Filtrazione (chimica)

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Comune vetreria di laboratorio utilizzata per una filtrazione

La filtrazione è una pratica di laboratorio che può essere utilizzata sia per scopi separativi, volendo eliminare impurezze solide da liquidi o soluzioni, che per scopi sintetici volendo isolare un composto precipitato da una soluzione o cristallizzato. In natura rappresenta un fenomeno comune che riguarda le fonti idriche le cui acque permeano il terreno in cui scorrono: ad esempio le falde profonde sono utilizzate come fonte di approvvigionamento per acqua potabile in quanto risultano purificate da intensa filtrazione. In microbiologia e nella sintesi farmaceutica la filtrazione viene utilizzata come mezzo di disinfezione: utilizzando carta da filtro con diametro dei pori compreso tra 0,22-0,45 μm si riesce a trattenere la quasi totalità dei batteri. Filtri HEPA sono utilizzati dalle cappe di laboratorio e dai sistemi termoidraulici di condizionamento ambientale per purificare l'aria. In ambito industriale la filtrazione sfrutta macchine filtranti operative su vasta scala.

Indice

1 La filtrazione in laboratorio
- 1.1 Il mezzo filtrante (Il Medium)
2 Filtrazione industriale
- 2.1 Impiantistica chimica

[modifica] La filtrazione in laboratorio

Esistono due metodiche per condurre una filtrazione in laboratorio: la filtrazione per gravità e la filtrazione sottovuoto.

La filtrazione per gravità, così definità perché sfrutta l'azione della gravità per separare il fluido dalla fase solida, che viene trattenuta su una carta da filtro, viene effettuata facendo passare la sospensione attraverso la carta filtrante fatta aderire alle pareti di un imbuto filtrante che può essere di dimensioni variabili. Occorre avere l'accortezza di non far intasare l'imbuto e controllare che la carta non si sia, nel frattempo, danneggiata facendo passare anche il solido. Come già detto, il solido si deposita sulla carta da filtro mentre il liquido viene raccolto in un becher o una beuta. Il filtro può essere preparato conferendogli manualmente una forma a cono, classica, o una forma pieghettata per una filtrazione più veloce (per effetto del passaggio di aria tra le pieghe).
La filtrazione sottovuoto rappresenta una metodica più rapida, l'effetto della separazione per suzione è maggiore rispetto a quello per gravità, ma che richiede una vetreria a tenuta, l'adattamento della carta da filtro e un sistema che generi un vuoto non troppo spinto (come una pompa ad acqua o una pompa meccanica a vuoto). La vetreria utilizzata comprende l'imbuto Büchner, l'imbuto Hirsch (simile al Büchner ma di dimensioni minori), il crogiolo di Gooch (di dimensioni ancora più piccole rispetto all'Hirsch e che non richiede carta da filtro, possedendo una superficie porosa) e una beuta codata di raccolta.

[modifica] Il mezzo filtrante (Il Medium)

Il medium è l'elemento che effettua attivamente la filtrazione. Il mezzo filtrante viene scelto in funzione del tipo e della qualità di filtrazione richiesta. Esistono numerose varianti tra carte (generalmente costituita da nitrocellulosa), tessuti non tessuti (poliestere, polipropilene, fibra di vetro, fibre aramidiche), reti e tele metalliche (tipo Reps, microstirate).

Caratteristiche distintive quali-quantitative di un mezzo filtrante sono le seguenti:

porosità, indica le particelle che possono attraversare il Media. Ad esempio, particelle piccole vengono trattenute da carta a bassa porosità, di contro una grana troppo fine rallenta sensibilmente la velocità di filtrazione;
ritentività, caratteristica opposta alla porosità. Carta a bassa ritentività non riesce a trattenere le particelle più piccole di filtrato;
velocità, indica il tempo impiegato da un liquido per passare attraverso il filtro.

Le tre caratteristiche sono tra loro collegate: una carta rapida ha di solito bassa ritentività ed alta porosità ed una carta lenta possiede proprietà opposte.

I composti colloidali non si prestano affatto ad essere filtrati o sono filtrabili parzialmente o con molta difficoltà

[modifica] Filtrazione industriale

Qualunque sia il sistema di filtrazione utilizzato prevale il moto laminare e il flusso del filtrato è direttamente proporzionale alla forza fluidomotrice che lo determina ed inversamente proporzionale alle resistenze incontrate dal liquido. La forza fluidomotrice è data dalla differenza di pressione sussistente tra le due facce del mezzo filtrante mentre le resistenze incontrate dal liquido derivano dalla resistenza intrinseca del setto filtrante e dalla resistenza della cosiddetta torta, il solido che col procedere dell'operazione si deposita sul setto.

I fattori principali che influenzano la velocità di filtrazione sono:

le perdite di carico subite dal filtrato quando attraversa il mezzo;
l'area totale della superficie filtrante;
la viscosità del filtrato;
dalle caratteristiche della torta formatasi.

L'equazione generica che esprime il flusso di un liquido attraverso letti porosi è

$\Phi = \frac {\Delta P}{R}$

dove ΔP è la differenza di pressione esistente tra le due facce del letto, R è la resistenza incontrata dal liquido nell'attraversare il mezzo poroso e Φ è il flusso di liquido.

La resistenza R è ricavabile dalla relazione

$R = \frac {r \eta l}{A}$

dove r è la resistenza specifica della torta, η la viscosità del filtrato, l lo spessore della torta originatasi in seguito al deposito di solido, A la superficie normale della torta rispetto alla direzione del flusso. La resistenza specifica r è definita come differenza di pressione necessaria per provocare un flusso unitario di filtrato, di viscosità unitaria, attraverso una superficie e spessore di torta unitari.

Facendo riferimento ad un tempo infinitesimo dt durante il quale viene filtrato un volume dV di liquido si ottiene l'equazione

$\frac {dV}{dT} = \frac {A \Delta P}{r \eta l}$

Questa rappresenta l'equazione fondamentale della teoria della filtrazione. Nei casi pratici questa equazione porta a differenti risultati in relazione alle condizioni operative di esercizio alle quali viene applicata. Tali condizioni sono rappresentate da portata o ΔP costante e dal caso di torte non comprimibili (es. quelle ottenute da precipitati cristallini) o torte comprimibili (es. precipitati fioccosi o gelatinosi).

[modifica] Impiantistica chimica

Rappresentazione grafica ufficiale, secondo le norme UNICHIM, di vari sistemi filtranti. La sigla associata è rappresentata dalla lettera F.

Impiantisticamente parlando, le apparecchiature industriali adoperate per effettuare la filtrazione si dividono in filtri continui e filtri discontinui a seconda se bisogna o meno interrompere il processo per compiere altre operazioni collaterali.

FILTRI DISCONTINUI