Химия и Химики № 8 2013. Химическая Лаборатория, Посуда, Оборудование, Реактивы

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Вакуумное фильтрование (оборудование и принадлежности)

Для фильтрования под вакуумом в большинстве случаев используют водоструйный насос (он же - "водоструйка"). Принцип действия водоструйного насоса основан на законе Бернулли [1]. Если жидкость (или газ) движется по трубе, закон Паскаля уже не выполняется. Движение жидкости приводит к уменьшению давления внутри трубы, причем падение давления тем больше, чем выше скорость потока.

Нетрудно догадаться, что если расход жидкости поддерживать постоянным, а сечение трубы уменьшать, то (линейная) скорость жидкости в трубе будет все возрастать, а давление внутри трубы - все больше уменьшаться. В результате можно достигнуть такой скорости, что давление в трубке будет ниже атмосферного.

Если такая трубка имеет боковой отвод (или что гораздо удобнее - кольцевой зазор) - в нее будет засасывать воздух из атмосферы. Воздух, который попал в трубку, унесет потоком воды, а тем временем в трубку будет засасывать все новые и новые порции атмосферного воздуха.

__________________________________________________
¹ Подробнее о законе Бернулли (и законе Паскаля) - см. книгу Нурбей Владимирович Гулиа - Удивительная физика: О чем умолчали учебники; параграф - Что держит шарик на фонтане? [ссылка]

Другими словами, такое устройство будет работать как вакуумный насос, засасывая воздух (а также другие газы или жидкости). Чем больше напор воды - тем более сильный вакуум удается достичь (при одном и том же диаметре трубки). Однако тут есть ограничение: вакуум водоструйного насоса лимитирован давлением насыщенных паров воды, подаваемой в насос: т.е., чем вода холоднее, тем более глубокого вакуума можно достичь.

Водоструйные насосы широко распространены в химических лабораториях. Они не имеют движущихся частей (за исключением воды), не требуют расходных материалов (например, масла) и просты в эксплуатации. Стеклянные водоструйные насосы дают хороший вакуум, но имеют большой недостаток - они часто бьются, поэтому химики ценят металлические водоструйные насосы - бронзовые или из нержавеющей стали. Пластмассовые насосы не столь надежны.

С другой стороны, именно в случае стеклянных водоструек можно наглядно наблюдать их устройство и работу. Насосы из остальных материалов непрозрачны.

Для фильтрования под вакуумом водоструйный насос обычно подсоединяют к колбе Бунзена, в которую вставлена воронка Бюхнера или воронка (фильтр) Шотта. Воронка Бюхнера представляет собой керамическую воронку с отверстиями, на которые помещают бумажный фильтр. Фильтр Шотта представляет собой стеклянную воронку, в которую впаяна перегородка из пористого стекла.

Воронки Бюхнера и фильтры Шотта бывают самых разнообразных размеров. На фотографиях показана довольно большая воронка Бюхнера и мелкие фильтры Шотта. Фильтры Шотта кроме размера также отличаются пористостью.

Через самые крупнопористые фильтры вода свободно прокапывает без всякого вакуума (а под вакуумом - быстро течет). В случае же мелкопористых фильтров вода капает медленно даже под хорошим вакуумом (скорость фильтрования также зависит от площади фильтра, вязкости фильтруемой жидкости и от способности твердых частиц забивать поры фильтра). В случае же воронки Бюхнера скорость фильтрования определяется площадью и плотностью бумажного фильтра, который помещают в воронку.

Фильтр Шотта с крупными порами: с таким фильтром фильтрование происходит быстро, но мелкие частицы легко проходят через такой фильтр

Ниже даны фотографии и видео фильтрования силиката титана под вакуумом, правда, источником вакуума служит не водоструйный насос, а медицинский компрессор. Обычно такие компрессоры используют для нагнетания воздуха, например, в установках атомно-абсорбционного анализа (ААС), но оказалось, что данные компрессоры вполне могут работать и для создания разрежения.

Смотреть Видео (20 Мб, .avi )

Обычно такая установка состоит из водоструйного насоса (в разговорной речи - "водоструйка") (1), колбы Бунзена (2), к которой подсоединена воронка Бюхнера (3) или фильтр (воронка) Шотта. Иногда между водоструйным насосом (который создает вакуум) и колбой Бунзена устанавливают предохранительную склянку. Это позволяет избежать засасывания воды в колбу, которое может произойти, если во время работы установки прекратится подача воды на водоструйный насос. [K1]

Комментарии

^К1 Использовать бутыль в качестве ловушки (как на схеме) - плохая идея: бутыль может не выдержать вакуума, создаваемого хорошим водоструйным насосом. Ловушку лучше сделать из круглодонной колбы.

^К2 Скажу честно, почти никогда и ни у кого я не видел какой-либо защиты на колбе Бунзена. Сам грешен. Однако учитывая образовательную направленность журнала "Химия и Химики" мне кажется, что это не совсем правильно. Взрываются они редко, но - бывает. За свою долгую химическую жизнь я был свидетелем двух случаев (не считая многочисленных баек). Первый достаточно комичный, с моим соседом по лаборатории. Колба Бунзена под вакуумом, как ей теоретически и положено, просто схлопнулась внутрь без разлёта осколков. Комичность же состояла в том, что один "осколок" всё же образовался - вверх полетела воронка Бюхнера и попала точнёхонько в лоб наклонившемуся в этот момент над колбой соседу. А вот второй случай, уже непосредственно со мной, мог закончиться гораздо хуже. Это была пятилитровая колба Бунзена с литровой воронкой. Фильтрование шло очень медленно, и я отправился в столовую. Вернувшись, я застал в лаборатории основательный разгром: раствор на потолке (более трёх метров, между прочим), битая посуда на столе вокруг и, главное, пробившие линолеумное покрытие стола два осколка. Так быть не должно, но так было. Так что, наверное, стоит хотя бы упомянуть необходимость какой либо защиты для колбы. Намотанное полотенце или старый халат; очень удобны (но не знаю, насколько эффективны) были пластиковые сеточки от импортных литровых бутылок с ацетоном и т.д.
Rummy

^К2-1 Интересно, а сработает ли такая защита - если ее аккуратно скотчем обмотать? Для дьюаров описывали такой способ.
Иван Николаевич

^К2-2 Халат или полотенце неудобны: не видно, что делается в колбе. Скотч должен предотвратить разлет осколков, но выглядит он неэстетично. Сеточка - самое то, но я не видел таких сеточек, которые налезли бы на большую колбу Бунзена (а именно такие колбы чаще всего и взрываются).

У меня как-то бахнула трехлитровая колба, но это событие я пропустил, т.к. пришлось срочно ехать в институт стандартизации (УкрЦСМ). Когда вернулся, завлаб уже смела в кучку осколки колбы.
автор

^К2-3 Вакуумным фильтрованием занимался эпизодически всю сознательную жизнь. Все колбы Бунзена, с которыми имел дело, объёмом до 2-х литров включительно, нормально держали вакуум и ни разу не лопались, но ни одна колба от 3-х до 5-и литров не выдержала - все полопались. В качестве поглотительной и предохранительной использую литровые советские склянки из-под сухих реактивов (с широким горлом) с резиновыми пробками соответствующего диаметра (такие пробки дефицитны). Нормально держат вакуум, хотя и не предназначены для этого.
antabu