Фракционное замораживание — это процесс, используемый в технологических процессах и химии для разделения веществ с разными температурами плавления. Это можно сделать путем частичного плавления твердого вещества, например, при зонном рафинировании кремния или металлов , или путем частичной кристаллизации жидкости, как при сублимационной перегонке , также называемой нормальным замораживанием или прогрессивным замораживанием . Таким образом, исходная проба фракционируется ( разделяется на фракции ).
Частичной кристаллизации также можно добиться, добавляя к смеси разбавленный растворитель, охлаждая и концентрируя смесь путем выпаривания растворителя (процесс, называемый кристаллизацией из раствора). [1] Фракционное замораживание обычно используется для производства сверхчистых твердых веществ или для концентрирования термочувствительных жидкостей.
Дистилляция вымораживанием является неправильным термином, поскольку это не дистилляция, а скорее процесс обогащения раствора путем его частичного замораживания и удаления замороженного материала, который беднее растворенным материалом, чем оставшаяся жидкая часть. Такое обогащение аналогично обогащению путем настоящей дистилляции, при которой испаренная и повторно конденсированная часть богаче, чем оставшаяся жидкая часть.
Этанол и жидкая вода полностью смешиваются, но этанол практически не растворяется в водяном льду. Это означает, что почти чистый водяной лед можно получить из бедной смеси этанола и воды, достаточно охладив ее. Осаждение водяного льда из смеси обогащает этанолом оставшуюся жидкую фазу. Затем две фазы можно разделить фильтрованием или декантацией. Температура, при которой водяной лед начинает выпадать в осадок, зависит от концентрации этанола. Следовательно, при заданной температуре и концентрации этанола процесс замораживания достигнет равновесия при определенном соотношении водяного льда и обогащенного раствора этанола с определенной концентрацией этанола. Температуру и соотношение смешивания этих фазовых равновесий можно определить по фазовой диаграмме этанола и воды. Максимальное обогащение этанола в жидкой фазе достигается в точке эвтектики этанола и воды и составляет примерно 92,4 мас.% этанола при -123 °С. [2]
Самыми известными напитками сублимационной перегонки являются яблочный джек и ледяное пиво . Ледяное вино является результатом аналогичного процесса, но в этом случае замораживание происходит до брожения, и, таким образом, концентрируется сахар, а не алкоголь.
Когда требуется чистое твердое вещество, могут возникнуть две возможные ситуации. Если примесь растворима в желаемом твердом веществе, требуется многоступенчатое фракционное замораживание, аналогичное многоступенчатой перегонке . Однако если образуется эвтектическая система (аналог азеотропа при перегонке), можно извлечь очень чистое твердое вещество, пока жидкость не имеет эвтектического состава (в этом случае образуется смешанное твердое вещество, которое может быть трудно проанализировать). отдельно) или выше его эвтектического состава (в этом случае образуется нежелательное твердое вещество).
Когда требуется сконцентрировать жидкую фазу, фракционное замораживание может быть полезным из-за его простоты. Фракционное замораживание также используется при производстве концентратов фруктовых соков и других термочувствительных жидкостей, так как оно не предполагает нагревания жидкости (как это происходит при выпаривании ).
Фракционное замораживание можно использовать для опреснения морской воды. В процессе, который естественным образом происходит с морским льдом, замерзшая соленая вода при частичном таянии оставляет после себя лед с гораздо меньшим содержанием соли. Поскольку хлорид натрия снижает температуру плавления воды, соль в морской воде имеет тенденцию вытесняться из чистой воды при замерзании, что называется отторжением рассола . Большие озера с более соленой водой, 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 метод снижает соленость оставшейся замороженной воды, и после нескольких прогонов результаты можно пить.
Фракционное замораживание можно использовать как простой метод повышения концентрации алкоголя в сброженных алкогольных напитках - процесс, который иногда называют дистилляцией вымораживанием. Примерами являются яблочный джек , приготовленный из крепкого сидра , и ледяное пиво . На практике, хотя этот метод не позволяет получить концентрацию спирта, сравнимую с дистилляцией , этот метод позволяет достичь некоторой концентрации с гораздо меньшими усилиями, чем потребовалось бы для любого практического устройства для дистилляции. Опасность фракционной заморозки алкогольных напитков состоит в том, что она не удаляет примеси, в отличие от (тепловой) перегонки. Таким образом, фракционное замораживание может увеличить соотношение примесей к общему объему напитка (хотя это не обязательно соотношение примесей к количеству этанола). Эта концентрация может вызвать побочные эффекты у пьющего, приводящие к сильному похмелью и состоянию, известному как «яблочный паралич» [3] (хотя этот термин также просто использовался для обозначения интоксикации, [4] особенно от яблочного джек. [5] )
Фракционное замораживание обычно используется как простой метод снижения температуры гелеобразования биодизеля и других альтернативных дизельных топлив, при котором эфиры с более высокой температурой гелеобразования удаляются из эфиров с более низкой температурой гелеобразования посредством холодной фильтрации или других методов уменьшения последующего геля альтернативного топлива. точка топливной смеси. В этом процессе используется расслоение топлива , при котором компоненты топливной смеси приобретают более высокий удельный вес по мере приближения к соответствующим точкам гелеобразования и, таким образом, опускаются на дно контейнера, откуда их можно удалить.