Filtrazione mediante membrane ceramiche per il trattamento delle acque

Sezioni

• Introduzione
• Filtrazione frontale e Filtrazione tangenziale
• Caratteristiche delle membrane ceramiche
• Ambito di applicazione
• Recupero di filtrati e concentrati
• Calcoli installazione membrane ceramiche

Introduzione

Le tendenze attuali nel trattamento delle acque si orientano verso l’utilizzo di membrane di filtrazione, sia per filtrare particelle in sospensione, colloidi, materiale organico, batteri, macromolecole e persino sali; in questo modo copriamo lo spettro di separazione in funzione della dimensione e natura degli inquinanti.

Fondamentalmente, le membrane si classificano in organiche e inorganiche. Le prime sono abitualmente utilizzate per acque poco contaminate, poiché i materiali con cui sono costruite (polisulfone, poliammide, cellulosa, ecc.) non tollerano agenti contaminanti in alte concentrazioni, né valori di pH o temperature estreme; inoltre ossidanti, oli e materia organica sono agenti poco desiderabili che devono essere evitati per impedire l’intasamento e il deterioramento.

Se ci concentriamo sul trattamento di effluenti complessi, si impone l’uso di membrane inorganiche e, tra queste, osserviamo che quelle utilizzate sempre più sul mercato sono le membrane ceramiche per la loro alta efficienza, resistenza agli ambienti più estremi e durabilità.

Per determinare le membrane ceramiche da utilizzare in un caso specifico, dobbiamo tenere conto della natura dell’effluente da trattare e della dimensione delle particelle che vogliamo separare. Così si stabilisce il cosiddetto cut-off e le unità in cui si misura la dimensione del poro delle membrane.

Unità di misura e relazione tra di esse

Le unità utilizzate per misurare la dimensione delle particelle sono fondamentalmente:

• Il micron (µm) = 10^-3 mm
• Il nanometro (nm) = 10^-3 µm
• L’Angstrom (A⁰) = 10^-4 µm

Gli intervalli di filtrazione in funzione della dimensione dei pori delle membrane si classificano in: Microfiltrazione, Ultrafiltrazione e Nanofiltrazione, anche se la Nanofiltrazione contempla la separazione parziale dei sali di dimensioni maggiori e si avvicina al limite dell’ osmosi inversa.

Quando parliamo di Microfiltrazione, utilizziamo la µm come unità di misura delle particelle, mentre per l’Ultrafiltrazione e la Nanofiltrazione si utilizza il KD (kilodalton), che si definisce come unità di massa molecolare equivalente a 1.000 dalton. Un dalton è la decima parte della massa dell’atomo di carbonio e corrisponde a 1,66 X 10^-24 g.

Vediamo quindi che, per questi livelli, si stabilisce una relazione approssimativa tra dimensione delle particelle e massa molecolare, secondo il grafico seguente:

Nell’osmosi inversa si parla di separazione dei sali e intervengono altri fenomeni elettrochimici più complessi. La separazione corrisponde a livelli molecolari e si usa solitamente l’A⁰ e il tipo di molecole. In questo studio non parleremo delle membrane di osmosi inversa, poiché ci concentriamo sull’applicazione al trattamento degli effluenti e, in questo senso, queste membrane presentano molte limitazioni come indicato all’inizio del testo.

I produttori di membrane ceramiche stabiliscono il tipo di filtrazione in tre gruppi, in base alla loro gamma di fabbricazione:

• Microfiltrazione: da 0,1 a 1,4 µm
• Ultrafiltrazione: da 15 a 300 KD
• Nanofiltrazione: da 1 a 10 KD

Nel grafico seguente vediamo lo spettro di filtrazione per ultra e microfiltrazione, con alcuni degli inquinanti che si separano solitamente a ogni livello.

Filtrazione frontale e Filtrazione tangenziale

Quando si effettua una filtrazione frontale o totale, tutto il liquido che entra in contatto con la superficie della membrana è costretto a passare attraverso di essa. Alcuni solidi e componenti saranno trattenuti dalla membrana mentre il resto passerà dall’altra parte. Questo processo dipende principalmente dalla dimensione del poro della membrana, anche se esistono altri fattori da considerare. Di conseguenza, il liquido sperimenterà gradualmente una maggiore resistenza a passare attraverso la membrana, a causa dell’accumulo di sostanze. Quando la pressione del fluido in ingresso si mantiene costante, il flusso si ridurrà fino a diminuire tanto da dover pulire la membrana, poiché lo strato di trattenuto (concentrato) avrà raggiunto uno spessore troppo elevato. La pressione necessaria per far passare il flusso attraverso la membrana è chiamata Pressione Transmembrana (PTM).

La PTM si definisce come il gradiente di pressione della membrana, ovvero la pressione media del flusso in ingresso meno la pressione del permeato o filtrato. Man mano che la superficie filtrante si intasa, questo parametro dovrà essere aumentato se si vuole continuare adeguatamente il processo, fino a raggiungere un punto limite in cui si dovrà avviare il processo di pulizia. Questo fa sì che il processo di filtrazione sia considerato discontinuo, cercando di far sì che il ciclo operativo sia il più lungo possibile e che le pulizie siano rapide ed efficaci. Questo tipo di filtrazione ha quindi alcuni inconvenienti; ma può essere una buona soluzione per molte applicazioni, come il concentrato di componenti.

Nelle membrane ceramiche si realizza una filtrazione tangenziale, in cui il trattenuto o concentrato è ricircolato affinché, mediante un ciclo di retroazione, torni a far parte del flusso di alimentazione parallelo alla membrana, per cui questo tipo di filtrazione permette di lavorare con intervalli di pressione molto inferiori a quelli della filtrazione totale. Solo una piccola parte del flusso attraverserà la membrana diventando permeato (filtrato), e la maggior parte finirà nel deposito di concentrato.

La velocità del flusso d’acqua parallelo alla membrana è relativamente alta. Lo scopo di questo flusso è il controllo dello spessore dello strato. Come conseguenza della velocità con cui scorre l’acqua, le forze di flusso sono elevate, il che permette che i solidi sospesi siano trascinati dalla circolazione del liquido.

Con questo sistema di filtrazione si riduce la possibilità di intasamento e si ritarda e diminuisce la formazione del film di solidi. La gestione per filtrazione tangenziale può raggiungere flussi stabili. In ogni caso, l’intasamento si verifica e deve essere effettuata la pulizia delle membrane che, nel caso delle ceramiche, tollerano valori di temperatura, ossidanti, solventi e pH estremi.

Schema filtrazione frontale e filtrazione tangenziale

La velocità lineare (V_L) o di flusso tangenziale è quella con cui l’alimentazione scorre all’interno della membrana. Nel caso di una membrana tubolare, la velocità lineare si può definire come il rapporto tra il flusso in ingresso e la sezione interna della membrana.

V_L   = F_r / S_i   in ₍m/s)

Dove: F_r è il flusso di alimentazione. [m3/s] e S_i è la sezione interna della membrana. [m²]

Una velocità lineare elevata tende a rimuovere il materiale depositato e, di conseguenza, riduce la resistenza idraulica attraverso la membrana, il che porta a ottenere un flusso di permeato maggiore. Portate più alte dell’alimentazione riducono anche i fenomeni di polarizzazione della concentrazione aumentando il coefficiente di trasferimento di massa.

Caratteristiche delle membrane ceramiche

Le membrane ceramiche sono fabbricate principalmente con allumina tabulare (αAl ₂O₃) così come con carburo di silicio (SiC) sempre a elevate temperature di sinterizzazione (1.800-2.000ºC).

