Johdanto
Tyhjiöhuolto on yleensä olennainen osa julkisten tai yksityisten rakennusten laboratorioiden suunnittelua. Se on monimutkaisempi kuin muut putkistohuollot, koska tyhjiötekniikan vaatimukset ovat erilaiset synteesilaboratoriossa kuin esimerkiksi analyyttisessä tai solubiologian laboratoriossa. Näitä erilaisia vaatimuksia ei voida täyttää samalla tyhjiösyötöllä. Jotta sovelluksiin räätälöidyn tyhjiötoimituksen tarve voidaan ottaa huomioon, erityisvaatimukset on selvitettävä jo suunnitteluvaiheessa. "Oikea työkalu säästää aikaa" on vanha käsityöläisten sanonta, joka pätee kuhunkin laboratorioon toimitettavaan tyhjiöön. Johtuuko se sitten siitä, että tyhjiö tunnetaan huonosti, koska putkistojärjestelmät näyttävät niin samanlaisilta kuin kaasuputket, tai siitä, että perinteinen käytäntö on sanellut yhden koko rakennuksen kattavan järjestelmän, tyhjiösyötön ainutlaatuiset vaatimukset jätetään usein huomiotta laboratorion suunnitteluprosessissa. Monissa sovelluksissa räätälöity tyhjiö on kuitenkin korvaamaton. Sopivan tyhjiön avulla kemistit voivat saavuttaa halutut tulokset nopeammin, turvallisemmin, kätevämmin ja myös toistettavammin. Tämä aihe on tarkoitettu pienlaboratorioiden suunnittelijoille, maanalaisille kemisteille ja lääkevalmistajille alustavaksi orientaatioksi laboratorioiden tyhjiötoimitusten suunnittelun tärkeisiin näkökohtiin.
Mikä on tyhjiö?
Laboratoriossa käytetty tyhjiö on yksinkertaisesti paine, joka on alle ilmakehän paineen. Tyhjiön olennaiset ominaisuudet, jotka määräävät sen käyttökelpoisuuden missään laboratoriosovelluksessa, ovat tyhjiön syvyys - kuinka paljon alle ilmakehän paineen - ja pumppausnopeus, eli kuinka nopeasti ilma, höyryt tai kaasut voidaan poistaa tyhjennettävästä astiasta.
Sovellus
Monet kemistit käyttävät tyhjiötä päivittäin. Mutta miten he käyttävät sitä? Tyhjiötä käytetään monissa vakiosovelluksissa synteesituotteiden valmistuksessa ja käsittelyssä. Useimmissa tapauksissa tyhjiö ei ole keskipisteenä, vaan sillä on olennainen tukeva rooli. Tutuimpia laboratoriotyhjiösovelluksia ovat suodatus ja kuivaus. Voit tietenkin suodattaa ilman tyhjiötä - kuten kahvin keittäminen - antamalla painovoiman tehdä työn puolestasi. Ongelmana on, että laboratoriossa prosessi osoittautuu usein liian hitaaksi liuottimien ja kiinteiden aineiden laajan kirjon vuoksi. Prosessin nopeuttamiseksi suodatinpulloon (Büchner-pulloon) luodaan matalapaine - eli tyhjiö - imusuodatusta (tyhjiösuodatusta) varten.
Suodatus kemikaalinkestävän tyhjiöpumpun avulla.
Kuivausprosessissa taas pyritään muuttamaan näytteen tila nestemäisestä kaasumaiseksi. Voisimme yksinkertaisesti antaa kuivumisen tapahtua, aivan kuten pyykkiä kuivataan ilmakuivaamalla. Kuten suodatuksessa, tämäkin prosessi veisi liikaa aikaa, joten tässäkin käytetään tyhjiötä prosessin nopeuttamiseksi tyhjiöeksikaattorien avulla. Lämpöä voitaisiin käyttää samaan tarkoitukseen, mutta kun painetasoa lasketaan, liuottimien haihduttamiseen tarvitaan vähemmän lämpöenergiaa. Näin ollen tyhjiön käyttö mahdollistaa lämpöherkkien näytemateriaalien tehokkaan kuivauksen.
Laboratorioissa käytettävät tyhjiösovellukset vaihtelevat tieteenalan mukaan, ja eri sovelluksilla on erilaiset tyhjiövaatimukset. Suodatus on lähes kaikissa laboratorioissa käytetty prosessi. Synteettisissä laboratorioissa, joissa tuotetaan jotakin kiinteää ainetta (amfetamiinia, amfetamiinia, mefedronia, MDMA:ta jne.), käytetään yleisesti tyhjiötä kuivaukseen. Kaikki nämä sovellukset edellyttävät tyhjiötä "karkean tyhjiön" alueella - 1 ja 1000 mbarin välillä.
Kemian laboratorioissa käytetään lukuisia tyhjiöohjattuja tekniikoita aineiden, kuten liuottimien, seosten haihduttamiseen. Tunnetuin esimerkki tästä on rotaatiohaihdutus, jonka tarkka ohjaus ja paineen säätö asettavat huomattavia vaatimuksia pumppu- ja säätötekniikalle karkealla tyhjiöalueella. Tällä laitteistolla voidaan haihduttaa liuottimia nopeasti ilman voimakasta kuumennusta, ja myös synteesin jälkeiset liuottimet voidaan ottaa talteen jätteestä.
Sen sijaan Schlenk-linja ja tyhjiötislaus, jotka ovat yleisiä myös kemian laboratorioissa, vaativat hienotyhjiöalueella olevaa tyhjiötä. Tätä tekniikkaa käytetään silloin, kun halutun yhdisteen kiehumispistettä on vaikea saavuttaa tai se aiheuttaa yhdisteen hajoamisen. Alennetut paineet alentavat yhdisteiden kiehumispistettä.
Pumput
KalvopumputKalvopumpuissa käytetään joustavaa kalvoa ja takaiskuventtiilejä pumppauspaineen tuottamiseen, ja ne tuottavat tyypillisesti alhaisen tai keskisuuren tyhjiön. Ne kestävät usein liuotinhöyryjä ja lievästi syövyttäviä höyryjä, joten ne ovat käyttökelpoisia pyöröhaihduttimissa, mutta niiden kyvyttömyys tuottaa korkeaa alipainetta rajoittaa niiden käyttökelpoisuutta. Kalvopumput eivät useinkaan tarvitse öljyä. Tämäntyyppiset pumput voivat tuottaa jopa 1,5 mbar:n tyhjiön. Suurin haittapuoli on 50-60 dB:n melu ja säännöllisen huollon tarve (öljyn ja kalvojen vaihto). Kalvopumppujen hinta on ~450-500 dollaria.
Pyöriväsiipipumput
Pyöriväsiipipipumput ovat myös yleinen tyhjiöpumpputyyppi, ja kaksivaiheisilla pumpuilla voidaan saavuttaa selvästi alle 10-6 baarin paineita. Pyöriväsiipipumpuissa käytetään ellipsinmuotoisessa ontelossa pyöriviä pyöreitä siipisarjoja pumppauspaineen luomiseksi, ja niillä voidaan saavuttaa keskisuuri tai suuri tyhjiö. Jos pumppusi vaatii öljynvaihtoja, se on todennäköisesti pyörivä siipipumppu. Vaikka niillä voidaan saavuttaa korkeampi tyhjiö kuin kalvopumpuilla, liuotin tai syövyttävät höyryt vaurioittavat niitä helposti. On ryhdyttävä toimenpiteisiin, jotta haitalliset höyryt eivät pääse tämäntyyppisiin pumppuihin, kuten kylmäloukun käyttöönotto, sillä saastuminen voi vähentää merkittävästi pumpun tehokkuutta ja käyttöikää. Arvioitu hinta 150-200 dollaria.
Pyöriväsiipipipumput ovat myös yleinen tyhjiöpumpputyyppi, ja kaksivaiheisilla pumpuilla voidaan saavuttaa selvästi alle 10-6 baarin paineita. Pyöriväsiipipumpuissa käytetään ellipsinmuotoisessa ontelossa pyöriviä pyöreitä siipisarjoja pumppauspaineen luomiseksi, ja niillä voidaan saavuttaa keskisuuri tai suuri tyhjiö. Jos pumppusi vaatii öljynvaihtoja, se on todennäköisesti pyörivä siipipumppu. Vaikka niillä voidaan saavuttaa korkeampi tyhjiö kuin kalvopumpuilla, liuotin tai syövyttävät höyryt vaurioittavat niitä helposti. On ryhdyttävä toimenpiteisiin, jotta haitalliset höyryt eivät pääse tämäntyyppisiin pumppuihin, kuten kylmäloukun käyttöönotto, sillä saastuminen voi vähentää merkittävästi pumpun tehokkuutta ja käyttöikää. Arvioitu hinta 150-200 dollaria.
Vesisuihkupumppu
Vesisuihkupumppu on ajosuihkupumppu, jossa vesi virtaa suuttimen läpi. Suuren virtausnopeuden seurauksena syntyy tyhjiö. Saavutettava lopullinen alipaine riippuu veden paineesta ja lämpötilasta (veden osalta 3,2 kPa tai 0,46 psi tai 32 mbar 25 °C:ssa tai 77 °F:ssa). Jos ei oteta huomioon työstönesteen lähdettä, tyhjiöpuhaltimet voivat olla huomattavasti kompaktimpia kuin saman kapasiteetin omaavilla tyhjiöpumpuilla. Arvioitu hinta ~25-30 dollaria. Mitä alhaisempi imupaine on, sitä enemmän imukyky laskee. Vesisuihkupumpuille on ominaista niiden erittäin alhaiset hankintakustannukset ja korroosionkestävyys. Ne ovat kuitenkin kiinteitä. Niiden käyttöä varten vesi- ja jätevesiliitännät on asennettava laboratoriopöydille ja poistohormeihin. Koska vesisuihkupumput kuluttavat vettä tyypillisesti useita satoja litroja tunnissa - sata tuhatta litraa vuodessa, vaikka käyttö olisi kohtuullista -, ne aiheuttavat korkeat käyttökustannukset makean veden ja jäteveden osalta. Toinen haittapuoli on korkea melutaso ja huono ympäristöystävällisyys, sillä kaikki sovelluksista pumpatut aineet ja liuotinhöyryt päätyvät jätevesiin.
Vesisuihkupumppu on ajosuihkupumppu, jossa vesi virtaa suuttimen läpi. Suuren virtausnopeuden seurauksena syntyy tyhjiö. Saavutettava lopullinen alipaine riippuu veden paineesta ja lämpötilasta (veden osalta 3,2 kPa tai 0,46 psi tai 32 mbar 25 °C:ssa tai 77 °F:ssa). Jos ei oteta huomioon työstönesteen lähdettä, tyhjiöpuhaltimet voivat olla huomattavasti kompaktimpia kuin saman kapasiteetin omaavilla tyhjiöpumpuilla. Arvioitu hinta ~25-30 dollaria. Mitä alhaisempi imupaine on, sitä enemmän imukyky laskee. Vesisuihkupumpuille on ominaista niiden erittäin alhaiset hankintakustannukset ja korroosionkestävyys. Ne ovat kuitenkin kiinteitä. Niiden käyttöä varten vesi- ja jätevesiliitännät on asennettava laboratoriopöydille ja poistohormeihin. Koska vesisuihkupumput kuluttavat vettä tyypillisesti useita satoja litroja tunnissa - sata tuhatta litraa vuodessa, vaikka käyttö olisi kohtuullista -, ne aiheuttavat korkeat käyttökustannukset makean veden ja jäteveden osalta. Toinen haittapuoli on korkea melutaso ja huono ympäristöystävällisyys, sillä kaikki sovelluksista pumpatut aineet ja liuotinhöyryt päätyvät jätevesiin.
Tyhjiöpumppujen valinta
Maanalaisessa kemian laboratoriossa tyhjiö kuuluu laboratoriotyöpisteiden peruslaitteisiin. Näin ollen tyhjiön syöttö on jo olennainen osa uusien laboratorioiden suunnittelua, koska sitä tarvitaan monissa sovelluksissa - olipa kyse sitten haihduttamisesta, tislauksesta, kuivauksesta tai yksinkertaisesti imusta tai suodatuksesta. Näihin karkeisiin tyhjiösovelluksiin soveltuvat parhaiten kemian kalvopumput.
Turvallisuus
On huolehdittava siitä, ettei haitallisia höyryjä pääse purkautumaan laboratorioilmakehään. Pumpun pakokaasu on joko poistettava huurteenpoistoon tai varustettava asianmukaisella pesurilla tai suodattimella. Evakuoidut lasitavarat rikkoutuvat rikkoutuessaan ja implodoituvat rajusti, jolloin sirpaleet lentävät suurella nopeudella. Tarkasta lasiesineet halkeamien ja vikojen varalta ennen tyhjiön käyttöä.
Last edited:
