Возгонка - что это такое: механизм, виды, особенности применения
Возгонка - уникальное физическое явление, позволяющее очищать твердые вещества. Этот малоизвестный процесс открывает широкие возможности в промышленности и быту. Давайте разберемся, что такое возгонка, как она происходит, где применяется и зачем нужна.
Определение возгонки
Возгонка или сублимация - это процесс, при котором вещество переходит из твердого состояния сразу в газообразное (парообразное), минуя жидкую фазу.
Это один из видов фазовых переходов первого рода, поскольку при возгонке изменяется удельный объем вещества, и поглощается теплота сублимации.
Обратным процессом возгонки является десублимация - переход пара в твердое тело сразу, минуя жидкость.
В природе возгонка и десублимация проявляются в таких явлениях как:
- Иней и изморозь на растениях
- Сублимация льда и водяного пара в атмосфере
- Образование кристаллов на стеклах
В технике возгонку применяют для очистки, разделения и получения некоторых веществ.
Механизм возгонки
Как уже было сказано, возгонка - это фазовый переход из твердого состояния сразу в газообразное.
Чтобы он произошел, вещество должно быть:
- Твердым при комнатной температуре
- Иметь значительное давление насыщенного пара
Примером такого вещества может служить йод. При нагревании его кристаллы возгоняются, образуя фиолетовый пар, который можно наблюдать невооруженным глазом.
Скорость возгонки зависит от нескольких факторов:
- Температуры нагрева
- Давления в системе
- Концентрации пара над твердой поверхностью
- Размера частиц твердого вещества
Чем мельче измельчено твердое вещество - тем быстрее идет процесс возгонки, так как увеличивается испаряющая поверхность.
Для ускорения возгонки часто применяют вакуум или продувку инертным газом, которые эффективно удаляют пар от поверхности вещества.
Применение возгонки
Одно из главных применений процесса возгонки - это очистка твердых веществ от различных примесей.
Для этого используют специальные установки - сублиматоры. Их принцип работы прост:
- Твердое загрязненное вещество помещают в нагреваемую камеру
- При определенной температуре оно начинает возгоняться
- Чистый пар конденсируется в другой части прибора, образуя очищенное вещество
- Нелетучие примеси остаются в исходной камере
Таким образом можно очистить даже очень загрязненное сырье для получения химически чистых веществ.
Например, возгонкой получают некоторые взрывчатые вещества.
Преимущества и недостатки
К достоинствам возгонки как метода очистки можно отнести:
- Высокая степень очистки за один цикл
- Высокий выход конечного продукта (до 99%)
- Простота оборудования и низкие энергозатраты
- Возможность разделения трудноотделимых смесей
Основными недостатками возгонки являются:
- Длительность процесса для больших количеств вещества
- Применимость ограничена кругом твердых летучих веществ
Перспективы применения
Возгонка обладает большим потенциалом для различных областей.
В пищевой промышленности активно используется сублимационная сушка. При этом замороженное сырье помещают в вакуум, где лед сублимируется, а сухие ингредиенты остаются. Так получают высококачественные сухие продукты: фрукты, овощи, мясо, кофе.
Сублимационная сушка
Основные преимущества сублимационной сушки:
- Сохранение витаминов и питательных веществ
- Отсутствие химического и термического воздействия
- Длительные сроки хранения
Поэтому сублимационная сушка широко применяется для производства продуктов питания.
Сублимация в космосе
Уникальные возможности для сублимации открывает космическое пространство. В условиях высокого вакуума и низких температур многие материалы активно возгоняются и осаждаются на поверхностях оборудования.
Этот эффект важно учитывать при создании космических аппаратов, чтобы предотвратить поломки их систем.
Сублиматоры в быту
Принцип сублимации можно использовать для создания полезных бытовых приборов.
Например, осушители воздуха с регенерацией через сублимацию. В них влага замораживается на охлаждаемой поверхности, а затем возгоняется за счет периодического нагрева.
Сферы применения сублимационной сушки
Помимо пищевой промышленности, сублимационная сушка находит применение в фармацевтике для производства лекарственных препаратов, биодобавок, витаминов.
Особенно перспективно использование сублимационной сушки для создания термолабильных и биологически активных медицинских препаратов, поскольку этот метод позволяет максимально сохранить их свойства.
Сублимация в строительстве
Интересные возможности для строительства открывает явление десублимации водяного пара с образованием льда.
Например, можно создавать ледяные конструкции путем заморозки увлажненного песка с последующей сублимацией воды. Такие конструкции обладают прочностью бетона.
Сублимационные технологии в экологии
Перспективно использование сублимации для переработки и утилизации отходов. Например, можно очищать воду и почву от загрязнений методом вакуумной сублимации.
Сублиматоры будущего
В будущем появятся высокоэффективные сублимационные установки нового поколения на основе нанотехнологий.
Они позволят мгновенно очищать воздух и воду от вредных примесей, а также регенерировать драгоценные металлы из отработанной электроники методом сублимации.