UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

Facultad de ingeniería química

LABORATORIO DE ANALISIS QUIMIICO

FILTRACION

INTEGRANTES: Benalcázar Valeria

Salinas Macarena

Quito – Ecuador

FILTRACION

La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método

físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de

diferentes fases. Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas

(fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas

en la superficie o en el interior del medio filtrante.

En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación:

Filtración de

• Partículas sólidas de líquidos (suspensiones)

• Partículas sólidas de gases

• Gotículas líquidas de gases (aerosoles)

• Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido (emulsiones)

Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de

suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o

emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar p.ej. agua de

combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o

alquitrán.

En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre

filtración de separación o filtración clarificante.

En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado

sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no

es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido.

Contrariamente, en la filtración clarificarte, el líquido se debe limpiar en lo posible

completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir

trabajando con el líquido purificado.

La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento

analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de

producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra – ya sea p.ej.

en el análisis de alimentos, el ensayo de morteros, el análisis de humos o en el

control microbiológico.

1. CLASIFICACION DE LA FILTRACION

La filtración se clasifica de acuerdo a los siguientes aspectos:

a) Material a separar

b) Fuerza impulsora

c) Flujo

d) Mecanismo retención

a) Material a separar

Filtración convencional: filtración para clarificación soluciones ≥ 10

μm

Micro filtración: 0.1 – 10 μm (agua p. iny.)

Ultrafiltración: 0.001 – 0.1 μm (macromoléculas), utilización de

membranas

Ósmosis inversa: 0.001 – 0.0001 μm (iones) (membranas- p)

Imagen 1-1

Clasificación en función del tamaño de las partículas a separar

Fuente: www.monografias.com

b) Fuerza impulsora

Hidrostática (gravedad)

Presión

Vacío

Centrifugación

c) Flujo

Constante

Variable

d) Mecanismo retención

Cribado

Adsorción

1.1. Filtración con papel

Los papeles de filtro y los cartuchos de papel retienen las impurezas en la

superficie y en la matriz del filtro. Frecuentemente se denominan como

filtros de profundidad y tienen una elevada capacidad de retener partículas

y permiten procesar grandes cantidades de muestra. Las impurezas se van

acumulando a medida que avanza la filtración dentro del filtro, modificando

las propiedades de filtración. Entre las fibras dispuestas anárquicamente del

filtro de profundidad se forma un lecho filtrante secundario. Esta es la razón

por la que no se puede determinar una porosidad nominal para los filtros de

profundidad.

1.2. Filtración con membrana

La membrana filtra fundamentalmente en la superficie de la misma.

Partículas mayores que la porosidad nominal permanecen sobre el filtro,

mientras que las partículas más pequeñas pasan el filtro, a no ser que otras

interacciones en el filtro retengan éstas en la matriz de la misma. Se puede

ensayar la integridad de los filtros de membrana. La filtración es claramente

más lenta que con filtros de profundidad.

1.3. Filtración por vacío o por presión

En filtraciones sencillas únicamente la gravedad actúa sobre el proceso.

Como consecuencia, los tiempos de filtración son largos.

La aplicación de vacío en el lado donde se recoge el filtrado o la aplicación

de presión en la parte superior del filtro aceleran la filtración. El montaje

aparatístico resulta así algo más complejo, pero es una desventaja que

queda claramente compensada gracias a la obtención de tasas de flujo más

elevadas. Los aparatos diseñados para filtración en línea o por lotes, son

mecánicamente estables a la presión y están fabricados con materiales de

elevada calidad químicamente resistentes. Soportes adecuados para los

filtros garantizan que estos resistan las diferencias de presión. La

construcción de los aparatos posibilita la sencilla sustitución y una limpieza

cómoda.

1.4. Filtración de superficie

Cribado: Retención mecánica, es función del tiempo:

Límite de separación absoluto

Estructura homogénea

Espesor pequeño (no absorben líquidos)

Colmatación rápida (>S, pre-filtros, coadyuvantes)

Figura 1.4-1 filtración de superficie

Fuente: http://catalogo.rodelab.com/Whatman/02_Filtros.pdf

1.5. Filtros en profundidad

Adsorción: atracción electrostática o fuerzas de Van der Waals

Estructura tridimensional

Gran tortuosidad

Adsorción + Cribado

Límite de separación nominal

Cesión fragmentos y/o impurezas

No se colmatan rápidamente

Gran capacidad de retención

mayor absorción de líquido

Figura 1.5-1 filtración en profundidad

Fuente: http://catalogo.rodelab.com/Whatman/02_Filtros.pdf

2. CINÉTICA DE LA FILTRACIÓN

No obstante el extenso conocimiento de los mecanismos de la filtración, no

se ha podido llegar a encontrar un modelo matemático que describa con

precisión el comportamiento de los diferentes parámetros de operación de

los filtros. No existe, hasta ahora, ninguna fórmula o conjunto de fórmulas

con las cuales, asumidos determinados valores, se puedan calcular los

diferentes parámetros que inciden en el funcionamiento de un filtro.

