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Filtración de agua y de soluciones acuosas

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.

 

Operación unitaria

Proceso unitario
Etapas del proceso donde se producen cambios netamente físicos

Etapas del proceso donde se produce una reacción química

Ejemplos:
Ejemplos:
Destilación
Oxidación
Evaporación
Combustión
Secado
Pirólisis
Extracción
Hidrogenación
Filtración
Polimerización
Cristalización
Fermentación
Absorción
Saponificación
Humidificación
Electrólisis
Etc.
Etc.

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:

Membrana
Rango aproximado de diámetro de moléculas, iones o partículas que retiene

(µ, micras)

Microfiltración
0.10 a 1.0
Ultrafiltracón
0.01 a 0.10
Nanofiltración
0.001 a 0.01
Ósmosis inversa (también llamada “hiperfiltración”)
0.0001 a 0.001
Unidad de medida de longitud
Equivale a:
1 m
1000 mm
1 mm
1000 µ o µm
1 µ o µm
1000 nm (nanómetros)
1 nm
10 Å (angstroms)

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.

 

Procesos de filtración de agua y líquidos y rangos de tamaño de las partículas que retienen 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?

Parámetro
¿Qué define el parámetro en el diseño del filtro?
Tamaño de partícula de los sólidos que requieren retenerse
Porosidad del medio filtrante
Máxima fuga permisible de sólidos en el líquido filtrado
Porosidad del medio filtrante
Flujo volumétrico que requiere filtrarse y concentración de sólidos que requieren retenerse
Si estas dos variables llevan a que el medio filtrante se colmate muy pronto, es necesario un método de limpieza (retrolavado, raspado u otro) automático
Flujo volumétrico que requiere filtrarse
Dimensiones del filtro
Propiedades químicas del líquido a tratar
Materiales de construcción del filtro (de la base, la carcaza y el medio filtrante)
La presión y la temperatura del líquido a tratar
Materiales de construcción del filtro (de la base, la carcasa y el medio filtrante)

 

¿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”.

Filtración de agua método de superficie. (Donaldson)

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).

Filtración de agua a profundidad y de poro no fijo. (Donaldson)

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

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?

Necesitas más información, escríbenos.

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