entre mida de partícules i la massa molecular, segons la gràfica següent:

En osmosi inversa parlem de separació de sals i intervenen altres fenòmens electroquímics més complexos. La separació es correspon amb nivells moleculars i s’utilitza habitualment l’A⁰ i el tipus de molècules. En aquest estudi no parlarem de les membranes d’osmosi inversa, ja que enfoquem l’aplicació cap al tractament d’efluents, i, en aquest sentit, aquestes membranes tenen moltes limitacions com s’ha indicat a l’inici del text.

Els fabricants de membranes ceràmiques estableixen el tipus de filtració en tres grups, d’acord amb la seva gamma de fabricació:

• Microfiltració : de 0,1 a 1,4 µm
• Ultrafiltració   : de 15 a 300 KD
• Nanofiltració : de 1 a 10 KD

A la gràfica següent, veiem l’espectre de filtració per a ultra i microfiltració, amb alguns dels contaminants que es solen separar en cada nivell.

Filtració frontal i Filtració tangencial

Quan es realitza una filtració frontal o total, tot el líquid que entra en contacte amb la superfície de la membrana és forçat a passar-hi a través. Alguns sòlids i components quedaran retinguts per la membrana mentre la resta passarà a l’altra banda. Aquest procés depèn principalment de la mida del porus de la membrana, encara que hi ha altres factors a tenir en compte. En conseqüència, el líquid gradualment experimentarà una major resistència a passar a través de la membrana, a causa de l’acumulació de substàncies. Quan la pressió del fluid entrant es manté contínua, el flux es reduirà fins que hagi disminuït tant que la membrana haurà de ser netejada, ja que la capa de retingut (concentrat) haurà assolit un gruix massa elevat. La pressió necessària per fer passar el flux a través de la membrana és la anomenada Pressió Transmembrana (PTM).

La PTM es defineix com el gradient de pressió de la membrana, o la pressió mitjana del flux d’entrada menys la pressió de permeat o filtrat. A mesura que es vagi colmatant la superfície filtrant, s’haurà d’augmentar aquest paràmetre si es vol continuar adequadament el procés, fins a arribar a un punt límit en què s’haurà de posar en marxa el procés de neteja. Això fa que el procés de filtració es consideri discontinu, procurant que el cicle operatiu sigui el més llarg possible i que les neteges siguin ràpides i efectives. Aquest tipus de filtració té, per tant, certs inconvenients; però pot ser una bona solució per a moltes aplicacions, com el concentrat de components.

En les membranes ceràmiques es realitza una filtració tangencial, en què el retingut o concentrat es recircula perquè, mitjançant un cicle de realimentació, torni a formar part del flux d’aportació que és paral·lel a la membrana, per la qual cosa aquest tipus de filtració permet treballar amb rangs de pressió molt inferiors als de la filtració total. Només una petita part del flux travessarà la membrana convertint-se en permeat (filtrat), i la major part anirà a parar al dipòsit de concentrat.

La velocitat del flux d’aigua paral·lel a la membrana és relativament alta. L’objectiu d’aquest flux és el control del gruix de la capa. Com a conseqüència de la velocitat a la qual flueix l’aigua, les forces de flux són altes, cosa que permet que els sòlids suspesos siguin arrossegats per la circulació del líquid.

Amb aquest sistema de filtració es disminueix la possibilitat d’embussament i es retarda i disminueix la formació de la pel·lícula de sòlids. La gestió per filtració tangencial pot assolir fluxos estables. En qualsevol cas, la brutícia es produeix i s’ha de realitzar la neteja de les membranes, que, en el cas de les ceràmiques, admet valors de temperatura, oxidants, dissolvents i pH extrems.

Esquema filtració frontal i filtració tangencial

La velocitat lineal (V_L) o de flux tangencial és a la qual l’alimentació flueix dins de la membrana. En el cas d’una membrana tubular, la velocitat lineal es pot definir com la relació entre el flux d’entrada i la secció interior de la membrana.

V_L   = F_r / S_i   en ₍m/sg.)

