Un filtro para pila de agua puede referirse a un sistema destinado a filtrar el aire, el refrigerante, el gas anódico o el agua relacionada con una pila de combustible. La elección depende del fluido que deba tratarse, de los contaminantes presentes, del caudal, de la presión disponible y del objetivo del sistema.
En las pilas de combustible, los filtros protegen los componentes frente a partículas, gases nocivos, agua e impurezas iónicas. En el tratamiento terciario de aguas residuales, los filtros de tela de pila reducen los sólidos en suspensión hasta unos pocos mgSST/l utilizando una tela de fibra libre como medio filtrante.
Qué función cumple un filtro para pila de agua
La tecnología de celdas de combustible PEM puede desempeñar un papel importante en la descarbonización del transporte, la generación de energía y las aplicaciones fuera de carretera. Para lograr la penetración en el mercado, deben satisfacerse las expectativas de los clientes en cuanto a durabilidad, pero también en cuanto a costos.
Uno de los factores que conduce a la degradación de las pilas de combustible es el efecto de la contaminación atmosférica dañina, por ejemplo, partículas, NOx, SO2 y NH3. Para implementar los requisitos de durabilidad a largo plazo de los sistemas de celdas de combustible, estos deben estar protegidos por purificadores de aire catódicos.
Los filtros de aire catódicos eficientes y de alto rendimiento ayudan a lograr estos objetivos. La función del conducto de aire del cátodo de una pila de combustible es proporcionar aire a la temperatura, presión, grado de humedad y limpieza adecuados.
En las pilas de combustible, por ejemplo, la solubilidad de los componentes iónicos en el circuito refrigerante es problemática. Esto puede provocar un aumento de la conductividad, efectos de cortocircuito eléctrico y una pérdida de rendimiento de la pila de combustible.
Qué contaminantes debe eliminar
Para garantizar una protección eficaz, se requieren conocimientos profundos sobre los contaminantes y los mecanismos de degradación. Los filtros de pilas de combustible modernos abordan las siguientes sustancias:
- Partículas presentes en el aire del cátodo.
- Partículas de sal.
- Óxidos de nitrógeno, como NOx.
- Dióxido de azufre, SO2.
- Amoníaco, NH3.
- Agua líquida en los circuitos de gas.
- Componentes iónicos disueltos en el refrigerante.
Las partículas presentes en el aire del cátodo que entran en la pila de combustible pueden provocar el bloqueo de la capa de difusión de gas (GDL), la capa microporosa (MPL) y otros canales de flujo, lo que reduce el transporte de medios y, por lo tanto, el rendimiento.
Las partículas de sal también actúan sobre las membranas reduciendo su conductividad iónica. Los gases nocivos pueden degradar el rendimiento de la pila de dos formas: la primera es el envenenamiento del catalizador.
En este caso, los gases nocivos ocupan sitios activos en el catalizador de platino, lo que reduce el área de superficie activa electroquímica (ECSA) según el tipo y la concentración. Esto da como resultado una caída temporal o permanente del voltaje de la pila y, por lo tanto, una disminución del rendimiento de la pila de combustible.
La segunda es que los gases nocivos como el amoníaco (NH3) afectan a la durabilidad de las membranas de la pila de combustible y del humidificador. La reacción química con las funcionalidades de ácido sulfónico de la membrana puede provocar un aumento de la resistencia óhmica y una reducción del rendimiento de transferencia de agua y protones.
Además, el envejecimiento acelerado y los efectos de degradación también provocan el deterioro de las propiedades mecánicas. La separación especialmente eficaz de los gases de azufre y amoníaco evita daños en el catalizador y la membrana de la pila de combustible.
Filtros de pila de combustible y filtros de agua
Las soluciones de filtración terciaria pueden dividirse, según el tipo de medio filtrante utilizado, en dos macrocategorías: los filtros de microrredes (utilizan redes de monofilamento) y los filtros de tela de fibra libre (aprovechan las propiedades de los tejidos de fibra libre).
Estas tecnologías tienen algunas similitudes y permiten eliminar eficazmente los sólidos en suspensión. Los filtros de tela son un método eficaz para eliminar impurezas y partículas sólidas del agua, garantizando su claridad y seguridad.
Se utilizan normalmente en la filtración terciaria del agua, o «filtración final«, y reducen el contenido de sólidos en suspensión del agua en decenas de mg/l hasta prácticamente cero.
Filtros de tela de microrred
La malla filtrante es bidimensional y está formada por una trama de hilos sintéticos o metálicos, cuya luz de paso determina la capacidad de filtración. El medio filtrante consiste en una malla bidimensional metálica o sintética, cuya luz de paso determina la capacidad de filtración, dando lugar a una filtración superficial.
Filtros de tela de pila o fibra libre
El tejido filtrante es tridimensional y está formado por una trama básica a la que se fijan fibras libres sintéticas que garantizan un grado de filtración equivalente más selectivo que el de la malla de tejido.
Los filtros de tela de pila son uno de los sistemas más eficaces para el tratamiento terciario del agua. Su gran eficacia radica en combinar las ventajas de la filtración superficial, propia de los filtros de micromalla, con la filtración en profundidad de los filtros de arena, ofreciendo una elevada capacidad de eliminación de sólidos en suspensión (SST) a bajo coste.
En general, podemos enumerar una serie de ventajas de los filtros de tela en el tratamiento del agua:
- Eficacia de eliminación de partículas en suspensión.
- Filtración continua.
- Flexibilidad en caso de sobrecargas en la entrada del filtro.
- Costes de instalación reducidos.
- Facilidad de limpieza y mantenimiento.
Los filtros de tela son capaces de eliminar partículas finas (< 10 micras) gracias a la acción de la tela filtrante. No es necesario instalar unidades de reserva, la filtración no se detiene durante el ciclo de retrolavado automático de las telas.
Cómo funcionan los filtros de tela de pila
La estructura de soporte del medio filtrante de tela de fibra sintética consiste en discos o en un tambor. Las aguas residuales se introducen por gravedad a través del tejido y las fibras entretejidas que lo componen atrapan en el exterior partículas de sólidos en suspensión de distintos tamaños.
El agua tratada se transporta por el interior de los elementos filtrantes y llega al eje central hueco, mientras que los sólidos que se depositan en la tela se eliminan periódicamente del sistema mediante el dispositivo automático de retrolavado.
Filtración en profundidad
Las fibras sueltas del vellón crean un intrincado laberinto de pasos irregulares, lo que da lugar a una gruesa capa de material filtrante. Este diseño permite que las partículas de TSM penetren entre las fibras y queden atrapadas entre ellas.
La filtración en profundidad garantiza una eliminación más eficaz de los sólidos, incluso los más finos de tamaño micrométrico. Los filtros de vellón son capaces de eliminar eficazmente una gran variedad de sólidos en suspensión, hasta concentraciones inferiores a 10 mg/l en el agua de salida.
Recorrido del agua
El agua a tratar entra en la cuba del filtro, pasa a través de los discos o el tambor del filtro y fluye hacia el eje central. Los sólidos interceptados por el filtro permanecen fuera del mismo, evitando la obstrucción de los conductos internos de la máquina y haciendo que la limpieza sea sencilla y eficaz.
Estos filtros son adecuados para el tratamiento de aguas residuales o aguas de proceso de diversas industrias, como la textil, la papelera, la alimentaria y la química.
Tipos de filtros para pilas de combustible
Por lo general, la taxonomía de filtros se relaciona con el tipo de medio filtrante utilizado:
- Medios sintéticos: para eliminar partículas del aire del cátodo, se utilizan medios filtrantes sintéticos.
- Carbón: el carbón activado funcionalizado se utiliza para eliminar gases nocivos del aire mediante adsorción.
- Quimisorción: para capturar los gases polares objetivo, se debe aplicar la quimisorción.
La impregnación de carbones activados con ácidos une gases básicos, p. ej., NH3. La funcionalización del carbón activado expone grupos químicos polares de polaridad opuesta.
En la mayoría de los casos, se aplican elementos filtrantes combinados con capas de filtro de partículas y de adsorción de gases. Se debe tener especial cuidado si la pila de combustible va a funcionar en entornos polvorientos.
Criterios de rendimiento
Los principales parámetros clave de rendimiento de los filtros de pilas de combustible son:
- Eficiencia de adsorción de gas: describe qué tan bien un filtro puede adsorber gases específicos y varía según el tipo de gas y su concentración.
- Capacidad de adsorción de gas: indica qué cantidad de gas se puede adsorber y varía según el gas y su concentración.
- Eficiencia de filtración de partículas: describe qué tan bien los filtros de celdas de combustible pueden capturar partículas de diferentes tamaños.
- Caída de presión.
El rendimiento de adsorción de gas se mide de acuerdo con la norma ISO 11 155-2 y depende de la concentración de gas aguas arriba, que es mucho más alta que las concentraciones reales para lograr duraciones de prueba aceptables, por ejemplo, 80 ppm para tolueno y 30 ppm para NOx y SO2.
La eficiencia de adsorción depende en gran medida de cuánto se haya cargado el adsorbedor, y los mejores filtros tienen eficiencias muy superiores al 90 %. La capacidad de adsorción se determina con un avance del 95 % o una duración de prueba definida, por ejemplo, 3 horas de carga.
| Parámetro | Valor o condición |
|---|---|
| Concentración de tolueno en la prueba | 80 ppm |
| Concentración de NOx y SO2 en la prueba | 30 ppm |
| Eficiencia de los mejores filtros | Muy superior al 90 % |
| Avance utilizado para determinar la capacidad | 95 % |
| Duración de prueba definida | 3 horas de carga |
La capacidad real del filtro depende de la masa de carbón activado: los filtros cilíndricos para celdas de combustible de 80 a 130 kW alcanzan más de 100 g de tolueno con una carga de 80 ppm y una eficiencia del 95 %, más de 30 g de SO2 con una carga de 30 ppm después de 3 horas y más de 25 g de NOx en las mismas condiciones de carga.
La figura anterior muestra el principio de los carbones activados funcionalizados. Se comparan las curvas de ruptura de diferentes carbones activados para diferentes gases.
Mientras que el carbón activado A alcanza su punto de saturación para el gas 1 después de un corto tiempo, es muy eficaz para el gas 2. Por otro lado, el carbón activado D no es adecuado para el gas 2, pero funciona mejor para el gas 3.
Por lo tanto, la combinación de diferentes capas de carbón activado puede maximizar la eficiencia de adsorción para características de exposición especiales. Si el gas nocivo pasa varias capas de carbón activado, la probabilidad de adsorción aumenta mientras que las caídas de presión aumentan también.
Filtración de partículas y capacidad de polvo
Se aplica la norma ISO 5011 para evaluar el rendimiento de filtración de partículas de los filtros de celdas de combustible. Cuando se carga con polvo de prueba A2 (ISO 12 103 - 1 g/m³), el filtro descrito anteriormente alcanza una eficiencia de filtración inicial del 99 % y superior, con una capacidad de polvo de 150 g a una caída de presión de 50 mbar.
En todos los filtros de aire catódicos, se debe encontrar el equilibrio óptimo entre la eficiencia de adsorción volumétrica y la caída de presión, lo que define el diseño del elemento de filtro de aire catódico.
Elementos filtrantes disponibles
En general, hay 3 tipos diferentes de elementos de filtro disponibles:
- Elemento filtrante plisado.
- Elemento filtrante de pila.
- Elemento filtrante redondo.
El rendimiento de estos elementos respectivos entre sí se puede encontrar en las curvas de flujo de volumen frente a la pérdida de presión a continuación. También es importante tener en cuenta que si el flujo de volumen está disminuyendo entonces la eficiencia de adsorción aumentará.
Por qué es importante la caída de presión
La mayor caída de presión debe compensarse con un mayor rendimiento del compresor, lo que genera más ruido pero también consume más energía, lo que reduce la eficiencia general del sistema de celdas de combustible.
Una contramedida es aumentar el tamaño del filtro, pero esto no es posible en todas las aplicaciones. En los automóviles de pasajeros, las pilas de combustible requieren altos flujos de aire, pero solo hay un pequeño volumen disponible; por lo tanto, a menudo se utilizan diseños de filtro de aire de panel.
En los vehículos comerciales, hay más espacio disponible y, en combinación con los requisitos de vida útil más altos, se prefieren los elementos cilíndricos con varias capas de carbón activado.
Si el flujo de aire es bajo, por ejemplo, con pilas de combustible más pequeñas, se prefieren los elementos cilíndricos.
| Aplicación | Solución indicada |
|---|---|
| Automóviles de pasajeros | Diseños de filtro de aire de panel |
| Vehículos comerciales | Elementos cilíndricos con varias capas de carbón activado |
| Pilas de combustible más pequeñas | Elementos cilíndricos |
Dónde se instala el filtro
Los filtros de aire catódicos se colocan antes del compresor, también para proteger estos componentes de la contaminación por partículas. Como se ha visto anteriormente, el filtro de la pila de combustible está situado antes del compresor.
Si existe riesgo de entrada de agua, se debe colocar un separador de agua antes del elemento filtrante, ya que el agua líquida en el elemento filtrante podría bloquear el paso del aire y ocupar sitios de adsorción en las capas de adsorción.
Muchas pilas de combustible reciclan el gas anódico no utilizado para recuperar el hidrógeno sobrante. Para ello, es necesario eliminar el agua (que se mezcla con el exceso de gas hidrógeno).
Un sistema compacto de separación de agua/gas utiliza un diseño de válvula para purificar eficazmente el agua y reciclar el hidrógeno recuperado de nuevo en la corriente de gas anódico.
Filtros del circuito refrigerante
El Intercambiador de iones Blue.iox ofrece una solución en este caso y garantiza un funcionamiento seguro del Refrigerante con una conductividad eléctrica minimizada.
La solubilidad de los componentes iónicos en el circuito refrigerante es problemática, porque puede provocar un aumento de la conductividad, efectos de cortocircuito eléctrico y una pérdida de rendimiento de la pila de combustible.
Efectos del aire limpio
Los filtros de las pilas de combustible limpian el aire, lo que en última instancia mejora el rendimiento de un sistema de pilas de combustible. La siguiente figura es el resultado de una prueba ZBT realizada para analizar el efecto del aire limpio en una pila de combustible.
Como puede observarse en la figura anterior, el voltaje de la pila A operada con un filtro permanece casi constante, mientras que la pila B sufre una mayor degradación, causada por los NOx como muestra la caída de voltaje como consecuencia de los picos en la concentración de NOx.
Esto demuestra claramente que el aire limpio desempeña un papel importante en la mejora del rendimiento de un sistema de pila de combustible. Los efectos de los gases nocivos sobre el rendimiento de las pilas de combustible, especialmente tras una exposición prolongada, son a menudo irreversibles, por lo que es esencial una protección eficaz de los componentes.
Filtros de tela de pila frente a microrredes
Filtros de tela de pila y filtros de micromalla: dos soluciones que comparten su uso para el tratamiento avanzado del agua, pero cada una se caracteriza por especificidades estructurales.
En ambos sistemas, el agua pasa a través de un medio filtrante que atrapa las partículas sólidas en suspensión presentes. Los sólidos interceptados por el filtro se eliminan periódicamente mediante un sistema de retrolavado.
En el caso de los filtros de tela de pila, el medio filtrante consiste en una masa de fibras sintéticas libres, fijadas sobre una armadura de soporte, que proporcionan una filtración en profundidad.
Por el contrario, en los filtros de microrred, el medio filtrante consiste en una malla bidimensional metálica o sintética, cuya luz de paso determina la capacidad de filtración, dando lugar a una filtración superficial.
Las diferencias también se encuentran en el sistema de lavado del medio filtrante: esta operación se realiza por succión (retrolavado) en el caso de los filtros de tela de pila, con agua a presión en el caso de los filtros de microrred.
El sentido de la filtración también es diferente: de los discos (o tambor) hacia el eje central en el caso de los filtros de tela de pila (out-in), del eje hacia los discos en los filtros de microrred (in-out).
En general, la filtración por gravedad de los filtros de fibras libres supone un mayor ahorro de energía, ya que no se necesitan bombas de presurización.
Por último, la calidad del agua a tratar: los filtros de microrred son más adecuados para aguas con bajas concentraciones de MES, mientras que los filtros de vellón también pueden tratar aguas con altas concentraciones de MES.
Filtros de disco y filtros de tambor
Los filtros de discos giratorios son sistemas terciarios de tratamiento de aguas en el sector civil o para el acabado de efluentes en el sector industrial. Estos sistemas montan discos en un eje hueco y utilizan una tela, a menudo vellón, como medio filtrante para los sólidos en suspensión y el fósforo.
Los llamados «sistemas de filtración por discos» son soluciones de riego que no tienen nada que ver con el tratamiento de aguas residuales. Por ello, es mejor referirse a estos sistemas como «filtros de discos de tela» o «filtros de discos para el tratamiento de aguas residuales».
Estos sistemas pueden estar equipados con microrredes, para tratamiento superficial, o con vellón de fibra libre, para filtración en profundidad, similar a la filtración por arena.
También existen filtros de tela de tambor: el vellón filtrante está montado sobre una estructura cilíndrica de soporte.
En términos generales, los filtros de disco para el tratamiento del agua suelen ser más adecuados para tratar grandes volúmenes de agua, ya que ofrecen una mayor superficie filtrante.
Los filtros de tambor son apreciados cuando los caudales a tratar son limitados y, en particular, cuando el espacio de instalación es reducido.
Retrolavado y mantenimiento
El retrolavado de las telas filtrantes es una operación importante que se realiza automáticamente en los filtros de vellón para mantener la eficacia del proceso de filtración.
Es natural que, durante la filtración, las partículas sólidas se acumulen gradualmente en la tela, reduciendo la capacidad de tratamiento del sistema. El retrolavado elimina estas partículas y restablece la eficacia del proceso de filtración.
El retrolavado se realiza a intervalos de tiempo regulares o cuando las caídas de presión aumentan hasta un valor umbral. El proceso consiste en invertir el flujo de agua a través del tejido para eliminar las partículas acumuladas en su superficie.
El agua utilizada para el contralavado se recircula en la cabecera del sistema a través de una línea específica, de modo que las partículas eliminadas por la tela se retiran del sistema de filtrado.
Durante esta fase de limpieza de las telas filtrantes, el sistema de telas filtrantes sigue funcionando. Este funcionamiento permite mantener la continuidad operativa de la maquinaria y de la depuradora civil o industrial.
Cuándo sustituir el filtro
Como la capacidad de adsorción de gases para los gases objetivo en los elementos de filtro de aire catódico depende de la masa del adsorbente, el filtro debe cambiarse cuando los carbones activados están completamente cargados o el gas nocivo comienza a filtrarse.
Por lo tanto, el intervalo de servicio depende en gran medida de la mezcla de carbón activado, la masa del adsorbente y el tamaño del filtro.
Para lograr una vida útil adecuada del filtro, se deben conocer las concentraciones típicas de gas objetivo que se encuentran en condiciones de funcionamiento típicas, lo que permite un diseño de filtro con un rendimiento de adsorción bien equilibrado.
Aplicaciones municipales e industriales
Los filtros de tela de pila pueden utilizarse para tratar tanto aguas residuales municipales como industriales. Ambas aplicaciones son posibles y están ampliamente referenciadas.
La elección del tipo de filtro depende de las características específicas del agua y de los requisitos del proceso de tratamiento. En el caso de las aguas residuales municipales, los filtros de tela de pila se utilizan como etapa terciaria de depuración, con el objetivo de alcanzar límites reglamentarios estrictos que permitan, por ejemplo, la reutilización del agua para el riego.
En segundo lugar, una sección de filtración terciaria permite optimizar el rendimiento y la gestión de las secciones de tratamiento posteriores, como la desinfección UV.
En el caso de las aguas residuales industriales, los filtros de tela de pila «industriales» pueden utilizarse como finalizadores del agua, ya sea en caso de vertido a la red de alcantarillado o con vistas a permitir su reutilización interna.
Las instalaciones de producción son heterogéneas en cuanto a calidad y cantidad de contaminantes: antes de cualquier instalación definitiva, es importante probar la aplicabilidad del proceso de filtración mediante una unidad piloto.
Filtro automático de malla para riego y procesos industriales
El filtro de malla automático horizontal FILTRON es una solución avanzada para sistemas de riego agrícola e industrial, diseñado para garantizar un suministro constante de agua limpia con un mantenimiento mínimo.
Equipado con un programador a pilas, este filtro combina robustez y tecnología de limpieza automática por presión diferencial, ideal para instalaciones de gran demanda.
- Capacidad de retener partículas de hasta 120 micrones.
- Limpieza automática controlada por tiempo y/o presión.
- Presión máxima de trabajo: 10 bar.
- Presión mínima de limpieza: 2,5 bar.
- Temperatura máxima de trabajo: 60ºC.
- Cuerpo de St-37 o acero inoxidable AISI 316L.
- Cartucho principal de AISI 304L con estructura CAGEPRGF.
- Diseño horizontal para optimizar el espacio.
El agua ingresa por el colector de entrada y pasa por un prefiltrado inicial. Fluye al cartucho principal, donde se filtra de dentro hacia fuera, reteniendo las partículas en el interior del tamiz.
La acumulación de suciedad genera una diferencia de presión que activa la válvula de descarga. Un flujo inverso limpia el tamiz mediante un movimiento axial rotativo, succionando las partículas retenidas a través de toberas y eliminándolas por el colector de drenaje.
El proceso finaliza y el sistema regresa a su estado inicial, listo para seguir operando. Sus aplicaciones incluyen el riego agrícola, los sistemas industriales y las grandes instalaciones que necesitan filtración eficiente y mantenimiento automatizado.
| Característica | Especificación |
|---|---|
| Filtración | 120 micrones |
| Presión máxima de trabajo | 10 bar |
| Presión mínima de limpieza | 2,5 bar |
| Temperatura máxima de trabajo | 60ºC |
| Material del cuerpo | St-37 o AISI 316L |
| Material del cartucho | AISI 304L-CAGEPRGF |
Filtro automático de malla Rivulis F3240
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