I sistemi di ultrafiltrazione (UF) sono tecnologie di filtrazione che operano sotto pressione, simili alle membrane di osmosi inversa, per separare particelle con un peso molecolare superiore all'acqua stessa. Questi sistemi sono altamente efficaci nell'eliminazione di solidi sospesi e particolato nell'acqua. I sistemi di ultrafiltrazione possono raggiungere prestazioni di filtrazione fino a 5 nanometri, rendendoli più precisi rispetto ai sistemi di microfiltrazione. Per questo motivo, la loro pressione operativa è leggermente più alta rispetto alla microfiltrazione, tipicamente compresa tra 2 e 4 bar. La capacità di flusso media è di circa 40-120 litri per metro quadrato di superficie della membrana. Sono spesso utilizzati in progetti di trattamento delle acque industriali invece dei filtri a sabbia multimediale.

Un'unità di ultrafiltrazione può filtrare tutti i solidi sospesi a livello microscopico. Le membrane UF utilizzano una tecnica di membrana speciale nota come fibra cava, che consente loro di rimuovere particelle solide fino a circa 0,025 micron. Considerando che un capello umano ha uno spessore di 70-80 micron, è facile vedere quanto siano efficaci i dispositivi di ultrafiltrazione per la filtrazione dell'acqua a livello micro.

Nei sistemi UF, le prestazioni vengono misurate utilizzando un parametro chiamato MWCO (Molecular Weight Cut Off). Questo parametro è determinato da quanto a lungo una membrana UF può trattenere almeno il 90% delle sostanze il cui peso molecolare è superiore a quello dell'acqua (come proteine o glicoli). Ad esempio, se una membrana UF può impedire a almeno il 90% di queste sostanze di passare per due giorni, ma questa ritenzione scende al 89% dopo due giorni, il MWCO per questa membrana è considerato 2. Poiché il MWCO non è uno standard internazionale, non è un principio di misurazione riconosciuto a livello universale, ma è frequentemente usato nelle valutazioni tecniche.

Le applicazioni comuni dei sistemi di ultrafiltrazione includono:

• Recupero di proteine da sostanze come latte o siero, concentrazione di zuccheri nel succo di frutta, rimozione di batteri, solidi sospesi e organici dall'acqua potabile imbottigliata.

• Sgrassaggio nei sistemi di acque reflue.

• Rimozione di batteri e virus nell'acqua municipale, produzione di acqua utilizzabile dalle acque reflue.

• Servire come fase di pretrattamento nei sistemi RO per rimuovere solidi sospesi.

Differenze tra sistemi UF e RO

I sistemi UF sono generalmente utilizzati per separare i solidi sospesi, che potrebbero non essere sufficienti per rimuovere sostanze disciolte nell'acqua. I sistemi di osmosi inversa, d'altra parte, filtrano a livello molecolare, inclusi i materiali disciolti. Le prestazioni UF si collocano tipicamente tra microfiltrazione e nanofiltrazione.

Come funziona?

I sistemi di ultrafiltrazione operano secondo lo stesso principio dei filtri per sedimentazione standard. I solidi sospesi vengono intrappolati dalla struttura porosa delle membrane UF. Essenzialmente, l'acqua pressurizzata viene forzata attraverso le membrane, consentendo il passaggio dell'acqua a peso molecolare inferiore. Un diagramma tipico di un sistema UF è mostrato di seguito:

Vantaggi

I sistemi di membrane UF offrono capacità di filtrazione avanzate con un basso consumo energetico, rendendoli altamente efficaci come fase di pretrattamento. Oltre a ridurre la torbidità, un sistema UF filtra patogeni come batteri e virus, differenziandosi dai filtri multimediali a base di sabbia. In sintesi, i sistemi UF forniscono:

• Alta efficienza di filtrazione a elevate portate.

• Filtrazione avanzata dei patogeni (batteri, virus, ecc.).

• Lunga durata e alte prestazioni grazie alle capacità di controlavaggio.

• Opzioni di design compatte grazie a configurazioni modulari.

• Alta resistenza chimica e alla temperatura.

Membrane di Ultrafiltrazione

Le membrane UF possono essere realizzate in polimeri organici o materiali inorganici. La scelta dipende da parametri specifici come il peso molecolare delle sostanze da filtrare e la loro interazione con le catene polimeriche. Nell'industria del trattamento delle acque, si utilizzano prevalentemente membrane a fibra cava. Il tipo di materiale della membrana è importante per la stabilità chimica, termica e meccanica, anche se di solito non causa differenze significative nel flusso o nelle prestazioni di filtrazione. 

Progettazione del Sistema di Ultrafiltrazione

L'ultrafiltrazione opera generalmente a basse pressioni, tipicamente nell'intervallo di 0,5-5 bar. Tali basse pressioni operative consentono al processo di funzionare con pompe a bassa potenza o persino senza pompe in alcuni casi, offrendo un'operazione economica.

Le membrane UF sono prodotte in forma modulare su uno strato di supporto poroso, con ciascuna unità di membrana denominata "modulo". Ogni modulo ha un inlet per l'acqua di alimentazione, un'uscita per il concentrato e un'uscita per il permeato. Ci sono due principali tipi di moduli sul mercato: membrane a spirale e membrane a fibra cava. Altri tipi di moduli—come moduli rotanti, moduli vibranti o moduli a vortice di Dean—sono progettati su misura per processi specifici.

Ogni design del modulo ha vantaggi e svantaggi unici in termini di pulizia, operazione, caduta di pressione e prestazioni di filtrazione. Rispetto ad altri tipi di moduli, i moduli a fibra cava sono vantaggiosi per la facilità di pulizia e l'efficienza operativa; anche le membrane a spirale offrono vantaggi simili. Altri tipi di membrane specializzate comportano costi operativi e di proprietà più elevati, ma possono essere preferiti per applicazioni industriali specifiche.