De lucht in de atmosfeer van de aarde bestaat uit stikstof (78 procent), zuurstof (21 procent), argon (0,93 .). procent), kooldioxide (0,038 procent) en andere sporengassen, waaronder waterdamp en andere edele gassen. Wetenschappers kunnen sporengassen uit de lucht halen door filters te gebruiken of de lucht te koelen. Kooldioxide verandert bijvoorbeeld in een vaste stof bij -79 ° C (-110 ° F). Om een luchtmonster te scheiden in zijn primaire componenten - stikstof en zuurstof - moeten ze afkoelen de lucht beduidend meer, tot -200 °C (-328 °F), wat bijna net zo koud is als het oppervlak van Pluto. Het proces staat bekend als de gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht of cryogene destillatie. Het vereist een luchtscheidingseenheid die lijkt op een conventionele destillatiebuis die wordt gebruikt voor het zuiveren van water.
Hoe scheiding van gassen door fractionele destillatie werkt
Elk gas heeft een karakteristiek kookpunt, gedefinieerd als de temperatuur waarbij het van een vloeistof in een gas verandert. Als u een willekeurig gasmonster heeft, kunt u deze scheiden door het monster geleidelijk af te koelen totdat elk componentgas vloeibaar wordt. De vloeibaar gemaakte verbinding valt op de bodem van een opvangvat. Nadat alle vloeistof is teruggewonnen, gaat de koeling door totdat de temperatuur daalt tot het kookpunt van de volgende verbinding en deze vloeibaar wordt. Sommige verbindingen, zoals koolstofdioxide, worden nooit vloeibaar. In plaats daarvan veranderen ze direct in vaste stoffen, die gemakkelijker op te halen zijn dan vloeistoffen.
De fractionele destillatie van vloeibare lucht
Een luchtscheidingseenheid wordt vaak een zuurstof- of stikstofgenerator genoemd, omdat deze bedoeld is om een of beide elementen uit de lucht te halen. Bij het destillatieproces wordt de lucht eerst door een filter geleid dat alle waterdamp absorbeert. Dan begint het koelproces. Het gaat om het gebruik van turbines en hoogenergetische koelsystemen. Kooldioxide en andere sporengassen bezinken wanneer de temperatuur elk van hun sublimatie- of kookpunten bereikt. Sublimatie beschrijft de verandering van toestand direct van een vaste stof naar een gas.
Wanneer de temperatuur -200 °C bereikt, wordt het vloeibaar gemaakte mengsel door een buis in een vat gevoerd dat aan de onderkant iets warmer is (-185 °C) dan aan de bovenkant (-190 °C). Zuurstof vloeibaar bij -183 ° C, zodat het uit de kolf stroomt door een buis in de bodem. Stikstof verandert echter weer in gas, omdat het kookpunt -196 °C is. Het stroomt naar buiten door een buis die is verbonden met de bovenkant van de kolf.
Andere soorten luchtscheidingseenheden
Scheiding van gassen door gefractioneerde destillatie is niet de enige manier om zuurstof of stikstof uit lucht te halen. Een membraangenerator maakt gebruik van een systeem van semipermeabele, holle-vezelmembranen die kleinere moleculen in een monster van samengeperste lucht doorlaten terwijl de grotere worden geblokkeerd. Dit type systeem kan stikstof genereren met een zuiverheid tussen 95 en 99,5%. Bij een ander type extractiemethode wordt perslucht onder druk gecirculeerd door een moleculaire zeef van koolstof die de zuurstof vasthoudt en uit de lucht verwijdert. De stikstof die overblijft kan een zuiverheid hebben tussen 95 en 99,9995 procent.