濾過

濾過は、液体のみが通過できる複雑な構造を持つ濾材を使用して混合物から固体と液体を分離する物理的な分離プロセスです。濾材を通過できない固体粒子はオーバーサイズと表現され、通過した液体は濾液と呼ばれます。^[1]オーバーサイズの粒子は、フィルターの上にフィルターケーキを形成する可能性があり、フィルター格子をブロックして液体相がフィルターを通過できないようにすることもあります。これを目詰まりと呼びます。フィルターを通過できる最大粒子のサイズは、そのフィルターの有効孔径と呼ばれます。固体と液体の分離は不完全です。固体はいくらかの液体で汚染され、濾液には微粒子が含まれます (孔径、フィルターの厚さ、生物活性によって異なります)。濾過は自然界と人工システムの両方で行われ、生物学的、地質学的、および工業的な形態があります。^[2]日常的な用法では、動詞「strain」がより頻繁に使用されます。たとえば、調理したパスタから茹で汁を切るためにザルを使用します。

濾過は、流体の流れから固体を分離するだけでなく、同伴、貪食、吸着、吸収によって化学種や生物を除去する生物学的および物理的システムを説明するためにも使用されます。例としては、緩速砂ろ過器や散水ろ過器などがあります。また、生物がさまざまな手段を使用して環境から小さな食物粒子を濾過するマクロファージの総称としても使用されます。例としては、顕微鏡レベルのツリガネムシから、最大の魚類の1つであるウバザメ、ヒゲクジラまでがあり、これらはすべて濾過摂食動物として説明されています。

• ろ過は、懸濁液中の粒子と流体を分離するために使用されます。流体は、液体、気体、または超臨界流体です。用途に応じて、成分の 1 つまたは両方を分離できます。
• 物理的操作としての濾過により、異なる化学組成の物質を分離することができます。 1 つの成分を溶解し、もう 1 つの成分を溶解しない溶媒が選択されます。 選択した溶媒に混合物を溶解すると、1 つの成分が溶液に入り、フィルターを通過しますが、もう 1 つの成分は保持されます。
• ろ過は化学工学で広く使用されています。ろ過と生物学的消化装置を組み合わせたバイオフィルターのように、他の単位操作と組み合わせて供給ストリームを処理することもできます。
• 濾過は、単一の穴あき層（ふるい）で分離が行われるふるい分けとは異なります。ふるい分けでは、ふるいの穴を通過できないほど大きい粒子は保持されます（粒度分布を参照）。濾過では、多層格子がフィルターの曲がりくねったチャネルをたどることができない粒子を保持します。大きすぎる粒子はフィルターの上にケーキ層を形成する可能性があり、フィルター格子をブロックして流体相がフィルターを通過できないようにする可能性もあります（目詰まり）。商業的には、フィルターという用語は、分離格子が非常に薄く、表面が粒子分離の主な領域となる膜に適用されますが、これらの製品はふるいとして説明される場合があります。
• ろ過は、表面電荷を利用して分離する吸着とは異なります。活性炭とイオン交換樹脂を含む吸着装置の中には、ろ過が主な機械的機能ではないにもかかわらず、商業的にはフィルターと呼ばれているものがあります。
• 濾過は、磁石を使用して流体（通常は潤滑油、冷却剤、燃料油）から磁性汚染物質を除去する方法とは異なります。これは、濾過媒体がないためです。「磁気フィルター」と呼ばれる市販の装置が販売されていますが、その名前は動作モードではなく、その用途を反映しています。
• 生物学的フィルターでは、大きすぎる粒子が捕捉されて摂取され、その結果生じた代謝産物が放出されることがあります。たとえば、動物（人間を含む）では、腎臓濾過によって血液から老廃物が除去され、水処理および下水処理では、緩速砂濾過のように、フィルター媒体上またはフィルター媒体内に増殖した生物学的膜に吸着することによって、望ましくない成分が除去されます。

フィルターは、固形残留物から不要な液体を除去したり、液体から不要な固形物を取り除いたり、単に液体から固形物を分離したりする目的で使用できます。

ろ過にはさまざまな方法があり、すべて物質の分離を目的としています。分離は、除去する物質または物体とフィルターの間の何らかの相互作用によって実現されます。フィルターを通過する物質は、流体、つまり液体または気体でなければなりません。ろ過方法は、対象物質の位置、つまり流体相に溶解しているか、固体として懸濁しているかによって異なります。

実験室でのろ過技術には、目的に応じて、高温ろ過、低温ろ過、真空ろ過など、いくつかあります。目的の結果を得るための主な目的には、混合物から不純物を除去することや、混合物から固体を分離することが挙げられます。

