خزائن شفط الأبخرة المختبرية ومعدات شفط الهواء
تعد تهوية المختبر مكونًا لا غنى عنه في تصميم المختبرات. لمنع العاملين في المختبر من استنشاق أو ابتلاع المواد الكيميائية والكائنات الحية السامة أو الممرضة أو غير المعروفة من الناحية السمية، يجب أن يتمتع المختبر بتهوية جيدة لحماية الصحة الجسدية والنفسية للعاملين فيه. ولمنع امتصاص بعض الأبخرة والغازات والجسيمات (الدخان والسخام والغبار والهباء الجوي)، يجب إزالة الملوثات باستخدام خزانات الأبخرة أو أغطية العادم أو التهوية الموضعية. تعد خزانة الأبخرة واحدة من أهم معدات السلامة في المختبر: فهي وسيلة فعالة للحماية الموضعية، تحمي المستخدمين وغيرهم من العاملين في المختبر من المواد الكيميائية وغيرها من المواد الخطرة، كما أنها مقاومة للحريق والانفجار.
أولاً: خزانات الأبخرة
1. الهيكل
تتميز خزانة الأبخرة بهيكل مكون من جزء علوي وجزء سفلي: يوجد في الأعلى فتحة عادم يمكن تركيب مروحة فيها. يحتوي الخزان العلوي على حاجز توجيه (منحرف هوائي انسيابي)، ومفتاح لمس للتحكم في الدائرة الكهربائية، ومآخذ كهربائية وغيرها؛ أما النافذة الزجاجية للمراقبة فهي مصنوعة من الزجاج المقوى، ويمكن تحريكها يمينًا ويسارًا أو أعلى وأسفل لإجراء العمليات. يأتي الخزان السفلي على طراز طاولة جانبية للمختبر، حيث يوجد سطح عمل في الأعلى وجسم الخزان في الأسفل. يمكن تركيب حوض غسيل صغير وصنبور على سطح العمل. انظر الشكل 7-39.
تُصنع خزانات الأبخرة من مواد مثل الفولاذ الكامل، والفولاذ والخشب، والخشب الكامل، والألمنيوم والخشب، والبلاستيك المقوى بالفولاذ، والـ PVC؛ أما سطح العمل الذي يلامس عينات التجربة مباشرة، فيُصنع عادةً من ألواح الراتنج الإيبوكسي، والصفائح المدمجة الصلبة (الألواح الفيزيوكيميائية)، والفولاذ المقاوم للصدأ، والـ PVC، والسيراميك وغيرها من المواد. انظر الشكل 7-40.
كانت خزانات الأبخرة القديمة تُصنع معظمها من الخشب، أما الخزانات الحديثة فمعظمها مصنوع من الفولاذ المطلي بالإيبوكسي. تبلغ عروض الخزانات الشائعة 1200 ملم، و1500 ملم، و1800 ملم، و2000 ملم، بعمق يتراوح بين 700 و900 ملم، وارتفاع يتراوح بين 1900 و2400 ملم. يمكن استخدامها من قبل 1 إلى 3 أشخاص في نفس الوقت. تُركب خزانات الأبخرة عادةً ملاصقة للجدار.
يوجد في منتصف الواجهة الأمامية نافذة شفافة متحركة عموديًا (زجاجية عادةً) يتراوح ارتفاع الفتحة فيها عمومًا بين 100 و550 ملم. خلف النافذة يوجد سطح العمل الذي تُجرى عليه التجارب، مع التوصيلات اللازمة للتجارب مثل أنابيب المياه، والمصارف، والكهرباء، ومضخات التفريغ، وخطوط الغاز، بالإضافة إلى إضاءة محمية في الأعلى. يتم سحب الهواء من الجزء الأمامي العلوي لداخل الخزان بواسطة مروحة العادم، ثم يتم توجيهه عبر قنوات إلى مكان آخر (تسمى تهوية العادم الكامل) أو ترشيحه وإعادة تدويره (تسمى التهوية بدون قنوات).
تُصدر معظم خزانات الأبخرة إنذارًا عندما يكون حجم هواء العادم منخفضًا جدًا أو عندما تُفتح النافذة الزجاجية الأمامية بدرجة كبيرة جدًا، لتنبيه المشغل. تحتوي كل من سرعة مروحة العادم الداخلية والإضاءة على مفاتيح قابلة للضبط.
أثناء الاستخدام، يقف المشغل أو يجلس أمام الخزان، ويحافظ على النافذة الزجاجية منخفضة قدر الإمكان، ويمد يديه إلى داخل الخزان تحت النافذة لإجراء التجربة. نظرًا لأن مروحة العادم تسحب الهواء إلى الداخل عبر النافذة المفتوحة، ففي الظروف العادية لا تتسرب الغازات الخطرة بكميات كبيرة.
[الشكل: الشكل 7-39 هيكل خزانة الأبخرة (رسم هيكلي مقطعي؛ الأبعاد: العرض 1800 ملم، العمق 800 ملم، ارتفاع الخزان العلوي 1500 ملم، الارتفاع الكلي 2350 ملم، ارتفاع الخزان القاعدي 850 ملم؛ المكونات: فتحة عادم بقطر 250 ملم، حوض وصنبور، سطح عمل من لوح PP أبيض بورسليني بسمك 8 ملم، مفتاح لمس، جسم خزانة من لوح PP أبيض بورسليني بسمك 8 ملم، نافذة مراقبة شفافة من زجاج مقوى بسمك 5 ملم، باب وصول، حاجز توجيه، مآخذ كهربائية، مقابض PP زرقاء، حافة احتواء انسكاب PP، مفصلات PP زرقاء، 4 أقدام تسوية في قاعدة الخزانة؛ ملاحظة: تحتوي خزانة الأبخرة على مصباح فلورسنت بدرع واقي)]
[الشكل: الشكل 7-40 خزانة أبخرة فولاذية كاملة (صورة فوتوغرافية للمنتج الفعلي)]
2. الأنواع
2.1 خزانة أبخرة ذات سحب علوي: تتميز ببساطة الهيكل وسهولة التصنيع؛ مناسبة للتطبيقات التي ينتج عنها حرارة. 2.2 خزانة الأبخرة ذات الفتحات (المنفذة): توجد فتحات عادم في الأعلى والجانب الخلفي؛ وتحقق نتائج جيدة في مجموعة متنوعة من المواقف، ولكن هيكلها أكثر تعقيدًا وتصنيعها أكثر صعوبة.
2.3 خزانة الأبخرة ذات الممر الجانبي: مثالية عندما يحتاج المختبر إلى سحب كميات كبيرة من الهواء الداخلي عبر خزانة الأبخرة، حيث لا يتأثر تبادل الهواء في الغرفة حتى عند إغلاق الوشاح بالكامل.
2.4 خزانة الأبخرة ذات الهواء المساعد (الهواء التعويضي): مثالية للمختبرات المزودة بأنظمة تكييف الهواء أو المختبرات النظيفة، لأنها توفر الطاقة ولا تؤثر على تنظيم تدفق الهواء في الغرفة في نفس الوقت.
2.5 خزانة الأبخرة ذات السحب الطبيعي: المزايا—لا تستهلك الكهرباء؛ يمكنها التهوية المستمرة ليلًا ونهارًا (يمكن أن يصل تبادل الهواء الداخلي المقاس إلى 6 تبديلات هواء/ساعة)، مما يفيد تهوية الغرفة؛ لا توجد ضوضاء أو اهتزاز؛ نظرًا لعدم وجود معدات ميكانيكية، فهي سهلة الصيانة؛ بناء بسيط وتكلفة منخفضة. ومع ذلك، يخضع استخدامها لقيود معينة: لا يجب استخدامها في التجارب شديدة السمية أو التجارب التي لا تولد حرارة، وفي بعض الغرف تكون غير مناسبة في الصيف.
2.6 خزانة الأبخرة المتحركة: في مباني المختبرات الحديثة، يتم أحيانًا تكوين مختبر عام (قاعة مختبر) حيث يمكن تحريك طاولات عمل المختبر، وخزائن الأبخرة المدمجة مع الأحواض، وغيرها من المعدات في أي وقت، ودفعها إلى غرفة تخزين مجاورة عند عدم الاستخدام. يجب أن تكون هذه الخزائن مصنوعة من الخشب أو البلاستيك أو المعدن الخفيف لسهولة الحركة. انظر الشكل 7-41.
[الشكل: الشكل 7-41 خزائن الأبخرة المتحركة (صور لخزانتين أبخرة متحركتين)]
3. التصنيف
3.1 حسب طريقة العادم
تنقسم إلى ثلاث فئات: عادم علوي، وعادم سفلي، وعادم مركب علوي وسفلي. لضمان سرعة هواء موحدة في منطقة العمل، يجب استخدام العادم السفلي لخزائن الأبخرة ذات العمليات الباردة، والعادم العلوي لخزائن الأبخرة ذات العمليات الساخنة؛ أما بالنسبة للعمليات ذات توليد الحرارة غير المستقر، فيمكن توفير فتحات عادم في كل من الأعلى والسفل، مع ضبط نسبة أحجام العادم العلوية والسفلية وفقًا لتغير ناتج الحرارة داخل الخزانة، مما يحقق سرعة هواء موحدة.
3.2 حسب طريقة سحب الهواء
خزانة الأبخرة ذات العادم الكامل: يدخل الهواء الداخلي، ويدور داخل الخزانة، ثم يتم طرده إلى الخارج—وتسمى النوع ذي العادم الكامل؛ وهذا النوع واسع الاستخدام جدًا.
خزانة الأبخرة ذات الهواء المساعد (الهواء التعويضي): عندما يتم تثبيت خزانة أبخرة في غرفة مدفأة أو غرفة متحكم في درجة حرارتها ورطوبتها، لتوفير طاقة التدفئة وتكييف الهواء، يتم سحب الهواء التعويضي من الخارج، ويدور عبر الخزانة، ثم يتم طرده إلى الخارج—وتسمى خزانة الأبخرة ذات الهواء المساعد.
خزانة الأبخرة ذات حجم الهواء المتغير (VAV): يتطلب نظام حجم الهواء الثابت العادي ضبط مخمد الهواء ذي الشفرات الثابتة يدويًا لتنظيم حجم عادم خزانة الأبخرة؛ وعند ضبط المخمد إلى زاوية معينة، تتحقق سرعة الوجه المطلوبة. يغير التحكم في حجم الهواء المتغير حجم الهواء عبر مستشعر موجود على المخمد لتحقيق سرعة الوجه المضبوطة. وبالطبع تكون الأنظمة القياسية منخفضة التكلفة، بينما تكلف أنظمة VAV أكثر وتكون مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية.
3.3 حسب تكوين الاستخدام
تنقسم إلى النوع المدمج ذي القسم السفلي المفتوح، والنوع القائم على الأرض، والنوع ذي الوجهين، والنوع الزجاجي ثلاثي الوجوه، والنوع الذي يوضع على الطاولة، والنوع المركب (الوحدوي)، بالإضافة إلى خزائن الأبخرة ذات الأغراض الخاصة المصممة للتجارب الإشعاعية، والتجارب التخليقية، وتجارب حمض البيركلوريك وفقًا لاحتياجات التجارب المختلفة.
3.4 حسب ما إذا كان هناك اتصال بأنابيب خارجية
تنقسم إلى خزائن أبخرة ذات أنابيب (عادم خارجي) وخزائن أبخرة بدون أنابيب. تقوم خزانة الأبخرة ذات الأنابيب بسحب الغازات السامة والخطرة المتولدة أثناء التجارب مباشرة إلى الخارج عبر الأنابيب الخارجية. أما خزانة الأبخرة بدون أنابيب فتقوم بامتصاص الغازات السامة والخطرة المتولدة أثناء التجارب مباشرة بواسطة مرشح الفحم المنشط. انظر الشكل 7-42.
[الشكل: الشكل 7-42 خزائن الأبخرة بدون أنابيب (صور لخزانتين أبخرة)]
3.5 الوظائف الرئيسية لخزانة الأبخرة أهم وظيفة لخزانة الأبخرة هي وظيفة العادم الخاصة بها. في المختبر الكيميائي، تنتج العمليات التجريبية مجموعة متنوعة من الغازات الضارة والروائح والرطوبة والمواد القابلة للاشتعال والانفجار والتآكل. لحماية سلامة المستخدمين ومنع الملوثات التجريبية من الانتشار في المختبر، يجب استخدام خزانة الأبخرة بالقرب من مصدر التلوث. في الماضي، كانت خزانات الأبخرة تُستخدم بأعداد قليلة، فقط للتجارب التي تنطوي على غازات خطرة وخطيرة بشكل خاص وتلك التي تنتج كميات كبيرة من الحرارة؛ وكانت خزانة الأبخرة تؤدي فقط وظيفة مساعدة لطاولة المختبر. بهدف تحسين البيئة التجريبية، انتقلت التجارب التي كانت تُجرى سابقًا على الطاولات المفتوحة تدريجيًا إلى خزانات الأبخرة، مما يتطلب أن تمتلك خزانة الأبخرة وظائف تناسب المعدات المستخدمة على أفضل وجه. على وجه الخصوص، تتطلب معظم المختبرات المبنية حديثًا تكييف الهواء، لذلك يجب تضمين عدد خزانات الأبخرة في خطة نظام تكييف الهواء في المرحلة الأولية لتصميم المبنى. نظرًا لأن خزانة الأبخرة تحتل مكانة مهمة جدًا في المختبر الكيميائي الحيوي، فقد زاد عدد استخداماتها بشكل كبير في ضوء تحسين بيئة المختبر، وتحسين ظروف الصحة المهنية، ورفع كفاءة العمل. إلى جانب ذلك، أصبحت قنوات التهوية والأنابيب والأسلاك الكهربائية والعادم كلها مواضيع مهمة في بناء المختبر.
الغرض الأساسي من استخدام خزانة الأبخرة هو إخراج الغازات الخطرة الناتجة عن التجارب وحماية صحة العاملين في المختبر - أي توفير درجة عالية من الأمان وقابلية تشغيل ممتازة. وهذا يتطلب أن تمتلك خزانة الأبخرة الوظائف التالية:
وظيفة الإطلاق: يجب أن تكون هناك آلية تعمل على تخفيف الغازات الخطرة الناتجة داخل خزانة الأبخرة عن طريق سحب الهواء من خارج الخزانة وإخراجها إلى الهواء الطلق.
وظيفة منع الارتداد: يجب أن تمنع تيار الهواء الناتج عن مروحة العادم من حمل الغازات الخطرة من داخل خزانة الأبخرة والعودة بها إلى الغرفة. لضمان هذه الوظيفة، تتمثل أفضل طريقة في توصيل خزانة أبخرة واحدة بمروحة عادم واحدة عبر قناة مخصصة واحدة؛ وفي الحالات التي لا يمكن فيها التوصيل بقناة واحدة، لا يجوز توصيل الخزانات الموجودة في نفس الطابق ونفس الغرفة إلا على التوازي، ويجب تثبيت مروحة العادم في نهاية القناة (أو على السطح) كلما أمكن ذلك.
وظيفة العزل: يجب أن تكون هناك نافذة عرض زجاجية غير قابلة للانزلاق أمام خزانة الأبخرة تفصل بين داخل وخارج الخزانة.
وظيفة التعويض (التجديد): يجب أن تكون هناك قناة أو جهاز بديل يسحب الهواء من خارج خزانة الأبخرة أثناء إخراج الغازات الخطرة.
وظيفة التحكم في سرعة الهواء الأمامية: لمنع الغازات الخطرة من التسرب من خزانة الأبخرة، يلزم وجود سرعة سحب معينة. العوامل التي تحدد سرعة سحب الهواء لخزانة الأبخرة هي الحرارة الناتجة عن المحتوى التجريبي وعلاقتها بمعدل تبديل الهواء؛ والعوامل الرئيسية هي المحتوى التجريبي وطبيعة المواد الخطرة. تنص المعايير الوطنية على أن سرعة الهواء الأمامية لخزانة الأبخرة تبلغ 0.5 متر/ثانية ± 10%. لضمان هذه السرعة، يجب أن تمتلك مروحة العادم الضغط الساكن اللازم - أي مقاومة الاحتكاك للهواء أثناء مروره عبر قنوات التهوية. عند تحديد السرعة، يجب أيضًا مراعاة الضوضاء: يجب أن تقتصر سرعة الهواء في القناة على 7–10 متر/ثانية؛ فعند تجاوز 10 متر/ثانية تنشأ ضوضاء. يبلغ الحد المعتاد للضوضاء في المختبرات (مستوى الضوضاء الخلفية الداخلية) 70 ديسيبل (A)؛ ويؤدي زيادة مساحة المقطع العرضي للقناة إلى خفض السرعة وبالتالي خفض الضوضاء. مع مراعاة تكلفة القنوات ومشكلات البناء، يجب اختيار قدرة القنوات ومروحة العادم بعناية. مقاومة التآكل الناتج عن الحرارة والأحماض والقلويات: تحتاج بعض خزانات الأبخرة إلى استيعاب أفران كهربائية، وتنتج بعض التجارب كميات كبيرة من الغازات السامة والخطيرة شديدة التآكل مثل الأحماض والقلويات. يجب أن يكون كل من سطح العمل لخزانة الأبخرة، وبطانتها الداخلية، وألواحها الجانبية، وتركيبات الماء والغاز المختارة، مقاوماً للتآكل. عند استخدام أحماض قوية مثل حمض الكبريتيك وحمض النيتريك وحمض الهيدروفلوريك في صناعة أشباه الموصلات أو في التجارب التآكلية، يجب أن تكون مادة خزانة الأبخرة بأكملها مقاومة للأحماض والقلويات، وتُصنع عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو بولي فينيل كلوريد (PVC) أو بولي بروبيلين (PP).
4. السلامة
السلامة هي المهمة الأولى والأهم التي تسعى خزانة الأبخرة لتحقيقها؛ إن استخدام خزانة الأبخرة في المختبر يهدف بالكامل إلى ضمان سلامة المستخدم ومنع تلوث البيئة المحيطة.
4.1 يعمل هيكل الشفط المشقوق على شفط الغازات الخطيرة بفعالية.
4.2 مقبض انسيابي مع وجود فجوة بين المقبض والزجاج؛ نظراً لأن تدفق الهواء فوق سطح العمل يكون دورانياً، يتم ضمان سحب الهواء بفعالية.
4.3 دبوس منع سقوط الوشاح الزجاجي: في حالة انقطاع الكابل الفولاذي وسقوط الوشاح الزجاجي بشكل غير متوقع، يمسكه دبوس منع السقوط، مما يمنع تعرض الأفراد للإصابة.
4.4 يُصنع الوشاح الزجاجي من الزجاج المقسى؛ حتى في حالة كسر الزجاج أو تحطمه عن طريق الخطأ، لن تحدث حوادث إصابة.
4.5 تتوفر فتحات تهوية في الجزء العلوي من خزانة الأبخرة، بحيث يمكن للهواء الدخول حتى عندما يكون الوشاح الزجاجي مغلقاً، مما يتجنب الضغط السلبي المفرط.
4.6 يُصنع الهيكل الخارجي لخزانة الأبخرة من المعدن، وهو مقاوم للحريق وغير قابل للاحتراق. تستخدم البطانة الداخلية مواد مثبطة للهب أو غير قابلة للاحتراق مثل اللامينيت المضغوط أو الفولاذ المقاوم للصدأ، ويستخدم سطح العمل اللامينيت المضغوط الصلب أو الفولاذ المقاوم للصدأ لتحقيق مقاومة الأحماض والقلويات ومقاومة الحرارة وتثبيط اللهب.
4.7 يبلغ الارتفاع الفعلي للوشاح الزجاجي 800 ملم، والتجويف الداخلي 1200 ملم، وارتفاع سطح العمل 800 ملم - وهو تصميم هندسي مريح، وسهل التشغيل، مع مساحة قابلة للاستخدام واسعة وتعزيز السلامة.
4.8 تحتوي تركيبات الماء والغاز على مقابض تشغيل عن بُعد خارج الخزانة، وهو أكثر ملاءمة وأماناً من التشغيل اليدوي المباشر.
5. الاحتياطات
5.1 قبل بدء التجربة، تأكد من أن خزانة الأبخرة قيد التشغيل قبل القيام بعمليات التجربة.
5.2 قبل إنهاء التجربة، يجب أن تستمر الخزانة في العمل لمدة 5 دقائق إضافية على الأقل قبل إيقاف تشغيل المروحة، لشفط الغازات المتبقية في قناة التهوية. يمكن أيضاً التفكير في تثبيت مرحل تأخير زمني للشفط لضمان تأخير إيقاف تشغيل المروحة.
5.3 أثناء التجارب، لا تضع أي معدات ضمن مسافة 150 ملم من الوشاح الزجاجي؛ تحتاج المعدات التجريبية الكبيرة إلى مساحة واسعة ويجب ألا تعيق تدفق الهواء؛ يجب الحفاظ على الوشاح الأمامي مغلقاً قدر الإمكان أثناء الاستخدام.
ثانياً. أذرع الشفط المفصلية (أغطية الشفط متعددة الاتجاهات)
يُعد ذراع الشفط المفصلي بشكل أساسي جهازاً لشفط الغبار على نطاق صغير، والهواء الساخن، والغازات المتطايرة، والغازات الخطيرة، وغيرها من المواد العالقة الجسيمية الدقيقة أو الغازات الناتجة أثناء التجارب أو عمليات الإنتاج بسرعة؛ يمكنه شفط جميع الغازات الخطيرة بالكامل، وهو أحد معدات السلامة التي لا غنى عنها في المختبر.
[شكل: الشكل 7-43 ذراع شفط مفصلي أحادي المفصل]
[شكل: الشكل 7-44 ذراع شفط مفصلي ثنائي المفصل]
[شكل: الشكل 7-45 ذراع شفط مفصلي ثلاثي المفصل]
[شكل: الشكل 7-46 ذراع شفط مثبت على الحائط]