濾過

フィルターは、固体残渣から不要な液体を除去するため、液体から不要な固体を除去するため、あるいは単に固体と液体を分離するために使用されることがある。

ろ過にはさまざまな方法がありますが、いずれも物質の分離を目的としています。分離は、除去対象となる物質または物体とフィルターとの何らかの相互作用によって達成されます。フィルターを通過する物質は、液体または気体といった流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。

実験室におけるろ過技術には、目的とする結果に応じて、熱ろ過、冷ろ過、真空ろ過など、いくつかの種類があります。目的とする結果を得る主な目的は、混合物から不純物を除去すること、または混合物から固体を分離することです。

熱濾過法は主に、熱い溶液から固形物を分離するために使用されます。これは、濾過漏斗や溶液と接触する他の装置内での結晶形成を防ぐためです。その結果、装置と使用する溶液は加熱され、温度の急激な低下を防ぎます。急激な低下は、漏斗内の固形物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。^{[ 4 ]}漏斗内での結晶形成を防ぎ、効果的な熱濾過を行うための最も重要な対策の1つは、ステムレス濾過漏斗を使用することです。濾過漏斗にステムがないため、溶液と濾過漏斗のステムとの接触表面積が減少し、漏斗内の固形物の再結晶化を防ぎ、濾過プロセスへの悪影響を防ぎます。

低温濾過法とは、結晶化させる溶液を室温でゆっくり冷却するのではなく、氷浴を用いて急速に冷却する方法である。この方法を用いると、室温で冷却した場合に得られる大きな結晶とは異なり、非常に小さな結晶が形成される。

真空ろ過法は、少量の溶液を処理して小さな結晶を素早く乾燥させる場合に最もよく用いられる。この方法には、ブフナー漏斗、漏斗よりも直径の小さいろ紙、ブフナーフラスコ、および真空源に接続するためのゴム管が必要である。 ^{[ 5 ]}

遠心ろ過は、ろ過対象物質を高速回転させることで行われます。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。^{[ 6 ]}

重力ろ過とは、混合物を高い場所から低い場所に注ぐプロセスです。これは、ガラス漏斗にろ紙を置き、液体が重力によって通過する間に不溶性の固体粒子がろ紙に捕捉されるという単純なろ過によって行われることがよくあります。対象となる物質の量に応じて、フィルターコーン、溝付きフィルター、またはろ過ピペットを使用できます。 ^{[ 6 ]}重力ろ過は、例えば調理水を食品から濾過したり、液体から汚染物質を除去したりするなど、日常生活で広く使用されています。

濾過対象の流体が濾過媒体を通過するには、駆動力が加わる必要があります。重力、遠心分離、濾過器上部の流体への加圧、濾過器下部の真空、またはこれらの要因の組み合わせが、この駆動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、重力のみが利用される場合があります。多孔質濾過媒体を保持するボウルを備えた遠心分離機は、重力の数倍の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。濾過プロセスを加速するために、実験室濾過が困難な場合、通常は濾過媒体の下部の容器に部分真空が与えられます。使用する濾過器の種類にもよりますが、ほとんどの工業用濾過操作では、濾過を加速し、必要な機器の量を減らすために、圧力または真空が利用されます。 ^{[ 7 ]}

濾過媒体とは、物質を分離するために使用される材料のことである。

実験室では主に2種類のろ過材が用いられます。

• 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、場合によってはろ紙の助けを借りて使用されます（例：ビュフナー漏斗、ベルトフィルター、回転式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）。^{[ 8 ]}
• 深層濾過器は、通過する固体粒子を保持する粒状物質の層である（例：砂濾過器）。 ^{[ 9 ]}

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っています。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、汚染された顆粒を廃棄する方が安価で簡単な場合が多いです。^{[ 10 ]} フィルター媒体は、溶剤や洗剤ですすぐか、逆洗によって洗浄できます。あるいは、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用途では、逆洗によって洗浄される場合もあります。セルフクリーニングスクリーンフィルターは、吸引点逆洗を利用して、システムの流れを中断することなくスクリーンを洗浄します。

ろ過を補助するために、特定のろ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（珪藻土）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、ろ液の色や臭いを変えるなど、ろ液の特性を変化させ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。1つは、スラリーを濾過する前にプレコートとして使用する方法です。これにより、ゼラチン状の固形物が濾過媒体を詰まらせるのを防ぎ、より透明な濾液が得られます。もう1つは、濾過前にスラリーに添加する方法です。これにより、ケーキの多孔性が向上し、濾過中のケーキの抵抗が減少します。回転式濾過器では、濾過助剤をプレコートとして塗布し、その後、この層をケーキとともに薄くスライスして除去します。

濾過助剤の使用は通常、ケーキを廃棄する場合、または沈殿物を濾過器から化学的に分離できる場合に限られる。

濾過はデカンテーションよりも効率的な混合物の分離方法ですが、はるかに時間がかかります。溶液の量が非常に少ない場合、溶液の大部分が濾過媒体に吸収されてしまう可能性があります。

ろ過の代替手段として遠心分離があります。固体と液体の粒子の混合物をろ過する代わりに、混合物を遠心分離して（通常は）密度の高い固体を底に押し下げ、そこで固いケーキ状になることがよくあります。その後、上層の液体を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粒子など、ろ過しにくい固体を分離するのに特に役立ちます。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。^{[ 11 ]}

哺乳類、爬虫類、鳥類では、腎臓は 腎濾過によって機能し、糸球体は尿素などの不要な成分を選択的に除去し、続いて体の恒常性を維持するために必要な多くの物質を選択的に再吸収します。この一連のプロセスは排尿による排泄と呼ばれます。同様の、しかし多くの場合より単純な解決策は、原生動物でさえもすべての動物で採用されており、原生動物では収縮胞が同様の機能を提供します。^{[ 12 ]}

バイオフィルムは、細菌、ファージ、酵母、そして原生動物、ワムシ、環形動物などのより複雑な生物からなる複雑な集合体であり、湿った基質上に動的で複雑な、しばしば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、ほとんどの河川や海の岩を覆い、緩速砂ろ過器の表面にあるシュムッツデッケ（Schmutzdecke）や、滴下ろ過器のろ材上の膜といった、飲料水の生成や下水処理にそれぞれ用いられる重要なろ過機能を提供します。

バイオフィルムの一例として、湖、川、岩などに見られる生物学的粘液が挙げられます。自然界のバイオフィルムはゆっくりと発達するため、単一種または二種混合のバイオフィルムの利用は新しい技術です。バイオろ過プロセスでバイオフィルムを使用することで、望ましいバイオマスと重要な栄養素を固定化された支持体に付着させることができます。水がさまざまなプロセスで再利用できるように、バイオろ過方法の進歩は廃水から大量の排水を除去するのに役立ちます。^{[ 13 ]}

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向上させ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で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、さまざまな従来および最新の分子アプローチも採用されています。^{[ 14 ]}

濾過摂食動物は、一般的に水生環境を濾過して食物を得る生物です。多くの原生動物は濾過摂食動物であり、吸盤のように水流中に保持される原形質の硬い突起から、粒子を口に導くために拍動する繊毛のさまざまな配置まで、さまざまな適応を利用しています。ボルティセラのような生物は、複雑な繊毛の環を持ち、流れの中に渦を作り、粒子を口腔内に吸い込みます。同様の摂食技術は、ワムシ類や外肛動物にも見られます。多くの水生節足動物は濾過摂食動物です。腹部の肢をリズミカルに拍動させて口に水流を作り、脚の毛で粒子を捕らえるものもいます。トビケラ類のように、水流の中に細かい網を張って粒子を捕らえるものもいます。^{[ 15 ]}