Zemes atmosfērā gaisu veido slāpeklis (78 procenti), skābeklis (21 procents), argons (0,93 procenti), oglekļa dioksīds (0,038 procenti) un citas mikroelementu gāzes, ieskaitot ūdens tvaikus un citas cēlās gāzes. Zinātnieki var iegūt izsekojamās gāzes no gaisa, izmantojot filtrus vai atdzesējot gaisu. Piemēram, oglekļa dioksīds −79 ° C (-110 ° F) temperatūrā pārvēršas par cietu vielu. Lai gaisa paraugu atdalītu tā primārajās sastāvdaļās - slāpeklī un skābeklī, tiem jāatdziest gaiss ievērojami vairāk, līdz -200 ° C (-328 ° F), kas ir gandrīz tikpat auksts kā Plutons. Process ir pazīstams kā šķidrā gaisa frakcionēta destilācija vai kriogēna destilācija. Tam nepieciešama gaisa atdalīšanas iekārta, kas neatšķiras no parastās destilācijas caurules, ko izmanto ūdens attīrīšanai.
Kā darbojas gāzu atdalīšana ar frakcionētu destilāciju
Katrai gāzei ir raksturīga viršanas temperatūra, kas definēta kā temperatūra, kurā tā no šķidruma pārveidojas par gāzi. Ja jums ir nejaušs gāzu paraugs, varat tos atdalīt, pakāpeniski atdzesējot paraugu, līdz katra gāzes sastāvdaļa sašķīst. Sašķidrinātais savienojums nokrīt savākšanas trauka apakšā. Pēc visa šķidruma iegūšanas dzesēšana turpinās, līdz temperatūra nokrītas līdz nākamā savienojuma viršanas temperatūrai un tā sašķīst. Daži savienojumi, piemēram, oglekļa dioksīds, nekad nešķīst. Tā vietā tie tieši pārvēršas par cietām vielām, kuras ir vieglāk iegūt nekā šķidrumus.
Šķidrā gaisa frakcionētā destilācija
Gaisa atdalīšanas vienību bieži sauc par skābekļa vai slāpekļa ģeneratoru, jo tā mērķis ir iegūt vienu vai abus no šiem elementiem no gaisa. Destilācijas procesā gaiss vispirms tiek izvadīts caur filtru, kas absorbē visus ūdens tvaikus. Tad sākas dzesēšanas process. Tas ietver turbīnu un augstas enerģijas saldēšanas sistēmu izmantošanu. Oglekļa dioksīds un citas mikroelementu gāzes nosēžas, kad temperatūra sasniedz katru no tām sublimācijas vai viršanas temperatūrām. Sublimācija apraksta stāvokļa maiņu tieši no cietas uz gāzi.
Kad temperatūra sasniedz –200 ° C, sašķidrināto maisījumu caur cauruli ievada traukā, kas apakšā ir nedaudz siltāks (–185 ° C) nekā augšpusē (–190 ° C). Skābeklis sašķidrina -183 ° C temperatūrā, tāpēc tas izplūst no kolbas caur cauruli apakšā. Slāpeklis atkal pārvēršas par gāzi, jo tā viršanas temperatūra ir –196 ° C. Tas izplūst caur cauruli, kas savienota ar kolbas augšpusi.
Citi gaisa atdalīšanas vienību veidi
Gāzu atdalīšana ar frakcionētu destilāciju nav vienīgais veids, kā no gaisa radīt skābekli vai slāpekli. Membrānas ģenerators izmanto puscaurlaidīgu, dobu šķiedru membrānu sistēmu, kas ļauj saspiesta gaisa paraugā iziet mazākām molekulām, vienlaikus bloķējot lielākās. Šāda veida sistēma var radīt slāpekli ar tīrības pakāpi no 95 līdz 99,5 procentiem. Cita veida ekstrakcijas metodē saspiestu gaisu zem spiediena ciklē caur oglekļa molekulāro sietu, kas notur skābekli un noņem to no gaisa. Atlikušā slāpekļa tīrība var būt no 95 līdz 99,9995 procentiem.