Сверхкритическая сушка , также известная как сушка в критической точке , представляет собой процесс точного и контролируемого удаления жидкости . [1] Он полезен при производстве микроэлектромеханических систем (МЭМС), сушке специй , производстве аэрогеля , декофеинизации кофе и при подготовке биологических образцов. [2]
Когда вещество в жидком теле пересекает границу жидкости и газа (см. зеленую стрелку на фазовой диаграмме ), жидкость превращается в газ с конечной скоростью, при этом количество жидкости уменьшается. Когда это происходит в гетерогенной среде, поверхностное натяжение жидкого тела притягивает любые твердые структуры, с которыми жидкость может контактировать. Деликатные структуры, такие как клеточные стенки , дендриты в силикагеле и крошечные механизмы микроэлектромеханических устройств, имеют тенденцию разрушаться под действием этого поверхностного натяжения при движении соединения жидкость-газ-твердое тело.
Чтобы избежать этого, образец можно доставить двумя возможными альтернативными путями из жидкой фазы в газовую, не пересекая границу жидкость–газ на фазовой диаграмме. При сублимационной сушке это означает обход слева (низкая температура, низкое давление; синяя стрелка). Однако некоторые структуры разрушаются даже на границе твердого тела и газа . Сверхкритическая сушка, напротив, происходит вокруг линии справа, со стороны высоких температур и высокого давления (красная стрелка). Этот путь от жидкости к газу не пересекает никаких фазовых границ , а проходит через сверхкритическую область, где различие между газом и жидкостью перестает применяться. Плотности жидкой фазы и паровой фазы становятся равными в критической точке высыхания.
Почти все жидкости могут подвергаться сверхкритической сушке в рамках физико-химического процесса, но суровые условия часто делают это непрактичным в рамках промышленного процесса. Жидкости, в которых применяется сверхкритическая сушка в промышленности, включают диоксид углерода ( критическая точка 304,25 К при 7,39 МПа или 31,1 °C при 1072 фунтах на квадратный дюйм ) и фреон (≈300 К при 3,5–4 МПа или 25–0 °C при 500–600 фунтов на квадратный дюйм). ). Закись азота имеет такое же физическое поведение, как и углекислый газ, но в сверхкритическом состоянии является мощным окислителем . Сверхкритическая вода неудобна из-за возможного теплового повреждения образца при температуре его критической точки (647 К, 374 ° C) и коррозионной активности воды при таких высоких температурах и давлениях (22,064 МПа, 3212 фунтов на квадратный дюйм).
В большинстве таких процессов сначала используется ацетон , чтобы смыть всю воду, используя полную смешиваемость этих двух жидкостей. Затем ацетон смывается жидким углекислым газом под высоким давлением, что является отраслевым стандартом сейчас, когда фреон недоступен. Затем жидкий диоксид углерода нагревают до тех пор, пока его температура не превысит критическую точку, после чего давление можно постепенно сбросить, позволяя газу выйти и оставить высушенный продукт.