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Este artículo trata sobre el funcionamiento de la separación sólido-fluido. Para conocer el concepto matemático, consulte Filtración (matemáticas) . Para el concepto estocástico, consulte Filtración (teoría de la probabilidad) . Para el equipo utilizado, consulte Filtro (desambiguación) . Para la filtración utilizada en la vinificación, consulte Filtración (vino) .

Diagrama de filtración simple: las partículas de gran tamaño en la alimentación no pueden atravesar la estructura reticular del filtro, mientras que el fluido y las partículas pequeñas lo atraviesan y se convierten en filtrado .

La filtración es una operación física, biológica o química que separa la materia sólida y el fluido de una mezcla con un medio filtrante que tiene una estructura compleja a través de la cual solo puede pasar el fluido. Las partículas sólidas que no pueden atravesar el medio filtrante se describen como de gran tamaño y el fluido que pasa a través se llama filtrado . [1] Las partículas de gran tamaño pueden formar una torta de filtración en la parte superior del filtro y también pueden bloquear la red del filtro, evitando que la fase fluida cruce el filtro, lo que se conoce como cegamiento . El tamaño de las partículas más grandes que pueden pasar con éxito a través de un filtro se llama efectivo.tamaño de poro de ese filtro. La separación de sólidos y fluidos es imperfecta; los sólidos se contaminarán con algo de líquido y el filtrado contendrá partículas finas (según el tamaño de los poros, el espesor del filtro y la actividad biológica). La filtración ocurre tanto en la naturaleza como en sistemas de ingeniería ; hay formas biológicas , geológicas e industriales . [2]

Descripción del proceso [ editar ]

  • La filtración se utiliza para separar partículas y fluidos en una suspensión, donde el fluido puede ser un líquido, un gas o un fluido supercrítico . Dependiendo de la aplicación, se pueden aislar uno o ambos componentes.
  • La filtración, como operación física, es muy importante en química para la separación de materiales de diferente composición química. Se elige un disolvente que disuelva un componente sin disolver el otro. Al disolver la mezcla en el disolvente elegido, un componente entrará en la solución y pasará a través del filtro, mientras que el otro quedará retenido. Esta es una de las técnicas más importantes que utilizan los químicos para purificar compuestos.
  • La filtración también es importante y se utiliza ampliamente como una de las operaciones unitarias de la ingeniería química . Puede combinarse simultáneamente con otras operaciones unitarias para procesar la corriente de alimentación, como en el biofiltro , que es un filtro combinado y un dispositivo de digestión biológica.
  • La filtración difiere del tamizado, donde la separación se produce en una sola capa perforada (un tamiz ). En el tamizado, se retienen las partículas que son demasiado grandes para pasar a través de los orificios del tamiz (ver distribución del tamaño de partícula ). En la filtración, una celosía multicapa retiene aquellas partículas que no pueden seguir los tortuosos canales del filtro. [3] Las partículas de gran tamaño pueden formar una capa de torta en la parte superior del filtro y también pueden bloquear la red del filtro, evitando que la fase fluida cruce el filtro (cegamiento). Comercialmente, el término filtro se aplica a las membranas. donde la rejilla de separación es tan delgada que la superficie se convierte en la zona principal de separación de partículas, aunque estos productos podrían describirse como tamices.
  • La filtración difiere de la adsorción , donde no es el tamaño físico de las partículas lo que causa la separación, sino los efectos de la carga superficial . Algunos dispositivos de adsorción que contienen carbón activado y resina de intercambio iónico se denominan comercialmente filtros, aunque la filtración no es su función principal.
  • La filtración difiere de la eliminación de contaminantes magnéticos de fluidos con imanes (típicamente aceite de lubricación , refrigerantes y fuelóleos ), porque no hay medio filtrante. Se venden dispositivos comerciales llamados 'filtros magnéticos', pero el nombre refleja su uso, no su modo de funcionamiento.
  • En los filtros biológicos, las partículas de gran tamaño quedan atrapadas e ingeridas y los metabolitos resultantes pueden liberarse. Por ejemplo, en los animales (incluidos los humanos ), la filtración renal elimina los desechos de la sangre , y en el tratamiento del agua y el tratamiento de aguas residuales , los componentes indeseables se eliminan por absorción en una película biológica que crece sobre o en el medio filtrante, como en la filtración lenta con arena .

Métodos [ editar ]

Hay muchos métodos diferentes de filtración; todos apuntan a lograr la separación de sustancias. La separación se logra mediante alguna forma de interacción entre la sustancia u objetos que se eliminarán y el filtro. La sustancia que debe atravesar el filtro debe ser un fluido , es decir, un líquido o un gas . Los métodos de filtración varían dependiendo de la ubicación del material objetivo, es decir, si está disuelto en la fase fluida o suspendido como un sólido.

