Қоспалардан қатты заттарды сүзу процесі

Кіріспе

Қатты заттарды сұйықтықтардан бөліп шығару процесі

Қатты және сұйық заттарды бөлу процесі.

Сүзгілеу – бұл физикалық бөлу процесі, ол күрделі құрылымы бар сүзгі ортасын пайдаланып, қоспадан қатты затты және сұйықтықты ажыратады, одан тек сұйықтық ғана өте алады. Сүзгі ортасынан өте алмайтын қатты бөлшектер ірі бөлшектер деп сипатталады, ал өтетін сұйықтық фильтрат деп аталады. Ірі бөлшектер сүзгі үстінде сүзгі қабықшасын құрауы мүмкін, сонымен қатар сүзгі торына кедергі келтіріп, сұйық фазаның сүзгіден өтуіне тосқауыл қоюы мүмкін, бұл құр болу деп аталады. Сүзгіден сәтті өте алатын ең үлкен бөлшектердің мөлшері – сол сүзгінің тиімді тесік мөлшері деп аталады. Қатты және сұйық заттардың бөлінуі толық емес; қатты заттар белгілі бір мөлшерде сұйықтықпен ластанады, ал фильтратта ұсақ бөлшектер болады (тесік мөлшеріне, сүзгінің қалыңдығына және биологиялық белсенділігіне байланысты). Сүзгілеу табиғатта да, жасалған жүйелерде де кездеседі; оның биологиялық, геологиялық және өнеркәсіптік түрлері бар. Сүзгілеу сұйық ағынынан қатты заттарды бөліп қана қоймай, сонымен қатар химиялық заттар мен биологиялық организмдерді ағып кету, фагоцитоз, адсорбция және сіңіру арқылы жоятын биологиялық және физикалық жүйелерді сипаттау үшін де қолданылады. Мысалдарға баяу құм сүзгілері және тамшылап ағатын сүзгілер жатады. Бұл макрофагтарды сипаттау үшін де қолданылатын жалпы термин, онда организмдер қоршаған ортадан ұсақ тағам бөлшектерін сүзгілеу үшін әртүрлі тәсілдерді пайдаланады. Мысалдар микроскопиялық Вортицелладан бастап, ең ірі балықтардың бірі – баскын акуласына дейін және барлық сүзгіш киттерге дейін жетеді.

Физикалық процестер

Сүзгілеу – бұл суспензиядағы бөлшектер мен сұйықтықты бөлу үшін қолданылатын процесс, мұнда сұйықтық сұйық, газ немесе суперкритикалық сұйықтық болуы мүмкін. Қолданылуына қарай, компоненттердің бірі немесе екеуі де оқшаулануы мүмкін. Фильтрация физикалық операция ретінде әртүрлі химиялық құрамдағы материалдарды бөліп алуға мүмкіндік береді. Бір компонентті ерітетін, ал екіншісін ерітпейтін еріткіш таңдалады. Қоспаны таңдалған еріткіште еріту арқылы бір компонент ерітіндіге өтеді және сүзгіден өтеді, ал екіншісі ұсталып қалады. Сүзгілеу химиялық инженерияда кеңінен қолданылады. Ол басқа операциялармен біріктіріліп, бастапқы ағынды өңдеуге қолданылады, мысалы, биофильтрде – бұл біріктірілген сүзгі және биологиялық ыдырату құрылғысы. Сүзгілеу сірінділеуден өзгеше, онда бөліну бір тесікті қабатта (сіріндіде) жүреді. Сірінділеу кезінде сірінді тесіктерінен өте алмайтын үлкен бөлшектер ұсталып қалады (бөлшек мөлшерінің таралуына қараңыз). Сүзгілеу кезінде көп қабатты тор сүзгінің қисық арналарын бағынып жүре алмайтын бөлшектерді ұстап тұрады. Ірі бөлшектер сүзгі бетінде қабат құрауы мүмкін және сонымен қатар сүзгі торларын бітеп, сұйық фазаның сүзгіден өтуіне кедергі келтіруі мүмкін (бітелу). Коммерциялық тұрғыдан, сүзгі термині бөлу торы өте жұқа мембраналарға қолданылады, бұл өнімдер сірінділер ретінде сипатталғанмен, беті бөлшектерді бөлудің негізгі аймағына айналады. Сүзгілеу адсорбциядан ерекшеленеді, онда бөліну беттік зарядқа негізделеді. Белсендірілген көмір және ион алмастыру шайырынан тұратын кейбір адсорбциялық құрылғылар коммерциялық түрде сүзгілер деп аталады, бірақ сүзгілеу олардың негізгі механикалық функциясы емес. Сүзгілеу магниттермен сұйықтықтардан магниттік қорытқыштарды (әдетте майлау майы, салқындатқыштар және отын майы) алудан өзгеше, себебі сүзгі ортасы жоқ. Саудада "магниттік сүзгілер" деп аталатын құрылғылар сатылады, бірақ атау олардың жұмыс істеу принципін емес, қолданылуын көрсетеді. Биологиялық сүзгілерде ірі бөлшектер тұтқындалып, сіңіріледі және нәтижесінде метаболиттер босатылуы мүмкін. Мысалы, жануарларда (адамдарды қоса алғанда) бүйрек сүзгісі қаннан қалдықтарды шығарып тастайды, ал суды және сарқынды суды тазарту кезінде жағымсыз құрамдастар сүзгі ортасында немесе сүзгі ортасында өсетін биологиялық пленкаға адсорбциялау арқылы алынып тасталады, мысалы, баяу құм сүзгілеуде.

Filtration is used to separate particles and fluid in a suspension, where the fluid can be a liquid, a gas or a supercritical fluid. Depending on the application, either one or both of the components may be isolated. Filtration, as a physical operation enables materials of different chemical compositions to be separated. A solvent is chosen which dissolves one component, while not dissolving the other. By dissolving the mixture in the chosen solvent, one component will go into the solution and pass through the filter, while the other will be retained. Filtration is widely used in chemical engineering. It may be combined with other unit operations to process the feed stream, as in the biofilter, which is a combined filter and biological digestion device. Filtration differs from sieving, where separation occurs at a single perforated layer (a sieve). In sieving, particles that are too big to pass through the holes of the sieve are retained (see particle size distribution). In filtration, a multilayer lattice retains those particles that are unable to follow the tortuous channels of the filter. Oversize particles may form a cake layer on top of the filter and may also block the filter lattice, preventing the fluid phase from crossing the filter (blinding). Commercially, the term filter is applied to membranes where the separation lattice is so thin that the surface becomes the main zone of particle separation, even though these products might be described as sieves. Filtration differs from adsorption, where separation relies on surface charge. Some adsorption devices containing activated charcoal and ion exchange resin are commercially called filters, although filtration is not their principal mechanical function. Filtration differs from removal of magnetic contaminants from fluids with magnets (typically lubrication oil, coolants and fuel oils) because there is no filter medium. Commercial devices called "magnetic filters" are sold, but the name reflects their use, not their mode of operation. In biological filters, oversize particulates are trapped and ingested and the resulting metabolites may be released. For example, in animals (including humans), renal filtration removes waste from the blood, and in water treatment and sewage treatment, undesirable constituents are removed by adsorption into a biological film grown on or in the filter medium, as in slow sand filtration.

