超臨界狀態(tài)——從知識到技術(shù)應用

我們知道，水加熱后會(huì )變成蒸氣，但這是在空曠環(huán)境下，如果是在一個(gè)密閉的容器中加熱呢？此時(shí)，加熱密閉容器，容器中的水會(huì )蒸發(fā)，這會(huì )增加容器內的壓力，而壓力越大，水的沸點(diǎn)就越高。

1869年，英國物理學(xué)家安德魯斯嘗試加熱密閉容器中的液態(tài)二氧化碳，結果他發(fā)現，在31℃附近時(shí)，容器內的液態(tài)二氧化碳和氣態(tài)二氧化碳差別完全消失了，它變成了我們現在說(shuō)的“超臨界流體”。  

超臨界流體沒(méi)有氣相和液相的分界線(xiàn)，它既具有氣體的性質(zhì)，可以很容易地壓縮或膨脹，又像液體一樣，具有較大的密度，但它的黏度比液體小，有較好的流動(dòng)性和熱傳導性能，在臨界點(diǎn)附近流體的物理化學(xué)性質(zhì)對溫度和壓力的變化極其敏感，在不改變化學(xué)組成的條件下，即可通過(guò)壓力調節流體的性質(zhì)。這個(gè)狀態(tài)對于一般人而言會(huì )覺(jué)得很神奇，也有研究者把物質(zhì)的狀態(tài)分為四種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、超臨界狀態(tài)（當然一般我們所說(shuō)的物質(zhì)第四態(tài)是等離子態(tài)）。

也因為它這些神奇的性質(zhì)，讓超臨界技術(shù)在很多領(lǐng)域得到研究發(fā)展和應用。目前發(fā)展較為成熟的是超臨界萃取和超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。

超臨界萃取的簡(jiǎn)單流程

常見(jiàn)的超臨界萃取劑為二氧化碳，超臨界萃取在醫藥食品工業(yè)目前應用已經(jīng)較為普遍，尤其是在中藥、植物萃取等方面，例如黃酮類(lèi)物質(zhì)、萜類(lèi)物質(zhì)，脂類(lèi)等物質(zhì)的提純。因為它相比于其他分離過(guò)程，具備很多優(yōu)勢，比如操作溫度低，這樣對于熱敏性物質(zhì)（活性成分或者藥物等）的分離具有很大的優(yōu)勢；其次還有萃取劑（比如二氧化碳）無(wú)毒無(wú)害，對人體和環(huán)境沒(méi)有什么影響。目前的不足就是對設備要求較高，前期投資也較大。

2007年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎就授予了由中國華能集團公司承接，聯(lián)合有關(guān)設計、制造、應用單位共同研發(fā)和應用的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。雖然我國超臨界發(fā)電技術(shù)研究起步較晚，但是目前我國已經(jīng)投運超臨界發(fā)電機組超160臺，而超超臨界火電機組能耗水平已經(jīng)達到世界領(lǐng)先。此外，我國超臨界循環(huán)流化床發(fā)電機組數量及容量均居世界領(lǐng)先地位，且技術(shù)全部自主。

當然，超臨界相關(guān)的技術(shù)應用現在也是越來(lái)越多，近日，上海市科技獎勵大會(huì )，華東理工大學(xué)化工學(xué)院趙玲教授領(lǐng)銜的“高性能聚丙烯微孔發(fā)泡材料綠色制備過(guò)程的優(yōu)化和強化”斬獲科技進(jìn)步獎一等獎，而其中關(guān)鍵技術(shù)就是超臨界二氧化碳發(fā)泡聚合物技術(shù)。

此外，流體的超臨界狀態(tài)其實(shí)還和我們進(jìn)行Aspen Plus流程模擬時(shí)選擇亨利組分相關(guān)，具體有什么內在聯(lián)系呢？我們近期將會(huì )進(jìn)行解答。