Filtración en caliente, la solución contenida en el matraz Erlenmeyer se calienta en una placa caliente para evitar la recristalización de los sólidos en el propio matraz.

Existen varias técnicas de filtración dependiendo del resultado deseado, a saber, filtración en caliente, en frío y al vacío . Algunos de los propósitos principales para obtener el resultado deseado son, para la eliminación de impurezas de una mezcla o, para el aislamiento de sólidos de una mezcla.

Filtración en caliente para la separación de sólidos de una solución caliente

El método de filtración en caliente se utiliza principalmente para separar sólidos de una solución caliente. Esto se hace para evitar la formación de cristales en el embudo del filtro y otros aparatos que entran en contacto con la solución. Como resultado, el aparato y la solución utilizados se calientan para evitar la rápida disminución de temperatura que, a su vez, conduciría a la cristalización de los sólidos en el embudo y dificultaría el proceso de filtración. [4]Una de las medidas más importantes para evitar la formación de cristales en el embudo y realizar una filtración en caliente eficaz es el uso de embudo filtrante sin vástago. Debido a la ausencia de tallo en el embudo del filtro, hay una disminución en el área de superficie de contacto entre la solución y el tallo del embudo del filtro, evitando así la recristalización del sólido en el embudo, afectando adversamente el proceso de filtración.

Filtración en frío, el baño de hielo se utiliza para enfriar la temperatura de la solución antes de someterse al proceso de filtración.

El método de filtración en frío es el uso de un baño de hielo para enfriar rápidamente la solución que se va a cristalizar en lugar de dejarla afuera para enfriarla lentamente a temperatura ambiente. Esta técnica da como resultado la formación de cristales muy pequeños en lugar de obtener cristales grandes al enfriar la solución a temperatura ambiente.

La técnica de filtración al vacío es la más preferida para lotes pequeños de solución con el fin de secar rápidamente los cristales pequeños. Este método requiere un embudo Büchner , papel de filtro de menor diámetro que el embudo, matraz Büchner y tubos de goma para conectar a la fuente de vacío.

Medios de filtrado [ editar ]

En los laboratorios se emplean dos tipos principales de medios filtrantes: un filtro de superficie , un tamiz sólido que atrapa las partículas sólidas, con o sin la ayuda de papel de filtro (p. Ej. , Embudo Büchner , filtro de cinta , filtro de tambor de vacío rotatorio , filtros de flujo cruzado , Filtro de pantalla ); y un filtro de profundidad , un lecho de material granular que retiene las partículas sólidas a medida que pasa (por ejemplo, filtro de arena). El primer tipo permite que las partículas sólidas, es decir, el residuo, se recojan intactas; el segundo tipo no lo permite. Sin embargo, el segundo tipo es menos propenso a obstruirse debido a la mayor área de superficie donde las partículas pueden quedar atrapadas. Además, cuando las partículas sólidas son muy finas, a menudo es más barato y más fácil desechar los gránulos contaminados que limpiar el tamiz sólido.

Los medios filtrantes se pueden limpiar enjuagando con solventes o detergentes. Alternativamente, en aplicaciones de ingeniería, como plantas de tratamiento de agua de piscinas , pueden limpiarse mediante lavado a contracorriente . Los filtros de malla autolimpiantes utilizan un retrolavado en el punto de succión para limpiar la malla sin interrumpir el flujo del sistema.

Lograr el flujo a través del filtro [ editar ]

Los fluidos fluyen a través de un filtro debido a una diferencia de presión; el fluido fluye desde el lado de alta presión hacia el lado de baja presión del filtro, dejando algo de material. El método más simple para lograr esto es por gravedad y se puede ver en el ejemplo de la cafetera . En el laboratorio, se puede aplicar presión en forma de aire comprimido en el lado de alimentación (o vacío en el lado del filtrado) para acelerar el proceso de filtración, aunque esto puede provocar obstrucciones o el paso de partículas finas. Alternativamente, el líquido puede fluir a través del filtro por la fuerza ejercida por una bomba , un método comúnmente utilizado en la industria cuando es importante un tiempo de filtración reducido. En este caso, no es necesario montar el filtro verticalmente.

Ayuda de filtro [ editar ]

Se pueden usar ciertos auxiliares de filtración para ayudar a la filtración. A menudo se trata de tierra de diatomeas incompresible , o tierra de diatomeas , que se compone principalmente de sílice . También se utilizan celulosa de madera y otros sólidos porosos inertes como la perlita, más barata y segura . El carbón activado se usa a menudo en aplicaciones industriales que requieren cambios en las propiedades de los filtrados, como alterar el color o el olor.

Estas ayudas de filtrado se pueden utilizar de dos formas diferentes. Se pueden utilizar como prerrevestimiento antes de filtrar la lechada . Esto evitará que los sólidos de tipo gelatinoso obstruyan el medio filtrante y también proporcionará un filtrado más claro. También se pueden agregar a la lechada antes de la filtración. Esto aumenta la porosidad de la torta y reduce la resistencia de la torta durante la filtración. En un filtro rotatorio, el coadyuvante de filtración se puede aplicar como una capa preliminar; posteriormente, se cortan en rodajas finas de esta capa con la torta.

El uso de coadyuvantes de filtración suele limitarse a los casos en los que se desecha la torta o en los que el precipitado se puede separar químicamente del filtro.

Alternativas [ editar ]

La filtración es un método más eficaz para la separación de mezclas que la decantación , pero requiere mucho más tiempo. Si están involucradas cantidades muy pequeñas de solución , la mayor parte de la solución puede ser absorbida por el medio filtrante.

Una alternativa a la filtración es la centrifugación: en lugar de filtrar la mezcla de partículas sólidas y líquidas, la mezcla se centrifuga para forzar el sólido (generalmente) más denso al fondo, donde a menudo forma una torta firme . A continuación, se puede decantar el líquido de arriba. Este método es especialmente útil para separar sólidos que no se filtran bien, como partículas gelatinosas o finas. Estos sólidos pueden obstruirse o pasar a través del filtro, respectivamente.

Ejemplos [ editar ]

Matraz de filtración (matraz de succión, con filtro de vidrio sinterizado que contiene la muestra). Nótese el filtrado casi incoloro en el matraz receptor.

Los ejemplos de filtración incluyen

  • El filtro de café para mantener el café separado de los posos.
  • Filtros HEPA en aire acondicionado para eliminar partículas del aire.
  • Filtros de banda para la extracción de metales preciosos en minería .
  • Filtro de placa horizontal, también conocido como filtro Sparkler .
  • Filtro de placa vertical como los que se utilizan en el proceso Merrill-Crowe .
  • Los filtros Nutsche se utilizan normalmente en aplicaciones farmacéuticas o procesos por lotes que necesitan capturar sólidos.
  • Los hornos utilizan filtración para evitar que los elementos del horno se ensucien con partículas.
  • Los sistemas de transporte neumático a menudo emplean filtración para detener o ralentizar el flujo de material que se transporta, mediante el uso de una cámara de filtros .
  • En el laboratorio, a menudo se utiliza un embudo Büchner , con un papel de filtro que actúa como barrera porosa.
  • Los filtros de aire se utilizan comúnmente para eliminar el material particulado en el aire en los sistemas de ventilación de edificios, motores de combustión y procesos industriales.
  • Filtro de aceite en automóviles, a menudo como bote o cartucho.
  • Filtro de acuario

Un experimento para demostrar la existencia de organismos microscópicos implica la comparación del agua que pasa a través de porcelana sin esmaltar y agua sin filtrar. Cuando se deja en recipientes sellados, el agua filtrada tarda más en estropearse, lo que demuestra que los elementos muy pequeños (como las bacterias ) se pueden eliminar de los fluidos mediante filtración.

En el riñón , la filtración renal es la filtración de sangre en el glomérulo , seguida de la reabsorción selectiva de muchas sustancias esenciales para que el cuerpo mantenga la homeostasis.

Ver también [ editar ]

  • Proceso de separación
  • Categoría: Filtros
  • Separación de mezclas
  • Microfiltración
  • Ultrafiltración
  • Nanofiltración
  • Osmosis inversa
  • Filtración de flujo cruzado
  • Tamiz
  • Analisis granulometrico

Referencias [ editar ]

  1. ^ Artículo sobre "Solución de tratamiento de agua: filtración", consultado el 15 de octubre de 2013 en http://www.lenntech.com/chemistry/filtration.htm
  2. ^ Chispas, Trevor; Chase, George (2015). Manual de filtros y filtración (6ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 9780080993966.
  3. ^ Apuntes de conferencias, curso de posgrado sobre filtración y separación de tamaños en el Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Lougborough, Inglaterra
  4. ^ "Métodos de filtración" (PDF) . Universidad de Calgary . Universidad de Calgary. Archivado desde el original (PDF) el 13 de febrero de 2015 . Consultado el 4 de junio de 2015 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Filtración (química) en la Encyclopædia Britannica
  • Filtración (acústica) en la Encyclopædia Britannica
  • Modelado de filtración (tasa y presión constantes)