Lọc (hóa học)

Lọc là bất kỳ hoạt động cơ học, vật lý hoặc sinh học nào khác nhau tách chất rắn khỏi chất lỏng (lỏng hoặc khí ga) bằng cách thêm một môi trường mà chỉ chất lỏng mới có thể đi qua.  Chất lỏng đi qua được gọi là dịch lọc. Trong các chất rắn quá khổ bộ lọc trong chất lỏng được giữ lại và trong các bộ lọc sinh học, các hạt bị giữ lại và ăn vào và các chất chuyển hóa được giữ lại và loại bỏ. Tuy nhiên, sự tách biệt không đầy đủ;  chất rắn sẽ bị nhiễm một số chất lỏng và dịch lọc sẽ chứa các hạt mịn (tùy thuộc vào kích thước lỗ rỗng, độ dày của bộ lọc và hoạt động sinh học). Quá trình lọc xảy ra cả trong thiên nhiên và trong các hệ thống thiết kế; có các dạng sinh học, địa chất và công nghiệp. Ví dụ: trong động vật (bao gồm người), sinh lý thận loại bỏ chất thải chuyển hóa khỏi máu và trong  xử lý nước và xử lý nước thải, các thành phần không mong muốn được loại bỏ bằng cách hấp thụ vào màng sinh học được trồng trên hoặc trong môi trường lọc, như trong lọc cát chậm.

Phương pháp

Có nhiều phương pháp lọc khác nhau; tất cả đều nhằm đạt được tách hỗn hợp các chất. Sự phân tách đạt được bằng một số hình thức tương tác giữa các chất hoặc đối tượng cần loại bỏ và bộ lọc.  Chất đi qua bộ lọc phải là chất lỏng, tức là lỏng hoặc khí ga. Các phương pháp lọc khác nhau tùy thuộc vào vị trí của vật liệu được nhắm mục tiêu, tức là liệu nó có bị hòa tan trong pha lỏng hay lơ lửng dưới dạng chất rắn.
Có một số kỹ thuật lọc tùy thuộc vào kết quả mong muốn cụ thể là nóng, lạnh và lọc hút. Một số mục đích chính của việc đạt được kết quả mong muốn là, để loại bỏ tạp chất khỏi hỗn hợp hoặc, để phân lập chất rắn từ hỗn hợp.
Lọc nóng chủ yếu được sử dụng để tách chất rắn ra khỏi dung dịch nóng.  Điều này được thực hiện để ngăn chặn sự hình thành tinh thể trong phễu lọc và các thiết bị khác tiếp xúc với giải pháp.  Do đó, thiết bị và dung dịch được sử dụng được gia nhiệt để ngăn nhiệt độ giảm nhanh, từ đó sẽ dẫn đến sự kết tinh của chất rắn trong phễu và cản trở quá trình lọc.
Một trong những biện pháp quan trọng nhất để ngăn chặn sự hình thành các tinh thể trong phễu và trải qua quá trình lọc nóng hiệu quả là sử dụng phễu lọc không thân. Do không có thân trong phễu lọc, làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch và thân phễu lọc, do đó ngăn chặn sự tái kết tinh của chất rắn trong phễu, ảnh hưởng xấu đến quá trình lọc.
Lọc lạnh là sử dụng bể nước đá để làm nguội nhanh dung dịch được kết tinh thay vì để nó ra ngoài để làm lạnh từ từ trong nhiệt độ phòng. Kỹ thuật này dẫn đến sự hình thành các tinh thể rất nhỏ trái ngược với việc thu được các tinh thể lớn bằng cách làm lạnh dung dịch xuống ở nhiệt độ phòng.
Kỹ thuật lọc hút được ưu tiên nhất cho lô dung dịch nhỏ để làm khô nhanh các tinh thể nhỏ.  Phương pháp này yêu cầu phễu Büchner, giấy lọc có đường kính nhỏ hơn phễu, bình Büchner và ống cao su để kết nối với nguồn chân không.

Phương tiện lọc

Hai loại phương tiện lọc chính được sử dụng trong các phòng thí nghiệm: bộ lọc bề mặt, một rây rắn bẫy các hạt rắn, có hoặc không có sự trợ giúp của giấy lọc (ví dụ phễu Büchner , Bộ lọc vành đai, Bộ lọc trống chân không quay,Bộ lọc dòng chảy, Bộ lọc màn hình);  và một bộ lọc độ sâu, một lớp vật liệu dạng hạt giữ lại các hạt rắn khi nó đi qua (ví dụ: bộ lọc cát). Loại đầu tiên cho phép các hạt rắn, tức là dư lượng, được thu thập nguyên vẹn;  loại thứ hai không cho phép điều này.  Tuy nhiên, loại thứ hai ít bị tắc nghẽn do diện tích bề mặt lớn hơn nơi các hạt có thể bị mắc kẹt.  Ngoài ra, khi các hạt rắn rất mịn, thường rẻ hơn và dễ dàng loại bỏ các hạt bị ô nhiễm hơn là làm sạch rây rắn.
Phương tiện lọc có thể được làm sạch bằng cách rửa bằng dung môi hoặc chất tẩy rửa. Ngoài ra, trong các ứng dụng kỹ thuật, chẳng hạn như bể bơi nhà máy xử lý nước, chúng có thể được làm sạch bằng rửa ngược. Tự làm sạch bộ lọc màn hình sử dụng rửa ngược điểm hút để làm sạch màn hình mà không làm gián đoạn dòng chảy hệ thống.

Đạt được lưu lượng qua bộ lọc

Chất lỏng chảy qua bộ lọc do chênh lệch áp suất dòng chất lỏng chảy từ phía áp suất cao sang phía áp suất thấp của bộ lọc, để lại một số vật liệu phía sau. Phương pháp đơn giản nhất để đạt được điều này là bằng trọng lực và có thể được nhìn thấy trong ví dụ máy pha cà phê. Trong phòng thí nghiệm, áp suất ở dạng khí nén ở phía cấp liệu (hoặc chân không ở phía lọc) có thể được áp dụng để làm cho quá trình lọc nhanh hơn, mặc dù điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn hoặc đi qua các hạt mịn. Ngoài ra, chất lỏng có thể chảy qua bộ lọc bằng lực tác động bởi máy bơm, một phương pháp thường được sử dụng trong công nghiệp khi thời gian lọc giảm là rất quan trọng.  Trong trường hợp này, bộ lọc không cần phải được gắn theo chiều dọc.

Bộ lọc viện trợ

Một số chất trợ lọc có thể được sử dụng để hỗ trợ lọc.  Chúng thường không thể nén đất tảo cát, hoặc kieselguhr, được cấu tạo chủ yếu từ silica.  Cũng được sử dụng là gỗ xenluloza và các chất rắn xốp trơ khác như rẻ hơn và an toàn hơn đá trân châu.
Những chất trợ lọc này có thể được sử dụng theo hai cách khác nhau.  Chúng có thể được sử dụng làm tiền tố trước khi bùn được lọc.  Điều này sẽ ngăn chất rắn dạng gelatin cắm vào môi trường lọc và cũng cho dịch lọc rõ ràng hơn.  Chúng cũng có thể được thêm vào bùn trước khi lọc.  Điều này làm tăng độ xốp của bánh và làm giảm sức cản của bánh trong quá trình lọc.  Trong bộ lọc quay, chất trợ lọc có thể được áp dụng như một bộ lọc trước;  sau đó, các lát mỏng của lớp này được cắt ra với bánh.
Việc sử dụng các chất trợ lọc thường được giới hạn trong các trường hợp bánh bị loại bỏ hoặc nơi kết tủa có thể được tách ra về mặt hóa học khỏi bộ lọc.

Lựa chọn thay thế

Lọc là một phương pháp hiệu quả hơn cho tách hỗn hợp so với chắt, nhưng tốn nhiều thời gian hơn. Nếu một lượng rất nhỏ dung dịch có liên quan, hầu hết dung dịch có thể được ngâm trong môi trường lọc.
Một phương pháp thay thế cho quá trình lọc là ly tâm - thay vì lọc hỗn hợp các hạt rắn và lỏng, hỗn hợp này được ly tâm để ép chất rắn đặc hơn (thường) xuống đáy, nơi nó thường tạo thành một công ty bánh. Các chất lỏng ở trên sau đó có thể được khử. Phương pháp này đặc biệt hữu ích để tách các chất rắn không lọc tốt, chẳng hạn như các hạt gelatin hoặc mịn.  Các chất rắn này có thể bị tắc hoặc đi qua bộ lọc, tương ứng.