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超临界流体技术的应用研究进展


□ 俞琛捷 马宏佳 周志华

  (1.南京师范大学分析测试中心;2.化学与环境科学学院,江苏南京210097)
  摘要:超临界流体技术近三十年来引起了人们极大的兴趣,它在化学反应和分离提纯领域有着广泛的应用,目前已初步形成一个新的产业。不仅全面介绍了超临界流体在环保、化工、食品、医药以及材料工业中的应用,而且对其发展趋势进行了评述。
  关键词:超临界流体;环保工业;化学工业;食品工业;医药工业;材料工业
  中图分类号:TQ 028.3+2;TQ 023 文献标识码:A
  文章编号:0367-6358(2007)02-118-03
  超临界流体是指超过了物质的临界温度和临界压力的流体,它既具有与气体相似的密度、粘度、扩散系数等物性,又兼有与液体相近的特性,是处于气态和液态之间的中间状态的物质。这种流体兼有液体和气体的优点:粘度小、扩散系数大、密度大,具有良好的溶解特性和传质特性,且在临界点附近对温度和压力特别敏感。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。
  自1869年安德鲁斯发现临界点至今已有100多年的历史,但对超临界流体的广泛研究只是近30年的事。在我国,从事超临界流体萃取技术的研究是近十几年的事,也取得了一些可喜的成绩。目前,这一技术越来越受到人们的重视,研究的超临界流体有二氧化碳、水、甲苯、甲醇、乙烯、乙烷、丙烷、丙酮和氨等,近年来使用较多的超临界流体主要有二氧化碳和水等。以超临界流体作为萃取剂从溶液中提取被溶解的物质的过程称为超临界流体萃取,该项技术被称为超临界流体萃取技术。超临界流体萃取的基本工艺流程如下:首先使溶剂通过升压装置如泵或压缩机达到临界状态;然后超临界流体进入萃取器与里面的原料固体或液体混合物接触而进行超临界萃取;溶于超临界流体中的萃取物随流体离开萃取器后再通过降压阀进行节流膨胀,以便降低超临界流体的密度,从而使萃取物和溶剂能在分离器内得到有效分离后再使溶剂通过泵或压缩机加压到超临界状态并重复上述萃取分离操作,通过循环达到预定的萃取率。超临界流体萃取技术是近年来发展起来的一种新型的物质分离提纯技术,在化工、医药、食品、环保、材料等领域已引起人们广泛的兴趣,越来越展现出广阔的应用前景。
  
  1 超临界流体在化学工业中的应用
  
  由于超临界化学反应能增大化学反应速率、降低反应温度、提高反应物的转化率和产物的选择性,受到学者们的广泛关注。目前研究的反应模型主要有:烯烃齐聚、烃类异构化、烷基化反应、费-托合成、甲苯脱氢、甲醇合成、低碳醇的合成、加氢反应等。在化学工业中,在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂,在Pc=10 MPa,OTc=400~440℃条件下进行萃取,在超临界流体溶剂分子的扩散作用下,促进煤有机质发生深度的热分解,能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外,从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把超临界流体萃取法用于油料脱沥青技术。超临界流体萃取指利用超临界流体作为萃取剂,控制体系的压力和温度使待分离组分溶解在其中,然后通过降压或升温等方法降低超临界流体的溶解能力,使待分离物析出。目前,超临界流体技术应用在较大规模的生产中较为典型的实例是Fischer-Tropsch(简称F-T)技术,主要用于在固体催化剂的作用下使反应物加氢转化为一系列烃类的过程。在超临界流体合成过程中,除对二氧化碳和水系的应用技术开发及推广外,在未来超临界流体的攻关过程中,催化合成技术及针对不同反应过程选择其它相应超临界流体的技术也具有重要的实用意义。此外,以水为溶剂的超临界流体反应技术是近年来发展的环境友好可持续发展的高新技术,利用超临界水解技术可以使纤维素在水的超临界状态中得到快速水解。在水的超临界温度之上纤维素水解产物主要是葡萄糖,果糖和低聚糖,由这些可进一步生产乙醇、有机酸等产品。由于纤维素是存在相当广泛的可再生的物质资源,因而,超临界水解反应技术在此方面的应用也相当看好。 ......
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