FILTRACION: DEFINICION, MECANISMOS Y FACTORES

¿Qué Es La Filtración?

Se conoce como filtración a la operación mecánica que se emplea para realizar separación de partículas sólidas en sustancias líquidas mediante el uso de un medio permeable que sea capaz de retener las partículas sólidas y permita únicamente el paso de líquidos.

El proceso de filtración, tiene diversas aplicaciones, especialmente en actividades cotidianas de los seres humanos, así como también se usa en actividades industriales, donde este tipo de proceso es importante en actividades que requieren técnicas químicas.

Mecanismos Del Proceso De Filtración

La filtración, generalmente se considera como el resultado de dos mecanismos diferentes pero que se complementan entre sí: el transporte y la adherencia.  Inicialmente, las partículas que son el objetivo del proceso y que se desean remover del medio acuoso, se transportan hacia la superficie del medio filtrante, generando que estas partículas sean retenidas o adheridas en el filtro y únicamente pase el fluido que las contenía.  El transporte de partículas, es un fenómeno físico e hidráulico, el cual se ve únicamente afectado por parámetros que intervienen en la transferencia de masas; mientras que la adherencia entre partículas y el medio filtrante, es un fenómeno de acción superficial influenciado por parámetros tanto físicos como químicos que intervienen en la filtración.

A continuación, se describirá y definirán los mecanismos de transporte y de adherencia.

• Mecanismos de Transporte

Durante la filtración, ocurren diversos fenómenos de transporte los cuales permiten aproximar el material suspendido presente en la mezcla y el medio filtrante que genera el proceso.  Estos fenómenos varían dependiendo de la profundidad del medio filtrante; los elementos descritos a continuación, son los fenómenos más comunes que afectan el mecanismo de transporte en la filtración:

Cernido:

Este fenómeno, ocurre cuando las partículas que se encuentran en el fluido son de mayor tamaño que los poros del elemento filtrante, y por lo tanto estas quedan atrapadas en los intersticios.  El cernido, sólo actúa en las capas más superficiales del filtro y con partículas capaces de resistir los esfuerzos cortantes que se producen por el flujo.

Sedimentación:

Mediante la sedimentación de las partículas hacia la superficie del medio filtrante, se puede realizar la remoción de las mismas, las cuales deben presentar menor tamaño que los poros de dicho medio; este fenómeno, sólo puede producirse con material suspendido que presente tamaños de partícula superiores a 1 micra y cuya velocidad de asentamiento sea alta y en zonas del filtro donde la carga hidráulica sea baja.

Intercepción:

Este mecanismo de transporte, presenta mayor efectividad a medida que el tamaño de las partículas presentes en la sustancia aumenta; es decir, que la eficiencia del medio filtrante en relación al mecanismo de intercepción, es directamente proporcional a diámetro de la partícula elevada al cuadrado e inversamente proporcional al diámetro de los granos del medio filtrante.

Difusión:

Se conoce como difusión, al movimiento errático de partículas al interior de una mezcla, que presentan tamaños inferiores a una micra, y el cual depende de factores como la energía térmica del agua, permitiendo controlar el impacto con el medio poroso.  Las partículas pequeñas tienen a difundirse desde los sectores de mayor hacia los de menor concentración; es por esta razón, que se suelen encontrar sólidos adheridos a los granos del medio filtrante en puntos donde la velocidad del flujo es muy baja.  La eficiencia de este mecanismo de transporte es directamente proporcional a la temperatura de la sustancia e inversamente proporcional a los diámetros de las partículas de la mezcla y el grano del medio filtrante.

• Mecanismos de Adherencia

La adherencia entre las partículas transportadas en la mezcla presente en el proceso de filtración y los granos del elemento filtrante, depende principalmente de las características tanto de las partículas suspendidas como de los granos.  Las partículas pueden ser adheridas al medio poroso, siempre y cuando estas resistan las fuerzas que el flujo de la sustancia ejerza sobre ellas.

La adherencia en el proceso de filtración se debe a fenómenos de acción superficial, los cuales se controlan mediante parámetros físicos y químicos.  Los más importantes son los siguientes:

Fuerzas de Van der Waals:

Estas fuerzas son las responsables de la adhesión de partículas a los granos del filtro presente en el proceso.  Estas fuerzas, son independientes de parámetros como el pH y de las características que presente la fase acuosa que se va a tratar; las fuerzas Van der Waals dependen de la densidad y del tamaño de las partículas, así como de la distancia presente entre estas y los granos del medio filtrante.

Fuerzas Electrostáticas:

Se pueden considerar tres casos que afectan el mecanismo de adherencia en el proceso de filtración:

• Caso 1:

Las partículas suspendidas presentes en la sustancia y los granos que conforman el medio filtrante, presentan diferente carga eléctrica, generando una fuerza de atracción entre ellos y además produciendo adhesión.

• Caso 2:

Situación en la cual los granos del medio filtrante poseen carga eléctrica y las partículas suspendidas presentes en la sustancia no.  En esa situación, no se presenta ninguna barrera de energía que impida la adhesión de las partículas con el medio.

• Caso 3:

Tanto los granos del medio filtrante como las partículas suspendidas en la mezcla poseen la misma carga eléctrica.  En este caso, las fuerzas hidrodinámicas rompen temporalmente la barrera de energía y aproximan las partículas, de forma que las fuerzas Van der Waals puedan actuar en el proceso de filtración; la probabilidad que se genere adherencia de las partículas es muy baja con respecto a los casos anteriormente descritos.

Puente Químico:

Este fenómeno es independiente de los fenómenos descritos anteriormente y consiste en inyectar poli electrolitos o ayudantes de filtración tales como Sulfato de Aluminio, Cloruro de Aluminio, Sulfato Ferroso, entre otros, para aumentar la adherencia de las partículas suspendidas al medio filtrante, ya que dichos ayudantes, permiten formar segmentos que se extienden por la sustancia, estableciendo enlaces químicos entre las partículas y el medio filtrante.

Los ayudantes de filtración, permiten aumentar la adherencia de las partículas al medio filtrante estableciendo enlaces químicos.

Factores que Influyen en la Filtración

La eficiencia del proceso de filtración, se relaciona directamente con factores como: las características de la suspensión, el medio filtrante, la hidráulica de la filtración y la calidad del efluente.  A continuación, se describirán y definirán los factores más importantes que influyen en la filtración:

• Características de la filtración:

Tipo De Partículas Suspendidas:

El tipo de partículas presentes en las sustancias que se tratan mediante procesos de filtración, influye en la eficiencia de dicho proceso, por ejemplo, cuando el agua cruda presenta algas y partículas suspendidas de grandes tamaños y se tiene una instalación de filtración directa en el afluente, se puede producir la formación de curvas de pérdida de carga, en comparación con aquellos casos donde el afluente solo presenta partículas suspendidas coaguladas ya sea de arcilla o de sílice.

Tamaño De Partículas Suspendidas:

Partículas con tamaños inferiores a una micra, producen una menor oportunidad de contacto entre las partículas suspendidas presentes en el recurso y el grano del medio filtrante generando que el proceso no sea eficaz.  Algunos productos químicos, tales como los ayudantes de filtración y los polímeros, pueden ser usados para ajustar el tamaño de las partículas suspendidas con el fin de obtener una eficiencia mayor en la filtración y así poder tener una mejor calidad del recurso.

Densidad De Partículas Suspendidas:

Este factor depende directamente del tamaño de las partículas suspendidas que se encuentren presentes, dado que, a mayor densidad de las mismas, es mayor la eficiencia de remoción de las partículas de mayor tamaño en el recurso.

Temperatura Del Agua Por Filtrar:

En general, al aumentar la temperatura se genera una mayor eficiencia en la filtración, dado que se presenta un aumento de la energía termodinámica en las partículas del recurso y, como consecuencia, la difusión se convierte en un mecanismo importante cuando se tienen partículas suspendidas con tamaños inferiores a una micra.  Además, la disminución de la viscosidad en el recurso, facilita la sedimentación de partículas mayores de una micra.

pH Del Afluente:

El potencial de hidrógeno (pH) influye en la capacidad de intercambio iónico entre las partículas suspendidas y los granos formadores del medio filtrante. Para valores de pH inferiores a 7, el intercambio de cationes disminuye mientras que el intercambio de aniones aumenta sobre las superficies positivas; para valores de pH superiores a 7, se genera un aumento en el intercambio de cationes y una disminución en el intercambio de aniones sobre las superficies negativas.

El tipo, la densidad y el tamaño de las partículas suspendidas, determina las características del proceso de filtración.

• Características Del Medio Filtrante

Tipos de Filtros:

El tipo de filtro se selecciona de acuerdo con la calidad que se requiere para el recurso filtrado, además se debe tener en cuenta factores como la duración del proceso de filtración y la facilidad de lavado del mismo.

• Filtros Clarificadores o de Lecho profundo

Este tipo de filtros, se suele usar en casos donde la concentración de las partículas presentes en el recurso es baja, y tienen como objetivo remover sólidos suspendidos de tamaño entre 5 y 20 micras.  Esto significa que todo sólido en suspensión como tierra, polen, basuras pequeñas, entre otros, queda retenido en el filtro para posteriormente ser desechado, reteniendo de esta forma que estas partículas pasen al torrente de servicio y alteren la calidad del recurso.

• Filtros Tipo Prensa

Este tipo de filtros se usa en casos donde la concentración de partículas presentes en el recurso no es tan alta y no haya que desmontar frecuentemente la prensa, provocando desgastes excesivos en el material filtrante que lo conforma.  Los filtros tipo prensa consisten en una serie de elementos, que pueden ser placas y marcos alternados o cámaras, entre los que se coloca el medio filtrante.

• Filtros De Banda

Se conforman por una cinta transformadora fabricada en tela permeable, la suspensión se alimenta hacia la parte superior y en un extremo de dicha cinta mientras que por la parte inferior de la misma se recoge el material filtrado, permitiendo de esta forma, realizar filtración de forma continua.

Filtro tipo prensa, empleado en casos donde la concentración de partículas presentes en el recurso no es tan alta.

Peso Específico Del Material Filtrante:

El peso específico del elemento filtrante en el proceso, debe cumplir con una condición importante para que el medio sea eficaz: debe ser igual al peso de los granos dividido por el volumen que ocupan los mismos.

La tabla que se muestra a continuación, indica los valores del coeficiente de esfericidad y peso el específico de los materiales filtrantes que se emplean usualmente.

Coeficiente de esfericidad y peso específico de los materiales comúnmente empleados como material filtrante.

• Características Hidráulicas

Tasa de Filtración:

Las variaciones en la velocidad durante la filtración pueden afectar sustancialmente la calidad del recurso; de manera general, las variaciones en este parámetro dependen principalmente de la magnitud de la variación producida, de la tasa de filtración, de la pérdida de carga que se presenta por parte del filtro en el instante donde ocurre la variación de la tasa y de la forma como se realice la variación.

Calidad del Efluente:

La calidad del efluente se encuentra directamente relacionada con parámetros tales como: las características que presenta el medio filtrante, el uso al que será destinado el recurso filtrado, y la existencia de una operación eficiente que permita una calidad idónea del recurso, además el agua que se obtiene mediante filtración y se destina para consumo humano, no debe presentar color aparente.  Desde el punto de vista bacteriológico, el medio filtrante, constituye una barrera sanitaria que previene la reproducción de organismos patógenos, obteniendo un porcentaje de remoción superior al 99%.