Filtrationsdefinition und Prozesse (Chemie)

Bei der Filtration werden Feststoffe mithilfe eines Filtermediums von Flüssigkeiten oder Gasen getrennt, das den Durchtritt der Flüssigkeit ermöglicht, nicht jedoch den Durchtritt der Feststoffe. Der Begriff "Filtration" gilt unabhängig davon, ob der Filter mechanisch, biologisch oder physikalisch ist. Die Flüssigkeit, die den Filter passiert, wird als Filtrat bezeichnet. Das Filtermedium kann ein Oberflächenfilter sein, bei dem es sich um einen Feststoff handelt, der feste Partikel einfängt, oder ein Tiefenfilter, bei dem es sich um ein Materialbett handelt, das den Feststoff einfängt.

Die Filtration ist typischerweise ein unvollkommener 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 chemische und technische Technik geht immer etwas Produkt verloren, egal ob es sich um die Flüssigkeit oder den Feststoff handelt, der gesammelt wird.

Beispiele für die Filtration

Während Filtration eine wichtige Abscheidetechnik im Labor ist, ist sie auch im täglichen Leben üblich.

• Beim Aufbrühen von Kaffee wird heißes Wasser durch das Kaffeepulver und einen Filter geleitet. Der flüssige Kaffee ist das Filtrat. Das Einweichen von Tee ist fast das Gleiche, egal ob Sie einen Teebeutel (Papierfilter) oder eine Teekugel (normalerweise ein Metallfilter) verwenden..
• Die Nieren sind ein Beispiel für einen biologischen Filter. Das Blut wird durch den Glomerulus gefiltert. Essentielle Moleküle werden wieder in das 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 Abbaus Edelmetalle zurück.
• Wasser in einem Grundwasserleiter ist relativ rein, da es durch Sand und durchlässiges Gestein im Boden gefiltert wurde.

Filtrationsmethoden

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

• 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 Büchner-Kolben und ein Schlauch werden verwendet, um ein Vakuum zu erzeugen, um die Flüssigkeit durch den Filter zu saugen (üblicherweise 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 auszubilden. Pumpenfilter müssen nicht vertikal sein, da die Schwerkraft nicht die Ursache für den Druckunterschied an den Seiten des Filters ist.
• Kaltfiltration: Durch Kaltfiltration wird eine Lösung schnell abgekühlt, wodurch sich kleine Kristalle bilden. Dies ist eine Methode, die angewendet wird, wenn der Feststoff anfänglich aufgelöst wird. 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 erwärmt, um die Kristallbildung während der Filtration zu minimieren. Stammlose Trichter sind nützlich, da die Oberfläche für das Kristallwachstum geringer ist. Diese Methode 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 Kieselsäure, Kieselgur, Perlit und Cellulose. Filterhilfsmittel können vor der Filtration auf den Filter gelegt oder mit der Flüssigkeit gemischt werden. Die Hilfsmittel können helfen, ein Verstopfen des Filters zu verhindern, und können die Porosität des "Kuchens" oder die Zufuhr in den Filter erhöhen.

Filtration vs. Sieben

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

Alternativen zur Filtration

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 aufnehmen. 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. Beim Dekantieren wird die Flüssigkeit aus dem Feststoff abgesaugt oder ausgegossen, nachdem dieser aus der Lösung gefallen ist. Die Dekantierung kann nach dem Zentrifugieren oder allein erfolgen.