Overview
מקור: רוברט ריו, אג'יי סאת' וז'יפנג צ'ן, אוניברסיטת פנסילבניה, פארק האוניברסיטאות, הרשות הפלסטינית
ואקום נדרש עבור מספר הליכי מעבדה. זה מושג באופן שגרתי ביותר במעבדה על ידי שימוש במשאבות ואקום. בנוסף לעבודה בלחצים נמוכים, משאבות ואקום יכולות לשמש גם כדי לאפשר שינוי מהיר של האטמוספרות בכור או בקבוקון על ידי פינוי ומילוי אחורי.
Principles
ואקום שימושי למגוון מטרות במעבדה. לדוגמה, ואקום מוריד את נקודת הרתיחה של נוזלים ומקדם את תהליך האידוי, המשמש תנורי ואקום, ציוד degassing, וייבוש להקפיא. חוץ מזה, ואקום יצר הבדל בלחץ בהשוואה לאטמוספירה, המשמשת לסינון ופיפטות. ואקום גבוה במיוחד מסיר אוויר כדי להשיג אינרציות כימית, המשמשת לריתוך קרן אלקטרונים, שמירה על משטח נקי ותצהיר אדים כימיים או פיזיים. משאבת ואקום היא מכשיר המסייע בפינוי תא אטום על מנת להשיג לחץ נמוך יותר מלחץ אטמוספרי. המשאבות הנפוצות ביותר במעבדה הן משאבות טורבו-מולקולריות, משאבות שמן, משאבות גלילה יבשות או שאיפות מים.
משאבות טורבומולקולריות משמשות לעתים קרובות במכשור מעבדה, כגון בתוך ספקטרומטר מסה, ויכולות להשיג רמות ואקום של 10-10 Torr. אלה פועלים על ידי סיבוב מהיר כדי להתנגש עם מולקולות אוויר או אדים כדי להשפיע על התנף לכיוון הפליטה. ברמות הוואקום הגבוהות יש משאבה המתאימה להרבה יישומי ואקום גבוהים במיוחד. עם זאת, האוויר צפוף מדי עבור משאבה טורבומולקולרית לעבוד, ולכן משאבות אלה זקוקות משאבה משנית כדי להוריד את לחץ האטמוספירה עד 1 Torr כדי לאפשר משאבת turbomolecular לעבוד.
משאבות שמן משמשות לרוב במעבדה ובדרך כלל להשיג ואקום של10-3 טור. זה עונה על רוב יישומי המעבדה הכלליים, והם קלים לתפעול. שמן משמש לשמן ולאטום את המשאבה, אשר מסייע להשיג ואקום עמוק. עם זאת, השימוש בנפט מביא גם את הבעיה של שינוי שמן וסילוק שמן פסולת.
משאבת הגלילה היבשה, שיש לה את היכולת להשיג רמת ואקום אולטימטיבית של 10-3 Torr, היא אחת מטכנולוגיות המשאבה היבשה הנפוצות ביותר המשמשות בסביבת המעבדה. משאבת הגלילה היבשה עובדת עם שתי מגילות ספירליות משולבות הנעות באופן אקסצנטרי ודוחסות אוויר ואדים לכיוון פליטה. משאבה זו אינה זקוקה לשמן, וגם משאבות בקצב מהיר יותר, וזה אטרקטיבי עבור יישומים מסוימים כמו תא כפפות. עם זאת, אטמי קצה נדרשים כדי לשמור על אדים בערוץ הנכון, אבל חותמות קצה אלה הם ללבוש חלקים ותחזוקה תקופתית הדרושה.
שואפי מים, הנקראים גם משאבות סילון מים, מחוברים בדרך כלל לברז כיור המעבדה ויכולים להגיע לרמת ואקום של 10-15 טור. אלה פועלים על ידי ניצול מים זורמים במהירות כדי ליצור ואקום בזרוע הצדדית. בשל העלויות הנמוכות שלהם, אלה היו פופולריים מבחינה היסטורית כדי להשיג ואקום עמוק. עם זאת, המים מבוזבזים ורמת הוואקום אינה גבוהה.
הבחירה של סוג המשאבה מוכתבת על ידי היישום הסופי ואת איכות הוואקום בסופו של דבר נדרש. ללא קשר למשאבה המשמשת, יצירת הוואקום מובילה לאפשרות של קריסה או סיכוני פיצוץ. הפרוטוקולים הבאים מפורטים כדי למזער את הסיכונים הכרוכים בשימוש בציוד ואקום ולהבטיח תנאי עבודה בטוחים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. שימוש בציוד מגן אישי
- יש להשתמש במשקפי בטיחות, בחלוקי מעבדה ובמגני פנים בעת עבודה עם מנגנון ואקום או בקרבתו.
- מגן פיצוץ חייב להיות מנוצל כדי למנוע זכוכית מעופפת או פסולת הנובעת משינוי פתאומי בלחץ.
2. שימוש בצינורות וציוד מתאימים
- השתמש תמיד צינורות, כלי זכוכית, וציוד אחר המדורג לשימוש עם ואקום. שימוש לא נכון עלול לגרום לכשל חומרי ולגרום לפיצוץ/קריסה.
- בדוק את הזכוכית ואת צינורות באופן קבוע עבור פגמים / חתכים, כמו אלה יכולים בקלות לפצח / לשבור תחת ואקום.
- הפליטה של משאבת הוואקום חייבת להיות מחוברת למכסה אדים או למפלט בניין משופשף. זה חיוני במיוחד אם הוואקום מנוצל על מערכת ניצול כימיקלים מאכלים או רעילים.
- בהתאם לניסוי ולהיקף הוואקום המעורב, יש להפעיל שומר או מחסום מגן בין המפעיל לכלי השיט תחת ואקום. אלה יכולים להיות אותו סוג של מחסומים המשמשים לבודד מפעילים מציוד בלחץ גבוה.
3. מלכודות
- השתמש תמיד במלכודת בין מקור הוואקום (המשאבה) לבין המנגנון המשתמש בוואקום. המלכודת מגנה על מקור הוואקום היקר מפני נזק במקרה של דליפות מקריות או זרימת חומר בחזרה לקו הוואקום.
- המלכודות גם מסייעות למנוע נפלט אדים/ריחות לתוך הפליטה של המשאבה.
- המלכודות בדרך כלל קריוסטאטאטות באמצעות קרח יבש או אמבטיות חנקן נוזלי. יש לנקוט משנה זהירות תוך ניצול טמפרטורות קריוגניות כאלה, ויש להשתמש ב- PPE תקין כדי להעביר את הקירור פנימה והחוצה של המלכודות.
- מאז השימוש בנוזלים קריוגניים (כלומר,חנקן נוזלי) למטרות קירור יכול להוביל לנזילה של חמצן, מערכות ואקום חייב להיות תחת ואקום לפני ובמהלך הפעולה. לאחר השגת רמת הוואקום הרצויה, ניתן למלא את ה- dewar המכיל את מלכודת השמן בחנקן נוזלי. לאחר השלמת הניסוי הדורש ואקום, בעודו תחת ואקום, הסר את בקבוקון Dewar ממלכודת מילוי החנקן הנוזלי, תן למלכודת להתחמם לטמפרטורת החדר, ולפתוח לאט את המערכת ללחץ אטמוספרי.
- הבקבוקונים של דיואר עצמם נמצאים תחת ואקום ויש לטפל בהם בזהירות מירבית מכיוון שהם יכולים לקרוס באופן מיידי. השתמש תמיד PPE מתאים בעת הובלה או עבודה עם בקבוקוני Dewar.
4. שורות בליד
- קווי הוואקום חייבים להיות דיממו לאט לפני התנתקות מהמלכודות וממקור הוואקום. שינוי פתאומי בלחץ מדגיש את החומרים ויכול לגרום לשברים ופיצוצים מוקדמים.
5. ציפוי כלי זכוכית
- כלי זכוכית הגדולים מ-250 מ"ל המשמשים לציוד ואקום חייבים להיות עטופים בנייר דבק, רשת או ציפוי פלסטיק כדי להפחית את הסיכוי להטסת פסולת, במקרה של פיצוץ. זה כולל מלכודות, dewars, מאידים סיבוביים, וכל כלי זכוכית אחרים נשמרים תחת ואקום.
משאבות ואקום מועסקות במגוון רחב של נהלי מעבדה. דוגמאות נפוצות כוללות סינון, ייבוש, הסרת גיס, ציפוי אידוי וספקטרומטריית מסה.
ציוד המשאבה חייב להיות מתוחזק ומופעל בבטחה כדי למנוע כשלים בציוד, פיצוצים ושחרור כימי. וידאו זה יציג מספר עיצובי משאבה נפוצים, ידון באמצעי זהירות נפוצים שיש לצפות בהם בעת הגדרת ציוד ואקום, ויפגין בטיחות תפעולית.
בואו נתחיל על ידי לחקור עיצובים משאבה שונים.
במשאבות שבל סיבובי אוויר וגזים אחרים נמשכים דרך פרצה על ידי רוטור. הגזים נאלצים באמצעות פליטה אטומה בנפט, המונעת זרימה אחורית, לשקע היוצא מהמערכת. משאבות בשבייה סיבובית יכולות ליצור ואקום של 10 ל-3 טורים שליליים. משאבות אלה הן סיכה עצמית, אבל דורשים שינויי שמן והם פגיעים קורוזיה על ידי אדי מים.
במשאבות גלילה האוויר עובר דרך מפרצון בין שתי מגילות ספירליות אקסצנטריות, אחת קבועה, השנייה מקיפה. התנועה דוחסת את האוויר ודוחפת אותו לכיוון השקע. ניתן להשיג שואבי אבק של 10 עד 2 טור שליליים. משאבות גלילה הן מנגנונים "יבשים" - הן אינן דורשות שמן או מים, אך יש להחליף את המגילות מעת לעת כשהן נשחקות. משאבות גלילה ומשאבות שבל סיבוביות מתאימות ל זיקוק, סינון וסילוק גיס.
שאפתן מים הוא סוג אחר של משאבה שנמצאת לעתים קרובות במעבדות. בסוג זה של מי משאבה נכנסים דרך מפרצון לזרבובית במהירות גבוהה, ויוצאים כמטוס נוזל בלחץ נמוך. הגזים נמשכים דרך יציאה צדדית ונאלצים לשקע. שואפי מים מייצרים שואבי אבק של 10 טור בלבד. למרות שהם מתחברים בקלות לברזים רגילים של כיור, הם דורשים כמויות גדולות של מים. שואפי מים משמשים לעתים קרובות לייבוש ומיצוי.
לבסוף, משאבות טורבומולקולריות מייצרות ואקום אולטרה-מהיר. האוויר נאלץ להיכנס דרך להבי סטטור וטורבינה מתחלפים המניעים את מולקולות הגז דרך השקע המחובר למשאבת מחוספסת. משאבות טורבומולקולריות יכולות לייצר שואבי אבק עד עשר עד עשרת הטורים השליליים, אך דורשות משאבה נוספת כדי להוריד תחילה את הלחץ ל-1 טור. משאבות טורבומולקולריות משמשות למיקרוסקופיית אלקטרונים, צמיחת קריסטל וציפוי מתאדה.
כעת, כאשר אתם מכירים את העיצובים, בואו נבחן אמצעי הגנה ובטיחות אישיים שיש לראות לפני הפעלת משאבות ואקום אלה.
במידת האפשר, להפעיל את כל ציוד ואקום בתוך מכסה המנוע אדים עם אבנט הוריד. ללבוש משקפי בטיחות ומגן פנים. אלה מספקים הגנה מפני כימיקלים ופסולת במקרה כלי הזכוכית מתקפצים תחת הוואקום.
השתמש בכלי זכוכית ובציוד המדורגים לשימוש עם הרמה הצפויה של ואקום. בדוק את כלי הזכוכית ואת צינורות עבור סדקים או פגמים אחרים. ציוד פגום או לא הולם יכול בקלות לקרוס תחת ואקום. לעטוף כלי זכוכית הגדולים מ-250 מ"ל בנייר דבק, ברשת או בפלסטיק, כאמצעי זהירות נוסף מפני פסולת מעופפת.
אם ההליך ידוע כדי ליצור אדים מאכלים, בחר משאבה שיכולה לעמוד אדים אלה. ודא שהמשאבה נקייה וללא קורוזיה. עבור משאבות שמן, לבדוק את רמת השמן ולשנות את השמן מעת לעת.
ודאו שהמשאבה מאוזנת ומאוזנת. חבר את שקע המשאבה למפלט מכסה המנוע האדים. מניחים בבטחה צינורות בתוך מכסה המנוע כדי למנוע שחרור של כימיקלים. ודא שכל הצינורות אינם מוגבלים, וכי אין דליפות, במיוחד ליד האוגנים.
כעת, לאחר הקמת משאבת הוואקום, נבחן שיקולי בטיחות במהלך פעילות המשאבה ואחריה.
חבר את מפרצון המשאבה לכלי הזכוכית באמצעות מלכודת קרה. מלכודת קרה היא מיכל זכוכית המגן על המשאבה על ידי הקפאת אורגנים נדיפים שפונו מהמנגנון.
במהלך ההליך, המלכודת הקרה שקועה בקרח יבש או דיואר של חנקן נוזלי. השתמש בציוד מגן קריוגני בעת טיפול אלה קירור.
סכנה פוטנציאלית היא עיבוי חמצן במלכודת הקרה כדי להניב חנקן נוזלי נפיץ מאוד. כדי למנוע את היווצרותו, הפעל את משאבת הוואקום ולפנות את המנגנון לפני טביעת מלכודת הקור בחנקן נוזלי. לעולם אל תאפשר למלכודת הקרה ליצור קשר עם חנקן נוזלי אם לא תחת ואקום, ולעולם אל תפתח את קו הוואקום לאוויר עם המלכודת הקרה במקום.
בדוק את מלכודת הקור עבור ממיסים מרוכזים וחמצן נוזלי באופן קבוע. במידת הצורך לרוקן את מלכודת הקור כדי למנוע ממיסים להיכנס צינורות משאבת ואקום. אם חמצן נוזלי, נוזל כחול בהיר, גלוי, לסיים את ההליך ולקרוא לעזרה, אבל לא לעצור את הוואקום או להסיר את החנקן הנוזלי.
לאחר השלמת ההליך, למשוך את מלכודת הקור מן נוזל הקירור ולאחר מכן לכבות את המשאבה. לדמם את קווי ואקום לאט לפני ניתוק המלכודת הקרה משאבה, כדי למנוע לחץ פתאומי.
הרגע צפיתם בהקדמה של JoVE לבטיחות במעבדה לציוד מבוסס ואקום. כעת עליך להכיר סוגים שונים של משאבות ואקום, את הסיכונים הפוטנציאליים שלהם ואת אמצעי הזהירות שיש לצפות בהם כדי להבטיח פעולה בטוחה. כמו תמיד, תודה שצפית!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
לפעולות הדורשות ואקום יש סיכונים מרובים הקשורים אליהם. קריסת כלי יכולה להוביל לזכוכית מעופפת וחומרים אחרים, לשחרור כימיקלים לסביבת העבודה, ופוטנציאל לאש עקב עיבוי חמצן נוזלי. יש להגדיר פעולות ואקום כראוי ולהפעילן רק לאחר שזוהו סיכונים פוטנציאליים והפחתתם כראוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- NRC (National Research Council). Prudent Practices in the Laboratory. Handling and Management of Chemical Hazards. National Academy Press: Washington, DC, 2011.
- Laboratory Vacuum Pump Buyers' Guide, 2012.
