Filtración de agua, de soluciones acuosas y sus métodos.

Generalidades de la filtración de agua

Los primeros intentos registrados de una filtración del agua se remontan al año 2000 a.C. Los primeros escritos en sánscritos describían métodos para purificar el agua. Estos métodos iban desde utilizar fibras o tejidos como un filtro de arena muy rústicos, además de hervir o colocar instrumentos metálicos calientes en el agua antes de beberla.

La filtración de agua es un principio básico de utilizar un medio (membrana, malla, pantalla u otro medio) para filtrar o atrapar físicamente las partículas en función de su tamaño. Estos filtros se clasifican según el tamaño de los poros una malla o membrana, que se mide en micras; cuanto menor sea el número de micras (es decir, cuanto menor sea el tamaño de los poros), más retendrá sedimentos de líquido que se esté filtrando.

La filtración es un proceso de separación sólido-líquido que se utiliza en los sistemas de tratamiento de agua para disminuir la concentración de sólidos suspendidos (partículas) que se encuentran en ella. Existen varios tipos de filtros y cada uno de ellos tiene su aplicación dependiendo del tamaño y concentración de partículas que a retener. En la Figura 1 se pueden apreciar los diferentes tipos de filtración y el tamaño típico de partículas que retienen.

¿Qué es filtración?

Filtrar consiste en separar sólidos que se encuentran suspendidos en un fluido. El fluido puede ser un líquido o un gas. La separación se logra a través de un medio poroso, como:

• Canasta metálica perforada.
• Tamiz metálico: es una malla. También se le llama criba o cedazo.
• Cama formada por partículas granulares (arena, zeolita, antracita, granate…).
• Tela tejida con hilos de un polímero o con fibras naturales, como el algodón: la que se usa en los filtros de bolsa o en los filtros prensa.
• Papel: como el que se usa en los laboratorios o en los filtros prensa.
• Cartón: como el que se usa en los filtros prensa.
• Discos.
• Cartucho de un material poroso (hilado, plisado, espuma de un polímero)
• Membranas (de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa).

El medio poroso retiene los sólidos mayores a la abertura de sus poros y permite el paso de las partículas menores y del líquido.

La carrera de ingeniería química se creó a principios del siglo 20 con el objeto de profesionalizar el abordaje (estudio, diseño, operación) de los procesos industriales, y los dividió en dos:

• A aquellos en los que ocurría una reacción química, les llamó procesos unitarios.
• A aquellos en los que únicamente ocurrían cambios físicos o fisicoquímicos, les llamó operaciones unitarias.

Diferencia entre operaciones unitaria y proceso unitario.

El término unitarios o unitarias se refiere al hecho de que los principios que rigen a cada uno de los procesos u operaciones en cuestión son los mismos, independientemente de la industria en la que se aplican.

Por ejemplo, los principios que rigen a la fermentación son los mismos, independientemente de la que ocurre para fabricar alcohol a partir de caña de azúcar, de uva o de agave hidrolizado. Y los principios que rigen a la destilación de petróleo, son los mismos que rigen la destilación de vino de uva, sidra o fermentado de agave.

Entre las operaciones unitarias, un grupo importante es el de aquellas que se aplican para separar componentes de una mezcla. Son tan importantes, que el currículum de ingeniería química les dedica más tiempo que a los procesos unitarios (en los que ocurre una reacción química).

Cuando un método de fabricación tiene como etapa esencial una reacción química, es común que sea más retante y costoso separar el producto final, formado por: el compuesto deseado, subproductos no deseados, reactivos que no reaccionaron y compuestos inertes que formaban parte de los reactivos.

Con el paso del tiempo, en el lenguaje cotidiano del ámbito de la ingeniería y las industrias, a las operaciones unitarias destinadas a la separación se les ha ido llamando procesos de separación o de purificación.

Quizás sería más certero que a la ingeniería química se le llamara ingeniería en procesos de separación.

Entre las operaciones unitarias no destinadas a la separación, están las destinadas a: transportar fluidos, transferir calor (para calentar o enfriar), agitar, mezclar, triturar…

Hasta donde vamos: la filtración es una operación unitaria cuyo fin es la separación de sólidos que se encuentran suspendidos en un fluido. Y en el lenguaje coloquial de la ingeniería, la filtración es un proceso de separación.

Entre los procesos de separación que aplica el ser humano, por mucho, el que más utiliza es la filtración. Muy por detrás están el secado y la adsorción en carbón activado. Y muy por detrás de estos últimos, está la destilación; y no digamos otros.

