应用范围

超临界流体(Supercritical  Fluid)是一种温度和压力处于其临界点以上的兼具液体和气体性质的流体。超临界流体技术是利用超临界流体的这种特性而发展起来的一门新兴技术,完全符合当今世界强调可持续发展和注重科技创新的潮流。因而超临界流体技术的应用范围在不断拓展,目前在食品工业、医药工业、精细化工行业、化学反应、新材料制备、环保等领域均有应用。

一、萃取技术的应用

1.食品工业运用

超临界二氧化碳技术可以对咖啡豆脱咖啡因,奶制品脱胆固醇,从鱼油中提取不饱和脂肪酸DHA/EPA,萃取啤酒花中的有效成分,以及从天然植物中提取食品添加剂、食用香料、食用色素等。

2.医药工业

超临界二氧化碳对低相对分子质量的脂肪烃、低极性的亲脂性化合物,如醇、醚、醛和内酯等表现出优异的溶解性能。在抗生素药品的生产中,传统方法要将溶剂完全除去,又不变质,非常困难。采用超临界流体萃取技术则完全符合要求。目前国内已经采用超临界萃取技术从沙棘籽、紫苏籽、亚麻籽、葡萄籽、小麦胚芽、番茄籽、杏仁等提取各种医药保健成分油,从中药黄花蒿中提取抗疟药青蒿素,以及从蛋黄中提取的软磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效。

3.精细化工

超临界萃取在精细化工中使用最广泛的当属天然香料的提取了,目前已经成功的从许香花、香料植物诸如从桂花、茉莉花、菊花。薰衣草、迷迭香等中提取香精,从植物籽仁中提取精油,从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料等。

二、在化学反应方面的应用

1.酶催化反应中超临界二氧化碳流体作溶剂对酶催化反应具有促进作用。并且酶在超临界二氧化碳中不溶解,易于酶的分离回收。

2.加氢反应主要指CO2和CO的加氢反应。超临界流体既做反应介质,又做反应物,有着巨大的价值。

3.氧化反应只要是指发生在超临界水中的氧化反应,该反应利用超临界水对氧气和有机物超强的溶解能力,在均相条件下使有机物在短时间内氧化成水、CO2和氮气以及盐类等无毒小分子化合物。该技术高效彻底(在适当条件下有毒物质的清除率高达99. 99%以上)、反应速度快、停留时间短、反应设备结构简洁、适用范围广(适用各种有毒物质、废水废物处理)、不形成二次污染(产物清洁,无机盐易于分离,处理后废水可完全回收利用)等。

4.超临界甲醇法制备生物柴油是利用植物油、动物油或者废油脂制备生物柴油的新工艺,它的最大特点是不需要另加催化剂,超临界甲醇既是反应介质,又是反应物与催化剂。与化学法相比,它在反应速度、对原料的要求和产物的回收方面都有许多优越性。从生物柴油的成本及经济效益分析,生物柴油作为一种无毒,可生物降解和可再生的发动机代用燃料,有着其广泛的应用前景。

三、材料制备方面的应用

超临界流体在材料领域中的应用主要集中在微细颗粒的制备,涉及到高分子材料及其改性、无机和有机材料等方面。主要为超临界流体干燥技术以及超临界粉体的制备。

1.超临界干燥

  • 当干燥物置于超临界环境中,气/液界面消失,无液相表面张力,干燥过程温和,避免了干燥应力对物质结构的破坏;
  • 由于超临界CO2具有高扩散系数特性,其脱水干燥速度高;
  • 干燥脱水在高压力下进行,脱水过程兼有杀菌作用。

2.超临界粉体制备

  • 超临界流体对许多溶质具有溶解性以及这种溶解性可以随操作温度和压力进行调节,构成了一种新的超细颗粒材料制备技术。在具体操作中,有两种方式实现,即快速膨胀法和抗溶剂法。
  • 快速膨胀法主要应用于:难以粉碎的无机物和陶瓷材料,如SiO2和Al2O3等;难以研磨的高分子材料,如聚丁二酸乙烯酯和聚丙烯等;溶于超临界流体的热敏性有机物,如药物等。
  • 抗溶剂法主要应用于:对于操作温度和撞击很敏感的爆炸性物质,如奥克托今(HMX);热敏性生物活性物质,如激素蛋白质;不能溶解于单一超临界流体的有机物,如药物、高分子和有机染料等。

四、其他方面的应用

1.超临界清洗

CO2的分子比水分子小,超临界状态下可缩短清洗时间,而且不存在清洗后干燥的问题。超临界CO2清洗在技术、经济和环保等方面都具有优越性,如对污染物去除效率高、溶剂和能量消耗低、工艺中无有机溶剂的挥发、不涉及有毒和易燃溶剂、无需干燥和溶剂后处理工序、CO2的简单而低成本的循环使用和不产生溶剂废液和废水等,充分展示了其广阔的发展前景。

2.超临界印染

与传统水浴相比,超临界CO2流体介质中染料在涤纶织物上的匀染性较好,耐洗色牢度、干湿摩擦色牢度优良,可省去传统水浴法中的染后处理工序,缩短工艺流程。超临界CO2染色技术是一个具有良好前景的新型染色技术,以CO2为介质,染色过程不产生污染,充分体现了清洁生产的理念。

3.超临界流体降解废弃塑料

超临界介质中的解聚反应,利用超临界流体优异的溶解能力和传质性能,分解或降解垃圾中的高分子废物,得到气体、液体和固体产物。气体和液体可用作燃料或化工原料,粘稠糊状产物可用作防水涂料或胶粘剂,剩下的残渣部分可用作铺路或其他建筑材料。

4.安全高效的“超级”消毒剂

高压下的CO2超临界流体能有效杀灭各种细菌,极可能成为一种崭新的灭菌技术而取代有争议的辐射灭菌方法。在工作条件(20MPa、35℃、2h、相对湿度70% ~ 90%)进行灭菌实验表明:面包菌、大肠杆菌、葡萄球菌、黑曲霉菌、枯草菌下降比例达99%。目前医用纺织品常规消毒采用高压蒸汽,或用环氧己烷、过乙酸等处理,这些传统方法或是对设备有强腐蚀性、或是操作繁琐,还会对纤维造成损伤。

新技术采用少量消毒剂以液态CO2作载体或直接采用超临界状态的CO2就有较好的消毒效果,不仅对设备无腐蚀作用,处理后易于回收,不会排放到环境中造成污染,而且对纤维也有良好的保护作用。

5.超临界化学分析

超临界流体可以做流动相进行色谱分析,具有分析速度快、选择性好、分离效率高、分析条件温和等优点。在相同条件下,分析速度是液相色谱的4倍左右,广泛应用于分析烯烃聚合物、苯乙烯聚合物、甘油酯类、高级醇类、氨基酸和多环芳烃等试样。