Mi a centrifugálás és miért használják?

A centrifuga kifejezés olyan gépet jelenthet, amelyben gyorsan forgó tartály található, és tartalma elválasztható sűrűség (főnév) vagy a gép használatához (ige). A centrifugákat leggyakrabban különféle folyadékok és szilárd részecskék elválasztására használják, de gázokhoz is. A mechanikai elválasztástól eltérő célokra is használják.

A modern centrifuga eredete egy forgókaros készülékre vezethető vissza, amelyet a 18. században az angol katonai mérnök, Benjamin Robins tervezett, hogy meghatározzon. 1864-ben Antonin Prandtl a tej és a tejszín összetevőinek elválasztására alkalmazott módszert alkalmazta. 1875-ben Prandtl testvére, Alexender finomította a technikát, feltalálva egy gépet vajzsír kinyerésére. Míg a centrifugákat még mindig felhasználják a tejkomponensek elválasztására, felhasználásuk sok más tudományos és orvostudományi területre is kiterjedt.

A centrifuga megkapja a nevét centrifugális erő—A virtuális erő, amely a forgó tárgyakat kifelé húzza.

Ha a vödör elég gyorsan forog, a víz befelé húzódik és nem ömlött ki. Ha a vödör homok és víz keverékével van megtöltve, forgatással keletkezik centrifugálás. Szerint a ülepítés elv szerint mind a víz, mind a homok a vödörben a vödör külső széléhez kerül, de a sűrű a homokrészecskék leereszkednek az aljára, míg a könnyebb vízmolekulák a központ.

A centripetalális gyorsulás lényegében a nagyobb gravitációt szimulálja, azonban fontos szem előtt tartani a A mesterséges gravitáció egy értéktartomány, nem állandó, attól függően, hogy milyen közel van egy objektum a forgástengelyhez érték. A hatás annál nagyobb, minél tovább érkezik egy tárgy, mert minden forgásnál nagyobb távolságot hajt meg.

A centrifugák típusai mind ugyanazon a technikán alapulnak, de alkalmazásukban különböznek. A fő különbség közöttük a forgási sebesség és a forgórész tervezés. A forgórész a készülék forgó egysége. A rögzített szögű rotorok a mintákat állandó szögben tartják, a lengőfejű rotoroknak van egy csuklója, amely lehetővé teszi a mintatartó edények lengését kifelé, miközben a centrifugálás sebessége növekszik, és a folyamatos cső alakú centrifugák egyetlen kamrával rendelkeznek, nem pedig egyedi mintán kamarák.

Molekulák és izotópok elválasztása: Rendkívül nagy sebességű centrifugák és ultracentrifugák olyan nagy sebességgel forognak, hogy különféle tömegű molekulák elválasztására vagy akár izotópok atomokból. Az izotóp elválasztását a tudományos kutatáshoz, valamint nukleáris üzemanyag és nukleáris fegyverek előállításához használják. Például gázcentrifugát lehet használni a dúsításhoz uránium, mivel a nehezebb izotópot jobban kifelé húzzák, mint a könnyebbet.

A laborban: A laboratóriumi centrifugák szintén nagy sebességgel forognak. Lehet, hogy elég nagyok, hogy a padlón álljanak, vagy elég kicsik, hogy pihenjenek egy pulton. Egy tipikus eszköznek van egy forgórésze szögben fúrt furatokkal, amelyek a mintacsövek befogadására szolgálnak. Mivel a mintacsövek szögben vannak rögzítve, és a centrifugális erő a vízszintes síkban hat, a részecskék apró távolságra mozognak, mielőtt a cső falára ütnének, lehetővé téve a sűrű anyag csúszását le. Míg sok laboratóriumi centrifugában rögzített szögű forgórészek vannak, a lengőkanál-forgórészek szintén gyakoriak. Ilyen gépeket használnak az elegyíthetetlen folyadékok és az elegyek izolálására szuszpenziók. A felhasználás magában foglalja a vérkomponensek elválasztását, a DNS izolálását és a kémiai minták tisztítását.

Nagy gravitációs szimuláció: Nagy centrifugák használhatók a nagy gravitáció szimulálására. A gépek egy szoba vagy épület méretűek. Az emberi centrifugákat tesztelő pilóták kiképezésére és gravitációs tudományos kutatások végzésére használják. A centrifugákat vidámparkúton is felhasználhatják. Míg az emberi centrifugákat úgy tervezték, hogy akár 10 vagy 12 gravitációt is elérjék, a nagy átmérőjű nem-emberi gépek a normál gravitáció akár 20-szorosainak is ki tudják terelni a mintákat. Ugyanaz az elv egy nap felhasználható a gravitáció szimulálására az űrben.

Ipari centrifugák a kolloidok (mint például a tejszín és a vaj a tejből) összetevőinek szétválasztására, vegyi előkészítésben, szilárd anyagok tisztítására a fúrófolyadékból, szárítószerekben és vízkezelésben az iszap eltávolításához. Néhány ipari centrifuga az elválasztásra támaszkodik, míg mások az anyagot szitával vagy szűrővel választják el. Az ipari centrifugákat fémek öntésére és vegyi anyagok előállítására használják. A differenciális gravitáció befolyásolja az anyagok fázisösszetételét és egyéb tulajdonságait.

Mindennapi alkalmazások: A közepes méretű centrifugák a napi életben gyakoriak, elsősorban a folyadékok gyors elválasztása érdekében a szilárd anyagoktól. A mosógépek centrifugálást használnak a centrifugálás során a víz és a ruhanemű elválasztására. Egy hasonló készülék kiszívja a vizet az fürdőruhából. A száraz saláta és más zöldek mosására, majd centrifugálására használt salátaforgók az egyszerű centrifuga újabb példája.

Noha a centrifugálás a legjobb megoldás a nagy gravitáció szimulálására, vannak más módszerek, amelyek felhasználhatók az anyagok elválasztására. Ezek tartalmazzák szűrés, szitálás, desztilláció, ülepítésés kromatográfia. Az alkalmazás legjobb technikája a felhasznált minta tulajdonságaitól és mennyiségétől függ.