Удивительная химия - Леенсон Илья Абрамович - Страница 19

19

Фильтрование и разделение жидкостей

Одна из самых старых химических операций — фильтрование, т. е. отделение твердого вещества от жидкости, в которой это вещество не растворяется. С древнейших времен, раздавив спелый виноград, отделяли его сок от кожицы и косточек. Самый примитивный «прибор» для фильтрования представлял собой полотняный мешок, который наполняли плодами, а затем складывали так, чтобы на обоих его концах образовалась петля. В эти петли вставляли две палки, которые вращали в разные стороны. Получался одновременно отжим с фильтрованием через ткань (рис. 2.22). В Древнем Египте, во времена III династии (ок. 2670–2600 до н. э.), процесс был усовершенствован: мешок подвешивали за петли к стойкам (рис. 2.23). В таком виде этот «механизм» использовался более 2500 лет.

Рис. 2.22. Рабочие выжимаю т виноградный сок с помощью фильтровального мешка. (Рисунок из древнеегипетского захоронения в Саккаре, ок. 2500 года до н. э.)Рис. 2.23. Усовершенствованный фильтровальный мешок, концы которого удерживаются на раме. (Рисунок из древнеегипетского захоронения в Бени-Хасан, ок. 1500 года до н. э.)

Современному химику для фильтрования не нужны ни полотняные мешки, ни подсобные рабочие. Со Средних веков сохранился способ фильтрования с помощью воронки и бумажного фильтра. Для ускорения процесса фильтр делают складчатым — так увеличивается фильтрующая поверхность. Если используется обычный бумажный фильтр конической формы, фильтрование ускоряется при наличии небольших продольных ребер внутри воронки (рис. 2.24). В этом случае фильтр не прилипает к стеклу и профильтрованная жидкость стекает со всей внешней поверхности фильтра. Каждый, кому приходилось фильтровать что-либо с помощью воронки или просто использовать ее для переливания жидкости, знает об одной неприятной особенности: стекающая в емкость жидкость вытесняет оттуда воздух, и если он не может свободно выйти между горлышком сосуда и внешней стенкой воронки, фильтрование резко замедляется. Хуже того: воздух из сосуда иногда «прорывается» через носик воронки в слой жидкости, вызывая ее разбрызгивание. Чтобы такого не происходило, обычно между воронкой и горлышком вставляют стеклянную палочку или просто спичку. Чтобы избавить химиков от таких неудобств (палочка или спичка могут проскользнуть вниз) некоторые воронки делают с небольшими продольными ребрышками или с канавками на внешней стенке.

Рис. 2.24. Складчатый фильтр и воронка с внутренними ребрами и наружными канавками

В связи с этим можно вспомнить сетования известного популяризатора науки Я. И. Перельмана. Вот что он писал в своей «Занимательной физике» (книге первой): «Кому случалось наливать через воронку жидкость в бутылку, тот знает, что нужно время от времени воронку приподнимать, иначе жидкость из нее не выливается. Воздух в бутылке, не находя выхода, удерживает своим давлением жидкость в воронке. Правда, немного жидкости стечет вниз, так что воздух в ней чуть сожмется давлением воды. Но стесненный в уменьшенном объеме воздух будет иметь увеличенную упругость, достаточную, чтобы уравновесить своим давлением вес жидкости в воронке. Понятно, что, приподнимая воронку, мы открываем сжатому воздуху выход наружу, — и тогда жидкость вновь начинает литься.

Было бы поэтому весьма практично устраивать воронки так, чтобы суженная часть их имела продольные гребни на наружной поверхности, — гребни, мешающие воронке вплотную приставать к горлышку. Таких воронок мне в обиходе видеть не приходилось; только в лабораториях употребляются фильтры, устроенные подобным образом».

Первое издание «Занимательной физики» было опубликовано в 1913 году и с тех пор перепечатывалось десятки раз, однако воронки с ребрышками, кажется, так и остались только в лабораториях.

Рис. 2.25. Приспособление для вакуумного фильтрования со стеклянным пористым фильтром

Фильтрование — процесс довольно медленный: жидкость из носика воронки вытекает по каплям. Чтобы ускорить этот процесс, химики придумали такое приспособление (рис. 2.25). У верхнего сосуда, в который наливают смесь для фильтрования, вместо обычного дна-стеклянный фильтр. Это белая пластинка из мелкопористого стекла, в котором имеется множество тонких пор, пропускающих жидкость и не пропускающих твердые частицы. Размер пор может быть разным, но в любом случае жидкость через такой фильтр просачивается не очень быстро (а иногда даже очень медленно, если твердое вещество образует на поверхности фильтра плотный осадок). Резко ускорить фильтрование помогает… атмосферное давление. Для этого воздух из нижнего сосуда через специальную трубочку откачивают с помощью насоса. Понижение давления воздуха в нижнем сосуде резко увеличивает давление воздуха на фильтруемую жидкость. В результате скорость фильтрования может возрасти во много раз. Химику остается только перелить отфильтрованную жидкость (или вылить ее, если нужна не она, а осадок на фильтре).

Не всегда процесс фильтрования идет успешно даже со стеклянным фильтром и с использованием вакуумного фильтрования. Бывают случаи, когда твердое вещество в жидкости состоит из таких мелких частиц, которые, образуя суспензию или вязкую массу, быстро забивают любой фильтр и останавливают фильтрование. В таких случаях используют приспособление, весьма напоминающее центрифугу, на которой тренируются космонавты. Жидкость, которую надо, как говорят технологи, осветлить, наливают в несколько пробирок из прочного стекла, выдерживающего большие перегрузки. Эти пробирки вставляют в пластмассовые или металлические пеналы, которые устанавливают в пазах вращающегося диска центрифуги (рис. 2.26). Диск с помощью мотора раскручивается до очень высоких скоростей (показанная на этом рисунке центрифуга имеет скорость вращения 3300 оборотов в минуту, или 55 оборотов в секунду). Под действием центробежной силы мельчайшие твердые частицы, которые никак не хотели оседать в обычном поле притяжения Земли, получив ускорение, в тысячи раз превышающее ускорение нормального падения, собираются на дне пробирок в виде плотного осадка. Остается только отключить центрифугу и слить с этого осадка прозрачный раствор. Кстати, похожий процесс происходит и в обычной соковыжималке, в которой также действует центробежная сила. Только в соковыжималке эта сила отбрасывает (через мелкую сетку) отжатый сок, а твердые «отжимки» морковки или яблок остаются внутри сетки.

Рис. 2.26. Современная центрифуга

В заключение этого раздела рассмотрим случай, когда надо разделить две жидкости. Понятно, что такая операция имеет смысл только в тех случаях, когда эти жидкости взаимно нерастворимы — например, вода и масло (любое). Если эту смесь потрясти, масло раздробится на мелкие капельки и образуется мутная эмульсия. Со временем она отстоится и более легкое масло соберется наверху. Но как отделить его от воды? Каждый, кто пробовал совершить такую операцию в обычной кастрюле, знает, как трудно бывает в самом конце: почти всегда либо часть воды оказывается в слитом масле, либо часть масла остается в кастрюле с водой.,