¿Qué son los procesos de separación por membranas?

Desde el origen de la ingeniería química, la mayor innovación tecnológica en los procesos de separación, son los que se llevan a cabo mediante membranas. Estas se empezaron a utilizar masivamente en las últimas dos décadas del siglo 20. Se aplican al tratamiento de agua y de soluciones acuosas. Se producen cuatro tipos de membranas:

La micra (µ) o micrómetro (µm) es una milésima parte de un milímetro (mm)

Las membranas de microfiltración y ultrafiltración son porosas. Por lo tanto, retienen las partículas que son mayores al tamaño de sus poros.

Las membranas de nanofiltración son porosas, pero también permiten pasar partículas (incluyendo moléculas) por el mecanismo de disolución-difusión (al que también se le conoce como “traslocación”). Este último consiste en que la partícula se disuelve en la membrana y se disuelve en el agua que ha traspasado la membrana.

Las membranas de ósmosis inversa no son porosas. Rechazan o permiten pasar iones y moléculas, por el mecanismo de disolución-difusión. Por lo tanto, a la ósmosis inversa no se le puede considerar un proceso de filtración.

Las membranas se fabrican a partir de polímeros orgánicos sintéticos, como: poliamidas (PA), poliamidas/poliacrilonitrilo (PA/PAN), poliétersulfona (PES), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polisulfona (PSF), polietileno (PE)…

Las membranas retienen partículas más pequeñas que las que retienen el resto de los medios filtrantes.

Figura 1. Comparación de procesos de filtración de agua y rangos de tamaño de las partículas que retienen (Weiner, 2012)

¿Qué es un sólido?

Es un estado de agregación de la materia en el que las moléculas que lo forman se encuentran juntas, mantienen una gran cohesión y oponen resistencia a cambios de forma y de volumen. Los líquidos solamente oponen resistencia a cambios de volumen. Los gases no oponen resistencia a cambios ni de forma ni de volumen.

¿Cuál es el menor tamaño de partícula de un sólido suspendido en agua?

No es posible definir con precisión el tamaño de partícula más pequeña a partir de la que se puede considerar que es un sólido. La American Water Works Association (AWWA), la Water Environmental Federation (WEF) y la American Public Health Association (APHA) publican un método estandarizado para determinar el contenido de sólidos suspendidos totales en agua, en el Standard Methods for the Examination o Water and Waste Water. El método utiliza un filtro de fibra de vidrio con abertura nominal de poros de 1.5 µ. Desde esta perspectiva, no considera sólidos suspendidos a los que no se retienen en el filtro.

Por lo tanto, el método gravimétrico del Standard Methods for the Examination o Water and Waste Water considera sólidos disueltos totales, no solamente a los realmente disueltos, sino a los que no se retienen en el filtro de fibra de vidrio.

Para tener una referencia, la partícula más pequeña que alcanza a detectar el ojo humano tiene un diámetro de entre 50 y 100 µ (es decir, de entre 0.0 y 0.10 mm).

El diámetro promedio del cabello humano está entre 70 µ y 120 µ.

¿Cuál es el rango de tamaño de partícula que retiene un filtro de agua?

Mediante el proceso de filtración, se pueden retener partículas que van de 0.001 micras (en una membrana de nanofiltración) hasta alrededor de 2.5 cm (en un filtro de canasta).

Partículas menores, se pueden retener por ósmosis inversa. Y partículas mayores se suelen retener mediante rejillas metálicas.

¿Cuáles son los parámetros más importantes que definen el diseño de un filtro para líquidos?

¿Qué es filtración de superficie y filtración de profundidad?

Los medios filtrantes retienen partículas de dos maneras:

1. La filtración de superficie ocurre cuando las partículas son más grandes que los poros del medio filtrante. Estas se depositan en la superficie exterior del medio y forman una “torta”.

Figura 2. Filtro de superficie. (Donaldson)

2. La filtración de profundidad ocurre cuando las partículas son más pequeñas que los poros del medio filtrante. La retención ocurre en la estructura interna del medio. filtración de profundidad (Figura 3).

Figura 3. Filtro de profundidad y de poro no fijo. (Donaldson)

Los filtros de superficie pueden limpiarse mediante el raspado de la torta retenida o mediante un chorro de agua.

Los filtros de profundidad no pueden limpiarse con eficiencia, a menos de que el medio filtrante se descompacte.

En la filtración de profundidad, lo medios granulares están hechos de múltiples capas de medios (multimedia). Cuando el fluido pasa a través del filtro, las partículas más grandes que los espacios dentro del medio filtrante son retenidas, acumulándose principalmente en las diferente capas de medios granulares del filtro.

También en la filtración de profundidad se puede utilizar cartuchos filtrantes, Son filtros formados por fibras o materiales comprimidos para formar una matriz que retiene las partículas en la capa superficial e interna, estos pueden tener micrajes graduados de mayor a menor, para evitar un taponamiento prematuro del cartucho.

Para caudales muy altos los filtros de cartucho no son la mejor opción, la recomendación es utilizar filtros de lecho profundo o filtros de discos.

Los filtros de superficie son estructuras intrínsecamente uniformes que, al igual que un tamiz, retienen todas las partículas el mimo tamaño de poro, lo da un control con precisión en su superficie, lo más común es utilizar filtros bolsa o filtros plisados.

¿Cuáles son los métodos de filtración de agua?

La filtración de agua consiste en separar sólidos en suspensión mediante el uso de un medio filtrante (filtro o criba) que retiene las partículas de mayor tamaño y permite el paso del fluido. Este proceso forma parte de los métodos de separación de sustancias más utilizados y, en la práctica, abarca distintas técnicas o sistemas de filtración, cada uno diseñado para lograr diferentes rangos de precisión según la industria o aplicación específica.

Entre los métodos más comunes se encuentran la filtración con filtros de cartucho, la filtración con arena sílica, el uso de filtros multicama (o multimedia), los filtros de discos, la ultrafiltración, la nanofiltración y la ósmosis inversa. La elección del método depende de factores como la calidad del agua de entrada, el tipo de contaminantes presentes y el nivel de pureza requerido en el proceso.

Filtración de agua con filtros de cartucho

Son uno de los productos para la filtración más usados por su utilidad para eliminar sedimentos y partículas en el agua. Los sólidos que suele haber en el agua son a causa de la escorrentía de aguas pluviales y tuberías en mal estado que pueden dejar sedimentos en el agua. Por lo general, el agua que sale de tuberías en mal estado y tiende a decolorarse e imposibilita su uso en hogares y negocios.

Es muy probable que ocurran incidentes como la obstrucción y degradación de calentadores de agua, refrigeradores, accesorios de ducha, válvulas. Para estos casos, los operadores de tratamiento de agua utilizan los filtros de cartucho para garantizar el uso de agua limpia.

Estos cartuchos utilizan un proceso de filtración mecánica que evita físicamente el flujo de sólidos que se encuentran en el agua, haciendo la función de una especie de agua. Estos filtros si son de alta calidad, contienen porosidad de un tamaño adecuado para que el agua fluya sin que puedan pasar los sedimentos.

Los cartuchos pueden recoger grandes cantidades de suciedad si son utilizados en superficies de gran tamaño. Los filtros de cartucho son capaces de eliminar las partículas suspendidas mediante el uso de una construcción de profundidad de densidad gradiente.

Filtración de agua con arena sílica

La arena sílica sirve como apoyo para tratamientos de agua potable, aguas negras y residuales, pozos profundos, acuarios y decorativos. Este tipo de arena es muy utilizada en filtros industriales para procesar aguas residuales y filtrar agua limpia.

Una característica especial de la arena sílica es que cuenta con un tamaño de grano similar entre sí y es un material que no se degrada y resiste a las impurezas del agua, como solventes, ácidos, compuestos orgánicos y contaminantes.

Este material es usado para filtración de aguas con cargas bajas o medianas de contaminantes que requieren una retención de partículas de hasta 20 micras de tamaño.

La calidad de filtración puede variar dependiendo parámetros como la forma del filtro, altura del lecho filtrante, características y granulometría del medio filtrante. Por último, cabe aclarar que su función principal en los filtros es atrapar los contaminantes que flotan en el líquido y dejan pasar el agua.

Una ventaja del filtro de arena, es que requiere mayor flujo de retrolavados que los demás filtros de lecho profundo, y esto hace que se haga en un menor tiempo la limpieza del filtro, por lo tanto, hay ahorro de agua y tiempo.

