Définition et procédés de filtration (chimie)

La filtration est un processus utilisé pour séparer les solides des liquides ou des gaz à l'aide d'un média filtrant qui permet au fluide de traverser mais pas au solide. Le terme "filtration" s'applique que le filtre soit mécanique, biologique ou physique. Le fluide qui passe à travers le filtre est appelé filtrat. Le média filtrant peut être un filtre de surface, qui est un solide qui emprisonne les particules solides, ou un filtre en profondeur, qui est un lit de matériau qui emprisonne le solide.

La filtration est généralement un processus imparfait. Une partie du fluide reste du côté alimentation du filtre ou noyée dans le média filtrant et de petites particules solides traversent le filtre. En tant que technique de chimie et d'ingénierie, il y a toujours du produit perdu, que ce soit le liquide ou le solide collecté.

Exemples de filtration

Bien que la filtration soit une technique de séparation importante dans un laboratoire, elle est également courante dans la vie quotidienne.

• La préparation du café consiste à faire passer de l'eau chaude à travers le café moulu et un filtre. Le café liquide est le filtrat. Le thé d'infusion est sensiblement le même, que vous utilisiez un sachet de thé (filtre en papier) ou une boule de thé (généralement, un filtre métallique).
• Les reins sont un exemple de filtre biologique. Le sang est filtré par le glomérule. Les molécules essentielles sont réabsorbées dans le sang.
• Les climatiseurs et de nombreux aspirateurs utilisent des filtres HEPA pour éliminer la poussière et le pollen de l'air.
• De nombreux aquariums utilisent des filtres contenant des fibres qui captent les particules.
• Les filtres à bande récupèrent les métaux précieux pendant l'extraction.
• L'eau dans un aquifère est relativement pure car elle a été filtrée à travers du sable et des roches perméables dans le sol.

Méthodes de filtration

Il existe différents types de filtration. La méthode utilisée dépend en grande partie du fait que le solide est une matière particulaire (en suspension) ou dissous dans le fluide.

• Filtration générale: La forme la plus élémentaire de filtration utilise la gravité pour filtrer un mélange. Le mélange est versé par le haut sur un milieu filtrant (par exemple, du papier filtre) et la gravité tire le liquide vers le bas. Le solide est laissé sur le filtre, tandis que le liquide coule en dessous.
• Filtration sous vide: Un ballon et un tuyau Büchner sont utilisés pour créer un vide pour aspirer le fluide à travers le filtre (généralement à l'aide de la gravité). Cela accélère considérablement la séparation et peut être utilisé pour sécher le solide. Une technique connexe utilise une pompe pour former une différence de pression des deux côtés du filtre. Les filtres de la pompe n'ont pas besoin d'être verticaux car la gravité n'est pas la source de la différence de pression sur les côtés du filtre.
• Filtration à froid: La filtration à froid est utilisée pour refroidir rapidement une solution, provoquant la formation de petits cristaux. Il s'agit d'une méthode utilisée lorsque le solide est initialement dissous. Une méthode courante consiste à placer le récipient contenant la solution dans un bain de glace avant la filtration.
• Filtration à chaud: Dans la filtration à chaud, la solution, le filtre et l'entonnoir sont chauffés pour minimiser la formation de cristaux pendant la filtration. Les entonnoirs sans tige sont utiles car il y a moins de surface pour la croissance des cristaux. Cette méthode est utilisée lorsque les cristaux obstrueraient l'entonnoir ou empêcheraient la cristallisation du deuxième composant dans un mélange.

Parfois, des auxiliaires de filtration sont utilisés pour améliorer le débit à travers un filtre. Des exemples d'adjuvants de filtration sont la silice, la terre de diatomées, la perlite et la cellulose. Des auxiliaires de filtration peuvent être placés sur le filtre avant la filtration ou mélangés avec le liquide. Les aides peuvent aider à empêcher le filtre de se boucher et peuvent augmenter la porosité du "gâteau" ou alimenter le filtre.

Filtration contre tamisage

Une technique de séparation connexe est le tamisage. Le tamisage fait référence à l'utilisation d'une seule maille ou d'une couche perforée pour retenir les grosses particules tout en permettant le passage de plus petites. En revanche, lors de la filtration, le filtre est un treillis ou comporte plusieurs couches. Les fluides suivent les canaux du milieu pour passer à travers un filtre.

Alternatives à la filtration

Il existe des méthodes de séparation plus efficaces que la filtration pour certaines applications. Par exemple, pour de très petits échantillons dans lesquels il est important de recueillir le filtrat, le milieu filtrant peut absorber trop de liquide. Dans d'autres cas, une trop grande partie du solide peut se coincer dans le média filtrant.

La décantation et la centrifugation sont deux autres processus qui peuvent être utilisés pour séparer les solides des fluides. La centrifugation consiste à faire tourner un échantillon, ce qui force le solide plus lourd au fond d'un récipient. En décantation, le fluide est siphonné ou déversé du solide après sa chute de solution. La décantation peut être utilisée après centrifugation ou seule.