Filtración

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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 de ellas 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, impidiendo 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 algo de fluido y el filtrado contendrá partículas finas (dependiendo del tamaño de poro, el espesor del filtro y la actividad biológica). La filtración ocurre tanto en la naturaleza como en sistemas de ingeniería ; existen formas biológicas , geológicas e industriales . ^[2] En el uso cotidiano, el verbo "colar" se usa con más frecuencia; por ejemplo, usar un colador para drenar el agua de cocción de la pasta cocida .

La filtración también se utiliza para describir los sistemas biológicos y físicos que no solo separan los 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 de arena lentos y filtros percoladores . También se utiliza como un término general para los macrófagos en los que los organismos utilizan una variedad de medios para filtrar pequeñas partículas de alimento 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 alimentadores por filtración .

• La filtración se utiliza para separar partículas y fluidos en una suspensión, donde el fluido puede ser un líquido, un gas o un fluido supercrítico . Dependiendo de la aplicación, se pueden aislar uno o ambos componentes.
• La filtración, como operación física, permite separar materiales de distinta composición química. Se elige un disolvente que disuelva un componente, pero no disuelva el otro. Al disolver la mezcla en el disolvente elegido, un componente pasará a la solución y pasará por el filtro, mientras que el otro quedará retenido.
• La filtración se utiliza ampliamente en ingeniería química . Puede combinarse con otras operaciones unitarias para procesar la corriente de alimentación, como en el caso del biofiltro , que es un dispositivo combinado de filtración y digestión biológica.
• La filtración se diferencia del tamizado, en el que la separación se produce en una única capa perforada (un tamiz ). En el tamizado, las partículas que son demasiado grandes para pasar a través de los agujeros del tamiz quedan retenidas (véase 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, impidiendo que la fase fluida cruce el filtro (cegamiento). Comercialmente, el término filtro se aplica a las membranas en las que la red de separación es tan fina que la superficie se convierte en la zona principal de separación de partículas, aunque estos productos podrían describirse como tamices.
• La filtración se diferencia de la adsorción , en la que 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 se diferencia de la eliminación de contaminantes magnéticos de fluidos con imanes (normalmente 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 funcionamiento.
• 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 de las aguas residuales , los componentes indeseables se eliminan por adsorción en una película biológica que crece sobre o dentro del medio filtrante, como en la filtración lenta con arena .

Los filtros se pueden utilizar con el fin de eliminar líquido no deseado de un residuo sólido, limpiar sólidos no deseados de un líquido o simplemente para separar el sólido del líquido.

Existen muchos métodos de filtración diferentes; todos tienen como objetivo lograr la separación de sustancias. La separación se logra mediante algún tipo de interacción entre la sustancia u objetos que se van a eliminar y el filtro. La sustancia que debe pasar a través del filtro debe ser un fluido , es decir, un líquido o un gas . Los métodos de filtración varían según la ubicación del material en cuestión, es decir, si está disuelto en la fase fluida o suspendido como un 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 principales propósitos 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 de filtrado y otros aparatos que entran en contacto con la solución. Como resultado, el aparato y la solución utilizados 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 obstaculizaría el proceso de filtración. ^[3] Una de las medidas más importantes para evitar la formación de cristales en el embudo y realizar una filtración en caliente eficaz es el uso de un embudo de filtrado sin vástago. Debido a la ausencia de un vástago en el embudo de filtrado, hay una disminución en el área de superficie de contacto entre la solución y el vástago del embudo de filtrado, lo que evita la recristalización del sólido en el embudo y afecta negativamente al proceso de filtración.

El método de filtración en frío consiste en utilizar un baño de hielo para enfriar rápidamente la solución que se va a cristalizar en lugar de dejar que se enfríe lentamente en la atmósfera de la habitación. Esta técnica da como resultado la formación de cristales muy pequeños, a diferencia de los cristales grandes que se obtienen al enfriar la solución a temperatura ambiente.

La técnica de filtración al vacío se prefiere principalmente para lotes pequeños de solución para secar rápidamente cristales pequeños. 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 conectarlo a una fuente de vacío.

La filtración centrífuga se realiza mediante la rotación rápida de 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 más alto a uno más bajo. Con frecuencia se logra mediante una filtración simple, que implica colocar papel de filtro en un embudo de vidrio por el que pasa el líquido por gravedad mientras que las partículas sólidas insolubles son atrapadas por el papel de filtro. Se pueden utilizar conos de filtrado, filtros acanalados o pipetas de filtrado, según la cantidad de sustancia en cuestión. ^[4] La filtración por gravedad se usa a diario, por ejemplo, para filtrar el agua de cocción de los alimentos o para eliminar contaminantes de un líquido.

Sólo cuando se aplica una fuerza impulsora, el fluido que se va a filtrar podrá fluir a través del medio filtrante. La gravedad , la centrifugación, la aplicación de presión al fluido por encima del filtro, la aplicación de vacío por debajo del filtro o una combinación de estos factores pueden contribuir a esta fuerza. Tanto en las filtraciones de laboratorio sencillas como en los filtros de lecho de arena masivos, se puede utilizar únicamente la fuerza gravitacional. Las centrífugas con un recipiente que contiene un medio filtrante poroso se pueden considerar filtros en los que una fuerza centrífuga varias veces más fuerte que la gravedad reemplaza a la fuerza gravitacional. Normalmente se proporciona un vacío parcial al recipiente debajo del medio filtrante cuando la filtración de 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]

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Los medios filtrantes son los materiales que se utilizan para realizar la separación de materiales.

En los laboratorios se emplean dos tipos principales de medios filtrantes:

• Los filtros de superficie son tamices sólidos con una malla para atrapar partículas sólidas, a veces con la ayuda de papel de filtro (por ejemplo, embudo Büchner , filtro de banda , filtro de tambor de vacío rotatorio , filtros de flujo cruzado , filtro de pantalla ).
• Filtros de profundidad , lechos de material granular que retienen las partículas sólidas a su paso (por ejemplo, filtros de arena ).

Los filtros de superficie permiten que las partículas sólidas, es decir, los residuos, se recojan intactas; los filtros de profundidad no. 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, a menudo es más barato y más fácil desechar los gránulos contaminados que limpiar el tamiz de sólidos. ^[6] Los medios filtrantes se pueden limpiar enjuagándolos con solventes o detergentes o lavándolos a contracorriente. Alternativamente, en aplicaciones de ingeniería, como plantas de tratamiento de agua de piscinas , se pueden limpiar mediante retrolavado . Los filtros de pantalla autolimpiantes utilizan el retrolavado en el punto de succión para limpiar la pantalla sin interrumpir el flujo del sistema. ^{[ aclaración necesaria ]}

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 simple para lograr esto es por gravedad, que 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 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, no es necesario montar el filtro verticalmente.

Se pueden utilizar ciertos auxiliares de filtración para facilitar la filtración. Estos suelen ser la tierra de diatomeas incompresible o kieselguhr, que se compone principalmente de sílice . También se utilizan celulosa de madera y otros sólidos porosos inertes como la perlita , que es más barata y segura . El carbón activado se utiliza a menudo en aplicaciones industriales que requieren cambios en las propiedades del filtrado, como alterar el color o el olor.

Estos coadyuvantes de filtración se pueden utilizar de dos formas 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 proporcionará 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, el coadyuvante de filtración se puede aplicar como capa previa; posteriormente, se cortan láminas delgadas de esta capa junto con la torta.

El uso de coadyuvantes de filtración suele limitarse a los casos en los que se descarta la torta o en los que el precipitado se puede separar químicamente del filtro.

La filtración es un método más eficaz que la decantación para separar mezclas , pero requiere mucho más tiempo. Si se utilizan cantidades muy pequeñas de solución, es posible que el medio filtrante absorba la mayor parte de esta.

Una alternativa a la filtración es la centrifugación . En lugar de filtrar la mezcla de partículas sólidas y líquidas, se centrifuga la mezcla para forzar al sólido (normalmente) más denso a ir al fondo, donde suele formar una torta firme . El líquido que está encima se puede decantar entonces. Este método es especialmente útil para separar sólidos que no se filtran bien, como partículas gelatinosas o finas. Estos sólidos pueden obstruir o pasar a través del 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, químicos orgánicos e iones puede lograrse por ingestión y digestión, adsorción o absorción. Debido a la complejidad de las interacciones biológicas, especialmente en comunidades multiorgánicas, a menudo no es posible determinar qué procesos están logrando el resultado de la filtración. A nivel molecular, a menudo puede ser por acciones enzimáticas catalíticas individuales dentro de un organismo individual. Los productos de desecho de algunos organismos pueden ser posteriormente descompuestos por otros organismos para extraer la mayor cantidad de energía posible y, al hacerlo, reducir las moléculas orgánicas complejas a especies inorgánicas muy simples, como agua, dióxido de carbono y nitrógeno.

En los mamíferos, reptiles y aves, los riñones funcionan mediante filtración renal, mediante la cual el glomérulo elimina de forma selectiva los componentes indeseables, como la urea , y luego reabsorbe de forma selectiva muchas sustancias esenciales para que el cuerpo mantenga la homeostasis. El proceso completo se denomina excreción por micción . En todos los animales se utilizan soluciones similares, aunque a menudo menos complejas, incluso en los protozoos , donde la vacuola contráctil cumple una función similar.

Las biopelículas son 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 la Schmutzdecke en la superficie de los filtros de arena lentos y la película en el medio filtrante 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 puede encontrarse 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 con lentitud. El uso de biopelículas en el proceso de biofiltración permite la fijación de biomasa deseable y nutrientes críticos a un soporte inmovilizado. Para que el agua pueda reutilizarse para diversos procesos, los avances en los métodos de biofiltración ayudan a eliminar volúmenes significativos 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 realizar una investigación exhaustiva de la composición, diversidad y dinámica de las biopelículas, también se adoptan 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 utilizando una serie de adaptaciones que incluyen puntas rígidas de protoplasma sostenidas en el flujo de agua como en los suctorios hasta varias disposiciones de cilios batientes 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. Los rotíferos y los ectoproctos utilizan técnicas de alimentación similares . Muchos artrópodos acuáticos se alimentan por filtración. Algunos utilizan el batido rítmico de las extremidades abdominales para crear una corriente de agua hacia la boca mientras los pelos de las patas atrapan cualquier partícula. Otros, como algunas moscas tricópteras, tejen finas redes en el flujo de agua para atrapar partículas.

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 posteriores.

La filtración de partículas incluye:

• El filtro de café para separar la infusión de café de los posos.
• Filtros HEPA en el aire acondicionado para eliminar partículas del aire.
• Filtros de banda para extraer metales preciosos en minería .
• Filtro de placas verticales como los utilizados en el proceso Merrill-Crowe . ^{[ aclaración necesaria ]}
• El filtro Nutsche se utiliza normalmente en aplicaciones farmacéuticas o procesos por lotes que necesitan capturar sólidos.
• Los hornos utilizan filtración para evitar que los elementos del horno se ensucien con partículas. ^{[ aclaración necesaria ]}
• Un sistema de transporte neumático, como un sistema de conductos de escape industriales, a menudo emplea filtración para detener o ralentizar el flujo de material no deseado que se transporta, mediante el uso de una cámara de filtros .
• En el laboratorio se utiliza a menudo un embudo Büchner , con un papel de filtro que actúa como barrera porosa.
• Los filtros de aire se utilizan comúnmente para eliminar partículas suspendidas en el aire en sistemas de ventilación de edificios, motores de combustión y procesos industriales.
• Filtro de aceite en los automóviles, a menudo en formato bote o cartucho.
• Filtro de acuario
• Cómo colar el agua de los alimentos con un colador

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 lleva tiempo que la difusión ponga al 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 en el filtro. Las aplicaciones incluyen:

• Eliminación de dióxido de carbono del gas respirable en rebreathers y sistemas de soporte vital mediante 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 comprimido respirable , en la que el aire pasa a través de un filtro de partículas antes de entrar en el 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 vapor de agua. En algunos casos, se utilizan prefiltros que utilizan medios de adsorción para controlar los niveles de dióxido de carbono, se puede utilizar la adsorción por oscilación de presión para aumentar la fracción de oxígeno y, cuando existe el riesgo de contaminación por monóxido de carbono , se pueden incluir convertidores catalíticos de hopcalita en los medios de filtración del producto. Todos estos procesos se conocen en términos generales como aspectos de la filtración del producto.
• Tratamiento de agua potable mediante filtración por biofilm en filtros lentos de arena.
• Tratamiento de aguas residuales mediante filtración por biofilm utilizando filtros percoladores.

• Proceso de separación  : método que convierte una mezcla o solución en dos o más productos distintos.
• Microfiltración  : proceso físico en el que un fluido pasa a través de una membrana especial con un tamaño de poro.
• Ultrafiltración  : filtración por fuerza a través de una membrana semipermeable
• Nanofiltración  : método de filtración que utiliza poros de tamaño nanométrico en membranas biológicas.
• Ósmosis inversa  – Proceso de purificación del agua
• Filtración de flujo cruzado  : técnica de filtraciónPáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Tamiz  – Herramienta para la separación de materiales sólidos por tamaño de partícula
• Análisis de tamices  : procedimiento para evaluar la distribución del tamaño de partículas

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Filtración .

• Modelado de filtración (tasa y presión constantes)