Szuperkritikus folyadék

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. március 26-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 15 szerkesztést igényelnek .

Szuperkritikus folyadék ( SCF ), szuperkritikus folyadék  - olyan halmazállapot, amelyben a folyadék- és gázfázis közötti különbség eltűnik. Minden olyan anyag, amelynek hőmérséklete és nyomása [1] a kritikus pont felett van, szuperkritikus folyadék. A szuperkritikus állapotban lévő anyag tulajdonságai köztesek, a gáz- és a folyadékfázisú tulajdonságai között. Tehát az SCF-nek nagy a sűrűsége , közel a folyadékhoz, alacsony a viszkozitása , és határfelületi határok hiányában a felületi feszültség is eltűnik. A diffúziós együttható ebben az esetben a folyadék és a gáz között köztes értékkel rendelkezik. A szuperkritikus állapotú anyagok szerves oldószerek helyettesítésére használhatók laboratóriumi és ipari folyamatokban, szuperkritikus víz és szuperkritikus szén-dioxid [2] [3] (ilyen például a Vénusz 5 km-es alsó légkörében).

Szuperkritikus állapotban lévő anyagok tulajdonságai

Az 1. táblázat a gyakorlatilag leginkább alkalmazható anyagok kritikus paramétereit és moláris tömegeit sorolja fel.

1. táblázat: Különféle oldószerek kritikus paraméterei (Reid et al, 1987), [4] , [5]
Oldószer Moláris tömeg Kritikus hőmérséklet, T- krit Kritikus nyomás, P- krit Kritikus sűrűség, ρ crit
g/mol K MPa (atm.) g / cm3
Szén-dioxid (CO 2 ) 44.01 303.9 7,38 (72,8) 0,468
Víz ( H2O ) 18.015 647.096 22.064 (217.755) 0,322
Metán (CH 4 ) 16.04 190.4 4,60 (45,4) 0,162
Etán (C 2 H 6 ) 30.07 305.3 4,87 (48,1) 0,203
Propán (C 3 H 8 ) 44.09 369,8 4,25 (41,9) 0,217
Etilén (C 2 H 4 ) 28.05 282.4 5,04 (49,7) 0,215
Propilén (C 3 H 6 ) 42.08 364,9 4,60 (45,4) 0,232
Metanol ( CH3OH ) 32.04 512.6 8,09 (79,8) 0,272
Etanol (C 2 H 5 OH) 46.07 513.9 6,14 (60,6) 0,276
Aceton (C 3 H 6 O) 58.08 508.1 4,70 (46,4) 0,278
Ammónia (NH 3 ) 17.03 405.3 11,35 (115,7) 0,322
Xenon (Xe) 131,29 289,5 5,84 (58,4) 1.110

A szuperkritikus állapot egyik legfontosabb tulajdonsága az anyagok oldhatósága. Egy folyadék hőmérsékletének vagy nyomásának megváltoztatásával széles tartományban változtathatjuk meg annak tulajdonságait. Így lehetséges olyan folyadékot előállítani, amelynek tulajdonságai közel állnak a folyadékhoz vagy a gázhoz. A folyadék oldóereje a sűrűség növekedésével (állandó hőmérsékleten) nő. Mivel a sűrűség a nyomás növekedésével növekszik, a nyomás változtatása befolyásolhatja a folyadék oldóképességét (állandó hőmérsékleten). Hőmérséklet esetén a folyadék tulajdonságainak függősége valamivel bonyolultabb - állandó sűrűség mellett a folyadék oldóképessége is megnő, azonban a kritikus pont közelében a hőmérséklet enyhe emelkedése a sűrűség meredek csökkenéséhez vezethet. , és ennek megfelelően az oldóképesség [6] .

A szuperkritikus folyadékok korlátlanul keverednek egymással, így a keverék kritikus pontjának elérésekor a rendszer mindig egyfázisú lesz. Egy bináris keverék hozzávetőleges kritikus hőmérséklete az anyagok kritikus paramétereinek számtani átlagaként számítható

T c(mix) = ( A móltört) × T c A + ( B móltört) × T c B .

