Filtração

Diagrama de filtração simples: supera partículas no alimentação não pode passar através da estrutura de treliça do filtro, enquanto fluido e pequenas partículas passam, tornando-se filtrante.

Filtragem é um processo de separação física que separa matéria sólida e fluido de uma mistura usando um meio filtrante que possui uma estrutura complexa através da qual apenas o fluido pode passar. Partículas sólidas que não podem passar pelo meio filtrante são descritas como superdimensionadas e o fluido que passa é chamado de filtrado. Partículas de tamanho grande podem formar uma torta de filtro no topo do filtro e também podem bloquear a rede do filtro, impedindo que a fase fluida atravesse o filtro, conhecido como cegueira. O tamanho das maiores partículas que podem passar com sucesso por um filtro é chamado de tamanho de poro efetivo desse filtro. A separação de sólido e fluido é imperfeita; os sólidos serão contaminados com algum fluido e o filtrado conterá partículas finas (dependendo do tamanho dos poros, espessura do filtro e atividade biológica). A filtração ocorre tanto na natureza quanto em sistemas de engenharia; existem formas biológicas, geológicas e industriais.

A filtração também é usada para descrever sistemas biológicos e físicos que não apenas separam sólidos de um fluxo de fluido, mas também removem espécies químicas e organismos biológicos por arrastamento, fagocitose, adsorção e absorção. Exemplos incluem filtros lentos de areia e filtros de gotejamento. Também é usado como um termo geral para microfagia, na qual os organismos usam uma variedade de meios para filtrar pequenas partículas de alimentos de seu ambiente. Os exemplos vão desde o microscópico Vorticella até o tubarão-frade, um dos maiores peixes, e as baleias, todos descritos como alimentadores de filtro.

Processos físicos

• A filtragem é usada para separar partículas e fluidos em uma suspensão, onde o fluido pode ser um líquido, um gás ou um fluido supercrítico. Dependendo da aplicação, um ou ambos os componentes podem ser isolados.
• A filtragem, como uma operação física, permite que materiais de diferentes composições químicas sejam separados. Um solvente é escolhido que dissolve um componente, enquanto não dissolve o outro. Ao dissolver a mistura no solvente escolhido, um componente entrará na solução e passará pelo filtro, enquanto o outro será retido.
• A filtragem é amplamente utilizada em engenharia química. Pode ser combinado com outras operações de unidade para processar o fluxo de alimentação, como no biofiltro, que é um filtro combinado e dispositivo de digestão biológica.
• A filtração difere de peneiramento, onde a separação ocorre em uma única camada perfurada (uma peneira). Em peneiramento, partículas que são muito grandes para passar através dos buracos da peneira são mantidas (ver distribuição de tamanho de partícula). Na filtração, um treliça multicamadas retém as partículas que não conseguem seguir os canais tortuosos do filtro. As partículas de sobredimensionamento podem formar uma camada de bolo em cima do filtro e também podem bloquear a estrutura do filtro, impedindo que a fase de fluido cruze o filtro (blinding). Comercialmente, o filtro de termo é aplicado às membranas onde a treliça de separação é tão fina que a superfície se torna a principal zona de separação de partículas, embora esses produtos possam ser descritos como peneiras.
• A filtragem difere da adsorção, onde a separação depende da carga superficial. Alguns dispositivos de adsorção contendo carvão ativado e resina de troca de íons são comercialmente chamados de filtros, embora a filtragem não seja sua principal função mecânica.
• A filtragem difere da remoção de contaminantes magnéticos de fluidos com ímãs (tipicamente óleo de lubrificação, refrigerantes e óleos de combustível) porque não há meio de filtro. Os dispositivos comerciais chamados "filtros magnéticos" são vendidos, mas o nome reflete seu uso, não seu modo de operação.
• Em filtros biológicos, partículas superdimensionadas são presas e ingeridas e os metabolitos resultantes podem ser liberados. Por exemplo, em animais (incluindo humanos), a filtração renal remove os resíduos do sangue, e no tratamento de água e tratamento de esgoto, os constituintes indesejáveis são removidos por adsorção em um filme biológico crescido no meio do filtro, como na filtragem de areia lenta.

Métodos

Existem muitos métodos diferentes de filtragem; todos visam atingir a separação de substâncias. A separação é conseguida por alguma forma de interação entre a substância ou objetos a serem removidos e o filtro. A substância que deve passar pelo filtro deve ser um fluido, ou seja, um líquido ou gás. Os métodos de filtração variam dependendo da localização do material alvo, ou seja, se está dissolvido na fase fluida ou suspenso como um sólido.

A filtragem quente, a solução contida no frasco Erlenmeyer é aquecida em uma placa quente para evitar a recristalização de sólidos no próprio frasco

Existem várias técnicas de filtração de laboratório, dependendo do resultado desejado, nomeadamente, filtração a quente, a frio e a vácuo. Algumas das principais finalidades para obter o resultado desejado são a remoção de impurezas de uma mistura ou o isolamento de sólidos de uma mistura.

Filtração quente para a separação de sólidos de uma solução quente

todo de filtração a quente é usado principalmente para separar sólidos de uma solução quente. Isso é feito para evitar a formação de cristais no funil do filtro e outros aparelhos que entram em contato com a solução. Como resultado, o aparelho e a solução utilizada são aquecidos para evitar a rápida diminuição da temperatura que, por sua vez, levaria à cristalização dos sólidos no funil e dificultaria o processo de filtração. Uma das medidas mais importantes para evitar a formação de cristais no funil e passar por uma filtração a quente eficaz é o uso de funil filtrante sem haste. Devido à ausência de haste no funil filtrante, ocorre uma diminuição da área superficial de contato entre a solução e a haste do funil filtrante, impedindo a recristalização do sólido no funil, prejudicando o processo de filtração.

Filtração a frio, o banho de gelo é usado para refrescar a temperatura da solução antes de passar pelo processo de filtração

Método de filtração a frio é o uso de banho de gelo para resfriar rapidamente a solução a ser cristalizada, em vez de deixá-la esfriar lentamente na atmosfera ambiente. Essa técnica resulta na formação de cristais muito pequenos, em oposição à obtenção de cristais grandes pelo resfriamento da solução à temperatura ambiente.

cnica de filtração a vácuo é preferida principalmente para pequenos lotes de solução para secar rapidamente pequenos cristais. Este método requer um funil de Büchner, papel de filtro de diâmetro menor que o funil, frasco de Büchner e tubo de borracha para conectar à fonte de vácuo.

Filtragem centrífuga é realizada girando rapidamente a substância a ser filtrada. O material mais denso é separado do menos denso pela rotação horizontal.

Filtragem por gravidade é o processo de despejar a mistura de um local mais alto para um mais baixo. Freqüentemente, é realizado por filtração simples, que envolve a colocação de papel de filtro em um funil de vidro com o líquido passando por gravidade enquanto as partículas sólidas insolúveis são capturadas pelo papel de filtro. Cones de filtro, filtros canelados ou pipetas de filtragem podem ser empregados, dependendo da quantidade da substância em questão.

Força de filtragem

Somente quando uma força motriz é fornecida, o fluido a ser filtrado poderá fluir através do meio filtrante. Gravidade, centrifugação, aplicação de pressão ao fluido acima do filtro, aplicação de vácuo abaixo do filtro ou uma combinação desses fatores podem contribuir para essa força. Tanto em filtrações de laboratório diretas quanto em filtros maciços de leito de areia, a força gravitacional sozinha pode ser utilizada. As centrífugas com um recipiente contendo um meio filtrante poroso podem ser consideradas como filtros nos quais uma força centrífuga várias vezes mais forte que a gravidade substitui a força gravitacional. Um vácuo parcial é normalmente fornecido ao recipiente abaixo do meio filtrante quando uma filtração de laboratório é desafiadora para acelerar o processo de filtragem. Dependendo do tipo de filtro usado, a maioria das operações de filtragem industrial emprega pressão ou vácuo para acelerar a filtragem e reduzir a quantidade de equipamentos necessários.

Filtrar mídia

Os meios filtrantes são os materiais usados para fazer a separação dos materiais.

Dois tipos principais de meios filtrantes são empregados em laboratórios: filtros de superfície, que são peneiras sólidas que retêm as partículas sólidas, com ou sem o auxílio de papel de filtro (por exemplo, funil de Büchner, filtro de correia, filtro de tambor rotativo a vácuo, filtros de fluxo cruzado, filtro de tela) e filtros de profundidade, um leito de material granular que retém as partículas sólidas à medida que passam (por exemplo, filtro de areia). O tipo de filtro de superfície permite que as partículas sólidas, ou seja, o resíduo, sejam coletadas intactas; o filtro de profundidade não permite isso. No entanto, o filtro de profundidade é menos propenso a entupimento devido à maior área de superfície onde as partículas podem ficar presas. Além disso, quando as partículas sólidas são muito finas, geralmente é mais barato e mais fácil descartar os grânulos contaminados do que limpar a peneira sólida.

A mídia do filtro pode ser limpa por enxágue com solventes ou detergentes ou retrolavagem. Alternativamente, em aplicações de engenharia, como estações de tratamento de água de piscinas, eles podem ser limpos por retrolavagem. Os filtros de tela autolimpantes utilizam retrolavagem no ponto de sucção para limpar a tela sem interromper o fluxo do sistema.

Obtendo fluxo através do filtro

Os fluidos fluem através de um filtro devido a uma diferença de pressão - o fluido flui do lado de alta pressão para o lado de baixa pressão do filtro. O método mais simples de conseguir isso é por gravidade e pode ser visto no exemplo da cafeteira. No laboratório, pode-se aplicar pressão na forma de ar comprimido no lado da alimentação (ou vácuo no lado do filtrado) para tornar o processo de filtração mais rápido, embora isso possa causar entupimento ou passagem de partículas finas. Alternativamente, o líquido pode fluir através do filtro pela força exercida por uma bomba, método comumente usado na indústria quando um tempo de filtração reduzido é importante. Neste caso, o filtro não precisa ser montado verticalmente.

Auxílio de filtro

Certos auxiliares de filtragem podem ser usados para ajudar na filtração. Estes são muitas vezes terra diatomácea incompressível, ou kieselguhr, que é composta principalmente de sílica. Também são usados celulose de madeira e outros sólidos porosos inertes, como a perlita, mais barata e segura. O carvão ativado é frequentemente usado em aplicações industriais que requerem alterações nas propriedades dos filtrados, como alteração de cor ou odor.

Esses auxiliares de filtro podem ser usados de duas maneiras diferentes. Eles podem ser usados como um pré-revestimento antes que a pasta seja filtrada. Isso evitará que sólidos do tipo gelatinoso obstruam o meio filtrante e também forneça um filtrado mais claro. Eles também podem ser adicionados à pasta antes da filtração. Isso aumenta a porosidade da torta e reduz a resistência da torta durante a filtração. Em um filtro rotativo, o auxiliar de filtro pode ser aplicado como um pré-revestimento; posteriormente, fatias finas dessa camada são cortadas com o bolo.

O uso de auxiliares de filtração é geralmente limitado a casos onde a torta é descartada ou onde o precipitado pode ser quimicamente separado do filtro.

Alternativas

A filtração é um método mais eficiente para a separação de misturas do que a decantação, mas é muito mais demorada. Se quantidades muito pequenas de solução estiverem envolvidas, a maior parte da solução pode ser absorvida pelo meio filtrante.

Uma alternativa à filtração é a centrifugação - em vez de filtrar a mistura de partículas sólidas e líquidas, a mistura é centrifugada para forçar o (geralmente) sólido mais denso para o fundo, onde geralmente forma um bolo firme. O líquido acima pode então ser decantado. Este método é especialmente útil para separar sólidos que não filtram bem, como partículas gelatinosas ou finas. Esses sólidos podem entupir ou passar pelo filtro, respectivamente.

Filtragem biológica

A filtração biológica pode ocorrer dentro de um organismo, ou o componente biológico pode ser cultivado em um meio no material que está sendo filtrado. A remoção de sólidos, componentes emulsionados, produtos químicos orgânicos e íons pode ser obtida por ingestão e digestão, adsorção ou absorção. Devido à complexidade das interações biológicas, especialmente em comunidades de múltiplos organismos, muitas vezes não é possível determinar quais processos estão alcançando o resultado da filtração. No nível molecular, muitas vezes pode ocorrer por ações de enzimas catalíticas individuais dentro de organismos individuais. Os produtos residuais de alguns organismos podem ser subsequentemente decompostos por outros organismos para extrair o máximo de energia possível e, assim, reduzir moléculas orgânicas complexas a espécies inorgânicas muito simples, como água, dióxido de carbono e nitrogênio.

Excreção

Dentro dos mamíferos, répteis e aves, os rins funcionam por filtração renal em que o glomérulo remove seletivamente constituintes indesejáveis, como a Uréia, seguido de reabsorção seletiva de muitas substâncias essenciais para o corpo manter a homeostase. O processo completo é denominado excreção. Soluções semelhantes, mas muitas vezes menos complexas, são implantadas em todos os animais, mesmo nos protozoários, onde o vacúolo contrátil fornece uma função semelhante.

Biofilmes

Os biofilmes são muitas vezes comunidades complexas de bactérias, fagos, leveduras e organismos muitas vezes mais complexos, incluindo protozoários, rotíferos e anelídeos que formam filmes dinâmicos e complexos, frequentemente gelatinosos em substratos úmidos. Esses biofilmes revestem as rochas da maioria dos rios e do mar e fornecem a principal capacidade de filtragem do Schmutzdecke na superfície de filtros lentos de areia e o filme no meio filtrante de filtros gotejantes que são usados para criar água potável e tratar esgoto, respectivamente.

Um exemplo de biofilme é um lodo biológico, que pode ser encontrado em lagos, rios, rochas, etc. A utilização de biofilmes de uma ou duas espécies é uma tecnologia inovadora, uma vez que os biofilmes naturais se desenvolvem lentamente. O uso de biofilmes no processo de biofiltração permite a fixação de biomassa desejável e nutrientes críticos ao suporte imobilizado. Para que a água possa ser reutilizada em diversos processos, os avanços nos métodos de biofiltração auxiliam na remoção de volumes significativos de efluentes do efluente.

Os sistemas de tratamento biológico de águas residuais são cruciais para melhorar a saúde humana e a qualidade da água. A tecnologia do biofilme, a formação de biofilmes em vários meios filtrantes e outros fatores têm impacto no crescimento, na estrutura e na função desses biofilmes. A fim de realizar uma investigação completa da composição, diversidade e dinâmica dos biofilmes, também adota uma variedade de abordagens moleculares tradicionais e contemporâneas.

Filtrar alimentadores

Os filtradores são organismos que obtêm seu alimento filtrando seu ambiente, geralmente aquático. Muitos dos protozoários são alimentadores de filtro usando uma série de adaptações, incluindo pontas rígidas de protoplasma mantidas no fluxo de água como no Suctoria para vários arranjos de bater Cillia para direcionar partículas para a boca, incluindo organismos como Vorticella que possuem um anel complexo de cílios que criam um vórtice no fluxo que leva as partículas para a cavidade oral. Técnicas de alimentação semelhantes são usadas pelos Rotifera e Ectoprocta. Muitos artrópodes aquáticos são alimentadores de filtro. Alguns usam batidas rítmicas dos membros abdominais para criar uma corrente de água na boca enquanto os pelos das pernas prendem qualquer partícula. Outros, como algumas moscas caddis, tecem teias finas no fluxo de água para prender as partículas.

Aplicações e exemplos

Flask de filtro (flask de sucção, com filtro de vidro sinterizado contendo amostra). Note o filtrado quase incolor no frasco do receptor.

Muitos processos de filtração incluem mais de um mecanismo de filtração, e as partículas geralmente são removidas do fluido primeiro para evitar o entupimento dos elementos a jusante.

A filtragem de partículas inclui:

• O filtro de café para separar a infusão de café do terreno.
• Filtros HEPA em ar condicionado para remover partículas do ar.
• Filtros de cinto para extrair metais preciosos na mineração.
• Filtro de placa vertical, como aqueles usados no processo Merrill-Crowe.
• Filtros nutsche tipicamente utilizados em aplicações farmacêuticas ou processos em lote que precisam capturar sólidos.
• As fornos usam a filtração para evitar que os elementos do forno se intrometam com partículas.
• Os sistemas de transporte pneumático muitas vezes empregam a filtragem para parar ou retardar o fluxo de material que é transportado, através do uso de um baghouse.
• No laboratório, um funil Büchner é frequentemente usado, com um papel de filtro servindo como a barreira porosa.
• Os filtros de ar são comumente usados para remover a matéria de partículas no ar na construção de sistemas de ventilação, motores de combustão e processos industriais.
• Filtro de óleo em automóveis, muitas vezes como uma lata ou cartucho.
• Filtro de aquário

A filtração por adsorção inclui:

• Remoção de dióxido de carbono do gás respiratório em rebreathers e sistemas de suporte à vida usando filtros de limpeza,
• Filtros de carbono ativados para remover hidrocarbonetos voláteis, odores e outros contaminantes do gás respiratório recirculado em habitats fechados.

Os aplicativos combinados incluem:

Pequeno estacionário Instalação do compressor de ar de respiração Bauer HP mostrando separador de água (centro) e duas caixas de filtro de produto de alta pressão (anodizado dourado) para produzir ar de respiração compatível com oxigênio para misturas de gás de mergulho.

• Produção de ar respiratório comprimido, onde o ar passa através de um filtro de partículas antes de entrar no compressor, que remove partículas susceptíveis de danificar o compressor, seguido de separação de gotículas após o resfriamento pós-compressão e filtração de adsorção final do produto para remover contaminantes de hidrocarbonetos gasosos e vapor de água excessiva. Em alguns casos, os pré-filtros usando meios de adsorção são usados para controlar os níveis de dióxido de carbono, a adsorção de balanço de pressão pode ser usada para aumentar a fração de oxigênio, e onde o risco de contaminação de monóxido de carbono existe, os conversores catalíticos de Hopcalite podem ser incluídos nos meios de filtração do produto. Todos estes processos são amplamente referidos como aspectos da filtração do produto.
• Tratamento de água potável usando filtração de biofilme em filtros de areia lenta.
• Tratamento de águas residuais usando filtragem de biofilme usando filtros de manipulação.