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 laisse passer le fluide mais pas le solide. Le terme "filtration" s'applique que le filtre soit mécanique, biologique ou physique. Le liquide qui passe à travers le filtre s'appelle le filtrat. Le média filtrant peut être un filtre de surface, qui est un solide qui retient les particules solides, ou un filtre en profondeur, qui est un lit de matériau qui retient le solide.

La filtration est généralement un processus imparfait. Un peu de liquide reste du côté alimentation du filtre ou noyé dans le média filtrant et quelques petites particules solides se frayent un chemin à travers le filtre. En tant que technique de chimie et d'ingénierie, il y a toujours un produit perdu, qu'il s'agisse du liquide ou du solide collecté.

Exemples de filtrage

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

• 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. L'infusion du thé est sensiblement la même, que vous utilisiez un sachet de thé (filtre en papier) ou une boule à thé (généralement un filtre en métal).
• 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 capturent les particules.
• Les filtres à bande récupèrent les métaux précieux pendant l'extraction.
• L'eau d'un aquifère est relativement pure car elle a été filtrée à travers le sable et la roche perméable du sol.

Méthodes de filtrage

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

• Filtrage général : La forme de filtration la plus élémentaire 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 reste sur le filtre, tandis que le liquide s'écoule en dessous.
• Filtration sous vide : Un flacon Büchner et un tuyau 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 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 bouchent l'entonnoir ou empêchent 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'auxiliaires de filtration sont la silice, la terre de diatomées, la perlite et la cellulose. Les adjuvants 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 vs 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 des plus petites. En revanche, lors de la filtration, le filtre est un treillis ou comporte plusieurs couches. Les fluides suivent des canaux dans le milieu pour passer à travers un filtre.

Alternatives au filtrage

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 collecter le filtrat, le média filtrant peut absorber trop de liquide. Dans d'autres cas, trop de solides peuvent être piégés dans le média filtrant.

Deux autres procédés pouvant être utilisés pour séparer les solides des fluides sont la décantation et la centrifugation. La centrifugation consiste à faire tourner un échantillon, ce qui force le solide le plus lourd au fond d'un récipient. Dans la décantation, le fluide est siphonné ou déversé du solide après qu'il soit tombé de la solution. La décantation peut être utilisée après la centrifugation ou seule.