Ha nagyobb pontosságra van szükség, akkor a kritikus paraméterek állapotegyenletekkel számíthatók ki, például a Peng-Robinson egyenlet segítségével . [7]

Alkalmazások

Szuperkritikus folyadék kivonás

A folyadékok egyik legszélesebb körű alkalmazása a szuperkritikus folyadékkivonás . Az SCF extrakció legelterjedtebb oldószere a szén-dioxid, mivel olcsó, környezetbarát és viszonylag alacsony kritikus hőmérsékletű T crit és nyomása P crit .

Az SCF extrakció számos jelentős előnnyel rendelkezik a szerves oldószerekkel végzett extrakcióval szemben [8] :

Szuperkritikus folyadékkromatográfia

A szuperkritikus folyadékkromatográfia (SFC) számos előnnyel rendelkezik a folyadékkromatográfiával (LC) és a gázkromatográfiával (GC) szemben. Lehetővé teszi univerzális lángionizációs detektorok használatát (mint a GC-ben és amelyek nem alkalmazhatók LC-ben), a termikusan instabil anyagok, valamint a nem illékony anyagok elválasztását (ellentétben a GC-vel). Az SFC minden előnye ellenére nem talált széles körű alkalmazásra (egyes speciális területek kivételével, mint például az enantiomerek és a nagy molekulatömegű szénhidrogének elválasztása [9] . Az elválasztással nyert vegyületek nagy tisztasága ellenére) , a magas költségek miatt az SCF-kromatográfia csak akkor alkalmazható, ha drága anyagok tisztítására vagy izolálására használják. Az SCF-kromatográfia nagyon ígéretes, és kezd aktívan alkalmazni például a gyógyszeriparban .

Folyadék, mint reakcióközeg

A szuperkritikus folyadék egyedülálló képessége nagy mennyiségű gáz, különösen H 2 és N 2 feloldására , magas diffúziós együtthatóval párosulva, rendkívül ígéretessé teszi oldószerként való felhasználását. [10] A hőmérséklet és nyomás változtatása lehetővé teszi az oldószer tulajdonságainak és a reakcióútnak a befolyásolását, ami lehetővé teszi a céltermék magasabb hozamának elérését.

Történelem

Az anyag szuperkritikus állapotát először Cañard de la Tour fedezte fel 1822-ben, miközben különböző folyadékokat melegített egy Papin gőzautoklávban . Szilíciumgolyót helyezett az autoklávba. De la Tour maga is az akusztika területén dolgozott - különösen övé a sziréna találmánya . Az autokláv megrázásakor csobbanást hallott, ami akkor történt, amikor a labda átlépte a fázishatárt. A további hevítés során ismétlődő rázkódás során Cañar de la Tour észrevette, hogy a labda által az autokláv falával való ütközéskor keltett hang egy bizonyos pillanatban drámaian megváltozik - tompa és gyengébb lesz. Minden egyes folyadék esetében ez egy szigorúan meghatározott hőmérsékleten történt, amelyet de la Tour pontnak neveztek el.

A de la Tour által az Annales de Chimie et de Physique -ben megjelent két cikk leírja az alkoholok nyomás alatti, lezárt üvegcsövekben való melegítésével kapcsolatos kísérleteit. Megfigyelte, ahogy melegítés közben a folyadék térfogata megkétszereződött, majd teljesen eltűnt, egyfajta gázzá alakult át, átlátszóvá válik, és úgy tűnt, hogy a cső üres. A lehűlés során sűrű, átlátszatlan felhők képződését figyelték meg (ezt a jelenséget ma kritikus opaleszcenciának nevezik ). De la Tour azt is megállapította, hogy egy bizonyos hőmérséklet felett a nyomásnövekedés nem vezet folyadék képződéséhez.

A következő közleményekben de la Tour egy sor hasonló kísérletről számol be különböző anyagokkal. Kísérletezett vízzel, alkohollal, éterrel és szén-diszulfiddal .

