Definizione e processi di filtrazione (chimica)

La filtrazione è un processo usato per separare i solidi da liquidi o gas usando un mezzo filtrante che consente al fluido di passare ma non al solido. Il termine "filtrazione" si applica indipendentemente dal fatto che il filtro sia meccanico, biologico o fisico. Il fluido che passa attraverso il filtro è chiamato filtrato. Il mezzo filtrante può essere un filtro di superficie, che è un solido che intrappola le particelle solide, o un filtro di profondità, che è un letto di materiale che intrappola il solido.

La filtrazione è in genere un processo imperfetto. Parte del fluido rimane sul lato di alimentazione del filtro o incorporato nel mezzo filtrante e alcuni piccoli particolati solidi si fanno strada attraverso il filtro. Come tecnica chimica e ingegneristica, c'è sempre del prodotto perso, sia esso liquido o solido che viene raccolto.

Esempi di filtrazione

Mentre la filtrazione è un'importante tecnica di separazione in laboratorio, è anche comune nella vita di tutti i giorni.

• La preparazione del caffè prevede il passaggio di acqua calda attraverso il caffè macinato e un filtro. Il caffè liquido è il filtrato. Il tè ripido è più o meno lo stesso, sia che usi una bustina di tè (filtro di carta) o una pallina di tè (di solito, un filtro metallico).
• I reni sono un esempio di filtro biologico. Il sangue viene filtrato dal glomerulo. Le molecole essenziali vengono riassorbite nel sangue.
• I condizionatori d'aria e molti aspirapolvere utilizzano i filtri HEPA per rimuovere polvere e polline dall'aria.
• Molti acquari usano filtri contenenti fibre che catturano il particolato.
• I filtri a nastro recuperano metalli preziosi durante l'estrazione.
• L'acqua in una falda è relativamente pura perché è stata filtrata attraverso sabbia e roccia permeabile nel terreno.

Metodi di filtrazione

Esistono diversi tipi di filtrazione. Quale metodo viene utilizzato dipende in gran parte dal fatto che il solido sia un particolato (sospeso) o disciolto nel fluido.

• Filtrazione generale: La forma più semplice di filtrazione sta usando la gravità per filtrare una miscela. La miscela viene versata dall'alto su un mezzo filtrante (ad es. Carta da filtro) e la gravità tira giù il liquido. Il solido viene lasciato sul filtro, mentre il liquido scorre sotto di esso.
• Filtrazione sotto vuoto: Un pallone e un tubo Büchner vengono utilizzati per creare un vuoto per aspirare il fluido attraverso il filtro (di solito con l'aiuto della gravità). Ciò accelera notevolmente la separazione e può essere utilizzato per asciugare il solido. Una tecnica correlata utilizza una pompa per formare una differenza di pressione su entrambi i lati del filtro. Non è necessario che i filtri della pompa siano verticali perché la gravità non è la fonte della differenza di pressione sui lati del filtro.
• Filtrazione a freddo: La filtrazione a freddo viene utilizzata per raffreddare rapidamente una soluzione, favorendo la formazione di piccoli cristalli. Questo è un metodo usato quando il solido viene inizialmente sciolto. Un metodo comune è quello di posizionare il contenitore con la soluzione in un bagno di ghiaccio prima della filtrazione.
• Filtrazione a caldo: Nella filtrazione a caldo, la soluzione, il filtro e l'imbuto vengono riscaldati per ridurre al minimo la formazione di cristalli durante la filtrazione. Gli imbuti senza stelo sono utili perché c'è meno superficie per la crescita dei cristalli. Questo metodo viene utilizzato quando i cristalli intasano l'imbuto o impediscono la cristallizzazione del secondo componente in una miscela.

A volte i filtri ausiliari vengono utilizzati per migliorare il flusso attraverso un filtro. Esempi di filtri ausiliari sono silice, terra di diatomee, perlite e cellulosa. Gli ausili per il filtro possono essere posizionati sul filtro prima della filtrazione o miscelati con il liquido. Gli ausili possono aiutare a prevenire l'intasamento del filtro e possono aumentare la porosità della "torta" o alimentare il filtro.

Filtrazione vs. setacciatura

Una tecnica di separazione correlata è il setacciamento. La setacciatura si riferisce all'uso di una singola rete o strato perforato per trattenere particelle grandi pur consentendo il passaggio di particelle più piccole. Al contrario, durante la filtrazione, il filtro è un reticolo o ha più strati. I fluidi seguono i canali nel mezzo per passare attraverso un filtro.

Alternative alla filtrazione

Esistono metodi di separazione più efficaci della filtrazione per alcune applicazioni. Ad esempio, per campioni molto piccoli in cui è importante raccogliere il filtrato, il mezzo filtrante può assorbire troppo fluido. In altri casi, troppo del solido può rimanere intrappolato nel mezzo del filtro.

Altri due processi che possono essere utilizzati per separare i solidi dai fluidi sono la decantazione e la centrifugazione. La centrifugazione comporta la rotazione di un campione, che forza il solido più pesante sul fondo di un contenitore. In decantazione, il fluido viene sifonato o versato dal solido dopo che è caduto fuori soluzione. La decantazione può essere utilizzata dopo centrifugazione o da sola.