Визначення та процеси фільтрації (хімія)

Фільтрування — це процес, який використовується для відділення твердих частинок від рідин або газів за допомогою фільтруючого середовища, через яке пропускається рідина, але не тверда речовина. Термін «фільтрація» застосовується незалежно від того, чи є фільтр механічним, біологічним або фізичним. Рідина, яка проходить через фільтр, називається фільтратом. Фільтруючим середовищем може бути поверхневий фільтр, який являє собою тверду речовину, що затримує тверді частинки, або глибинний фільтр, який є шаром матеріалу, який затримує тверду речовину.

Зазвичай фільтрація є недосконалим процесом. Частина рідини залишається на стороні подачі фільтра або всередині фільтруючого середовища, а деякі дрібні тверді частки потрапляють крізь фільтр. У хімічній та інженерній техніці завжди є втрачений продукт, будь то рідина чи тверда речовина, яку збирають.

Приклади фільтрації

Хоча фільтрація є важливою технікою розділення в лабораторії, вона також поширена в повсякденному житті.

• Заварювання кави передбачає пропускання гарячої води через мелену каву та фільтр. Рідка кава – це фільтрат. Замочування чаю практично однакове, незалежно від того, використовуєте ви чайний пакетик (паперовий фільтр) чи чайну кульку (зазвичай металевий фільтр).
• Прикладом біологічного фільтра є нирки . Кров фільтрується клубочком. Основні молекули реабсорбуються назад у кров.
• Кондиціонери повітря та багато пилососів використовують фільтри HEPA для видалення пилу та пилку з повітря.
• У багатьох акваріумах використовуються фільтри, що містять волокна, які вловлюють частки.
• Стрічкові фільтри відновлюють дорогоцінні метали під час видобутку.
• Вода у водоносному горизонті є відносно чистою, тому що вона була відфільтрована через пісок і водопроникну породу в землі.

Методи фільтрації

Існують різні типи фільтрації. Вибір методу значною мірою залежить від того, чи є тверда речовина частинками ( завислими ) чи розчиненими в рідині.

• Загальна фільтрація . Основна форма фільтрації – це використання сили тяжіння для фільтрації суміші. Суміш виливають зверху на фільтруюче середовище (наприклад, фільтрувальний папір), і сила тяжіння тягне рідину вниз. Тверда речовина залишається на фільтрі, а рідина тече під ним.
• Вакуумна фільтрація: Колба Бюхнера та шланг використовуються для створення вакууму для всмоктування рідини через фільтр (зазвичай за допомогою сили тяжіння). Це значно прискорює поділ і може використовуватися для сушіння твердої речовини. Споріднена технологія використовує насос для формування різниці тиску з обох боків фільтра. Фільтри насоса не повинні бути вертикальними, оскільки сила тяжіння не є джерелом різниці тиску з боків фільтра.
• Холодна фільтрація: холодна фільтрація використовується для швидкого охолодження розчину, що сприяє утворенню дрібних кристалів . Це метод, який використовується, коли тверда речовина спочатку розчинена . Поширеним методом є розміщення контейнера з розчином у крижаній бані перед фільтруванням.
• Гаряча фільтрація: під час гарячої фільтрації розчин, фільтр і воронка нагріваються, щоб мінімізувати утворення кристалів під час фільтрації. Воронки без стебла корисні, оскільки площа поверхні для росту кристалів менша. Цей метод використовується, коли кристали закупорюють воронку або перешкоджають кристалізації другого компонента в суміші.

Іноді для покращення потоку через фільтр використовуються допоміжні фільтри. Прикладами допоміжних фільтрів є кремнезем , діатомова земля, перліт і целюлоза. Допоміжні фільтри можна помістити на фільтр перед фільтрацією або змішати з рідиною. Допоміжні засоби можуть допомогти запобігти засміченню фільтра та можуть збільшити пористість «коржу» або подачі у фільтр.

Фільтрування проти просіювання

Спорідненою технікою розділення є просіювання. Просіювання означає використання однієї сітки або перфорованого шару для утримання великих частинок, дозволяючи проходити більш дрібним. Навпаки, під час фільтрації фільтр є гратчастим або має кілька шарів. Рідини слідують за каналами в середовищі, щоб пройти через фільтр.