On: F_r és el flux d’alimentació. [m3/sg] i S_i és la secció interior de la membrana. [m²]

Una velocitat lineal alta tendeix a eliminar el material dipositat i, conseqüentment, redueix la resistència hidràulica a través de la membrana, cosa que porta a obtenir més flux de permeat. Cabals més alts de l’alimentació també redueixen els fenòmens de la polarització de la concentració augmentant el coeficient de la transferència de massa.

Característiques de les membranes ceràmiques

Les membranes ceràmiques es fabriquen principalment amb alumina tabular (αAl ₂O₃) així com de carbur de silici (SiC) sempre a altes temperatures de sinterització (1.800-2.000ºC).

Encara que també hi ha models de membranes planes per a aplicacions específiques, aquestes membranes solen tenir forma tubular i diferents configuracions d’acord amb el nombre de canals que les travessen; així per a efluents carregats o de major viscositat, s’utilitzen membranes de canals grans i en menor nombre, mentre que per a efluents més fluids i menys carregats s’utilitzen membranes amb més canals i de menor mida. Les membranes amb més canals tenen major superfície equivalent de filtració. El camí més fiable per realitzar un correcte disseny de la instal·lació a implementar és fer assajos o pilotatges amb el líquid a tractar, i provar diferents membranes de probable utilització.

El conjunt de membranes a instal·lar per realitzar el tractament s’allotja a l’interior de càrters construïts en acer inoxidable, amb juntes d’elastòmers adequats al medi i a les neteges (normalment vitó o PTFE).

Càrters per a membranes ceràmiques

 

Membranes ceràmiques de diferents seccions

El líquid que es pretén filtrar s’acondiciona prèviament en un sistema de prefiltració a fi d’impedir l’obstrucció dels canals de les membranes. L’alimentació del líquid a tractar es fa a través dels canals que travessen longitudinalment la membrana. D’acord amb l’esquema annex, el permeat s’obté en travessar el líquid les parets dels canals recollint-se a l’exterior de la membrana. El concentrat queda als canals i passa al bucle de recirculació.

 

Àmbit d’aplicació

Les membranes ceràmiques tenen un ampli àmbit d’aplicació, sobretot a la indústria alimentària, farmacèutica, química, separació de metalls de procés de precipitació, banys de decapat i desgreix, indústria petroquímica, de begudes (sobretot vins i cerveses) i a la mineria.

En aquest estudi les considerem en el camp del tractament d’aigües. Per a aigües de procés, s’utilitza com a pretractament d’instal·lacions que exigeixen valors de turbidesa molt baixos com l’osmosi inversa. Encara que ja es comencen a utilitzar per filtrar aigües amb destinacions com la microelectrònica, aigües potables o indústria química.

En aigües residuals tenen un molt ampli ventall d’aplicacions, ja que, a més d’obtenir permeats d’alta qualitat, presenten múltiples avantatges davant d’altres processos de depuració clàssics (flotació, decantació, filtres de sorra), que aporten importants produccions de residus), tenen un elevat consum de reactius (coagulants, floculants, ajustos de pH, etc.) àmplies superfícies ocupades i molta mà d’obra per al seu manteniment.

En els últims anys es venen fabricant membranes de baix cost que permeten la seva utilització en tractaments d’aigües a costos competitius.

En depuració biològica, a més de la reducció de materials contaminants en general, també es planteja la separació de microplàstics i fibres. Per a aquest tipus de depuració i, especialment per a l’anaeròbia, ja es disposa de referències de MBR amb membranes ceràmiques, pel tipus de fangs a tractar, per la seva elevada resistència i la no contaminació dels fangs, que poden ser venuts, minimitzant així el cost econòmic de la depuració.

Els principals sectors en què s’utilitzen aquestes membranes són:

• Separació i recuperació de taladrines
• Separació i recuperació de fibres i additius en circuits de la indústria paperera.
• Recuperació i depuració de banys de desgreix
• Recuperació d’indústries de pintures
• Recuperació d’àcids i àlcalis a la indústria metal·lúrgica
• Separació i recuperació de tintes.
• Separació i recuperació de dissolvents
• Separació i concentració de efluents de sucre a fàbriques sucreteres.
• Separació i concentració de productes a la indústria Química.
• Separació recuperació de metalls i additius a les indústries galvaníques.

Aquest tipus d’equips té un cost d’instal·lació inicial relativament elevat, ja que al de les membranes s’ha de sumar el del grup de bombament de recirculació que ha de ser d’una mida important per al conjunt, a fi d’aconseguir velocitats tangencials adequades que facin viable el procés, i els materials han de ser d’alta resistència als medis en què es treballa (habitualment s’utilitzen acers inoxidables del tipus AISI 316L o superiors). Tanmateix, la durada esperada de les membranes és molt llarga (> 10 anys), i un cop regulats els cicles de filtració no solen aportar problemes de manteniment, cosa que els confereix una elevada fiabilitat.

Recuperació de filtrats i concentrats

Resulta evident que és precís minimitzar el vessament dels efluents més contaminants per al medi ambient, que són justament els que es tracten amb aquest tipus de membranes. La tendència ha de ser doncs el pretès “vessament zero”, ja que no hi ha millor tractament que la no contaminació.

Es donen molts casos a la indústria, en què una filtració realitzada al nivell indicat permet obtenir filtrats que són reutilitzables en major o menor mesura en els processos productius o de serveis de la pròpia empresa emissora; a més, també en moltes ocasions, el retentat podria ser reutilitzat si tingués el grau de concentració i qualitat precisat, segons les especificacions del fabricant.

Les tecnologies més adequades per aconseguir aquests efectes sense produir la contaminació de l’efluent serien la Evaporació i la Cristal·lització

Amb l’evaporació a buit, s’aconsegueixen destil·lats d’alta puresa que, freqüentment, es poden reutilitzar en els processos de la fàbrica. S’acostuma a treballar a unes temperatures d’evaporació entorn dels 50ºC, i el condensat podrà aportar la seva energia calorífica per a altres processos mitjançant intercanviadors de calor. Els concentrats poden assolir alts nivells de sequedat, ja que es treballa en diverses etapes d’evaporació.

En la mesura que els concentrats adquireixin una revalorització important, es justifica més la seva concentració fins i tot arribant a la cristal·lització mitjançant un equip específic (cristal·litzador).

El conjunt de membranes ceràmiques + evaporació / cristal·lització ofereixen una solució tècnica altament evolucionada i eficient que, per als casos de reutilització, poden considerar-se més com una etapa del procés productiu que un tractament de residus o efluents, i el termini d’amortització de les instal·lacions es fa viable dins de l’estudi econòmic global de la fàbrica.

En qualsevol cas, el marc d’aplicació d’aquestes solucions es fa cada cop més ampli, en la mesura que es perfeccionen les tecnologies i es recorre a les energies renovables,

Càlculs instal·lació membranes ceràmiques

Partim d’un exemple, en què es desitja tractar un efluent procedent de rentat de les màquines d’impressió amb tintes flexogràfiques. Volem tractar un vessament diari de 35 m³, que es troben a temperatura ambient (aprox. 20 ºC).

Es realitza un assaig de la mostra amb una densitat = 1 i es troba que la mida de partícula està sobre les 0,05 µm i una densitat i viscositat similars a les de l’aigua.

Es realitzen proves amb membranes ceràmiques i s’obté que una velocitat de 80 l/h/m² és adequada, i es selecciona una membrana ceràmica tubular d’UF, de tipus Margarina (7 canals) amb superfície unitaria de 0,2 m², que segons taules del fabricant precisen d’un cabal de circulació de 1000 l/memb/m/sg. En aquestes condicions, els cicles productius entre neteges del conjunt de membranes ceràmiques han superat les 72 hores, cosa que es considera viable per al procés. L’objectiu és recuperar l’aigua del vessament per reutilitzar-la en el rentat i concentrar el sòlid separat per poder-lo enviar a abocador com a residu.

En primer lloc, calculem la superfície necessària per filtrar la totalitat de l’efluent:

S = (35 m³/d /24 h/d) / 80 l/h/m² = 18,6 m² de membranes tipus Margarita.

Núm. Membranes = 18,6 m² / 0,2 m² /membrana = 92 membranes

El fabricant disposa de dos tipus de càrters que es podran adaptar:

• 1 de 99 membranes.
• 2 de 55 membranes.

Per seleccionar l’opció més adequada, analitzem: el cost dels equips, el consum energètic i la flexibilitat de la instal·lació.

Cost de la instal·lació:

Encara que un sol càrter de 99 membranes és més econòmic que dos de 55, tant el grup de bombament de recirculació, com les canonades, vàlvules i accessoris són més costosos per a la versió d’un sol càrter, així com el quadre de potència i l’electrificació, amb la qual cosa el cost és força similar per a ambdues opcions.

Consum energètic:

Amb un cabal d’1 m³/h/membrana, i a una velocitat de circulació a les membranes recomanada de 3,5 m/sg, tenim:

• Cas d’1 càrter amb 99 membranes:

QR = 1 m³/h/memb. /m/sg. x 99 memb. x 3,5 m/sg = 346,5 m³/h

Amb aquest cabal i per reduir la pèrdua de càrrega, prenem una velocitat de circulació al bucle d’1,5 – 2 m/sg, llavors el diàmetre del bucle de recirculació hauria de ser de 12 “.

Disposant el mínim de vàlvules i accidents a la canonada, la pèrdua de càrrega del conjunt és d’aproximadament 12 m.c.a.

Si calculem la potència del motor de la bomba:

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m³/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Prenem un motor de 40 CV pensant que portarà variador de freqüència.

• Cas amb dos càrters de 55 membranes, disposats en sèrie:

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m³/h., el bucle de recirculació seria de Ø 8”, en aquestes condicions la pèrdua de càrrega dels dos càrters disposats en sèrie seria d’aproximadament 18 m.c.a., i la potència del motor de la bomba:

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Prenem un motor de 30 CV.

Llavors és més rendible energèticament utilitzar dos càrters en sèrie.

Flexibilitat de la instal·lació:

Encara que les avaries són escasses en aquest tipus d’instal·lacions, pot donar-se el cas que tinguem una fuita en una membrana (p. ex., en una junta), o bé que s’hagi rebentat una membrana (molt menys probable). En el cas de disposar dos càrters, podem cancel·lar-ne un i treballar amb l’altre a la meitat de cabal, cosa que ens dóna més flexibilitat.

En aquest cas, optem per disposar dos càrters en sèrie, segons l’esquema següent:

Consideracions pràctiques

Les instal·lacions de membranes ceràmiques són molt robustes i resistents a les condicions de temperatura, pressió, alcalinitat, acidesa i atacs químics, però alhora, presenten algunes debilitats que s’han de tenir en compte:

• Evitar els cops de colp d’ariet i els cops, ja que les membranes ceràmiques són molt dures, però també fràgils.
• Evitar accidents, vàlvules i instruments que no siguin estrictament necessaris a les línies de circulació per evitar pèrdues de càrrega que representaran un consum energètic elevat.
• Tenir en compte els materials constructius de l’equip a l’hora d’efectuar una neteja o de realitzar un tractament (com per exemple treballar amb HF quan hi ha elèctrodes de vidre).
• No estirar els cicles de filtració, perquè després resulta més difícil realitzar la neteja.
• Els efluents de neteja solen ser molt contaminats, convindrà enviar-los a un gestor autoritzat, o bé concentrar-los per evaporació per després enviar-los a un abocador de residus adequat a les seves característiques.
• La bomba de recirculació és convenient que disposi d’un variador de freqüència, de tal manera que consumeixi l’energia estrictament necessària en cada moment.
• Quan es muntin i desmuntin les membranes als seus càrters, s’haurà de posar especial cura que les juntes quedin degudament col·locades i ajustades.
• Per la naturalesa dels efluents i reactius que es manegen, es fa precisa l’especial observació de les normes de seguretat, utilitzant els EPIS i mesures complementàries que siguin precises.