Filtración

Los filtros pueden utilizarse para eliminar líquidos no deseados de residuos sólidos, limpiar sólidos no deseados de un líquido o simplemente para separar los sólidos del líquido.

Existen diversos métodos de filtración; todos ellos buscan la separación de sustancias. Esta separación se logra mediante algún tipo de interacción entre la sustancia u objeto que se desea eliminar y el filtro. La sustancia que debe atravesar el filtro debe ser un fluido , es decir, un líquido o un gas . Los métodos de filtración varían según la ubicación del material a filtrar, es decir, si se encuentra disuelto en la fase líquida o suspendido como un sólido.

Existen diversas técnicas de filtración de laboratorio, según el resultado deseado: filtración en caliente, en frío y al vacío . Algunos de los principales objetivos para obtener el resultado deseado son la eliminación de impurezas de una mezcla o el aislamiento de sólidos de la misma.

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 filtración y otros aparatos que entran en contacto con la solución. Como resultado, el aparato y la solución utilizados se calientan para evitar el descenso brusco de la temperatura, que a su vez provocaría la cristalización de los sólidos en el embudo y dificultaría el proceso de filtración. ^{[ 4 ]} Una de las medidas más importantes para evitar la formación de cristales en el embudo y lograr una filtración en caliente eficaz es el uso de un embudo de filtración sin vástago. Debido a la ausencia de un vástago en el embudo de filtración, se reduce la superficie de contacto entre la solución y el vástago del embudo, evitando así la recristalización de los sólidos en el embudo y afectando negativamente el 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 dejarla enfriar lentamente a temperatura ambiente. 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 pequeñas cantidades de solución con el fin de secar rápidamente cristales pequeños. Este método requiere un embudo Büchner , papel de filtro de menor diámetro que el embudo, un matraz Büchner y un tubo de goma para conectarlo a una fuente de vacío. ^{[ 5 ]}

La filtración centrífuga se lleva a cabo mediante la rotación rápida de la sustancia que se va a filtrar. El material más denso se separa de la materia menos densa mediante la rotación horizontal. ^{[ 6 ]}

La filtración por gravedad es el proceso de verter una mezcla desde un punto más alto a uno más bajo. Se suele realizar mediante filtración simple, que consiste en colocar papel de filtro en un embudo de vidrio por donde pasa el líquido por gravedad, mientras que las partículas sólidas insolubles quedan retenidas por el papel de filtro. Se pueden emplear conos de filtro, filtros acanalados o pipetas de filtración, según la cantidad de sustancia a analizar. ^{[ 6 ]} La filtración por gravedad se utiliza ampliamente en la vida cotidiana, por ejemplo, para colar el agua de cocción de los alimentos o para eliminar contaminantes de un líquido.

Solo cuando se aplica una fuerza impulsora, el fluido a filtrar puede 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 filtraciones de laboratorio sencillas como en filtros de lecho de arena de gran tamaño, puede utilizarse únicamente la fuerza gravitatoria. Las centrífugas con un recipiente que contiene un medio filtrante poroso pueden considerarse filtros en los que una fuerza centrífuga varias veces superior a la gravedad reemplaza a la fuerza gravitatoria. Normalmente, se aplica un vacío parcial al recipiente situado debajo del medio filtrante cuando la filtración de laboratorio resulta compleja, para acelerar el proceso. Dependiendo del tipo de filtro utilizado, la mayoría de las operaciones de filtración industrial emplean presión o vacío para acelerar la filtración y reducir la cantidad de equipo necesario. ^{[ 7 ]}

Los medios filtrantes son los materiales que se utilizan para separar 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 malla ). ^{[ 8 ]}
• Filtros de profundidad , lechos de material granular que retienen las partículas sólidas a medida que pasan (por ejemplo, filtro de arena ). ^{[ 9 ]}

Los filtros de superficie permiten que las partículas sólidas, es decir, el residuo, se recojan intactas; los filtros de profundidad no. 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 fácil desechar los gránulos contaminados que limpiar el tamiz sólido. ^{[ 10 ]} Los medios filtrantes se pueden limpiar enjuagándolos con solventes o detergentes o mediante retrolavado. Alternativamente, en aplicaciones de ingeniería, como las plantas de tratamiento de agua de piscinas , se pueden limpiar mediante retrolavado . Los filtros de malla autolimpiables utilizan el retrolavado en el punto de succión para limpiar la malla sin interrumpir el flujo del sistema.

Para facilitar la filtración, se pueden utilizar ciertos coadyuvantes. Estos suelen ser la tierra de diatomeas incompresible , o kieselguhr, compuesta principalmente de sílice . También se utilizan la celulosa de madera y otros sólidos porosos inertes, como la perlita , que es más económica y segura . El carbón activado se usa frecuentemente en aplicaciones industriales que requieren modificar las propiedades del filtrado, como alterar su color u olor.

Estos coadyuvantes de filtración pueden utilizarse de dos maneras. Se pueden aplicar como precapa antes de filtrar la suspensión , evitando que los sólidos gelatinosos obstruyan el medio filtrante y obteniendo un filtrado más claro. También se pueden añadir a la suspensión antes de la filtración, aumentando así la porosidad de la torta y reduciendo su resistencia durante el proceso. En un filtro rotatorio, el coadyuvante se aplica como precapa y, posteriormente, se cortan finas láminas de esta capa junto con la torta.

El uso de coadyuvantes de filtración generalmente se limita a los casos en que se desecha la torta de filtración o cuando el precipitado se puede separar químicamente del filtro.

La filtración es un método más eficiente 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 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, esta se centrifuga para forzar que el sólido (generalmente) más denso se deposite en el fondo, donde suele formar una torta firme . El líquido superior se puede decantar. 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. ^{[ 11 ]}

En mamíferos, reptiles y aves, los riñones funcionan mediante filtración renal, en la cual el glomérulo elimina selectivamente componentes indeseables como la urea , seguido de la reabsorción selectiva de muchas sustancias esenciales para que el cuerpo mantenga la homeostasis. El proceso completo se denomina excreción por micción . Soluciones similares, aunque a menudo menos complejas, se emplean en todos los animales, incluso en los protozoos , donde la vacuola contráctil cumple una función similar. ^{[ 12 ]}

Los biofilms suelen ser comunidades complejas de bacterias, fagos, levaduras y, a menudo, organismos más complejos como protozoos , rotíferos y anélidos , que forman películas dinámicas y complejas, frecuentemente gelatinosas, sobre sustratos húmedos. Estos biofilms recubren las rocas de la mayoría de los ríos y del mar, y constituyen la principal capacidad de filtración de la capa de sedimentos en la superficie de los filtros de arena lentos y de la película sobre el medio filtrante de los filtros percoladores, que se utilizan para obtener agua potable y tratar aguas residuales, respectivamente.

Un ejemplo de biopelícula es una sustancia viscosa biológica 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 fijación de biomasa deseable y nutrientes esenciales a un soporte inmovilizado. De esta manera, el agua puede reutilizarse en diversos procesos, y los avances en los métodos de biofiltración ayudan a eliminar volúmenes significativos de efluentes de aguas residuales . ^{[ 13 ]}

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 influyen en la estructura y función de estas biopelículas. Para llevar a cabo una investigación exhaustiva de la composición, diversidad y dinámica de las biopelículas, se emplean diversos enfoques moleculares, tanto tradicionales como contemporáneos. ^{[ 14 ]}

Los organismos filtradores obtienen su alimento filtrando su entorno, generalmente acuático. Muchos protozoos son filtradores y utilizan diversas adaptaciones, como espículas rígidas de protoplasma que se mantienen en la corriente de agua, como en los suctorios , y diferentes disposiciones de cilios que dirigen las partículas hacia la boca. Algunos organismos, como Vorticella , poseen un complejo anillo de cilios que crea un vórtice en la corriente, atrayendo las partículas hacia la cavidad oral. Los rotíferos y los ectoproctos utilizan técnicas de alimentación similares . Muchos artrópodos acuáticos son filtradores. Algunos utilizan el batido rítmico de sus extremidades abdominales para crear una corriente de agua hacia la boca, mientras que los pelos de sus patas atrapan las partículas. Otros, como algunas tricópteros, tejen finas telarañas en la corriente de agua para atrapar partículas. ^{[ 15 ]}