Альтернативи фільтрації

Для деяких застосувань існують більш ефективні методи розділення, ніж фільтрація. Наприклад, для дуже малих зразків, у яких важливо зібрати фільтрат, фільтруюче середовище може ввібрати занадто багато рідини. В інших випадках занадто багато твердих речовин може потрапити у фільтруюче середовище.

Два інші процеси, які можна використовувати для відділення твердих речовин від рідин, це декантація та центрифугування. Центрифугування включає обертання зразка, яке змушує важчу тверду речовину опускатися на дно контейнера. Під час декантації рідина відсмоктується або зливається з твердої речовини після того, як вона випала з розчину. Декантацію можна використовувати після центрифугування або самостійно.

40.4: Регулювання кровотоку та артеріального тиску

Артеріальний тиск (АТ) – це тиск, який чинить кров на стінки кровоносної судини, що допомагає проштовхувати кров по організму. Систолічний артеріальний тиск вимірює величину тиску, яке кров чинить на судини, поки серце б’ється. Оптимальне систолічний артеріальний тиск – 120 мм рт.ст. Діастолічний артеріальний тиск вимірює тиск в судинами між серцевими скороченнями. Оптимальний діастолічний артеріальний тиск – 80 мм рт.ст. Багато факторів можуть впливати на артеріальний тиск, такі як гормони, стрес, фізичні вправи, їжа, сидіння та стояння. Кровотік по тілу регулюється розмірами кровоносних судин, дією гладкої мускулатури, односторонніми клапанами, і тиском рідини самої крові.

Як кров тече по тілу

Кров проштовхується через організм під дією перекачує серця. При кожному ритмічному насосі кров виштовхується під високим тиском і швидкістю подалі від серця, спочатку по головній артерії, аорті. В аорті кров рухається зі швидкістю 30 см/сек. У міру просування крові в артерії, артеріоли, і в кінцевому підсумку в капілярні русла швидкість руху різко сповільнюється приблизно до 0,026 см/сек, в тисячу разів повільніше швидкості руху в аорті. Хоча діаметр кожної окремої артеріоли та капіляра набагато вужчий, ніж діаметр аорти, і відповідно до закону безперервності рідина повинна швидше подорожувати через трубку більш вузького діаметра, швидкість насправді повільніша через загальний діаметр всіх комбінованих капілярів далеко більше діаметра окремої аорти.

Повільна швидкість руху через капілярні русла, які досягають майже кожної клітини організму, сприяє обміну газу та поживних речовин, а також сприяє дифузії рідини в міжтканинний простір. Після того, як кров пройшла через капілярні русла до венул, вен і, нарешті, до основних порожнистих вен, швидкість потоку знову збільшується, але все ще набагато повільніше початкової швидкості в аорті. Кров переважно рухається у венах ритмічним рухом гладкої мускулатури в стінці судини і під дією скелетної мускулатури в міру руху тіла. Оскільки більшість вен повинні рухатися кров проти тяги тяжіння, кров запобігає перетіканню назад у венах за допомогою односторонніх клапанів. Оскільки скорочення скелетних м’язів сприяє венозному кровотоку, важливо часто вставати і рухатися після тривалих періодів сидіння, щоб кров не зливалася в кінцівках.

Кровотік через капілярні русла регулюється в залежності від потреб організму і направляється нервовими і гормональними сигналами. Наприклад, після великої трапези велика частина крові відводиться в шлунок шляхом розширення судин травної системи і звуження судин інших судин. Під час фізичних вправ кров відводиться до скелетних м’язів через розширення судин, тоді як кров до травної системи зменшується через звуження судин. Кров, що надходить в деякі капілярні русла, контролюється дрібними м’язами, званими прекапілярними сфінктерами, проілюстровані на рис \(\PageIndex\) . Якщо сфінктери відкриті, кров буде надходити в супутні гілки капілярної крові. Якщо всі сфінктери закриті, то кров буде надходити безпосередньо з артеріоли в венулу по прохідному каналу (див. Рис. \(\PageIndex\) ). Ці м’язи дозволяють організму точно контролювати, коли капілярні ліжка отримують кровотік. У будь-який момент лише близько 5-10% наших капілярних ліжок насправді мають кров, що протікає через них.

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Прекапілярні сфінктери – це кільця гладкої мускулатури, які регулюють потік крові через капіляри; вони допомагають контролювати місце кровотоку туди, де це необхідно. (б) Клапани у венах перешкоджають руху крові назад. (Кредит а: модифікація роботи NCI)

Варикозне розширення вен – це вени, які збільшуються, оскільки клапани більше не закриваються належним чином, дозволяючи крові текти назад. Варикозне розширення вен найчастіше виділяється на ногах. Як ви думаєте, чому це так?

Кров в ногах знаходиться найдалі від серця і повинна текти вгору, щоб досягти його.

Кровоносна система, що складається з серця, артерій, капілярів і вен, є насосним механізмом, який транспортує кров по всьому організму. Перегляньте це відео, щоб побачити кровотік кровоносної системи.

Білки та інші великі розчинні речовини не можуть покинути капіляри. Втрата водянистої плазми створює гіперосмотичний розчин всередині капілярів, особливо поблизу венул. Це призводить до того, що близько 85% плазми, яка залишає капіляри, в кінцевому підсумку дифундує назад в капіляри поблизу венул. Решта 15% плазми крові стікає з інтерстиціальної рідини в прилеглі лімфатичні судини (рис. \(\PageIndex\) ). Рідина в лімфі схожа за складом з інтерстиціальної рідиною. Лімфатична рідина проходить через лімфатичні вузли, перш ніж вона повертається до серця через порожнисту вену. Лімфатичні вузли – це спеціалізовані органи, які фільтрують лімфу шляхом просочування через лабіринт сполучної тканини, наповненої лейкоцитами. Лейкоцити видаляють інфекційні агенти, такі як бактерії та віруси, щоб очистити лімфу, перш ніж вона повернеться в кров. Після її очищення лімфа повертається до серця під дією гладкої мускулатури накачування, дії скелетних м’язів і односторонніх клапанів, що приєднуються до повертається крові поблизу з’єднання порожнистих вен, що надходять в праве передсердя серця.

Малюнок \(\PageIndex\) : Рідина з капілярів рухається в інтерстиціальний простір і лімфатичні капіляри шляхом дифузії вниз градієнта тиску, а також шляхом осмосу. З 7200 літрів рідини, що перекачується середнім серцем за добу, фільтрується понад 1500 літрів. (кредит: модифікація роботи NCI, NIH)

Еволюція зв’язку: Різноманітність хребетних в кровообігу

Циркуляція крові розвивалася по-різному у хребетних і може показувати різницю у різних тварин для необхідної кількості тиску, розташування органів та судин та розміру органу. Тварини з довгою шиєю та ті, що живуть у холодному середовищі, мають чіткі пристосування артеріального тиску.

Довгошийним тваринам, таким як жирафи, потрібно перекачувати кров вгору від серця проти сили тяжіння. Артеріальний тиск, необхідний від накачування лівого шлуночка, був би еквівалентний 250 мм рт.ст. (мм рт.ст. = міліметри ртутного стовпа, одиниця тиску), щоб досягти висоти голови жирафа, яка на 2,5 метра вище серця. Однак, якби стримувань і противаг не було на місці, цей кров’яний тиск пошкодив би мозок жирафа, особливо якщо він нахилявся до пиття. До таких стримувань і противаг відносяться клапани і механізми зворотного зв’язку, що знижують швидкість серцевого викиду. Довгошийним динозаврам, таким як зауроподи, доводилося перекачувати кров ще вище, до десяти метрів над серцем. Це вимагало б артеріального тиску понад 600 мм рт.ст., що могло бути досягнуто лише величезним серцем. Доказів такого величезного серця не існує, і механізми зниження артеріального тиску, необхідні, включають уповільнення метаболізму, оскільки ці тварини зростали більше. Цілком ймовірно, що вони не регулярно харчувалися верхівками дерев, а паслися на землі.

Живучи в холодній воді, китам необхідно підтримувати температуру в крові. Це досягається тим, що вени та артерії знаходяться близько один до одного, так що може відбуватися теплообмін. Цей механізм називається протитечівним теплообмінником. Кровоносні судини і все тіло також захищені товстими шарами бульббера, щоб запобігти втраті тепла. У наземних тварин, які живуть в холодних умовах, густе хутро і сплячка використовуються для збереження тепла і уповільнення обміну речовин.

артеріальний тиск

Тиск кровотоку в організмі виробляється гідростатичним тиском рідини (крові) об стінки кровоносних судин. Рідина буде переміщатися з областей високого до низького гідростатичного тиску. В артеріях гідростатичний тиск біля серця дуже високий і кров надходить до артеріол, де швидкість течії сповільнюється вузькими отворами артеріол. Під час систоли, коли в артерії надходить нова кров, стінки артерій розтягуються, щоб вмістити підвищення тиску зайвої крові; під час діастоли стінки повертаються в норму через своїх еластичних властивостей. Артеріальний тиск фази систоли і фази діастоли, графічні на малюнку \(\PageIndex\) , дає два показання тиску для артеріального тиску. Наприклад, 120/80 вказує на показання 120 мм рт.ст. під час систоли і 80 мм рт.ст. під час діастоли. Протягом усього серцевого циклу кров продовжує спорожнятися в артеріоли з відносно рівною швидкістю. Такий опір кровотоку називається периферичним опором .

Малюнок \(\PageIndex\) : Артеріальний тиск пов’язаний зі швидкістю крові в артеріях і артеріолах. У капілярах і венах артеріальний тиск продовжує знижуватися, але швидкість збільшується.

Регулювання артеріального тиску

Серцевий викид – це обсяг крові, що перекачується серцем за одну хвилину. Він розраховується шляхом множення кількості скорочень серця, що відбуваються в хвилину (ЧСС) на ударний об’єм (обсяг крові, що перекачується в аорту за скорочення лівого шлуночка). Тому серцевий викид може бути збільшений за рахунок збільшення частоти серцевих скорочень, як при фізичних навантаженнях. Однак серцевий викид також може бути збільшений за рахунок збільшення ударного об’єму, наприклад, якщо серце скорочується з більшою силою. Обсяг удару також можна збільшити за рахунок прискорення кровообігу по тілу, щоб більше крові надходило в серце між скороченнями. Під час важких навантажень кровоносні судини розслабляються і збільшуються в діаметрі, компенсуючи почастішання серцебиття і забезпечуючи адекватне потрапляння киснем крові до м’язів. Стрес запускає зменшення діаметра кровоносних судин, отже, підвищення артеріального тиску. Ці зміни також можуть бути викликані нервовими сигналами або гормонами, і навіть стояння або лежачи може мати великий вплив на артеріальний тиск.

Резюме

Кров переважно рухається по тілу ритмічним рухом гладкої мускулатури в стінці судини і під дією скелетної мускулатури в міру руху тіла. Кров перешкоджають перетіканню назад по венах односторонніми клапанами. Потік крові через капілярні русла контролюється прекапілярними сфінктерами для збільшення та зменшення потоку залежно від потреб організму і направляється нервовими та гормональними сигналами. Лімфатичні судини беруть рідину, яка просочилася з крові в лімфатичні вузли, де вона очищається перед поверненням до серця. Під час систоли кров надходить в артерії, а стінки артерій розтягуються, щоб вмістити зайву кров. Під час діастоли стінки артерії повертаються в норму. Артеріальний тиск фази систоли і фази діастоли дає два показання тиску для артеріального тиску.

Глосарій

артеріальний тиск (АТ) тиск крові в артеріях, що допомагає проштовхувати кров по організму серцевий викид обсяг крові, що перекачується серцем за одну хвилину як добуток частоти серцевих скорочень, помножений на ударний об’єм лімфатичний вузол спеціалізований орган, який містить велику кількість макрофагів, які очищають лімфу до повернення рідини в серце периферичний опір опір артерії і стінок кровоносних судин тиску, що чиниться на них силою перекачування серця прекапілярний сфінктер невеликий м’яз, який контролює кровообіг в капілярних ліжках Обсяг ходу обсяг крові, що перекачується в аорту за скорочення лівого шлуночка