Uvod
Oskrba z vakuumom je običajno sestavni del načrtovanja laboratorijev v javnih ali zasebnih stavbah. Je bolj zapleteno kot druge cevovodne komunalne storitve, saj so zahteve za vakuumsko tehnologijo v laboratoriju za sintezo drugačne kot na primer v laboratoriju za analitiko ali celično biologijo. Teh različnih zahtev ni mogoče izpolniti z enakim dovodom vakuuma. Da bi se odzvali na potrebo po vakuumski oskrbi, prilagojeni aplikacijam, je treba posebne zahteve pojasniti že v zgodnji fazi načrtovanja. "Pravo orodje prihrani čas" je star obrtniški rek, ki velja tudi za vakuumsko oskrbo vsakega laboratorija. Ne glede na to, ali je vakuum slabo razumljen, ker se zdi, da so cevni sistemi tako podobni plinskim cevovodom, ali ker je tradicionalna praksa narekovala enoten sistem za celotno stavbo, so edinstvene zahteve za oskrbo z vakuumom pogosto spregledane v postopku načrtovanja laboratorija. Kljub temu je prilagojen vakuum za številne aplikacije neprecenljiv. Ustrezen vakuum omogoča kemikom, da dosežejo želene rezultate hitreje, varneje, udobneje in tudi ponovljivo. Ta tema je namenjena začetni orientaciji načrtovalcev malih laboratorijev, kemikov v podzemlju in proizvajalcev zdravil o pomembnih vidikih pri načrtovanju oskrbe laboratorijev z vakuumom.
Kaj je vakuum?
Vakuum, kot se uporablja v laboratoriju, je preprosto tlak pod atmosferskim tlakom. Bistveni lastnosti vakuuma, ki določata njegovo uporabnost v posamezni laboratorijski aplikaciji, sta globina vakuuma - koliko pod atmosferskim tlakom in hitrost črpanja, tj. kako hitro je mogoče odstraniti zrak, hlape ali pline iz posode, ki se izpraznjuje.
Uporaba
Mnogi kemiki uporabljajo vakuum vsak dan. Toda kako ga uporabljajo? Vakuum se uporablja za številne standardne aplikacije pri pripravi in obdelavi sinteznih izdelkov. V večini primerov vakuum ni v središču pozornosti, ampak ima bistveno podporno vlogo. Najbolj znani laboratorijski vakuumski aplikaciji sta filtriranje in sušenje. Seveda lahko filtrirate tudi brez vakuuma - kot pri kuhanju kave - tako, da pustite, da delo namesto vas opravi gravitacija. Težava je v tem, da se v laboratoriju ta postopek zaradi širokega spektra topil in trdnih snovi pogosto izkaže za prepočasnega. Za pospešitev postopka se v filtrirni bučki (Büchnerjeva bučka) za sesalno (vakuumsko) filtracijo ustvari nizek tlak - tj. vakuum.
Filtriranje s pomočjo vakuumske črpalke, odporne na kemikalije
Pri sušenju pa je cilj spremeniti stanje vzorca iz tekočega v plinasto. Sušenje lahko preprosto omogočimo, tako kot sušimo perilo na zraku. Tako kot pri filtriranju bi tudi ta postopek trajal predolgo, zato se tudi tu uporablja vakuum, da se postopek pospeši s pomočjo vakuumskih eksikatorjev. Za doseganje enakega učinka bi lahko uporabili toploto, vendar je z zmanjšanjem ravni tlaka za izhlapevanje topil potrebno manj toplotne energije. Tako uporaba vakuuma omogoča učinkovito sušenje vzorčnih materialov, občutljivih na toploto.
Vakuumske aplikacije, ki se uporabljajo v laboratorijih, se razlikujejo glede na znanstveno disciplino, različne aplikacije pa imajo različne vakuumske zahteve. Filtriranje je postopek, ki se uporablja v skoraj vseh laboratorijih. Sintetični laboratoriji, v katerih se proizvajajo trdne snovi (metamfetamin, amfetamin, mefedron, MDMA itd.), pogosto uporabljajo vakuum za sušenje. Vse te aplikacije zahtevajo vakuum v območju "grobega vakuuma" -med 1 in 1000 mbar.
V kemijskih laboratorijih se številne vakuumsko gnane tehnologije uporabljajo za izhlapevanje mešanic snovi, kot so topila. Najbolj znan primer tega je rotacijsko uparjanje, pri katerem natančen nadzor in uravnavanje tlaka postavljata pomembne zahteve glede tehnologije črpalk in krmiljenja v območju grobega vakuuma. Ta oprema omogoča hitro izhlapevanje topil brez intenzivnega segrevanja, prav tako pa lahko topila po sintezi pridobivate iz odpadkov.
Nasprotno pa Schlenkova linija in vakuumska destilacija, ki sta prav tako pogosti v kemijskih laboratorijih, zahtevata vakuum v območju finega vakuuma. Ta tehnika se uporablja, kadar je vrelišče želene spojine težko doseči ali pa bi se spojina razgradila. Zmanjšani tlaki znižujejo vrelišče spojin.
Črpalke
MembranskeMembranske črpalke uporabljajo prožno membrano in niz povratnih ventilov za ustvarjanje črpalnega tlaka in običajno proizvajajo nizke do srednje vrednosti vakuuma. Pogosto so odporne na hlape topil in blago korozivne hlape, zato so uporabne za rotacijske uparjalnike, vendar je njihova nezmožnost ustvarjanja visokega vakuuma omejena. Membranske črpalke pogosto ne potrebujejo olja. Ta vrsta črpalke lahko proizvede do 1,5 mbar vakuuma. Glavna pomanjkljivost je hrup do 50-60 dB in potreba po rednem vzdrževanju (zamenjava olja in membran). Cena membranskih črpalk znaša od ~450 do 500 USD.
Črpalke zvrtljivimi lopaticami
Črpalke z vrtljivimi lopaticami so prav tako pogosta vrsta vakuumskih črpalk, pri čemer lahko dvostopenjske črpalke dosežejo tlake precej pod 10-6 bar. Črpalke z vrtljivimi lopaticami za ustvarjanje črpalnega tlaka uporabljajo vrteče se sklope okroglih lopatic v eliptični votlini in lahko dosežejo srednji do visok vakuum. Če vaša črpalka zahteva menjavo olja, gre verjetno za črpalko z rotacijskimi lopaticami. Čeprav lahko dosežejo višji vakuum kot membranske črpalke, jih zlahka poškodujejo hlapi topil ali jedkih snovi. Sprejeti je treba ukrepe za preprečevanje dostopa škodljivih hlapov do te vrste črpalke, kot je na primer namestitev hladnega lovilca, saj lahko onesnaženje znatno zmanjša učinkovitost in življenjsko dobo črpalke. Približna cena je od 150 do 200 USD.
Črpalke z vrtljivimi lopaticami so prav tako pogosta vrsta vakuumskih črpalk, pri čemer lahko dvostopenjske črpalke dosežejo tlake precej pod 10-6 bar. Črpalke z vrtljivimi lopaticami za ustvarjanje črpalnega tlaka uporabljajo vrteče se sklope okroglih lopatic v eliptični votlini in lahko dosežejo srednji do visok vakuum. Če vaša črpalka zahteva menjavo olja, gre verjetno za črpalko z rotacijskimi lopaticami. Čeprav lahko dosežejo višji vakuum kot membranske črpalke, jih zlahka poškodujejo hlapi topil ali jedkih snovi. Sprejeti je treba ukrepe za preprečevanje dostopa škodljivih hlapov do te vrste črpalke, kot je na primer namestitev hladnega lovilca, saj lahko onesnaženje znatno zmanjša učinkovitost in življenjsko dobo črpalke. Približna cena je od 150 do 200 USD.
Vodna črpalka
Vodna črpalka je pogonska črpalka, pri kateri voda teče skozi šobo. Zaradi visoke hitrosti pretoka nastane vakuum. Končni vakuum, ki ga je treba doseči, je odvisen od tlaka in temperature vode (za vodo 3,2 kPa ali 0,46 psi ali 32 mbar pri 25 °C ali 77 °F). Če ne upoštevamo vira delovne tekočine, so lahko vakuumski ejektorji bistveno bolj kompaktni od vakuumske črpalke z lastnim pogonom enake zmogljivosti. Približna cena ~25-30 USD. Čim nižji je vstopni tlak, tem bolj se sesalna zmogljivost zmanjšuje. Vodne črpalke odlikujejo zelo nizki stroški nabave in odpornost proti koroziji. Vendar so stacionarne. Za njihovo uporabo je treba priključke za vodo in odpadno vodo namestiti na laboratorijske mize in v izpušne nape. Zaradi tipične porabe vode, ki znaša več sto litrov na uro - kar pomeni sto tisoč litrov na leto, tudi ob zmerni uporabi - vodne črpalke ustvarjajo visoke obratovalne stroške za svežo vodo in odpadno vodo. Druga pomanjkljivost je visoka raven hrupa in slaba okoljska združljivost, saj vse snovi in hlapi topil, ki se črpajo iz aplikacij, gredo v odpadno vodo.
Vodna črpalka je pogonska črpalka, pri kateri voda teče skozi šobo. Zaradi visoke hitrosti pretoka nastane vakuum. Končni vakuum, ki ga je treba doseči, je odvisen od tlaka in temperature vode (za vodo 3,2 kPa ali 0,46 psi ali 32 mbar pri 25 °C ali 77 °F). Če ne upoštevamo vira delovne tekočine, so lahko vakuumski ejektorji bistveno bolj kompaktni od vakuumske črpalke z lastnim pogonom enake zmogljivosti. Približna cena ~25-30 USD. Čim nižji je vstopni tlak, tem bolj se sesalna zmogljivost zmanjšuje. Vodne črpalke odlikujejo zelo nizki stroški nabave in odpornost proti koroziji. Vendar so stacionarne. Za njihovo uporabo je treba priključke za vodo in odpadno vodo namestiti na laboratorijske mize in v izpušne nape. Zaradi tipične porabe vode, ki znaša več sto litrov na uro - kar pomeni sto tisoč litrov na leto, tudi ob zmerni uporabi - vodne črpalke ustvarjajo visoke obratovalne stroške za svežo vodo in odpadno vodo. Druga pomanjkljivost je visoka raven hrupa in slaba okoljska združljivost, saj vse snovi in hlapi topil, ki se črpajo iz aplikacij, gredo v odpadno vodo.
Izbira vakuumske črpalke
V podzemnem kemijskem laboratoriju je vakuum med osnovno opremo laboratorijskih delovnih postaj. Zato je oskrba z vakuumom že sestavni del načrtovanja novih laboratorijev, saj je potreben za številne aplikacije - bodisi za uparjanje, destilacijo, sušenje ali preprosto aspiracijo ali filtracijo. Za te grobe vakuumske aplikacije so najprimernejše kemijske membranske črpalke.
Varnost
Paziti je treba, da ne pride do izpusta škodljivih hlapov v laboratorijsko ozračje. Izpušni plin črpalke je treba odvajati v digestorij ali opremiti z ustreznim čistilcem ali filtrom. Evakuirana steklena posoda se ob razbitju razbije in silovito implodira, pri čemer drobci letijo z veliko hitrostjo. Pred uporabo vakuuma preglejte stekleno posodo, da odkrijete razpoke in pomanjkljivosti.
Last edited:
