Фильтрование — способ разделения смесей¶

Фильтрование — это процесс разделения неоднородных систем (смесей) «жидкость — твёрдое вещество» или «газ — твёрдое вещество» путём пропускания их через пористую перегородку (фильтр), которая задерживает взвешенные частицы, но пропускает жидкость или газ (фильтрат). Метод основан на различии размеров частиц смеси и размеров пор фильтрующего материала. Фильтрование является одним из древнейших и наиболее распространённых способов механического разделения смесей в промышленности, лабораторной практике и быту.

¶Принцип действия и движущая сила

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки. Эта разность создаётся несколькими способами: под действием силы тяжести (самотёком), за счёт создания вакуума под перегородкой (фильтрование под разрежением), избыточного давления над суспензией (фильтр-прессы) или центробежной силы (центрифуги и фильтрующие центрифуги).

В отличие от процеживания, при котором задерживаются только крупные частицы, фильтрование способно улавливать микроскопические взвеси размером от долей микрометра. Эффективность разделения определяется свойствами фильтрующего материала: толщиной, пористостью, смачиваемостью и химической стойкостью.

¶Классификация и виды фильтрования

По механизму задержания частиц различают несколько видов:

• Поверхностное (ситовое) фильтрование — частицы задерживаются на поверхности перегородки, размер пор которой меньше размера частиц. Применяется для грубой очистки.
• Глубинное (объёмное) фильтрование — частицы задерживаются внутри толщи фильтрующего слоя (например, в песчаных фильтрах или фильтрах из спечённого металлокерамического порошка). Позволяет улавливать очень мелкие частицы.
• Фильтрование с образованием осадка — на перегородке наращивается слой задержанных частиц, который сам начинает работать как фильтрующая среда, повышая тонкость очистки.
• Мембранное фильтрование — используется для разделения коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. К этому классу относятся микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос.

¶Фильтрующие материалы

Выбор материала определяется агрессивностью среды, температурой и требуемой степенью очистки. Основные виды:

• Тканевые — хлопчатобумажные, льняные, шерстяные ткани, а также синтетические (лавсан, капрон, полипропилен).
• Нетканые — войлок, фильтровальная бумага, картон.
• Сетчатые — металлические и полимерные сетки с точным размером ячеек.
• Зернистые — песок, гравий, активированный уголь, диатомит (используются в насыпных фильтрах).
• Пористые жёсткие — спечённая керамика, металлокерамика, пористые металлы, стекло.
• Мембраны — полимерные плёнки с калиброванными порами (ацетатцеллюлозные, полисульфоновые).

¶Применение

Область применения фильтрования чрезвычайно широка:

• Водоподготовка и очистка сточных вод — удаление механических примесей, обеззараживание, подготовка воды для питьевых нужд и промышленных процессов.
• Пищевая промышленность — осветление соков, пива, вина, растительных масел; фильтрование сахарных сиропов.
• Химическая и нефтехимическая промышленность — разделение суспензий, очистка реакционных смесей, выделение целевых продуктов.
• Фармацевтика и медицина — стерилизующая фильтрация лекарственных растворов, очистка крови (гемодиализ), изготовление вакцин.
• Машиностроение — очистка топлива, смазочных масел и гидравлических жидкостей от абразивных частиц.
• Атомная энергетика — очистка теплоносителей и газовых выбросов от радиоактивных аэрозолей.
• Быт — фильтры для очистки питьевой воды, пылесосы, кофемашины, вытяжки.

¶Фильтрование в лабораторной практике

В химической лаборатории фильтрование применяют для отделения осадка от маточного раствора. Используют бумажные фильтры (гладкие и складчатые), стеклянные фильтры Шотта, тигли Гуча. Различают фильтрование при обычном давлении, под вакуумом (на воронке Бюхнера) и горячее фильтрование для предотвращения кристаллизации растворённых веществ.

¶Отличие от родственных процессов

Фильтрование следует отличать от процеживания (задержание только крупных частиц) и от адсорбции (поглощение вещества поверхностью, а не механическое задержание). В отличие от центрифугирования, которое основано на разности плотностей, фильтрование основано на разнице размеров частиц.

¶Источники

• Касаткин А. Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии».
• Романков П. Г., Фролов В. Ф. «Массообменные процессы химической технологии».
• Липатов Н. Н. «Основы коллоидной химии».
• Большая советская энциклопедия, статья «Фильтрование».