Los filtros de profundidad son filtros que utilizan un medio de filtración poroso para retener partículas en todo el medio, en lugar de solo en la superficie del medio. La filtración de profundidad, caracterizada por múltiples capas porosas con profundidad, se utiliza para capturar los contaminantes sólidos de la fase líquida. [1] Estos filtros se utilizan comúnmente cuando el fluido a filtrar contiene una gran carga de partículas porque, en comparación con otros tipos de filtros, pueden retener una gran masa de partículas antes de obstruirse. [2]
Se han implementado varios diseños para garantizar procesos factibles manteniendo el objetivo principal de los filtros de profundidad.
El uso de filtros de arena de lecho profundo como paso final en el tratamiento de agua potable municipal ha aumentado significativamente durante la última década, y sus aplicaciones abarcan desde la clarificación y el procesamiento de agua potable hasta plantas de tratamiento de aguas residuales donde se requiere pulir las aguas residuales antes de descargarlas. [1]
Los principales procesos de filtración en lecho profundo que se utilizan actualmente son la filtración directa y la filtración por floculación por contacto. La filtración directa implica un breve período de prefloculación seguido del proceso de filtración. [7] En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la mayoría de los sólidos suspendidos y otros contaminantes se eliminan con éxito después de las etapas de tratamiento primario y secundario. Para eliminar los sólidos y compuestos orgánicos restantes de la corriente de aguas residuales, se utiliza el método de filtración directa con floculación previa. Como el proceso de separación de contaminantes tiene lugar en el medio filtrante, es necesario controlar periódicamente factores como el tiempo de floculación, la velocidad de filtración y la dosis de floculante, ya que pueden afectar directamente al tamaño del floculante producido. Esto es vital para el proceso a fin de evitar posibles obstrucciones o bioobstrucciones del lecho filtrante.
Las ventajas asociadas con este proceso incluyen la capacidad de producir floculante de gran tamaño, que luego se puede filtrar. La otra ventaja del método de filtración en profundidad es la flexibilidad en la elección de la disposición del filtro, que permite obtener altas capacidades de almacenamiento de sólidos, al tiempo que se mantiene la tasa de consumo de energía dentro de un rango aceptable. [1] La desventaja de utilizar la filtración directa es que los microbios pueden crecer dentro de los canales del filtro y, por lo tanto, reproducirse a lo largo de largos períodos de funcionamiento. Esta reproducción de organismos dentro de la matriz del filtro puede provocar la contaminación del filtrado.
La filtración en profundidad también se utiliza ampliamente para la clarificación de cultivos celulares. Los sistemas de cultivo celular pueden contener levaduras, bacterias y otras células contaminantes y, por lo tanto, una etapa de clarificación eficiente es vital para separar las células y otra materia coloidal para producir un sistema celular libre de partículas [9]. La mayoría de los filtros de profundidad utilizados en procesos farmacéuticos, como la recolección de sistemas celulares, están compuestos de fibras de celulosa y coadyuvantes de filtración. El diseño de flujo directo en filtros de profundidad proporciona una solución económicamente adecuada al atrapar los contaminantes dentro del canal del filtro al tiempo que garantiza la máxima tasa de recuperación del producto. Las otras ventajas de este sistema incluyen sus bajos costos de energía, ya que las bombas utilizadas en filtros de profundidad requieren una entrada de energía mínima debido a la pequeña presión dentro del sistema. La filtración en profundidad también es flexible en términos de poder aumentar o reducir la escala del sistema al tiempo que se obtiene una alta tasa de rendimiento (> 95%). [8]
Además de la filtración en profundidad, también se utilizan varios métodos de filtración por membrana para diferentes aplicaciones industriales, como la ósmosis inversa, la nanofiltración y la microfiltración. [9] Estos utilizan el mismo principio, rechazando contaminantes más grandes que el tamaño del filtro. La principal característica distintiva entre ellos es su tamaño de poro efectivo. Por ejemplo, la microfiltración funciona permitiendo que las partículas grandes pasen a través del medio filtrante, mientras que la ósmosis inversa rechaza todas las partículas excepto las especies muy pequeñas. La mayoría de los filtros de membrana se pueden utilizar para la filtración final, mientras que los filtros de profundidad tienden a ser más efectivos cuando se utilizan en aplicaciones de clarificación, [10] por lo tanto, una combinación de los dos procesos puede proporcionar un sistema de filtración adecuado, que se puede adaptar a muchas aplicaciones.
Las características del proceso, como la tasa de filtración y el medio filtrante, son consideraciones de diseño importantes y tienen un gran impacto en el rendimiento del filtro, por lo que es necesario un monitoreo y una evaluación continuos para garantizar un mayor control sobre la calidad del proceso.
El caudal se define como la relación entre la fuerza motriz y la resistencia del filtro. Los dos tipos convencionales de diseños de filtros de profundidad: los filtros rápidos y lentos funcionan con velocidades de 5 a 15 m/h y de 0,1 a 0,2 m/h respectivamente; mientras que los filtros de arena presurizados tienen caudales de diseño de 238 L/min. [11] Durante el funcionamiento, el caudal de filtrado disminuye debido al aumento de la resistencia del filtro a medida que las partículas se alojan en el medio. La tasa de filtración afecta a la tasa de obstrucción, y las tasas de filtrado altas provocan una acumulación más rápida. Las pruebas piloto demuestran que cuanto mayor es la tasa de filtrado, menor es el área de filtrado, mientras que el aumento de la tasa de filtrado reduce el tiempo de ruptura, reduce el tiempo de pérdida de carga (aumenta la pérdida de carga) y da como resultado recorridos más cortos y profundidades óptimas más bajas. También demuestran que se pueden lograr tasas de filtrado más altas utilizando medios de mayor diámetro y mayor profundidad de medio. Las tasas de filtración altas dependen del diseño del medio, y el diseño de tasa de filtración más alta en servicio es de 13,5 gpm/ft2. [11]
Fuente: [12]
El retrolavado es una operación importante que se emplea para eliminar los sólidos filtrados, ya que esta acumulación hace que la resistencia a la filtración aumente con el tiempo. El retrolavado implica invertir la dirección del flujo de líquido mientras se utiliza líquido limpio. [13] Este proceso se emplea durante tiempos en el rango de 5 a 15 minutos con caudales típicos por unidad de área en el rango de 6,8 a 13,6 L/m2.s. [13] La mayoría de los diseños suelen emplear el retrolavado una vez al día de funcionamiento. El funcionamiento de los filtros de profundidad es inherentemente cíclico debido a la necesidad de eliminar los sólidos acumulados durante el proceso, por lo que normalmente se utilizan dos o más unidades para que el retrolavado no interfiera con la filtración. El retrolavado eficaz se produce cuando el medio filtrante está fluidizado. Los caudales de fluidización suelen estar en el rango de 20 a 50 gpm/ft2. [13]
Se ha informado que las tasas de eliminación de filtros de arena presurizados con medios que normalmente están en el rango de 0,3 a 0,5 mm son del 95 % para partículas tan pequeñas como 6 μm con un tamaño de medio de 0,3 mm y del 95 % para partículas tan pequeñas como 15 μm para un tamaño de medio de 0,5 mm. [14]
Existe una variedad de medios filtrantes que pueden emplearse en procesos de filtrado en profundidad, siendo el más común la arena. La elección del medio filtrante tiene efectos sobre la velocidad de filtrado, la turbidez y el área de superficie del filtro. La pérdida de carga del lecho limpio (caída de presión) es sensible al diámetro del medio, donde el aumento del diámetro del medio da como resultado un mayor tiempo para la pérdida de carga de diseño. [11] Sin embargo, el aumento del diámetro del medio y la velocidad de filtrado da como resultado la degradación de la turbidez del efluente. [13] Para compensar, se puede aumentar la profundidad del medio para reducir los efectos sobre la turbidez del efluente. El valor máximo de la profundidad del medio utilizado en los diseños hasta ahora para la filtración de alta velocidad es de 100 pulgadas, mientras que el tamaño máximo del medio utilizado en los pilotos es de 2 mm de diámetro. [11] La arena, la magnetita, el coque y la antracita son los medios de partículas más utilizados en la industria, en particular por su amplia disponibilidad.
Tabla [1] Características de proceso/diseño de lechos filtrantes monomedios para tratamiento de aguas residuales (lecho profundo): [13]
Tabla [2] Parámetros de diseño para filtros de profundidad de presión: [13]
La filtración en profundidad se puede utilizar en el pretratamiento, eliminando partículas suspendidas de un fluido transportador que se pretende utilizar como corriente de alimentación o en el contexto de la clarificación, donde se eliminan partículas para purificar una corriente de producto.
En el diseño de filtros de profundidad se adoptan varias heurísticas para garantizar un funcionamiento constante durante toda la vida útil del filtro.
La relación entre la retención y el tamaño de las partículas no es una función escalonada. Las partículas más grandes son retenidas fácilmente por el medio filtrante; sin embargo, las partículas que se encuentran en el rango intermedio entre las partículas nominales y los componentes de desecho son más difíciles de conservar y, como resultado, a menudo se pierden como componente de desecho.
