Фильтрация — это процесс физического разделения , при котором твердые вещества и жидкость отделяются от смеси с помощью фильтрующего материала , имеющего сложную структуру, через который может проходить только жидкость. Твердые частицы, которые не могут пройти через фильтрующий материал, называются негабаритными , а жидкость, которая проходит через него, называется фильтратом . [1] Частицы слишком большого размера могут образовывать осадок на поверхности фильтра, а также блокировать решетку фильтра, препятствуя проникновению жидкой фазы через фильтр, что называется засорением . Размер самых крупных частиц, которые могут успешно пройти через фильтр, называется эффективным размером пор этого фильтра. Разделение твердого тела и жидкости несовершенно; твердые частицы будут загрязнены 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]
Фильтрация также используется для описания биологических и физических систем, которые не только отделяют твердые частицы от потока жидкости, но также удаляют химические вещества и биологические организмы путем уноса , фагоцитоза , адсорбции и абсорбции . Примеры включают медленные песочные 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 описаны как фильтраторы .
Существует много разных методов фильтрации; все они направлены на разделение веществ. Сепарация достигается за счет той или иной формы взаимодействия между удаляемым веществом или объектами и фильтром. Вещество, которое должно пройти через фильтр, должно быть жидкостью , то есть жидкостью или газом . Методы фильтрации различаются в зависимости от местоположения целевого материала, т.е. растворен ли он в жидкой фазе или суспендирован в твердом состоянии.
Существует несколько методов лабораторной фильтрации в зависимости от желаемого результата, а именно: горячая, холодная и вакуумная фильтрация . Некоторыми из основных целей получения желаемого результата являются удаление примесей из смеси или выделение твердых веществ из смеси.
Метод горячей фильтрации в основном используется для отделения твердых веществ из горячего раствора. Это делается для предотвращения образования кристаллов в фильтрующей воронке и других аппаратах, контактирующих с раствором. В результате аппарат и используемый раствор нагреваются, чтобы предотвратить быстрое снижение температуры, что, в свою очередь, может привести к кристаллизации твердых веществ в воронке и затруднить процесс фильтрации. [3] Одной из наиболее важных мер по предотвращению образования кристаллов в воронке и обеспечению эффективной горячей фильтрации является использование бесштоковой фильтрующей воронки. Из-за отсутствия ножки в фильтрующей воронке происходит уменьшение площади контакта раствора со ножкой фильтрующей воронки, что препятствует перекристаллизации твердого вещества в воронке и отрицательно влияет на процесс фильтрации. .
Метод холодной фильтрации заключается в использовании ледяной бани для быстрого охлаждения раствора, подлежащего кристаллизации, вместо того, чтобы оставлять его медленно охлаждаться в комнатной атмосфере. Этот метод приводит к образованию очень маленьких кристаллов в отличие от получения крупных кристаллов при охлаждении раствора при комнатной температуре.
Метод вакуумной фильтрации в основном 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.
Центробежная фильтрация осуществляется путем быстрого вращения фильтруемого вещества. Более плотный материал отделяется от менее плотного за счет горизонтального вращения. [4]
Гравитационная фильтрация – это процесс переливания смеси из более высокого места в более низкое. Это часто достигается посредством простой фильтрации, которая включает помещение фильтровальной бумаги в стеклянную воронку, при этом жидкость проходит через нее под действием силы тяжести, а нерастворимые твердые частицы улавливаются фильтровальной бумагой. В зависимости от количества имеющегося вещества можно использовать фильтрующие конусы, рифленые фильтры или фильтрующие пипетки. [4]
Только при наличии движущей силы фильтруемая жидкость сможет проходить через фильтрующий материал. Сила тяжести , центрифугирование, приложение давления к жидкости над фильтром, применение вакуума под фильтром или комбинация этих факторов могут способствовать возникновению этой силы. Как в простой лабораторной фильтрации, так и в массивных фильтрах с песчаным слоем можно использовать только силу гравитации. Центрифуги с чашей, содержащей пористый фильтрующий материал, можно рассматривать как фильтры, в которых центробежная сила, в несколько раз превышающая гравитацию, заменяет силу гравитации. Частичный вакуум обычно создается в контейнере под фильтрующим материалом, когда лабораторная фильтрация затруднена, чтобы ускорить процесс фильтрации. В зависимости от типа используемого фильтра в большинстве операций промышленной фильтрации используется давление или вакуум , чтобы ускорить фильтрацию и уменьшить количество необходимого оборудования. [5]
Фильтрующие материалы — это материалы, используемые для разделения материалов.
В лабораториях используются два основных типа фильтрующих материалов: поверхностные фильтры , которые представляют собой твердые сита, улавливающие твердые частицы, с помощью фильтровальной бумаги или без нее (например, воронка Бюхнера , ленточный фильтр , вращающийся вакуумный барабанный фильтр , фильтры с перекрестным потоком). , сетчатый фильтр ) и глубинные фильтры , слой гранулированного материала, который задерживает твердые частицы при их прохождении (например, песочный фильтр ). Тип поверхностного фильтра позволяет собирать твердые частицы, то есть осадок, в неповрежденном виде; фильтр глубины этого не позволяет. Однако глубинный фильтр менее склонен к засорению из-за большей площади поверхности, на которой могут улавливаться частицы. Кроме того, когда твердые частицы очень мелкие, часто дешевле и проще выбросить загрязненные гранулы, чем очищать сито для твердых частиц. [6]
Фильтрующий материал можно очистить путем промывки растворителями или моющими средствами или обратной промывки. Альтернативно, в инженерных приложениях, таких как водоочистные станции в плавательных бассейнах , их можно очищать обратной промывкой . В самоочищающихся сетчатых фильтрах используется обратная промывка в точке всасывания для очистки сетки без прерывания потока в системе. [ нужны разъяснения ]
Жидкости проходят через фильтр из-за разницы давлений: жидкость течет со стороны высокого давления на сторону низкого давления фильтра. Самый простой способ добиться этого — использовать силу тяжести, что можно увидеть на примере кофеварки . В лаборатории для ускорения процесса фильтрации можно применить давление в виде сжатого воздуха на стороне подачи (или вакуум на стороне фильтрата), хотя это может привести к засорению или прохождению мелких частиц. Альтернативно, жидкость может течь через фильтр под действием силы насоса - метод, обычно используемый в промышленности, когда важно сократить время фильтрации. В этом случае фильтр не обязательно устанавливать вертикально.
Для облегчения фильтрации можно использовать определенные фильтрующие средства. Часто это несжимаемая диатомовая земля , или кизельгур, которая состоит в основном из кремнезема . Также используется древесная целлюлоза и другие инертные пористые твердые вещества, такие как более дешевый и безопасный перлит . Активированный уголь часто используется в промышленных целях, которые требуют изменения свойств фильтрата, например, изменения цвета или запаха.
Эти фильтрующие средства можно использовать двумя разными способами. Их можно использовать в качестве предварительного слоя перед фильтрованием суспензии . Это предотвратит закупорку фильтрующего материала желеобразными твердыми частицами, а также обеспечит более чистый фильтрат. Их также можно добавлять в суспензию перед фильтрацией. Это увеличивает пористость кека и снижает сопротивление кека при фильтрации. В ротационном фильтре вспомогательное средство для фильтрации можно наносить в качестве предварительного слоя; впоследствии вместе с коржом отрезаются тонкие ломтики этого пласта.
Использование вспомогательных фильтрующих средств обычно ограничивается случаями, когда осадок выбрасывается или осадок можно химически отделить от фильтра.
Фильтрация является более эффективным методом разделения смесей , чем декантация , но требует гораздо больше времени. Если задействовано очень небольшое количество раствора, большая часть раствора может быть поглощена фильтрующим материалом.
Альтернативой фильтрации является центрифугирование . Вместо фильтрации смеси твердых и жидких частиц смесь центрифугируется, чтобы вытеснить (обычно) более плотное твердое вещество на дно, где оно часто образует твердую лепешку . Затем вышеуказанную жидкость можно декантировать. Этот метод особенно полезен для отделения твердых веществ, которые плохо фильтруются, например желеобразных или мелких частиц. Эти твердые частицы могут соответственно засориться или пройти через фильтр.
Биологическая фильтрация может происходить внутри организма, или биологический компонент может быть выращен на среде фильтруемого материала. 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, состоящих 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, чтобы извлечь как можно больше энергии и при этом превратить сложные органические молекулы в очень простые неорганические соединения, такие как вода, углекислый газ и азот.
У млекопитающих, рептилий и птиц почки функционируют посредством почечной фильтрации , при которой клубочки избирательно удаляют нежелательные компоненты, такие как мочевина , с последующей избирательной реабсорбцией многих веществ, необходимых организму для поддержания гомеостаза. Полный процесс называется экскрецией . Подобные, но часто менее сложные решения применяются у всех животных, даже у простейших , у которых сократительная вакуоль выполняет аналогичную 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 студенистые пленки на влажных субстратах. Такие биопленки покрывают камни большинства рек и морей и обеспечивают ключевую фильтрующую способность Шмуцдеке на поверхности медленных песчаных фильтров и пленки на фильтрующем материале капельных фильтров , которые используются для создания питьевой воды и очистки сточных вод соответственно.
Примером биопленки является биологическая слизь, которую можно найти в озерах, реках, камнях и т. д. Использование одно- или двухвидовых биопленок является новой технологией, поскольку естественные биопленки развиваются медленно. Использование биопленок в процессе биофильтрации позволяет прикрепить желаемую биомассу и важные питательные вещества к иммобилизованной опоре. Чтобы воду можно было повторно использовать в различных процессах, достижения в области методов биофильтрации помогают удалять значительные объемы сточных вод из сточных вод . [7]
Системы биологической очистки сточных вод имеют решающее значение для улучшения как здоровья человека, так и качества воды . Биопленочная технология, образование биопленок на различных фильтрующих материалах 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 путем фильтрации окружающей среды, обычно водной. Многие из простейших являются фильтраторами, использующими ряд приспособлений, включая жесткие шипы протоплазмы , удерживаемые в потоке воды, как у суккторий , до различных механизмов биения ресничек для направления частиц в рот, включая такие организмы, как Vorticella , которые имеют сложное кольцо ресничек. которые создают вихрь в потоке, затягивающий частицы в полость рта. Подобные методы кормления используются коловратками и эктопроктами . Многие водные членистоногие являются фильтраторами. Некоторые используют ритмичные удары брюшными конечностями, чтобы создать поток воды ко рту, в то время как волосы на ногах улавливают любые частицы. Другие, например некоторые ручейники, плетут в потоке воды тонкую паутину, чтобы улавливать частицы.
Многие процессы фильтрации включают более одного механизма фильтрации, и частицы часто сначала удаляются из жидкости, чтобы предотвратить засорение последующих элементов.
Фильтрация частиц включает в себя:
Адсорбционная фильтрация удаляет загрязнения путем их адсорбции фильтрующим материалом. Это требует тесного контакта между фильтрующим материалом и фильтратом, а также требуется время для диффузии, чтобы привести загрязнение в прямой контакт со средой при прохождении через нее, что называетсявремя пребывания . Более медленный поток также снижает падение давления на фильтре. Приложения включают в себя:
Комбинированные приложения включают в себя:
