Гидрофильный и гидрофобный фильтр: в чём разница

Определение через смачивание поверхности

В основе различий лежит физико-химическое явление смачивания, которое описывается краевым углом смачивания. Если краевой угол меньше 90 градусов, материал классифицируют как гидрофильный. В этом случае молекулы воды сильнее притягиваются к полимерным цепочкам мембраны, чем связываются между собой. Вода мгновенно растекается по поверхности пор, заполняет капилляры и проходит сквозь фильтр под небольшим перепадом давления.

У гидрофобных полимеров краевой угол смачивания превышает 90 градусов. Силы притяжения между молекулами воды превосходят адгезию жидкости к стенкам пор. Капли стремятся сохранить сферическую форму, а капиллярные силы сопротивляются входу воды в сухие каналы. Чтобы продавить водный раствор через такие поры, нужно большое давление, и обычно это плохая идея.

Почему для воды – гидрофильный, а для газов – гидрофобный

Для водных растворов, биохимических буферов и культуральных жидкостей выбирают гидрофильные фильтры. Они исключают возникновение воздушных пробок в капиллярах и обеспечивают стабильный поток при низком рабочем давлении, не разрушая чувствительные компоненты пробы.

Для газов, вентиляции ёмкостей и защиты вакуумных линий необходима гидрофобная мембрана. Воздух и технические газы всегда содержат примеси водяного пара или капельную влагу. Если влажный газ попадает на гидрофильный материал, жидкость конденсируется в порах, смачивает фильтр и создает герметичную гидравлическую пробку. Газовый поток останавливается. Гидрофобный барьер не смачивается водой, поэтому капли конденсата скатываются с поверхности, а поры остаются открытыми для непрерывного прохождения газа.

Смачивание спиртом: как пропустить воду через гидрофобную мембрану

Если для фильтрации водного раствора доступна только гидрофобная мембрана, применяют метод предварительного смачивания органическим растворителем. Чаще всего используют этанол или изопропиловый спирт.

Поверхностное натяжение спиртов существенно ниже поверхностного натяжения воды. Спирт преодолевает гидрофобное отталкивание, мгновенно смачивает неполярные стенки капилляров и целиком заполняет поры. После этого через фильтр пропускают деионизированную воду для вымывания спирта либо сразу подают рабочий раствор. Вода смешивается со спиртом и без сопротивления занимает увлажненные каналы. Пока поры остаются заполненными жидкостью, фильтрация водных растворов продолжается в нормальном режиме. Если фильтр полностью высохнет, капиллярный барьер восстановится, и процедуру придется повторить.

Примеры материалов мембран

От материала зависят совместимость со средой и прочность фильтра.

Гидрофильные материалы:

• Полиэфирсульфон (PES) – обеспечивает высокую скорость фильтрации и минимальное неспецифическое связывание белков при очистке биопрепаратов.
• Ацетат целлюлозы (CA) – низкая сорбция белка, подходит для питательных сред и ферментных растворов.
• Смешанные эфиры целлюлозы (MCE) – традиционный выбор для аналитического микробиологического контроля водных проб.
• Нейлон (полиамид, NY) – механически прочный гидрофильный материал, устойчивый к щелочам и ряду органических растворителей.
• Регенерированная целлюлоза (RC) – гидрофильна от природы, устойчива к агрессивным органическим элюентам.

Гидрофобные материалы:

• Политетрафторэтилен (ПТФЭ / PTFE) – очень высокая химическая стойкость к кислотам, щелочам и агрессивным растворителям.
• Поливинилиденфторид (ПВДФ / PVDF) – прочный и химически стойкий материал, применяется для фильтрации воздуха, газов и неводных сред.
• Полипропилен (ПП / PP) – гидрофобный полимер для осветления органических сред и предварительной очистки газов.

Модифицированные мембраны: может ли материал менять свойства

Один и тот же полимер может существовать как в гидрофобной, так и в гидрофильной форме. Исходные ПТФЭ и ПВДФ обладают выраженной гидрофобностью из-за плотного расположения атомов фтора.

Для расширения областей применения фторопластов производители модифицируют их поверхность специальной обработкой. В результате гидрофилизированный ПТФЭ или гидрофилизированный ПВДФ приобретает способность самопроизвольно смачиваться водой. Химическая стойкость такой мембраны зависит от обработки и конструкции фильтра, поэтому совместимость лучше проверять отдельно. Модифицированные мембраны удобны в пробоподготовке для жидкостной хроматографии: один тип фильтра подходит и для водных, и для водно-органических проб. Одну и ту же насадку на разные растворы использовать нельзя.

Как выбрать мембрану под конкретную задачу

При выборе фильтра анализируют природу растворителя, наличие взвесей и цель технологического процесса:

Частые ошибки при лабораторной фильтрации

• Попытка продавить водный образец через сухую гидрофобную мембрану. Лаборант прикладывает чрезмерное усилие к поршню шприца или насосу. Мембрана может порваться, и в пробу попадут частицы.
• Установка гидрофильного фильтра на дыхательную линию ёмкости. Образующийся конденсат закупоривает поры фильтра. В ёмкости растёт давление или вакуум, и процесс останавливается.
• Фильтрация кетонов и амидов через несовместимый гидрофильный материал. Например, ацетон или диметилформамид растворяют матрицу из ацетата целлюлозы или эфиров целлюлозы. Фильтр разрушается, и фильтрат загрязняется.
• Пересыхание гидрофобной мембраны после активации спиртом. При технологических паузах спирт быстро испаряется из пор. Мембрана снова становится непроницаемой для воды, требуя повторного смачивания растворителем.
• Пренебрежение сорбционными характеристиками. Использование гидрофильного нейлона для фильтрации малых количеств белков приводит к потере продукта: белок остаётся на мембране.

Нужен фильтр под вашу задачу? Посмотрите раздел Мембранные фильтры или воспользуйтесь подбором на главной.