Filtración con filtros multicama o multimedia

Este tipo de filtros tienen la misión de remover sólidos suspendidos en el agua con un tamaño de hasta 15 micrómetros o micras. Esto quiere decir, el polvo, polen, basuras pequeñas, insectos, etc. que tenga sea mayor a la medida anteriormente mencionada, quedara retenida en filtros para después ser desechados por el drenaje al momento del retro lavado.

A este tipo de filtros también se les conoce como filtros de lecho profundo en donde la cama superior de material filtrante cuenta con un mayor tamaño de fragmentos, después el agua pasa a una capa de menor tamaño para al final pasar por una capa fina de fragmentos finos en el inferior soportado por grava.

Por lo general la forma de estos filtros es cilíndrica y vertical, están hechas de acero, al carbón o inoxidable y en su interior contienen polietileno interior y fibra de vidrio por todo el exterior.

A grandes rasgos estos filtros funcionan de la siguiente manera, el agua entra por la parte superior del filtro y va fluyendo por las camas de manera descendente, el agua se recolecta en la parte inferior de la cama gracias a unos difusores. Los filtros multicama deben retrolavarse después de un cierto periodo de servicio para poder expulsar los sólidos que retuvo y provocar movimiento en las diferentes camas del mismo y así evitar su cementación.

Por lo regular la cama o multicama está formada por:

• Antracita
• Arena sílica
• Garnet
• Grava sílica de soporte.

Filtración con filtros de discos

Los filtros de disco tienen como función principal la retención de sólidos en el agua. En un inicio fueron pensados para filtrar el agua de riego y conforme fue usado se encontraron la variedad de funciones que este tiene en la filtración de agua industrial y doméstico.

Los discos tienen forma de anillo que al momento de ponerse uno sobre otro dejan un hueco central y cada disco cuenta con ranuras que son más abiertas en su perímetro exterior y más estrechas en su interior, su rango de filtración es de 5 hasta 400 micras, aunque típicamente se usan para grandes volúmenes con una filtración de entre 100 y 130 micras. Su eficacia no es solo por sus ranuras, sino por su geometría, ángulo, intersecciones, longitud y cantidad.

En cuanto a su funcionamiento el agua fluye del exterior hacia el canal del centro, los sólidos van quedando en los canales los más grandes en la parte exterior y los más pequeños llegan a la parte interior. Este funcionamiento minimiza la frecuencia con la que será necesario limpiar discos, por lo tanto, tiene un funcionamiento parecido a un filtro de profundidad.

La mayor ventaja de los filtros de discos en el ahorro en espacio, ya que se pueden formar una pila de discos que pueden crecer por módulos de manera vertical u horizontal, pero lo mejor es el ahorro de agua, que aproximadamente en un 10 y 30 % de ahorro vs. lecho profundo, pero la opción de filtros de discos asistido o mezclado con aire a presión puede ser de un 80 a 90% de ahorro, comparado con el agua que utilizan los filtros de lecho profundo.

Filtración con membranas de ultrafiltración

La ultrafiltración es un proceso de separación por membrana que se usa en el tratamiento de agua que hace posible la separación mecánica de sólidos suspendidos o disueltos entre 0.01 a 0.1 μm (micrómetros).

Las membranas de ultrafiltración están en contacto con dos fases líquidas a distinta presión hidrostática y habrá componentes de la fase líquida que irán del lado de alta presión al de baja presión.

Las pequeñas partículas que se encuentran disueltas en el líquido pueden pasar a través de la membrana porosa, mientras que las grandes moléculas disueltas y sólidos que se encuentren suspendidos serán retenidos.

La ultrafiltración es usada generalmente como pretratamiento en aguas superficiales, agua de mar, aguas subterráneas, tratamiento de aguas grises, efluentes tratados de manera biológica y como pretratamiento de agua para volver a ser tratada con sistemas de desmineralización de membrana.

Filtración con membranas de nanofiltración

Este método de filtración llamado nanofiltración suele ser usado en aguas de bajos sólidos que se encuentran disueltos totalmente. Este sistema se podría considerar entre la ósmosis inversa y la ultrafiltración por los niveles para separar que permite y las presiones que necesita para su aplicación, los sólidos retenidos están entre 0.001 a 0.01 μm (micrómetros).

Por lo general este proceso es utilizado para el ablandamiento o suavización del agua, para eliminar metales pesados en aguas residuales, para descontaminar aguas residuales, para pretratar el agua antes de la ósmosis inversa, sirve para eliminar nitratos o quitar colores.

