ES2295902T3 - Elemento filtrante ceramico para purificar agua. - Google Patents

Abstract

Filtro con una carcasa y un elemento filtrante cerámico (10) para purificar agua, formado por un cuerpo tubular que consta al menos de una pared (11) y de una abertura de paso (12) a lo largo de todo el cuerpo tubular, de modo que dicha pared (11) está constituida como capa funcional o soporte con un recubrimiento funcional, y el agua para filtrar fluye a presión desde la superficie externa (18) hacia la abertura de paso (12) o bien a través de la superficie interna (17) de la abertura de paso (12) hacia la superficie externa (18) del elemento filtrante cerámico (10), caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) va montado en la carcasa, que presenta una salida de agua (22) y, preferentemente en un primer extremo abierto (13) de la abertura de paso (12), una entrada de agua (21), y además un tapón de rosca (23) que cierra un segundo extremo abierto (14) de la abertura de paso (12), de manera que la abertura de paso (12) se puede abrir desenroscando el tapón (23), parapermitir la limpieza del elemento filtrante (10) sin necesidad de desmontar completamente el filtro.

Description

Elemento filtrante cerámico para purificar agua.

Estado técnico

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La presente invención se refiere a un elemento filtrante cerámico para purificar agua, que puede utilizarse con o sin carcasa.

En muchos países el abastecimiento de agua potable a la población representa el mayor problema del futuro. Sobre todo en áreas superpobladas o apartadas de la civilización hay que contar con que el agua potable está contaminada con suciedad y agentes patógenos como bacterias, virus y esporas. Diarrea, cólera, tifus, hepatitis, poliomielitis o tétanos son solo algunos ejemplos de las enfermedades que pueden transmitirse a través del agua potable infectada con gérmenes y que provocan cada año la muerte, entre otros, de tres a cuatro millones de niños en todo el mundo. Sobre todo en las metrópolis de los países en vías de desarrollo, hasta un 90% de los residuos llegan sin depurar a los ríos y a las aguas subterráneas. La Organización Mundial de la Salud calcula que en el año 2050 casi la mitad de la población mundial (un 44%) ya no tendrá acceso a agua limpia.

Como ya se asume que la mayoría de las guerras del siglo 21 tienen por objeto el acceso a agua limpia, el problema del agua potable afectará a todo el mundo. Así p.ej. se intenta disponer de suficientes depuradoras, desalinizar agua de mar o implantar desinfecciones químicas con cloro u ozono. Que el problema todavía no está resuelto a pesar de estas medidas lo demuestra, entre otras cosas, el hecho de que en muchos hoteles del mundo se advierte de que no se beba agua del grifo. Estos avisos se pueden leer tanto en los Estados Unidos como en Rusia o China. El agua potable del grifo solo tiene buena calidad en Europa central, occidental y septentrional. Pero ahí también ocurre que cuando hay que almacenar agua durante largo tiempo, p.ej. en depósitos, se hace imprescindible el uso de agentes depuradores de agua como cloro o iones plata.

Las instalaciones depuradoras, las plantas desalinizadoras de agua de mar, etc. sirven para combatir el problema del agua a gran escala. Sin embargo, como estas medidas son muy costosas más de la mitad de la población mundial vive actualmente con agua potable de mala calidad, infectada en la mayor parte de los casos. En países como China el agua potable se compra en bidones en el mercado. La necesidad individual de agua potable limpia no existe solo lejos de la civilización, allá donde el agua potable solamente puede extraerse de pantanos, arroyos, pozos o ríos, sino mucho más cerca.

Para el denominado sector exterior se introdujeron hace ya mucho tiempo filtros de agua potable portátiles y robustos que caben en cualquier mochila. El líder mundial del mercado de estos sistemas filtrantes portátiles es la firma Katadyn, que hoy vende tales productos con la marca "Certipur". Dichos filtros llevan dentro un depósito poroso, p.ej. de plástico (polímero) o de tierra de diatomeas, dotado de carbón activo y de compuestos de plata, a través del cual se bombea el agua sucia. El carbón activo dentro del depósito poroso, gracias a su inmensa superficie, sirve para separar los gérmenes del agua y absorberlos. La plata sirve para destruirlos. Dichos filtros se desarrollaron especialmente para senderistas y se diseñaron para expediciones. Resisten cargas extremas, pero son complejos y caros, por lo cual no han sido desarrollados para aplicaciones masivas.

No han faltado ensayos para fabricar filtros que también fueran adecuados para aplicaciones masivas y pudieran proporcionar agua limpia a particulares. Estos sistemas filtrantes son casi exclusivamente equipos estacionarios para depuración de agua, que van integrados en la tubería del agua, antes del grifo, y la desinfectan química o físicamente. Una excepción es el filtro de agua de la firma Brita, que funciona a base de un intercambiador iónico y se maneja como un aparato portátil, p.ej. en la cocina (de manera similar a una máquina de café). Estos sistemas tienen en común que son complicados y caros.

Los aparatos sencillos y relativamente económicos funcionan a base de un filtro polimérico poroso que va combinado con carbón activo (de la firma Filtrix, filial de uno de los mayores fabricantes de carbón activo, la firma Norit, o de la firma Smith Hodgins). Pero como los polímeros no están concebidos para temperaturas elevadas, ni para esfuerzos mecánicos (p.ej. de limpieza), ni para agua ácida o básica, su campo de empleo está muy limitado. Estos filtros no pueden utilizarse para agua marina, salobre, carbonatada o azucarada. Pero el mayor problema de estos filtros es que son muy difíciles de limpiar (si acaso con detergentes químicos), aunque siempre se pueden vender como productos de un solo uso.

Para evitar dichos inconvenientes, sobre todo la dificultad de la limpieza, la firma Doulton emplea las llamadas bujías cerámicas como envoltura externa de sus filtros. En sus descripciones de producto la firma Doulton propone, entre otras cosas, limpiar estas bujías cerámicas con papel de lija bajo el grifo, después del uso. Estas bujías, que no tienen ninguna función filtrante, son permeables al agua y contienen iones plata que promueven la esterilización. Las bujías están rellenas de carbón activo, como material realmente filtrante, el cual gracias a su gran superficie pueden absorber los contaminantes y purificar el agua.

En resumen puede decirse que el agua potable limpia es cada vez más escasa en el mundo y que hacia 2050 más del 40% de la población mundial no tendrá acceso a ella. El problema se aborda con estaciones depuradoras, plantas desalinizadoras de agua de mar, etc., pero por elevados costes y circunstancias políticas no está resuelto de manera completa. Tan solo en Europa septentrional, central y occidental tiene el agua potable una buena calidad.

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Para proporcionar agua potable de buena calidad a los particulares existen soluciones para el ámbito exterior, que son caras y complicadas y no están pensadas para aplicaciones masivas. Funcionan con carbón activo, que gracias a su gran superficie absorbe las bacterias del agua sucia, y con plata, que las destruye. Además se conocen equipos estacionarios y uno móvil, que también purifican el agua con carbón activo o mediante intercambiadores iónicos. Como el principio es muy costoso y complicado también son impensables en tal caso las aplicaciones masivas, sobre todo en los países más pobres. En cambio son interesantes los planteamientos que además del uso de carbón activo parten de filtros poliméricos para separar bacterias. Los filtros poliméricos pueden abarcar tamaños de poro muy diversos, pero como material filtrante son muy delicados. Su manejo (abundante bombeo de agua sucia a través del filtro) es complicado y la limpieza, de ser factible, solo puede efectuarse por vía química.

De los documentos US 6 203 6971 B y US 4 615 812 A se conocen carcasas de filtro que pueden roscarse, en las cuales hay una abertura de paso que también se puede cerrar mediante un tapón de rosca. Abriendo los cierres roscados se extrae el elemento filtrante de su carcasa para poder limpiarlo.

