Filtrazione - Filtration

Schema di filtrazione semplice: le particelle sovradimensionate nell'alimentazione non possono passare attraverso la struttura reticolare del filtro, mentre le particelle fluide e piccole passano, diventando filtrato .

La filtrazione è un processo di separazione fisica o chimica che separa la materia solida e il fluido da una miscela utilizzando un mezzo filtrante che ha una struttura complessa attraverso la quale può passare solo il fluido. Le particelle solide che non possono passare attraverso il mezzo filtrante sono descritte come sovradimensionate e il fluido che attraversa è chiamato filtrato . Le particelle sovradimensionate possono formare un pannello filtrante sopra il filtro e possono anche bloccare il reticolo del filtro, impedendo alla fase fluida di attraversare il filtro, noto come accecante . La dimensione delle particelle più grandi che possono passare con successo attraverso un filtro è chiamata dimensione effettiva dei pori di quel filtro. La separazione di solido e fluido è imperfetta; i solidi saranno contaminati da un po' di fluido e il filtrato conterrà particelle fini (a seconda della dimensione dei pori, dello spessore del filtro e dell'attività biologica). La filtrazione avviene sia in natura che nei sistemi ingegnerizzati ; esistono forme biologiche , geologiche e industriali .

La filtrazione è anche usata per descrivere i sistemi biologici e fisici che non solo separano i solidi da un flusso fluido, ma rimuovono anche specie chimiche e organismi biologici per trascinamento , fagocitosi , adsorbimento e assorbimento . Gli esempi includono filtri a sabbia lenti e filtri percolatori . Viene anche usato un termine generale per la microfagia in cui gli organismi utilizzano una varietà di mezzi per filtrare piccole particelle di cibo dal loro ambiente. Gli esempi vanno dalla microscopica Vorticella fino allo squalo elefante , uno dei pesci più grandi, e ai misticeti , tutti descritti come Filtri .

Processi fisici

  • La filtrazione viene utilizzata per separare particelle e fluido in una sospensione, dove il fluido può essere un liquido, un gas o un fluido supercritico . A seconda dell'applicazione, uno o entrambi i componenti possono essere isolati.
  • La filtrazione, in quanto operazione fisica, consente di separare materiali di diversa composizione chimica. Viene scelto un solvente che dissolve un componente, mentre non dissolve l'altro. Sciogliendo la miscela nel solvente prescelto, un componente andrà nella soluzione e passerà attraverso il filtro, mentre l'altro verrà trattenuto.
  • La filtrazione è ampiamente utilizzata nell'ingegneria chimica . Può essere combinato con altre operazioni unitarie per elaborare il flusso di alimentazione, come nel biofiltro , che è un filtro combinato e un dispositivo di digestione biologica.
  • La filtrazione differisce dalla setacciatura, dove la separazione avviene in corrispondenza di un singolo strato perforato (un setaccio ). Nella setacciatura vengono trattenute particelle troppo grandi per passare attraverso i fori del setaccio (vedi distribuzione granulometrica ). Nella filtrazione, un reticolo multistrato trattiene quelle particelle che non sono in grado di seguire i tortuosi canali del filtro. Le particelle sovradimensionate possono formare uno strato di torta sopra il filtro e possono anche bloccare il reticolo del filtro, impedendo alla fase fluida di attraversare il filtro (accecamento). Commercialmente, il termine filtro viene applicato a membrane in cui il reticolo di separazione è così sottile che la superficie diventa la zona principale di separazione delle particelle, anche se questi prodotti potrebbero essere descritti come setacci.
  • La filtrazione differisce dall'adsorbimento , dove la separazione si basa sulla carica superficiale . Alcuni dispositivi di adsorbimento contenenti carbone attivo e resina a scambio ionico sono commercialmente chiamati filtri, sebbene la filtrazione non sia la loro principale funzione meccanica.
  • La filtrazione differisce dalla rimozione di contaminanti magnetici da fluidi con magneti (tipicamente olio lubrificante , refrigeranti e oli combustibili ), perché non c'è un mezzo filtrante. Vengono venduti dispositivi commerciali chiamati "filtri magnetici", ma il nome riflette il loro uso, non la loro modalità di funzionamento.
  • Nei filtri biologici, le particelle di grandi dimensioni vengono intrappolate e ingerite e i metaboliti risultanti possono essere rilasciati. Ad esempio, in animali (compreso l'uomo ), filtrazione renale rimuove rifiuti dal sangue , e trattamento delle acque e di depurazione , componenti indesiderabili vengono rimossi mediante adsorbimento in un adulto film biologico sul o nel mezzo filtrante, come nella filtrazione lenta su sabbia .

metodi

Esistono molti metodi diversi di filtrazione; tutti mirano alla separazione delle sostanze. La separazione è ottenuta mediante una qualche forma di interazione tra la sostanza o gli oggetti da rimuovere e il filtro. La sostanza che deve passare attraverso il filtro deve essere un fluido , cioè un liquido o un gas . I metodi di filtrazione variano a seconda della posizione del materiale mirato, cioè se è disciolto nella fase fluida o sospeso come solido.

Filtrazione a caldo, la soluzione contenuta nella beuta di Erlenmeyer viene riscaldata su una piastra calda per evitare la ricristallizzazione dei solidi nella beuta stessa

Esistono diverse tecniche di filtrazione di laboratorio a seconda del risultato desiderato, vale a dire filtrazione a caldo, a freddo e sottovuoto . Alcuni degli scopi principali per ottenere il risultato desiderato sono la rimozione delle impurità da una miscela o l'isolamento dei solidi da una miscela.

Filtrazione a caldo per la separazione dei solidi da una soluzione calda

Il metodo di filtrazione a caldo viene utilizzato principalmente per separare i solidi da una soluzione calda. Questo viene fatto per prevenire la formazione di cristalli nell'imbuto filtrante e in altri apparati che entrano in contatto con la soluzione. Di conseguenza, l'apparato e la soluzione utilizzata vengono riscaldati in modo da impedire il rapido abbassamento della temperatura che a sua volta porterebbe alla cristallizzazione dei solidi nell'imbuto e ostacolerebbe il processo di filtrazione. Uno degli accorgimenti più importanti per prevenire la formazione di cristalli nell'imbuto e per sottoporsi ad un'efficace filtrazione a caldo è l'utilizzo di imbuto filtrante senza stelo. A causa dell'assenza di stelo nell'imbuto filtrante, si ha una diminuzione della superficie di contatto tra la soluzione e lo stelo dell'imbuto filtrante, impedendo quindi la ricristallizzazione del solido nell'imbuto, compromettendo il processo di filtrazione.

Filtrazione a freddo, il bagno di ghiaccio viene utilizzato per raffreddare la temperatura della soluzione prima di subire il processo di filtrazione

Il metodo di filtrazione a freddo consiste nell'uso del bagno di ghiaccio per raffreddare rapidamente la soluzione da cristallizzare piuttosto che lasciarla raffreddare lentamente a temperatura ambiente. Questa tecnica porta alla formazione di cristalli molto piccoli invece di ottenere cristalli grandi raffreddando la soluzione a temperatura ambiente.

La tecnica di filtrazione sotto vuoto è per lo più preferita per piccoli lotti di soluzione al fine di asciugare rapidamente piccoli cristalli. Questo metodo richiede un imbuto Büchner , carta da filtro di diametro inferiore rispetto all'imbuto, beuta Büchner e tubi di gomma per il collegamento alla fonte di vuoto.

Media filtrante

I media filtranti sono i materiali utilizzati per effettuare la separazione dei materiali.

Nei laboratori vengono impiegati due tipi principali di media filtranti: filtri di superficie , che sono setacci solidi che intrappolano le particelle solide, con o senza l'ausilio di carta da filtro (es. imbuto Büchner , filtro a nastro , filtro rotante a tamburo sottovuoto , filtri tangenziali , filtro a rete ), e filtri di profondità , un letto di materiale granulare che trattiene le particelle solide al loro passaggio (es. filtro a sabbia ). Il tipo di filtro superficiale consente di raccogliere intatte le particelle solide, ovvero il residuo; il filtro di profondità non lo consente. Tuttavia, il filtro di profondità è meno soggetto a intasamento a causa della maggiore superficie in cui le particelle possono essere intrappolate. Inoltre, quando le particelle solide sono molto fini, è spesso più economico e più facile scartare i granuli contaminati che pulire il setaccio solido.

I media filtranti possono essere puliti mediante risciacquo con solventi o detergenti o controlavaggio. In alternativa, nelle applicazioni ingegneristiche, come gli impianti di trattamento dell'acqua delle piscine , possono essere puliti mediante controlavaggio . I filtri a schermo autopulenti utilizzano il controlavaggio del punto di aspirazione per pulire lo schermo senza interrompere il flusso del sistema.

Raggiungere il flusso attraverso il filtro

I fluidi fluiscono attraverso un filtro a causa di una differenza di pressione: il fluido scorre dal lato ad alta pressione al lato a bassa pressione del filtro. Il metodo più semplice per ottenere ciò è per gravità e può essere visto nell'esempio della caffettiera . In laboratorio può essere applicata pressione sotto forma di aria compressa sul lato alimentazione (o vuoto sul lato filtrato) per rendere più veloce il processo di filtrazione, anche se ciò può portare a intasamento o passaggio di particelle fini. In alternativa, il liquido può fluire attraverso il filtro per la forza esercitata da una pompa , metodo comunemente utilizzato nell'industria quando è importante un tempo di filtrazione ridotto. In questo caso, il filtro non deve essere montato verticalmente.

Aiuto filtro

Alcuni coadiuvanti di filtrazione possono essere utilizzati per favorire la filtrazione. Questi sono spesso farina fossile incomprimibile , o farina fossile, che è composta principalmente da silice . Vengono utilizzati anche cellulosa di legno e altri solidi porosi inerti come la perlite più economica e sicura . Il carbone attivo viene spesso utilizzato in applicazioni industriali che richiedono cambiamenti nelle proprietà dei filtrati, come l'alterazione del colore o dell'odore.

Questi coadiuvanti di filtraggio possono essere utilizzati in due modi diversi. Possono essere usati come prerivestimento prima che la sospensione venga filtrata. Ciò impedirà ai solidi di tipo gelatinoso di ostruire il mezzo filtrante e darà anche un filtrato più chiaro. Possono anche essere aggiunti all'impasto liquido prima della filtrazione. Ciò aumenta la porosità del panello e riduce la resistenza del panello durante la filtrazione. In un filtro rotante, il coadiuvante di filtrazione può essere applicato come prerivestimento; successivamente, fette sottili di questo strato vengono tagliate con la torta.

L'uso di coadiuvanti di filtrazione è solitamente limitato ai casi in cui il panello viene scartato o in cui il precipitato può essere separato chimicamente dal filtro.

alternative

La filtrazione è un metodo più efficiente per la separazione delle miscele rispetto alla decantazione , ma richiede molto più tempo. Se sono coinvolte quantità molto piccole di soluzione, la maggior parte della soluzione può essere assorbita dal mezzo filtrante.

Un'alternativa alla filtrazione è la centrifugazione: invece di filtrare la miscela di particelle solide e liquide, la miscela viene centrifugata per forzare il solido (solitamente) più denso sul fondo, dove spesso forma una torta solida . Il liquido sopra può quindi essere decantato. Questo metodo è particolarmente utile per separare i solidi che non filtrano bene, come le particelle gelatinose o fini. Questi solidi possono ostruirsi o passare rispettivamente attraverso il filtro.

Filtrazione biologica

La filtrazione biologica può avvenire all'interno di un organismo, oppure la componente biologica può essere coltivata su un mezzo nel materiale da filtrare. La rimozione di solidi, componenti emulsionati, sostanze chimiche organiche e ioni può essere ottenuta mediante ingestione e digestione, adsorbimento o assorbimento. A causa della complessità delle interazioni biologiche, specialmente nelle comunità multi-organismo, spesso non è possibile determinare quali processi stanno ottenendo il risultato della filtrazione. A livello molecolare, può spesso essere causato da singole azioni enzimatiche catalitiche all'interno di singoli organismi. I prodotti di scarto di alcuni organismi possono successivamente essere scomposti da altri organismi per estrarre quanta più energia possibile e così facendo riducendo molecole organiche complesse a specie inorganiche molto semplici come acqua, anidride carbonica e azoto.

Escrezione

All'interno dei mammiferi rettili e uccelli, i reni funzionano tramite filtrazione renale in cui il glomerulo rimuove selettivamente i costituenti indesiderati come l' urea , seguito dal riassorbimento selettivo di molte sostanze essenziali per il corpo per mantenere l'omeostasi. Il processo completo è chiamato escrezione . Soluzioni simili ma spesso meno complesse sono dispiegate in tutti gli animali anche nei Protozoi dove il vacuolo contrattile svolge una funzione simile.

Biofilm

I biofilm sono spesso comunità complesse di batteri, fagi, lieviti e organismi spesso più complessi tra cui protozoi , rotiferi e anellidi che formano film dinamici e complessi, spesso gelatinosi su substrati umidi. Tali biofilm ricoprono le rocce della maggior parte dei fiumi e del mare e forniscono la capacità di filtrazione chiave dello Schmutzdecke sulla superficie dei filtri a sabbia lenti e del film sui media filtranti dei filtri percolatori che vengono utilizzati rispettivamente per creare acqua potabile e trattare le acque reflue.

Alimentatori di filtri

I filtratori sono organismi che ottengono il loro cibo filtrando il loro ambiente, generalmente acquatico. Molti dei protozoi sono filtratori che utilizzano una serie di adattamenti tra cui punte rigide di protoplasma trattenute nel flusso d'acqua come nella Suctoria a varie disposizioni di battere Cillia per dirigere le particelle alla bocca inclusi organismi come Vorticella che hanno un complesso anello di ciglia che creano un vortice nel flusso trascinando le particelle nella cavità orale. Tecniche di alimentazione simili sono utilizzate dai Rotifera e dagli Ectoprocta . Molti artropodi acquatici sono filtratori. Alcuni usano il battito ritmico degli arti addominali per creare una corrente d'acqua alla bocca mentre i peli delle gambe intrappolano qualsiasi particella. Altri, come alcuni tricotteri, tessono sottili ragnatele nel flusso d'acqua per intrappolare le particelle.

Applicazioni ed esempi

Pallone da filtro (pallone di aspirazione, con filtro in vetro sinterizzato contenente il campione). Notare il filtrato quasi incolore nel pallone ricevente.

Molti processi di filtrazione includono più di un meccanismo di filtrazione e spesso i particolati vengono rimossi prima dal fluido per prevenire l'intasamento degli elementi a valle.

La filtrazione del particolato comprende:

La filtrazione ad adsorbimento comprende:

Le applicazioni combinate includono:

Piccola installazione fissa del compressore per aria respirabile Bauer HP che mostra il separatore d'acqua (al centro) e due alloggiamenti del filtro del prodotto ad alta pressione (anodizzati in oro) per produrre aria respirabile compatibile con l'ossigeno per miscele di gas per immersione.
  • Produzione di aria respirabile compressa , in cui l'aria passa attraverso un filtro antiparticolato prima di entrare nel compressore, che rimuove le particelle che potrebbero danneggiare il compressore, seguita dalla separazione delle goccioline dopo il raffreddamento post-compressione e dalla filtrazione ad adsorbimento del prodotto finale per rimuovere gli idrocarburi gassosi contaminanti e l'acqua in eccesso vapore. In alcuni casi vengono utilizzati prefiltri che utilizzano mezzi di adsorbimento per controllare i livelli di anidride carbonica, l' adsorbimento a sbalzo di pressione può essere utilizzato per aumentare la frazione di ossigeno e, laddove esiste il rischio di contaminazione da monossido di carbonio , i convertitori catalitici Hopcalite possono essere inclusi nel mezzo di filtrazione del prodotto. Tutti questi processi sono generalmente indicati come aspetti della filtrazione del prodotto.
  • Trattamento dell'acqua potabile mediante filtrazione a biofilm in filtri lenti a sabbia.
  • Trattamento delle acque reflue mediante filtrazione a biofilm mediante filtri percolatori.

Guarda anche

Categoria:Filtri

Riferimenti

link esterno