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冻干技术的基本原理

更新时间:2023-10-25      点击次数:388

冷冻干燥就是把含有大量水分的物质预先冻结成固体,然后在真空的环境下使固态水分子直接升华逸出,水分子全部逸出后物质则达到了干燥效果。

冻干本质是一个传热传质的过程,其依据为水的三相点变化。

要冻干的物质中含量多的是水,因此我们研究的出发点从水开始。

在三相点,水存在三种状态,这三种状态对应的就是物质的三种状态即固相、液相、气相。三种状态之间是会相互转化的。一般来讲从固态变液态、液态变气态、固态直接变成气态的过程是从分子排列密、相互作用力大的状态,变为分子排列疏、作用力小的状态,这一过程要从外界收取热量。而相反的过程则向外界放出热量。 如下图所示:三种状态可以相互转化,对应的不同过程分别是升华、凝华、液化、汽化、凝固、熔化。

 

液体水的蒸发速度随着温度的升高增快,在100°C时达到快,这时就会发生沸腾现象。只要是在正常海拔的开放环境中,不管外界温度多高,水的温度都不会超过100°C。它会在这个温度下持续沸腾,直到全部转变成水蒸气为止,所以100°C也被称为水的沸点,也就是对应大气压下水的沸点是100℃。而这说的是开放的环境,也就是在标准大气压下。随着海拔升高,气压降低,水的沸点也会降低。而如果是密闭的环境,水变成水蒸气以后跑不出去,就会造成空间内的气压越来越高,这也会导致水的沸点发生变化。用高压锅煮东西,用的就是这个原理。既然沸点会随着气压变化,把不同气压下的沸点都标出来,便可以得到一条曲线,这就是水的液相和气相之间相互转化的临界曲线。

同样的道理,不仅沸点会受气压影响,熔点(凝固点)和升华点(凝华点)也会受到压强影响,也可以画出类似的曲线。把沸点曲线、熔点曲线、升华点曲线画在一张图上,便得到了物质的三相图。

纵坐标是压强,横坐标是温度。图中深蓝色部分是固态的冰,黄色部分是液态的水,浅蓝色部分是气态的水蒸气。它们交界处的曲线,分别是熔点/凝固点随压强变化的固-液相变曲线,沸点随压强变化的液-气相变曲线,升华点/凝华点随压强变化的固-气相变曲线。三条线交汇的点,这叫做物质的“三相点”。对于水来说,它的三相点处于温度=0.01°C、气压=0.00611mbar的位置。在这个特定的环境条件下,不仅同时存在冰、水、水蒸气三种状态,还能观察到水沸腾。

在三相点,可以同时看到水的三种状态。从这三相点图上就可以理解冻干了。

为了除掉水,先把溶液冻起来,然后通过抽真空降低气压的方法,让冻结溶液中的水升华出来。这种做法乍一看似乎不可思议,但是结合水的三相图来看,其实不难理解。在-20°C的密闭环境中放置冰块,抽掉空气、降低气压,直到气压低于三相图里固-气相变曲线,冰便会通过升华作用转变为水蒸气散逸出去。这种先冷冻、再通过升华去除水分的方式,就叫做冷冻干燥,简称“冻干”。这就是冻干也就是真空冷冻干燥技术的起源原理了。

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