miniaturadeimagen| Filtro de arena utilizado para el tratamiento de agua|300x300px Los filtros de arena se utilizan como un paso en el proceso de tratamiento del agua para su purificación. Hay tres tipos principales: filtros de arena rápidos (por gravedad), filtros de arena de flujo ascendente y filtros de arena lentos. Los tres métodos se utilizan ampliamente en la industria del agua en todo el mundo. Los dos primeros requieren el uso de productos químicos floculantes para funcionar eficazmente, mientras que los filtros de arena lentos pueden producir agua de muy alta calidad con una eliminación de patógenos del 90% al >99% (dependiendo de las cepas), sabor y olor sin necesidad de ayudas químicas. Los filtros de arena, además de utilizarse en las plantas de tratamiento de agua, pueden emplearse para la purificación del agua en los hogares, ya que utilizan materiales que están al alcance de la mayoría de la gente.
Historia La historia de las técnicas de separación se remonta a tiempos muy lejanos, ya que los materiales filtrantes ya se utilizaban en la antigüedad. Los juncos y las plantas genistas se utilizaban para llenar recipientes de tamizado que separaban los materiales sólidos y líquidos. Los egipcios también utilizaban recipientes de arcilla porosa para filtrar el agua potable, el vino y otros líquidos.
Concepto de filtración en lecho de arena miniaturadeimagen| Filtros de arena en una explotación de tomates en California Un filtro de lecho de arena es una especie de filtro de profundidad. En términos generales, existen dos tipos de filtros para separar partículas sólidas de fluidos:
Filtros de superficie, en los que las partículas se capturan en una superficie permeable. Filtros de profundidad, en los que las partículas se capturan dentro de un cuerpo poroso de material.A. Rushton, A. S. Ward, R. G. Holdich (1996). Introduction to Solid-Liquid Filtration and Separation Technology. Wiley VCH.
Además, existen dispositivos pasivos y activos para provocar la separación sólido-líquido, como tanques de sedimentación, filtros de malla autolimpiables, hidrociclones y centrifugadorasA. Rushton, A. S. Ward, R. G. Holdich (1996). Introduction to Solid-Liquid Filtration and Separation Technology. Wiley VCH.
Hay varios tipos de filtros de profundidad, algunos con material fibroso y otros con material granular. Los filtros de lecho de arena son un ejemplo de filtro de profundidad de material granular suelto. Suelen utilizarse para separar pequeñas cantidades (<10 partes por millón o <10 g por metro cúbico) de sólidos finos (<100 micrómetros) de soluciones acuosas.Coulson, J. M.; Richardson, J. F.; Backhurst, J. R., Harker, J. H. (1991). Chemical Engineering. Vol.2, 4th ed. . Además, suelen utilizarse para purificar el fluido más que para capturar los sólidos como material valioso. Por ello, encuentran la mayoría de sus usos en el tratamiento de efluentes líquidos (aguas residuales).
Mecanismos de captura de partículas sólidas Los filtros de lecho de arena funcionan proporcionando a las partículas sólidas muchas oportunidades de ser capturadas en la superficie de un grano de arena. A medida que el fluido fluye a través de la arena porosa por un recorrido tortuoso, las partículas se acercan a los granos de arena. Pueden ser capturadas por uno de varios mecanismos:
Colisión directa Atracción por la fuerza de Van der Waals o de London Atracción por carga superficial DifusiónA. Rushton, A. S. Ward, R. G. Holdich (1996). Introduction to Solid-Liquid Filtration and Separation Technology. Wiley VCH.
Además, se puede evitar que las partículas sólidas sean capturadas por la repulsión de la carga superficial si la carga superficial de la arena es del mismo signo (positivo o negativo) que la de las partículas sólidas. Además, es posible desalojar las partículas capturadas, aunque pueden volver a ser capturadas a mayor profundidad dentro del lecho. Por último, un grano de arena que ya está contaminado con sólidos particulados puede volverse más atractivo o repeler los sólidos particulados de adición. Esto puede ocurrir si al adherirse al grano de arena la partícula pierde carga superficial y se vuelve atractiva para las partículas adicionales o lo contrario y se mantiene la carga superficial repeliendo más partículas del grano de arena.
En algunas aplicaciones, es necesario pretratar el efluente que fluye hacia un lecho de arena para garantizar que se puedan capturar las partículas sólidas. Esto se puede lograr mediante uno de varios métodos:
Ajuste de la carga superficial de las partículas y de la arena mediante la modificación del pH Coagulación: adición de pequeños cationes altamente cargados (normalmente se utiliza aluminio 3+ o calcio 2+) Floculación: adición de pequeñas cantidades de cadenas de polímeros cargados que forman un puente entre las partículas sólidas (haciéndolas más grandes) o entre las partículas sólidas y la arena.
Regímenes de funcionamiento Pueden funcionar con fluidos ascendentes o descendentes, siendo estos últimos mucho más habituales. En el caso de los dispositivos de flujo descendente, el fluido puede fluir a presión o sólo por gravedad. Los filtros de lecho de arena a presión suelen utilizarse en aplicaciones industriales y suelen denominarse filtros de lecho de arena rápidos. Las unidades alimentadas por gravedad se utilizan en la purificación del agua, especialmente del agua potable, y estos filtros han encontrado un amplio uso en los países en desarrollo (filtros de arena lentos).
