Principios y Técnicas de Filtración en Procesos Químicos

La filtración es la operación de separación de las partículas sólidas presentes en un fluido (líquido o gas) mediante el paso de este a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos. Generalmente, el fluido es una disolución líquida. En ocasiones, lo que interesa aislar es el sólido, mientras que en otros casos se busca obtener la disolución clarificada.

Tipos de Medios Filtrantes

Existen diversos materiales y configuraciones para retener las partículas sólidas:

• Filtros de profundidad: Las partículas son retenidas tanto en la superficie como en la trama de fibras que componen el filtro. Se utilizan comúnmente en ensayos biológicos o ambientales.
• Filtros de superficie: Las partículas de tamaño mayor que el poro del filtro son retenidas principalmente en la superficie del mismo.
• Papel de filtro: Es un tipo de filtro de profundidad, fabricado a partir de diversos materiales como fibras de celulosa o fibras de vidrio. Se puede emplear plegado (filtración más rápida) o en forma cónica.
• Filtros de fibra de vidrio: Se elaboran a partir de fibras de vidrio de borosilicato y son resistentes a altas temperaturas y agentes químicos.

Métodos Comunes de Filtración

Filtración por Gravedad

Este método utiliza la fuerza de la gravedad para hacer pasar el líquido a través del medio filtrante, usualmente dispuesto en un embudo cónico. El líquido atraviesa el filtro por gravedad, mientras que el sólido queda retenido en él.

• Filtros cónicos: Se emplean principalmente cuando interesa recoger la fase sólida retenida.
• Filtros de pliegues: Se utilizan cuando el interés principal es la disolución filtrada. Ofrecen una mayor superficie de filtración y permiten un paso de aire más fácil, acelerando el proceso.

La filtración por gravedad se aplica en diversos casos:

• Separación de impurezas insolubles durante un proceso de cristalización (filtración en caliente).
• Eliminación de un agente desecante sólido de una disolución orgánica seca.
• Filtraciones generales donde se descarta el sólido y se recoge la disolución.

Nota: En un proceso de cristalización, la filtración en caliente suele realizarse sobre un matraz Erlenmeyer para minimizar la evaporación y la cristalización prematura. Si el paso siguiente es eliminar el disolvente (por ejemplo, mediante evaporación rotatoria), se filtra directamente sobre un matraz de fondo redondo.

Filtración a Presión Reducida (Vacío)

Este método es considerablemente más rápido que la filtración por gravedad, ya que utiliza una diferencia de presión para forzar el paso del líquido a través del filtro. Requiere la conexión a una fuente de vacío, comúnmente una trompa de agua o una bomba de vacío.

Filtración con Embudo Büchner

Se utiliza un embudo Büchner de porcelana o vidrio con una placa perforada sobre la cual se coloca un disco de papel de filtro de tamaño adecuado para cubrir todos los orificios. El embudo se ajusta herméticamente sobre un matraz Kitasato mediante un adaptador de goma.

Se emplea típicamente en:

• Aislamiento de cristales obtenidos en un proceso de cristalización.
• Recogida de un sólido formado en un proceso de precipitación.
• Filtraciones donde interesa aislar el sólido de forma rápida y eficiente, independientemente de que la disolución se descarte o no.

Material necesario: Embudo Büchner, papel de filtro redondo, adaptador de goma (cono de Guko), matraz Kitasato y conexión a vacío. Para filtrar volúmenes pequeños, el Kitasato puede sustituirse por un tubo de ensayo de filtración conectado a vacío.

Filtración con Placa Filtrante (Embudo de Placa Filtrante)

La superficie filtrante es un disco de material poroso (vidrio sinterizado) con un tamaño de poro determinado (indicado en la placa), que impide el paso del sólido. Se lleva a cabo a vacío, siguiendo un procedimiento análogo al que se emplea con un embudo Büchner, pero sin necesidad de papel de filtro.

Esta filtración se usa tanto si interesa aislar el sólido como la disolución, en aplicaciones como:

• Filtración de cristales en un proceso de cristalización.
• Filtración del sólido en un proceso de precipitación.
• Filtración del agente desecante en un proceso de secado (en este caso, la filtración puede realizarse directamente sobre un matraz conectado a vacío).

Filtración sobre Celita

La celita (tierra de diatomeas) es un material compuesto esencialmente por sílice finamente dividida que se utiliza como coadyuvante de filtración. Se emplea para filtrar a vacío suspensiones coloidales, gelatinosas o sólidos de partículas muy finas (generalmente inorgánicos) que, de filtrarse directamente, obturarían rápidamente los poros del filtro (papel o placa).

Se forma una fina capa de celita sobre el papel de filtro o la placa filtrante antes de verter la mezcla a filtrar. La celita se emplea solamente cuando se desean eliminar los sólidos pulverulentos o gelatinosos, ya que el sólido retenido queda mezclado con ella.

Otras Técnicas de Filtración

Filtración a Pequeña Escala con Pipeta Pasteur

En los casos en los que el sólido a filtrar es cristalino o no pulverulento y la cantidad es muy pequeña, se puede dejar decantar la mezcla. Luego, el líquido sobrenadante se elimina cuidadosamente utilizando una pipeta Pasteur. También se usa para filtrar cantidades pequeñas de líquido que contienen impurezas sólidas que se quieren eliminar, colocando un pequeño tapón de algodón o lana de vidrio en la punta de la pipeta.

Filtración Bajo Atmósfera Inerte

Cuando se manejan compuestos sensibles a la humedad o al oxígeno del aire, es necesario llevar a cabo la filtración bajo una atmósfera inerte (nitrógeno o argón). Pueden utilizarse embudos de placa filtrante provistos de dos bocas esmeriladas, que permiten la conexión a dos matraces (Schlenk) formando un sistema cerrado y manteniendo la atmósfera inerte durante todo el proceso.

Filtración en la Industria

La filtración es una operación unitaria fundamental en un gran número de procesos industriales, incluyendo:

• Tratamientos y depuración de aguas potables y residuales en las grandes ciudades.
• Purificación de aceites comestibles.
• Clarificación de azúcares y jugos vegetales.
• Producción de colorantes y pigmentos.
• Elaboración de cervezas y vinos.
• Fabricación de productos farmacéuticos y biotecnológicos.

Algunos tipos comunes de equipos de filtración industrial son:

• Filtros de arena (tratamiento de aguas).
• Filtros prensa.
• Filtros de vacío (ej. filtro rotatorio de tambor a vacío, filtro de disco).
• Filtros a presión (ej. filtros de cartucho, filtros de bolsa).
• Filtros de membrana (microfiltración, ultrafiltración).