Die Luft in der Erdatmosphäre besteht aus Stickstoff (78 Prozent), Sauerstoff (21 Prozent), Argon (0,93 .). Prozent), Kohlendioxid (0,038 Prozent) und andere Spurengase, einschließlich Wasserdampf und andere Edelgase Gase. Wissenschaftler können Spurengase aus der Luft extrahieren, indem sie Filter verwenden oder die Luft kühlen. Kohlendioxid wird beispielsweise bei −79 °C ( −110 °F) fest. Um eine Luftprobe in ihre Hauptbestandteile – Stickstoff und Sauerstoff – zu zerlegen, muss sie abkühlen die Luft deutlich höher, bis auf −200 °C (−328 °F), was fast so kalt ist wie die Oberfläche von Pluto. Das Verfahren ist als fraktionierte Destillation von flüssiger Luft oder kryogene Destillation bekannt. Es erfordert eine Luftzerlegungseinheit, die einem herkömmlichen Destillationsrohr zur Reinigung von Wasser nicht unähnlich ist.
So funktioniert die Trennung von Gasen durch fraktionierte Destillation
Jedes Gas hat einen charakteristischen Siedepunkt, definiert als die Temperatur, bei der es von einer Flüssigkeit in ein Gas übergeht. Wenn Sie eine zufällige Gasprobe haben, können Sie diese trennen, indem Sie die Probe allmählich abkühlen, bis sich jede Gaskomponente verflüssigt. Die verflüssigte Verbindung fällt auf den Boden eines Auffanggefäßes. Nachdem die gesamte Flüssigkeit entnommen wurde, wird die Kühlung fortgesetzt, bis die Temperatur auf den Siedepunkt der nächsten Verbindung sinkt und diese verflüssigt. Einige Verbindungen, wie Kohlendioxid, verflüssigen sich nie. Stattdessen verwandeln sie sich direkt in Feststoffe, die leichter wiederzugewinnen sind als Flüssigkeiten.
Die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft
Eine Luftzerlegungsanlage wird oft als Sauerstoff- oder Stickstoffgenerator bezeichnet, da ihr Zweck darin besteht, eines oder beide dieser Elemente aus der Luft zu extrahieren. Bei der Destillation wird die Luft zunächst durch einen Filter geleitet, der den gesamten Wasserdampf aufnimmt. Dann beginnt der Kühlprozess. Dabei kommen Turbinen und hochenergetische Kälteanlagen zum Einsatz. Kohlendioxid und andere Spurengase setzen sich ab, wenn die Temperatur jeden ihrer Sublimations- oder Siedepunkte erreicht. Sublimation beschreibt die Zustandsänderung direkt von einem Festkörper zu einem Gas.
Bei einer Temperatur von −200 °C wird die verflüssigte Mischung durch ein Rohr in ein Gefäß geleitet, das unten (−185 °C) etwas wärmer ist als oben (−190 °C). Sauerstoff verflüssigt sich bei −183 °C, so dass er durch ein Rohr im Boden aus dem Kolben strömt. Stickstoff wird jedoch wieder gasförmig, da sein Siedepunkt bei −196 °C liegt. Es fließt durch ein Rohr, das am oberen Ende des Kolbens angeschlossen ist.
Andere Arten von Luftzerlegungseinheiten
Die Trennung von Gasen durch fraktionierte Destillation ist nicht die einzige Möglichkeit, Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft zu gewinnen. Ein Membrangenerator verwendet ein System aus semipermeablen Hohlfasermembranen, die kleinere Moleküle in einer Druckluftprobe passieren lassen, während sie die größeren blockieren. Diese Art von Anlage kann Stickstoff mit einer Reinheit zwischen 95 und 99,5 Prozent erzeugen. Bei einer anderen Art von Extraktionsverfahren wird Druckluft unter Druck durch ein Kohlenstoff-Molekularsieb geleitet, das den Sauerstoff zurückhält und aus der Luft entfernt. Der verbleibende Stickstoff kann eine Reinheit zwischen 95 und 99,9995 Prozent haben.