Фракционное замораживание — это процесс, используемый в технологическом процессе и химии для разделения веществ с различными точками плавления . Это может быть сделано путем частичного плавления твердого вещества, например, при зонной очистке кремния или металлов , или путем частичной кристаллизации жидкости, как при лиофильной дистилляции , также называемой нормальным замораживанием или прогрессивным замораживанием . Таким образом, исходный образец фракционируется ( разделяется на фракции ).
Частичная кристаллизация также может быть достигнута путем добавления разбавленного растворителя к смеси, а затем охлаждения и концентрирования смеси путем испарения растворителя, процесс, называемый кристаллизацией раствора. [1] Фракционное замораживание обычно используется для получения сверхчистых твердых веществ или для концентрирования термочувствительных жидкостей.
Лиофилизированная дистилляция на самом деле является конденсацией, а не дистилляцией как таковой. [2] Она удаляет замороженное твердое вещество, отделяя растворенный материал от оставшейся жидкости. Это аналогично настоящей дистилляции, где испаренная и повторно конденсированная фракция обогащается.
Этанол и жидкая вода полностью смешиваются, но этанол практически нерастворим в водяном льду. Это означает, что почти чистый водяной лед может быть осажден из бедной смеси этанола и воды путем ее достаточного охлаждения. Осаждение водяного льда из смеси обогащает этанол в оставшейся жидкой фазе. Затем две фазы можно разделить фильтрацией или декантацией. Температура, при которой водяной лед начинает осаждаться, зависит от концентрации этанола. Следовательно, при данной температуре и концентрации этанола процесс замораживания достигнет равновесия при определенном соотношении водяного льда и обогащенного раствора этанола с определенной концентрацией этанола. Температуры и соотношения смешивания этих фазовых равновесий можно прочитать из фазовой диаграммы этанола и воды. Максимальное обогащение этанола в жидкой фазе достигается в эвтектической точке этанола и воды, приблизительно 92,4 весовых % этанола при -123 °C. [3]
Самые известные напитки, полученные методом замораживания, — это яблочный джек и ледяное пиво . Ледяное вино — это результат похожего процесса, но в этом случае замораживание происходит до брожения, и, таким образом, концентрируется сахар, а не спирт.
Когда требуется чистое твердое вещество, могут возникнуть две возможные ситуации. Если загрязняющее вещество растворимо в желаемом твердом веществе, требуется многоэтапное фракционное замораживание, аналогичное многоэтапной дистилляции . Однако, если образуется эвтектическая система (аналогично азеотропу при дистилляции), можно получить очень чистое твердое вещество, пока жидкость не достигнет своего эвтектического состава (в этом случае образуется смешанное твердое вещество, которое может быть трудно разделить) или выше своего эвтектического состава (в этом случае образуется нежелательное твердое вещество).
Когда требуется сконцентрировать жидкую фазу, фракционное замораживание может быть полезным из-за своей простоты. Фракционное замораживание также используется при производстве концентратов фруктовых соков и других термочувствительных жидкостей, поскольку оно не предполагает нагревания жидкости (как это происходит при испарении ).
Фракционное замораживание можно использовать для опреснения морской воды. В процессе, который естественным образом происходит с морским льдом, замерзшая соленая вода, когда частично тает, оставляет лед с гораздо более низким содержанием соли. Поскольку хлорид натрия понижает температуру плавления воды, соль в морской воде имеет тенденцию вытесняться из чистой воды при замерзании, что называется отторжением рассола . Большие озера с более высокой соленостью воды, называемые полыньями , образуются в середине льдин, и вода в конечном итоге опускается на дно. Аналогично, замерзшая вода с самой высокой концентрацией соли тает первой. Любой из этих методов снижает соленость оставшейся замерзшей воды, и после нескольких запусков результаты могут быть пригодными для питья.
Фракционное замораживание может быть использовано как простой метод увеличения концентрации алкоголя в ферментированных алкогольных напитках, процесс иногда называется замораживанием дистилляции. Примерами являются яблочный джек , приготовленный из крепкого сидра , и ледяное пиво . На практике, хотя эта техника не может производить концентрацию алкоголя, сравнимую с дистилляцией , она может достичь некоторой концентрации с гораздо меньшими усилиями, чем потребовалось бы любому практическому дистилляционному аппарату. Опасность фракционного замораживания алкогольных напитков заключается в том, что оно не удаляет примеси, в отличие от (тепловой) дистилляции. Таким образом, фракционное замораживание может увеличить соотношение примесей к общему объему напитка (хотя не обязательно соотношение примесей к количеству этанола). Эта концентрация может вызвать побочные эффекты у пьющего, приводя к сильному похмелью и состоянию, известному как «яблочный паралич» [4] (хотя этот термин также просто использовался для обозначения опьянения, [5] особенно от яблочного джек. [6] )
Фракционное замораживание обычно используется как простой метод снижения точки гелеобразования биодизеля и других альтернативных дизельных топлив, при котором эфиры с более высокой точкой гелеобразования удаляются из эфиров с более низкой точкой гелеобразования посредством холодной фильтрации или других методов снижения последующей точки гелеобразования альтернативного топлива топливной смеси. Этот процесс использует стратификацию топлива , при которой компоненты в топливной смеси приобретают более высокий удельный вес по мере приближения к своим соответствующим точкам гелеобразования и, таким образом, опускаются на дно контейнера, откуда их можно удалить.