超臨界流體具有許多獨(dú)特的性質(zhì),如粘度小、密度、擴(kuò)散系數(shù)、溶劑化能力等性質(zhì)隨溫度和壓力變化十分敏感:粘度和擴(kuò)散系數(shù)接近氣體,而密度和溶劑化能力接近液體。
中文名稱 | 超臨界流體 | 外文名稱 | Supercritical fluid, SF |
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屬性 | 物理學(xué) |
超臨界流體應(yīng)用原理
物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度,受壓力和溫度的影響很大.可以 利用升溫,降壓手段(或兩者兼用)將超臨界流體中所溶解的物質(zhì)分離析出,達(dá)到分離提純的目的(它兼有精餾和萃取兩種作用).例如在高壓條件下,使超臨界流體與物料接觸,物料中的高效成分(即溶質(zhì))溶于超臨界流體中(即萃取).分離后降低溶有溶質(zhì)的超臨界流體的壓力,使溶質(zhì)析出。如果有效成分(溶質(zhì))不止一種,則采取逐級(jí)降壓,可使多種溶質(zhì)分步析出。在分離過程中沒有相變,能耗低。
超臨界流體定義
純凈物質(zhì)要根據(jù)溫度和壓力的不同,呈現(xiàn)出液體、氣體、 固體等狀態(tài)變化。在溫度高于某一數(shù)值時(shí),任何大的壓力均不能使該純物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)化為液相,此時(shí)的溫度即被稱之為臨界溫度Tc;而在臨界溫度下,氣體能被液化的最低壓力稱為臨界壓力Pc。在臨界點(diǎn)附近,會(huì)出現(xiàn)流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等所有流體的物性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。當(dāng)物質(zhì)所處的溫度高于臨界溫度,壓力大于臨界壓力時(shí),該物質(zhì)處于超臨界狀態(tài)
溫度及壓力均處于臨界點(diǎn)以上的液體叫超臨界流體(supercritical fluid,簡(jiǎn)稱SCF)。例如:當(dāng)水的溫度和壓強(qiáng)升高到臨界點(diǎn)(t=374.3 ℃,p=22.05 MPa)以上時(shí),就處于一種既不同于氣態(tài),也不同于液態(tài)和固態(tài)的新的流體態(tài)──超臨界態(tài),該狀態(tài)的水即稱之為超臨界水。
超臨界流體是處于臨界溫度和臨界壓力以上,介于氣體和液體之間的流體,兼有氣體液體的雙重性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn):
溶解性強(qiáng)
密度接近液體,且比氣體大數(shù)百倍,由于物質(zhì)的溶解度與溶劑的密度成正比,因此超臨界流體具有與液體溶劑相近的溶解能力。
擴(kuò)散性能好
因黏度接近于氣體,較液體小2個(gè)數(shù)量級(jí)。擴(kuò)散系數(shù)介于氣體和液體之間,為液體的10-100倍。具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的特性,傳質(zhì)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體。
易于控制
在臨界點(diǎn)附近,壓力和溫度的微小變化,都可以引起流體密度很大的變化,從而使溶解度發(fā)生較大的改變。(對(duì)萃取和反萃取至關(guān)重要)
所謂超臨界水,是指當(dāng)氣壓和溫度達(dá)到一定值時(shí),因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時(shí)的水。此時(shí),水的液體和氣體便沒有區(qū)別,完全交融在一起,成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。安德...
超臨界水,是指當(dāng)氣壓和溫度達(dá)到一定值時(shí),因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時(shí)的水。此時(shí),水的液體和氣體便沒有區(qū)別,完全交融在一起,成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。安德里亞...
