Khi nấu mì ăn liền, nếu mở nắp nồi, những giọt nước đọng ở mặt trong nắp sẽ chảy xuống. Nước dùng mặn và đậm đà, nhưng nếu nếm những giọt nước trên nắp, chúng lại gần như nước lã, không có vị mặn. Đó là vì trong lúc sôi, chỉ có nước bốc lên thành hơi, rồi gặp nắp nồi lạnh và trở lại thành nước. Kỹ thuật phát triển từ hiện tượng đơn giản này để phân tách các chất trộn lẫn chính là “chưng cất (Distillation)”.
Nói một cách dễ hiểu, chưng cất là “phương pháp phân tách bằng cách đun nóng hỗn hợp chất lỏng để thành phần dễ sôi chuyển thành khí trước, rồi làm lạnh khí đó và thu lại dưới dạng chất lỏng”. Phương pháp này tận dụng đặc tính mỗi chất có nhiệt độ sôi và mức độ bay hơi khác nhau, thuộc loại phân tách vật lý nhằm tách các chất trộn lẫn, chứ không phải phản ứng hóa học làm biến đổi bản thân các thành phần.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu lịch sử phát triển của chưng cất, nguyên lý hoạt động và các loại chưng cất, cùng những ứng dụng đối với rượu, dầu mỏ, nước biển và các giới hạn của phương pháp này.
Kỹ thuật phân tách hỗn hợp nhờ sự khác biệt về nhiệt độ sôi
Chưng cất bắt đầu như thế nào?
Từ rất lâu, con người đã chú ý đến hiện tượng hơi nước trở lại thành nước. Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Aristotle đã ghi lại rằng nước thu được sau khi nước biển bay hơi rồi ngưng tụ không có vị mặn. Khoảng thế kỷ 1 sau Công nguyên, tại Alexandria của Ai Cập dưới sự cai trị của La Mã, các nhà giả kim đã sử dụng thiết bị chưng cất; những hình vẽ thiết bị do nhà giả kim Zosimos of Panopolis ở thế kỷ 3 để lại cũng được lưu truyền đến nay.
Những người góp phần phát triển mạnh mẽ kỹ thuật chưng cất là các nhà hóa học trong thế giới Hồi giáo thời trung cổ. Họ liên tục thử nghiệm chưng cất nhiều chất khác nhau, và khoảng thế kỷ 9 đã ghi chép cả phương pháp chưng cất rượu vang. Tên gọi “alembic (Alembic)” của loại bình thủy tinh cổ dài dùng trong chưng cất cũng bắt nguồn từ tiếng Ả Rập “al-inbiq”. Kỹ thuật này truyền sang châu Âu và khoảng thế kỷ 12 được dùng để tạo ra cồn, khi ấy được gọi là “nước cháy”; kỹ thuật cũng du nhập vào Hàn Quốc qua nhà Nguyên vào thời Goryeo, hình thành truyền thống chưng cất soju bằng dụng cụ sojutgori.
Nguyên lý hoạt động của chưng cất qua 4 giai đoạn
Dù trong một bình nhỏ ở phòng thí nghiệm hay một tháp khổng lồ ở nhà máy, chưng cất nhìn chung đều diễn ra theo cùng một trình tự.
(1) Đun nóng
Đun nóng bình chứa hỗn hợp. Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi của từng thành phần cũng tăng theo, và chất lỏng bắt đầu sôi khi tổng áp suất hơi bằng áp suất bên ngoài.
(2) Thành phần dễ sôi chiếm tỷ lệ cao hơn trong hơi
Người ta thường cho rằng chỉ thành phần có nhiệt độ sôi thấp mới sôi riêng, nhưng trên thực tế, tất cả các thành phần đều cùng bay hơi. Tuy nhiên, thành phần dễ bay hơi sẽ chiếm tỷ lệ cao hơn trong hơi. Chẳng hạn, ethanol sôi ở khoảng 78 độ, còn nước sôi ở 100 độ, nên khi đun rượu, phần hơi thoát ra đầu tiên chứa nhiều cồn hơn.
(3) Làm lạnh để trở lại dạng lỏng
Khi cho hơi bốc lên đi qua ống sinh hàn có nước lạnh chảy qua, hơi sẽ ngưng tụ trở lại thành chất lỏng. Chất lỏng thu được theo cách này được gọi là “dịch chưng cất”.
(4) Thu gom và lặp lại
Thu dịch chưng cất, và nếu độ tinh khiết chưa đủ thì thực hiện lại quá trình tương tự. Sau mỗi lần chưng cất, nồng độ của thành phần mong muốn tăng lên từng chút một.
Các loại chưng cất được lựa chọn tùy trường hợp
Phương pháp chưng cất cũng thay đổi tùy theo tính chất của các chất trong hỗn hợp.
- Chưng cất đơn giản (Simple Distillation): Đây là phương pháp cơ bản nhất, trong đó hơi được làm lạnh trực tiếp để thu lại, phù hợp khi chênh lệch nhiệt độ sôi lớn, khoảng từ 25 độ trở lên, hoặc khi có muối khó bay hơi hòa tan như trong nước biển.
- Chưng cất phân đoạn (Fractional Distillation): Phương pháp dựng một cột phân đoạn dài phía trên bình để quá trình bay hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần, nhờ đó có thể phân tách cả những chất lỏng có nhiệt độ sôi gần nhau.
- Chưng cất chân không (Vacuum Distillation): Tận dụng việc nhiệt độ sôi giảm khi áp suất giảm để đun sôi ở nhiệt độ tương đối thấp những chất bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
- Chưng cất lôi cuốn hơi nước (Steam Distillation): Phương pháp đưa hơi nước nóng vào nguyên liệu để cuốn theo các thành phần tạo hương, được dùng để thu tinh dầu từ hoa và thảo mộc.
Hỗn hợp không thể phân tách đến cùng: hỗn hợp đẳng phí
Không phải mọi hỗn hợp đều có thể được phân tách hoàn toàn bằng chưng cất. Với nước và ethanol, khi ethanol đạt khoảng 95.6% theo khối lượng, thành phần của pha lỏng và pha hơi trở nên giống hệt nhau; đây được gọi là “hỗn hợp đẳng phí (Azeotrope)”. Tại điểm này, dù chưng cất lại bao nhiêu lần, độ tinh khiết cũng không tăng thêm, nên nếu cần cồn tinh khiết hơn, phải kết hợp các phương pháp khác, chẳng hạn thêm chất hút nước.
Chưng cất trong đời sống và công nghiệp, cùng những giới hạn
Chưng cất được ứng dụng ở khắp nơi trong đời sống của chúng ta.
- Rượu mạnh (Spirits): Chưng cất rượu có nồng độ thấp được tạo ra bằng cách lên men ngũ cốc hoặc trái cây để làm các loại rượu có nồng độ cao như whisky, brandy và soju chưng cất.
- Lọc dầu (Oil Refining): Khi đưa dầu thô vào tháp cao rồi đun nóng, khí nhẹ và xăng được tách ra ở phía trên, dầu hỏa và dầu diesel ở phần giữa, còn dầu nặng và nguyên liệu làm nhựa đường ở phía dưới.
- Khử mặn nước biển (Desalination): Đun sôi nước biển, để muối ở lại và chỉ thu hơi nước để có nước uống.
- Phân tách không khí (Air Separation): Làm lạnh không khí đến nhiệt độ rất thấp để hóa lỏng, sau đó chưng cất nhằm thu riêng oxy, nitơ và argon.
Tuy nhiên, do chưng cất là phương pháp đun sôi các chất để thay đổi trạng thái nên tiêu tốn nhiều năng lượng. Một phần đáng kể năng lượng sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất được dành cho chưng cất. Vì vậy, ngày nay người ta đang chế tạo các thiết bị tái sử dụng nhiệt nhiều lần, đồng thời nghiên cứu những phương pháp tiêu thụ ít năng lượng hơn như phân tách bằng màng.
Chưng cất khởi đầu từ một hiện tượng bình thường như những giọt nước đọng trên nắp nồi, rồi phát triển thành kỹ thuật tạo ra đủ thứ, từ rượu và nước hoa đến xăng và nước uống. Điều thú vị là phương pháp này chờ đợi những đặc tính khác nhau của từng chất phát huy tác dụng thay vì cưỡng ép tách chúng ra khỏi hỗn hợp.
Tìm ra nhiệt độ sôi khác nhau của từng chất trong hỗn hợp rồi lần lượt tách riêng chúng chính là bước đầu tiên của hóa học trên con đường thu được chất tinh khiết.