Obviamente, esta dificultad no limita el hecho de poder determinar los

parámetros del proceso de filtración experimentalmente.

Resulta, entonces, conveniente realizar estudios con filtros piloto, cuando

se quiera conocer el comportamiento de un determinado filtro con una cierta

suspensión, ya que cualquier alteración en esta o el medio filtrante significa

un cambio en los parámetros del proceso.

Sin embargo, los modelos matemáticos resultan útiles para la mejor

comprensión del proceso de filtración. Un gran número de autores ha

desarrollado expresiones matemáticas que establecen relaciones entre las

diferentes variables del proceso.

2.1. Balance de masas

El balance de masas tiene una doble finalidad en el análisis de la filtración.

En primer lugar, conjuntamente con la ecuación que describe la remoción

de partículas suspendidas, permite determinar la distribución de los

depósitos en el medio filtrante en función de la posición y del tiempo. En

segundo lugar, el balance de masas conduce a una expresión que hace

posible conocer la cantidad de sólidos removidos por unidad de volumen

del medio filtrante.

A continuación se presentan algunas de los parámetros generales para la

filtración:

Caudal:

Flujo:

Ec. Poiseuille:

Figura 2.1-1 Elemento de lecho filtrante

Fuente:

http://personal.us.es/mfarevalo/recursos/tec_far/filtracion.pdf

Velocidad lineal media:

Porosidad:

Superficie efectiva de filtración:

Superficie opaca:

2.2. Consideraciones prácticas sobre la velocidad de filtración

Presión: fuerza impulsadora

Cantidad y características de los sólidos

SOLIDOS CRISTALINOS INDEFORMABLES TAMAÑO UNIFORME

TORTAS FLOCULENTAS

GELES

Existe un tamaño crítico de partículas suspendidas, del orden de 1

μm, el cual genera menos oportunidad de contacto entre la partícula

suspendida y el grano del medio filtrante. Este hecho se puede

observar desde el principio, cuando el medio filtrante está limpio,

hasta el final de la carrera de filtración. Algunos productos químicos,

como los coagulantes tradicionales y los polímeros, pueden usarse

para ajustar el tamaño de las partículas suspendidas de modo de

obtener una eficiencia mayor. Las partículas menores que el tamaño

crítico serán removidas eficientemente, debido, principalmente, a la

difusión; mientras que las mayores también serán removidas

eficientemente debido a la acción de otros mecanismos, como la

intercepción y la sedimentación.

Reducción sustancial del

consumo de coagulante.

Menor volumen de lodo

producido en la planta.

Facilidad en el tratamiento de

agua cruda con baja turbiedad.

2.3. CARACTERISTICAS DEL MEDIO FILTRANTE

Elevado poder de retención de partículas omicroorganismos

Gran resistencia química y mecánica

Facilidad de desprendimiento de la torta

Máximo volumen filtrable

Elevado caudal de filtración con mínima resistencia al flujo

No exista extracción de ningún componente del filtro

Escasa o nula capacidad de adsorcion de sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.)

2.4. MEDIOS FILTRANTES

2.4.1. Materiales filtrantes sueltos: Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal

Separación partículas grandes

Cesión de filamentos (filtrar varias veces)

2.4.2. Materiales porosos:

Vidrio fritado: Inercia química, carga negativa

Metales sinterizados: Filtración de gases

Porcelana porosa y sílice: Filtración en profundidad

2.4.3. Tejidos y membranas

2.4.3.1. Fibras de celulosa FILTRACION

Placas, discos, papeles (ceden fibras)

Estado seco: líquidos polares y apolares

Estado húmedo: líquidos polares

Filtro en profundidad

Esterilizables con vapor de agua

Clarificación y pre filtró

2.4.3.2. Esteres de celulosa

Membranas de nitrocelulosa y acetato de celulosa: muy utilizados

Amplia gama de tamaño de poro y bien definidos

Muy porosos (80%): elevado caudal de filtración

Filtración en superficie y esterilizante

Estabilidad térmica limitada (80 °C)

Componentes extraíbles (nitrocelulosa)

Incompatibles con ciertos disolventes orgánicos

2.4.3.3. Fibra de vidrio

Retículo de fibras finas de vidrio, relativamente grueso (0.25 mm)

Caudal alto, gran capacidad antes de colmatarse y elevada resistencia química

Resistentes al calor y de bajo costo

Cesión de fragmentos al filtrado

Filtración en profundidad

2.4.3.4. Fibras sintéticas Polipropileno, Nylon, Polisulfona, Difluoruro de polivinilideno (PVDF), Politetrafluoruro de etileno (PTFE o teflon), Policarbonato

Alta resistencia y ceden pocas fibras

Filtración en superficie

Alta porosidad, tamaño uniforme de poros

Se utilizan como filtros finales (micro- y ultrafiltración) y algunos en filtración esterilizante

OCLUSIÓN:

En este proceso los iones extraños quedan atrapados en el interior del cristal. El

grado de oclusión depende hasta cierto punto de la velocidad de precipitación. La

oclusión también se puede producir por atrapamiento mecánico del disolvente en

los huecos del cristal, las oclusiones son cúmulos de impurezas atrapados en el

cristal durante el crecimiento de este. La purificación por disolución y re

precipitación puede ayudar a eliminar las impurezas. Los precipitados coagulosos

o gelatinosos no presentan impurezas ocluidas.

INCLUSIÓN:

Ocurre cuando la impureza ocupa un nodo en la red cristalina del precipitado. Así

el BaSO4(s) puede alojar iones cromato (CrO4 2-)los cuales ocupan el lugar de

alguno de los iones SO4²- en el ordenamiento cristalino.

Inclusión isomórfica (o formación de cristales mixtos), según la cual el

compuesto de coprecipitado posee una composición química y una dimensiones

tales que le permiten encajar en la estructura cristalina del precipitado sin causar

en ella tensiones apreciables ni distorsiones

Inclusión no isomórfica (o formación de soluciones sólidas), según la cual

aparecen como disueltas en el precipitado pequeñas cantidades de impureza.

ADSORCIÓN:

Cualquier gas, vapor, líquido o soluto se puede adherir a una superficie sólida

porosa a temperatura ambiente o menor (30 a 0°C). La estructura del adsorbente

es cristalina y las fuerzas de valencia que unen los átomos del enrejado están

insatisfechas en su superficie. Las moléculas del adsorbato son así atraídas a la

superficie exterior y también a la interior a través de una amplia red de canales

extremadamente finos y poros submicroscópicos [1-3,6]. Éstas y la facilidad de

manipulación son las características que hacen que estos sólidos sean preferidos

para recolectar muestras de aire.

El mismo tipo de fuerzas que causa la condensación está involucrado en la

adsorción física. La cantidad de gas adsorbido en condiciones seleccionadas es

directamente proporcional a su facilidad de condensación. De tal manera que el

punto de ebullición es una buena indicación de la facilidad del compuesto para ser

adsorbido. La tendencia del gas a adsorberse aumenta con la presión y disminuye

con el aumento de la temperatura a la que esté sometido. Por lo general, la

adsorción del gas progresa rápidamente en la primera exposición. Después, el

proceso continúa a un ritmo menor conforme la superficie adsorbente va siendo

ocupada por moléculas del gas.

Adsorción superficial, según la cual el precipitado resulta impurificado por un

compuesto constituido por los iones adsorbidos en la superficie del sólido y los

contra-iones de carga opuesta presentes en la película líquida inmediatamente

adyacente a la partícula.

Tabla 1. Adsorbentes sólidos más comunes

La adsorción física es fácilmente revertida por desorción con alta temperatura o

por uso de solvente. Ambas técnicas son empleadas para recuperar el adsorbato y

someterlo al análisis químico. La desorción térmica se usa para recuperar VOC y

generalmente el muestreador es colocado en línea con un equipo de

cromatografía de gases convencional o con detector de masas.

No existe un adsorbente universal; la razón es la amplísima variedad de tipos,

tamaños y reactividades de los contaminantes presentes en el aire. El carbón

activado es el soporte más común para vapores orgánicos y la sílica gel es lo

mejor para vapores inorgánicos y orgánicos polares. Hay muchos más, pero el

criterio principal para aceptarlos es que puedan recoger, atrapar y estabilizar

exitosamente los contaminantes de manera que puedan ser apropiadamente

analizados luego de un tiempo.