[科普中国]-超临界流体技术

任何物质随着温度和压力的变化，都会相应的呈现出固态、液态、气态三种相态。三态之间相互转化的温度和压力称为三相点，除三相点外，分子量不太大的稳定物质还存在一个临界点，临界点由临界温度、临界压力和临界密度构成，当把处于气液平衡的物质升温升压时，热膨胀引起液体密度减少，压力升高使气液两相的界面消失，成为均相体系，这一点成为临界点。1

高于临界温度和临界压力以上的流体是超临界流体。超临界流体处于气液不分的状态，没有明显的气液分界面，既不是液体也不是气体。由于超临界流体处于超临界状态，对温度和压力的改变十分敏感，具有十分独特的物理性质，它的黏度低、密度大，有良好的流动、传质、传热和溶解性能，因此被广泛用于节能、天然产物萃取、聚合反应、超微粉和纤维的生产，喷料和涂料、催化过程和超临界色谱等领域。将超临界流体应用到这些领域中的技术统称为超临界流体技术。2

概述图引自3。

基本概念将超临界流体应用于生产生活中的各个领域，如节能、天然产物萃取、聚合反应、超微粉和纤维的生产，喷料和涂料、催化过程和超临界色谱等来获得一定特性的产品，称为超临界流体技术。5

特点超临界流体具有液体和气体的双重特性，有与液体接近的密度，又与气体接近的黏度及高的扩散系数，因此具有很强的溶解能力和良好的流动、传递性能。处于临界温度和临界压力附近的超临界流体密度仅仅是温度和压力的函数，所以在合适的温度和压力下，它能够提供足够的密度来保证足够强的溶解性。2

技术超临界萃取技术（SFE)1978年德国建成第一套萃取咖啡因的工业装置以来，超临界萃取技术受到人们广泛关注。目前，超临界萃取技术逐渐应用到食品、医药、香料和化工等领域。萃取过程主要采用超临界二氧化碳作为萃取溶剂，超临界二氧化碳溶解能力强、萃取能力高，分离工艺简单，且二氧化碳低廉、无毒、惰性、无残留，最具应用前景。4目前广泛应用于产品、医药和化妆品行业。超临界流体可从植物种子、果实、叶子和花朵等部位萃取出有机化合物，在植物油工业中，利用超临界流体萃取技术来替代传统提取、分离和分级分离过程，已有大量的应用研究。5

颗粒制造技术固体溶质在超临界流体中的溶解度由操作温度和压力调节。溶解在高密度超临界流体中的溶质通过喷嘴快速降压后，固体溶质能够以较细颗粒结晶析出并提供了一项超细颗粒的制造技术。该技术包含两种实现方式，既快速膨胀法及抗溶剂法。研究者们在色素、药物的超细颗粒制造做了大量的工作，且制备了尺寸可控，性能优异的超细颗粒。4以超临界流体为溶剂制备锂电池中正极材料LiCo-PO4，得到易于控制粒径分布的纳米棒和纳片，明显改善了电池的循环和倍率等电化学性能。5

环境治理技术超临界流体的特殊性质和技术原理决定了其应用于环境保护的可能性和理论基础。4传统的处理方法不能彻底消除污染且能耗大，但超临界水能把聚合物降解成单体和小分子物质用于回收利用。5超临界方法再生活性炭技术、超临界水氧化处理废水技术逐渐应用到工业中来，在经济、资源利用和环境保护方面具有明显优势。4

化学反应技术研究表明，在超临界条件下的化学反应，其反应选择性、反应速率、化学平衡以及催化剂使用寿命等表现出传统反应无法替代的优势。此外，利用超临界二氧化碳既作反应物又作反应溶剂的特点，可将二氧化碳转换为环碳酸酯、聚碳酸酯、甲醇等高附加值产品。4超临界二氧化碳对氢气、氧气等气体有较好溶解能力，可用于催化加氢、催化氧化等反应。超临界二氧化碳催化加氢生成甲酸、甲酸甲酯等有机物，为解决二氧化碳引起温室效应的问题提供了新方向。5

节能技术20世纪60年代，人们提出了以超临界水为原料来提高化石燃料发电传热效率的想法，体现了超临界流体可用于能源领域的一个方面。随后国内外学者以水为研究对象，对超临界压力下流体的传热特性进行了大量研究，发展了在超临界压力下锅炉发电机组与核反应堆的超高热流密度换热技术，使传热效率提高到45% ～ 50%。传热过程主要利用超临界状态，尤其在临界点附近热物性变化剧烈，具有独特的传热特征。5

二氧化碳被誉为21世纪最具有前景的制冷剂，应用于空调和热泵，有望解决目前使用的氯氟烃、氨气等有毒制冷剂引起的破坏臭氧层和温室效应等问题。二氧化碳不仅是环境友好的工作介质，还具有较大的蒸发潜热，单位体积制冷量比其他物质高，此优良的流动性与传热特性，能够显著减小设备尺寸，使得系统结构紧凑，运行维护简单，且对设备无腐蚀作用。5

技术优点及展望由于超临界流体的特殊物理化学性质，超临界流体技术的应用领域不断扩展，超临界流体除了应用于传质萃取外，还可用于颗粒制造、环境治理、化学反应和节能方面。从超临界流体的基础数据、工艺流程到装置设备等方面的研究也不断地深入和全面，但对超临界流体萃取本身的认识不够透彻，在化学反应、传质与传热过程的理论未达成共识等问题仍需深入研究，且超临界流体操作压力较高，对设备要求高，使得一次性投资较大问题限制其工业化规模的应用，有待进一步解决。随着国内外学者对超临界流体的更深入的研究，超临界流体技术的工业化将具有更好的应用前景，给社会带来更大的经济效益和环保效益。5

本词条内容贡献者为:

包申旭 - 教授 - 武汉理工大学