ES2416834A1 - Máquina para filtración de líquidos con membranas cerámicas - Google Patents

Abstract

Máquina para filtración de líquidos a partir de membranas cerámicas mediante filtración tangencial que tiene forma de armario compacto con tres compartimentos, uno donde está los filtros cerámicos y se realiza la filtración propiamente dicha, otro que sirve de depósito de recirculación y otro que alberga los diferentes aparatos para el funcionamiento del la misma. Los filtros cerámicos son unas unidades, de acero u otros materiales como el plástico, de diferentes formas y dimensiones, con capacidad para albergar un número variado de membranas. Las membranas están sujetas por los extremos por unas piezas destinadas a la entrada y salida del líquido, realizando la recirculación por el interior de las membranas, que pueden ser de cualquier tipo conocido o unas especiales a base de pasta de diferentes arcillas.

Description

MÁQUINA PARA FILTRACIÓN DE ÚQUIDOS CON MEMBRANAS CERÁMICAS.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el sector técnico, enfocado a un uso medioambiental, dentro de los procesos de filtración tangencial con membranas cerámicas.

10 El objeto de la invención es la realización de un sistema de regeneración de aguas que realice un tratamiento terciario para aguas residuales, en estaciones que ya realizan depuración primaria (retirada de sólidos) y secundaria (consumición biológica de materia orgánica), devolviéndole de esta manera al agua las propiedades necesarias para un uso determinado, según la legislación actual.

15 El objeto de la invención supone un campo de aplicación novedoso para las técnicas de ultra-filtración y micro-filtración.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La invención que se presenta está basada en la filtración tangencial. Cuando se usa el término de procesos de filtración, se hace referencia a las operaciones de 20 membrana de MF (microfiltración), UF (ultrafiltración), NF (nano filtración) y OI (ósmosis inversa). Estas operaciones tienen en común la fuerza directora: una diferencia de presión a través de la membrana llamada presión transmembrana (PTM), que propicia el desplazamiento del fluido hacia los puntos de menor presión.

Los primeros procesos de filtración con membrana mediante presión eran

25 con filtración total. Este tipo de filtración consistía en hacer pasar toda el agua a través de la capa filtrante, produciéndose una recuperación total del agua de entrada. En el caso de las membranas tubulares y para el caso de la filtración total, la capa filtrante se encuentra en el exterior del cuerpo de la membrana, quedando las sustancias retenidas en el exterior.

30 Este tipo de filtración, sin embargo, tiene ciertas desventajas ya que requieren de elevadas presiones de trabajo llegando a los 70-80 bares de forma habitual, con el consiguiente coste energético que esto implica. Las membranas se colmatan rápidamente, bloqueando el funcionamiento del sistema de filtración y disminuyendo su vida útil, por lo que no permite efectuar filtraciones continuas.

35 Ante esto, surge la filtración tangencial que es la más utilizada en la actualidad. En este caso, el fluido a tratar fluye de forma tangencial a lo largo de la superficie de la capa filtrante, haciendo que los valores de presión requeridos no sean tan elevados. En este tipo de filtración la capa filtrante, se sitúa en el interior del cuerpo de la membrana, por donde circula el fluido a una velocidad suficientemente elevada para intentar disminuir la probabilidad de que las partículas, microorganismos, etc. queden encajados en los poros de la membrana. Este tipo de filtración se puede considerar en cierto grado, auto-limpiante, ya que al

5 circular el fluido tangencialmente en el interior de la membrana, se puede llevar parte de las partículas que se han adherido a la capa filtrante. Sin embargo, para aquellas partículas que se quedan adheridas, la membrana se somete a procesos de limpieza como son los retro-lavados.

Al realizarse la filtración, el caudal de alimentación se distribuye en caudal

10 permeado o filtrado y caudal rechazo. El caudal permeado es el caudal que ha traspasado la capa filtrante de la membrana y que se encuentra limpio de las impurezas filtradas por esta, el caudal rechazo es el resto de caudal de alimentación que no ha sido permeado. Habitualmente, parte de este caudal rechazo es recirculado como caudal de alimentación, para tener una mayor

15 recuperación del agua tratada.

Las principales ventajas de la filtración tangencial respecto a la filtración total son la reducción del consumo de energía en términos de presión, simplificando las tecnologías de presión a implantar en estos procesos (esta disminución de costes energéticos, posibilita que las tecnologías de filtración sean

20 una alternativa a otros métodos de separación físicos o químicos. Tan sólo se requieren valores elevados de presión en los procesos de filtración de ósmosis inversa). El proceso de filtración tangencial, se puede considerar hasta cierto punto, auto-limpiant e , por lo que elevada durabilidad del sistema de filtración, al disminuir la colmatación producida en las membranas. También permite trabajar en filtración

25 continua, pudiendo así trabajar con características de funcionamiento estables (ej. a caudal constante) y tratar el caudal de rechazo, ya sea recirculante o dentro del mismo sistema de filtración como alimentación, o bien reutilizarlo o desviarlo hacia otros procesos.

Dentro del rango de filtración existente, la invención propuesta cubre la

30 ultra-filtración (UF) y la micro-filtración (MF). La UF retiene los coloides, las partículas y las especies solubles de elevada masa molecular. Los virus, los cuales tienen tamaños entre 10 y 25 /-Lm, son eliminados también con UF. Los poros de sus

membranas tienen tamaños comprendidos entre 50 y 100 /-Lm. La aplicación de la MF se centra en la eliminación de la materia coloidal y bacterias de tamaño superior 35 a 100 /-Lm. Los poros de las membranas de MF tienen diámetros de entre 0,1 y 1 /-Lm, los de UF van de 0,1 a 0,01 /-Lm.

En la actualidad las membranas cerámicas tubulares representan el tipo principal de membranas inorgánicas. La formulación exacta de una membrana cerámica se encuentra patentada por diversas industrias fabricantes. Los materiales

40 cerámicos base que intervienen en la formulación-síntesis de estas membranas son:

-

Óxidos cerámicos (Ti02, Fe203, Al203, Zr02). De éstos, la alúmina (Al203), óxido de aluminio casi puro, tiene unas buenas propiedades mecánicas y térmicas, y gracias a su precio relativamente bajo es de las cerámicas más usadas.

-

Carburos (C, SiC, TiC, B4C). Destacar, que el carburo de silicio alfa (SiC-a) es más duro y resistente al desgaste que la alúmina y tiene una excepcional resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas. Pero su coste, es unas tres veces más elevado que el de la alúmina por lo que no se usa tanto.

5 -Otros materiales cerámicas: nitruros (SiP4' BN)

Las propiedades de las membranas cerámicas no dependen sólo de la composición exacta del material, sino también de su proceso de fabricación. En términos generales, sin embargo, las membranas que se comercializan en la actualidad, se caracterizan por las siguientes ventajas y desventajas:

10 Sus ventajas son:

· Gran resistencia al lavado qunlllco, tanto al ácido como el básico. Esta elevada resistencia química se debe a la estabilidad de sus enlaces químicos fuertes. Eso facilita la limpieza de la membrana una vez ésta ha colmatado debido al bioensuciado originado, favoreciendo así la reutilización de la membrana para nuevos

15 usos.

· Buena estabilidad térmica. Las temperaturas de fusión de los materiales cerámicos son muy elevadas (1200-1400 o C) y también, lo son generalmente las temperaturas de servicio que pueden resistir en comparación con otros materiales como los poliméricos. A su vez las membranas de cerámica, son piezas de gran estabilidad

20 dimensional, ya que sus dilataciones térmicas son pequeñas.

Como desventajas destacamos las siguientes:

· Su fragilidad. En los procesos de síntesis de las membranas, se introducen sustancias plastificantes para disminuir la fragilidad característica de los materiales cerámicos.

25 . Su elevado coste. Las membranas cerámicas actuales son costosas debido a su proceso de fabricación, en el que se requieren temperaturas elevadas de sinterización que llegan a los 1800 o C y más. Esto hace que su campo de aplicación habitual sea reducido; usándose tradicionalmente en el campo de la industria nuclear para tratar debidamente sus aguas de refrigeración, en el campo de la

30 industria química para tratamientos de fluidos agresivos o de alta temperatura ya las industrias farmacéuticas y lácteas donde se precisa esterilización térmica.

· Los sistemas que se comercializan requieren complejos sistemas que envuelven a las membranas, lo que incrementa los costes y genera cierta dependencia de las marcas suministradoras.

35 EXPLICACIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como fin evitar los diversos inconvenientes de los sistemas que existen en la actualidad, el principal de ellos la excesiva carestía de los materiales que constituyen y soportan la membrana.

El objeto de la invención es también el de ofrecer por un lado un sistema de regeneración de aguas depuradas y por otro un sistema de filtración para líquidos en la industria agro alimentaria, de manera que se pueda integrar en un proceso industrial.

5 Para lograr este objetivo y tras analizar los complejos sistemas que se encuentran en el mercado en la actualidad, llegamos a la conclusión de la necesidad de simplificar dichos sistemas y reducirlos a su forma más elemental, de manera que se ahorran una gran cantidad de accesorios, totalmente prescindibles, sin comprometer la calidad del líquido ni su resistencia y durabilidad.

10 La invención se presenta como un conjunto con forma de armario de tres departamentos, en los que se desarrolla todo el proceso. Este armario lo circunda y sustenta exteriormente un bastidor dimensionado en función de la magnitud del aparato.

En el departamento superior se encuentran los filtros de membranas

15 (llamamos filtros de membranas a cada unidad independiente, según se muestra en las figuras 3 y 5) formada por dos piezas de admisión y salida de líquido, idénticas, fabricadas en acero inoxidable u otros materiales plásticos alimentarios o no y otros acordes a las necesidades estructurales y técnicas de la función de soporte de la membrana que realizan.

20 Los filtros de membranas se pueden construir con diferentes dimensiones, por lo que puede adaptarse el filtro de membranas descrito a diámetros de membrana entre 32 y 110 mm y con longitudes variables de entre 350 a 1000 mm.

Las piezas de admisión y salida del líquido que componen el filtro de membranas y que sirven de soporte a las membranas admitan entre 4 y 10 25 membranas y además su forma y desarrollo pueda ser recto o circular y la sección

transversal de la pieza prismática o circular.

Las membranas son elementos tubulares, huecos y porosos reivindicados por TECAMBYOT S.L.U con fecha de admisión a trámite de patente 7/6/2011 y solicitud nO 201100643, fabricados con una pasta cerámica a base de arcilla, su

30 diámetro exterior está comprendido entre 0,03 y 0,20 m y el espesor de la pared entre 0,006 y 0,02 m. y longitudes de hasta 1,5 m. Los filtros de membranas también pueden utilizar cualquier tipo de membrana cerámica del mercado.

En el primer departamento alberga un número variable de unidades en función del caudal de agua que sea necesario filtrar. Estos filtros de membranas se pueden 35 conectar entre ellos de dos maneras, o bien en serie todos conectados de manera que el agua pasa por todos los filtros, el uso al que va destinado esta conexión es para una filtración intensiva del líquido, es decir filtrar todo lo posible. También se pueden conectar en paralelo en aquellos casos en que no sea necesario una filtración intensiva sino que solo se quiere obtener un determinado porcentaje de

40 agua filtrada del total que pasa por el membranero. Esto es, de la toma general salen diferentes conexiones hacia cada unidad, el agua pasa por alguna de los filtros de membranas y de ellos salen a un colector que las recoge.

El departamento intermedio tiene la función de depósito, este depósito se utilizará para almacenar el líquido a filtrar para hacer la recirculación. Este se utilizará cuando sea necesario recircular el líquido hasta su filtración total, en determinados procesos de filtración en que no sea necesario su uso prescindiremos

5 de este departamento-depósito de recirculación por ser suficiente el caudal permeado en el transcurso de paso de una sola vez del líquido y no son necesarias más veces.

La parte inferior está destinada a albergar las diferentes maquinas necesarias para el proceso, como pueden ser bombas y motores para recirculación, 10 automatismos para el control del proceso de filtración, etc.

La máquina de filtración se utilizará en estaciones depuradoras que realizan depuración primaria y secundaria como un sistema de tratamiento terciario del agua depurada mediante procesos de ultra y micro filtración con membranas cerámicas, adecuándolas, de esta manera a la normativa existente en materia de

15 reutilización de aguas tratadas concretamente el RD 1620/2007 de 7 diciembre de 2007, BOE de 8 diciembre de 2007.

En la descripción que se da en los apartados siguientes se verán las diversas características de que consta la invención, con referencias a los dibujos que adjuntamos, que muestran, a título de ejemplos la forma de realización, que

20 proponemos, para la invención citada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS

La fig. 1 muestra una vista general en perspectiva en la que se aprecian los diferentes departamentos que componen la máquina y sus rasgos distintivos.

La fig. 2 muestra una vista en perspectiva en la que se aprecia la disposición 25 de los filtros de membranas dentro de su departamento.

La fig. 3 muestra una unidad de filtro de membranas tipo, como puede verse, este es el diseño de 6 membranas, con el sistema de distribución y recolección de agua de acero y la entrada y salida para el líquido.

La fig. 4 muestra una membrana cerámica tipo para filtración, en este caso la

30 membrana es de 32 mm de diámetro con 7 canales de 6 mm de diámetro. Estas membranas son fabricadas por la empresa TECAMBYOT S.L.v. en base a los elementos tubulares porosos reivindicados por la misma con fecha de admisión a trámite de patente 7/6/2011 y solicitud nO 201100643, que consiste en elementos capaces de ser medio de flujo de una corriente de aire ya la vez medio difusor. Son

35 fabricados con una pasta cerámica a base de arcilla, su diámetro exterior está comprendido entre 0,03 y 0,20 m y el espesor de la pared entre 0,006 y 0,02 m. y longitudes de hasta 1,5 m.

La fig. 5 muestra las variantes existentes de filtros de membranas, con piezas de admisión y salida de agua de diferentes formas y tamaños de membrana.

40 MODO DE LA REALIZACIÓN

A continuación describimos las características y formas genencas que deben de cumplir las distintas partes del aparato para realizar la presente invención.

5 El departamento superior (1) de forma rectangular y con forma de depósito hermético, aloja los filtros de membranas (11), que están apoyados sobre perfiles en L (4), y es a su vez contenedor del agua permeada; cada depósito de permeado y los filtros de membranas a instalar dentro de él se dimensionan en función de las características del líquido a filtrar, del tipo de filtración a realizar, y del rendimiento

10 buscado en el proceso. Este depósito posee una entrada general (6) correspondiente con el primer modulo o unidad tipo de filtración y dos salidas (7 y otra en el suelo del mismo), una de ellas la que regula una boya que apertura el depósito de permeado cuando está lleno y otra salida coincidente con la salida del último filtro contenido en el depósito.

15 El filtro de membranas tipo, figura 3, consta de dos piezas huecas de acero

(13) a las que se practican taladros enfrentados del diámetro de las membranas (12) a alojar, estos taladros se circundan con un cerco de chapa que aloja la junta (16) que cada membrana ha de llevar en su extremo y que permita la operación previa de enfrentado de las membranas, de la misma manera cada pieza de la pareja que 20 compone la unidad tipo de filtración posee dos orejetas cada una, por las que se pasa un espárrago roscado (15) con dos arandelas en los extremos, que aprieta y enfrenta las dos partes de la unidad de filtración y genera la estanqueidad. Cada unidad tipo de filtración se completa con una entrada (14) general del líquido en función del número y tipo de membranas implementadas, de una toma para

25 manómetro y de una salida general del líquido no permeado que se devuelve en el caso de conexión de las unidades tipos en paralelo, a su compañero en el depósito o en el caso de ser la última del circuito a recirculación.

El segundo departamento (2), debajo del anterior, y también soportado por el bastidor general de acero del conjunto (5), tiene también forma de depósito y en 30 él se aloja el líquido no permeado de la operación de filtración y se utiliza para recircular nuevamente por medio de los aparatos mecánicos del departamento inferior. Es decir, el agua de este depósito vuelve a ser reconducida al sistema superior de membranas por medio de una bomba, de tal manera que el líquido contenido en él cada vez se va concentrando más. Por ello y para controlar la 35 operación de este depósito en el sistema conjunto, es necesario disponer de una salida automática de purga que opera cada cierto tiempo en función de las características del proceso diseñado, asimismo de una entrada regulada continua o discontinua de admisión del líquido a filtrar (8), por último en este depósito un sistema de boya de seguridad (9) que impida el rebose del mismo y una más de

40 evacuación (10), para el vaciado y limpieza del mismo.

Por último el departamento inferior (3) es el encargado de albergar el motor, bomba y demás automatismos que son necesarios para el funcionamiento del membranero. El diseño de este está abierto según los requerimientos de máquinas que sea necesario en caso.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Las operaciones de filtración tangencial son usadas para procesos de separación sólido-líquido, por la purificación de efluentes, para su recuperación, etc. Tienen aplicaciones en numerosos campos industriales en la manipulación de

5 sus efluentes como la industria alimentaria (Clarificación zumos, vino o cerveza), la industria láctea (obtención de leche desnatada), la industria farmacéutica, la industria química, la textil, etc. Así, algunos ejemplos son el uso de la MF para la recuperación de tintas coloidales, de la UF para tratamiento de efluentes de blanqueo de papel, de la NF para la decoloración de efluentes en la industria textil o

10 el uso de OI para la purificación de fluidos corrosivos.

Las aplicaciones ambientales de más interés, se centran en el campo del agua, principalmente en su potabilización y tratamiento de las aguas residuales. Se estudian en este campo las aplicaciones de las membranas que son objeto de la invención: los procesos de baja presión (MF y UF). Son menos costosos que los

15 procesos de alta presión. Sus posibles aplicaciones son:

-

Clarificación, la MF y UF eliminan materias en suspensión y disminuyen la turbidez del agua. De esta manera pueden ser usados como una alternativa los métodos habituales de clarificación usados en los procesos de depuración de aguas.

-

Sustitución de la floculación química. Los procesos de membrana también son una 20 alternativa al uso de aditivos usados para concentrar los contaminantes.

-

Desinfección: eliminación de microorganismos. Ambos procesos eliminan aquellos organismos patógenos del agua que se encuentran en el rango de actuación de sus membranas, como bacterias, virus, quistes, etc. Esta eliminación también se puede hacer mediante desinfectantes como el cloro, las cloraminas, el ozono o el dióxido 25 de cloro. Ahora bien, el uso de membranas de MF y UF introduce varias ventajas en detrimento del uso de productos químicos en la desinfección. Hay microorganismos (quistes, protozoos y ovoquistos) que son resistentes a estos productos químicos y sensibles a la MF y UF. Aumenta la fiabilidad del agua tratada, además que, evitando la adición de productos químicos, se evita la formación de subproductos en la

30 desinfección.

Con las aplicaciones hasta ahora descritas se deduce que existe la posibilidad de usar las membranas en diversos puntos del tratamiento de aguas, ya sea en el tratamiento primario o terciario.

-

Deshidratación de fangos. Se estima que en procesos de depuración de aguas

35 hasta un 10% de del agua de alimentación puede perderse con los fangos resultantes. El barro contiene pues, una parte significativa de agua potencialmente reutilizable.

-

MF YUF como pretratamiento de las operaciones de OI y NF. En los procesos de OI y NF es importante un correcto pretratamiento del agua, para la vida de la 40 membrana y la operación económica poco de las plantas. La sustitución de membranas de 01 y NF es cara, y opta preferiblemente para un correcto diseño de

pretratamiento. La aplicación de MF o UF para eliminar sedimentos, microorganismos, coloides, etc., es preferible a otros métodos (filtración granular, adhesión de floculantes) y garantizan un diseño compacto del equipo de pretratamiento.

5 -Biorreactores de membrana (BRM). La sustitución de los decantadores secundarios propios de los procesos convencionales de tratamiento biológico por unidades de membrana, ha originado el que se conoce como biorreactores de membrana. Los BRM se pueden definir como la combinación de dos procesos básicos-degradación biológica y separación por membrana -en único proceso en el que los sólidos en

10 suspensión y microorganismos responsables de la biodegradación son separados del agua tratada, mediante una unidad de filtración por membrana de MF o UF.

La calidad del agua tratada es buena y presenta las ventajas de que permite una mayor concentración de biomasa en el reactor y son sistemas muy compactos. Sus aplicaciones se centran en el tratamiento y reutilización del agua potable, aguas

15 residuales industriales o urbanas. Tiene una gran implantación sobre todo en Japón en el campo del reciclaje de agua en los edificios, debido a la obligatoriedad de su legislación de tratar las aguas residuales de los edificios.

-

Combinación de tratamientos. Las membranas de MF y UF se pueden combinar con otras técnicas, como se ha visto en algunas de las aplicaciones anteriores. Otros

20 ejemplos de tratamientos combinados son: UF/adsorción con carbón activo pulverizado para eliminar sustancias orgánicas o UF/oxidación para eliminar el hierro y el manganeso, entre otros.

Hay numerosas aplicaciones de las membranas en el campo del agua. No obstante, siempre hay estudiar su viabilidad económica sobre todo en aplicaciones 25 de gran escala, puesto que a veces, pese impliquen más ventajas puede suceder que

económicamente sean críticas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1

   Máquina para filtración tangencial de líquidos con forma de armario

   circundado y sustentado exteriormente por bastidor de tubo de acero o

   plásticos y cubierto con chapa, caracterizado por una disposición interior

   5

   con tres departamentos, uno superior que alberga filtros de membranas

   necesarias, otro intermedio con función de depósito y otro inferior, donde se

   encuentran las bombas, motores y demás equipos para el correcto

   funcionamiento del mismo, con el conjunto de estos se realiza la filtración

   del líquido.

   10

   2 Filtro de membranas según la reivindicación 1, caracterizado por estar

   formada por dos piezas, una de admisión y otra salida de líquido, idénticas,

   fabricadas en acero, huecas y con capacidad de albergar una cantidad

   variable de membranas.

   3

   Filtro de membranas según la reivindicación 2, caracterizado por la

   15

   utilización para su funcionamiento de los elementos tubulares porosos

   fabricados con una pasta cerámica a base de arcilla, su diámetro exterior

   está comprendido entre 0,03 y 0,20 m y el espesor de la pared entre 0,006 y

   0,02 m. y longitudes de hasta 1,5 m.

   4

   Filtro de membranas cerámicas según la reivindicación 2 en la que se utiliza

   20

   cualquier tipo de membrana cerámica del mercado caracterizado por la

   utilización para el funcionamiento del filtro de membranas cerámicas

   instaladas entre los sistemas de distribución y recolección.

   5

   Filtro de membranas según la reivindicación 2 caracterizado por poseer los

   sistemas de distribución y recolección fabricados con materiales plásticos

   25

   alimentarios o no, aceros inoxidables y otros acordes a las necesidades

   estructurales y técnicas de la función de soporte de la membrana que

   realizan.

   6

   Filtro de membranas según la reivindicación 2 caracterizado por tener de

   membranas con unas dimensiones comprendidas entre 32 y 110 mm de

   30

   diámetro y una longitud comprendida entre 350 a 1000m.

   7

   Filtro de membranas según la reivindicación 2 caracterizada por que las dos

   piezas huecas que componen el filtro de membranas y que sirven de soporte

   a las mismas admiten un número de membranas comprendido entre 4 y 10

   membranas, bien sea de forma recta o circular y de sección prismática o

   35

   circular.

   8

   Maquina de filtración según la reivindicación 1 caracterizado por carecer del

   departamento-depósito de recirculación por ser suficiente el caudal

   permeado en el transcurso de paso de una sola vez del líquido y no son

   necesarias más veces.

   40

   9 Utilización de la máquina de filtración según la reivindicación 1 como

   sistema de depuración mediante ultra y microfiltración con membranas

   cerámicas para realizar un proceso de depuración terciaria en estaciones depuradoras convencionales que realizan depuración primaria y secundaria con el objetivo de adecuar dichas estaciones depuradoras a la normativa vigente en materia de reutilización de aguas tratadas.

   FigUíu 1

   Figuru 2

   Figuru 3

   FigurQ 4

   Figuru 5

   v