冻干技术的基本原理

冷冻干燥就是把含有大量水分的物质预先冻结成固体，然后在真空的环境下使固态水分子直接升华逸出，水分子完全逸出后物质则达到了完全干燥效果。

冻干本质是一个传热传质的过程，其依据为水的三相点变化。

要冻干的物质中含量最多的是水，因此我们研究的出发点从水开始。

在三相点，水存在三种状态，这三种状态对应的就是物质的三种状态即固相、液相、气相。三种状态之间是会相互转化的。一般来讲从固态变液态、液态变气态、固态直接变成气态的过程是从分子排列密、相互作用力大的状态，变为分子排列疏、作用力小的状态，这一过程要从外界收取热量。而相反的过程则向外界放出热量。 如下图所示：三种状态可以相互转化，对应的不同过程分别是升华、凝华、液化、汽化、凝固、熔化。

液体水的蒸发速度随着温度的升高增快，在100°C时达到最快，这时就会发生沸腾现象。只要是在正常海拔的开放环境中，不管外界温度多高，水的温度都不会超过100°C。它会在这个温度下持续沸腾，直到全部转变成水蒸气为止，所以100°C也被称为水的沸点，也就是对应大气压下水的沸点是100℃。而这说的是开放的环境，也就是在标准大气压下。随着海拔升高，气压降低，水的沸点也会降低。而如果是密闭的环境，水变成水蒸气以后跑不出去，就会造成空间内的气压越来越高，这也会导致水的沸点发生变化。用高压锅煮东西，用的就是这个原理。既然沸点会随着气压变化，把不同气压下的沸点都标出来，便可以得到一条曲线，这就是水的液相和气相之间相互转化的临界曲线。

同样的道理，不仅沸点会受气压影响，熔点（凝固点）和升华点（凝华点）也会受到压强影响，也可以画出类似的曲线。把沸点曲线、熔点曲线、升华点曲线画在一张图上，便得到了物质的三相图。

纵坐标是压强，横坐标是温度。图中深蓝色部分是固态的冰，黄色部分是液态的水，浅蓝色部分是气态的水蒸气。它们交界处的曲线，分别是熔点/凝固点随压强变化的固-液相变曲线，沸点随压强变化的液-气相变曲线，升华点/凝华点随压强变化的固-气相变曲线。三条线交汇的点，这叫做物质的“三相点”。对于水来说，它的三相点处于温度=0.01°C、气压=0.00611mbar的位置。在这个特定的环境条件下，不仅同时存在冰、水、水蒸气三种状态，还能观察到水沸腾。

在三相点，可以同时看到水的三种状态。从这三相点图上就可以理解冻干了。

为了除掉水，先把溶液冻起来，然后通过抽真空降低气压的方法，让冻结溶液中的水升华出来。这种做法乍一看似乎不可思议，但是结合水的三相图来看，其实不难理解。在-20°C的密闭环境中放置冰块，抽掉空气、降低气压，直到气压低于三相图里固-气相变曲线，冰便会通过升华作用转变为水蒸气散逸出去。这种先冷冻、再通过升华去除水分的方式，就叫做冷冻干燥，简称“冻干”。这就是冻干也就是真空冷冻干燥技术的起源原理了。

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