超临界流体的特性及其应用

浙江工商大学

研究生课程论文

论文题目：超临界流体的特性及其应用

课程名称：现代食品工程技术

专业名称：食品科学

学号： 24

姓名：陈方娟

指导教师：励建荣、石玉刚

成绩：

日期：超临界流体的特性及其应用

摘要:本文主要介绍了超临界流体的理化性质,并对超临界流体在化工、生

物质及环保等领域的应用进行了综述,同时对超临界技术的发展前景进行了展望。

关键词：超临界流体;理化性质;应用;前景展望

The Properties and Application of the

Supercritical Fluids

Abstract : This paper describes the physical and chemical properties of supercritical fluids, then introduce the application in the fields of chemical industry, biomass and environmental protection, and so on, while prospect the development of supercritical technology.

keywords:supercritical fluids；physical and chemical properties；application；prospection

超临界流体(SCF)是介于气体和液体之间的一种特殊聚集态。19世纪60年代,英国科学家Thomas Andrews首次发现超临界现象;1879年,Hannay 和Hogarth发表了第一篇有关超临界流体的论文“超临界流体能够溶解固体物质”,为超临界流体萃取技术的应用提供了依据。随着对超临界流体性质认识的深入,超临界干燥、化学反应等新技术不断涌现并得到快速发展,所涉及的应用范围也迅速扩大。目前,在ISI Web of Knowledge数据库中有关超临界的论文已高达17000篇。我国在这一领域的研究工作起步较晚。1985年北京化工学院从瑞士进口了第一台超临界流体萃取装置,进行了不少研究工作。之后相继成立了相关的学术组织,定期召开国际性或

全国性超临界流体会议,并且有许多论文、专着等学术性文章发表。目前我国在中国知网数据库中发表的关于超临界的文章数已超过14000篇。本文对常温、常压下为液态的超临界流体的理化性质及其应用进行了综述,并对此技术的发展前景进行了展望,以期能为我国在超临界这方面的研究工作提供参考[1]。

众所周知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，但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)。

超临界流体的处于临界温度和临界压力以上，介于气体和液体之间的流体，兼有气体液体的双重性质和优点：溶解性强，密度接近液体，且比气体大数百倍，由于物质的溶解度与溶剂的密度成正比，因此超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力。扩散性能好，因黏度接近于气体，较液体小2个数量级。扩散系数介于气体和液体之间，为液体的10-100倍。具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率远远高于液体。易于控制，在临界点附近，压力和温度的微小变化，都可以引起流体密度很大的变化，从而使溶解度发生较大的改变。（对萃取和反萃取至关重要）。鉴于这些优点，超临界流体在化工、生物质及环保等领域的都有广泛的应用。本文就超临界流体的理化性质及应用两方面展开论述，并对其研究前景进行了展望。

1.超临界流体的理化性质

超临界流体的物理性质

密度

在常温常压下,液体的密度为～cm3,超临界流体密度为～ cm3。可见超临界流体具有与液体相近的密度。但两类流体密度对温度及压力依赖性不同。这是由于超临界流体具有可压缩性,故与常态液体相比,其密度与温度、压力相关性较大。如:400°C时,压强在～范围内变化,水的密度可从mL降至mL。

粘度

在标准状态下,液体的粘度为～·s,气体的粘度为～·s, SCF的粘度为～·s,可见SCF粘度与气体接近。

温度、密度是影响粘度的主要因素。SCF与液体粘度受温度、密度影响的变化规律不同。通常液体的粘度随温度升高而减小;超临界流体在高密度条件下,粘度随温度升高而减小;在低密度条件下结果相反[2]。

扩散系数

超临界流体扩散系数处于气体与液体之间,是常温下液体的10～100倍。扩散系数与压力和温度相关。但常态流体与SCF的扩散系数变化规律及表达式有所不同。一般常态流体的扩散系数随压力下降而增大,与粘度成反比。SCF的扩散系数随压力增大而增大。当密度很高时得知微小的压力变化可导致扩散系数较大改变,且扩散系数与粘度成反比。

表面张力

一般液体都具有表面张力,但超临界状态下各流体表面张力近似为0。

这是由于非超临界态下,随着体系接近临界点,流体两相界面逐渐加厚,并相互扩散;达到临界点时,两流体会失去各自特征而成为均相;至超临界态时,随着界面扩散程度越大,界面张力逐渐减小至完全消失。

介电常数

超临界流体的介电常数与常态流体相比存在差异。如甲醇在标准状态下介电常数为,而超临界态(如250℃,20MPa),其介电常数降为。介电常数变化与密度及温度相关 ,随密度的增大而增大,随温度的升高而减小。并且受氢键数影响。

溶解性能

流体的溶解性能与其极性、介电常数相关,故超临界流体与常态液体相比溶解性能存在明显差异。如水在超临界与常态下的溶解性能差异很大。超临界甲醇与其常态时相比,氢键数由降至以下,介电常数也降低,因此其溶解性能发生以下变化:常温常压下,甲醇与油脂互不相溶;超临界状态下,甲醇和油脂可以完全互溶。

超临界流体的化学性质

氢键

流体在超临界态与常态所含氢键的数量及稳定性均发生改变。温度及压力是氢键稳定性及数量改变的影响因素,但影响程度不同。如乙醇氢键稳定性随着温度的升高不断减小,相比之下压力的影响较小。并通过MD和MC模拟得出:随温度的升高,水和乙醇中的氢键仍然存在,但数量都减少。其中乙醇氢键变化对温度依赖性较强,水的氢键变化与压力相关性较大。离子积