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超临界流体

已有 18243 次阅读 2010-6-23 16:46 |个人分类:科研之路|系统分类:科研笔记| 超临界流体

 
概述
  超临界流体具有许多独特的性质,如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感:粘度和扩散系数接近气体,而密度和溶剂化能力接近液体。

      A supercritical fluid is any substance at a temperature and pressure above its critical point. It can effuse through solids like a gas, and dissolve materials like a liquid. In addition, close to the critical point, small changes in pressure or temperature result in large changes in density, allowing many properties of a supercritical fluid to be "fine-tuned". Supercritical fluids are suitable as a substitute for organic solvents in a range of industrial and laboratory processes. Carbon dioxide and water are the most commonly used supercritical fluids, being used for decaffeination and power generation, respectively.

超临界流体的定义
  纯净物质要根据温度和压力的不同,呈现出液体、气体、固体等状态变化,如果提高温度和压力,来观察状态的变化,那么会发现,如果达到特定的温度、压力,会出现液体与气体界面消失的现象该点被称为临界点,在临界点附近,会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象
  温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体(supercritical fluid,简称SCF)。例如当水的温度和压强升高到临界点(t=374.3 p=22.05 MPa)以上时,就处于一种既不同于气态,也不同于液态和固态的新的流体态超临界态,该状态的水即称之为超临界水。
超临界流体的性质
  超临界流体由于液体与气体分界消失,是即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。它基本上仍是一种气态,但又不同于一般气体,是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级,与液体相近。它的粘度比液体小,但扩散速度比液体快(约两个数量级),所以有较好的流动性和传递性能。它的介电常数随压力而急剧变化(如介电常数增大有利于溶解一些极性大的物质)另外,根据压力和温度的不同,这种物性会发生变化。
超临界流体的应用原理
  物质在超临界流体中的溶解度,受压力和温度的影响很大可以利用升温降压手段(或两者兼用)将超临界流体中所溶解的物质分离析出,达到分离提纯的目的(它兼有精馏和萃取两种作用)例如在高压条件下,使超临界流体与物料接触物料中的高效成分(即溶质)溶于超临界流体中(即萃取)分离后降低溶有溶质的超临界流体的压力,使溶质析出。如果有效成分(溶质)不止一种,则采取逐级降压,可使多种溶质分步析出。在分离过程中没有相变,能耗低。
超临界流体的应用
  如超临界流体萃取(supercritical fluid extraction简称SFE)超临界水氧化技术、超临界流体干燥、超临界流体染色、超临界流体制备超细微粒、超临界流体色谱(supercritical fluid chromatography)和超临界流体中的化学反应等但以超临界流体萃取应用得最为广泛。很多物质都有超临界流体区,但由于CO2的临界温度比较低(304.1K)临界压力也不高(7.38MPa)且无毒无臭无公害,所以在实际操作中常使用CO2超临界流体。如用超临界CO2从咖啡豆中除去咖啡因,从烟草中脱除尼古丁,从大豆或玉米胚芽中分离甘油酯对花生油、棕榈油、大豆油脱臭等。又例如从红花中提取红花甙及红花醌甙(它们是治疗高血压和肝病的有效成分)从月见草中提取月见草油(它们对心血管病有良好的疗效)等。使用超临界技术的唯一缺点是涉及高压系统大规模使用时其工艺过程和技术的要求高设备费用也大。但由于它优点甚多仍受到重视。
  在超临界水中,易溶有氧气,可使氧化反应加快,可将不易分解的有机废物快速氧化分解,是一种绿色的焚化炉
  由于超临界流有密度大且粘稠度小的特点,可将天然气化为超临界态后在管道中运送,这样既可以节省动力,又可以增加运输速率。
  超临界二氧化碳具有低粘稠度、高扩散性、易溶解多种物质、且无毒无害,可用于清洗各种精密仪器,亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物,以及处理被污染的土壤。
  超临界二氧化碳可轻易穿过细菌的细胞壁,在其内部引起剧烈的氧化反应,杀死细菌。
  利用超临界流体进行萃取将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体,用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力(应高于二氧化碳的临界压力),同时调节温度,使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入,与被萃取物料充分接触,选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进入分离釜(又称解析釜),由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质,自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分,前者为过程产品,定期从分离釜底部放出,后者为循环二氧化碳气体,经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解度,而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性,将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间循环,从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。
常见临界点
  最常见的是超临界二氧化碳,其临界温度为31.26,临界压力为72.9atm
  超临界水的临界点为374摄氏度,22Mpa
  超临界甲醇为2398.1MPa
超临界流体的发展史
  超临界流体具有溶解其他物质的特殊能力1822年法国医生Cagniard首次发表物质的临界现象并在1879即被HannayHogarth二位学者研究发现无机盐类能迅速在超临界乙醇中溶解减压后又能立刻结晶析出但由于技术装备等原因时至20世纪30年代PilatGadlewicz两位科学家才有了用液化气体提取「大分子化合物」的构想1950年代苏等国即进行以超临界丙烷去除重油中的柏油精及金属如镍钒等降低后段炼解过程中触媒中毒的失活程度但因涉及成本考量并未全面实用化1954Zosol用实验的方法证实了二氧化碳超临界萃取可以萃取油料中的油脂此后利用超临界流体进行分离的方法沈寂了一段时间70年代的后期德国的Stahl等人首先在高压实验装置的研究取得了突破性进展之后超临界二氧化碳萃取这一新的提取分离技术的研究及应用才有实质性进展19731978年第一次和第二次能源危机超临界二氧化碳的特殊溶解能力才又重新受到工业界的重视1978年后欧洲陆续建立以超临界二氧化碳作为萃取剂的萃取提纯技术以处理食品工厂中数以千万吨计的产品例如以超临界二氧化碳去除咖啡豆中的咖啡因以及自苦味花中萃取出可放在啤酒内的啤酒香气成分超临界流体萃取技术近30多年来引起人们的极大兴趣这项化工新技术在化学反应和分离提纯领域开展了广泛深入的研究取得了很大进展在医药化工食品及环保领域成果累累


Related References:

  1. ^ Edit Székely. "Supercritical Fluid Extraction". Budapest University of Technology and Economics. http://sunny.vemt.bme.hu/sfe/angol/supercritical.html. Retrieved 2007-11-20. 
  2. ^ "Supercritical Fluid Extraction, Density Considerations". http://eng.ege.edu.tr/~otles/SupercriticalFluidsScienceAndTechnology/Wc488d76f2c655.htm. Retrieved 2007-11-20. 
  3. ^ A.A. Clifford (2007-12-04). "Calculation of Thermodynamic Properties of CO2 using Peng Robinson equation of state.". Critical Processes Ltd. http://www.criticalprocesses.com/Calculation%20of%20density,%20enthalpy%20and%20entropy%20of%20carbon%20dioxide.htm. 
  4. ^ "The Naked Scientist Interviews". http://www.thenakedscientists.com/HTML/content/interviews/interview/805/. Retrieved 2007-11-20. 
  5. ^ U.S.EPA Method 3560 Supercritical Fluid Extraction of Total Recoverable Hydrocarbons. http://www.epa.gov/SW-846/pdfs/3560.pdf
  6. ^ U.S.EPA Method 3561 Supercritical Fluid Extraction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. http://www.epa.gov/SW-846/pdfs/3561.pdf
  7. ^ Use of Ozone Depleting Substances in Laboratories. TemaNord 2003:516. http://www.norden.org/pub/ebook/2003-516.pdf
  8. ^ "Science News Online". http://www.sciencenews.org/pages/sn_arc97/8_16_97/bob1.htm. Retrieved 2007-11-20. 
  9. ^ Bart, C. J. (2005). "Chapter 4: Separation Techniques". Additives in Polymers: industrial analysis and applications. John Wiley and Sons. pp. 212. doi:10.1002/0470012064.ch4. ISBN 9780470012062. 
  10. ^ "Simulated Moving Bed Theory". http://www.thomasarchibald.com/adobe/smbtheory.pdf. Retrieved 2007-11-20. 
  11. ^ R. Scott Oakes, Anthony A. Clifford, Keith D. Bartle, Mark Thornton Pett and Christopher M. Rayner (1999). "Sulfur oxidation in supercritical carbon dioxide: dramatic pressure dependent enhancement of diastereoselectivity for sulphoxidation of cysteine derivatives". Chemical Communications: 247–248. doi:10.1039/a809434i. 
  12. ^ Sang-Do Yeob and Erdogan Kirana (2005). "Formation of polymer particles with supercritical fluids: A review". The Journal of Supercritical Fluids 34 (3): 287–308. doi:10.1016/j.supflu.2004.10.006. 
  13. ^ L. Padrela, M.A. Rodrigues, S.P. Velaga, H.A. Matos and E.G. Azevedo (2009). "Formation of indomethacin–saccharin cocrystals using supercritical fluid technology". European Journal of Pharmaceutical Sciences. 38, pp. 9–17. doi:10.1016/j.ejps.2009.05.010
  14. ^ L. Padrela, M.A. Rodrigues, S.P. Velaga, H.A. Matos and E.G. Azevedo (2009). "Screening for pharmaceutical cocrystals using the supercritical fluid enhanced atomization process". Journal of Supercritical Fluids. article in press, corrected proof. doi:10.1016/j.supflu.2010.01.010
  15. ^ "Supercritical steam cycles for power generation applications". http://www.berr.gov.uk/files/file18320.pdf. Retrieved 2007-11-20. 
  16. ^ Dostal, M.J. Driscoll, P. Hejzlar. "A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors" (PDF). MIT-ANP-TR-100. MIT-ANP-Series. http://web.mit.edu/jessiek/MacData/afs.course.lockers/22/22.33/www/dostal.pdf. Retrieved 2007-11-20. 
  17. ^ Kunchana Bunyakiat, Sukunya Makmee, Ruengwit Sawangkeaw, and Somkiat Ngamprasertsith (2006). "Continuous Production of Biodiesel via Transesterification from Vegetable Oils in Supercritical Methanol". Energy and Fuels 20: 812–817. doi:10.1021/ef050329b. 
  18. ^ "Saline Aquifer CO2 Storage". http://www.iku.sintef.no/projects/IK23430000/. Retrieved 2007-12-10. 
  19. ^ "The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs", p. 84 (2004)
  20. ^ FutureGen Technology
  21. ^ Øyvind Vessia: "Fischer- Tropsch reactor fed by syngas"
  22. ^ Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage.
  23. ^ FAQs - Supercritical CO2 in heat pumps and other applications
  24. ^ Eco Cute hot water heat pumps in Japan
  25. ^ Ye, Xiang-Rong; Lin, YH and Wai, CM (2003). "Supercritical fluid fabrication of metal nanowires and nanorods templated by multiwalled carbon nanotubes". Advanced Materials 15 (4): 316–319. doi:10.1002/adma.200390077. 


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