超臨界流體發(fā)展史
超臨界流體具有溶解其他物質(zhì)的特殊能力,1822年法國醫(yī)生Cagniard首次發(fā)表物質(zhì)的臨界現(xiàn)象,并在1879年即被Hannay和Hogarth二位學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)無機(jī)鹽類能迅速在超臨界乙醇中溶解 ,減壓后又能立刻結(jié)晶析出.但在當(dāng)時(shí)由于技術(shù),裝備等原因未能更加深入地研究.時(shí)至20世紀(jì)30年代,Pilat和Gadlewicz兩位科學(xué)家才有了用液化氣體提取「大分子化合物」的構(gòu)想.1950年代,美,蘇等國即進(jìn)行以超臨界丙烷去除重油中的柏油精及金屬,如鎳,釩等,降低后段煉解過程中觸媒中毒的失活程度,但因涉及成本考量,并未全面實(shí)用化.1954年Zosol用實(shí)驗(yàn)的方法證實(shí)了二氧化碳超臨界萃取可以萃取油料中的油脂.此后,利用超臨界流體進(jìn)行分離的方法沉寂了一段時(shí)間,70年代的后期,德國的Stahl等人首先在高壓實(shí)驗(yàn)裝置的研究取得了突破性進(jìn)展之后,「超臨界二氧化碳萃取」這一新的提取,分離技術(shù)的研究及應(yīng)用,才有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展;1973及1978年第一次和第二次能源危機(jī)后,超臨界二氧化碳的特殊溶解能力,才又重新受到工業(yè)界的重視.1978年后,歐洲陸續(xù)建立以超臨界二氧化碳作為萃取劑的萃取提純技術(shù),以處理食品工廠中數(shù)以千萬噸計(jì)的產(chǎn)品,例如以超臨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內(nèi)的啤酒香氣成分.超臨界流體萃取技術(shù)近30多年來引起人們的極大興趣,這項(xiàng)化工新技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)和分離提純領(lǐng)域開展了廣泛深入的研究,取得了很大進(jìn)展,在醫(yī)藥,化工,食品及環(huán)保領(lǐng)域成果累累.
最常見的是超臨界二氧化碳,其臨界溫度為31.06℃,臨界壓力為7.38Mpa
超臨界水的臨界點(diǎn)為374℃,22Mpa
超臨界甲醇為239℃,8.1MPa
超臨界流體性質(zhì)
超臨界流體由于液體與氣體分界消失,是即使提高壓力也不液化的 非凝聚性氣體。超臨界流體的物性兼具液體性質(zhì)與氣體性質(zhì)。它基本上仍是一種氣態(tài),但又不同于一般氣體,是一種稠密的氣態(tài)。其密度比一般氣體要大兩個(gè)數(shù)量級(jí),與液體相近。它的粘度比液體小,但擴(kuò)散速度比液體快(約兩個(gè)數(shù)量級(jí)),所以有較好的流動(dòng)性和傳遞性能。它的介電常數(shù)隨壓力而急劇變化(如介電常數(shù)增大有利于溶解一些極性大的物質(zhì))。 另外,根據(jù)壓力和溫度的不同,這種物性會(huì)發(fā)生變化。
超臨界流體應(yīng)用
如超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,簡(jiǎn)稱SFE)、超臨界水氧化技術(shù)、超臨界流體干燥、超臨界流體染色、超臨界流體制備超細(xì)微粒、超臨界流體色譜(supercritical fluid chromat ography)和超臨界流體中的化學(xué)反應(yīng)等,但以超臨界流體萃取應(yīng)用得最為廣泛。很多物質(zhì)都有超臨界流體區(qū),但由于CO2的臨界溫度比較低(31.06℃),臨界壓力也不高(7.38MPa),且無毒,無臭,無公害,所以在實(shí)際操作中常使用CO2超臨界流體。如用超臨界CO2從咖啡豆中除去咖啡因,從煙草中脫除尼古丁,從大豆或玉米胚芽中分離甘油酯,對(duì)花生油、棕櫚油、大豆油脫臭等。又例如從紅花中提取紅花甙及紅花醌甙(它們是治療高血壓和肝病的有效成分),從月見草中提取月見草油(它們對(duì)心血管病有良好的療效)等。使用超臨界技術(shù)的唯一缺點(diǎn)是涉及高壓系統(tǒng),大規(guī)模使用時(shí)其工藝過程和技術(shù)的要求高,設(shè)備費(fèi)用也大。但由于它優(yōu)點(diǎn)甚多,仍受到重視。超臨界流體密度很大,具有溶解性能。在恒溫變壓或恒壓變溫時(shí),體積變化很大,改變了溶解性能,故可用于提取某些物質(zhì),這種技術(shù)稱為超臨界流體萃取。
在超臨界水中,易溶有氧氣,可使氧化反應(yīng)加快,可將不易分解的有機(jī)廢物快速氧化分解,是一種綠色的"焚化爐"。
由于超臨界流有密度大且粘稠度小的特點(diǎn),可將天然氣轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)后在 管道中運(yùn)送,這樣既可以節(jié)省動(dòng)力,又可以增加運(yùn)輸速率。
超臨界二氧化碳具有低粘稠度、高擴(kuò)散性、易溶解多種物質(zhì)、且無毒無害,可用于清洗各種精密儀器,亦可代替干洗所用的氯氟碳化合物,以及處理被污染的土壤。
超臨界二氧化碳可輕易穿過細(xì)菌的細(xì)胞壁,在其內(nèi)部引起劇烈的氧化反應(yīng),殺死細(xì)菌。
利用超臨界流體進(jìn)行萃取.將萃取原料裝入萃取釜。采用二氧化碳做為超臨界溶劑。二氧化碳?xì)怏w經(jīng)熱交換器冷凝成液體,用加壓泵把壓力提升到工藝過程所需的壓力(應(yīng)高于二氧化碳的臨界壓力),同時(shí)調(diào)節(jié)溫度,使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜底部進(jìn)入,與被萃取物料充分接觸,選擇性溶解出所需的化學(xué)成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經(jīng)節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進(jìn)入分離釜(又稱解析釜),由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質(zhì),自動(dòng)分離成溶質(zhì)和二氧化碳?xì)怏w二部分,前者為過程產(chǎn)品,定期從分離釜底部放出,后者為循環(huán)二氧化碳?xì)怏w,經(jīng)過熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。整個(gè)分離過程是利用二氧化碳流體在超臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物有特異增加的溶解度,而低于臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物基本不溶解的特性,將二氧化碳流體不斷在萃取釜和分離釜間循環(huán),從而有效地將需要分離提取的組分從原料中分離出來。
超臨界水具有非常強(qiáng)的極性,可以溶解極性極低的芳烴化合物及各種氣體(氧氣、氮?dú)?、一氧化碳、二氧化碳?,能夠促進(jìn)擴(kuò)散控制的反應(yīng)速率,具有重要的工程意義。
通入有機(jī)廢物進(jìn)行氧化反應(yīng),即超臨界水氧化法(supercritical water oxidation,SCWO)。其結(jié)果是有機(jī)廢物被完全氧化成二氧化碳、氮?dú)?、水及可以從水中分離的無機(jī)鹽等無毒的小分子化合物,達(dá)到凈水的目的。
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范氏方程式的 p—V 等溫線的探究 祝鈞杰 摘要 范氏方程向我們闡明了壓力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì), 隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步, 范氏方程的各種變形式被人 們研究和證實(shí), 比較常見的有過飽和蒸汽不液化、 過熱水和超零界流體的現(xiàn)象。 這些理論不 斷影響我們的生活,同時(shí)也被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn),生物醫(yī)療。 關(guān)鍵字 范氏方程 云霧室 過熱水滅菌 超零界流體 前言 課程中講述的范氏方程的 p—V 等溫線闡述了過飽和蒸汽不液化、 過熱水和超零界流體 的現(xiàn)象。而這些現(xiàn)象的具體成因和產(chǎn)生條件我們卻依舊一知半解。 因此經(jīng)過查閱資料深入理 解了過熱水等現(xiàn)象的產(chǎn)生條件,現(xiàn)象,及應(yīng)用。 正文 由范氏方程 可以看出此式為體積的三次方程式,因此每 一 p 值帶入上式應(yīng)得到三個(gè) Vm,有三種情況。(1)一個(gè)實(shí)數(shù)根兩個(gè)虛根( 2) 三個(gè)數(shù)值不同的實(shí)根( 3)三個(gè)相等的實(shí)根。于是可以依據(jù)范氏方程畫出 p—V 等溫線。如圖 1 圖 1
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將超臨界流體技術(shù)與微孔發(fā)泡技術(shù)結(jié)合,闡述了制備微孔發(fā)泡塑料常用的幾種方法(間歇成型法、連續(xù)擠出法及注射成型法),比較了幾種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí),介紹了微孔發(fā)泡塑料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),最后分析了利用超臨界流體作為發(fā)泡劑的優(yōu)勢(shì)及兩種技術(shù)結(jié)合后所帶來的成果及挑戰(zhàn)。
超臨界流體是物質(zhì)在高于臨界壓力和臨界溫度時(shí)的一種狀態(tài),它具有氣體和液體的某些性質(zhì),具有氣體的低粘度、液體的高密度以及介于氣、液之間較高的擴(kuò)散系數(shù)等特征,SFC是GC和LC的補(bǔ)充, SFC可以解決氣液色譜分析的難題,它可以分析氣相色譜難汽化的不揮發(fā)性樣品,同時(shí)具有比高效液相色譜更高的效率,分析時(shí)間更短。
超臨界二氧化碳發(fā)泡法是一種利用超臨界流體與聚合物相互作用制備多孔組織工程支架的有效手段,具有不使用有機(jī)溶劑、操作條件溫和、產(chǎn)品性能易于控制等優(yōu)點(diǎn)。本研究將超臨界二氧化碳發(fā)泡法和新型超臨界微粒化技術(shù)SAA-HCM相結(jié)合,以生物可降解聚酯為基質(zhì)材料,活性生物陶瓷為固相添加劑,使用微米級(jí)/亞微米級(jí)拓孔劑,得到能夠負(fù)載活性蛋白生長(zhǎng)因子的多孔復(fù)合支架??疾旃に噮?shù)對(duì)支架性能的影響,對(duì)支架進(jìn)行表征包括支架的理化性質(zhì)、生物活性和體內(nèi)作用;深入研究支架內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和活性因子釋放行為的調(diào)控;測(cè)定二氧化碳在生物可降解聚合物中的溶解、對(duì)聚合物的溶脹和塑化等相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù);探討生物可降解聚合物的發(fā)泡和支架成型機(jī)理。本項(xiàng)目涉及多個(gè)學(xué)科的研究范疇,研究成果將有助于推動(dòng)超臨界發(fā)泡技術(shù)在生物可降解材料中的應(yīng)用,對(duì)組織工程支架的超臨界二氧化碳發(fā)泡工藝設(shè)計(jì)和理論的深化具有重要意義。
按照計(jì)劃書的研究?jī)?nèi)容,首先建立了高壓CO2發(fā)泡工藝流程,以聚酯類化合物如聚(乳酸-乙醇酸)共聚物、聚己內(nèi)酯等為基質(zhì),利用超臨界壓CO2發(fā)泡法制備多孔組織工程支架。采用簡(jiǎn)單發(fā)泡法制備單模式孔支架,考察了聚合物分子量、保壓時(shí)間、發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力和泄壓速率對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)、孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度等性能的影響;采用兩步泄壓發(fā)泡法制備具有雙模式孔組織工程支架,探究了不同的操作策略與能否形成雙模式孔的關(guān)系,并討論了泡孔生長(zhǎng)的機(jī)理;進(jìn)一步,采用超臨界壓CO2發(fā)泡/顆粒濾瀝法以及添加異相成核劑如羥基磷灰石等制備了單/雙/多模式孔多孔支架。其次,選擇布洛芬、地塞米松和人血清白蛋白為生物活性物質(zhì),將小分子藥物和蛋白類藥物/生長(zhǎng)因子載入聚合物支架,研究生物活性物質(zhì)在支架中的分布以及釋放行為,考察藥物、聚合物和水體系之間的相互作用。最后,研究了多孔支架的體外降解行為及生物相容性,為多孔支架應(yīng)用于骨/軟骨組織的修復(fù)和再生奠定了基礎(chǔ)。 2100433B