Faraday nagyra értékelte az elvégzett munkát – különösen William Wavelnek írt levelében ezt írja: „Cagniard de la Tour néhány évvel ezelőtt kísérletet végzett, ami alkalmat adott arra, hogy új szót keressek” ; ugyancsak ebben a levélben utal arra, hogy a folyadék folyékony állapotba való átmenetének pontját de la Tour nem nevezte meg. Faraday további munkáiban a szuperkritikus állapotot „de la Tour állapotnak”, a fázisátmenet pontját pedig de la Tour pontnak nevezi.

D. I. Mengyelejev munkáiban 1861-ben a kritikus hőmérsékletet abszolút forráspontnak nevezte.

A "szuperkritikus folyadék" (supercritical fluid) kifejezést először T. Andrews műveiben vezették be 1869-ben. Vastag falú üvegcsövekben végzett kísérletek során megmérte a térfogat nyomástól való függését, és két fázis együttélési vonalait építette ki a szén-dioxid számára.

1873-ban van der Waals kimutatta, hogy Andrews kísérleti állapotegyenletei kvantitatív módon megmagyarázhatók egy kiterjesztett ideális gázmodell segítségével, amely egyszerű formában veszi figyelembe a molekuláris vonzást és taszítást kis távolságokon.

A 20. század elején L. D. Landau fenomenológiai elméletében rendszeresítették a rendszer szuperkritikus fázisátalakulásait is leíró összes módszert, amellyel az állapotegyenletek az átlagos térközelítésen alapulnak. [11] [12]

Az első szuperkritikus folyadékok felhasználásán alapuló ipari termelés 1978 -ban indult meg  - ez egy kávé koffeinmentesítő üzem volt, amelyet 1982-ben követett az ipari komlókivonás (a söripar számára). [13]

Jegyzetek és bibliográfiai hivatkozások

  1. ↑ de a nyomás nem nagyobb, mint a szilárd fázisba való átmenet nyomása adott hőmérsékleten (lásd az ábrát)
  2. ↑ A. A. Galkin, V. V. Lunin. A szub- és szuperkritikus állapotú víz a kémiai reakciók univerzális közege / Advances in Chemistry, 74 (1), 2005.
  3. ↑ Küvetta szuperkritikus folyadékkal . Letöltve: 2009. május 14. Az eredetiből archiválva : 2009. szeptember 27..
  4. ↑ A.Baiker. Chem. Rev. 99, 453 (1999)
  5. ↑ R. van Eldik, CDHubbard. Kémia extrém vagy nem klasszikus körülmények között. Wiley, New York, 1997
  6. ↑ Szuperkritikus folyadék extrakció, sűrűség szempontok . Letöltve: 2007. november 20. Az eredetiből archiválva : 2021. április 28..
  7. ↑ A. A. Clifford. A CO 2 termodinamikai tulajdonságainak kiszámítása Peng Robinson állapotegyenlet segítségével. (nem elérhető link) . Critical Processes Ltd. (2007. december 4.). Letöltve: 2009. május 14. Az eredetiből archiválva : 2012. március 31.. 
  8. ↑ Szuperkritikus folyadék extrakció . Letöltve: 2009. május 14. Az eredetiből archiválva : 2012. március 31..
  9. ↑ Bart, CJ 4. fejezet: Elválasztási technikák // Adalékok a polimerekben: ipari elemzés és  alkalmazások . - John Wiley és fiai , 2005. -  212. o . — ISBN 9780470012062 . - doi : 10.1002/0470012064.ch4 .
  10. ↑ Szuperkritikus közeg. Új kémiai reakciók és technológiák. Lemenovsky D.A. Bagratashvili V.N., 1999, VEGYÉSZET . Letöltve: 2009. május 15. Az eredetiből archiválva : 2012. május 31..
  11. ↑ MAMcHugh, VJKrukonis. Szuperkritikus folyadék extrakció: alapelvek és gyakorlat. Butterworth-Heinemann, Amszterdam, 1994.
  12. ↑ Supercritical Matter: Fluids and Supercritical Fluid Technologies Archiválva : 2013. december 7. a Wayback Machine -nél .
  13. ↑ [ruscience.newmail.ru/physics/aqua_8.html Szuperkritikus víz].

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban