Membranas cerámicas: Las altas densidades de empaque del área de filtración mejoran el rendimiento de la membrana

Se han desarrollado nuevas membranas cerámicas tubulares que proporcionan una alta densidad de empaquetamiento del área de filtración. Estos nuevos elementos filtrantes de membrana cerámica han sido probados en estudios de casos en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales aceitosas. Steffen Heidenreich y Winfried Michell de Pall Filtersystems GmbH describen los hallazgos.

Los elementos filtrantes de membrana cerámica Schumasiv fabricados por Pall Corporation se han utilizado con éxito en diferentes aplicaciones durante muchos años. Algunos ejemplos son la separación de agua y aceite de condensados ​​de compresores, baños desengrasantes, lubricantes refrigerantes y aguas de lavado, filtración de aguas de proceso, recuperación de catalizadores en procesos químicos, separación de biomasa en aguas residuales y diversas aplicaciones para la clarificación de bebidas. Las membranas Schumasiv están disponibles como elementos filtrantes tubulares mono y multicanal. Tienen un cuerpo de soporte hecho de α-alúmina pura, la fase químicamente estable de la alúmina. Las membranas están hechas de alúmina, zirconia o titania dependiendo del tamaño del poro. Debido a una estructura multicapa de granulometría fina que tiene un soporte grueso revestido con varias capas de tamaño de poro decreciente, se fabrican membranas con una amplia gama de tamaños de poro que cubren toda la gama de micro y ultrafiltración de 2 a 0,005 μm. En la Figura 1, se muestra como ejemplo la estructura de una membrana de ultrafiltración de 0,05 μm. Las membranas cerámicas tienen una excelente resistencia a la abrasión ya los fluidos químicamente agresivos. Además, tienen alta resistencia mecánica, buena resistencia térmica y alta eficiencia de separación. Los elementos filtrantes Schumasiv mono y multicanal están disponibles con diferentes diámetros de los canales de flujo de 2,8 a 16 mm. Esto permite su uso en una amplia variedad de aplicaciones con diferentes concentraciones de sólidos. Los elementos filtrantes de membrana Schumasiv tienen una longitud de hasta 1,5 m. Los diámetros exteriores de los elementos de filtro multicanal suelen ser de 25,4 mm (19 canales con un diámetro de canal de 3,3 mm), 41 mm (19 canales con un diámetro de canal de 6 mm o 37 canales con un diámetro de canal de 3,6 mm) y 52 mm (19 canales con un diámetro de canal de 8 mm). ). La Figura 2 muestra algunos ejemplos de los elementos filtrantes con diferentes geometrías. Los elementos filtrantes de membrana cerámica se instalan en las carcasas de los módulos (consulte la Figura 3). Las carcasas estándar pueden tener hasta 27 m2 de área de filtración por carcasa. Los elementos del filtro se instalan fácilmente con juntas tóricas. Debido a su resistencia en el rango de pH de 1 a 14, las membranas cerámicas se pueden limpiar con productos químicos agresivos, disolventes orgánicos, agua caliente o vapor. Además, las membranas cerámicas se pueden regenerar mediante retrolavado con altas presiones y tienen una larga vida útil.

Para reducir el tamaño y el costo de un sistema de filtración, se han desarrollado nuevos elementos filtrantes de membrana cerámica con una alta densidad de empaque del área de filtración.

Al aumentar la densidad de empaquetamiento del área de filtración, se podría lograr una superficie de membrana más grande por elemento de filtro sin cambiar el diámetro exterior y la longitud de los elementos de filtro existentes. Esto permite un aumento en la tasa de filtración en los sistemas de membrana existentes al reemplazar los elementos filtrantes de membrana cerámica existentes. En los estudios de casos también se demostrará una reducción en la cantidad de elementos de filtro y, en consecuencia, el tamaño y los costos del sistema de filtro para nuevas instalaciones.

La superficie de la membrana por elemento de filtro se ha incrementado mediante un relleno más denso de los canales de flujo. Se ha seleccionado una geometría hexagonal de la sección transversal de los canales de flujo para permitir un relleno muy denso como un panal. El contorno hexagonal de los canales de flujo permite elementos filtrantes de membrana cerámica con una densidad de empaquetamiento muy alta de la superficie de la membrana. En comparación con la geometría redonda habitual de los canales de flujo, se ha logrado un aumento del área de filtración por elemento filtrante en un 50 por ciento. Por ejemplo, el área de filtración de un elemento filtrante de membrana multicanal con un diámetro exterior de 41 mm y una longitud de 1,2 m se ha aumentado de 0,5 m2 a 0,75 m2. Se ha aumentado el número de canales de flujo en este caso de 37 (canales redondos de 3,6 mm de diámetro) a 61 canales (canales hexagonales de 3,1 mm de diámetro hidráulico) por elemento (Figura 4). La mejora de un relleno más denso de la superficie de filtración da como resultado un mayor flujo de permeado por elemento de filtro.

Los elementos filtrantes de membrana cerámica de Schumasiv son una buena opción para aplicaciones de separación de aceite y agua debido a su excelente estabilidad mecánica, térmica y química, así como a su alta eficiencia de filtración, alto flujo de permeado y durabilidad a largo plazo. En los últimos años, estos elementos de filtro han demostrado un rendimiento excelente en muchas aplicaciones de separación de agua y aceite. Los nuevos elementos filtrantes de membrana Schumasiv con canales de flujo hexagonales continúan brindando todos los beneficios de los elementos filtrantes de membrana Schumasiv anteriores. Al mismo tiempo, permiten un mayor flujo de permeado por elemento y una reducción de costes del sistema de filtro de membrana.

Los siguientes dos estudios de casos destacan y demuestran el uso exitoso y ventajoso de los nuevos elementos de filtro en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales aceitosas. Un caso de estudio es el aumento exitoso de la tasa de filtración al reemplazar los elementos de filtro de membrana Schumasiv anteriores con canales redondos con canales hexagonales y una mayor densidad de empaque de la superficie de filtración. El segundo estudio de caso informa sobre una nueva instalación en la que se ha reducido el tamaño del sistema de filtración aprovechando al máximo la mayor superficie de los elementos filtrantes de canal hexagonal Schumasiv.

En el año 2000, una empresa recicladora construyó una planta de filtración (ver Figura 5) para el tratamiento de aguas residuales mixtas, aguas aceitosas y emulsiones de diferentes orígenes industriales. La planta utilizó originalmente elementos filtrantes de membrana cerámica Schumasiv de 1,2 m de largo con un diámetro exterior de 41 mm y 37 canales de flujo redondos con un diámetro de canal de 3,6 mm. Debido a la gran expansión del mercado local de aguas residuales, el cliente necesitaba aumentar la capacidad de producción de la planta de reciclaje. El cliente conoció los nuevos elementos filtrantes de membrana cerámica Schumasiv con el denso empaquetamiento de la superficie de la membrana desarrollado por Pall Corporation. Se realizaron algunos ensayos con las nuevas membranas en el banco de pruebas de filtros existente para evaluar el aumento en la tasa de filtración que podría lograrse con la mayor densidad de empaque del área de filtración.

Los elementos filtrantes Schumasiv de nuevo diseño ofrecieron la posibilidad de una mejora simple de la planta de filtración existente y el aumento de la capacidad de rendimiento al reemplazar los elementos filtrantes de membrana cerámica existentes con los nuevos desarrollados. Las pruebas fueron exitosas y el cliente decidió reemplazar las membranas cerámicas existentes en la planta con 61 canales de flujo hexagonales (longitud del elemento: 1,2 m; diámetro exterior de los elementos: 41 mm).

Con la sustitución de los elementos filtrantes, el cliente ha conseguido aumentar la tasa de filtración de la planta de una media de 2200 l/ha 3200 l/h. El aumento del 45 por ciento con una alta calidad de filtrado constante corresponde a una utilización casi completa del área de superficie aumentada. Los nuevos elementos filtrantes han estado en funcionamiento desde 2008 sin ningún problema.

El aumento de la capacidad de producción de la planta de 350.000 l a 510.000 l por semana es un importante éxito para el cliente. Esto se ha conseguido a costes razonablemente bajos y con una pérdida de tiempo de producción muy breve durante el cambio de los elementos filtrantes. Solo los elementos del filtro tuvieron que ser reemplazados. Todas las demás partes de la planta, como las carcasas, las bombas, las válvulas y las tuberías existentes, aún se podían usar y no era necesario reemplazarlas. El período de recuperación del costo fue de tres meses. El cliente ha ampliado aún más la capacidad de la planta mediante la instalación de una carcasa adicional con elementos filtrantes Schumasiv de canal hexagonal.

Un fabricante de chasis recolectó refrigerantes aceitosos de desecho de un taller de mecanizado y los envió por camión cisterna dos veces por semana. La instalación in situ de un sistema de filtración de flujo cruzado para reducir el volumen de residuos ofreció importantes ahorros de costes. Los cálculos basados ​​en el uso de un sistema de filtro compacto con los nuevos elementos filtrantes de Schumasiv con el empaquetamiento denso de la superficie de filtración mostraron un interesante retorno de la inversión de menos de un año. Por lo tanto, el cliente decidió comprar un sistema de filtro de flujo cruzado Clarisep de Pall con los nuevos elementos Schumasiv de canal hexagonal. La calidad del filtrado es tan buena (consulte la Figura 6) que el cliente puede descargarlo en el alcantarillado sin ningún otro paso de tratamiento. El concentrado aceitoso se recoge en contenedores y se envía por camión cisterna solo tres veces al año, una reducción significativa en comparación con las dos veces por semana antes de la instalación de la unidad de filtrado Pall Clarisep. El cliente está satisfecho con el sistema Clarisep con los nuevos elementos filtrantes de membrana cerámica Schumasiv y ahora busca aplicaciones similares en otros lugares.

Los nuevos elementos filtrantes de membrana cerámica de Schumasiv con alta densidad de empaque del área de filtración permiten una fácil actualización de los sistemas de filtración existentes al reemplazar los elementos filtrantes. Esto ha sido demostrado por un estudio de caso donde la tasa de filtración se incrementó en un 45 por ciento al reemplazar los elementos filtrantes viejos con los nuevos elementos filtrantes Schumasiv sin ningún cambio adicional del sistema de filtrado.

Para instalaciones nuevas, la cantidad de elementos filtrantes y, en consecuencia, el tamaño de las carcasas de los filtros y los costos del sistema de filtración pueden reducirse utilizando los nuevos elementos filtrantes Schumasiv con mayor superficie de filtración.