فیلتراسیون در شیمی

فیلتراسیون در شیمی کاربردهای زیادی دارد. فیلتراسیون به فرآیندی گویند که در آن ذرات جامدی که درون یک مایع قرار دارند، توسط یک فیلترکننده جدا می شوند. این فیلتر به گونه ای طراحی می شود که تنها مایعات بتوانند از آن عبور کنند و ذرات جامد از آن عبور نکند. فیلتراسیون یک مفهوم کلی است و منحصر به فیلتراسیون در شیمی نمی شود. چیزهای دیگری مانند الکتریسیته، نور یا حتی صدا نیز می توانند فیلتر شود. در مقاله حاضر قصد داریم تا به بررسی اهمیت و کاربردهای فیلتراسیون در شیمی بپردازیم.

تاریخچه استفاده از فیلتراسیون

استفاده از فیلتراسیون در شیمی و به صورت کلی در زندگی انسان سابقه ای طولانی دارد. برای اولین بار انسانهای اولیه از فیلتراسیون استفاده می کردند. آنها برای به دست آوردن آب زلال از رودخانه، یک سوراخ در شن و ماسه اطراف رودخانه ایجاد می کردند تا به آب عمیق تر که زلال تر است برسند. این آب توسط شن و ماسه فیلتر می شد تا آبی با کیفیت در اختیار آنها قرار گیرد. این ساز و کار امروزه در مقیاس بزرگتر نیز در تصفیه آب شهرها استفاده می شود.

آشنایی با اجزای فیلتراسیون در شیمی

برای آشنایی با فیلتراسیون در شیمی لازم است تا در ابتدا با اجزای فیلتراسیون آشنا شویم. اجزای فیلتراسیون به صورت کلی به 4 دسته تقسیم بندی می شود:

• محیط فیلتر
• یک مایع که حاوی ذرات جامد معلق است.
• یک نیروی محرکه برای ایجاد جریان در سیال
• یک وسیله مکانیکی برای فیلتر کردن محیط.

تنها زمانی که نیروی محرکه تامین شود، می توان یک سیال را فیلتر کرد. نیروی محرکه می تواند گرانش باشد یا از طریق اعمال فشار به سیال و یا اعمال خلاء به وجود بیاید. معمولا هنگامی که در آزمایشگاه فرآیند فیلتراسیون به سادگی انجام نشود، از روش خلا استفاده می شود تا فرآیند سریع تر انجام شود. موادی نیز به عنوان کمک فیلتها وجود دارند که می توانند به فرآیند فیلتراسیون کمک کنند. مثلا خاکهایی که از جنس سیلیس ساخته می شود یا کربن فعال، می تواند از جمله این مواد به شمار رود. کمک فیلترها معمولا در شرایطی استفاده می شوند که رسوب بعد از فرآیند فیلتراسیون، دور ریخته می شود و همچنین رسوب قابلیت جداسازی از نظر شیمیایی را داشته باشد.

کاربردهای فیلتراسیون

فیلتراسیون در شیمی یک تکنیک بسیار مهم محسوب می شود. با این وجود در زندگی روزمره نیز دائما با این فرآیند سر و کار داریم. به عنوان مثال برای دم کردن قهوه باید آب داغ را از قهوه آسیاب شده که همان فیلتر است عبور دهید. دم کردن چایی نیز ساز و کار مشابه دارد. به عنوان مثال در چای کیسه ای، از فیلتر کاغذی برای دم کردن چایی استفاده می کنید. دستگاه های تهویه و بسیاری از جارو برقیها نیز از فیلترها برای حذف گرد و غبار استفاده می کنند.

کاربرد فیلتراسیون در شیمی چیست؟

فیلتراسیون در شیمی و آزمایشگاه های شیمی مانند زندگی روزمره کاربردهای زیادی دارد. همان طور که گفتیم، بدون استفاده از فیلتراسیون نمی توان ذرات ناخالصی را از محلولها حذف کرد. بدین ترتیب در استفاده از محلولها مشکلات زیادی به وجود می آید. همچنین مواد جانبی که در اثر واکنشهای شیمیایی به وجود می آیند، بدون استفاده از فیلتراسیون امکان حذف آنها وجود ندارد. به صورت کلی، حلالیت ترکیبات آلی را می توان به دو دسته تقسیم بندی نمود. دسته اول حلالیتهایی است که در آن واکنش شیمیایی نیروی محرکه است که می توان واکنشهای اسیدی و بازی را در این دسته قرار داد. دسته دوم دسته ای است که در آن فقط مخلوط کردن ساده انجام می شود. فیلتراسیون در شیمی به عنوان تکنیکی استفاده می شود که از آن برای حذف ناخالصی های جامد از محلول آلی یا جدا سازی یک جامد آلی استفاده می شود.

انواع روش فیلتراسیون در شیمی

برای انجام فرآیند فیلتراسیون در شیمی روشهای مختلفی وجود دارد. به صورت کلی دو نوع روش فیلتر در آزمایشگاههای شیمی استفاده می شود که عبارت اند از فیلتراسیون گرانشی و فیلتراسیون خلا. فیلتراسیون گرانشی روشی برای حذف ناخالصیهای جامد از یک مایع آلی است. ناخالصی می تواند یک عامل خشک کننده یا یک محصول جانبی باشد که قصد حذف آن را از مایع داریم. با استفاده از فیلتر گرانشی می توان این محصولات جامد را فیلتراسیون کرد. البته از فیلتر خلا هم می توان برای این کار استفاده کرد.

از روش فیلتراسیون گرانشی داغ، برای جدا سازی ناخالصیهای نامحلول در محلول داغ استفاده می شود. فیلتر­های داغ نیاز به کاغذ صافی و دقت بالایی دارند. چرا که داغ کردن محلول می تواند باعث تبخیر آن شود و باید مراقب بود که این اتفاق رخ ندهد. البته امروزه از فیلترهای داغ در آزمایشگاههای شیمی استفاده نمی شود.

فیلتراسیون گرانشی

یکی از روشهای فیلتراسیون در شیمی، روش گرانشی است. برای انجام فیلتراسیون گرانشی، در ابتدا یک کاغذ صافی را تا می کنند تا به اندازه چند میلی متر زیر لبه قیف قرار گیرد. کاغذ به شکل مخروطی و مطابق شکل زیر تا می شود. بعد از آن کاغذ با چند میلی لیتر حلال خیس می شود تا در روی قیف به صورت ثابت قرار گیرد. بعد از آن مایع را درون ظرف می ریزیم و از کاغذ عبور داده می شود تا فیلتر شود.

فیلتراسیون خلا

روش دیگر مورد استفاده برای فیلتراسیون در شیمی، روش خلا است. از فیلتراسیون خلا برای جمعاوری جامد مورد نظر در آزمایشگاه های شیمی استفاده می شود. به عنوان مثال برای جمع آوری کریستالهای حاصل از فرآیند تبلور مجدد، از این روش فیلتراسیون در شیمی استفاده می شود. فیلتراسیون خلا روشی سریعتر از فیلتراسیون گرانشی است. البته به جز روشهای ذکر شده، روشهای دیگری نیز برای فیلتراسیون در شیمی وجود دارد. مانند فیلتراسیون گریز از مرکز که با چرخش سریع ماده ای که باید فیلتر شود انجام می شود. فیلتراسیون سرد نیز روش دیگری است که برای فیلتراسیون در شیمی استفاده می شود. در این روش از یک حمام یخ برای خنک کردن دمای محلول قبل از انجام فرآیند فیلتراسیون استفاده می شود. این روش منجر به تشکیل کریستالهای بسیار کوچک می شود.

استفاده از فیلتراسیون در آزمایشگاه های پزشکی

علاوه بر کاربردهایی که فیلتراسیون در شیمی دارد، یکی از کاربردهای جذاب فیلتراسیون در آزمایشگاههای پزشکی است. امروزه ابعاد فیلترها به قدری کوچک است که می تواند مواردی مانند ویروسها را فیلتر کند. حتی نانو فیلترهایی وجود دارد که قابلیت فیلتراسیون پروتئینها را نیز دارد. از این رو در آزمایشگاههای مرتبط با پزشکی نیز از فیلتراسیون استفاده می شود. همان طور که مشاهده کردید، فیلتراسیون یکی از فرآیندهای بسیار مهم در زندگی ما به شمار می رود. از این فرآیند به روشهای مختلفی در آزمایشگاههای شیمی هم استفاده می شود. امروزه با استفاده از نانو فیلترها، فرآیند فیلتراسیون کمک زیادی را به محققین در آزمایشگاه ها می کند.

سوالات متداول فیلتراسیون در شیمی

1- چرا فیلتراسیون اهمیت دارد؟

فیلتراسیون برای تمیز نگهداشتن مواردی مانند آب یا مواد شیمیایی و دارویی بسیار مهم است. اگر فیلتراسیون نبود احتمالا آب آشامیدنی سالمی در جهان برای خوردن وجود نداشت.

2- چرا فیلتراسیون در شیمی اهمیت دارد؟

فیلتراسیون در شیمی برای جداسازی مواد با ترکیبات شیمیایی مختلف در یک محلول بسیار اهمیت دارد. از فیلتراسیون در شیمی می توان برای جداسازی جامداتی که قابل حل هستند نیز استفاده نمود.

3- چه پارامترهایی روی فیلتراسیون اثر گذار است؟

پارامترهای مختلفی روی فیلتراسیون اثر گذار است. اندازه ذرات جامد، غلظت ماده جامد، ضخامت فیلتر، نوع محلول و غیره می تواند روی فرآیند فیلتراسیون اثر گذار باشد.

4- دما چگونه روی فیلتراسیون اثر می گذارد؟

دما می تواند روی فیلتراسیون اثر گذار باشد. به عنوان مثال مطابق آزمایشهای انجام شده، هنگامی که دما کم تر از 70 درجه است، راندمان فیلتراسیون کمتر است. در حالی که با افزایش دما به 90 تا 110 درجه، میزان فیلتراسیون افزایش می یابد.

5- نرخ فیلتراسیون چیست؟

نرخ فیلتراسیون به عددی می گویند که میزان عبور یک مایع را در یک زمان مشخص از فیلتر نشان می دهد. معمولا نرخ فیلتراسیون برحسب گالون بر دقیقه یا گالون بر متر مربع گفته می شود