Сұйықтықты алу процесі және суперкритикалық кептіру
Supercritical drying
Сүперкритикалық кептіру – сұйықтықты бақылаулы түрде жою процесі. MEMS, дәмдеуіштер, аэрогель өндірісінде, кофеден кофеин алуда қолданылады. Бұзылуды болдырмайды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйықтықты алу процесі. Суперкритикалық кептіру, сонымен қатар критикалық нүктеде кептіру деп те аталады, – сұйықтықты нақты және бақыланатын тәсілмен алу процесі. Ол микроэлектромеханикалық жүйелерді (МЭМЖ) өндіруде, дәмдеуіштерді кептіруде, аэрогель жасауда, кофеден кофеинді алуда және биологиялық үлгілерді дайындауда қолданылады.
Process to remove liquid
Supercritical drying, also known as critical point drying, is a process to remove liquid in a precise and controlled way. It is useful in the production of microelectromechanical systems (MEMS), the drying of spices, the production of aerogel, the decaffeination of coffee and in the preparation of biological specimens.
Фазалық диаграмма
Сұйық денедегі зат сұйықтан газға дейінгі шекарадан өткенде (фазалық диаграммадағы жасыл жебеге қараңыз), сұйық белгілі бір жылдамдықпен газға айналады, ал сұйықтың мөлшері азаяды. Егер бұл гетерогенді ортада болса, сұйық денесіндегі беттік кернеу сұйық тігізетін кез келген қатты құрылымға қарсы әрекет етеді. Ұяшық қабырғалары, кремний гельіндегі дендриттер және микроэлектромеханикалық құрылғылардың кішкентай механизмдері сияқты нәзік құрылымдар сұйық-газ-қатты түйісу қозғалғанда осы беттік кернеудің әсерінен бұзылуы мүмкін. Бұған жол бермеу үшін, сынаманы фазалық диаграммадағы сұйық-газ шекарасын кесіп өтусіз, екі мүмкін жолмен сұйық фазадан газ фазасына жеткізуге болады. Мұздатып кептіру кезінде бұл сол жаққа айналуды білдіреді (төмен температура, төмен қысым; көк жебе). Дегенмен, кейбір құрылымдар тіпті қатты-газ шекарасында да зақымдануы мүмкін. Суперкритикалық кептіру, керісінше, жоғары температура, жоғары қысым жағында (қызыл жебе) сызықты оң жаққа айналып өтеді. Сұйықтан газға дейінгі бұл жол кез келген фазалық шекарадан өтпейді, оның орнына газ бен сұйық арасындағы айырмашылықтың жойылған суперкритикалық аймақтан өтеді. Кептірудің критикалық нүктесінде сұйық фаза мен бу фазасының тығыздықтары теңеседі.
As the substance in a liquid body crosses the boundary from liquid to gas (see green arrow in phase diagram), the liquid changes into gas at a finite rate, while the amount of liquid decreases. When this happens within a heterogeneous environment, surface tension in the liquid body pulls against any solid structures the liquid might be in contact with. Delicate structures such as cell walls, the dendrites in silica gel, and the tiny machinery of microelectromechanical devices, tend to be broken apart by this surface tension as the liquid–gas–solid junction moves by. To avoid this, the sample can be brought via two possible alternate paths from the liquid phase to the gas phase without crossing the liquid–gas boundary on the phase diagram. In freeze drying, this means going around to the left (low temperature, low pressure; blue arrow). However, some structures are disrupted even by the solid–gas boundary. Supercritical drying, on the other hand, goes around the line to the right, on the high temperature, high pressure side (red arrow). This route from liquid to gas does not cross any phase boundary, instead passing through the supercritical region, where the distinction between gas and liquid ceases to apply. Densities of the liquid phase and vapor phase become equal at critical point of drying.
Сұйықтықтар
Дерлік барлық сұйықтықтар физикалық химиялық процесс ретінде суперкритикалық кептіруге ұшырауы мүмкін, бірақ осыған байланысты қатал жағдайлар оны өнеркәсіптік процестің бір бөлігі ретінде жиі қолдануға қолайсыз етеді. Суперкритикалық кептіруді өнеркәсіптік қолданыста қолданатын сұйықтықтарға көмірқышқыл газы (критикалық нүктесі 304,25 К, 7,39 МПа немесе 31,1 °C, 1072 psi) және фреон (≈300 К, 3,5–4 МПа немесе 25–0 °C, 500–600 psi) жатады. Азот оксиді көмірқышқыл газына ұқсас физикалық қасиеттерге ие, бірақ суперкритикалық күйде күшті тотықтырғыш болып табылады. Суперкритикалық су өте ыстыққа төзімсіз, өйткені сынама оның сынап нүктесінде (647 К, 374 °C) қыздырылғанда зақымдануы мүмкін, сондай-ақ судың осындай жоғары температура мен қысымда (22,064 МПа, 3212 psi) коррозиялық әсері болуы мүмкін. Көптеген процестерде ацетонды ең алдымен барлық суды кетіру үшін қолданады, осы екі сұйықтықтың толық араласу қабілетін пайдаланады. Содан кейін ацетонды жоғары қысымды сұйық көмірқышқыл газымен шайып тастайды, фреон қолжетімсіз болғандықтан қазіргі өнеркәсіптік стандарт осы. Сұйық көмірқышқыл газы температурасы сынап нүктесінен жоғарылайтынша қыздырылады, содан кейін қысым біртіндеп төмендетіліп, газдың шығуына және өнімнің кептірілуіне мүмкіндік беріледі.
Almost all fluids can undergo supercritical drying as a physical chemistry process, but the harsh conditions involved will often make it impractical as part of an industrial process. Fluids which do see industrial application of supercritical drying include carbon dioxide (critical point 304.25 K at 7.39 MPa or 31.1 °C at 1072 psi) and freon (≈300 K at 3.5–4 MPa or 25–0 °C at 500–600 psi). Nitrous oxide has similar physical behavior to carbon dioxide, but is a powerful oxidizer in its supercritical state. Supercritical water is inconvenient due to possible heat damage to a sample at its critical point temperature (647 K, 374 °C) and corrosiveness of water at such high temperatures and pressures (22.064 MPa, 3,212 psi). In most such processes, acetone is first used to wash away all water, exploiting the complete miscibility of these two fluids. The acetone is then washed away with high pressure liquid carbon dioxide, the industry standard now that freon is unavailable. The liquid carbon dioxide is then heated until its temperature goes beyond the critical point, at which time the pressure can be gradually released, allowing the gas to escape and leaving a dried product.