Фильтрация — это физический процесс разделения , который отделяет твердые частицы от жидкости из смеси с помощью фильтрующей среды , имеющей сложную структуру, через которую может пройти только жидкость. Твердые частицы, которые не могут пройти через фильтрующую среду, описываются как частицы большего размера , а жидкость, которая проходит через них, называется фильтратом . [1] Частицы большего размера могут образовывать фильтровальный осадок на поверхности фильтра, а также могут блокировать решетку фильтра, не давая жидкой фазе пересекать фильтр, что известно как засорение . Размер самых крупных частиц, которые могут успешно пройти через фильтр, называется эффективным размером пор этого фильтра. Разделение твердого вещества и жидкости несовершенно; твердые частицы будут загрязнены некоторой частью жидкости, 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] В повседневном использовании чаще используется глагол «процеживать»; например, использование дуршлага для слива воды, в которой готовилась паста .
Фильтрация также используется для описания биологических и физических систем, которые не только отделяют твердые частицы от потока жидкости, но и удаляют химические виды и биологические организмы путем захвата , фагоцитоза , адсорбции и абсорбции . Примерами являются медленные песчаные фильтры и капельные фильтры . Он также используется как общий термин для макрофагов, в которых организмы используют различные средства для фильтрации мелких частиц пищи из окружающей среды. Примеры варьируются от микроскопической Vorticella до гигантской акулы , одной из крупнейших рыб, и усатых китов , все из которых описываются как фильтраторы .
Фильтры могут использоваться для удаления нежелательной жидкости из твердого остатка, очистки жидкости от нежелательных твердых частиц или просто для отделения твердого вещества от жидкости.
Существует множество различных методов фильтрации; все они направлены на достижение разделения веществ. Разделение достигается посредством некоторой формы взаимодействия между удаляемым веществом или объектами и фильтром. Вещество, которое должно пройти через фильтр, должно быть текучим , т. е. жидкостью или газом . Методы фильтрации различаются в зависимости от местоположения целевого материала, т. е. растворен ли он в жидкой фазе или взвешен в виде твердого вещества.
Существует несколько методов лабораторной фильтрации в зависимости от желаемого результата, а именно: горячая, холодная и вакуумная фильтрация . Некоторые из основных целей получения желаемого результата — удаление примесей из смеси или изоляция твердых веществ из смеси.
Метод горячей фильтрации в основном используется для отделения твердых веществ от горячего раствора. Это делается для предотвращения образования кристаллов в воронке фильтра и других устройствах, которые контактируют с раствором. В результате аппарат и используемый раствор нагреваются для предотвращения быстрого снижения температуры, что, в свою очередь, приведет к кристаллизации твердых веществ в воронке и затруднит процесс фильтрации. [3] Одной из важнейших мер по предотвращению образования кристаллов в воронке и проведению эффективной горячей фильтрации является использование бесстержневой воронки фильтра. Из-за отсутствия стержня в воронке фильтра уменьшается площадь поверхности контакта между раствором и стержнем воронки фильтра, что предотвращает повторную кристаллизацию твердых веществ в воронке и отрицательно влияет на процесс фильтрации.
Метод холодной фильтрации заключается в использовании ледяной бани для быстрого охлаждения кристаллизуемого раствора вместо того, чтобы оставлять его медленно остывать в комнатной атмосфере. Этот метод приводит к образованию очень мелких кристаллов в отличие от получения крупных кристаллов путем охлаждения раствора при комнатной температуре.
Метод вакуумной фильтрации в основном предпочтителен для небольших партий раствора, чтобы быстро высушить мелкие кристаллы. Для этого метода требуются воронка Бюхнера , фильтровальная бумага меньшего диаметра, чем воронка, колба Бюхнера и резиновая трубка для подключения к источнику вакуума.
Центробежная фильтрация осуществляется путем быстрого вращения фильтруемого вещества. Более плотный материал отделяется от менее плотного материала горизонтальным вращением. [4]
Гравитационная фильтрация — это процесс переливания смеси из более высокого места в более низкое. Часто это достигается с помощью простой фильтрации, которая включает в себя размещение фильтровальной бумаги в стеклянной воронке, через которую жидкость проходит под действием силы тяжести, в то время как нерастворимые твердые частицы улавливаются фильтровальной бумагой. Фильтрующие конусы, рифленые фильтры или фильтрующие пипетки могут быть использованы в зависимости от количества имеющегося вещества. [4] Гравитационная фильтрация широко используется в повседневной жизни, например, для процеживания воды для приготовления пищи или удаления загрязняющих веществ из жидкости.
