Filtración

La filtración es un proceso de separación física que separa la materia sólida y el fluido de una mezcla utilizando un medio filtrante que tiene una estructura compleja a través de la cual solo puede pasar el fluido. Las partículas sólidas que no pueden pasar a través del medio filtrante se describen como de gran tamaño y el fluido que pasa a través se llama filtrado. 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 denomina tamaño de poro efectivo.de ese filtro. La separación de sólido y fluido es imperfecta; los sólidos se contaminarán con algún fluido 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 los sistemas de ingeniería; hay formas biológicas, geológicas e industriales.

La filtración también se usa para describir sistemas biológicos y físicos que no solo separan sólidos de una corriente de fluido, sino que también eliminan especies químicas y organismos biológicos por arrastre, fagocitosis, adsorción y absorción. Los ejemplos incluyen filtros lentos de arena y filtros percoladores. También se utiliza un término general para microfagia en el que los organismos utilizan una variedad de medios para filtrar pequeñas partículas de alimentos de su entorno. Los ejemplos van desde la microscópica Vorticella hasta el tiburón peregrino, uno de los peces más grandes, y las ballenas barbadas, todas las cuales se describen como filtradores.

Procesos físicos

• La filtración se utiliza para separar partículas y fluidos en suspensión, donde el fluido puede ser un líquido, un gas o un fluido supercrítico. Dependiendo de la aplicación, se puede aislar uno o ambos componentes.
• La filtración, como operación física, permite separar materiales de diferente composición química. Se elige un disolvente que disuelva un componente, sin disolver el otro. Al disolver la mezcla en el solvente elegido, un componente entrará en la solución y pasará por el filtro, mientras que el otro será retenido.
• La filtración es ampliamente utilizada en ingeniería química. Puede combinarse 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 ocurre 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 (consulte la distribución del tamaño de las partículas). En la filtración, una red multicapa retiene aquellas partículas que no pueden seguir los tortuosos canales del filtro. 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 (obturación). Comercialmente, el término filtro se aplica a membranas en las que la red de separación es tan delgada que la superficie se convierte en la principal zona de separación de partículas, aunque estos productos podrían describirse como tamices.
• La filtración difiere de la adsorción, donde la separación depende 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 principal función mecánica.
• La filtración difiere de la eliminación de contaminantes magnéticos de fluidos con imanes (típicamente aceite lubricante, refrigerantes y aceites combustibles), porque no hay un medio filtrante. Se venden dispositivos comerciales llamados 'filtros magnéticos', pero el nombre refleja su uso, no su modo de operación.
• 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 adsorción en una película biológica que crece sobre el medio filtrante, como en la filtración lenta en arena.

Métodos

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 o los objetos a eliminar y el filtro. La sustancia que ha de atravesar el filtro debe ser un fluido, es decir, un líquido o un gas. Los métodos de filtración varían según la ubicación del material objetivo, es decir, si está disuelto en la fase líquida o suspendido como sólido.

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

El método de filtración en caliente se usa 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 utilizada se calientan para evitar la rápida disminución de la temperatura que, a su vez, conduciría a la cristalización de los sólidos en el embudo y dificultaría el proceso de filtración. Una de las medidas más importantes para evitar la formación de cristales en el embudo y lograr una filtración en caliente eficaz es el uso de embudos filtrantes sin vástago. Debido a la ausencia de un vástago en el embudo del filtro, hay una disminución en el área de superficie de contacto entre la solución y el vástago del embudo del filtro, lo que evita la recristalización del sólido en el embudo, lo que afecta negativamente el proceso de filtración.

El método de filtración en frío es el uso de un baño de hielo para enfriar rápidamente la solución que se cristalizará en lugar de dejar que se enfríe 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 se prefiere principalmente para pequeños lotes de solución para secar rápidamente los cristales pequeños. Este método requiere un embudo Büchner, papel de filtro de menor diámetro que el embudo, matraz Büchner y tubería de goma para conectar a la fuente de vacío.

Filtro de medios

Los medios filtrantes son los materiales utilizados para hacer la separación de materiales.

En los laboratorios se emplean dos tipos principales de medios filtrantes: filtros de superficie, que son tamices sólidos que atrapan las partículas sólidas, con o sin la ayuda de papel de filtro (p. ej., embudo Büchner, filtro de banda, filtro de tambor rotatorio al vacío, filtros de flujo cruzado, filtro de pantalla), y filtros de profundidad, un lecho de material granular que retiene las partículas sólidas a su paso (por ejemplo, filtro de arena). El tipo de filtro de superficie permite recoger intactas las partículas sólidas, es decir, el residuo; el filtro de profundidad no lo permite. Sin embargo, el filtro de profundidad 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, suele ser más barato y más fácil desechar los gránulos contaminados que limpiar el tamiz de sólidos.

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

Lograr el flujo a través del filtro

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. 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 de 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 reducir el tiempo de filtración. En este caso, el filtro no necesita montarse verticalmente.

Ayuda de filtrado

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 económica y segura. El carbón activado se usa a menudo en aplicaciones industriales que requieren cambios en las propiedades de los filtrados, como la alteración del color o el olor.

Estas ayudas de filtración se pueden utilizar de dos maneras diferentes. Se pueden usar como precapa antes de filtrar la suspensión. Esto evitará que los sólidos de tipo gelatinoso obstruyan el medio filtrante y también dará un filtrado más claro. También se pueden agregar a la suspensión 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, la ayuda del filtro se puede aplicar como una capa previa; posteriormente, se cortan finas rebanadas de esta capa con la torta.

El uso de auxiliares de filtración generalmente se limita a casos en los que se descarta la torta o en los que el precipitado se puede separar químicamente del filtro.

Alternativas

La filtración es un método más eficiente para la separación de mezclas que la decantación, pero consume mucho más tiempo. Si se trata de 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 hacia el fondo, donde a menudo forma una torta firme. El líquido de arriba se puede decantar. Este método es especialmente útil para separar sólidos que no se filtran bien, como gelatinosas o partículas finas. Estos sólidos pueden obstruir o pasar a través del filtro, respectivamente.

Filtración biológica

La filtración biológica puede tener lugar dentro de un organismo, o el componente biológico puede crecer en un medio en el material que se filtra. La eliminación de sólidos, componentes emulsionados, productos químicos orgánicos e iones puede lograrse mediante ingestión y digestión, adsorción o absorción. Debido a la complejidad de las interacciones biológicas, especialmente en comunidades de múltiples organismos, a menudo no es posible determinar qué procesos están logrando el resultado de la filtración. A nivel molecular, a menudo puede ser por acciones de enzimas catalíticas individuales dentro de organismos individuales. Los productos de desecho de algunos organismos pueden ser descompuestos posteriormente por otros organismos para extraer la mayor cantidad de energía posible y, al hacerlo, reducir moléculas orgánicas complejas a especies inorgánicas muy simples, como agua, dióxido de carbono y nitrógeno.

Excreción

Dentro de los mamíferos, reptiles y aves, los riñones funcionan por filtración renal en la que el glomérulo elimina selectivamente los componentes indeseables como la urea, seguido de la reabsorción selectiva de muchas sustancias esenciales para que el cuerpo mantenga la homeostasis. El proceso completo se denomina excreción. Se implementan soluciones similares pero a menudo menos complejas en todos los animales, incluso en los protozoos, donde la vacuola contráctil proporciona una función similar.

Biopelículas

Las biopelículas suelen ser comunidades complejas de bacterias, fagos, levaduras y, a menudo, organismos más complejos, como protozoos, rotíferos y anélidos, que forman películas dinámicas y complejas, a menudo gelatinosas, sobre sustratos húmedos. Estas biopelículas recubren las rocas de la mayoría de los ríos y el mar y proporcionan la capacidad de filtración clave de Schmutzdecke en la superficie de los filtros lentos de arena y la película en los medios filtrantes de los filtros percoladores que se utilizan para crear agua potable y tratar las aguas residuales, respectivamente.

Filtradores

Los filtradores son organismos que obtienen su alimento filtrando su entorno, generalmente acuático. Muchos de los protozoos se alimentan por filtración y utilizan una variedad de adaptaciones que incluyen puntas rígidas de protoplasma que se mantienen en el flujo de agua como en Suctoria hasta varios arreglos de golpear a Cillia para dirigir partículas a la boca, incluidos organismos como Vorticella que tienen un anillo complejo de cilios. que crean un vórtice en el flujo que arrastra partículas hacia la cavidad oral. Técnicas de alimentación similares son utilizadas por Rotifera y Ectoprocta. Muchos artrópodos acuáticos se alimentan por filtración. Algunos usan golpes rítmicos de las extremidades abdominales para crear una corriente de agua hacia la boca mientras que los pelos de las piernas atrapan cualquier partícula. Otros, como algunas moscas caddis, tejen telarañas finas en el flujo de agua para atrapar partículas.

Aplicaciones y ejemplos

Muchos procesos de filtración incluyen más de un mecanismo de filtración y, a menudo, las partículas se eliminan primero del fluido para evitar la obstrucción de los elementos aguas abajo.

La filtración de partículas incluye:

• El filtro de café para separar la infusión de café de los posos.
• Filtros HEPA en aire acondicionado para eliminar partículas del aire.
• Filtros de banda para extraer metales preciosos en minería.
• Filtro de placa vertical como los que se utilizan en el proceso Merrill-Crowe.
• Los filtros Nutsche generalmente se usan en aplicaciones farmacéuticas o procesos por lotes que necesitan capturar sólidos.
• Los hornos usan 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 usa un embudo Büchner, con un papel de filtro que sirve como barrera porosa.
• Los filtros de aire se usan comúnmente para eliminar partículas suspendidas en el aire en 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

La filtración por adsorción incluye:

• Eliminación de dióxido de carbono del gas respirable en rebreathers y sistemas de soporte vital utilizando filtros depuradores,
• Filtros de carbón activado para eliminar hidrocarburos volátiles, olores y otros contaminantes del gas respirable recirculado en hábitats cerrados.

Las aplicaciones combinadas incluyen:

• Producción de aire respirable comprimido, donde el aire pasa a través de un filtro de partículas antes de ingresar al compresor, que elimina las partículas que pueden dañar el compresor, seguido de la separación de gotas después del enfriamiento posterior a la compresión y la filtración por adsorción del producto final para eliminar los contaminantes de hidrocarburos gaseosos y el exceso de agua. vapor. En algunos casos, los prefiltros que usan medios de adsorción se usan para controlar los niveles de dióxido de carbono, la adsorción por oscilación de presión se puede usar para aumentar la fracción de oxígeno y, cuando existe el riesgo de contaminación por monóxido de carbono, se pueden incluir convertidores catalíticos Hopcalite en los medios de filtración del producto. Todos estos procesos se denominan ampliamente como aspectos de la filtración del producto.
• Tratamiento de agua potable mediante filtración de biofilm en filtros lentos de arena.
• Tratamiento de aguas residuales mediante filtración por biofilm mediante filtros percoladores.