Che cosa è la filtrazione superficiale?

Nella filtrazione superficiale, detta anche filtrazione di rifiuto, le molecole non penetrano nel filtro, ma sono ritenute dalla sua superficie. I pori del filtro devono essere quindi di dimensioni inferiori rispetto alle particelle solide da filtrare.

I materiali filtranti utilizzati possono essere permeabili o semipermeabili, preparati per ritenere tutte o solo parte delle particelle sospese nel fluido. Essi possono essere di carta, tessuto o altri tipi di membrane. In una prima fase della filtrazione se nella sospensione vi sono anche particelle con dimensione inferiore a quella dei pori del mezzo filtrante esse vi passano attraverso, mentre le particelle di dimensioni maggiori rimangono attaccate alla superficie. Se il flusso è perpendicolare alla superficie una parte delle particelle ritenute bloccano i pori del mezzo, formando man a mano uno strato di materiale, definito comunemente strato di torta, che contribuisce inizialmente ad aumentare l'efficienza del filtro. Dopo questa fase il filtro è costituito dallo strato di torta mentre il mezzo filtrante funziona solo da supporto. Gradualmente la superficie del mezzo filtrante si riempie di particelle che si deformano, costituendo un impedimento al flusso della sospensione fino a ridurlo al di sotto di livelli accettabili. A questo punto il filtro deve essere pulito per poter proseguire con la filtrazione. La resistenza dello strato di torta è funzione della porosità e dello spessore del deposito di particelle, che può variare nel tempo. Talvolta sono previsti degli ausili, denominati precoat o prepannello, disposti come strati al di sopra del mezzo filtrante per ridurre la compressione data dallo strato di torta ed aumentarne la permeabilità. Il precoat è costituito solitamente da un composto formato da cellulosa, farina fossile ed una porzione del liquido da filtrare o acqua.

Le cartucce filtranti rappresentano una delle più versatili forme di filtrazione. Il loro funzionamento si basa sulla filtrazione di superficie. Le cartucce filtranti hanno un nucleo centrale perforato attorno al quale sono avvolti strati di materiale filtrante. Il fluido immesso viene pompato nel nucleo centrale e passa attraverso le barriere filtranti. La struttura descritta viene inserita all'interno di un contenitore cilindrico plastico o metallico, in grado di sopportare la pressione a cui viene sottoposto il fluido. Il contenitore ha diverse funzioni che sono portare l'acqua al filtro, raccogliere la soluzione filtrata, supportare e tenere il filtro nella posizione corretta per impedire all'acqua di compiere un percorso ridotto attorno ad esso e mantenere un'adeguata pressione all'interno del sistema. I filtri a cartuccia si differenziano tra loro per lunghezza, diametro, materiale e conformazione. La lunghezze ed il diametro devono essere scelti in base alle quantità da filtrare ed allo spazio a disposizione. I materiali maggiormente utilizzati come mezzo filtrante in questi dispositivi sono la cellulosa, il poliestere ed il polipropilene, così come varie combinazioni tra questi. Talvolta il mezzo filtrante può essere composto da un materiale che non ha proprietà filtranti, ma che viene disposto a formare dei pori o viene forato. Più piccoli sono i pori del materiale filtrante maggiore è la pressione che deve essere esercitata affinché avvenga la filtrazione. La conformazione può essere di due diverse tipologie: avvolta, in cui i fili composti da materiale filtrante sono avvolti attorno al nucleo centrale o pieghettata, in cui i fogli di materiale filtrante hanno una conformazione con diverse pieghe e sono attaccati al nucleo centrale. Quest'ultima conformazione conferisce alla cartuccia una maggiore superficie filtrante che garantisce un'efficiente separazione della fase solida. Le cartucce filtranti possono rimuovere particelle con dimensioni tra 0.5 mm a 0.1 μm, o anche inferiori se vengono utilizzate delle membrane. Per i filtri a cartuccia è sconsigliato l'uso in un precoat o di coagulanti perché il flusso è tangenziale e il loro funzionamento non si basa sulla creazione dello strato di torta, ma sulla dimensione effettiva dei pori del mezzo filtrante. Quindi questi accorgimenti avrebbero il solo risultato di aumentare la perdita di pressione all'interno del filtro, causando la necessità di una più frequente sostituzione.

Architettura degli impianti a cartuccia filtrante

A seconda del flusso, della viscosità del liquido e dell'efficienza di filtrazione richiesta le cartucce filtranti possono essere installate secondo diversi schemi: a singola cartuccia , multiple cartucce o in serie. Un sistema composto da una singola cartuccia filtrante è piuttosto raro in ambito industriale, viene solitamente utilizzato in ambito domestico o dove vi sono piccole quantità ed un'eccellente qualità di acqua in entrata. Un sistema composto da multiple cartucce prevede che vi siano diverse cartucce filtranti collegate fra loro in una sequenza in cui l'acqua in entrata passa da filtri con dimensioni dei pori man a mano decrescente, per ottenere un filtrato di ottima qualità. In un sistema in serie le diverse cartucce filtranti sono raggruppate insieme in un unico contenitore al fine di garantire un maggiore flusso nel sistema ed un tempo di vita più lungo per ciascuna cartuccia.

Applicazioni delle cartucce filtranti

Le cartucce filtranti vengono applicate principalmente in:

• prefiltrazione negli impianti di filtrazione a membrana (ad esempio impianti ad osmosi inversa);
• filtrazione di acque superficiali da microrganismi, in particolare le oocisti di Cryptosporidium e le cisti di Giardia;
• diminuzione della torbidità;
• rimozione dei metalli.

Vantaggi e limitazioni delle cartucce filtranti

Le limitazioni nell'uso delle cartucce filtranti sono rappresentate prevalentemente da due fattori: la qualità dell'acqua in entrata e le dimensioni dell'impianto. Se la sospensione in entrata è caratterizzata da grandi quantità di colloidi e/o alghe e da alti livelli di torbidità non è consigliabile l'utilizzo di questi dispositivi. Inoltre non è consigliabile utilizzare le cartucce filtranti per impianti con flussi molto elevati. I vantaggi nell'utilizzo delle cartucce filtranti sono un costo contenuto, la scarsa necessità di intervento da parte degli operatori e la facilità nelle operazioni, in quanto le cartucce filtranti sono semplici da utilizzare e da sostituire in caso di necessità.

Uno dei metodi di pulizia maggiormente utilizzati è quello del controlavaggio: l'acqua viene fatta passare attraverso il filtro in direzione opposta a quella del normale flusso, per rimuovere tutti i componenti al suo interno. Tuttavia questo metodo di pulizia non è del tutto efficace perché una volta che l'area pulita del filtro (l'insieme dei pori non ostruiti) raggiunge la stessa superficie delle flange in entrata ed in uscita le velocità sono medesime in tutto il sistema. Questo implica che anche l'energia all'interno del sistema sia la stessa in ogni punto, quindi non c'è differenza di energia tra una parte e l'altra del filtro per cui esso non verrà pulito ulteriormente. Tuttavia molte tipologie di filtri hanno una superficie dei pori aperti pari a 5 o 10 volte l'area della sezione delle flange in uscita ed in entrata e quindi la differenza di pressione per questi filtri misura zero molto prima che la pulizia sia realmente completata. Conseguentemente gli intervalli di tempo tra un lavaggio ed il successivo sono molto brevi e solo una porzione di filtro sarà disponibile per la filtrazione. Un altro svantaggio del controlavaggio tradizionale è che per la durata della procedura di pulizia la filtrazione deve essere interrotta.

Il metodo del controlavaggio concentrato o aspirazione a scansione prevede la creazione di una forza di aspirazione invertendo il flusso attraverso una piccola porzione della superficie del filtro. La differenza di pressione tra quella del sistema in esercizio e quella quella atmosferica crea un veloce flusso di acqua in direzione opposta attraverso tale porzione di filtro, spingendo il sedimento dello strato di torta via dal filtro. Quest'area viene quindi lentamente mossa sulla superficie del filtro pulendolo progressivamente in modo completo. Durante le operazioni di pulizia non è necessario interrompere le operazione di filtraggio.

Una delle problematiche maggiori dei sistemi con filtrazione a superficie è rappresentata dalla tendenza a bloccarsi rapidamente ed alla frequente necessità di essere puliti o sostituiti. I filtri autopulenti sono dotati di un sistema di pulizia fornito di controllo automatico o semiautomatico che si aziona quando è il momento di effettuare la procedura.

Applicazioni dei filtri autopulenti

I filtri autopulenti trovano applicazione principalmente in:

• rimozione dei solidi in sospensione delle acque in entrata nei sistemi di trattamento e nelle reti di distribuzione;
• pretrattamento per impianti ad osmosi inversa ed altri sistemi di desalinizzazione.