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 lo atraviesa se llama filtrado . [1] 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 sólidos y fluidos es imperfecta; los sólidos estarán contaminados con algo de líquido y el filtrado contendrá partículas finas (dependiendo del tamaño de los poros, el espesor del filtro y la actividad biológica). La filtración ocurre tanto en la naturaleza como en sistemas diseñados ; hay formas biológicas , geológicas e industriales . [2]
La filtración también se utiliza para describir sistemas biológicos y físicos que no sólo separan sólidos de una corriente fluida sino que también eliminan especies químicas y organismos biológicos mediante arrastre , fagocitosis , adsorción y absorción . Los ejemplos incluyen filtros de arena lentos y filtros percoladores . También se utiliza como término general para macrófagos en los 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 , todos los cuales se describen como filtradores .
Existen muchos métodos diferentes de filtración; todos tienen como objetivo lograr la separación de sustancias. La separación se logra mediante alguna forma de interacción entre la sustancia u objetos a eliminar y el filtro. La sustancia que va a pasar a través del filtro debe ser un fluido , es decir, un líquido o un gas . Los métodos de filtración varían dependiendo de la ubicación del material objetivo, es decir, si está disuelto en la fase fluida 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 utiliza principalmente para separar sólidos de una solución caliente. Esto se hace para evitar la formación de cristales en el embudo filtrante y otros aparatos que entran en contacto con la solución. Como resultado, el aparato y la solución utilizados se calientan para evitar una 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. [3] Una de las medidas más importantes para prevenir la formación de cristales en el embudo y someterse a una filtración en caliente eficaz es el uso de un embudo filtrante sin vástago. Debido a la ausencia de un vástago en el embudo de filtración, hay una disminución en la superficie de contacto entre la solución y el vástago del embudo de filtración, lo que evita la recristalización del sólido en el embudo y afecta negativamente el proceso de filtración. .
El método de filtración en frío consiste en el uso de un baño de hielo para enfriar rápidamente la solución que se va a cristalizar en lugar de dejarla enfriar lentamente en la atmósfera 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 pequeños cristales rápidamente. Este método requiere un embudo Büchner , papel de filtro de un diámetro menor que el embudo, un matraz Büchner y un tubo de goma para conectar a una fuente de vacío.
La filtración centrífuga se realiza rotando rápidamente la sustancia a filtrar. El material más denso se separa del menos denso mediante la rotación horizontal. [4]
La filtración por gravedad es el proceso de verter la mezcla desde un lugar superior a uno inferior. Con frecuencia se logra mediante una filtración simple, que implica colocar papel de filtro en un embudo de vidrio con el líquido pasando por gravedad mientras las partículas sólidas insolubles son atrapadas por el papel de filtro. Dependiendo de la cantidad de sustancia disponible, se pueden utilizar conos filtrantes, filtros estriados o pipetas filtrantes. [4]
Sólo cuando se suministra una fuerza motriz el fluido a filtrar podrá fluir a través del medio filtrante. La gravedad , la centrifugación, la aplicación de presión al fluido sobre el filtro, la aplicación de vacío debajo del filtro o una combinación de estos factores pueden contribuir a esta fuerza. Tanto en filtraciones simples de laboratorio como en filtros masivos de lecho de arena, se puede utilizar únicamente la fuerza gravitacional. Las centrífugas con un recipiente que contiene un medio filtrante poroso pueden considerarse filtros en los que una fuerza centrífuga varias veces más fuerte que la gravedad reemplaza la fuerza gravitacional. Por lo general, se proporciona un vacío parcial al recipiente debajo del medio filtrante cuando la filtración en el laboratorio es un desafío para acelerar el proceso de filtrado. Dependiendo del tipo de filtro que se utilice, la mayoría de las operaciones de filtración industrial emplean presión o vacío para acelerar el filtrado y reducir la cantidad de equipo necesario. [5]
Los medios filtrantes son los materiales utilizados para realizar 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 ayuda de papel de filtro (por ejemplo , embudo Büchner , filtro de cinta , filtro de tambor de vacío giratorio , filtros de flujo cruzado). , filtro de malla ), 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, los residuos; el filtro de profundidad no lo permite. Sin embargo, el filtro de profundidad es menos propenso a obstruirse debido a la mayor 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. [6]
Los medios filtrantes se pueden limpiar enjuagando con solventes o detergentes o mediante retrolavado. Alternativamente, en aplicaciones de ingeniería, como plantas de tratamiento de agua de piscinas , se pueden limpiar mediante retrolavado . Los filtros de malla autolimpiantes utilizan retrolavado en el punto de succión para limpiar la malla sin interrumpir el flujo del sistema. [ se necesita aclaración ]
Los fluidos fluyen a través de un filtro debido a una diferencia de presión: el fluido fluye desde el lado de alta presión al lado de baja presión del filtro. El método más sencillo para lograrlo es por gravedad, como 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 del 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 mediante la fuerza ejercida por una bomba , un método comúnmente utilizado en la industria cuando es importante reducir el tiempo de filtración. En este caso, no es necesario montar el filtro verticalmente.
Se pueden utilizar ciertos auxiliares de filtración para ayudar a la filtración. Suelen ser tierra de diatomeas incompresible o kieselguhr, que está compuesta principalmente de sílice . También se utilizan celulosa de madera y otros sólidos porosos inertes como la perlita, más barata y segura . El carbón activado se utiliza a menudo en aplicaciones industriales que requieren cambios en las propiedades del filtrado, como la alteración del color o el olor.
Estos auxiliares de filtración se pueden utilizar de dos maneras diferentes. Se pueden utilizar como capa previa 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 añadir 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, el coadyuvante de filtración se puede aplicar como una capa previa; posteriormente se cortan finas rodajas de esta capa junto con el bizcocho.
El uso de coadyuvantes de filtración suele limitarse a los casos en los que se desecha la torta o en los que el precipitado puede separarse químicamente del filtro.
La filtración es un método más eficaz para la separación de mezclas que la decantación , pero requiere 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 al sólido (generalmente) más denso al fondo, donde a menudo forma una torta firme . A continuación se puede decantar el líquido anterior. Este método es especialmente útil para separar sólidos que no se filtran bien, como partículas gelatinosas o finas. Estos sólidos pueden obstruir o atravesar el filtro, respectivamente.
La filtración biológica puede tener lugar dentro de un organismo o el componente biológico puede crecer en un medio en el material que se está filtrando. La eliminación de sólidos, componentes emulsionados, productos químicos orgánicos e iones se puede lograr 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 logran el resultado de filtración. A nivel molecular, a menudo puede deberse a acciones de enzimas catalíticas individuales dentro de un organismo individual. Los productos de desecho de algunos organismos pueden posteriormente ser descompuestos 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.
Dentro de los mamíferos, reptiles y aves, los riñones funcionan mediante filtración renal en la que el glomérulo elimina selectivamente constituyentes indeseables como la urea , seguida de la reabsorción selectiva de muchas sustancias esenciales para que el cuerpo mantenga la homeostasis. El proceso completo se denomina excreción . En todos los animales se utilizan soluciones similares, pero a menudo menos complejas, incluso en los protozoos , donde la vacuola contráctil proporciona una función similar.
Las biopelículas son a menudo comunidades complejas de bacterias, fagos, levaduras y, a menudo, organismos más complejos, incluidos protozoos , rotíferos y anélidos , que forman películas dinámicas y complejas, frecuentemente gelatinosas, sobre sustratos húmedos. Estas biopelículas recubren las rocas de la mayoría de los ríos y del mar y proporcionan la capacidad de filtración clave del Schmutzdecke en la superficie de los filtros de arena lentos y la película en los medios filtrantes de los filtros percoladores que se utilizan para crear agua potable y tratar aguas residuales, respectivamente.
Un ejemplo de biopelícula es un limo biológico, que se puede encontrar en lagos, ríos, rocas, etc. La utilización de biopelículas de una o dos especies es una tecnología novedosa, ya que las biopelículas naturales se desarrollan lentamente. El uso de biopelículas en el proceso de biofiltración permite la unión de biomasa deseable y nutrientes críticos al soporte inmovilizado. Para que el agua pueda reutilizarse en diversos procesos, los avances en los métodos de biofiltración ayudan a eliminar importantes volúmenes de efluentes de las aguas residuales . [7]
Los sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales son cruciales para mejorar tanto la salud humana como la calidad del agua . La tecnología de biopelículas, la formación de biopelículas en diversos medios filtrantes y otros factores tienen un impacto en la estructura de crecimiento y la función de estas biopelículas. Para llevar a cabo una investigación exhaustiva de la composición, diversidad y dinámica de las biopelículas, también adopta una variedad de enfoques moleculares tradicionales y contemporáneos. [8]
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 púas rígidas de protoplasma mantenidas en el flujo de agua como en la succión , hasta diversas disposiciones de cilios batidos para dirigir partículas a la boca, incluidos organismos como Vorticella , que tienen un complejo anillo de cilios. que crean un vórtice en el flujo que arrastra partículas hacia la cavidad bucal. Rotifera y Ectoprocta utilizan técnicas de alimentación similares . Muchos artrópodos acuáticos se alimentan por filtración. Algunos utilizan golpes rítmicos de las extremidades abdominales para crear una corriente de agua hacia la boca mientras los pelos de las piernas atrapan cualquier partícula. Otros, como algunas moscas caddis, tejen finas redes en el flujo de agua para atrapar partículas.
Muchos procesos de filtración incluyen más de un mecanismo de filtración y las partículas a menudo se eliminan primero del fluido para evitar la obstrucción de los elementos aguas abajo.
La filtración de partículas incluye:
La filtración por adsorción elimina los contaminantes mediante la adsorción del contaminante por el medio filtrante. Esto requiere un contacto íntimo entre el medio filtrante y el filtrado, y toma tiempo para que la difusión ponga el contaminante en contacto directo con el medio mientras pasa a través de él, lo que se conoce comotiempo de permanencia . Un flujo más lento también reduce la caída de presión a través del filtro. Las aplicaciones incluyen:
Las aplicaciones combinadas incluyen:
