超臨界流體(SupercriticalFluid,簡稱SCF)是指溫度和壓力同時高于臨界值的流體,也就是壓縮到具有接近液體密度的氣體。處于超臨界狀態(tài)時,氣液兩相性質非常接近,以至于無法分辨,所以稱之為超臨界流體。超臨界流體的許多物理化學性質介于氣體和液體之間,并具有兩者的優(yōu)點,如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù),具有與氣體相近的黏度系數(shù)和擴散系數(shù),同時它也具有區(qū)別于氣態(tài)和液態(tài)的獨特的性質:在臨界點附近壓力的微小變化可導致密度的巨大變化,因此可以方便地調節(jié)壓力和溫度,得到處于氣態(tài)和液態(tài)之間的任一密度,來控制超臨界流體的黏度、介電常數(shù)、擴散系數(shù)和溶解能力等物理化學性質。與常用的有機溶劑相比,超臨界流體特別是SC-CO2、SC-H2O還是一種環(huán)境友好的溶劑,萃取物絕無殘留溶媒,同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染,符合當今 綠色環(huán)保 、 清潔生產(chǎn) 、 回歸自然 的高品位追求。正是這些優(yōu)點使得超臨界流體具有廣泛的應用潛力,然而超臨界流體技術應用的迅速發(fā)展還是在近二三十年間。

1超臨界流體萃取與分離

SFE無論是在溶解能力和傳遞性能,還是在溶劑回收和產(chǎn)品純度等方面,與傳統(tǒng)的分離方法相比,都具有許多不可比擬的特殊優(yōu)點。SCF的萃取能力取決于流體的密度,易通過調節(jié)溫度和壓力兩個控制參數(shù)來隨意控制流體的密度,進而控制超臨界萃取溶解能力,同時可借助不同的夾帶劑來調節(jié)SCF的極性改變其萃取范圍等

SFE作為一種有誘人工業(yè)應用前景的分離提純技術在天然色素、香精香料、揮發(fā)油、中草藥、金屬離子的提取等方面得到了廣泛的應用,有的已達到了工業(yè)化水平。其中的主要影響因素有溫度、壓力、萃取物的顆粒大小,萃取時間、夾帶劑(改性劑)、流體的流量,應綜合考慮得出合適萃取與分離的條件。下面以中草藥研究中生物堿類、揮發(fā)性油的超臨界流體萃取為例來介紹超臨界流體在萃取與分離方面的應用。

2材料制備

與超臨界流體在萃取方面的應用比較起來,超臨界流體在材料制備方面的應用發(fā)展相對較遲一些。研究表明,材料在超臨界流體中與在常用溶劑中制備比較得到的晶形、顆粒度、抗燒結能力等性質大不相同,超臨界流體中可得到小的高度微晶化的顆粒。而在常用溶劑中,則得到團聚或非晶態(tài)的顆粒,這些顆粒的粒徑分布較寬,這對材料的性質是不利的。

2.1金屬薄膜材料的制備

金屬薄膜材料的制備是一個具有重要意義的研究領域。通常的制備方法是金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD),要制備出性能良好的薄膜材料,MOCVD要求有機金屬前體具有揮發(fā)性高、熱穩(wěn)定性好等特點,而有時這些要求并不能得到滿足,同時有機物的殘留對環(huán)境有害。為克服這些缺點,研究者探索出超臨界流體化學相沉積法(SFCVD)。SFCVD一般包括4個步驟:有機金屬絡合物溶解在超臨界流體中;借助超臨界流體輸送到反應室中;超臨界流體快速膨脹(RESS),形成有機金屬絡合物的極小顆粒;小顆粒在底物上分解并形成薄膜。與MOCVD相比,SFCVD具有許多優(yōu)點:可使用揮發(fā)性較低的前體;超臨界流體(如SCCO2)的低臨界溫度可使用穩(wěn)定性較差的前體;較高的氣相濃度使形成薄膜的速度快;對環(huán)境無污染。此外,SFCVD還可以用于制各合金薄膜。

2.2超微粉體的制備

超微粉體指粒徑在1～100nm間的顆粒,表現(xiàn)出的表面效應、體積效應、量子效應和宏觀遂道效應,使其具有與宏觀顆粒不同的性質。超臨界流體技術(SFE)制備超微粉體是一項新技術,它利用SCF較好的溶解能力和擴散能力,制備出性能優(yōu)異的超微粉體。超微粉體的成功研制,在材料、化工、電子、生物、醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用。按其工藝原理可分為:SCF快速膨脹法(RESS),SCF反溶劑法(SAS)和SCF微乳液法。成曉玲等對超臨界流體技術制備超微粉體的研究進展做了一個綜述,介紹了超臨界流體快速膨脹法(RES),超臨界流體反溶劑法(SAS)和超臨界流體微乳液法制備超微粉體的原理及應用?？傊?SCF技術可以實現(xiàn)低溫下制備納米顆粒,尤其適用于生物、制藥、食品以及具有光學特性的超微粉體的制備。在制備過程中顆粒的生物活性及物性損失較小,且制備出的粉體粒徑均勻,粒徑分布窄。

2.3用超臨界CO2制備藥丸外殼

藥物上聚合物外殼可保護藥中活性成分和避免輸送過程中受損害,但是通常所用的熱涂法往往會損傷藥物的活性成分。應用超臨界澆注在嚴格控制直徑的藥物聚合物粒子上,將藥物和聚合物粉末在31℃和0MPa壓力的CO2罐中混合,然后在2.0MPa壓力下以噴霧狀釋放進入膨脹容器中,從而制得藥丸外殼。

3化學反應

超臨界流體中的化學反應,與普通介質中的化學反應相比,有其獨特之處,在SCF的化學反應是一個非常有價值的研究領域。其中SCF的選取依據(jù)尚處于探索之中,其中研究多的是二氧化碳和水。超臨界二氧化碳(SC-CO2)和超臨界水(SC-H2O)擴散系數(shù)大,粘度遠小,惰性好,有極好的溶解能力和溶解選擇性,可以提高反應物濃度,加速反應,且越靠近臨界點,反應速率越快;調節(jié)壓力(或溫度)兩個參數(shù)來控制其活性,能及時地將反應產(chǎn)物從反應體系中分離,以獲得較大的轉化率和高選擇性,然后再回復到原來的反應條件繼續(xù)反應,達到反應和分離一體化。在超臨界流體中的化學反應,研究的較多的是氫化反應、氧化反應、聚合反應、酶催化反應和自由基反應,在這些反應中,速率大大提高,選擇專一性增強,產(chǎn)率也明顯提高。

4環(huán)境治理

超臨界水氧化是一種對有機廢料處理的新技術,優(yōu)點是被處理的有機物和氧在超臨界水中完全互溶,在400℃～600℃時,可使有機物迅速地轉化為水,N2、CO2和無機鹽等無毒物質,可用于處理酚類化合物、鹵代烴化合物等。與傳統(tǒng)濕式空氣氧化法、焚燒法和生化處理法相比,具有明顯的優(yōu)勢。