Para maximizar el paso de retención para una variedad de tamaños de partículas, los medios filtrantes se disponen en capas de manera tal que las secciones con un mayor tamaño de poro estén más cerca de la corriente de entrada, capturando partículas de mayor tamaño. Los tamaños de poro disminuyen a medida que se acercan a la corriente de salida. Al adoptar este método, los medios filtrantes se adaptan a una gama más amplia de tamaños de partículas, lo que da como resultado un mayor control de la retención y extiende la vida útil del filtro. [15]
La selección del filtro depende de una serie de variables, como la carga, la duración, la forma, el tamaño y la distribución de la sustancia que se desea filtrar. Lo ideal es que, si el medio es demasiado grande, el filtrado sea de mala calidad, ya que no podrá recoger las partículas dentro de su matriz. Por el contrario, si el medio es muy pequeño, los sólidos se acumularán en la superficie del cartucho, lo que provocará bloqueos casi inmediatos. En lo que respecta a la forma, los granos que tienen forma redonda tienden a erosionarse debido a la presión que la corriente de entrada puede ejercer sobre el sistema, mientras que los granos que son planos (pueden aumentar el área de superficie) pueden flotar fuera del sistema durante el retrolavado. A menudo se recomienda utilizar como medio de partículas partículas que tienen una dureza alta en la escala de Mohs y una gravedad específica relativamente alta. Cuanto más blando y ligero sea el material, más susceptible será a la erosión y la fluidización. Por lo tanto, a menudo se utilizan partículas como sílice y arena, ya que son asequibles, pero son resistentes a los altos flujos del fluido entrante. El coeficiente de uniformidad es una medida de la uniformidad del material utilizado dentro del filtro. Es una relación entre el tamaño de poro de un tamiz que permite el paso del 60% del material y el tamaño de poro que permite el paso del 10%. Cuanto más cercana sea la relación a uno, más parecidas son las partículas en tamaño. Un sistema ideal tendría un coeficiente entre 1,3 y 1,5 y no debe superar 1,7. Cualquier valor inferior a 1,3 es una indicación de que no es necesario para el sistema y puede dar lugar a mayores costes sin proporcionar ninguna forma adicional de optimización. Un valor superior a 1,5 indica que el sistema puede experimentar una mayor caída de presión y, como se ha mencionado, puede dar lugar a obstrucciones, filtración del flujo de residuos y reducción de la tasa de filtración. [16] Como guía, se recomienda que las partículas más pequeñas utilizadas en los filtros de profundidad se coloquen al menos a 150 mm de la corriente de salida para evitar la fluidización. [16]
Los filtros de profundidad funcionan como filtros de extremo cerrado y la velocidad de las corrientes de entrada es crucial para el rendimiento del filtro. Las corrientes de entrada de alta velocidad con partículas relativamente grandes pueden provocar obstrucciones y desgaste del medio filtrante. Esto provocará un aumento en la caída de presión del sistema. En situaciones en las que el medio filtrante está obstruido y la caída de presión aumenta continuamente, es común que las partículas y corrientes de desechos se filtren a través de las zonas dentro del cartucho y pasen a través de la corriente de salida, lo que no produce purificación.
Para minimizar los efectos de la obstrucción y la acumulación de partículas, un sistema de retrolavado debe permitir aproximadamente entre el 1 y el 5 % del caudal total como retrolavado, operando a aproximadamente 6-8 bar. Más allá de este rango, las partículas pueden fragmentarse, lo que dificulta su eliminación del sistema y potencialmente causar fluidización del sistema. [14]
El objetivo principal de un filtro de profundidad es actuar como un clarificador, separando los sólidos suspendidos de una corriente de líquido de flujo a granel y, como resultado, se emplea dentro de la etapa final de un proceso de separación. Por convención, los filtros de profundidad constan de una única corriente de salida de un líquido purificado que retiene las partículas de desechos dentro de su sistema. Debido a su longitud, tiene una mayor capacidad de retención de residuos que los filtros estándar. En términos de una corriente de desechos, a menudo la corriente de salida puede reciclarse en un filtro posterior para garantizar que la corriente esté libre de partículas. También puede producirse una corriente de desechos al limpiar el medio filtrante, ya que el agua pasa en la dirección opuesta, los residuos atrapados dentro del medio filtrante o las partículas del medio que se han desplazado pueden emerger de la unidad antes de que se eliminen adecuadamente. [12]
Con los avances continuos en las tecnologías de proceso, los filtros de profundidad se han modificado para mejorar su viabilidad dentro de una variedad de sectores industriales.