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超临界二氧化碳

超临界二氧化碳（sCO
2）是维持在临界温度及临界压力以上的二氧化碳流体（超临界流体）。

二氧化碳的三相图

二氧化碳在标准状况下会是气体，冷却后会形成固体，称为干冰。若提高其温度及压力，从标准状况提升到二氧化碳的临界点时，其性质会介于液体和气体之间，会像气体一样充满整个空间，但其密度又类似液体，也就是超临界流体，其临界温度为304.25 K, 31.10 °C[1]，其临界压力为72.9 atm, 7.39 MPa[1]。

超临界二氧化碳因为可以用来化学萃取，再加上其毒性低，对环境影响较小，是重要的商用以及工业溶剂。其温度较低，再加上CO
2的稳定性，因此可以萃取其他化合物而不怕变性。而且许多物质在二氧化碳中的溶解度会随压力而改变[2]，因此可以进行选择性的萃取。

应用 编辑

溶剂 编辑

主条目：超临界流体萃取

咖啡制造商在去咖啡因的过程需要用到溶剂，相较于传统使用的溶剂，越来越多的制造商会使用超临界二氧化碳。过程中会将强迫将超临界二氧化碳通过生咖啡豆，之后再用高压水喷洒，以去除咖啡因。之后水会通过活性炭或是蒸馏、结晶或是逆渗透的方式将咖啡因萃取出来，再进行转售（给药厂或是饮料制造商）。在草药医学行业中，会用超临界二氧化碳去除农作物中的有机氯农药以及金属，不会影响其他草药中要有的成分[3]。

制造产品 编辑

在生产环境友善且低成本，类似硬质热塑性塑料或陶瓷器的产品时，会用超临界二氧化碳作为反应物。会将超临界二氧化碳和水泥或是石膏中的碱性材料反应，形成不同的碳酸盐[4]。其中主要的副产物是水。

工作流体 编辑

超临界二氧化碳有化学稳定性、可靠、低成本、不可燃及容易取得的特性，因此成为跨临界循环的理想工作流体[5]。

有些家用的热泵中就是使用超临界二氧化碳作为工作流体。这类的热泵常用在家庭及商用的冷暖气中[5]。更常见的水热泵会和所在的室内场所（如地下室或是车库）交换热量，而CO2热泵一般会放在室外，和室外的大气交换热量[5]。

发电 编辑

超临界二氧化碳的独特性质，适合用在闭回路发电上，因此可用在一些发电的应用。使用传统空气布雷顿循环或是蒸气朗肯循环的发电厂可以使用超临界二氧化碳，以提升效率以及功率输出。

比较新的Allam循环（英语：Allam power cycle）会用超临界二氧化碳和燃料及纯氧作为工作流体。燃烧时产生的二氧化碳会和超临界二氧化碳混合。在过程会将工作流体中部分的二氧化碳提取出来，作工业应用或是隔离。这可以让对大气的碳排放降到零。

超临界二氧化碳的优点是高流体密度、热稳定性高以及不可燃。不过会对一些金属有腐蚀性，因此材料选用以及设计上需要考量。

其他 编辑

目前正在研究可以在550 °C运作的闭循环气轮机（英语：closed-cycle gas turbine），这可以用于大容量的热能发电以及核能发电，因为超临界二氧化碳在温度500 °C以上，压力20 MPa的热效率可以到45 %。这可以让单位燃料产生的电增加40 %以上。考虑为了发电的碳燃料体积，循环效率提升的环境影响相当可观[6]。

气溶胶制造 编辑

超临界二氧化碳已用在以二氧化硅、碳及金属为基础的气凝胶上。例如制成二氧化硅的凝胶，再暴露在超临界二氧化碳中，当二氧化碳进入超临界状态时，没有表面张力，因此液体可以离开气溶胶，产生奈米尺寸的孔穴[7]。

生医材料灭菌 编辑

超临界二氧化碳配合过氧乙酸（PAA）的灭菌方式可以取代生物材料以及医疗产品的加热灭菌。超临界二氧化碳不会破坏微生物中的芽孢，因此不会对培养基灭菌。而且此灭菌方式非常温和，减活微生物的的形态、超微结构和蛋白质谱都可以保留下来[8]。

清洗 编辑

超临界二氧化碳也可以用在工业的清洗制程（英语：carbon dioxide cleaning）中。

相关条目 编辑

参考资料 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Span, Roland; Wagner, Wolfgang. A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple‐Point Temperature to 1100 K at Pressures up to 800 MPa. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1996, 25 (6): 1509–1596. Bibcode:1996JPCRD..25.1509S. doi:10.1063/1.555991. 
  2. ^ Discovery - Can Chemistry Save The World? - BBC World Service
  3. ^ Department of Pharmaceutical Analysis, Shenyang Pharmaceutical University, Shenyang 110016, China
  4. ^ Rubin, James B.; Taylor, Craig M. V.; Hartmann, Thomas; Paviet-Hartmann, Patricia, Joseph M. DeSimone; William Tumas , 编, Enhancing the Properties of Portland Cements Using Supercritical Carbon Dioxide, Green Chemistry Using Liquid and Supercritical Carbon Dioxide, 2003: 241–255 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Ma, Yitai; Liu, Zhongyan; Tian, Hua. A review of transcritical carbon dioxide heat pump and refrigeration cycles. Energy. 2013, 55: 156–172. ISSN 0360-5442. doi:10.1016/j.energy.2013.03.030. 
  6. ^ V. Dostal, M.J. Driscoll, P. Hejzlar, A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors (PDF). [2007-11-20]. （原始内容存档 (PDF)于2024-01-21）.  MIT-ANP-Series, MIT-ANP-TR-100 (2004)
  7. ^ Aerogel.org » Supercritical Drying. [2024-01-21]. （原始内容存档于2024-04-09）. 
  8. ^ White, Angela; Burns, David; Christensen, Tim W. Effective terminal sterilization using supercritical carbon dioxide. Journal of Biotechnology. 2006, 123 (4): 504–515. PMID 16497403. doi:10.1016/j.jbiotec.2005.12.033. 

外部链接 编辑

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