濾過

単純濾過の図：供給物内の大きすぎる粒子はフィルターの格子構造を通過できませんが、液体と小さな粒子は通過して濾液になります。

ろ過とは、液体のみが通過できる複雑な構造を持つろ材を用いて、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。ろ材を通過できない固体粒子はオーバーサイズ粒子と呼ばれ、通過した液体は濾液と呼ばれます。[ 1 ]オーバーサイズ粒子はフィルター上にフィルターケーキを形成する可能性があり、また、フィルター格子を塞いで液体相がフィルターを通過するのを妨げることもあります。これは目詰まりと呼ばれます。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細孔径と呼ばれます。固体と液体の分離は不完全であり、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（細孔径、フィルターの厚さ、および生物学的活性によって異なります）。ろ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、そして工業的な形態があります。[ 2 ]日常的な用法では、「濾す」という動詞がより頻繁に使用されます。例えば、茹でたパスタの茹で汁をザルで濾すなどです。

オイルろ過とは、オイルの品質を低下させる可能性のある不純物を除去することでオイルを浄化する方法を指します。汚染物質は、機械部品の摩耗、環境要因、オイル交換時の不適切な取り扱いなど、様々な経路でオイルに混入する可能性があります。オイルろ過の主な目的は、オイルの性能を向上させ、機械を保護し、耐用年数を延ばすことです。[ 3 ]

濾過は、流体から固形物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指す場合にも用いられます。例としては、緩速ろ過器や散水ろ床などが挙げられます。また、生物が様々な手段を用い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用いられます。例としては、顕微鏡でしか見えないツリガネムシから、最大級の魚類であるウバザメ、ヒゲクジラなどがあり、これらはすべて濾過摂食動物として知られています。

物理的プロセス

  • 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。ここで、流体は液体、気体、または超臨界流体です。用途に応じて、成分の一方または両方を分離することができます。
  • ろ過は物理的な操作であり、異なる化学組成を持つ物質を分離することを可能にします。ある成分を溶解し、もう一方の成分を溶解しない溶媒が選択されます。混合物を選択した溶媒に溶解すると、一方の成分は溶液中に入り、フィルターを通過しますが、もう一方の成分はフィルターに保持されます。
  • ろ過は化学工学において広く利用されています。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流を処理することもあります。
  • ろ過は、単一の多孔層（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）。ろ過では、多層格子がフィルターの曲がりくねった経路を通過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、フィルター格子を塞いで流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（目詰まり）。商業的には、これらの製品はふるいと呼ばれることもありますが、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「フィルター」という用語が適用されます。
  • ろ過は、表面電荷を利用して分離を行う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るものがあります。
  • ろ過は、磁石を用いて流体（典型的には潤滑油、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、ろ過材が存在しないためです。「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、その名称は用途を表しており、動作モードを表しているわけではありません。
  • 生物濾過では、大きすぎる粒子が捕捉・摂取され、その結果生じた代謝物が放出される可能性があります。例えば、動物（ヒトを含む）では、腎臓濾過によって血液から老廃物が除去され、水処理や下水処理では、緩速砂濾過のように、濾材上または濾材内部に形成された生物膜に吸着することで、望ましくない成分が除去されます。

方法

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、あるいは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。

ろ過には様々な方法があり、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とフィルターとの間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、液体または気体などの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。

熱濾過では、三角フラスコ内の溶液をホットプレート上で加熱し、フラスコ内の固体の再結晶化を防ぎます。

実験室におけるろ過技術には、目的に応じて、熱ろ過、冷ろ過、真空ろ過など、様々な種類があります。目的を達成するための主な目的は、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。

高温溶液から固体を分離するための高温濾過

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、濾過漏斗や溶液と接触する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、温度の急激な低下が防止されます。急激な低下は漏斗内の固体の結晶化につながり、濾過プロセスが妨げられます。[ 4 ]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、ステムレス濾過漏斗の使用です。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面積が減少し、漏斗内での固体の再結晶化を防ぎ、濾過プロセスに悪影響を与えます。

冷濾過では、濾過プロセスの前に氷浴を使用して溶液の温度を冷却します。

冷却濾過法は、結晶化させる溶液を室温でゆっくりと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す。この方法では、室温で溶液を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。

真空ろ過法は、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、漏斗より小さい直径のろ紙、ブフナーフラスコ、そして真空源に接続するためのゴムチューブが必要です。 [ 5 ]

遠心ろ過は、ろ過対象物質を高速回転させることによって行われます。水平回転によって、密度の高い物質と密度の低い物質が分離されます。[ 6 ]

重力ろ過は、混合物を高い場所から低い場所へ注ぐプロセスです。このろ過は、ガラス漏斗にろ紙を入れ、液体が重力によって通過し、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。ろ過対象物質の量に応じて、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のいずれかを使用できます。 [ 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、日常的に広く使用されています

濾過力

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、濾材上部の流体への圧力の適用、濾材下部の真空の適用、またはこれらの要因の組み合わせが、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。実験室での濾過が困難な場合は、通常、濾材下部の容器に部分的な真空を提供して濾過プロセスを高速化します。使用されているフィルターの種類に応じて、工業的な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。 [ 7 ]

フィルターメディア

フィルター媒体は物質の分離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ています。

表面フィルターでは固体粒子、すなわち残留物をそのまま集めることができますが、深層フィルターではできません。しかし、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、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な場合がよくあります。[ 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施設 などの工学用途では、逆洗によって洗浄されることがあります。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。

フィルターを通過する流れを実現する

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と流れます。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に見られるように、重力を利用することです。実験室では、供給側に圧縮空気（または濾液側に真空）の形で圧力をかけることで、濾過プロセスを高速化できますが、目詰まりや微粒子の通過につなが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方法もあります。これは、濾過時間の短縮が重要な場合に産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設置する必要はありません。

濾過助剤

ろ過を補助するために、特定のろ過助剤が使用される場合があります。これらの助剤は、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、木質セルロースや、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つの異なる用途があります。スラリーを濾過する前のプレコートとして使用します。これにより、ゼラチン状の固形物が濾材を詰まらせるのを防ぎ、より透明度の高い濾液が得られます。また、濾過前にスラリーに添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、濾過中のケーキ抵抗が減少します。回転式フィルターでは、濾過助剤をプレコートとして塗布し、その後、この層をケーキと共に薄くスライスして除去します。

ろ過助剤の使用は、通常、ろ過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。

代替案

ろ過はデカンテーションよりも混合物を分離する効率的な方法ですが、はるかに時間がかかります。溶液の量が極めて少ない場合、溶液の大部分がろ材に吸収されてしまう可能性があります。

濾過の代替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、混合物を遠心分離することで（通常は）密度の高い固体を底に沈め、しばしば固いケーキを形成します。その後、上部の液体をデカンテーションで除去します。この方法は、ゼラチン状粒子や微粒子粒子など、濾過しにくい固体を分離するのに特に有効です。これらの固体は、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 ]

生物学的濾過

生物学的濾過は生物体内で行われる場合もあれば、濾過対象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。生物学的相互作用の複雑さ、特に多生物群集においては、どのプロセスが濾過効果をもたらしているかを特定できないことがよくあります。分子レベルでは、個々の生物体内の個々の触媒酵素の作用によって濾過効果が達成されていることがよくあります。一部の生物の老廃物は、その後、他の生物によって分解され、可能な限り多くのエネルギーが抽出されます。その過程で、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物に還元されます。

排泄

哺乳類、爬虫類、鳥類において、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、その後、体の恒常性維持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。同様の、しかし多くの場合より単純な解決策が、原生動物を含むすべての動物に採用されています。原生動物では収縮液胞が同様の機能を果たしています。[ 12 ]

バイオフィルム

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団であり、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石を覆い、緩速ろ過器の表面にあるシュムッツデッケや散水ろ床のろ材上の膜の主要なろ過能力を担っています。これらはそれぞれ飲料水の製造や下水処理に使用されます。

バイオフィルムの一例としては、湖沼、河川、岩石などに見られる生物学的スライムが挙げられます。天然バイオフィルムはゆっくりと成長するため、単一種または二種からなる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においてバイオフィルムを利用することで、固定化された担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。バイオ濾過法の進歩は、廃水から大量の汚泥を除去するのに役立っており、水を様々なプロセスに再利用できるようにしています。[ 13 ]

廃水を生物学的に処理するシステムは、人々の健康と水質の向上に不可欠です。バイオフィルム技術、様々なろ材上におけるバイオフィルムの形成、そしてその他の要因は、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、そして動態を徹底的に研究するために、伝統的および現代的な様々な分子生物学的アプローチも活用されています。[ 14 ]

濾過摂食動物

濾過摂食動物は、一般的に水生環境を濾過することで餌を得る生物である。多くの原生動物は、吸器官のように水流中に保持された硬い原形質の突起から、粒子を口に導くために様々な繊毛の配置を用いた様々な適応を用いた濾過摂食者である。例えば、ツリガネムシのように複雑な繊毛の輪を持ち、流れの中に渦を作り出して粒子を口腔内に引き込む生物などが挙げられる。同様の摂食技術は輪形動物や外直腸動物も用いている。多くの水生節足動物は濾過摂食者である。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。また、一部のトビケラのように、水流中に微細な網を張り粒子を捕らえるものもいる。[ 15 ]

例

ろ過フラスコ（サンプルを入れた焼結ガラスフィルターを備えた吸引フラスコ）。受液フラスコ内のろ液はほぼ無色であることに注意してください。

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、最初に流体から微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。

吸着ろ過は、ろ材に汚染物質を吸着させることで汚染物質を除去します。このろ過にはろ材とろ液の密接な接触が必要であり、ろ材を通過する際に汚染物質がろ材と直接接触するまでの拡散時間（拡散時間）が必要です。滞留時間。流量が遅いほど、フィルター通過時の圧力損失も低減します。用途：

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。

小型の固定式 Bauer HP 呼吸用空気圧縮機の設置。水分離器 (中央) と 2 つの高圧製品フィルター ハウジング (金色陽極酸化処理) が示されており、潜水ガス混合物用の酸素に適合した呼吸用空気を生成します。

参照

参考文献

  1. ^ 「ろ過」 Lenntech BV. 2009年。
  2. ^スパークス、トレバー、チェイス、ジョージ (2015).フィルターとろ過ハンドブック（第6版）. バターワース・ハイネマン. ISBN 9780080993966。
  3. ^ Systems, Minimac. 「オイル濾過とは何か？重要性、種類、そしてメリットを解説」 Minimac Systems . 2024年12月28日閲覧。
  4. ^ 「有機実験技術3：ろ過法」（PDF）カルガリー大学、2013年9月19日。2015年2月13日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
  5. ^ chemtalk (2023年8月13日). 「真空ろ過とは？」 ChemTalk . 2025年8月23日閲覧。
  6. ^ a b「濾過 - 定義、種類、機能、クイズ」生物学辞典。2017年3月3日。
  7. ^「濾過 | 定義、例、プロセス | ブリタニカ」www.britannica.com。
  8. ^ Zobel, S.; Gries, T. (2010). 「濾過材としての不織布の利用」.テクニカルテキスタイルにおける不織布の応用. pp.  160– 183. doi : 10.1533/9781845699741.2.160 . ISBN 978-1-84569-437-1。
  9. ^ 「マルチメディア水フィルター（深層フィルター）」 APEC WATER . 2025年8月23日閲覧。
  10. ^「液体ろ過」.コールソン・リチャードソン化学工学. 2019. pp.  555– 625. doi : 10.1016/B978-0-08-101098-3.00011-1 . ISBN 978-0-08-101098-3。
  11. ^ Mkpuma, Victor Okorie; Moheimani, Navid Reza; Ennaceri, Houda (2022). 「ろ過と防汚戦略に焦点を当てた微細藻類の脱水：レビュー」.藻類研究. 61 102588. Bibcode : 2022AlgRe..6102588M . doi : 10.1016/j.algal.2021.102588 .
  12. ^ Ogobuiro, Ifeanyichukwu; Tuma, Faiz (2025). 「腎臓の生理学」 . StatPearls . StatPearls Publishing. PM​​ID 30855923 . 
  13. ^ Dave, Sushma; Churi, Hardik; Litoria, Pratiksha; David, Preethi; Das, Jayashankar (2021). 「バイオフィルム、濾過、微生物動態、分解メカニズム：革新的なアプローチ」.膜ベースのハイブリッドプロセスによる廃水処理. pp.  25– 43. doi : 10.1016/b978-0-12-823804-2.00018-5 . ISBN 978-0-12-823804-2。
  14. ^ Sehar, Shama; Naz, Iffat (2016). 「廃水処理におけるバイオフィルムの役割」.微生物バイオフィルム - 重要性と応用. doi : 10.5772/63499 . ISBN 978-953-51-2435-1。
  15. ^ 「原生動物 - 摂取、消化、栄養 | ブリタニカ」 www.britannica.com 2025年8月14日. 2025年8月23日閲覧。
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