Φυγοκέντριση

Η φυγοκέντριση είναι μία διαδικασία διαχωρισμού μειγμάτων κατά την οποία γίνεται χρήση της φυγοκέντρου δυνάμεως. Κατά την φυγοκέντριση τα βαρέα στοιχεία του μίγματος πηγαίνουν στον πυθμένα του σωληναρίου όπου αυτό βρίσκεται ενώ τα ελαφρύτερα παραμένουν πάνω από τον πυθμένα. Τα στοιχεία που πηγαίνουν στον πυθμένα αποτελούν το ίζημα και τα στοιχεία που βρίσκονται στην επιφάνεια αποτελούν το υπερκείμενο. Συνήθως το υπερκείμενο μεταγγίζεται σε χωριστό σωληνάριο οπότε ίζημα και υπερκείμενο διαχωρίζονται πλήρως.

Χρήση της φυγοκέντρισης

Η φυγοκέντριση χρησιμοποιείται τόσο στα χημικά όσο και βιομηχανικά εργαστήρια. Π.χ. στα κλινικά εργαστήρια χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του πλάσματος από τα κύτταρα του αίματος και στο διαχωρισμό των έμμορφων στοιχείων των ούρων από το νερό των ούρων. Στη βιομηχανία χρησιμοποιείται π.χ. για τον εμπλουτισμό ουρανίου. Σε αυτή αξιοποιείται η μικρή διαφορά μάζας μεταξύ των ατόμων του U-238 και U-235 στο φυσικό αέριο εξαφθοριούχο ουράνιο.

Μονάδες μέτρησης

Το ποσοστό της φυγοκέντρισης ορίζεται από την γωνιακή ταχύτητα που μετράται σε στροφές ανά λεπτό (Reps per minute ή RPM) και την επιτάχυνση εκφραζόμενη σε g. Ο συντελεστής μετατροπής μεταξύ RPM και g εξαρτάται από την ακτίνα του δείγματος στο στροφείο της φυγόκεντρου.

Αρχή λειτουργίας

Η φυγοκέντριση αποτελεί μια από τις πιο χρήσιμες πρακτικά εφαρμογές της κυκλικής κινήσεως. Από την φυσική είναι γνωστό ότι τα στερεά σωματίδια αιωρούμενα μέσα σε υγρό με μικρή πυκνότητα έχουν πτωτική τάση κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Η ταχύτητα με την οποία πέφτουν τελικά εξαρτάται από μια σειρά παραγόντων, όπως είναι το σχήμα και το μέγεθος των αιωρούμενων σωματιδίων και η διαφορά πυκνότητας της στερεάς φάσεως.
Σύμφωνα με τον νόμο του Stokes, όσο μεγαλώνει η δύναμη της τεχνητά δημιουργούμενης βαρύτητας τόσο και πιο γρήγορα διαχωρίζεται η στερεά φάση από την υγρή. Η δύναμη που απαιτείται για να μπορέσει να διατηρηθεί ένα σωματίδιο σε κυκλική κίνηση σταθερής ακτίνας και ταχύτητας είναι ανάλογη με τη μάζα του.
Στις φυγόκεντρες συσκευές επιτυγχάνονται δυνάμεις μεγαλύτερες από τη βαρύτητα. Η δύναμη f πάνω σε ένα σωματίδιο δίνεται από τη σχέση:

f = m a

Η φυγόκεντρος Econospin

Όπου:

• m = η μάζα του σωματιδίου
• a = η επιτάχυνσή του

Η φυγόκεντρη επιτάχυνση a δίνεται από τη σχέση: a = u²/r Όπου:

• U = η επιτρόχια ή εφαπτόμενη ταχύτητα
• r = η ακτίνα κύκλου στην περιφέρεια του οποίου κινείται το σωματίδιο

Η επιτρόχια ή εφαπτόμενη ταχύτητα κάποιου σημείου που κινείται σε απόσταση r από το κέντρο δίνεται από την σχέση:

u = ω r = π n r

Όπου:

• n = ο αριθμός των στροφών ανά λεπτό
• ω = η γωνιακή ταχύτητα

Η δύναμη πάνω στο περιστρεφόμενο σημείο δίνεται από την σχέση:

f = m(2πrn)²/r = 4mπ²rn²

Η δύναμη της βαρύτητας από την εξίσωση F = m g.
Κατά συνέπεια ο λόγος Q της φυγόκεντρης δύναμης f προς την δύναμη βαρύτητας F πάνω στο σωματίδιο, δίνεται από την εξίσωση:

Q = f/F1 = 4mπ²rn²/mg = 4π²rn/g

Αν στην προηγούμενη σχέση αντικατασταθεί το π με g με τις τιμές τους (3,14 και 9,80 x 100 cm/ sec² αντίστοιχα) και συγχρόνως μετατραπούν οι περιστροφές σε στροφές κατά λεπτό προκύπτει η σχέση:

Q = 4 (3,14)²r(rpm)²/9,80 102 602 = 1,18 10^-5 r (rpm)²

Όπου το r εκφράζεται σε cm.
Τελικά προκύπτει η προσεγγιστική σχέση:

Q περίπου ίσο με 10^-5 r (rpm)²

Βιβλιογραφία

1. Στασινόπουλος Ι. Αποστείρωση και σκεύη εργαστηρίου, Έκδοση Ευγενιδίου Ίδρυμα 1972.
2. Νικολαΐδου Α, Κοντοδημόπουλος Ν, Οικονομίδης Π. Οργάνωση Εργαστηρίων και Τεχνολογία Οργάνων. Έκδοση Παιδαγωγικού Ινστιτούτου Υπουργείου Παιδείας δια βίου μάθηκης και Θρησκευμάτων, Αθήνα 2001.
3. Σταματελόπουλος Ι. Εργαστηριακά μαθήματα τεχνολογίας οργάνων. Έκδοση ΤΕΙ Αθηνών, 2002.