La presente invención tiene por objeto desarrollar un nuevo filtro de agua que disponga de un sistema de separación simple y económico, que sea de fácil manejo, que tenga estabilidad mecánica, química y física entro de un amplio margen de temperaturas y además sea fácil de limpiar.

El objetivo se resuelve con un elemento filtrante cerámico según la reivindicación 1. Este elemento filtrante está formado por un cuerpo tubular que consta, como mínimo, de una pared y una abertura de paso a través de toda la longitud de dicho cuerpo, de manera que dicha pared está constituida como capa funcional o como soporte provisto de una capa funcional y el agua a filtrar se bombea a presión desde la superficie externa hacia la abertura de paso o a través de la superficie interna de la abertura de paso hacia la superficie exterior del elemento filtrante cerámico.

Según la presente invención el elemento filtrante cerámico está montado en una carcasa que tiene una salida de agua y, preferentemente, una entrada de agua en el primer extremo abierto de la abertura de paso. La carcasa tiene un tornillo de cierre que tapa un segundo extremo abierto de la abertura de paso.

Al desenroscar el cierre se abre el orificio de paso, permitiendo lavar el elemento filtrante sin tener que desmontarlo por completo. El tapón de rosca se retira de la carcasa y se puede pasar líquido de limpieza en la dirección del eje longitudinal del elemento filtrante cerámico. Así pueden quitarse fácilmente los restos que han quedado en la abertura de paso, sobre todo cuando el agua que se está filtrando fluye a través de la superficie interna de la abertura de paso hacia la superficie exterior del elemento filtrante cerámico.

En este contexto como capa funcional debe entenderse una pieza moldeada de cerámica o una capa de cerámica del grosor deseado que ejerce la función de filtro. Visto a través de la sección del elemento filtrante, el espesor de la pared puede ser distinto.

Con estas características se tiene un elemento filtrante cerámico que puede construirse de forma compacta, por ejemplo con un diámetro de 2,5 cm hasta 3,5 cm y una longitud de unos 15 cm. Así también es fácil de transportar. El elemento filtrante cerámico se puede utilizar para filtrar cualquier tipo de agua contaminada y puede manejarse de varias maneras. Comparado con los filtros poliméricos es mecánicamente estable, químicamente inerte y resistente a temperatura alta. Además, la distribución del tamaño de poro de los elementos filtrantes cerámicos se puede ajustar ampliamente a medida de manera muy fácil mediante la temperatura de sinterización (cocción) y el tamaño de partícula de los materiales utilizados en su composición, lo cual también permite p.ej. obtener filtros de bacterias o de virus. Evidentemente estos elementos filtrantes cerámicos también pueden ir provistos opcionalmente de compuestos que contengan iones plata, los cuales por su parte tienen acción bactericida.

El elemento filtrante cerámico se puede limpiar fácilmente cepillándolo, lavándolo a contracorriente o hirviéndolo en agua y es adecuado sin limitación para un uso prolongado. También puede limpiarse por tratamiento químico, p.ej. con productos oxidantes o ácidos.

Si el elemento filtrante cerámico está diseñado como una barra de sección circular con varias aberturas de paso, con unas mínimas dimensiones exteriores se puede lograr una gran superficie de filtración.