En general, hay varias categorías de filtros de lecho de arena:
filtros de arena rápidos (por gravedad) filtros de arena rápidos (de presión) filtros de arena de flujo ascendente filtros de arena lentos
El esquema ilustra la estructura general de un filtro de arena de presión rápido. La arena del filtro ocupa la mayor parte del espacio de la cámara. Se asienta sobre un suelo de boquillas o sobre un sistema de drenaje que permite la salida del agua filtrada. El agua bruta pretratada entra en la cámara de filtrado por la parte superior, fluye a través del medio filtrante y el efluente se drena a través del sistema de drenaje en la parte inferior. Las grandes plantas de proceso tienen también un sistema implementado para distribuir uniformemente el agua bruta al filtro. Además, suele incluirse un sistema de distribución que controla el flujo de aire. Este sistema permite una distribución constante del aire y del agua y evita caudales de agua demasiado elevados en zonas específicas. Una distribución típica de los granos sale debido al retrolavado frecuente. Los granos de menor diámetro predominan en la parte superior de la capa de arena, mientras que los granos gruesos dominan en las partes inferiores.
Dos procesos que influyen en la funcionalidad de un filtro son la maduración y la regeneración. Al principio de un nuevo funcionamiento del filtro, la eficacia del filtro aumenta simultáneamente con el número de partículas capturadas en el medio. Este proceso se denomina maduración del filtro. Durante la maduración del filtro, el efluente puede no cumplir con los criterios de calidad y debe ser reinyectado en pasos anteriores de la planta. Los métodos de regeneración permiten la reutilización del medio filtrante. Se eliminan los sólidos acumulados en el lecho filtrante. Durante el retrolavado, el agua (y el aire) se bombea hacia atrás a través del sistema de filtrado. El agua de retrolavado puede ser parcialmente reinyectada delante del proceso de filtrado y las aguas residuales generadas deben ser desechadas. El tiempo de retrolavado viene determinado por el valor de turbidez detrás del filtro, que no debe superar un umbral establecido, o por la pérdida de carga a través del medio filtrante, que tampoco debe superar un valor determinado.
Diseño de filtro de lecho de arena de presión rápida miniaturadeimagen| Filtro de presión rápida 1=agua bruta, 2=agua filtrada, 3=depósito, 4=agua de lavado de entrada, 5=agua de lavado de salida, 6=línea de retracción, 7=aire de barrido, 8=inyector, 9=capa de soporte, 10=arena de filtrado, 11=embudo de lavado, 12=ventilación Los granos de arena más pequeños proporcionan más superficie y, por tanto, una mayor descontaminación del agua de entrada, pero también requieren más energía de bombeo para impulsar el fluido a través del lecho. Un compromiso es que la mayoría de los filtros de lecho de arena de presión rápida utilizan granos en el rango de 0,6 a 1,2 mm, aunque para aplicaciones especializadas pueden especificarse otros tamaños. Las partículas de alimentación más grandes (>100 micrómetros) tenderán a bloquear los poros del lecho y lo convertirán en un filtro de superficie que se ciega rápidamente. Se pueden utilizar granos de arena más grandes para superar este problema, pero si hay cantidades significativas de sólidos grandes en la alimentación, deben eliminarse antes del filtro de lecho de arena mediante un proceso como la decantación:Coulson, J. M.; Richardson, J. F.; Backhurst, J. R., Harker, J. H. (1991). Chemical Engineering. Vol.2, 4th ed. . 302-303
Se recomienda que la profundidad del lecho de arena sea de unos 0,6-1,8 m, independientemente de la aplicación. Esto está relacionado con el rendimiento máximo que se comenta a continuación.Coulson, J. M.; Richardson, J. F.; Backhurst, J. R., Harker, J. H. (1991). Chemical Engineering. Vol.2, 4th ed. .
Las orientaciones sobre el diseño de los filtros de lecho de arena rápidos sugieren que deben funcionar con un caudal máximo de 9 m3/m2/hora.K. J. Ives (1990). "Deep Bed Filtration". Chap. 11 of Solid-Liquid Separation, 3rd ed., L. Svarovsky (ed). Butterworths. A partir del caudal necesario y del flujo máximo, se puede calcular la superficie necesaria del lecho.
El último punto clave del diseño es asegurarse de que el fluido se distribuya correctamente por el lecho y que no haya caminos preferentes para el fluido en los que la arena pueda ser arrastrada y el filtro se vea comprometido.
Los filtros de lecho de arena de presión rápida suelen funcionar con una presión de alimentación de 2 a 5 bar(a) (28 a 70 psi(a)). La caída de presión a través de un lecho de arena limpio suele ser muy baja. Aumenta a medida que se capturan las partículas sólidas en el lecho. Las partículas sólidas no se capturan de manera uniforme con la profundidad, sino que se capturan más en la parte superior del lecho y el gradiente de concentración decae exponencialmente.Coulson, J. M.; Richardson, J. F.; Backhurst, J. R., Harker, J. H. (1991). Chemical Engineering. Vol.2, 4th ed. .
Este tipo de filtro captura partículas hasta tamaños muy pequeños y no tiene un tamaño de corte real por debajo del cual las partículas siempre pasan. La forma de la curva de eficiencia del tamaño de las partículas del filtro es una forma de U con altas tasas de captura de partículas para las partículas más pequeñas y más grandes con una caída en el medio para las partículas de tamaño medio.K. J. Ives (1990). "Deep Bed Filtration". Chap. 11 of Solid-Liquid Separation, 3rd ed., L. Svarovsky (ed). Butterworths.