Фильтрация - Filtration

Эта статья посвящена операции разделения твердой и жидкой фаз. Для математической концепции см. Фильтрация (математика). По поводу стохастической концепции см. Фильтрация (теория вероятностей). Об используемом оборудовании см. Фильтр (значения). Для фильтрации, используемой в виноделии, см. Фильтрация (вино).

Схема простой фильтрации: крупногабаритные частицы в подача не может проходить через решетчатую структуру фильтра, в то время как жидкость и мелкие частицы проходят сквозь нее, становясь фильтрат.

Фильтрация физическая, биологическая или химическая операция, которая разделяет твердый имеет значение и жидкость из смеси с фильтр среда, имеющая сложную структуру, через которую может проходить только жидкость. Твердые частицы, которые не могут пройти через фильтрующую среду, описываются как негабаритный а жидкость, которая проходит через нее, называется фильтрат.[1] Негабаритные частицы могут образовывать фильтровальный пирог на верхней части фильтра, а также может блокировать решетку фильтра, не позволяя текучей фазе пересекать фильтр, известное как ослепляющий. Размер самых 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 природа И в спроектированный системы; Существуют биологический, геологический, и промышленный формы.[2]

Описание процесса

  • Фильтрация используется для разделения частиц и жидкости в суспензии, где жидкость может быть жидкостью, газом или сверхкритическая жидкость. 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. А растворитель выбирается такой, который растворяет один компонент, не растворяя 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 единичных операций химическая инженерия. Его можно одновременно комбинировать с другими единичными операциями для обработки потока сырья, как в биофильтр, который представляет собой комбинированный фильтр и устройство для биологического разложения.
  • Фильтрация отличается от просеивания, когда разделение происходит в одном перфорированном слое ( сито ). При просеивании задерживаются частицы, слишком большие для прохождения через отверстия сита (см. Распределение частиц по размерам ). При фильтрации многослойная решетка задерживает те частицы, которые не могут следовать извилистым каналам фильтра.[3] Негабаритные частицы могут образовывать торт слой поверх фильтра, а также может блокировать решетку фильтра, не позволяя жидкой фазе пересекать фильтр (засорение). В коммерческих целях термин "фильтр" применяется к мембраны где разделительная решетка настолько тонка, что поверхность становится основной зоной разделения частиц, даже если эти продукты можно описать как сита.
  • Фильтрация отличается от адсорбция, где не физический размер частиц вызывает разделение, а эффекты поверхностный заряд. Некоторые адсорбционные устройства, содержащие активированный уголь и ионообменная смола коммерчески называются фильтрами, хотя фильтрация не является их основной функцией.
  • Фильтрация отличается от удаления магнитный загрязнители из жидкостей с магниты (обычно смазка масло, охлаждающие жидкости и мазут ), потому что фильтрующей среды нет. 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, в животные (включая люди ), почечная фильтрация удаляет напрасно тратить от кровь, И в очистка воды и очистка сточных вод нежелательные составляющие удаляются путем абсорбции биологической пленкой, выращенной на фильтрующей среде или в ней, как в медленная фильтрация песка.

Методы

Есть много разных методов фильтрации; все стремятся достичь разделение веществ. Разделение достигается за счет некоторой формы взаимодействия между удаляемым веществом или объектами и фильтром. Вещество, которое должно пройти через фильтр, должно быть жидкость, т.е. жидкость или же газ. 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

Горячая фильтрация Метод 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 частиц в воронке и затруднило 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.

Холодная фильтрация Метод заключается в использовании ледяной бани для быстрого охлаждения раствора, подлежащего кристаллизации, вместо того, чтобы оставлять его снаружи 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.

Вакуумная фильтрация Методика наиболее предпочтительна для небольших партий раствора, чтобы быстро высушить мелкие кристаллы. Для этого метода требуется Воронка Бюхнера, фильтровальная бумага меньшего диаметра, чем воронка, Колба Бюхнера, и резиновую трубку для подключения к источнику вакуума.

Фильтр СМИ

В лабораториях используются два основных типа фильтрующих материалов: поверхностный фильтр, твердое сито, которое улавливает твердые частицы, с помощью или без фильтровальная бумага (например. Воронка Бюхнера, Ленточный фильтр, Ротационный вакуум-барабанный фильтр, Фильтры поперечного потока, Сетчатый фильтр ); и фильтр глубины, слой гранулированного материала, который удерживает 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 плавательный бассейн очистные сооружения, их можно очищать промывка. Самоочищение сетчатые фильтры используйте обратную промывку в точке всасывания для очистки сетки без прерывания потока в системе.

Достижение потока через фильтр

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 - гравитация, и его можно увидеть на кофеварка пример. 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 насос, метод, обычно используемый в промышленности, когда важно сократить время фильтрации. В этом случае нет необходимости устанавливать фильтр вертикально.

Фильтрующее средство

Некоторые вспомогательные фильтрующие вещества могут использоваться для улучшения фильтрации. Часто это несжимаемые диатомовая земля, или кизельгур, который состоит в основном из кремнезем. Также используется дерево целлюлоза и другие инертные пористые твердые вещества, такие как более дешевые и безопасные перлит. Активированный уголь часто используется в промышленных приложениях, требующих изменения свойств фильтрата, например изменения цвета или запаха.

Эти вспомогательные фильтрующие средства можно использовать двумя разными способами. Их можно использовать в качестве предварительного покрытия перед суспензия фильтруется. 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 из торт и снижает сопротивление кека во время фильтрации. Во вращающемся фильтре вспомогательное фильтрующее средство может быть нанесено в качестве предварительного покрытия; впоследствии тонкие кусочки этого слоя срезаются вместе с коржем.

Использование вспомогательных фильтров обычно ограничивается случаями, когда кек выбрасывается или когда осадок может быть химически отделен от фильтра.

Альтернативы

Фильтрация - более эффективный метод для разделение смесей чем декантация, но на это уходит гораздо больше времени. Если очень небольшое количество решение вовлекаются, большая часть раствора может всасываться фильтрующим материалом.

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 торт. 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

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

Эксперимент по доказательству существования микроскопические организмы включает сравнение воды, прошедшей через неглазурованный фарфор и нефильтрованная вода. При хранении в герметичных контейнерах фильтрованная вода портится дольше, что свидетельствует о том, что очень мелкие предметы (например, бактерии ) можно удалить из жидкостей фильтрацией.

в почка, почечная фильтрация это фильтрация кровь в клубочки с последующей избирательной реабсорбцией многих веществ, необходимых организму для поддержания гомеостаза.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Статья о «Раствор для очистки воды: фильтрация», получено 15 октября 2013 г. из http://www.lenntech.com/chemistry/filtration.htm
  2. ^ Спаркс, Тревор; Чейз, Джордж (2015). Справочник по фильтрам и фильтрации (6-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  9780080993966.
  3. ^ Конспект лекций, аспирантура по фильтрации и разделению по размеру на факультете химического машиностроения, Университет Лугборо, Англия
  4. ^ «Методы фильтрации» (PDF). Университет Калгари. Университет Калгари. Получено 4 июн 2015.[мертвая ссылка ]

внешняя ссылка