Filtrationsdefinition und -prozesse (Chemie)

Die Filtration ist ein Prozess zur Trennung Feststoffe von Flüssigkeiten oder Gase unter Verwendung eines Filtermediums, das die Flüssigkeit durchlässt, jedoch nicht den Feststoff. Der Begriff "Filtration" gilt unabhängig davon, ob der Filter mechanisch, biologisch oder physikalisch ist. Die Flüssigkeit, die durch den Filter fließt, wird als Filtrat bezeichnet. Das Filtermedium kann ein Oberflächenfilter sein, der ein Feststoff ist, der feste Partikel einfängt, oder ein Tiefenfilter, der ein Materialbett ist, das den Feststoff einfängt.

Die Filtration ist typischerweise ein unvollständiger Prozess. Ein Teil der Flüssigkeit verbleibt auf der Zufuhrseite des Filters oder ist in das Filtermedium eingebettet, und einige kleine feste Partikel gelangen durch den Filter. Als Chemie- und Ingenieurtechnik geht immer ein Produkt verloren, egal ob es sich um die Flüssigkeit oder den Feststoff handelt, die gesammelt werden.

Während die Filtration eine wichtige Trenntechnik in einem Labor ist, ist sie auch im Alltag üblich.

• Beim Brühen von Kaffee wird heißes Wasser durch den gemahlenen Kaffee und einen Filter geleitet. Der flüssige Kaffee ist das Filtrat. Das Einweichen von Tee ist ähnlich, egal ob Sie einen Teebeutel (Papierfilter) oder eine Teekugel (normalerweise einen Metallfilter) verwenden.
• Das Nieren sind ein Beispiel für einen biologischen Filter. Das Blut wird vom Glomerulus gefiltert. Essentielle Moleküle werden wieder ins Blut aufgenommen.
• Klimaanlagen und viele Staubsauger verwenden HEPA-Filter, um Staub und Pollen aus der Luft zu entfernen.
• Viele Aquarien verwenden Filter, die Fasern enthalten, die Partikel einfangen.
• Bandfilter gewinnen während des Bergbaus Edelmetalle zurück.
• Wasser in einem Grundwasserleiter ist relativ rein, da es durch Sand und durchlässiges Gestein im Boden gefiltert wurde.

Es gibt verschiedene Arten der Filtration. Welche Methode angewendet wird, hängt weitgehend davon ab, ob der Feststoff ein Partikel ist (suspendiert) oder in der Flüssigkeit gelöst.

• Allgemeine Filtration: Die grundlegendste Form der Filtration ist die Verwendung der Schwerkraft zum Filtern eines Gemisches. Die Mischung wird von oben auf ein Filtermedium (z. B. Filterpapier) gegossen und die Schwerkraft zieht die Flüssigkeit nach unten. Der Feststoff bleibt auf dem Filter, während die Flüssigkeit darunter fließt.
• Vakuumfiltration: EIN Büchnerkolben und Schlauch werden verwendet, um ein Vakuum zu erzeugen, um die Flüssigkeit durch den Filter zu saugen (normalerweise mit Hilfe der Schwerkraft). Dies beschleunigt die Trennung erheblich und kann zum Trocknen des Feststoffs verwendet werden. Eine verwandte Technik verwendet eine Pumpe, um eine Druckdifferenz auf beiden Seiten des Filters zu bilden. Pumpenfilter müssen nicht vertikal sein, da die Schwerkraft nicht die Ursache für die Druckdifferenz an den Seiten des Filters ist.
• Kaltfiltration: Kaltfiltration wird verwendet, um eine Lösung schnell abzukühlen Bildung kleiner Kristalle. Dies ist eine Methode, die verwendet wird, wenn der Feststoff anfänglich ist aufgelöst. Eine übliche Methode besteht darin, den Behälter mit der Lösung vor der Filtration in ein Eisbad zu stellen.
• Heißfiltration: Bei der Heißfiltration werden die Lösung, der Filter und der Trichter erhitzt, um die Kristallbildung während der Filtration zu minimieren. Stammlose Trichter sind nützlich, da weniger Oberfläche für das Kristallwachstum vorhanden ist. Dieses Verfahren wird angewendet, wenn Kristalle den Trichter verstopfen oder die Kristallisation der zweiten Komponente in einer Mischung verhindern würden.

Manchmal werden Filterhilfsmittel verwendet, um den Durchfluss durch einen Filter zu verbessern. Beispiele für Filterhilfsmittel sind KieselsäureKieselgur, Perlit und Zellulose. Filterhilfsmittel können vor der Filtration auf den Filter gelegt oder mit der Flüssigkeit gemischt werden. Die Hilfsmittel können dazu beitragen, ein Verstopfen des Filters zu verhindern und die Porosität des "Kuchens" zu erhöhen oder in den Filter einzuspeisen.

Eine verwandte Trenntechnik ist das Sieben. Das Sieben bezieht sich auf die Verwendung eines einzelnen Netzes oder einer perforierten Schicht, um große Partikel zurückzuhalten und gleichzeitig den Durchgang kleinerer Partikel zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu ist der Filter während der Filtration ein Gitter oder hat mehrere Schichten. Flüssigkeiten folgen den Kanälen im Medium, um durch einen Filter zu gelangen.

Für einige Anwendungen gibt es effektivere Trennmethoden als Filtration. Beispielsweise kann bei sehr kleinen Proben, bei denen es wichtig ist, das Filtrat zu sammeln, das Filtermedium zu viel Flüssigkeit aufsaugen. In anderen Fällen kann zu viel Feststoff im Filtermedium eingeschlossen werden.

Zwei weitere Verfahren, mit denen Feststoffe von Flüssigkeiten getrennt werden können, sind Dekantieren und Zentrifugieren. Beim Zentrifugieren wird eine Probe gedreht, wodurch der schwerere Feststoff auf den Boden eines Behälters gedrückt wird. Im Dekantierenwird die Flüssigkeit abgesaugt oder aus dem Feststoff gegossen, nachdem sie aus der Lösung gefallen ist. Die Dekantierung kann nach dem Zentrifugieren oder allein verwendet werden.