Визначення та процеси фільтрації (хімія)

Фільтрація - це процес, що використовується для відокремлення твердих речовин від рідин або газів з використанням фільтруючого середовища, що пропускає рідину, але не тверді частинки. Термін "фільтрація" застосовується незалежно від того, чи є фільтр механічним, біологічним чи фізичним. Рідина, що пройшла крізь фільтр, називається фільтратом. Фільтруюче середовище може бути поверхневим фільтром, який являє собою тверду речовину, що уловлює тверді частинки, або глибинним фільтром, що є шаром матеріалу, який уловлює тверді частинки.

Фільтрування зазвичай є недосконалим процесом. Деяка кількість рідини залишається на вхідній стороні фільтра або проникає у матеріал, що фільтрує, а деякі дрібні тверді частинки проходять через фільтр. Як хімія та інженерна техніка, завжди є якийсь втрачений продукт, чи то рідина, що збирається, чи тверда речовина.

Приклади фільтрації

Хоча фільтрація є важливим методом поділу в лабораторії, вона також широко використовується у повсякденному житті.

• Приготування кави включає пропускання гарячої води через мелену каву та фільтр. Рідка кава – це фільтрат. Заварювання чаю практично однаково, незалежно від того, чи використовуєте ви чайний пакетик (паперовий фільтр) або чайну кульку (зазвичай з металевим фільтром).



• Нирки є прикладом біологічного фільтра. Кров фільтрується клубочками. Основні молекули реабсорбуються у кров.



• Кондиціонери та багато пилососів використовують фільтри HEPA для видалення пилу та пилку з повітря.



• У багатьох акваріумах використовуються фільтри, що містять волокна, що уловлюють тверді частинки.



• Стрічкові фільтри витягують дорогоцінні метали при видобутку корисних копалин.



• Вода у водоносному обрії відносно чиста, тому що вона фільтрується через пісок та проникну породу в землі.

Методи фільтрації

Існують різні типи фільтрації. Який метод використовується, багато в чому залежить від того, чи є тверда речовина твердим тілом (зваженим) або розчиненим у рідині.

• Загальна фільтрація: основна форма фільтрації використовує гравітацію для фільтрації суміші. Суміш виливається зверху на матеріал, що фільтрує (наприклад, фільтрувальний папір), і сила тяжіння стягує рідину вниз. Тверда речовина залишається на фільтрі, а рідина тече під нею.



• Вакуумна фільтрація: колба Бюхнера та шланг використовуються для створення вакууму для всмоктування рідини через фільтр (зазвичай за допомогою сили тяжіння). Це значно прискорює розподіл і може використовуватися для сушіння твердої речовини. У спорідненому методі використовується насос для створення різниці тисків з обох боків фільтра. Фільтри насоса не обов'язково повинні бути вертикальними, тому що гравітація не є джерелом різниці тиску з боків фільтра.



• Холодна фільтрація: Холодна фільтрація використовується для швидкого охолодження розчину, викликаючи утворення дрібних кристалів. Цей метод використовується, коли тверда речовина спочатку розчинена. Найпоширенішим методом є приміщення контейнера з розчином у лазню з льодом перед фільтрацією.



• Гаряча фільтрація: при гарячій фільтрації розчин, фільтр і вирва нагріваються, щоб звести до мінімуму утворення кристалів під час фільтрації. Безстеблові вирви зручні тим, що мають меншу площу поверхні для зростання кристалів. Цей метод використовується, коли кристали забивають воронку або перешкоджають кристалізації другого компонента суміші.

Іноді фільтруючі добавки використовуються для покращення потоку через фільтр. Прикладами фільтруючих добавок є діоксид кремнію, діатомова земля, перліт та целюлоза. Допоміжні речовини, що фільтрують, можуть бути поміщені на фільтр перед фільтрацією або змішані з рідиною. Допоміжні речовини можуть допомогти запобігти засміченню фільтра і можуть збільшити пористість коржика або подачі у фільтр.

Фільтрування проти просіювання

Спорідненим методом поділу є просіювання. Просіювання відноситься до використання однієї сітки або перфорованого шару для утримання великих частинок та пропускання дрібніших. Навпаки, при фільтрації фільтр є решіткою або має кілька шарів. Рідини йдуть каналами в середовищі, щоб пройти через фільтр.