Funciona mediante presión en membranas que permiten la concentración de los solutos orgánicos, por lo tanto, los solutos de bajo peso molecular son retenidos, pero las sales si pueden pasar total o parcialmente a través de la membrana.

Hay dos tipos de membranas para nanofiltración: las de espiral y las tubulares, las primeras son más sensitivas con la polución, aunque su calidad es inferior a las tubulares.

Filtración de agua con membranas de ósmosis inversa

En este método de filtración se hace pasar al agua por una solución concentrada a través de membranas que son semipermeables. La presión aplicada en el agua es superior a la osmótica y así las sales quedan retenidas.

Las membranas semipermeables solo dejan pasar ciertos tipos de iones, al pasar el agua a través de las membranas y los iones disueltos quedan retenidos. Cabe aclarar que la presión en el agua es equivalente a la sal que contiene la misma.

La ósmosis inversa tiene 3 corrientes, la alimentación, el concentrado:

• La corriente de alimentación, es la corriente del agua que entra.
• Existen dos tipos de corrientes de agua en el permeado que es el agua purificada y el concentrado.
• El concentrado se refiere al agua que no pudo pasar en la membrana y que además contiene las sales rechazadas.

La filtración por ósmosis inversa, es el método de purificación más usado en nuestros tiempos, al ser muy eficaz eliminando casi todos los iones del agua, por la masificación de su uso, se ha abaratado y replicado por muchos fabricantes.

Referencias

• Wakeman, Richard J., Solid/liquid separation: principles of industrial filtration, Elsevier, 2005. principles of industrial filtration. Elsevier.
• AWWA, Water Quality &Treatment a Handbook of Community Water Supplies, McGraw-Hill, 1999. Water Quality &Treatment a Handbook of Community Water Supplies. McGraw-Hill.
• Prueba para determinar los sólidos suspendidos totales. Consultado en internet el 20 enero 2023 (https://www2.gov.bc.ca/assets/gov/environment/research-monitoring-and-reporting/monitoring/emre/methods/solids_total_suspended_tss_-_pbm.pdf)
• Asociación Española de Desalación y Reutilización. Consultado en internet el 20 enero 2023 (https://aedyr.com/diferencias-microfiltracion-ultrafiltracion-nanofiltracion-osmosis-inversa/#:~:text=La%20principal%20diferencia%20entre%20ambos,en%20el%20proceso%20de%20filtraci%C3%B3n).

Elaboración y revisiones

Elaboró: GGC 23 ene 2023

Revisó:

¿Te interesa conocer en específico algún método de separación en filtración?

Sigue leyendo los siguientes artículos:

Microfiltración:

La microfiltración es un proceso de filtración por medio de un medio microporosa que retiene lo sólidos suspendidos de un fluido. El tamaño de poro de la membrana oscila desde 0.1 hasta 1 micras o micrones.

La filtración por microfiltración en el mercado típicamente se hace por medio de filtros de cartucho, filtración de discos y filtros de lecho profundo.

¿Qué es la microfiltración?

Nanofiltración:

La nanofiltración es un proceso de filtración por medio de una membrana nanoporosa que se utiliza en aguas de bajos sólidos disueltos totales. El propósito es quitar los iones polivalentes, además de desinfectarla mediante la retención de materia orgánica.

¿Qué es la nanofiltración?

Ultrafiltración:

Es un proceso de separación basado en una membrana porosa con aberturas de entre 0.01 y 0.1 micras.

Las membranas de ultrafiltración son más cerradas en comparación a la microfiltración, pero más abiertas que la nanofiltración y ósmosis inversa. Las membranas trabajan con baja presión, lo que resulta en menores costos de operación. Además, son muy eficaces como tratamiento previo a la ósmosis inversa, y a su vez cuentan con un sistema de retro lavado, lo que les proporciona un mayor tiempo de vida.

¿Qué es la ultrafiltración?

Ósmosis inversa:

La ósmosis inversa aunque podría llamarse un método de purificación muy fina, al final es por medio de una filtración a nivel de Angstroms.

Ósmosis inversa (OI) es un proceso en el cual se reduce el caudal a través de una membrana semipermeable y se ejerce una fuerza de empuje superior a la presión osmótica en dirección opuesta al  proceso de ósmosis (Figura 1). De esta forma se logra separar las sustancias que se encuentran en el agua en un lado de la membrana (concentrado) y del otro lado se obtiene una solución diluida baja en sólidos disueltos (permeado).

¿Qué es la ósmosis inversa?