浅谈物理化学中的超临界二氧化碳流体及其应用

浅谈物理化学中的超临界二氧化碳流体及其应用
李茹莉21096566 【关键词】物理化学；二氧化碳；超临界；流体；应用
【摘要】
本文由温室气体二氧化碳入手，基于《物理化学核心教程》——相平衡一章中，单组分系统的相图内容里关于二氧化碳相图的这一知识点，分别从基本原理、
优越性、前景展望三方面简单阐述了：超临界CO
流体（Supercritical Fluid,
2
流体萃取技术（Supercritcal Fluid 简称SF或SCF），及其重要应用超临界CO
2
Extraction,简称SFE）。

【abstract】
This report begin with greenhouse gas carbon dioxide , and is based on the "Core Course of Physical Chemistry" - a chapter in equilibrium , single-component phase diagram . On the knowledge point of the phase diagram of carbon dioxide , I discusses respectively the supercritical fluid of carbon dioxide (Supercritical Fluid, referred to as SF or SCF), and its important applications of supercritical fluid extraction of carbon dioxide (Supercritcal Fluid Extraction, referred to as SFE) , from the three aspects of basic principles, advantages, prospects Briefly .
【正文】
二氧化碳作为日常生活中常见的一种气体，目前较多被人们提及的是它造成
的各种危害，例如“温室效应”，社会各界都在倡导“低碳环保”，可是人们也
该认识到它的工业价值，充分利用二氧化碳。

以往利用二氧化碳主要是生产干冰
作为灭火剂或作为食品添加剂等，现如今较为人们津津乐道的则是超临界CO
流
2
体（Supercritical Fluid,简称SF或SCF）及将其应用于萃取技术后的超临界流体萃取技术（Supercritical Fluid Extraction,简称SFE），在物理化学
CO
2
课程的相平衡一章中单组分系统的相图这一内容，有关于二氧化碳相图的详细讲
流体（Supercritical Fluid,简称SF或SCF）及解，这一理论知识对超临界CO
2
流体萃取技术（Supercritical Fluid Extraction,简称SFE）具有理
超临界CO
2
论支撑和指导意义，将这项技术运用于工业可以生产高附加值的产品，提取过去
用化学方法无法提取的物质，并且有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，适用于化工、医药、食品等多种工业。

1、基本原理
(1). 超临界流体
任何一种物质都存在三种相态：气相、液相、固相，三相成平衡态共存时的点叫作三相点[1]。

其液、气两相成平衡状态的点叫临界点，此时的温度和压力分别称为临界温度、临界压力。

温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体[2]，如二氧化碳、乙烯、氨等。

(2).超临界流体萃取
利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系将其应用于对物质进行溶解和分离的过程就叫超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction,简称SFE）。

流体的性质介于液体和气体之间, 具有和液体相近的在超临界状态下，CO
2
密度, 粘度虽高于气体但明显低于液体, 扩散系数为液体的10～100倍，是一个优良的溶剂，将超临界CO
流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极
2
负载相，然后性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来，形成超临界CO
2
借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，使超临界CO
的溶解度降低，
2
被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。

2、优越性
（g）的临界温度（Tc）和临界压力（Pc）分别为304K和7400kPa[3]。

CO
2
这个温度、压力在工业上是比较容易达到的，所以二氧化碳的超临界流体较易制备，它在超临界萃取和反应中有较广泛的应用。

流体主要有如下优点：
超临界CO
2
(1)在临界点附近，温度和压力的很小变化都会对溶剂强度产生很大影响[4] ；
(2)在超临界条件下，二氧化碳的粘度系数很小，有利于溶质的扩散，因而具有很好的质量传递特征[5]；
(3)具有较小的表面张力，易进人到土壤、沉积物的微细孔隙中，从而将有机物很快萃取出来[6]；
(4)用超临界二氧化碳作为溶剂，对生物、食品、药物等许多产物提取与纯化，有许多特点：临界温度低，适用于热敏性物质；惰性环境中可避免产物被氧化；无毒、不易燃烧，且使用安全无污染；无溶剂残留，无硝酸盐和重金属离子[7]，可以保持萃取物纯天然的营养、香味和口味；
(6)毒性低，是一种绿色环保型的萃取剂。

萃取与分离两个工序可以合一，操作
简单，一旦减压就可以使超临界CO
2 流体迅速气化，与被萃取物分离，CO
2
（g）
还可以循环使用；
(7)萃取过程几乎无“三废”，不污染环境，这种萃取被誉为分离科学中有划时代意义的科学进步。

3、广泛应用
因此相比较于传统提取有效成份的方法，如水蒸汽蒸馏法、减压蒸馏法、溶剂萃取法等，二氧化碳超临界萃取廉价、无毒、安全、高效。

在石油工业上，王仁安等[8]采用超临界技术萃取分离大港常压渣油，可有效的脱除一些喹啉不溶物和固体杂质，且获得相对分子质量分布窄、反应性均一的组分。

在食品生产中，曹优明等[9]运用超临界二氧化碳萃取技术与溶剂萃取相结合生产茶多酚的方法，其含量可大于90％，咖啡因含量小于2％，收率大于9％(以茶叶计)，残留溶剂为零。

SFE除了用在化工、食品、烟草、香料、医药等行业外，还可用在环境保护方面。

环境保护是一名新兴的综合学科，它包括保护自然资源和使其得到合理的利用、防止自然环境受到污染和破坏以及对受污染和破坏的环境进行综合性的治理三方面的内容[10]．超临界流体萃取技术用于环境污染的综合治理，尤其是三废的处理方面，能发挥非常大的作用。

Y·Ikushima[11]等用超临界二氧化碳从污染水体中萃取有机物，实验结果表明，超临界二氧化碳能在很短的时间内将有机氯化物完全萃取出来；武正华[12] 用超临界二氧化碳处理电镀行业排出的有毒含氰废水，研究表明：在压力为10-15 Mpa、萃取温度30-50℃、萃取时间为20-30 min时，去除效率达7O%。

【小结】
我国目前虽有SFE技术的研究开发应用，但覆盖率较窄，很多方面没有充分利用，不够深入，缺乏系统性，例如在中药领域，我国资源丰富，应用历史悠久，但贸易额却很小，究其原因很大程度上在于萃取分离产物不够纯净，药效不够明确。

因此，SFE技术有待于在研究上更深入，在工艺上更优越，在应用上更广泛，只有这样，SFE技术在各个领域的生命力和潜力才能真正体现。

【参考文献】
[1] 超临界流体萃取的基本原理·仪器信息网
[2] 超临界流体定义·百度百科
[3] 沈文霞·物理化学核心教程·北京·科学出版社，2009
[4] Me．Hugh M ，Krukonis，Supereritical Fluid Extraction．Butter W l0rth
Publishess Stomneham．MA.1986．
[5] 陈楚良．超临界流体萃取法[^幻．上海环境科学．1994.
[6] 粱重山．超临界二氧化碳萃取土壤中有机污染物的研究进展.重庆环境科
学．2000.
[7] 杨基础．超临界流体技术及其在生物工程中的应用[J]．化工进展．1999.
[8] 王仁安，刘春林，凌立成，刘朗等．大港常压渣油超临界萃取馏分制备中间
相沥青的研究[J ．石油学报(石油加工)，2O02，is(2)：54～58
[9] 曹优明，郑仕远．茶多酚制备新方法[J]．应用化工，2000_，31(5)：8～10
[10] 徐志毅．环境保护技术和设备I-M]．上海：上海交通大学出版社．
[11] Y．Ikushima et a1．Extraction of biologically active and toxic
substances with supercritical carbon．dioxide．Proceedings of the international symposium on supercfitical fluid。

1998．
[12]武正华.二氧化碳处理含氰废水初步研究[J]．环境导报．1998.。