Альтернативи фільтрації

Для деяких застосувань існують ефективніші методи поділу, ніж фільтрація. Наприклад, для дуже маленьких проб, в яких важливо зібрати фільтрат, матеріал, що фільтрує, може вбрати занадто багато рідини. В інших випадках занадто багато твердих частинок може потрапити до фільтруючого середовища.

Двома іншими процесами, які можна використовувати для відокремлення твердих речовин від рідин, є декантація та центрифугування.Центрифугування включає обертання зразка, внаслідок чого більш важка тверда речовина опускається на дно контейнера. При декантації рідину відкачують або зливають із твердої речовини після того, як вона випаде з розчину. Декантацію можна використовувати після центрифугування або самостійно.

Електричні фільтри - визначення, класифікація, характеристики, основні види

Термін фільтрація прийнятий в електротехніці для позначення аспекту обробки сигналів, який пов'язаний з видаленням з сигналу небажаних компонентів, таких як шум.

До появи цифрової техніки, особливо цифрових комп'ютерів, фільтрація проводилася виключно за допомогою електричних кіл або пристроїв, які називаються фільтрами. Вони можуть бути лінійними чи нелінійними залежно від типу ланцюгів чи пристроїв (лінійних чи нелінійних), з яких вони побудовані.

Промислові джерела енергії забезпечують практично синусоїдальні криві зміни напруги. Разом з тим у ряді випадків змінні струми та напруги, будучи періодичними, різко відрізняються від гармонійних.

Електричні фільтри можуть застосовуватися для згладжування пульсацій напруги випрямлячів, демодуляторів, які перетворюють модульовані по амплітуді коливання високої частоти відносно повільні зміни напруги сигналу, і в інших подібних пристроях.

У найпростішому випадку можна обмежитися включенням послідовно з навантаженням котушки індуктивності, опір якої збільшується зі зростанням порядку гармонійної і порівняно невелика для низькочастотних коливань, і тим більше постійної складової.Більш ефективне застосування П-подібних, Т-подібних та Г-подібних фільтрів.

Основні визначення та класифікація електричних фільтрів

Вибірковістю фільтра називається здатність виділяти певний діапазон частот, властивих корисному сигналу з усього спектра частот струмів, що надходять на його вхід.

Для отримання хорошої вибірковості фільтр повинен пропускати струму з частотами, властивими корисному сигналу з мінімальним згасанням, і мати максимальне загасання струмів всіх інших частот. Відповідно до цього фільтру можна дати таке визначення.

Електричним фільтром називається чотириполюсник, що пропускає струми в певній смузі частот з невеликим загасанням (смуга пропускання), а струми з частотами, що лежать поза цією смугою, - з великим загасанням, або, як умовно прийнята говорити, не пропускає (смуга непропускання).

За структурою схем фільтри поділяються на ланцюжкові (сходові) та місткові. Ланцюжковими називаються фільтри, виконані за Т-, П-і Г-подібно-місткових схем. Містковими називаються фільтри, виконані за містковою схемою.

Залежно від характеру елементів фільтри поділяються на:

• LC - елементами яких є індуктивності та ємності;



• RC - елементами яких є активні опори та ємності;



• резонаторні – елементами яких є резонатори.

За наявності у схемі фільтрів джерел енергії їх поділяють на:

• пасивні - не містять усередині схеми джерел енергії;



• активні - джерела енергії, що містять всередині схеми, у вигляді лампового або кристалічного підсилювача; Іноді їх називають фільтрами з активними елементами.

Для всебічної характеристики роботи фільтра необхідно знати його електричні характеристики, до яких належать частотні залежності згасання, фазового зсуву та характеристичного опору.

Найкращим є такий фільтр, який при мінімальній кількості елементів має:

• максимальною крутістю характеристики згасання;



• великим загасанням у смузі непропускання;



• мінімальним та постійним загасанням у смузі пропускання;



• максимальною сталістю характеристичного опору у смузі пропускання;



• лінійною фазовою характеристикою;



• можливістю простого та плавного регулювання смуги пропускання та її ширини;



• сталістю характеристик, що не залежать від: напруги (струмів), що діють на вході фільтра, температури та вологості навколишнього середовища, а також впливу сторонніх електричних та магнітних перешкод;



• можливістю роботи у різних діапазонах частот;



• при цьому габарити, вага та вартість фільтра повинні бути мінімальними.