Sebbene esistano anche modelli di membrane piane per applicazioni specifiche, queste membrane hanno solitamente forma tubolare e diverse configurazioni in base al numero di canali che le attraversano; così per effluenti carichi o di maggiore viscosità si utilizzano membrane con canali grandi e in numero minore, mentre per effluenti più fluidi e meno carichi si utilizzano membrane con più canali e di dimensioni minori. Le membrane con più canali hanno una superficie equivalente di filtrazione maggiore. La via più affidabile per realizzare un corretto progetto dell’impianto da implementare è effettuare prove o pilotaggi con il liquido da trattare e testare diverse membrane di probabile utilizzo.

L’insieme di membrane da installare per effettuare il trattamento è alloggiato all’interno di carter costruiti in acciaio inox, con guarnizioni in elastomeri adatti all’ambiente e alle pulizie (normalmente viton o PTFE).

Carter per membrane ceramiche

 

Membrane ceramiche di diverse sezioni

Il liquido che si intende filtrare viene preventivamente condizionato in un sistema di prefiltrazione al fine di impedire l’ostruzione dei canali delle membrane. L’alimentazione del liquido da trattare avviene attraverso i canali che attraversano longitudinalmente la membrana. Secondo lo schema allegato, il permeato si ottiene attraversando il liquido le pareti dei canali e raccogliendosi all’esterno della membrana. Il concentrato rimane nei canali e passa al circuito di ricircolo.

 

Ambito di applicazione

Le membrane ceramiche hanno un ampio ambito di applicazione, soprattutto nell’industria alimentare, farmaceutica, chimica, separazione di metalli da processi di precipitazione, bagni di decapaggio e sgrassaggio, industria petrolchimica, delle bevande (soprattutto vini e birre) e nel settore minerario.

In questo studio le consideriamo nel campo del trattamento delle acque. Per acque di processo, si utilizzano come pretrattamento di impianti che richiedono valori di torbidità molto bassi come l’osmosi inversa. Sebbene si stiano già iniziando a utilizzare per filtrare acque destinate a settori come la microelettronica, acque potabili o industria chimica.

Nelle acque reflue hanno un ampio ventaglio di applicazioni, poiché, oltre a ottenere permeati di alta qualità, presentano molteplici vantaggi rispetto ad altri processi di depurazione classici (flottazione, decantazione, filtri a sabbia), che producono importanti quantità di rifiuti, hanno un elevato consumo di reagenti (coagulanti, flocculanti, regolazioni di pH, ecc.), ampie superfici occupate e molta manodopera per la manutenzione.

Negli ultimi anni si stanno producendo membrane a basso costo che ne permettono l’utilizzo in trattamenti delle acque a costi competitivi.

Nella depurazione biologica, oltre alla riduzione generale dei materiali contaminanti, si propone anche la separazione di microplastiche e fibre. Per questo tipo di depurazione e, specialmente per quella anaerobica, sono già disponibili riferimenti di MBR con membrane ceramiche, per il tipo di fanghi da trattare, per la loro elevata resistenza e la non contaminazione dei fanghi, che possono essere venduti, minimizzando così il costo economico della depurazione.

I principali settori in cui si utilizzano queste membrane sono:

• Separazione e recupero di emulsioni da lavorazioni meccaniche
• Separazione e recupero di fibre e additivi nei circuiti dell’ industria cartaria.
• Recupero e depurazione di bagni di sgrassaggio
• Recupero nelle industrie delle vernici
• Recupero di acidi e alcali nell’industria metallurgica
• Separazione e recupero di inchiostri.
• Separazione e recupero di solventi
• Separazione e concentrazione di effluenti di zucchero nelle fabbriche di zucchero.
• Separazione e concentrazione di prodotti nell’industria chimica.
• Separazione e recupero di metalli e additivi nelle industrie galvaniche.

Questo tipo di impianti ha un costo di installazione iniziale relativamente elevato, poiché al costo delle membrane si deve aggiungere quello del gruppo di pompaggio di ricircolo che deve essere di dimensioni importanti per l’insieme, al fine di ottenere velocità tangenziali adeguate che rendano il processo fattibile, e i materiali devono essere di elevata resistenza agli ambienti in cui si lavora (solitamente si utilizzano acciai inox tipo AISI 316L o superiori). Tuttavia, la durata prevista delle membrane è molto lunga (> 10 anni), e una volta regolati i cicli di filtrazione non presentano solitamente problemi di manutenzione, il che conferisce loro un’elevata affidabilità.

Recupero di filtrati e concentrati

È evidente che è necessario minimizzare lo scarico degli effluenti più inquinanti per l’ambiente, che sono proprio quelli trattati con questo tipo di membrane. La tendenza deve essere quindi il cosiddetto “scarico zero”, poiché non esiste trattamento migliore della non contaminazione.

Ci sono molti casi nell’industria in cui una filtrazione effettuata al livello indicato permette di ottenere filtrati riutilizzabili in misura maggiore o minore nei processi produttivi o di servizio della stessa azienda emittente; inoltre, spesso, il retentato potrebbe essere riutilizzato se avesse il grado di concentrazione e qualità richiesti, secondo le specifiche del produttore.

Le tecnologie più adeguate per ottenere questi effetti senza produrre contaminazione dell’effluente sarebbero la Evaporazione e la Cristallizzazione.

Con l’evaporazione a vuoto si ottengono distillati di elevata purezza che, frequentemente, possono essere riutilizzati nei processi della fabbrica. Si lavora solitamente a temperature di evaporazione intorno ai 50ºC, e il condensato può fornire la sua energia termica per altri processi tramite scambiatori di calore. I concentrati possono raggiungere alti livelli di secchezza, poiché si lavora in più stadi di evaporazione.

Nella misura in cui i concentrati acquisiscono un’importante rivalutazione, si giustifica maggiormente la loro concentrazione, arrivando persino alla cristallizzazione mediante un’apparecchiatura specifica (cristallizzatore).

L’insieme membrane ceramiche + evaporazione / cristallizzazione offre una soluzione tecnica altamente evoluta ed efficiente che, per i casi di riutilizzo, può essere considerata più come una fase del processo produttivo che un trattamento di rifiuti o effluenti, e il periodo di ammortamento degli impianti diventa fattibile all’interno dello studio economico globale della fabbrica.

In ogni caso, il campo di applicazione di queste soluzioni si amplia sempre più, nella misura in cui si perfezionano le tecnologie e si ricorre alle energie rinnovabili,

Calcoli installazione membrane ceramiche

Partiamo da un esempio, in cui si desidera trattare un effluente proveniente dal lavaggio delle macchine da stampa con inchiostri flessografici. Vogliamo trattare uno scarico giornaliero di 35 m³, che si trova a temperatura ambiente (circa 20 ºC).

Si effettua una prova del campione con densità = 1 e si trova che la dimensione della particella è circa 0,05 µm e una densità e viscosità simili a quelle dell’acqua.

Si effettuano prove con membrane ceramiche e si ottiene che una velocità di 80 l/h/m² è adeguata, e si seleziona una membrana ceramica tubolare di UF, tipo Margarina (7 canali) con superficie unitaria di 0,2 m², che secondo le tabelle del produttore richiedono una portata di circolazione di 1000 l/memb/m/s. In queste condizioni, i cicli produttivi tra le pulizie dell’insieme di membrane ceramiche hanno superato le 72 ore, il che è considerato fattibile per il processo. L’obiettivo è recuperare l’acqua dello scarico per riutilizzarla nel lavaggio e concentrare il solido separato per poterlo inviare in discarica come rifiuto.

In primo luogo, calcoliamo la superficie necessaria per filtrare la totalità dell’effluente:

S = (35 m³/d /24 h/d) / 80 l/h/m² = 18,6 m² di membrane tipo Margarita.

N° Membrane = 18,6 m² / 0,2 m² /membrana = 92 membrane

Il produttore dispone di due tipi di carter che possono essere adattati:

• 1 da 99 membrane.
• 2 da 55 membrane.

Per selezionare l’opzione più adeguata, analizziamo: il costo degli impianti, il consumo energetico e la flessibilità dell’installazione.

Costo dell’installazione:

Sebbene un solo carter da 99 membrane sia più economico di due da 55, sia il gruppo di pompaggio di ricircolo, sia le tubazioni, valvole e accessori sono più costosi per la versione con un solo carter, così come il quadro di potenza e l’elettrificazione, con cui il costo è abbastanza simile per entrambe le opzioni.

Consumo energetico:

Con una portata di 1 m³/h/membrana, e a una velocità di circolazione nelle membrane raccomandata di 3,5 m/s, abbiamo:

• Caso di 1 carter con 99 membrane:

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

Con questa portata e per ridurre la perdita di carico, prendiamo una velocità di circolazione nel circuito di 1,5 – 2 m/s, quindi il diametro del circuito di ricircolo dovrebbe essere di 12 “.

Disponendo il minimo di valvole e ostacoli nelle tubazioni, la perdita di carico dell’insieme è di circa 12 m.c.a.

Se calcoliamo la potenza del motore della pompa:

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m³/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Prendiamo un motore da 40 CV pensando che avrà un variatore di frequenza.

• Caso con due carter da 55 membrane, disposti in serie:

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m³/h., il circuito di ricircolo sarebbe di Ø 8”, in queste condizioni la perdita di carico dei due carter disposti in serie sarebbe di circa 18 m.c.a., e la potenza del motore della pompa:

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Prendiamo un motore da 30 CV.

Quindi è più conveniente dal punto di vista energetico utilizzare due carter in serie.

Flessibilità dell’installazione:

Sebbene i guasti siano rari in questo tipo di impianti, può capitare che si verifichi una perdita in una membrana (ad esempio, in una guarnizione), o che una membrana si rompa (molto meno probabile). Nel caso di disporre di due carter, possiamo escluderne uno e lavorare con l’altro a metà portata, il che ci dà maggiore flessibilità.

In questo caso, optiamo per disporre due carter in serie, secondo il seguente schema:

Considerazioni pratiche

Gli impianti con membrane ceramiche sono molto robusti e resistenti alle condizioni di temperatura, pressione, alcalinità, acidità e attacchi chimici, ma allo stesso tempo presentano alcune debolezze che devono essere considerate:

• Evitare colpi d’ariete e urti, poiché le membrane ceramiche sono molto dure ma anche fragili.
• Evitare valvole e strumenti non strettamente necessari nelle linee di circolazione per evitare perdite di carico che rappresenterebbero un consumo energetico elevato.
• Tenere conto dei materiali costruttivi dell’impianto al momento di effettuare una pulizia o un trattamento (ad esempio lavorare con HF quando ci sono elettrodi di vetro).
• Non allungare i cicli di filtrazione, perché poi risulta più difficile effettuare la pulizia.
• Gli effluenti di pulizia sono solitamente molto contaminati, sarà opportuno inviarli a un gestore autorizzato, o concentrarli per evaporazione per poi inviarli a una discarica di rifiuti adeguata alle loro caratteristiche.
• La pompa di ricircolo è consigliabile che disponga di un variatore di frequenza, in modo da consumare l’energia strettamente necessaria in ogni momento.
• Quando si montano e smontano le membrane nei loro carter, si dovrà prestare particolare attenzione affinché le guarnizioni siano correttamente posizionate e regolate.
• Per la natura degli effluenti e dei reagenti che si maneggiano, è necessaria una particolare osservanza delle norme di sicurezza, utilizzando i DPI e le misure complementari necessarie.