Tecniche di separazione
per miscugli eterogenei
Le tecniche di separazione sono tutte quelle procedure che consentono di separare un
miscuglio eterogeneo nei suoi costituenti.
Per facilitare la trattazione si presume che i miscugli siano tutti costituiti da due fasi e che
siano:
•
•
•
•
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miscugli solido – solido
miscugli solido – liquido
miscugli solido – gas (fumi)
miscugli liquido - liquido (solo per liquidi immiscibili)
miscugli liquido – gas (nebbie)
Separazione solido solido
Separazione manuale
Può sembrare una idiozia ma, nella ricerca scientifica, c'è almeno un
caso in cui questa tecnica è stata utilizzata: il prof. Pasteur (a cui si
deve anche la pastorizzazione) nei suoi studi sull'acido tartarico poté
separare i due isomeri ottici solo mediante una separazione manuale
condotta con luce polarizzata, in quanto all'epoca, non erano
conosciuti metodi per poter separare due isomeri ottici. Vedi Acido
Tartarico (solo in inglese)
Separazione magnetica
La separazione magnetica è attuabile solo in presenza di materiali
ferromagnetici quali ferro, più raramente cobalto e nichel, i quali
risentono dell'azione di un campo magnetico; è largamente utilizzata,
per esempio, nel trattamento dei rifiuti solidi urbani per la separazione
del ferro (lattine o altri manufatti) dal resto dei rifiuti.
Separazione mediante vagliatura o stacciatura (o setacciatura)
Utilizzando un setaccio è possibile separare tra loro corpi che
presentano diverse dimensioni. Le dimensioni delle maglie dei setacci
possono essere espresse sia come numero di maglie per centimetro
lineare sia come dimensione delle maglie stesse. Negli Stati Uniti si
usa il Mesh che rappresenta il numero di maglie per pollice lineare.
Flottazione
La flottazione è una tecnica che sfrutta la diversa bagnabilità del
minerale rispetto alla ganga per concentrare il minerale.
In campo minerario la si attua per operare su prodotti più concentrati in
particolare modo con l'uso di tensioattivi.
Vedasi anche il capitolo “Flottazione con schiuma” nella voce
Flottazione di Wikipedia.
Separazione mediante levigatura
La levigatura (da non confondere con l'omonima operazione
tecnologica di “lisciatura” di un manufatto) è quella tecnica che
consente di separare i minerali più pesanti dalla ganga che presenta
densità minore. Di solito la si attua utilizzando un recipiente largo e
basso nel quale viene posto il minerale grezzo e un po' d'acqua: con
dei movimenti circolari è possibile separare il minerale con densità
maggiore dalla ganga, la quale presenta una densità minore. Questa
tecnica è stata largamente utilizzata, per esempio, dai cercatori d'oro.
Estrazione con solvente
Dovendo separare del sale dalla sabbia è possibile utilizzare un
solvente (acqua) che, selettivamente, porta in soluzione il sale e
consente, mediante una filtrazione, di separare la sabbia. Il sale poi
può essere recuperato facendo evaporare (ma non è l'unica opzione
possibile) l'acqua usata per la solubilizzazione.
In alcuni casi si rende necessario l'uso di appositi estrattori che
ripetono il ciclo di estrazione più e più volte (come nella figura qui a
fianco) utilizzando sempre solvente puro e caldo al punto di ebollizione
(cosa che facilita la solubilizzazione del componente desiderato) che
viene fatto passare ripetutamente sul miscuglio da separare.
L'apparecchio in questione si chiama Estrattore Soxhlet e una sua
accurata descrizione, anche con animazioni, è disponibile su
Wikipedia:
http://it.wikipedia.org/wiki/Estrattore_Soxhlet
Separazione solido - liquido
Decantazione
La decantazione è il sistema più economico che è possibile utilizzare
in ambito industriale per questo tipo di separazione: questa tecnica
viene utilizzata quando si devono separare piccole quantità di
materiale solido da una grande quantità di miscuglio solido liquido
(torbida). La decantazione viene normalmente effettuata in grandi
vasche, di solito cilindriche, nelle quali la torbida viene immessa
lentamente, in maniera da non creare turbolenze nel liquido già
presente nel decantatore. Nella torbida lasciata a riposo il solido tende
a depositarsi sul fondo, mentre il liquido chiarificato esce dagli
sfioratori e viene raccolto a parte. Il solido depositato sul fondo viene
raccolto mediante raschiatoi, portato al centro della vasca e da qui
eliminato. Questa tecnica sfrutta la forza di gravità per ottenere la
separazione. In alcuni casi in vengono aggiunte delle sostanze
chiamate flocculanti che favoriscono e facilitano tale operazione. In
campo industriale generalmente si utilizzano dei decantatori chiamati
decantatori Dorr i quali consentono di effettuare tale operazione in
maniera continua con un minimo di presenza di operatori umani.
L'utilizzo più comune è legato alla potabilizzazione dell'acqua e al
trattamento delle acque reflue. Vedasi anche Wikipedia:
Potabilizzazione e, in particolare, i paragrafi 3.1, 3.2, 3.3 e 4.2
Filtrazione
La filtrazione è la tecnica di eccellenza che si utilizza in laboratorio
quando si vuole separare un solido da un liquido. In questa tecnica si
utilizza una carta oppure altri dispositivi che hanno la funzione di
trattenere la parte solida della torbida e di lasciar passare la parte
liquida della stessa. La carta che si utilizza nella filtrazione è una carta
del tipo particolare, non patinata, non caricata, generalmente di pura
cellulosa. Questo garantisce una dimensione dei pori pressoché
costante su tutta la carta.
La torbida, dopo la decantazione, viene travasata nel filtro dove le
particelle solide sono trattenute e la parte liquida viene lasciata
passare. Le carte da filtro si distinguono tra loro in base alla porosità.
Uno dei sistemi di riconoscimento più vecchi ed ancora usati si basa
su un codice colore associato ad ogni tipo di carta:

Fascia azzurra: carta adatta alla filtrazione di precipitati
microcristallini, molto lenta.

Fascia bianca: carta adatta alla filtrazione di precipitati
normali, di media velocità.

Fascia nera: carta adatta alla filtrazione di precipitati
macro cristallini o di precipitati gelatinosi, molto veloce.
Per preparare un filtro si piega la carta da filtro in quattro in modo da
creare un dispositivo a forma di cono, che viene poi adattato
all’imbuto.
Il filtro di carta piano viene preparato sul
momento, piegando a metà e poi ancora
qausi a metà un pezzo di carta da filtro
(Vedi la procedura guidata che segue).
Successivamente lo si inserisce nell'imbuto
e lo si bagna facendolo aderire alle pareti
per tenerlo in posizione.
Si dovrebbe fare in modo che il bordo del
filtro sia di circa 5 mm più basso del bordo dell'imbuto e che il filtro sia
perfettamente “indossato” dall'imbuto ovvero non deve “ballare”
all'interno dell'imbuto né, tantomeno, rimanere sospeso perché troppo
largo.
La torbida viene poi trasferita nel filtro a piccole porzioni usando la
bacchetta come guida evitando di appoggiarla sul filtro che, essendo
bagnato, potrebbe rompersi. Infine si lavano le pareti del bicchiere con
una spruzzetta, raccogliendo le acque di lavaggio sempre nel filtro.
Il filtro “a pieghe” può essere preparato a mano ma, attualmente, è
disponibile anche già pronto all'uso. Esso viene inumidito e mantenuto
con le pieghe in quanto in questa maniera la superficie filtrante è molto
più ampia (circa il doppio) di un normale filtro piano.
Quando si usa un filtro piano si intende recuperare la parte solida della
torbida, mentre quando si usa un filtro a pieghe, si intende recuperare
la parte liquida della stessa.
Per facilitare e velocizzare la filtrazione è buona norma fare in modo
che il filo di liquido che esce dal gambo dell'imbuto scorra lungo le
pareti del bicchiere dove viene raccolto il liquido. Esistono degli imbuti
appositi (con gambo lungo strozzato, con seni impressi, con spirale)
che sono stati studiati e creati per velocizzare le operazioni di
filtrazione in condizioni normali.
Procedura per la preparazione di un filtro piano
Prendere un pezzo di carta da filtro approssimativamente
quadrato
Piegarlo a metà
Piegarlo nuovamente QUASI a metà. Ciò è indispensabile per
avere il giusto angolo al vertice del cono che deve essere
uguale a quello dato dalle pareti dell'imbuto.
Eliminare i quattro angoli (che ora sono raggruppati) con un
taglio approssimativamente circolare.
Completato il taglio cestinare il
pezzo con i quattro angoli e
ricordarsi che questo pezzo deve
essere un buco (quasi) circolare
con della carta attorno.
Ogni altra conformazione è errata.
Inserire un dito tra i quattro foglietti
lasciandone 3 da una parte e uno
dall'altra ed aprire a cono il filtro.
Ora il filtro può essere inserito
nell'imbuto e bagnato per farlo
rimanere a posto.
Particolari tipi di filtrazione
L'imbuto Büchner è un particolare tipo di imbuto, di solito fatto in
ceramica, munito di un setto forato, sul quale viene posta la carta da
filtro tagliata a misura. Inserendo questo imbuto su una beuta da vuoto
ed applicando l'aspirazione si ottiene un notevole velocizzazione delle
operazioni di filtrazione. Questa tecnica, conosciuta come filtrazione
sotto vuoto, viene largamente usata nella chimica organica. Vedi
anche Buchner
Il crogiolo filtrante (chiamato anche Gooch) è un piccolo contenitore a
forma di bicchiere in cui il fondo è stato sostituito da un setto filtrante in
ceramica. Adattando questo crogiolo su di un imbuto mediante un
anello di gomma è possibile operare sotto vuoto e separare
rapidamente precipitati analitici. Sul corpo del crogiolo sono riportate
delle sigle alfanumeriche che consentono di determinare la grandezza
dei pori e quindi anche la velocità di filtrazione. Vedi anche Crogiolo
Gooch (solo in inglese)
Filtrazione con imbuto filtrante: l'imbuto filtrante è un imbuto nel quale,
sul fondo, è stato inserito un setto filtrante in ceramica. L'utilizzo di tale
apparecchio è analogo a quello del crogiolo filtrante.
Microfiltrazione: nel caso si debba operare su quantità minime di
torbida bisogna utilizzare delle tecniche adatte al caso. Una di queste
tecniche prevede l'utilizzo di una bacchetta di vetro munita di una
estremità ingrossata, conosciuta con il nome di “chiodo di Wilstatter”.
In questo caso il “chiodo” viene inserito nell’imbuto e al di sopra di
esso viene posto un filtro rotondo di carta di dimensioni adeguate,
ottenuto di solito utilizzando un foratappi. Con questo sistema è
possibile filtrare quantità minime di torbida
Centrifugazione: la centrifugazione viene largamente utilizzata nei
laboratori di chimica clinica in quanto consente di separare
rapidamente piccole quantità di solido dalla torbida. Questa tecnica si
basa sulla diversa densità delle particelle che compongono la torbida.
Aumentando localmente la forza di gravità per effetto centrifugo si
ottiene una separazione molto più rapida che non con le tecniche
tradizionali. Quando si utilizza una centrifuga è indispensabile che il
carico sia ben bilanciato altrimenti si corre il rischio di rovinare o
rompere l'asse della centrifuga stessa. Nella centrifugazione si usano
delle provette particolari: hanno il fondo conico e le pareti più spesse
per poter meglio resistere agli effetti della forza centrifuga. Mentre in
laboratorio si usano centrifughe a 5000 – 7000 giri, in alcune
applicazioni particolari è possibile trovare centrifughe a 150.000 giri;
ovviamente queste ultime sono racchiuse in un contenitore blindato in
quanto, in caso di rottura, esiste la possibilità che i pezzi siano
proiettati a velocità molto elevate.