На жаль, немає жодного елементарного типу фільтрів, характеристики якого задовольняли б усім цим вимогам. Тому в залежності від конкретних умов застосовуються такі типи фільтрів, характеристики яких найбільше задовольняють технічним вимогам, що пред'являються. Найчастіше доводиться застосовувати фільтри складних схем, які з елементарних ланок різного типу.

Найпоширеніші види фільтрів

На рис. 1 показана схема простого Г-подібного фільтра з котушкою індуктивності L і конденсатором, включеними між приймачем r пр і випрямлячем.

Змінні струми всіх частот зустрічають значний опір котушки індуктивності, а паралельний включений конденсатор пропускає по паралельній гілки залишкові струми високих частот. Завдяки цьому значно зменшуються пульсації напруги на навантаженні пр. r.

Можуть застосовуватися і фільтри, що складаються із двох і більше подібних ланок. Іноді використовуються спрощені фільтри із резисторами замість котушок індуктивності.

Мал. 1. Найпростіший згладжуючий Г-подібний електричний фільтр

Більш досконалими є резонансні фільтри, у яких застосовуються явища резонансу.

При послідовному з'єднанні котушки індуктивності і конденсатора, коли f w L = 1/(к w С), ланцюг матиме найбільшу провідність (активну) при частоті f w і досить високі провідності смуги частот, близьких до резонансної. Такий ланцюг є простим смуговим фільтром.

При паралельному з'єднанні котушки індуктивності і конденсатора такий ланцюг матиме найменшу провідність при резонансній частоті і відносно малі провідності смуги частот, близьких до резонансної. Такий фільтр є загороджувальним для деякої смуги частот.

Для поліпшення характеристики простого смугового фільтра можна застосовувати схему (рис. 2), в якій паралельно приймачеві включені паралельно один одному котушка індуктивності та конденсатор. Такий ланцюг налаштований також у резонанс на частоту кіз і становить дуже великий опір для струмів вибраної смуги частот і значно менший опір для струмів інших частот.

Мал. 2. Схема простого смугового електричного фільтра

Подібний фільтр може застосовуватись у модуляторах, які видають модульовані коливання певної частоти.На модулятор М подається напруга Uc сигналу низької частоти, яке перетворюється на модульовані коливання високої частоти, а фільтр виділяє напругу необхідної частоти, яка подається на навантаження пр.

Для прикладу припустимо, що через ланцюг протікає несинусоїдальний змінний струм і потрібно усунути з кривої струму приймача дуже великі за значенням третю і п'яту гармонійні. Тоді послідовно в ланцюг включимо два контури, налаштовані в резонанс для третьої та п'ятої гармонійних (рис. 3, а).

Опір лівого контуру, налаштованого в резонанс для частоти 3 w буде дуже велике для цієї частоти і мало для всіх інших гармонійних; аналогічну роль виконує правий контур, налаштований резонанс для частоти 5 w . Тому в кривій струму приймача inp майже не будуть утримуватися третя і п'ята гармонійні (рис. 3, б), які виявляться пригніченим фільтром.

Мал. 3. Ланцюг із послідовно включеними резонансними контурами, налаштованими в резонанс для третьої та п'ятої гармонійних: а - схема ланцюга; б — криві напруги та ланцюги та струму inp приймача

Мал. 4. Крива напруги на виході смугового фільтра

Виконуються в деяких випадках і більш досконалі смугові фільтри, а також ріжучі фільтри, що пропускають чи не пропускають коливання, починаючи з певної частоти. Такі фільтри складаються з Т-подібних або П-подібних ланок.

Принцип дії фільтрів у тому, що у смузі пропускання частот, наприклад смугового фільтра, настає резонанс при n+1 частотах, де n - число ланок. Крива Uвих = f(w) для такого фільтра, складеного з трьох ланок, показано на рис. 4. Резонанс має місце при частотах w1, w2, w3 і w4.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Якщо Вам сподобалася ця стаття, поділіться посиланням на неї у соціальних мережах. Це дуже допоможе розвитку нашого сайту!

Не пропустіть оновлення, підпишіться на наші соцмережі: