الترشيح

يمكن استخدام المرشحات لغرض إزالة السوائل غير المرغوب فيها من البقايا الصلبة، أو تنظيف المواد الصلبة غير المرغوب فيها من السائل، أو ببساطة لفصل المواد الصلبة عن السائل.

توجد طرق ترشيح عديدة، جميعها تهدف إلى فصل المواد. ويتحقق الفصل من خلال تفاعل ما بين المادة أو الأجسام المراد إزالتها والمرشح. يجب أن تكون المادة التي تمر عبر المرشح سائلة ، أي سائلة أو غازية . وتختلف طرق الترشيح تبعًا لموقع المادة المستهدفة، أي ما إذا كانت مذابة في الطور السائل أو معلقة كجسم صلب.

توجد عدة تقنيات ترشيح مخبرية تعتمد على النتيجة المرجوة، وهي الترشيح الساخن والبارد والترشيح بالتفريغ . ومن أهم أغراض الحصول على النتيجة المرجوة إزالة الشوائب من الخليط أو عزل المواد الصلبة منه.

تُستخدم طريقة الترشيح الساخن بشكل أساسي لفصل المواد الصلبة عن المحلول الساخن. ويتم ذلك لمنع تكوّن البلورات في قمع الترشيح والأجهزة الأخرى الملامسة للمحلول. ونتيجةً لذلك، يتم تسخين الجهاز والمحلول المستخدم لمنع الانخفاض السريع في درجة الحرارة، والذي قد يؤدي بدوره إلى تبلور المواد الصلبة في القمع وإعاقة عملية الترشيح. ^{[ 4 ]} ومن أهم التدابير لمنع تكوّن البلورات في القمع وضمان فعالية الترشيح الساخن استخدام قمع ترشيح بدون ساق. فبسبب عدم وجود ساق في قمع الترشيح، تقل مساحة التلامس بين المحلول وساق القمع، مما يمنع إعادة تبلور المواد الصلبة في القمع، وبالتالي يؤثر سلبًا على عملية الترشيح.

تعتمد طريقة الترشيح البارد على استخدام حمام جليدي لتبريد المحلول المراد بلورته بسرعة، بدلاً من تركه ليبرد ببطء في جو الغرفة. وتؤدي هذه التقنية إلى تكوين بلورات صغيرة جدًا، على عكس الحصول على بلورات كبيرة عند تبريد المحلول في درجة حرارة الغرفة.

تُفضّل تقنية الترشيح بالتفريغ في الغالب لمعالجة كميات صغيرة من المحلول لتجفيف البلورات الصغيرة بسرعة. تتطلب هذه الطريقة قمع بوخنر ، وورق ترشيح بقطر أصغر من قطر القمع، وقارورة بوخنر ، وأنبوب مطاطي للتوصيل بمصدر التفريغ. ^{[ 5 ]}

تتم عملية الترشيح بالطرد المركزي عن طريق تدوير المادة المراد ترشيحها بسرعة. ويتم فصل المادة الأكثر كثافة عن المادة الأقل كثافة عن طريق الدوران الأفقي. ^{[ 6 ]}

الترشيح بالجاذبية هو عملية سكب الخليط من مكان مرتفع إلى مكان منخفض. ويتم ذلك عادةً عن طريق الترشيح البسيط، الذي يتضمن وضع ورق ترشيح في قمع زجاجي، حيث يمر السائل من خلاله بفعل الجاذبية بينما تحجز جزيئات المواد الصلبة غير القابلة للذوبان بواسطة ورق الترشيح. ويمكن استخدام مخاريط الترشيح، أو المرشحات المخددة، أو ماصات الترشيح، وذلك حسب كمية المادة المراد ترشيحها. ^{[ 6 ]} ويُستخدم الترشيح بالجاذبية على نطاق واسع في الحياة اليومية، على سبيل المثال لتصفية ماء الطهي من الطعام، أو لإزالة الملوثات من السوائل.

لا يتدفق السائل المراد ترشيحه عبر وسائط الترشيح إلا بوجود قوة دافعة. قد تُسهم الجاذبية ، أو الطرد المركزي، أو الضغط على السائل فوق المرشح، أو تطبيق فراغ أسفل المرشح، أو مزيج من هذه العوامل، في توليد هذه القوة. في كل من عمليات الترشيح المختبرية البسيطة ومرشحات طبقة الرمل الضخمة، يمكن الاعتماد على قوة الجاذبية وحدها. يمكن اعتبار أجهزة الطرد المركزي المزودة بوعاء يحتوي على وسائط ترشيح مسامية بمثابة مرشحات تحل فيها قوة الطرد المركزي، الأقوى بعدة مرات من قوة الجاذبية، محل قوة الجاذبية. عادةً ما يُطبق فراغ جزئي على الوعاء أسفل وسائط الترشيح عندما يكون الترشيح المختبري صعبًا لتسريع عملية الترشيح. اعتمادًا على نوع المرشح المستخدم، تستخدم غالبية عمليات الترشيح الصناعية الضغط أو الفراغ لتسريع عملية الترشيح وتقليل كمية المعدات اللازمة. ^{[ 7 ]}

وسائط الترشيح هي المواد المستخدمة لفصل المواد.

يُستخدم نوعان رئيسيان من وسائط الترشيح في المختبرات:

• المرشحات السطحية عبارة عن مناخل صلبة ذات شبكة لحجز الجسيمات الصلبة، وأحيانًا بمساعدة ورق الترشيح (مثل قمع بوخنر ، مرشح الحزام ، مرشح الأسطوانة الدوارة المفرغة من الهواء ، مرشحات التدفق المتقاطع ، مرشح الشاشة ). ^{[ 8 ]}
• المرشحات العميقة ، وهي عبارة عن طبقات من المواد الحبيبية التي تحتجز الجزيئات الصلبة أثناء مرورها (مثل مرشح الرمل ). ^{[ 9 ]}

تسمح المرشحات السطحية بتجميع الجزيئات الصلبة، أي الرواسب، سليمة؛ بينما لا تسمح بذلك المرشحات العميقة. مع ذلك، فإن المرشح العميق أقل عرضة للانسداد نظرًا لمساحة سطحه الأكبر التي يمكن أن تحجز الجزيئات. كذلك، عندما تكون الجزيئات الصلبة دقيقة جدًا، غالبًا ما يكون التخلص من الحبيبات الملوثة أسهل وأقل تكلفة من تنظيف المنخل الصلب. ^{[ 10 ]} يمكن تنظيف وسائط الترشيح بالشطف بالمذيبات أو المنظفات أو بالغسيل العكسي. بدلاً من ذلك، في التطبيقات الهندسية، مثل محطات معالجة مياه حمامات السباحة ، يمكن تنظيفها بالغسيل العكسي . تستخدم مرشحات الشاشة ذاتية التنظيف الغسيل العكسي عند نقطة السحب لتنظيف الشاشة دون إيقاف تدفق النظام.

يمكن استخدام بعض المواد المساعدة في الترشيح. غالبًا ما تكون هذه المواد عبارة عن تراب دياتومي غير قابل للانضغاط ، أو ما يُعرف باسم "كيزلغور"، والذي يتكون أساسًا من السيليكا . كما تُستخدم أيضًا السليلوز الخشبي ومواد صلبة مسامية خاملة أخرى، مثل البيرلايت الأرخص والأكثر أمانًا . يُستخدم الكربون المنشط بكثرة في التطبيقات الصناعية التي تتطلب تغييرات في خصائص المُرشَّح، مثل تغيير اللون أو الرائحة.

يمكن استخدام هذه المواد المساعدة في الترشيح بطريقتين مختلفتين. يمكن استخدامها كطبقة أولية قبل ترشيح المادة المعلقة ، مما يمنع المواد الصلبة الهلامية من سدّ وسط الترشيح، ويُنتج مُرشّحًا أكثر نقاءً. كما يمكن إضافتها إلى المادة المعلقة قبل الترشيح، مما يزيد من مسامية طبقة الترشيح ويقلل من مقاومتها أثناء الترشيح. في المرشح الدوار، تُطبّق المادة المساعدة كطبقة أولية، ثم تُقطع شرائح رقيقة منها مع طبقة الترشيح.

عادة ما يقتصر استخدام مساعدات الترشيح على الحالات التي يتم فيها التخلص من الكعكة أو عندما يمكن فصل الراسب كيميائياً عن المرشح.

يُعدّ الترشيح طريقةً أكثر كفاءةً لفصل المخاليط من الترويق ، ولكنه يستغرق وقتًا أطول بكثير. في حال وجود كميات ضئيلة جدًا من المحلول، قد يمتصّ وسط الترشيح معظمه.

يُعدّ الطرد المركزي بديلاً للترشيح . فبدلاً من ترشيح خليط الجسيمات الصلبة والسائلة، يُخضع الخليط للطرد المركزي لدفع المادة الصلبة (الأكثر كثافة عادةً) إلى القاع، حيث تُشكّل في الغالب طبقة متماسكة . ويمكن بعد ذلك فصل السائل الموجود في الأعلى. تُعدّ هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص لفصل المواد الصلبة التي لا تُرشّح جيداً، مثل الجسيمات الهلامية أو الدقيقة. إذ يمكن لهذه المواد الصلبة أن تسدّ المرشح أو تمرّ من خلاله، على التوالي. ^{[ 11 ]}

في الثدييات والزواحف والطيور، تعمل الكلى عن طريق الترشيح الكلوي، حيث تقوم الكبيبة بإزالة المكونات غير المرغوب فيها بشكل انتقائي، مثل اليوريا ، يليها إعادة امتصاص انتقائية للعديد من المواد الضرورية للجسم للحفاظ على التوازن الداخلي. تُسمى هذه العملية الكاملة بالإخراج عن طريق التبول . وتُستخدم حلول مماثلة، ولكنها غالبًا ما تكون أقل تعقيدًا، في جميع الحيوانات، حتى الأوليات ، حيث تؤدي الفجوة المتقلصة وظيفة مماثلة. ^{[ 12 ]}

تُعدّ الأغشية الحيوية في كثير من الأحيان تجمعات معقدة من البكتيريا، والبلعميات، والخمائر، وأحيانًا كائنات حية أكثر تعقيدًا، بما في ذلك الأوليات ، والروتيفيرات ، والديدان الحلقية ، والتي تُشكّل أغشية ديناميكية ومعقدة، وغالبًا ما تكون هلامية، على ركائز رطبة. تُغطي هذه الأغشية الحيوية صخور معظم الأنهار والبحار، وتُوفّر القدرة الأساسية للترشيح في طبقة "شموتزديك" على سطح مرشحات الرمل البطيئة ، وفي طبقة الترشيح على وسائط الترشيح في مرشحات التنقيط ، والتي تُستخدم لإنتاج مياه الشرب ومعالجة مياه الصرف الصحي على التوالي.

من أمثلة الأغشية الحيوية، الطحالب البيولوجية التي قد توجد في البحيرات والأنهار والصخور وغيرها. ويُعدّ استخدام الأغشية الحيوية أحادية أو ثنائية الأنواع تقنية حديثة، نظرًا لبطء نمو الأغشية الحيوية الطبيعية. يسمح استخدام الأغشية الحيوية في عملية الترشيح الحيوي بتثبيت الكتلة الحيوية المرغوبة والمغذيات الأساسية على دعامة ثابتة. ولإعادة استخدام المياه في عمليات مختلفة، تُسهم التطورات في طرق الترشيح الحيوي في إزالة كميات كبيرة من النفايات السائلة من مياه الصرف الصحي . ^{[ 13 ]}

تُعدّ أنظمة المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي بالغة الأهمية لتحسين صحة الإنسان وجودة المياه . وتؤثر تقنية الأغشية الحيوية، وتكوينها على وسائط الترشيح المختلفة، وعوامل أخرى، على بنية نمو هذه الأغشية ووظيفتها. ولإجراء دراسة شاملة لتكوين الأغشية الحيوية وتنوعها وديناميكيتها، يتمّ استخدام مجموعة متنوعة من الأساليب الجزيئية التقليدية والمعاصرة. ^{[ 14 ]}

الكائنات المرشحة هي كائنات حية تحصل على غذائها عن طريق ترشيح بيئتها، المائية في الغالب. العديد من الأوليات تتغذى بالترشيح باستخدام مجموعة من التكيفات، بما في ذلك أشواك صلبة من البروتوبلازم تُحمل في تيار الماء كما في الماصات ، وترتيبات مختلفة من الأهداب المتحركة لتوجيه الجزيئات إلى الفم، بما في ذلك كائنات مثل فورتيسيلا التي تمتلك حلقة معقدة من الأهداب تُحدث دوامة في التيار تسحب الجزيئات إلى تجويف الفم. تستخدم الدوارات والإكتوبروكتا تقنيات تغذية مماثلة. العديد من المفصليات المائية تتغذى بالترشيح. يستخدم بعضها خفقانًا إيقاعيًا للأطراف البطنية لخلق تيار مائي إلى الفم بينما تحبس الشعيرات الموجودة على الأرجل أي جزيء. بينما تنسج كائنات أخرى، مثل بعض ذباب القمص، شبكات دقيقة في تيار الماء لحبس الجزيئات. ^{[ 15 ]}