Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Процесс удаления жидкости
Process to remove liquid
Суперкритическая сушка, также известная как сушка в критической точке, — это процесс удаления жидкости точным и контролируемым образом. Она применяется при производстве микроэлектромеханических систем (МЭМС), сушке специй, производстве аэрогеля, декофеинизации кофе и подготовке биологических образцов.
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.
Фазовая диаграмма
По мере того, как вещество в жидком теле пересекает границу между жидким и газообразным состояниями (см. зеленую стрелку на фазовой диаграмме), жидкость переходит в газ с конечной скоростью, при этом объем жидкости уменьшается. Когда это происходит в гетерогенной среде, поверхностное натяжение в жидком теле оказывает воздействие на любые твердые структуры, с которыми жидкость контактирует. Хрупкие структуры, такие как клеточные стенки, дендриты в силикагеле и миниатюрные механизмы микроэлектромеханических устройств, склонны разрушаться под действием этого поверхностного натяжения при перемещении тройной границы жидкость-газ-твердое тело. Чтобы избежать этого, образец можно перевести из жидкой фазы в газообразную двумя альтернативными путями, не пересекая границу жидкость-газ на фазовой диаграмме. В случае лиофильной сушки это означает обход слева (низкая температура, низкое давление; синяя стрелка). Однако некоторые структуры повреждаются даже границей твердое-газ. Сверхкритическая сушка, напротив, обходит линию справа, в области высоких температуры и давления (красная стрелка). Этот путь перехода от жидкости к газу не пересекает никаких фазовых границ, а проходит через сверхкритическую область, где различие между газом и жидкостью теряет смысл. Плотности жидкой и газообразной фаз становятся равными в критической точке сушки.
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.
Жидкости
Почти все жидкости могут подвергаться сверхкритической сушке как физико-химический процесс, но жёсткие условия, необходимые для этого, часто делают её непрактичной для промышленного применения. Жидкости, для которых сверхкритическая сушка находит промышленное применение, включают углекислый газ (критическая точка 304,25 К при 7,39 МПа или 31,1 °C при 1072 psi) и фреон (≈300 К при 3,5–4 МПа или 25–0 °C при 500–600 psi). Окись азота обладает схожими физическими свойствами с углекислым газом, но в сверхкритическом состоянии является сильным окислителем. Сверхкритическая вода неудобна из-за возможного теплового повреждения образца при температуре критической точки (647 К, 374 °C) и коррозионной активности воды при таких высоких температурах и давлениях (22,064 МПа, 3212 psi). В большинстве случаев, вначале используют ацетон для удаления воды, используя их полную смешиваемость. Затем ацетон удаляют промывкой жидким углекислым газом под высоким давлением, который в настоящее время является промышленным стандартом, поскольку фреон стал недоступен. После этого жидкий углекислый газ нагревают до температуры выше критической точки, после чего давление постепенно снижают, позволяя газу выйти и оставляя высушенный продукт.
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.