Параметры и задачи лабораторных центрифуг

В химических, медицинских, биологических лабораториях, научно-исследовательских институтах одним из базовых видов (и самым скоростным) являются центрифуги лабораторные, способные раскручивать свой ротор до нескольких тысяч оборотов в минуту, чего нельзя достичь никакими другими приборами.

Основные характеристики лабораторных центрифуг

В чем их отличие от бытовых и промышленных

Для ответа на этот вопрос приведем несколько примеров как известных, так и специфических устройств для центрифугирования.

1. Самая популярная и известная – стиральная машина, где в зависимости от программы на запрограммированных этапах стирки барабан отжимает белье под действием высокой частоты вращения.
   
   
   Уже в этом случае мы сталкиваемся как с базовыми критериями, так и с техническими характеристиками, по которым можно выбрать центрифугу для лаборатории:
   • число оборотов (с регулировкой);
   • диаметр барабана (совместно с предыдущим показателем определяет величину центробежной силы);
   • таймер (хотя в стиралках обычно время отжима входит в алгоритм работы соответствующей программы).
   • системы защиты – например нельзя открыть дверь или электромотор не запустится, пока длится стирка.
2. 
   
   
   Центрифуги для подготовки космонавтов.
   
   Без этого никак не обойтись, даже если на орбиту летит космический турист.
   А это задача уже не послезавтра, а почти сегодня, учитывая активные испытания в этом направлении. Во всяком случае, частные ракеты уже поднимаются до границы космоса. 
    
3. 
   
   Обогащение урана методом выделения изотопов посредством вращения.

Все перечисленные высокотехнологичные аппараты на самом деле хотя и построены на основе принципа центробежных сил, но все-таки представляют собой частный случай, поскольку не работают с жидкими средами в классическом понимании.

Например при вращении космонавта – частный, вынужденный случай: “жидкости” содержащиеся в теле (прежде всего кровь) стремятся двигаться под действием вращательного момента наружу, так что тяжелое испытание выдержит не каждый. Так и сознание не долго потерять из-за перегрузок, без подготовки.

Но есть и другие отличия. В первую очередь, конечно размеры и вес.

А тот же космический аналог весит сотни тонн, а при обогащении урана элементы конструкции занимают целые залы.
Отметим, что в процессе центрифугирования меняются физические свойства и прежде всего плотность, а возможно и химические свойства.
Сгущение суспензии – удаление жидкости из суспензии с одновременным увеличением доли твердой фазы.
Если переводить на бытовой, понятный язык эту процедуру можно сравнить с удалением воды при отжиме в стиралке.

Разделение – содержимое пробирок разделяется по плотности. В некоторых лабораторных опытах для этих целей используется делительная воронка.

Второе отличие – в посадочные отверстия пробиркодержателя загружается специальная тара: пробирки с жидким содержимым, а значит это оборудование исключительно "мирное", безопасное для персонала и используется в следующих отраслях:

Подробные определения почти сотни понятий, связанных с высокоскоростным вращением, приведены в ГОСТ 16887-71, а мы изучим основные, указанные в технических параметрах.

Характеристики скоростных миксеров для лаборатории

1. Фактор разделения: отношение достигнутого центробежного ускорения к ускорению свободного падения. Определяется соотношением двух величин – радиуса ротора и частоты вращения. Вместо этого показателя иногда можно встретить абсолютную величину – в граммах.

   
   
   Например для центрифуги медицинской Ц-800-Д в паспорте указывается конкретное значение 1790 грамм.
   
   
   Фмзически измерить параметр можно, если на роторе установить пружинный динамометр и при росте частоты вращения, можно получить фактор разделения. О чем он говорит ? Чем он больше, тем сильнее содержимое пробирок подвергается нагрузкам при вращении (увеличивается центробежная сила).
   
   
   
   
   А на корпусе настольной центрифуги ЦЛУ-6000 нанесена диаграмма для расчета необходимой центробежной силы, в зависимости от которой задается число оборотов.
   
   
   
    
2. Жидкая неоднородная система – дисперсная среда, состоящая из отдельных мелких твердых частиц, капель или пузырьков газа, распределенных в жидкости.
3. Твердая фаза – как раз и есть указанные твердые частицы, взвешенные в жидкости.
4. Суспензия – жидкая неоднородная система, состоящая из твердых частиц, распределенных в жидкости.
5. Эмульсия отличается от суспензии тем, что вместо твердых частиц присутствуют жидкие капельки одной или нескольких жидкостей.
6. Центробежное осаждение – при котором твердые частицы осаждаются на внутренней поверхности ротора.

Теперь рассмотрим такой пример. Возьмем емкость с водой, высыплем туда песок и взболтаем. Является данная субстанция жидкой неоднородной системой ?
Нет, не является.
Песок очень быстро осядет на дно емкости под действием силы тяжести, поскольку песчинки не отвечают критерию “мелкие твердые частицы”, а значит такая смесь в центрифугировании не нуждается.