高温濾過法は、主に高温溶液から固体を分離するために使用されます。これは、溶液と接触するフィルター漏斗やその他の装置での結晶形成を防ぐために行われます。その結果、装置と使用される溶液は加熱され、温度の急激な低下を防ぎます。温度の低下は漏斗内の固体の結晶化につながり、濾過プロセスを妨げることになります。^[3] 漏斗内での結晶形成を防ぎ、効果的な高温濾過を行うための最も重要な対策の1つは、ステムレスフィルター漏斗の使用です。フィルター漏斗にステムがないため、溶液とフィルター漏斗のステムとの接触面積が減少し、漏斗内の固体の再結晶化を防ぎ、濾過プロセスに悪影響を及ぼします。

冷却濾過法は、結晶化させる溶液を室温の空気中でゆっくり冷却するのではなく、氷浴を使用して急速に冷却する方法です。この技術では、溶液を室温で冷却して大きな結晶を得るのとは対照的に、非常に小さな結晶が形成されます。

真空濾過法は、少量の溶液から小さな結晶を素早く乾燥させる場合に最も好まれます。この方法では、ブフナー漏斗、漏斗より直径の小さい濾紙、ブフナーフラスコ、および真空源に接続するためのゴムチューブが必要です。

遠心ろ過は、ろ過する物質を高速で回転させることによって行われます。水平回転により、密度の高い物質が密度の低い物質から分離されます。^[4]

重力濾過は、混合物を高いところから低いところへ注ぐプロセスです。これは、濾紙をガラス漏斗に入れ、液体が重力で通過し、不溶性の固体粒子が濾紙に捕らえられるという単純な濾過によって達成されることがよくあります。物質の量に応じて、フィルターコーン、溝付きフィルター、または濾過ピペットをすべて使用できます。^[4]重力濾過は、例えば、食品から調理水を濾す場合や、液体から汚染物質を除去する場合など、日常的に広く使用されています。

駆動力が供給された場合にのみ、濾過される流体は濾材を通過できます。重力、遠心分離、濾材上の流体への圧力の適用、濾材下の真空の適用、またはこれらの要因の組み合わせはすべて、この力に寄与する可能性があります。単純な実験室濾過と大規模な砂床濾過の両方で、重力のみを利用することができます。多孔質濾材を保持するボウルを備えた遠心分離機は、重力よりも数倍強い遠心力が重力に取って代わる濾過器と考えることができます。実験室濾過が困難な場合は、濾過プロセスを高速化するために濾材の下の容器に部分的な真空が提供されるのが一般的です。使用されているフィルターの種類に応じて、工業用濾過操作の大部分は、濾過を高速化し、必要な機器の量を減らすために圧力または真空を採用しています。^[5]

フィルター媒体は、物質を分離するために使用される材料です。

研究室では主に 2 種類のフィルター メディアが使用されます。

• 表面フィルターは、固体粒子を捕捉するためのメッシュを備えた固体ふるいであり、場合によっては濾紙も使用されます(例:ブフナー漏斗、ベルト フィルター、回転真空ドラム フィルター、クロスフロー フィルター、スクリーン フィルター)。
• 深層フィルター、通過する固体粒子を保持する粒状物質の層（例：砂フィルター）。

表面フィルターでは、固体粒子、つまり残留物をそのまま収集できますが、深層フィルターでは収集できません。ただし、深層フィルターは、粒子を捕捉できる表面積が大きいため、目詰まりしにくくなります。また、固体粒子が非常に細かい場合は、固体ふるいを洗浄するよりも、汚染された粒子を廃棄する方が安価で簡単です。^[6] フィルター メディアは、溶剤や洗剤で洗い流すか、逆洗することで洗浄できます。また、スイミング プールの水処理プラントなどのエンジニアリング アプリケーションでは、逆洗で洗浄できます。セルフクリーニングスクリーン フィルターは、吸引ポイントの逆洗を利用して、システムの流れを中断せずにスクリーンを洗浄します。^{[説明が必要]}

流体は圧力差によってフィルターを通過します。つまり、流体はフィルターの高圧側から低圧側へ流れます。これを実現する最も簡単な方法は、コーヒーメーカーの例で見られるように、重力を利用することです。実験室では、供給側に圧縮空気の形で圧力をかける（または濾液側に真空をかける）ことで、濾過プロセスを高速化できますが、これにより目詰まりや微粒子の通過が発生する可能性があります。あるいは、ポンプの力で液体をフィルターに流すこともできます。これは、濾過時間の短縮が重要な場合に業界で一般的に使用されている方法です。この場合、フィルターを垂直に取り付ける必要はありません。

濾過を補助するために、特定の濾過助剤が使用されることがあります。これらは、主にシリカで構成される非圧縮性の珪藻土、またはキーゼルグールであることが多いです。また、木材セルロースや、より安価で安全なパーライトなどの不活性多孔質固体も使用されます。活性炭は、色や臭いを変えるなど、濾液の特性を変える必要がある工業用途でよく使用されます。

これらの濾過助剤は、2 つの異なる方法で使用できます。スラリーを濾過する前のプレコートとして使用できます。これにより、ゼラチン状の固形物がフィルター メディアを詰まらせるのを防ぎ、より透明な濾液が得られます。また、濾過前にスラリーに追加することもできます。これにより、ケーキの多孔度が高まり、濾過中のケーキの抵抗が減少します。回転式フィルターでは、濾過助剤はプレコートとして適用され、その後、この層の薄いスライスがケーキとともに切り取られます。

ろ過助剤の使用は、通常、ケーキが廃棄される場合、または沈殿物がフィルターから化学的に分離できる場合に限られます。

濾過はデカンテーションよりも混合物を分離するのに効率的な方法ですが、はるかに時間がかかります。非常に少量の溶液が関係している場合、溶液の大部分がフィルター媒体に吸収される可能性があります。

濾過の代替法として遠心分離法があります。固体粒子と液体粒子の混合物を濾過する代わりに、混合物を遠心分離して（通常は）密度の高い固体を底に沈め、固いケーキを形成することがよくあります。上部の液体はその後デカントすることができます。この方法は、ゼラチン状または微細な粒子など、濾過しにくい固体を分離するのに特に便利です。これらの固体は、それぞれフィルターを詰まらせたり通過したりする可能性があります。

生物学的濾過は生物体内で行われる場合もあれば、濾過される物質の培地上で生物成分が増殖する場合もあります。固形物、乳化成分、有機化学物質、イオンの除去は、摂取と消化、吸着または吸収によって達成されます。生物学的相互作用は複雑であるため、特に複数の生物が共存するコミュニティでは、どのプロセスが濾過結果を達成しているかを判断できないことがよくあります。分子レベルでは、個々の生物内の個々の触媒酵素の作用による場合がよくあります。一部の生物の廃棄物は、その後、他の生物によって分解され、できるだけ多くのエネルギーが抽出され、その際に複雑な有機分子が水、二酸化炭素、窒素などの非常に単純な無機種に還元されます。

哺乳類、爬虫類、鳥類では、腎臓は 腎濾過によって機能し、糸球体が尿素などの望ましくない成分を選択的に除去し、続いて体が恒常性を維持するために不可欠な多くの物質を選択的に再吸収します。このプロセス全体を排泄と呼びます。類似していますが、多くの場合それほど複雑ではない解決策がすべての動物に採用されており、収縮性液胞が同様の機能を提供する 原生動物にも採用されています。

バイオフィルムは、多くの場合、細菌、ファージ、酵母、および多くの場合、原生動物、ワムシ、環形動物を含むより複雑な生物の複雑な集団であり、湿った基質上に動的で複雑な、多くの場合ゼラチン状の膜を形成します。このようなバイオフィルムは、ほとんどの川や海の岩を覆い、飲料水の生成と下水処理に使用される緩速砂ろ過器の表面のシュムッツデッケと散水ろ過器のろ材の膜の主要なろ過機能を提供します。

バイオフィルムの例としては、湖、川、岩などに見られる生物学的スライムがあります。天然バイオフィルムはゆっくりと発達するため、単一種または二重種のバイオフィルムの利用は新しい技術です。バイオ濾過プロセスでバイオフィルムを使用すると、固定化された支持体に望ましいバイオマスと重要な栄養素を付着させることができます。水をさまざまなプロセスに再利用できるように、バイオ濾過法の進歩により、廃水から大量の排水を除去することができます。^[7]

廃水を生物学的に処理するシステムは、人間の健康と水質の両方を改善するために不可欠です。バイオフィルム技術、さまざまなフィルター媒体上のバイオフィルムの形成、およびその他の要因は、これらのバイオフィルムの成長構造と機能に影響を与えます。バイオフィルムの構成、多様性、およびダイナミクスを徹底的に調査するために、さまざまな伝統的および現代的な分子アプローチも採用されています。^[8]

濾過摂食動物は、一般的には水生環境を濾過することによって食物を得る生物である。原生動物の多くは、吸器官のように水流中に保持される原形質の硬いスパイクから、粒子を口に導くために繊毛を様々な形で動かすなど、さまざまな適応を用いた濾過摂食動物である。その中には、複雑な繊毛の輪を持つツリガネムシなどの生物が含まれ、これが流れの中に渦を作り出して粒子を口腔内に引き込む。同様の摂食技術が輪虫類や外直腸類も使用している。多くの水生節足動物は濾過摂食動物である。中には、腹部の肢をリズミカルに動かして口に水流を作り、脚の毛で粒子を捕らえるものもいる。トビケラなどの他の動物は、水流の中で細かい巣を張って粒子を捕らえる。

多くの濾過プロセスには複数の濾過メカニズムが含まれており、下流の要素の詰まりを防ぐために、最初に流体から粒子が除去されることがよくあります。

粒子ろ過には以下が含まれます。

• コーヒーの抽出液と粉を分離するためのコーヒーフィルター。
• エアコンのHEPAフィルターは空気中の粒子を除去します。
• 鉱山で貴金属を抽出するためのベルトフィルター。
• メリル・クロウ法で使用されるような垂直プレートフィルター。^{[説明が必要]}
• Nutsche フィルターは通常、固形物を捕捉する必要がある医薬品アプリケーションやバッチ プロセスで使用されます。
• 炉では、炉の要素が粒子で汚れるのを防ぐために濾過装置を使用します。^{[説明が必要]}
• 産業用排気ダクト システムなどの空気輸送システムでは、バグハウスを使用して、輸送される不要な物質の流れを止めたり遅くしたりするために、ろ過が採用されることがよくあります。
• 実験室では、濾紙を多孔質バリアとして用いたブフナー漏斗がよく使用されます。
• 空気フィルターは、建物の換気システム、燃焼エンジン、および工業プロセスで空気中の粒子状物質を除去するために一般的に使用されます。
• 自動車のオイル フィルター。多くの場合、キャニスターまたはカートリッジとして使用されます。
• 水槽フィルター
• ザルで食べ物から水分を濾す

吸着ろ過は、ろ過媒体による汚染物質の吸着によって汚染物質を除去します。このためには、ろ過媒体とろ液の密接な接触が必要であり、拡散によって汚染物質がろ材を通過する際にろ材と直接接触するまでに時間がかかります。これを「拡散」と呼びます。滞留時間。流れが遅くなると、フィルター全体の圧力降下も減少します。用途には以下が含まれます。

• スクラバーフィルターを使用した再呼吸器および生命維持装置の呼吸ガスからの二酸化炭素除去、
• 閉鎖された生息地で再循環される呼吸ガスから揮発性炭化水素、臭気、その他の汚染物質を除去するための活性炭フィルター。

組み合わせるアプリケーションには次のものが含まれます。

• 圧縮呼吸空気の製造では、空気はコンプレッサーに入る前に微粒子フィルターを通過し、コンプレッサーを損傷する可能性のある粒子が除去されます。その後、圧縮後の冷却後に液滴が分離され、最終製品は吸着ろ過されて、ガス状炭化水素汚染物質と過剰な水蒸気が除去されます。場合によっては、吸着媒体を使用したプレフィルターを使用して二酸化炭素レベルを制御し、圧力スイング吸着を使用して酸素分率を高めることができます。また、一酸化炭素汚染のリスクがある場合は、製品のろ過媒体にホプカライト 触媒コンバーターを含めることができます。これらのプロセスはすべて、製品のろ過の側面として広く呼ばれています。
• 緩速砂ろ過器でのバイオフィルムろ過を使用した飲料水処理。
• 散水ろ床を用いたバイオフィルムろ過による廃水処理。

• 分離プロセス – 混合物または溶液を2つ以上の異なる製品に変換する方法
• 精密濾過 – 特殊な孔サイズの膜に流体を通す物理的プロセス
• 限外濾過 – 半透膜を通した強制濾過
• ナノ濾過 – 生体膜のナノメートルサイズの孔を利用した濾過方法
• 逆浸透 – 浄水プロセス
• クロスフローろ過 – ろ過技術
• ふるい – 固体材料を粒子サイズで分離するためのツール
• ふるい分析 – 粒度分布を評価する手順
• Wikipedia:編集フィルター – 編集フィルターに関するWikipediaプロジェクトページ

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ウィキメディア・コモンズには、濾過に関連するメディアがあります。

• 濾過モデリング（一定速度と一定圧力）