Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о разделении твердой и жидкой фаз. Для математической концепции см Фильтрация (математика) . О стохастической концепции см. Фильтрация (теория вероятностей) . Чтобы узнать об используемом оборудовании, см. Фильтр (значения) . Для фильтрации, используемой в виноделии, см. Фильтрация (вино) .

Схема простой фильтрации: частицы слишком большого размера в сырье не могут проходить через решетчатую структуру фильтра, а жидкость и мелкие частицы проходят сквозь нее , превращаясь в фильтрат .

Фильтрация - это физическая, биологическая или химическая операция, при которой твердое вещество и жидкость отделяются от смеси фильтрующей средой, имеющей сложную структуру, через которую может проходить только жидкость. Твердые частицы, которые не могут пройти через фильтрующую среду, называются негабаритными, а проходящая жидкость называется фильтратом . [1] частицы Негабаритные могут образовывать осадок на фильтр в верхней части фильтра , а также могут блокировать решетку фильтра, предотвращая фазу жидкости от пересечения фильтра, известный как ослепительные . Размер наиболее крупных частиц, которые могут успешно пройти через фильтр, называется эффективным.размер пор этого фильтра. Разделение твердого вещества и жидкости несовершенно; твердые частицы будут загрязнены некоторой жидкостью, а фильтрат будет содержать мелкие частицы (в зависимости от размера пор, толщины фильтра и биологической активности). Фильтрация происходит как в природе, так и в инженерных системах; существуют биологические , геологические и промышленные формы. [2]

Описание процесса [ править ]

  • Фильтрация используется для разделения частиц и текучей среды в суспензии, где текучая среда может быть жидкостью, газом или сверхкритической текучей средой . В зависимости от приложения один или оба компонента могут быть изолированы.
  • Фильтрация как физическая операция очень важна в химии для разделения материалов различного химического состава. Выбирается растворитель, который растворяет один компонент, но не растворяет другой. При растворении смеси в выбранном растворителе один компонент перейдет в раствор и пройдет через фильтр, а другой останется. Это один из самых важных методов, используемых химиками для очистки соединений.
  • Фильтрация также важна и широко используется как одна из основных операций химического машиностроения . Его можно одновременно комбинировать с другими единичными операциями для обработки потока сырья, как в биофильтре , который представляет собой комбинированный фильтр и устройство для биологического разложения.
  • Фильтрация отличается от просеивания, когда разделение происходит в одном перфорированном слое ( сите ). При просеивании частицы, которые слишком велики для прохождения через отверстия сита, задерживаются (см. Распределение частиц по размеру ). При фильтрации многослойная решетка задерживает те частицы, которые не могут следовать извилистым каналам фильтра. [3] Частицы слишком большого размера могут образовывать слой корки на поверхности фильтра, а также могут блокировать решетку фильтра, препятствуя прохождению жидкой фазы через фильтр (засорение). В коммерческих целях термин «фильтр» применяется к мембранам. где разделительная решетка настолько тонка, что поверхность становится основной зоной разделения частиц, даже если эти продукты можно описать как сита.
  • Фильтрация отличается от адсорбции , где не физический размер частиц вызывает разделение, а эффект поверхностного заряда . Некоторые адсорбционные устройства, содержащие активированный уголь и ионообменную смолу , коммерчески называются фильтрами, хотя фильтрация не является их основной функцией.
  • Фильтрация отличается от удаления магнитных примесей из жидкостей с помощью магнитов (обычно смазочное масло, охлаждающие жидкости и жидкое топливо ), потому что здесь нет фильтрующей среды. Продаются коммерческие устройства, называемые «магнитными фильтрами», но название отражает их использование, а не режим работы.
  • В биологических фильтрах частицы слишком большого размера улавливаются и попадают внутрь, и образующиеся метаболиты могут высвобождаться. Например, у животных (включая людей ) почечная фильтрация удаляет отходы из крови , а при очистке воды и очистке сточных вод нежелательные составляющие удаляются путем абсорбции биологической пленкой, растущей на фильтрующей среде или в ней, как при медленной фильтрации через песок .

Методы [ править ]

Есть много разных методов фильтрации; все стремятся к разделению веществ. Разделение достигается за счет некоторой формы взаимодействия между удаляемым веществом или объектами и фильтром. Вещество, которое должно пройти через фильтр, должно быть жидкостью , то есть жидкостью или газом . Способы фильтрации различаются в зависимости от местоположения целевого материала, то есть от того, растворен ли он в жидкой фазе или взвешен в твердом виде.

Горячая фильтрация, раствор, содержащийся в колбе Эрленмейера, нагревается на горячей плите, чтобы предотвратить перекристаллизацию твердых веществ в самой колбе.

В зависимости от желаемого результата существует несколько методов фильтрации, а именно горячая, холодная и вакуумная фильтрация . Некоторые из основных целей достижения желаемого результата - удаление примесей из смеси или выделение твердых веществ из смеси.

Горячая фильтрация для отделения твердых частиц от горячего раствора

Метод горячей фильтрации в основном используется для отделения твердых частиц от горячего раствора. Это делается для предотвращения образования кристаллов в воронке фильтра и других устройствах, которые контактируют с раствором. В результате устройство и используемый раствор нагреваются, чтобы предотвратить быстрое снижение температуры, которое, в свою очередь, привело бы к кристаллизации твердых веществ в воронке и затруднило бы процесс фильтрации. [4]Одной из наиболее важных мер по предотвращению образования кристаллов в воронке и эффективной горячей фильтрации является использование бесштоковой фильтровальной воронки. Из-за отсутствия стержня в воронке фильтра происходит уменьшение площади поверхности контакта между раствором и стержнем воронки фильтра, что предотвращает перекристаллизацию твердого вещества в воронке, что отрицательно влияет на процесс фильтрации.

Холодная фильтрация, ледяная баня используется для охлаждения раствора перед фильтрацией.

Метод холодной фильтрации - это использование ледяной бани для быстрого охлаждения раствора, подлежащего кристаллизации, вместо того, чтобы оставлять его для медленного охлаждения при комнатной температуре. Этот метод приводит к образованию очень мелких кристаллов, а не к получению крупных кристаллов путем охлаждения раствора до комнатной температуры.

Метод вакуумной фильтрации наиболее предпочтителен для небольших партий раствора, чтобы быстро высушить мелкие кристаллы. Для этого метода требуется воронка Бюхнера , фильтровальная бумага меньшего диаметра, чем воронка, колба Бюхнера и резиновая трубка для подключения к источнику вакуума.

Фильтр СМИ [ править ]

В лабораториях используются два основных типа фильтрующих материалов: поверхностный фильтр , твердое сито, которое улавливает твердые частицы, с использованием фильтровальной бумаги или без нее (например, воронка Бюхнера , ленточный фильтр , вращающийся вакуум-барабанный фильтр , фильтры с поперечным потоком. , Сетчатый фильтр ); и глубинный фильтр , слой гранулированного материала, который задерживает твердые частицы при прохождении (например, песочный фильтр). Первый тип позволяет собирать твердые частицы, то есть остаток, в неповрежденном виде; второй тип этого не допускает. Однако второй тип менее подвержен засорению из-за большей площади поверхности, на которой могут задерживаться частицы. Кроме того, когда твердые частицы очень мелкие, часто дешевле и проще выбросить загрязненные гранулы, чем очистить твердое сито.

Фильтрующий материал можно очистить, промыв его растворителями или моющими средствами. В качестве альтернативы, в инженерных приложениях, таких как водоочистные сооружения плавательных бассейнов , они могут быть очищены обратной промывкой . Самоочищающиеся сетчатые фильтры используют обратную промывку в точке всасывания для очистки сетки без прерывания потока в системе.

Достижение потока через фильтр [ править ]

Жидкости проходят через фильтр из-за разницы давлений - жидкость течет со стороны высокого давления на сторону низкого давления фильтра, оставляя некоторое количество материала. Самый простой способ добиться этого - использовать силу тяжести, и его можно увидеть на примере кофеварки . В лаборатории может применяться давление в виде сжатого воздуха на стороне подачи (или вакуум на стороне фильтрата), чтобы ускорить процесс фильтрации, хотя это может привести к засорению или прохождению мелких частиц. В качестве альтернативы жидкость может протекать через фильтр под действием силы, создаваемой насосом , - метод, обычно используемый в промышленности, когда важно сократить время фильтрации. В этом случае нет необходимости устанавливать фильтр вертикально.

Фильтр-помощник [ править ]

Некоторые вспомогательные фильтрующие вещества могут использоваться для улучшения фильтрации. Часто это несжимаемая диатомитовая земля или кизельгур, который состоит в основном из кремнезема . Также используются древесная целлюлоза и другие инертные пористые твердые вещества, такие как более дешевый и безопасный перлит . Активированный уголь часто используется в промышленности, где требуется изменение свойств фильтрата, например изменение цвета или запаха.

Эти вспомогательные фильтрующие средства можно использовать двумя разными способами. Их можно использовать в качестве предварительного покрытия перед фильтрацией суспензии . Это предотвратит засорение фильтрующей среды твердыми частицами студенистого типа, а также даст более чистый фильтрат. Их также можно добавлять в суспензию перед фильтрацией. Это увеличивает пористость от осадка и снижает сопротивление осадка в процессе фильтрации. Во вращающемся фильтре вспомогательное фильтрующее средство может быть нанесено в качестве предварительного покрытия; впоследствии тонкие кусочки этого слоя срезаются вместе с коржем.

Использование фильтрующих добавок обычно ограничивается случаями, когда осадок выбрасывается или когда осадок может быть химически отделен от фильтра.

Альтернативы [ править ]

Фильтрация - более эффективный метод разделения смесей, чем декантация , но требует гораздо больше времени. Если используется очень небольшое количество раствора , большая часть раствора может быть впитана фильтрующей средой.

Альтернативой фильтрации является центрифугирование: вместо фильтрации смеси твердых и жидких частиц смесь центрифугируется для вытеснения (обычно) более плотного твердого вещества на дно, где оно часто образует твердую лепешку . Вышеуказанную жидкость затем можно декантировать. Этот метод особенно полезен для отделения твердых частиц, которые плохо фильтруются, например, студенистых или мелких частиц. Эти твердые частицы могут забиваться или проходить через фильтр соответственно.

Примеры [ править ]

Колба с фильтром (колба с отсасыванием, с фильтром из пористого стекла, содержащим образец). Обратите внимание на почти бесцветный фильтрат в приемной колбе.

Примеры фильтрации включают

  • Фильтр кофе , чтобы держать кофе отдельно от основания.
  • HEPA- фильтры в кондиционерах для удаления частиц из воздуха.
  • Ленточные фильтры для извлечения драгоценных металлов в горнодобывающей промышленности .
  • Горизонтальный пластинчатый фильтр, также известный как фильтр Sparkler .
  • Вертикальные пластинчатые фильтры, такие как те, что используются в процессе Меррилла-Кроу .
  • Фильтры Nutsche обычно используются в фармацевтических целях или в периодических процессах, которые должны улавливать твердые частицы.
  • В печах используется фильтрация, чтобы предотвратить загрязнение элементов печи частицами.
  • В системах пневмотранспорта часто используется фильтрация, чтобы остановить или замедлить поток транспортируемого материала с помощью рукавного фильтра .
  • В лаборатории часто используют воронку Бюхнера с фильтровальной бумагой, служащей пористым барьером.
  • Воздушные фильтры обычно используются для удаления взвешенных в воздухе твердых частиц в системах вентиляции зданий, двигателях внутреннего сгорания и промышленных процессах.
  • Масляный фильтр в автомобилях, часто в виде канистры или картриджа.
  • Фильтр для аквариума

Эксперимент, подтверждающий существование микроскопических организмов, включает сравнение воды, прошедшей через неглазурованный фарфор, и нефильтрованную воду. Когда фильтрованная вода остается в запечатанных контейнерах, она портится дольше, что свидетельствует о том, что очень мелкие предметы (например, бактерии ) могут быть удалены из жидкости путем фильтрации.

В почках , почечная фильтрация является фильтрацией крови в клубочках , с последующей селективной реабсорбцией многих веществ , необходимыми для тела для поддержания гомеостаза.

См. Также [ править ]

  • Процесс разделения
  • Категория: Фильтры
  • Разделение смесей
  • Микрофильтрация
  • Ультрафильтрация
  • Нанофильтрация
  • Обратный осмос
  • Поперечная фильтрация
  • Сито
  • Ситовой анализ

Ссылки [ править ]

  1. ^ Статья «Раствор для очистки воды: фильтрация», полученная 15 октября 2013 г. с http://www.lenntech.com/chemistry/filtration.htm
  2. ^ Спаркс, Тревор; Чейз, Джордж (2015). Справочник фильтров и фильтрации (6-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 9780080993966.
  3. ↑ Конспект лекций, аспирантура по фильтрации и разделению по размеру на кафедре химического машиностроения, Университет Лугборо, Англия.
  4. ^ «Методы фильтрации» (PDF) . Университет Калгари . Университет Калгари. Архивировано из оригинального (PDF) 13 февраля 2015 года . Дата обращения 4 июня 2015 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Фильтрация (химия) в Британской энциклопедии
  • Фильтрация (акустика) в Британской энциклопедии
  • Моделирование фильтрации (постоянная скорость и давление)