Только при подаче движущей силы фильтруемая жидкость сможет протекать через фильтрующий материал. Гравитация , центрифугирование, приложение давления к жидкости над фильтром, применение вакуума под фильтром или комбинация этих факторов могут способствовать возникновению этой силы. Как в простых лабораторных фильтрациях, так и в массивных песчаных фильтрах может использоваться только сила гравитации. Центрифуги с чашей, удерживающей пористый фильтрующий материал, можно рассматривать как фильтры, в которых центробежная сила, в несколько раз превышающая силу тяжести, заменяет силу гравитации. Частичный вакуум обычно подается в контейнер под фильтрующим материалом, когда лабораторная фильтрация является сложной для ускорения процесса фильтрации. В зависимости от типа используемого фильтра большинство промышленных операций фильтрации используют давление или вакуум для ускорения фильтрации и уменьшения количества необходимого оборудования. [5]
Фильтрующие материалы — это материалы, используемые для разделения материалов.
В лабораториях используются два основных типа фильтрующих материалов:
Поверхностные фильтры позволяют собирать твердые частицы, т. е. остаток, в целости; глубинные фильтры этого не делают. Однако глубинный фильтр менее склонен к 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 чистить твердое сито. [6] Фильтрующий материал можно очищать путем промывки растворителями или моющими средствами или обратной промывкой. В качестве альтернативы, в инженерных приложениях, таких как очистные сооружения для бассейнов , их можно очищать обратной промывкой . Самоочищающиеся сетчатые фильтры используют обратную промывку в точке всасывания для очистки сетки без прерывания потока системы. [ необходимо разъяснение ]
Жидкости протекают через фильтр из-за разницы давления — жидкость течет со стороны высокого давления на сторону низкого давления фильтра. Самый простой способ добиться этого — гравитация, что можно увидеть в примере с кофеваркой . В лаборатории давление в виде сжатого воздуха на стороне подачи (или вакуума на стороне фильтрата) может быть применено для ускорения процесса 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 фильтр не нужно устанавливать вертикально.
Определенные фильтрующие добавки могут использоваться для улучшения фильтрации. Часто это несжимаемая диатомовая земля или кизельгур, которые в основном состоят из кремнезема . Также используются древесная целлюлоза и другие инертные пористые твердые вещества, такие как более дешевый и безопасный перлит . Активированный уголь часто используется в промышленных приложениях, где требуется изменение свойств фильтрата, например, изменение цвета или запаха.
Эти фильтрующие добавки можно использовать двумя способами. Их можно использовать в качестве предварительного слоя перед фильтрацией пульпы . Это предотвратит закупорку фильтрующей среды твердыми частицами желатинового типа, а также обеспечит более чистый фильтрат. Их также можно добавлять в пульпу перед фильтрацией. Это увеличивает пористость осадка и снижает сопротивление осадка во время фильтрации. В роторном фильтре фильтрующую добавку можно применять в качестве предварительного слоя; впоследствии тонкие ломтики этого слоя отрезаются вместе с осадком.
Использование фильтрующих добавок обычно ограничивается случаями, когда осадок выбрасывается или когда осадок можно химическим путем отделить от фильтра.
Фильтрация — более эффективный метод разделения смесей, чем декантация , но он занимает гораздо больше времени. Если речь идет о очень малых количествах раствора, большая часть раствора может быть впитана фильтрующей средой.
Альтернативой фильтрации является центрифугирование . Вместо фильтрации смеси твердых и жидких частиц, смесь центрифугируется, чтобы заставить (обычно) более плотное твердое вещество опуститься на дно, где оно часто образует твердый осадок . Затем жидкость сверху можно декантировать. Этот метод особенно полезен для отделения твердых веществ, которые плохо фильтруются, таких как желеобразные или мелкие частицы. Эти твердые вещества могут засорять или проходить через фильтр, соответственно.