El elemento filtrante cerámico está elaborado mediante un proceso de sinterización, a partir de compuestos químicos del grupo de los calcogenuros, sobre todo óxidos y/o sulfuros y/o carburos y/o nitruros. Se trata de óxidos (eventualmente hidratados), p.ej. de los siguientes elementos: Zn, Ce, Sn, Al, B, Si, Ti, Zr, Y, La, Fe, Cu, Ag, Ta, Nb, V, Mo o W, con preferencia ZrO_{2}, Al_{2}O_{3}, TiO_{2}, Ce_{x}O_{y}, Fe_{x}O_{y}, ZnO, Y_{2}O_{3}, SnO_{2} y SiO_{2}, y también fosfatos, silicatos, aluminatos y estannatos, p.ej. estannato bárico, sulfuros de p.ej. Zn y Ag, carburos de p.ej. W o Si, nitruros de p.ej. Al, Si o Ti, los respectivos óxidos mixtos, como los de metal-estaño, p.ej. óxidos de indio-estaño (ITO), óxido de antimonio-estaño (ATO), óxido de estaño dopado con flúor y óxido de aluminio dopado con Zn, u óxidos mixtos como BaTiO_{3}. También pueden emplearse mezclas de estos polvos. Los elementos filtrantes cerámicos se pueden fabricar partiendo exclusivamente de las citadas mezclas o ir recubiertos por su cara interna y/o externa; en tal caso cada recubrimiento puede estar compuesto por las mezclas en polvo antes mencionadas. Si se emplean recubrimientos, sus espesores son preferentemente de 100 nm hasta 200 \mum, sobre todo de 2 \mum hasta 100 \mum.

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Cuando los elementos filtrantes cerámicos de la presente invención se elaboran exclusivamente con una capa funcional, dichas capas funcionales se pueden proyectar con un tamaño de poro comprendido entre 100 nm y
10 \mum, según la aplicación. Se puede adoptar una distribución de los poros muy estrecha o amplia en función de los requerimientos. Cuando los elementos filtrantes cerámicos de la presente invención están elaborados con un soporte y una capa funcional, el soporte presenta en general un tamaño de poro de 1 a 2 \mum y los recubrimientos tienen una porosidad que es siempre inferior al tamaño de las partículas del material que debe separarse por filtración.

En otra forma de ejecución de la presente invención, el elemento filtrante cerámico presenta una embocadura. En esta forma de ejecución el elemento filtrante cerámico también se puede emplear haciendo vacío. En el caso más sencillo, sumergiéndolo en el agua sucia con un extremo cerrado, preferentemente el extremo que lleva el tapón de rosca, de modo que su extremo abierto sirva de embocadura. En tal caso el elemento filtrante cerámico de la presente invención puede utilizarse como una pajita. También son posibles las formas de ejecución sin embocadura.

Como el elemento filtrante cerámico está montado en una carcasa provista de una entrada y una salida de agua se puede fijar a cualquier grifo de agua y por tanto sirve para su uso en masa y es muy fácil de emplear. Las presiones habituales de las tuberías de agua, entre 2 y 6 bar, bastan para filtrar el agua sucia. Preferentemente, en la tapa o en el cuerpo de la carcasa pueden montarse y/o se montan cierres rápidos para su acoplamiento a grifos y/o mangueras. Ello tiene la ventaja de que el elemento filtrante cerámico de la presente invención se puede conectar a cualquier caudal de agua corriente, lo cual puede efectuarse mediante un cierre de rosca o uno de los llamados cierres rápidos (p.ej. el sistema Gardena) o con cualquier tipo de cierre conocido del especialista. Naturalmente el elemento filtrante cerámico de la presente invención también puede emplearse cuando la presión que impulsa el agua sucia no proviene de un sistema de tubería de agua corriente.

En este caso la carcasa está formada preferentemente por varias piezas, una tapa y un cuerpo. Ello tiene la ventaja de que el elemento filtrante cerámico de la presente invención se puede mantener y limpiar con facilidad. Para limpiarlo o cambiarlo se abre la carcasa - o se quita el tapón de rosca con un simple giro - y así el filtro se puede lavar a contracorriente de manera muy eficaz.

Cuando la carcasa está formada por varias piezas, éstas van unidas entre sí de modo que sea desmontable, pero estanca a los líquidos, lo cual tiene la ventaja de que el elemento filtrante cerámico de la presente invención puede funcionar a presión.

Cuando el elemento filtrante cerámico está formado por un soporte de poro grueso y una capa funcional fina, la que determina realmente la distribución del tamaño de poro, esto tiene la ventaja de que el agua, al filtrarla, puede fluir a través de este soporte con poca resistencia. Esta medida permite aumentar significativamente los caudales, en comparación con los elementos filtrantes que presentan esta estructura de poro fino en toda su sección, y también la efectividad del elemento filtrante cerámico empleado.

En formas de ejecución especiales las superficies interiores de la carcasa y el propio elemento filtrante cerámico pueden estar recubiertos y/o tratados con biocida y/o con un material que contenga iones plata, lo cual amplía las posibilidades de uso del elemento filtrante cerámico de la presente invención.

De la descripción de las figuras se desprenden ventajas adicionales. Además, las características antes citadas y las mencionadas más adelante se pueden emplear, según la presente invención, individualmente o combinadas del modo deseado. Las formas de ejecución enumeradas no tienen carácter excluyente, sino más bien de ejemplo. Las figuras representan:

Fig. 1 un corte vertical a través del elemento filtrante cerámico de la presente invención;

Fig. 2 una vista superior sobre el cuerpo completo de un elemento filtrante cerámico de la presente invención según la línea II-II de la fig. 1;

Fig. 3 un filtro según la presente invención, con un elemento filtrante cerámico montado en una carcasa de varias piezas, provista de una entrada y una salida de agua;

Fig. 4 un filtro según la presente invención, con un elemento filtrante de carbón activo.

Cada una de las figuras representa el objeto de la presente invención muy esquematizado y no deben entenderse como hechos a escala.

La fig. 1 muestra un corte vertical de un elemento filtrante cerámico 10 con paredes 11 de un material sinterizado poroso y aberturas de paso 12 por las que puede fluir el agua a filtrar o el filtrado. Este elemento filtrante cerámico 10 presenta un primer extremo abierto 13 y un segundo extremo abierto 14. Las direcciones de flujo del agua a filtrar están marcadas con las flechas 15 y 16. Si uno de los extremos 13, 14 está cerrado, el agua a filtrar puede fluir bajo presión a través de las paredes de una superficie interna 17 o de una superficie externa 18. Según el modo de funcionamiento puede haber un recubrimiento adicional de poro fino aplicado sobre la superficie interna 17 o sobre la superficie externa 18.

La fig. 2 muestra una vista superior de un elemento filtrante cerámico por la línea II-II de la fig. 1. El elemento filtrante cerámico 10 tiene forma circular y presenta varias aberturas de paso 12. Entre las diversas aberturas de paso 12 hay paredes 11 que sirven total o parcialmente de superficies filtrantes. La superficie interna 17 y/o la superficie externa 18 pueden llevar capas funcionales adaptadas al sector de uso de los respectivos elementos filtrantes cerámicos 10.

La fig. 3 muestra un corte longitudinal de un filtro de la presente invención con un elemento filtrante cerámico 10, como el montado en una carcasa constituida por una tapa 19 y un cuerpo 20. La tapa 19 presenta una entrada de agua 21 y el cuerpo 20 una salida de agua 22. El agua a tratar afluye por la entrada de agua 21, a través de la tapa 19, hacia el interior del elemento filtrante cerámico 10 y abandona la carcasa como filtrado por la salida de agua 22. La propia carcasa es resistente a la presión y puede ser de plástico o de metal. En el extremo inferior del cuerpo de la carcasa 20 se prevé un tapón de rosca 23 que puede desenroscarse del cuerpo de la carcasa 20 para lavar a contracorriente el elemento filtrante cerámico 10 y limpiarlo. El elemento filtrante cerámico 10 va insertado en el cuerpo 20 y en la tapa 19 de la carcasa por medio de juntas 24 y el tapón de rosca 23 también se aprieta en el cuerpo de la carcasa 20 de modo estanco a los líquidos.

En el extremo libre de la tapa de la carcasa 19 y en el extremo libre de la salida de agua 22 pueden montarse cierres rápidos o sistemas de acoplamiento adecuados, para que estas partes de la carcasa se puedan empalmar muy fácilmente a un grifo de agua o a sistemas de mangueras disponibles. La tapa de la carcasa 19 es desmontable, pero va unida con el cuerpo de la carcasa 20 de tal manera, que el filtro queda estanco a los líquidos y a prueba de presión.

La fig. 4 muestra un corte longitudinal de un filtro de la presente invención. Su elemento filtrante está construido como el representado en la fig. 3, pero lleva adicionalmente un elemento filtrante de carbón activo 30 que rodea el cuerpo tubular del elemento filtrante cerámico 10. El elemento filtrante de carbón activo 30 y el cuerpo tubular del elemento filtrante cerámico 10 están integrados en la carcasa provista de una entrada de agua 21 y una salida de agua 22. El elemento filtrante de carbón activo 30 está dispuesto alrededor de del cuerpo tubular del elemento filtrante cerámico 10 de modo estanco mediante una empaquetadura 31. El agua para filtrar entra a presión, es decir como flujo forzado, a través de la superficie interna de las aberturas de paso hacia la superficie externa del cuerpo tubular, y sigue a través del elemento filtrante de carbón activo 30, es decir de dentro afuera. El agua para purificar fluye, por tanto, atravesando sucesivamente el cuerpo tubular del elemento filtrante cerámico 10 y el elemento filtrante de carbón activo 30. El elemento filtrante de carbón activo también puede estar formado por una carga suelta de carbón activo. Entonces puede prescindirse de la empaquetadura. El elemento filtrante de carbón activo 30 sirve p.ej. para eliminar del agua las sustancias orgánicas que dejan sabor y/o el cloro.

Claims (9)

1. Filtro con una carcasa y un elemento filtrante cerámico (10) para purificar agua, formado por un cuerpo tubular que consta al menos de una pared (11) y de una abertura de paso (12) a lo largo de todo el cuerpo tubular, de modo que dicha pared (11) está constituida como capa funcional o soporte con un recubrimiento funcional, y el agua para filtrar fluye a presión desde la superficie externa (18) hacia la abertura de paso (12) o bien a través de la superficie interna (17) de la abertura de paso (12) hacia la superficie externa (18) del elemento filtrante cerámico (10),

caracterizado porque

el elemento filtrante cerámico (10) va montado en la carcasa, que presenta una salida de agua (22) y, preferentemente en un primer extremo abierto (13) de la abertura de paso (12), una entrada de agua (21), y además un tapón de rosca (23) que cierra un segundo extremo abierto (14) de la abertura de paso (12), de manera que la abertura de paso (12) se puede abrir desenroscando el tapón (23), para permitir la limpieza del elemento filtrante (10) sin necesidad de desmontar completamente el filtro.

2. Filtro según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) tiene forma de barra de sección circular con varias aberturas de paso (12).

3. Filtro según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) está elaborado por un proceso de sinterización a partir de compuestos químicos del grupo de los calcogenuros, preferentemente óxidos y/o sulfuros y/o carburos y/o nitruros.

4. Filtro según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cuerpo tubular del elemento filtrante cerámico (10) está rodeado por un elemento filtrante de carbón activo (30).

5. Filtro según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) presenta una embocadura.

6. Filtro según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la carcasa, de varias piezas, está formada por una tapa (19) y un cuerpo (20), de tal modo que dichas piezas están acopladas entre sí de forma estanca a los líquidos y se pueden desmontar.

7. Filtro según la reivindicación 6, caracterizado porque en la tapa (19) y/o en el cuerpo (20) de la carcasa se pueden montar y/o se montan conexiones, preferiblemente cierres rápidos, para empalmarlo a grifos y/o mangueras.

8. Filtro según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) está formado por un soporte de poro grueso y un recubrimiento funcional de poro fino.

9. Filtro según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el elemento filtrante cerámico (10) está recubierto y/o tratado con un biocida y/o con una sustancia que contiene iones plata.