Разделение твердых частиц и жидкостей: Процесс фильтрации.

Введение

Процесс, отделяющий твердые вещества от жидкостей.

Процесс разделения твердых веществ и жидкостей.

Фильтрация – это физический процесс разделения, который отделяет твердые частицы и жидкость из смеси, используя фильтрующую среду со сложной структурой, через которую может проходить только жидкость. Твердые частицы, которые не могут пройти через фильтрующую среду, называются крупнодисперсными, а жидкость, прошедшая через нее, – фильтратом. Крупнодисперсные частицы могут образовывать фильтрующий осадок на поверхности фильтра, а также могут забивать структуру фильтра, препятствуя прохождению жидкой фазы, что называется закупориванием. Размер самых крупных частиц, которые могут успешно пройти через фильтр, называется эффективным размером пор этого фильтра. Разделение твердого вещества и жидкости не является полным: твердое вещество будет содержать некоторое количество жидкости, а фильтрат – мелкие частицы (в зависимости от размера пор, толщины фильтра и биологической активности). Фильтрация происходит как в природе, так и в созданных человеком системах; существуют биологические, геологические и промышленные формы. Фильтрация также используется для описания биологических и физических систем, которые не только отделяют твердые вещества от потока жидкости, но и удаляют химические соединения и биологические организмы посредством увлечения, фагоцитоза, адсорбции и абсорбции. Примеры включают медленные песчаные фильтры и капельные фильтры. Этот термин также используется в качестве общего обозначения для макрофагов, когда организмы используют различные способы для фильтрации мелких частиц пищи из окружающей среды. Примеры варьируются от микроскопической воронки до гигантской акулы и усатых китов, все из которых классифицируются как фильтраторы.

Физические процессы

Фильтрация используется для разделения частиц и жидкости в суспензии, где жидкость может быть жидкостью, газом или сверхкритической жидкостью. В зависимости от применения, может быть изолирован один или оба компонента. Фильтрация, как физическая операция, позволяет разделять материалы различного химического состава. Выбирается растворитель, который растворяет один компонент, не растворяя другой. При растворении смеси в выбранном растворителе один компонент переходит в раствор и проходит через фильтр, а другой остается в суспензии. Фильтрация широко используется в химической инженерии. Ее можно комбинировать с другими технологическими операциями для обработки исходного потока, как, например, в биофильтре, который представляет собой комбинированное устройство фильтрации и биологического разложения. Фильтрация отличается от просеивания, при котором разделение происходит на едином перфорированном слое (сите). При просеивании частицы, слишком крупные для прохождения через отверстия сита, задерживаются (см. распределение частиц по размерам). При фильтрации многослойная сетка задерживает частицы, которые не могут следовать по извилистым каналам фильтра. Крупные частицы могут образовывать слой осадка на поверхности фильтра и также блокировать фильтрующую сетку, препятствуя прохождению через фильтр жидкой фазы (засорение). В коммерческой практике термин "фильтр" применяется к мембранам, где разделяющая сетка настолько тонка, что поверхность становится основной зоной разделения частиц, хотя эти продукты могут быть описаны как сита. Фильтрация отличается от адсорбции, где разделение основано на поверхностном заряде. Некоторые адсорбционные устройства, содержащие активированный уголь и ионообменные смолы, в коммерческой практике называются фильтрами, хотя фильтрация не является их основной механической функцией. Фильтрация отличается от удаления магнитных загрязнений из жидкостей с помощью магнитов (обычно смазочных масел, охлаждающих жидкостей и топливных масел), поскольку отсутствует фильтрующая среда. Коммерчески доступны устройства, называемые "магнитными фильтрами", но название отражает их применение, а не принцип действия. В биологических фильтрах крупные частицы задерживаются и поглощаются, а образующиеся метаболиты могут выделяться. Например, у животных (включая человека) почечная фильтрация удаляет отходы из крови, а при очистке воды и сточных вод нежелательные компоненты удаляются путем адсорбции в биологическую пленку, выращенную на фильтрующей среде или внутри нее, как при медленной песчаной фильтрации.

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.

