Membrane ceramiche: le elevate densità di impaccamento dell'area di filtrazione migliorano le prestazioni della membrana

Sono state sviluppate nuove membrane ceramiche tubolari che forniscono un'elevata densità di impaccamento dell'area di filtrazione. Questi nuovi elementi filtranti a membrana ceramica sono stati testati in casi di studio in applicazioni di trattamento delle acque reflue oleose. Steffen Heidenreich e Winfried Michell della Pall Filtersystems GmbH descrivono i risultati.

Gli elementi filtranti a membrana ceramica Schumasiv prodotti da Pall Corporation sono utilizzati con successo in diverse applicazioni da molti anni. Esempi sono la separazione olio-acqua dei condensati dei compressori, i bagni sgrassanti, i lubrificanti refrigeranti e le acque di lavaggio, la filtrazione delle acque di processo, il recupero dei catalizzatori nei processi chimici, la separazione della biomassa nelle acque reflue e varie applicazioni per la chiarificazione delle bevande. Le membrane Schumasiv sono disponibili come elementi filtranti tubolari mono e multicanale. Hanno un corpo di supporto costituito da α-allumina pura, la fase chimicamente stabile dell'allumina. Le membrane sono realizzate in allumina, zirconio o titanio a seconda della dimensione dei pori. Grazie ad una struttura multistrato a gradazione fine con un supporto grossolano rivestito con diversi strati di dimensione dei pori decrescenti, vengono prodotte membrane con un'ampia gamma di dimensioni dei pori che coprono l'intera gamma di micro e ultra filtrazione da 2 a 0,005 μm. Nella Figura 1 è mostrata come esempio la struttura di una membrana di ultrafiltrazione da 0,05 μm. Le membrane ceramiche hanno un'ottima resistenza all'abrasione e ai fluidi chimicamente aggressivi. Inoltre presentano un'elevata resistenza meccanica, una buona resistenza termica ed un'elevata efficienza di separazione. Gli elementi filtranti Schumasiv mono e multicanale sono disponibili con diversi diametri dei canali di flusso da 2,8 a 16 mm. Ciò ne consente l'uso in un'ampia varietà di applicazioni con diverse concentrazioni di solidi. Gli elementi filtranti a membrana Schumasiv hanno una lunghezza fino a 1,5 m. I diametri esterni degli elementi filtranti multicanale sono generalmente 25,4 mm (19 canali con diametro del canale di 3,3 mm), 41 mm (19 canali con diametro del canale di 6 mm o 37 canali con diametro del canale di 3,6 mm) e 52 mm (19 canali con diametro del canale di 8 mm ). La Figura 2 mostra alcuni esempi di elementi filtranti con geometrie diverse. Gli elementi filtranti a membrana ceramica sono installati negli alloggiamenti dei moduli (vedere Figura 3). Gli alloggi standard possono avere fino a 27 m2 di area di filtrazione per alloggiamento. Gli elementi filtranti si installano facilmente grazie alle guarnizioni O-ring. Grazie alla loro resistenza nell'intervallo di pH da 1 a 14, le membrane ceramiche possono essere pulite con prodotti chimici aggressivi, solventi organici, acqua calda o vapore. Inoltre, le membrane ceramiche possono essere rigenerate mediante controlavaggio ad alte pressioni e hanno una lunga durata.

Per ridurre le dimensioni e i costi di un sistema di filtraggio, sono stati sviluppati nuovi elementi filtranti a membrana ceramica con un'elevata densità di riempimento dell'area di filtrazione.

Aumentando la densità di riempimento dell'area di filtrazione, è possibile ottenere una superficie della membrana più ampia per elemento filtrante senza modificare il diametro esterno e la lunghezza degli elementi filtranti esistenti. Ciò consente un aumento della velocità di filtrazione nei sistemi a membrana esistenti sostituendo gli elementi filtranti a membrana ceramica esistenti. Negli studi di caso verrà dimostrata anche una riduzione del numero di elementi filtranti e di conseguenza delle dimensioni e dei costi del sistema di filtraggio per le nuove installazioni.

La superficie della membrana per elemento filtrante è stata aumentata grazie ad un riempimento più fitto dei canali di flusso. È stata scelta una geometria esagonale della sezione trasversale dei canali di flusso per consentire un impaccamento molto denso come un nido d'ape. Il profilo esagonale dei canali di flusso consente elementi filtranti a membrana ceramica con una densità di impaccamento molto elevata della superficie della membrana. Rispetto alla consueta geometria rotonda dei canali di flusso, è stato ottenuto un aumento della superficie filtrante per elemento filtrante del 50%. Ad esempio, l'area di filtrazione di un elemento filtrante a membrana multicanale con un diametro esterno di 41 mm e una lunghezza di 1,2 m è stata aumentata da 0,5 m2 a 0,75 m2. Il numero di canali di flusso in questo caso è stato aumentato da 37 (canali rotondi con diametro di 3,6 mm) a 61 canali (canali esagonali con diametro idraulico di 3,1 mm) per elemento (Figura 4). Il miglioramento di un impaccamento più denso della superficie filtrante si traduce in un flusso di permeato più elevato per elemento filtrante.