Centrifugácia: Čo to je a prečo sa používa

Pochopenie síl, ktoré ťahajú rotujúce predmety smerom von

choja / Getty Images

Pojem odstredivka sa môže vzťahovať na stroj, v ktorom je umiestnená rýchlo rotujúca nádoba na oddelenie jej obsahu hustota (podstatné meno) alebo na akt používania stroja (sloveso). Odstredivky sa najčastejšie používajú na oddelenie rôznych kvapalín a pevných častíc od kvapalín, ale možno ich použiť aj na plyny. Používajú sa aj na iné účely ako na mechanickú separáciu.

Vynález a raná história centrifúgy

Moderná centrifúga má svoj pôvod v zariadení s rotujúcim ramenom, ktoré v 18. storočí navrhol anglický vojenský inžinier Benjamin Robins na určenie odporu. V roku 1864 Antonin Prandtl aplikoval techniku ​​na oddelenie zložiek mlieka a smotany. V roku 1875 Prandtlov brat Alexender túto techniku ​​zdokonalil a vynašiel stroj na extrakciu maslového tuku. Zatiaľ čo centrifúgy sa stále používajú na separáciu mliečnych zložiek, ich použitie sa rozšírilo do mnohých ďalších oblastí vedy a medicíny.

Ako funguje odstredivka

Odstredivka dostala svoje meno odstredivá sila — virtuálna sila, ktorá ťahá rotujúce predmety smerom von. Dostredivá sila je skutočná fyzická sila pri práci, ktorá vťahuje rotujúce predmety dovnútra. Roztočenie vedra s vodou je dobrým príkladom pôsobenia týchto síl.

Ak sa vedierko točí dostatočne rýchlo, voda sa vtiahne dovnútra a nevyleje sa. Ak je vedro naplnené zmesou piesku a vody, pri otáčaní vzniká odstreďovanie . Podľa sedimentácia Princíp, voda aj piesok vo vedre budú ťahané k vonkajšiemu okraju vedra, ale husté častice piesku sa usadia na dne, zatiaľ čo ľahšie molekuly vody budú posunuté smerom k stredu.

Dostredivé zrýchlenie v podstate simuluje vyššiu gravitáciu, je však dôležité mať na pamäti, že umelá gravitácia je rozsah hodnôt v závislosti od toho, ako blízko je objekt k osi rotácie, nie konštantná hodnota. Účinok je tým väčší, čím ďalej sa objekt dostane, pretože pri každom otočení prejde väčšiu vzdialenosť.

Typy a použitie centrifúg

Všetky typy centrifúg sú založené na rovnakej technike, ale líšia sa v ich aplikáciách. Hlavné rozdiely medzi nimi sú rýchlosť otáčania a rotor dizajn. Rotor je rotačná jednotka v zariadení. Rotory s pevným uhlom držia vzorky v konštantnom uhle, rotory s výkyvnou hlavou majú pánt, ktorý umožňuje nádobám so vzorkami vychýliť sa smerom von, keď sa rýchlosť otáčania zvyšuje, a kontinuálne rúrkové odstredivky majú skôr jednu komoru než jednotlivé komory na vzorky.

Separácia molekúl a izotopov: Extrémne vysokorýchlostné centrifúgy a ultracentrifúgy sa otáčajú takými vysokými rýchlosťami, že ich možno použiť na oddelenie molekúl rôznych hmotností alebo dokonca izotopy atómov. Separácia izotopov sa používa na vedecký výskum a výrobu jadrového paliva a jadrových zbraní. Na obohatenie možno použiť napríklad plynovú odstredivku urán , pretože ťažší izotop je vytiahnutý smerom von viac ako ľahší.

V laboratóriu: Laboratórne centrifúgy sa tiež otáčajú vysokou rýchlosťou. Môžu byť dostatočne veľké na to, aby stáli na podlahe, alebo dostatočne malé na to, aby ležali na pulte. Typické zariadenie má rotor so šikmými vyvŕtanými otvormi na uchytenie skúmaviek. Pretože skúmavky so vzorkami sú upevnené pod uhlom a odstredivá sila pôsobí v horizontálnej rovine, častice sa pred nárazom na stenu skúmavky pohybujú na malú vzdialenosť, čo umožňuje skĺznutiu hustého materiálu nadol. Zatiaľ čo mnohé laboratórne centrifúgy majú rotory s pevným uhlom, bežné sú aj rotory s výkyvnými vedrami. Takéto stroje sa používajú na izoláciu komponentov nemiešateľných kvapalín a pozastavenia . Využitie zahŕňa separáciu zložiek krvi, izoláciu DNA a čistenie chemických vzoriek.

Simulácia vysokej gravitácie: Na simuláciu vysokej gravitácie možno použiť veľké odstredivky. Stroje majú veľkosť miestnosti alebo budovy. Ľudské centrifúgy sa používajú na výcvik testovacích pilotov a vykonávanie vedeckého výskumu súvisiaceho s gravitáciou. Centrifúgy možno použiť aj ako jazdy v zábavnom parku. Zatiaľ čo ľudské centrifúgy sú navrhnuté tak, aby zvládli až 10 alebo 12 gravitácií, stroje s veľkým priemerom mimo človeka môžu vystaviť vzorky až 20-násobku normálnej gravitácie. Rovnaký princíp môže byť jedného dňa použitý na simuláciu gravitácie vo vesmíre.

Priemyselné odstredivky sa používajú na oddelenie zložiek koloidov (ako je smotana a maslo z mlieka), pri chemickej príprave, čistení pevných látok z vrtnej kvapaliny, sušení materiálov a úprave vody na odstránenie kalu. Niektoré priemyselné odstredivky sa pri separácii spoliehajú na sedimentáciu, zatiaľ čo iné separujú hmotu pomocou sita alebo filtra. Priemyselné odstredivky sa používajú na odlievanie kovov a prípravu chemikálií. Diferenciálna gravitácia ovplyvňuje fázové zloženie a ďalšie vlastnosti materiálov.

Každodenné aplikácie: Stredne veľké odstredivky sú bežné v každodennom živote, hlavne na rýchle oddelenie kvapalín od pevných látok. Práčky využívajú odstreďovanie počas cyklu odstreďovania na oddelenie vody od bielizne. Podobné zariadenie roztáča vodu z plaviek. Ďalším príkladom jednoduchej odstredivky sú odstredivky na šalát, ktoré sa používajú na umývanie a následné odstreďovanie suchého šalátu a inej zeleniny.

Súvisiace techniky

Zatiaľ čo centrifugácia je najlepšou možnosťou na simuláciu vysokej gravitácie, existujú aj iné techniky, ktoré možno použiť na separáciu materiálov. Tie obsahujú filtrácia , preosievanie, destilácia, dekantácia , a chromatografia . Najlepšia technika aplikácie závisí od vlastností použitej vzorky a jej objemu.