Методы

Существует множество различных методов фильтрации; все они направлены на разделение веществ. Разделение достигается посредством взаимодействия между веществом или объектами, подлежащими удалению, и фильтром. Вещество, которое должно проходить через фильтр, должно быть жидкостью, то есть жидкостью или газом. Методы фильтрации различаются в зависимости от состояния целевого материала – растворенного в жидкой фазе или взвешенного в виде твердого вещества. Существует несколько лабораторных методов фильтрации в зависимости от желаемого результата, а именно: горячая, холодная и вакуумная фильтрация. Основные цели фильтрации – удаление примесей из смеси или выделение твердых веществ из смеси. Метод горячей фильтрации в основном используется для отделения твердых веществ от горячего раствора. Это делается для предотвращения образования кристаллов в фильтровальной воронке и другом оборудовании, контактирующем с раствором. В результате, оборудование и раствор нагревают, чтобы предотвратить быстрое падение температуры, которое, в свою очередь, привело бы к кристаллизации твердых веществ в воронке и затруднило бы процесс фильтрации. Важной мерой для предотвращения образования кристаллов в воронке и обеспечения эффективной горячей фильтрации является использование воронки без бокового носика. Отсутствие носика уменьшает площадь контакта между раствором и воронкой, предотвращая повторную кристаллизацию твердого вещества и негативное влияние на процесс фильтрации. Метод холодной фильтрации предполагает использование ледяной бани для быстрого охлаждения раствора, предназначенного для кристаллизации, вместо медленного охлаждения при комнатной температуре. Эта техника приводит к образованию очень мелких кристаллов, в отличие от крупных кристаллов, образующихся при охлаждении раствора при комнатной температуре. Вакуумная фильтрация чаще всего используется для небольших объемов раствора для быстрой сушки мелких кристаллов. Для этого метода требуется воронка Бюхнера, фильтровальная бумага меньшего диаметра, чем воронка, колба Бюхнера и резиновая трубка для подключения к источнику вакуума. Центробежная фильтрация выполняется путем быстрого вращения фильтруемого вещества. Более плотный материал отделяется от менее плотного горизонтальным вращением. Гравитационная фильтрация – это процесс переливания смеси с более высокого уровня на более низкий. Обычно это достигается с помощью простой фильтрации, которая заключается в помещении фильтровальной бумаги в стеклянную воронку, через которую жидкость проходит под действием силы тяжести, а нерастворимые твердые частицы задерживаются фильтровальной бумагой. В зависимости от количества вещества можно использовать фильтрующие конусы, рифленые фильтры или фильтрующие пипетки.

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.

Сила фильтрации

Только при наличии движущей силы фильтруемая жидкость сможет протекать через фильтрующий материал. Гравитация, центрифугирование, создание давления на жидкость выше фильтра, создание вакуума под фильтром или их комбинация могут создавать эту силу. Гравитационной силы достаточно как для простых лабораторных фильтраций, так и для крупных песчаных фильтров. Центрифуги с чашей, содержащей пористый фильтрующий материал, можно рассматривать как фильтры, в которых центробежная сила, во много раз превышающая силу тяжести, заменяет гравитацию. Для ускорения процесса фильтрации при затрудненной лабораторной фильтрации обычно создают частичный вакуум в контейнере под фильтрующим материалом. В зависимости от типа фильтра, большинство промышленных процессов фильтрации используют давление или вакуум для ускорения фильтрации и уменьшения размеров необходимого оборудования.

Средства фильтрации

Фильтрационные среды – это материалы, используемые для разделения веществ. В лабораториях применяются два основных типа фильтров: поверхностные фильтры, представляющие собой твердые сита, которые улавливают твердые частицы, с использованием или без использования фильтровальной бумаги (например, воронка Бюхнера, ленточный фильтр, ротационный вакуумный барабанный фильтр, фильтры с перекрестным потоком, сетчатый фильтр), и глубинные фильтры – слой из гранулированного материала, который задерживает твердые частицы при их прохождении (например, песчаный фильтр). Поверхностные фильтры позволяют собирать твердые частицы, то есть остаток, в неповрежденном виде; глубинные фильтры этого не обеспечивают. Однако глубинные фильтры менее склонны к засорению благодаря большей площади поверхности для удержания частиц. Кроме того, когда твердые частицы очень мелкие, часто дешевле и проще утилизировать загрязненный гранулят, чем очищать твердое сито. Фильтрационные среды можно очищать промывкой растворителями или моющими средствами, либо обратной промывкой. В инженерных приложениях, таких как установки очистки воды в бассейнах, они также могут быть очищены обратной промывкой. Самоочищающиеся сетчатые фильтры используют локальную обратную промывку для очистки сетки без прерывания потока в системе.

Достижение потока через фильтр

Жидкости протекают через фильтр из-за разницы давлений – жидкость движется со стороны высокого давления к стороне низкого давления фильтра. Самый простой способ обеспечить это – сила тяжести, что можно наблюдать на примере кофеварки. В лаборатории для ускорения процесса фильтрации можно использовать давление сжатого воздуха на стороне подачи (или вакуум на стороне фильтрата), однако это может привести к засорению или прохождению мелких частиц. В качестве альтернативы, жидкость может проходить через фильтр под действием насоса, метод, широко используемый в промышленности, когда требуется сократить время фильтрации. В этом случае фильтр не обязательно монтировать вертикально.

Фильтрационное вспомогательное устройство

Для фильтрации могут использоваться определенные фильтрующие вспомогательные вещества. Чаще всего это несжимаемая диатомовая земля, или кизельгур, состоящая преимущественно из диоксида кремния. Также применяются древесная целлюлоза и другие инертные пористые твердые вещества, такие как более дешевый и безопасный перлит. Активированный уголь часто используется в промышленных процессах, требующих изменения свойств фильтрата, например, цвета или запаха. Эти фильтрующие вспомогательные вещества можно использовать двумя способами. Их можно наносить в виде предварительного покрытия перед фильтрацией суспензии. Это предотвращает засорение фильтрующей среды гелеобразными частицами и обеспечивает более прозрачный фильтрат. Их также можно добавлять непосредственно в суспензию перед фильтрацией. Это увеличивает пористость осадка и снижает сопротивление при фильтрации. В ротационном фильтре фильтрующее вспомогательное вещество может быть нанесено в качестве предварительного покрытия, после чего тонкие слои этого покрытия удаляются вместе с осадком. Использование фильтрующих вспомогательных веществ обычно ограничивается случаями, когда осадок утилизируется или когда осадок можно химически отделить от фильтра.

Альтернативы

Фильтрация — более эффективный метод разделения смесей, чем отстаивание, но занимает значительно больше времени. Если используется очень небольшое количество раствора, большая его часть может впитаться в фильтрующую среду. Альтернативой фильтрации является центрифугирование. Вместо фильтрации смеси твердых и жидких частиц, смесь центрифугируют, чтобы осадить (обычно) более плотное твердое вещество на дно, где оно часто образует плотный осадок. Затем жидкость над осадком можно отделить отстаиванием. Этот метод особенно полезен для разделения твердых веществ, которые плохо фильтруются, например, желатинообразных или мелкодисперсных частиц. Эти твердые вещества могут забивать фильтр или, наоборот, проходить сквозь него.

Биологическая фильтрация

Биологическая фильтрация может происходить внутри организма, либо биологический компонент может быть выращен на среде в фильтруемом материале. Удаление твердых частиц, эмульгированных компонентов, органических химических веществ и ионов может достигаться путем поглощения и переваривания, адсорбции или абсорбции. Ввиду сложности биологических взаимодействий, особенно в многоорганизмных сообществах, часто бывает невозможно установить, какие именно процессы обеспечивают результат фильтрации. На молекулярном уровне это зачастую происходит благодаря индивидуальным каталитическим действиям ферментов внутри отдельного организма. Отходы жизнедеятельности одних организмов могут впоследствии расщепляться другими организмами для извлечения максимального количества энергии, в результате чего сложные органические молекулы преобразуются в очень простые неорганические соединения, такие как вода, углекислый газ и азот.

Выведение

Внутри млекопитающих, рептилий и птиц почки функционируют посредством почечной фильтрации, в ходе которой клубочек избирательно удаляет нежелательные вещества, такие как мочевина, а затем происходит избирательная реабсорбция многих веществ, необходимых организму для поддержания гомеостаза. Весь этот процесс называется экскрецией. Подобные, но часто менее сложные механизмы используются у всех животных, даже у простейших, где сократительная вакуоль выполняет аналогичную функцию.

Биопленки

Биофильмы часто представляют собой сложные сообщества бактерий, фагов, дрожжей и часто более сложных организмов, включая простейших, коловраток и кольчатых червей, которые формируют динамичные и сложные, часто желатинообразные пленки на влажных субстратах. Такие биофильмы покрывают скалы большинства рек и морское дно и обеспечивают ключевую фильтрационную способность Schmutzdecke на поверхности медленных песчаных фильтров, а также пленку на фильтрующих материалах капельных фильтров, используемых для получения питьевой воды и очистки сточных вод соответственно. Примером биофильма является биологическая пленка, которую можно встретить в озерах, реках, на скалах и т.д. Использование биофильмов из одного или двух видов – это новая технология, поскольку естественные биофильмы развиваются медленно. Применение биофильмов в процессе биофильтрации позволяет закреплять желаемую биомассу и необходимые питательные вещества на иммобилизованном носителе. Для повторного использования воды в различных процессах, достижения в методах биофильтрации способствуют удалению значительных объемов сточных вод. Системы биологической очистки сточных вод имеют решающее значение для улучшения здоровья человека и качества воды. Технология биофильмов, формирование биофильмов на различных фильтрующих средах и другие факторы влияют на структуру роста и функционирование этих биофильмов. Для проведения всестороннего исследования состава, разнообразия и динамики биофильмов используются различные традиционные и современные молекулярные методы.

Фильтровые кормушки

Фильтроядные организмы – это организмы, получающие пищу путем фильтрации окружающей их, как правило водной, среды. Многие простейшие являются фильтраторами, используя разнообразные адаптации, включая жесткие шипы протоплазмы, удерживаемые в потоке воды, как у сокторий, и различные способы работы жгутиков для направления частиц к ротовому отверстию, в том числе такие организмы, как Vorticella, у которых есть сложное кольцо жгутиков, создающее вихрь в потоке и подтягивающее частицы в ротовую полость. Аналогичные методы питания используют коловратки и мохообразные. Многие водные членистоногие также являются фильтраторами. Некоторые используют ритмичное взмахивание брюшными конечностями для создания водного потока к роту, а волоски на ногах задерживают частицы. Другие, например, некоторые ручейники, плетут тонкие сети в потоке воды для улавливания частиц.