Әдістер

Сүзгілеудің көптеген әдістері бар, олардың барлығы заттардың бөлінуіне бағытталған. Бөлуге арналған зат немесе заттар мен сүзгі арасындағы өзара әрекеттесу арқылы қол жеткізіледі. Сүзгіден өтетін зат сұйықтық, яғни сұйық немесе газ болуы керек. Сүзгілеу әдістері мақсатты материалдың орналасуына байланысты әртүрлі болады, атап айтқанда, сұйық фазада еріген немесе қатты күйдегі суспензияда болуына байланысты. Қажетті нәтижеге байланысты бірнеше зертханалық сүзгілеу техникалары бар, мысалы, ыстық, суық және вакуумдық сүзгілеу. Қажетті нәтижеге қол жеткізудің басты мақсаттарының бірі – қоспадан қоспаларды жою немесе қоспадан қатты заттарды бөліп алу. Ыстық сүзгілеу әдісі көбінесе қатты заттарды ыстық ерітіндіден бөлу үшін қолданылады. Бұл, сүзгілік шұңқырда және ерітіндімен жанасатын басқа да құралдарда кристалдардың түзілуін болдырмау үшін жасалады. Осылайша, температураның күрт төмендеуіне жол бермеу үшін құралдар мен ерітінді қыздырылады, бұл өз кезегінде шұңқырдағы қатты заттардың кристалдануына және сүзгілеу процесін қиындатуына әкелуі мүмкін. Шұңқырда кристалдардың пайда болуын болдырмау және ыстық сүзгілеуді тиімді жүргізу үшін ең маңызды шара – сабы жоқ сүзгілік шұңқырды пайдалану. Сүзгілік шұңқырдың сабы болмағандықтан, ерітінді мен шұңқырдың арасындағы жанасу бетінің ауданы кішірейеді, соның салдарынан шұңқырда қатты заттардың қайта кристалдануына жол берілмейді және сүзгілеу процесіне кері әсер етілмейді. Суық сүзгілеу әдісінде, ерітіндіні бөлме температурасында баяу салқындатудың орнына, кристалдану үшін мұз ваннасында тез салқындату қолданылады. Бұл техника, ерітіндіні бөлме температурасында салқындатқанда ірі кристалдардың пайда болуына қарамастан, өте ұсақ кристалдардың түзілуіне әкеледі. Вакуумдық сүзгілеу әдісі көбінесе ерітіндінің шағын көлемін тез кептіру үшін және ұсақ кристалдарды алу үшін қолданылады. Бұл әдіс үшін Бюхнер шұңқыры, шұңқырдан кіші диаметрлі сүзгі қағазы, Бюхнер колбасы және вакуум көзіне қосылатын резеңке түтікше қажет. Орталықтан тығыздау сүзгісі, сүзгіленетін затты жоғары жылдамдықпен айналдыру арқылы жүзеге асырылады. Тығыздығы жоғары материал, көлденең айналу арқылы тығыздығы төмен материалдан бөлінеді. Гравитациялық сүзгілеу – қоспаны жоғарыдан төменге құю процесі. Бұл көбінесе қарапайым сүзгілеу арқылы жүзеге асырылады, ол сүзгі қағазын шыны шұңқырға орналастыруды қамтиды, сұйықтық ауырлық күшімен өтеді, ал ерімейтін қатты бөлшектер сүзгі қағазында тоқтатылады. Қолдағы заттың мөлшеріне қарай, сүзгі конустары, рифленген сүзгілер немесе сүзгілеу пипеттері қолданылуы мүмкін.

There are many different methods of filtration; all aim to attain the separation of substances. Separation is achieved by some form of interaction between the substance or objects to be removed and the filter. The substance that is to pass through the filter must be a fluid, i. e. a liquid or gas. Methods of filtration vary depending on the location of the targeted material, i. e. whether it is dissolved in the fluid phase or suspended as a solid. There are several laboratory filtration techniques depending on the desired outcome namely, hot, cold and vacuum filtration. Some of the major purposes of obtaining the desired outcome are, for the removal of impurities from a mixture or, for the isolation of solids from a mixture. Hot filtration method is mainly used to separate solids from a hot solution. This is done to prevent crystal formation in the filter funnel and other apparatus that come in contact with the solution. As a result, the apparatus and the solution used are heated to prevent the rapid decrease in temperature which in turn, would lead to the crystallisation of the solids in the funnel and hinder the filtration process. One of the most important measures to prevent the formation of crystals in the funnel and to undergo effective hot filtration is the use stemless filter funnel. Due to the absence of a stem in the filter funnel, there is a decrease in the surface area of contact between the solution and the stem of the filter funnel, hence preventing re crystallization of solid in the funnel, and adversely affecting the filtration process. Cold filtration method is the use of an ice bath to rapidly cool the solution to be crystallized rather than leaving it to cool slowly in the room atmosphere. This technique results in the formation of very small crystals as opposed to getting large crystals by cooling the solution at room temperature. Vacuum filtration technique is mostly preferred for small batches of solution to dry small crystals quickly. This method requires a Büchner funnel, filter paper of a smaller diameter than the funnel, Büchner flask, and rubber tubing to connect to a vacuum source. Centrifugal filtration is carried out by rapidly rotating the substance to be filtered. The more dense material is separated from the less dense matter by the horizontal rotation. Gravity filtration is the process of pouring the mixture from a higher location to a lower one. It is frequently accomplished via simple filtration, which involves placing filter paper in a glass funnel with the liquid passing through by gravity while the insoluble solid particles are caught by the filter paper. Filter cones, fluted filters, or filtering pipets can all be employed, depending on the amount of the substance at hand.

Сүзгілеу күші

Тек қозғаушы күш берілген кезде ғана сүзгіленетін сұйықтық сүзгі материалдары арқылы ағып өте алады. Бұл күштің пайда болуына гравитация, центрифугалау, сүзгіден жоғары сұйықтыққа қысым салу, сүзгіден төмен вакуум қолдану немесе осы факторлардың үйлесімі ықпал етуі мүмкін. Ең қарапайым зертханалық сүзгілерде де, үлкен құмды төсек сүзгілерінде де гравитациялық күш ғана қолданылуы мүмкін. Айналмалы сүзгі құралы бар ыдысты центрифуга ретінде қарастыруға болады, онда гравитация күшінен бірнеше есе күшті центрифугалық күш гравитациялық күшті алмастырады. Зертханалық сүзгілеу қиын болған жағдайда, сүзгі материалдарының астындағы ыдысқа жартылай вакуум беріледі, бұл сүзгілеу процесін жылдамдатуға көмектеседі. Қолданылатын сүзгі түріне байланысты, көптеген өнеркәсіптік сүзгілеу операциялары сүзгілеуді жылдамдату және қажетті жабдықтың көлемін азайту үшін қысымды немесе вакуумды пайдаланады.

Сүзгілеу құралдары

Сүзгі материалдары – материалдарды бөлуге қолданылатын материалдар. Зертханаларда сүзгі материалдарының екі негізгі түрі қолданылады: беттік сүзгілер, олар қатты бөлшектерді ұстап тұратын қатты сілемдер, сүзгі қағазының көмегімен немесе одансыз (мысалы, Бюхнер колбасы, белдік сүзгісі, айналмалы вакуумдық барабан сүзгісі, көлденең ағынды сүзгілер, экрандық сүзгі) және тереңдік сүзгілер, олар қатты бөлшектерді өткізген кезде ұстап тұратын ұсақ материалдан жасалған төсек (мысалы, құм сүзгісі). Беттік сүзгілер қатты бөлшектерді, яғни қалдықтарды, толыққанды жинауға мүмкіндік береді; тереңдік сүзгілері мұны істемейді. Дегенмен, тереңдік сүзгілері бөлшектердің тұнқып қалуы үшін үлкен беттік ауданы болғандықтан, бітелуге азырақ бейім. Сонымен қатар, қатты бөлшектер өте ұсақ болған жағдайда, ластанған ұсақ материалды тастау, қатты сілемді тазалауға қарағанда арзан әрі оңайырақ болуы мүмкін. Сүзгі материалдарын еріткіштермен немесе жуғыш заттармен шаю немесе кері жуу арқылы тазалауға болады. Басқа жағдайларда, инженерлік қолданыстарда, мысалы, бассейн суын тазарту станцияларында, оларды кері жуу арқылы тазалауға болады. Өзін-өзі тазартатын экрандық сүзгілер жүйе ағынын тоқтатпай экранды тазалау үшін сору нүктесінен кері жууды пайдаланады.

Сүзгі арқылы ағындылық деңгейін қамтамасыз ету

Сұйықтар қысым айырмашылығының әсерінен сүзгі арқылы ағып өтеді. Сұйық сүзгінің жоғары қысымды жағынан төмен қысымды жағына қарай ағылады. Мұны ең оңай жолмен ауырлық күші арқылы іске асыруға болады, мысалы, кофе дайындағышта көрінетіндей. Зертханада сүзгілеу процесін жылдамдату үшін, қоректендіру жағынан қысылған ауа (немесе сүзгіленген жағынан вакуум) қолданылуы мүмкін, бірақ бұл сүзгінің бітіп қалуына немесе ұсақ бөлшектердің өтіп кетуіне әкелуі мүмкін. Балама ретінде, сұйық сүзгі арқылы сорғының күшімен ағып өтуі мүмкін, бұл әдіс өнеркәсіпте жиі қолданылады, әсіресе сүзгілеу уақытын қысқарту маңызды болғанда. Мұндай жағдайда сүзгіні тік орнату міндетті емес.

Сүзгілеу қосалқы құрылғысы

Фильтрацияны жеңілдету үшін кейбір сүзгі көмекші заттары қолданылуы мүмкін. Бұл көбінесе қысылмайтын диатомит немесе кизельгур, ол негізінен кремний диоксидтен тұрады. Сонымен қатар, ағаш целлюлозасы және басқа инертті, кеуекті қатты заттар, мысалы, арзан және қауіпсіз перлит пайдаланылады. Белсендірілген көмір көбінесе сүзгінің қасиеттерін өзгерту қажет болатын өнеркәсіптік қолданыстарда қолданылады, мысалы, түсін немесе иісін өзгерту үшін. Бұл сүзгі көмекші заттарды екі түрлі жолмен қолдануға болады. Оларды суспензия сүзгіленуден бұрын алдын ала жабын ретінде қолдануға болады. Бұл желатин тәрізді қатты заттардың сүзгі ортасын бітеуіне кедергі жасайды және таза сүзгі алуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, оларды сүзгілену алдында суспензияға қосуға болады. Бұл шламның кеуектілігін арттырады және сүзгілену кезінде шламға түсетін қарсылықты азайтады. Айналмалы сүзгіде сүзгі көмекші заты алдын ала жабын ретінде қолданылуы мүмкін; содан кейін бұл қабаттың жұқа тілімдері шламмен бірге кесіледі. Сүзгі көмекші заттарды қолдану әдетте шламды тастау қажет болғанда немесе тұнбаны сүзгіден химиялық түрде бөлуге болатын жағдайларда ғана шектеледі.

Баламалар

Сүзгілеу – қоспаларды бөлу үшін декантациядан тиімдірек әдіс, бірақ ол көбірек уақыт алады. Егер ерітіндінің мөлшері өте аз болса, ерітіндінің көп бөлігі сүзгі материалға сіңіп кетуі мүмкін. Сүзгілеуге балама ретінде центрифугалау қолданылады. Қатты және сұйық бөлшектердің қоспасын сүзгілеудің орнына, қоспа центрифугаланады, бұл (әдетте) тығыз қатты затты төменге түсіреді, онда ол көбінесе берік шөгінді құрайды. Содан кейін жоғарыдағы сұйықтықты декантациялауға болады. Бұл әдіс, әсіресе, жақсы сүзгіленбейтін қатты заттарды, мысалы, желатин тәрізді немесе ұсақ бөлшектерді бөлуге өте пайдалы. Мұндай қатты заттар сүзгіні бітеп тастауы немесе одан өтіп кетуі мүмкін.

Биологиялық сүзгілеу

Биологиялық сүзгілеу организмнің ішінде жүзеге асуы мүмкін, немесе биологиялық компонент сүзгіленетін материалдың ортасында өсірілуі мүмкін. Қатты заттардың, эмульсияланған компоненттердің, органикалық химиялық заттардың және иондардың алынуы жұту және қорыту, адсорбция немесе сіңіру арқылы қамтамасыз етіледі. Биологиялық өзара әрекеттесудің күрделілігі, әсіресе көп организмдер қауымдастығында, сүзгілеу нәтижесіне қандай процестердің себепкер екенін анықтауды қиындатады. Молекулалық деңгейде бұл жеке организмдегі жеке каталитикалық ферменттердің әрекеттері арқылы болуы мүмкін. Кейбір организмдердің қалдық өнімдері кейіннен басқа организмдермен ыдырайтылып, мүмкіндігінше көп энергия алу үшін пайдаланылады, соның салдарынан күрделі органикалық молекулалар су, көмірқышқыл газы және азот сияқты өте қарапайым бейорганикалық заттарға дейін тотықтырылады.

Эскреция

Сүтқоректілер, бауырымен жорғалаушылар және құстарда бүйректер бүйректік сүзгілеу арқылы жұмыс істейді, онда гломерула қажетсіз заттарды, мысалы, мочевинаны іріктеп алып тастайды, содан кейін организмнің гомеостазды сақтауы үшін қажетті көптеген заттарды іріктеп қайта сіңіреді. Бұл толық процеске экскреция деп аталады. Ұқсас, бірақ көбінесе аз күрделі шешімдер барлық жануарларда, тіпті протозоаларда да қолданылады, онда жиырылғыш вакуола ұқсас функцияны атқарады.

Биофильмдер

Биофильмдер көбінесе бактериялардың, фагтардың, ашытқылардың және протозоалар, ротиферлер және аннелидтер сияқты одан да күрделі организмдерді қамтитын күрделі қауымдастықтар болып табылады, олар ылғалды беттерде динамикалық және күрделі, көбінесе желатинді қабықшалар құрайды. Мұндай биофильмдер көптеген өзендер мен теңіздердегі тастарды жабады және баяу құм сүзгілеріндегі Шмуцдеке мен тамшылап суару сүзгілерінің сүзгі ортасындағы негізгі сүзгілеу қабілетін қамтамасыз етеді, олар ішуге жарамды су жасау және тиісті суларды тазарту үшін қолданылады. Биофильмнің мысалы – көлдерде, өзендерде, тау жыныстарында және т.б. кездесетін биологиялық шылым. Жалғыз немесе екі түрлі биофильмдерді пайдалану – жаңа технология, себебі табиғи биофильмдер өте баяу дамиды. Биофильтрлеу процесінде биофильмдерді қолдану қажетті биомасса мен маңызды қоректік заттардың қозғалмайтын тірекке бекітілуін қамтамасыз етеді. Суды түрлі процестерде қайта пайдалану үшін биофильтрация әдістерінің жетістіктері тиісті сулардан үлкен көлемдегі ағынды суларды жоюға көмектеседі. Суды биологиялық тазарту жүйелері адам денсаулығын жақсарту және су сапасын арттыру үшін маңызды. Биофильмдер технологиясы, әртүрлі сүзгі орталарында биофильмдердің қалыптасуы және басқа да факторлар осы биофильмдердің өсу құрылымы мен функциясына әсер етеді. Биофильмдердің құрамын, әртүрлілігін және динамикасын толық зерттеу үшін дәстүрлі және заманауи молекулалық тәсілдер де қолданылады.

Сүзгілік қоректендірушілер

Сүзгімен қоректенушілер – қоршаған ортасынан, әдетте су ортасынан, сүзгілеу арқылы тамақ алатын организмдер. Көптеген протозоалар сүзгімен қоректенушілер болып табылады, олар су ағынында ұсталатын протоплазманың қатаң тікенектерінен (мысалы, сукторияларда) бастап, бөлшектерді ауызға бағыттау үшін қозғалмалы кірпікшелердің әртүрлі түрлерін пайдаланады. Vorticella сияқты организмдерде кірпікшелердің күрделі сақинасы ағында воронка тәрізді құйымдап, бөлшектерді ауыз қуысына жеткізеді. Роттифералар мен Эктопрокталар да осыған ұқсас тамақтану тәсілдерін қолданады. Көптеген сулы буынтық аяқтылар сүзгімен қоректенушілер. Кейбіреулері ішкі мүшелерін ырғақты қозғалысқа келтіру арқылы ауызға су ағынын жасайды, ал аяқтардағы түктер кез келген бөлшекті ұстап алады. Басқалары, мысалы, кейбір құрттар, су ағынында жіңішке торлар тоқып, бөлшектерді ұстап алады.