Sistemi di separazione Solido – Liquido (nebbie)
e Solido – Gas (fumi)
In questa sezione si trattano congiuntamente i casi di separazione dei costituenti di fumi e
nebbie in quanto i metodi sono analoghi. Per le nebbie solitamente si usano gli abbattitori
elettrostatici e le torri di lavaggio mentre per i fumi le tecnologie a costo minore sono le
prime due.
Ciclone
Il ciclone è un dispositivo di forma cilindrica nel quale il gas contenente
particelle solide viene fatto entrare tangenzialmente ad una certa
velocità. Per effetto della forza centrifuga le particelle solide vanno a
collidere sulla parete esterna, perdono la loro inerzia e cadono sul
fondo. Il gas così purificato viene fatto uscire tramite un camino e una
bocca a vento. Questo sistema è largamente utilizzato, ad esempio,
per la separazione della segatura nelle segherie con impianti di
aspirazione centralizzata. Vedi Ciclone su Wikipedia
Camere a polvere
Le camere a polvere sono degli enormi stanzoni in cui il fumo viene
convogliato e dove, per effetto del rallentamento che così si ottiene, le
particelle solide hanno la possibilità di depositarsi sul pavimento della
stanza. Questi dispositivi attualmente sono poco utilizzati in quanto
hanno un funzionamento discontinuo (di tanto in tanto bisogna
chiudere l'afflusso di gas e pulire il pavimento dove si sono depositate
le parti solide, quindi servono due strutture: mentre una è in funzione,
l'altra viene pulita e viceversa), e occupano moltissimo spazio.
Vedi Wikipedia e anche Wikipedia 2
Abbattitori elettrostatici
Gli abbattitori elettrostatici sono dei tubi metallici ai cui centro è
sospeso un filo metallico isolato dalla carcassa e collegato ad una
differenza di potenziale di 150 o più KV. Le particelle solide che
entrano in questo tubo vengono caricate dal campo elettrico in cui
vengono a trovarsi e vanno scaricarsi sulla parete metallica
dell’abbattitore che è collegata a terra. In questo modo il fumo viene
liberato dalle particelle solide ed esce dall'alto mentre le particelle
solide si raccolgono sul fondo dell’abbattitore e vengono raccolte.
Questi dispositivi consentono di eliminare buona parte delle particelle
solide più minute presenti in un fumo. Vedi Elettrofiltro
Torri di lavaggio
Le torri di lavaggio sono dei cilindri anche di dimensioni notevoli al cui
interno viene posto del materiale inerte (Calcare in pezzi, rottami di
ferro, apposito “materiale da riempimento” in grès o ceramica, ecc.).
Il fumo viene fatto entrare dal basso e viene diviso dal materiale inerte
in tanti rivoli i quali incontrano dell'acqua spruzzata in controcorrente
dall'alto della torre. In questo modo le particelle solide vendono
trattenute dall'acqua mentre il gas (non trattenuto dall'acqua) esce
dall'alto. Una successiva filtrazione o decantazione consente di
recuperare eventualmente le particelle solide trascinate dall'acqua.
Questo sistema consente l’eliminazione di tutte le particelle solide da
un fumo. Vedi Wikipedia Depolveratore a umido
Separazione liquido liquido (solo per sistemi eterogenei).
Imbuto separatore
Un imbuto separatore è un dispositivo a forma di imbuto, munito di un
rubinetto alla base mediante il quale è possibile separare due liquidi
immiscibili. Utilizzando un imbuto separatore è possibile quindi
ottenere la separazione di due fasi liquide non miscibili tra loro. Sistemi
eterogenei quali acqua e olio oppure acqua e benzina possono essere
agevolmente separati mediante questa tecnica.
Il presente lavoro, redatto dall' ITP Eligio ZLATICH, nell'ambito della formazione di base
per il laboratorio di chimica per l'I.T.I.S. “A.Volta” di Trieste, viene rilasciato con licenza
Creative Commons:
(Obbligo di citare la fonte, Opera gratuita, L'opera può essere modificata ma deve essere
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