Биологическая фильтрация может происходить внутри организма, или биологический компонент может быть выращен на среде в фильтруемом материале. Удаление твердых веществ, эмульгированных компонентов, органических химикатов и ионов может быть достигнуто путем приема внутрь и переваривания, адсорбции или абсорбции. Из-за сложности биологических взаимодействий, особенно в сообществах из нескольких организмов, часто невозможно определить, какие процессы достигают результата фильтрации. На молекулярном уровне это часто может быть результатом действия отдельных каталитических ферментов внутри отдельного организма. Продукты жизнедеятельности некоторых организмов могут впоследствии расщепляться другими организмами для извлечения как можно большего количества энергии и тем самым восстанавливать сложные органические молекулы до очень простых неорганических видов, таких как вода, углекислый газ и азот.
У млекопитающих, рептилий и птиц почки функционируют посредством почечной фильтрации, при которой клубочек выборочно удаляет нежелательные компоненты, такие как мочевина , с последующей выборочной реабсорбцией многих веществ, необходимых организму для поддержания гомеостаза. Полный процесс называется выделением через мочеиспускание . Похожие, но часто менее сложные решения используются у всех животных, даже у простейших , где сократительная вакуоль обеспечивает схожую функцию.
Биопленки часто представляют собой сложные сообщества бактерий, фагов, дрожжей и часто более сложных организмов, включая простейших , коловраток и кольчатых червей, которые образуют динамичные и сложные, часто желатиновые пленки на влажных субстратах. Такие биопленки покрывают камни большинства рек и морей, и они обеспечивают ключевую фильтрующую способность Schmutzdecke на поверхности медленных песчаных фильтров и пленки на фильтрующей среде капельных фильтров , которые используются для создания питьевой воды и очистки сточных вод соответственно.
Примером биопленки является биологическая слизь, которая может быть обнаружена в озерах, реках, скалах и т. д. Использование одно- или двухвидовых биопленок является новой технологией, поскольку естественные биопленки развиваются медленно. Использование биопленок в процессе биофильтрации позволяет прикреплять желаемую биомассу и критические питательные вещества к иммобилизованной опоре. Для того чтобы воду можно было повторно использовать для различных процессов, достижения в методах биофильтрации помогают удалять значительные объемы стоков из сточных вод . [7]
Системы биологической очистки сточных вод имеют решающее значение для улучшения как здоровья человека, так и качества воды . Технология биопленки, образование биопленок на различных фильтрующих средах и другие факторы оказывают влияние на структуру роста и функцию этих биопленок. Для проведения тщательного исследования состава, разнообразия и динамики биопленок также используются различные традиционные и современные молекулярные подходы. [8]
Фильтраторы — это организмы, которые получают пищу, фильтруя свою, как правило, водную, среду. Многие из простейших являются фильтраторами, использующими ряд адаптаций, включая жесткие шипы протоплазмы, удерживаемые в потоке воды, как в суктории, к различным расположениям биения ресничек , чтобы направлять частицы в рот, включая такие организмы, как Vorticella , которые имеют сложное кольцо ресничек, которые создают вихрь в потоке, затягивая частицы в ротовую полость. Похожие методы питания используются Rotifera и Ectoprocta . Многие водные членистоногие являются фильтраторами. Некоторые используют ритмичные биения брюшных конечностей, чтобы создать поток воды в рот, в то время как волоски на ногах улавливают любые частицы. Другие, такие как некоторые ручейники, плетут тонкие сети в потоке воды, чтобы улавливать частицы.
Многие процессы фильтрации включают в себя более одного механизма фильтрации, и твердые частицы часто сначала удаляются из жидкости, чтобы предотвратить засорение последующих элементов.
Фильтрация твердых частиц включает в себя:
Адсорбционная фильтрация удаляет загрязняющие вещества путем адсорбции загрязняющего вещества фильтрующей средой. Это требует тесного контакта между фильтрующей средой и фильтратом, и требуется время для диффузии, чтобы привести загрязняющее вещество в прямой контакт со средой при прохождении через нее, называемойВремя задержки . Более медленный поток также снижает падение давления на фильтре. Применения включают:
Комбинированные приложения включают в себя:
