Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фазовая диаграмма давление-температура диоксида углерода

Сверхкритический диоксид углерода ( с CO
2) представляет собой жидкое состояние углекислого газа, в котором он поддерживается на уровне или выше своей критической температуры и критического давления .

Двуокись углерода обычно ведет себя как газ в воздухе при стандартной температуре и давлении (STP) или как твердое вещество, называемое сухим льдом, при достаточном охлаждении и / или повышении давления. Если температура и давление увеличиваются от STP до критической точки или выше для диоксида углерода, он может принять свойства на полпути между газом и жидкостью . В частности, он ведет себя как сверхкритический флюид выше своей критической температуры (304,13 K, 31,0 ° C, 87,8 ° F) [1] и критического давления (7,3773 МПа, 72,8 атм, 1070 фунтов на кв. Дюйм, 73,8 бар), [1]расширяется, чтобы заполнить свой сосуд, как газ, но с плотностью, как у жидкости.

Сверхкритический CO
2становится важным коммерческим и промышленным растворителем из-за его роли в химической экстракции, а также его низкой токсичности и воздействия на окружающую среду. Относительно низкая температура процесса и стабильность CO
2также позволяет экстрагировать большинство соединений с небольшим повреждением или денатурированием . Кроме того, растворимость многих экстрагируемых соединений в CO
2изменяется в зависимости от давления [2], что позволяет производить выборочную экстракцию.

Приложения [ править ]

Растворитель [ править ]

Основная статья: Сверхкритическая флюидная экстракция

Двуокись углерода набирает популярность среди производителей кофе, стремящихся отказаться от классических растворителей для удаления кофеина . с CO
2проталкивается через зеленые кофейные зерна, которые затем опрыскиваются водой под высоким давлением для удаления кофеина. Затем кофеин можно выделить для перепродажи (например, производителям фармацевтических препаратов или напитков) путем пропускания воды через фильтры с активированным углем или путем дистилляции , кристаллизации или обратного осмоса . Сверхкритический диоксид углерода используется для удаления хлорорганических пестицидов и металлов из сельскохозяйственных культур без добавления желаемых компонентов из растительного вещества в индустрии травяных добавок. [3]

Сверхкритический диоксид углерода можно использовать в качестве более экологически чистого растворителя для сухой чистки по сравнению с традиционными растворителями, такими как углеводороды, включая перхлорэтилен . [4]

Сверхкритический диоксид углерода используется в качестве экстракционного растворителя для создания эфирных масел и других травяных дистиллятов . [5] Его основные преимущества по сравнению с такими растворителями, как гексан и ацетон в этом процессе, заключаются в том, что он нетоксичен и негорючий. Кроме того, отделение компонентов реакции от исходного материала намного проще, чем с использованием традиционных органических растворителей . CO
2может испаряться в воздух или перерабатываться конденсацией в емкость для улавливания холода. Его преимущество перед перегонкой с водяным паром заключается в том, что он работает при более низкой температуре, что позволяет отделить растительные воски от масел. [6]

В лабораториях с СО
2используется в качестве экстракционного растворителя, например, для определения общего количества извлекаемых углеводородов из почв, отложений, летучей золы и других сред [7], а также для определения полициклических ароматических углеводородов в почве и твердых отходах. [8] Сверхкритическая флюидная экстракция использовалась для определения углеводородных компонентов в воде. [9]

Процессы, использующие s CO
2для производства микро- и наночастиц , часто для фармацевтического использования, находятся в стадии разработки. Процесс газового антирастворителя , быстрое расширение сверхкритических растворов и осаждение сверхкритического антирастворителя (а также несколько связанных методов) превращают различные вещества в частицы. [10]

Благодаря своей способности избирательно растворять органические соединения и способствовать функционированию ферментов, s CO
2был предложен в качестве потенциального растворителя для поддержки биологической активности на Венере или планетах типа суперземли . [11]

Производимая продукция [ править ]

Экологически чистые и недорогие заменители жесткого термопласта и обожженной керамики производятся с использованием s CO.
2как химический реагент . S CO
2в этих процессах реагирует с щелочными компонентами полностью затвердевшего гидравлического цемента или гипсовой штукатурки с образованием различных карбонатов. [12] Основным побочным продуктом является вода.

Сверхкритический диоксид углерода используется при вспенивании полимеров . Сверхкритический диоксид углерода может насыщать полимер растворителем. При сбросе давления и нагревании диоксид углерода быстро расширяется, вызывая пустоты в полимерной матрице, т.е. образуя пену. Во многих университетах также ведутся исследования по производству микросотовых пен с использованием углекислого газа.
2.

Электрохимическое карбоксилирование из пара - изобутил бензилхлорида пригодной для ибупрофен рекламируется под сек CO
2. [13]

Рабочая жидкость [ править ]

Сверхкритический CO
2является химически стабильным, надежным, недорогим, нетоксичным, негорючим и легкодоступным, что делает его желательным кандидатом на рабочую жидкость . [14]

Сверхкритический CO 2 используется в качестве рабочего тела в высокоэффективных тепловых насосах для воды для бытовых нужд . Произведенные и широко используемые тепловые насосы также коммерчески доступны для отопления и охлаждения жилых домов и предприятий. [14] В то время как некоторые из наиболее распространенных тепловых насосов для бытовой воды отводят тепло из помещения, в котором они расположены, такого как подвал или гараж, водонагреватели с тепловым насосом CO 2 обычно располагаются снаружи, где они отводят тепло снаружи. воздуха. [14]

Производство электроэнергии [ править ]

Уникальные свойства s CO
2представляют преимущества для выработки электроэнергии с обратной связью и могут применяться в различных приложениях для выработки электроэнергии. Системы выработки электроэнергии, в которых используются традиционные воздушные циклы Брайтона и паровые циклы Ренкина, могут быть модернизированы до выбросов CO.
2 для увеличения эффективности и выходной мощности.

В относительно новом энергетическом цикле Allam в качестве рабочего тела используется sCO 2 в сочетании с топливом и чистым кислородом. CO 2, образующийся при сгорании, смешивается с рабочей жидкостью sCO 2, и соответствующее количество чистого CO 2 необходимо удалить из процесса (для промышленного использования или связывания). Этот процесс снижает выбросы в атмосферу до нуля.

Он обладает интересными свойствами, которые обещают существенное повышение эффективности системы. Из-за высокой плотности жидкости s CO
2позволяет создавать чрезвычайно компактные и высокоэффективные турбомашины. Он может использовать более простые конструкции с одним корпусом, в то время как паровые турбины требуют нескольких ступеней турбины и связанных с ними корпусов, а также дополнительных впускных и выпускных трубопроводов. Высокая плотность позволяет создавать очень компактные микроканальные теплообменники. [15]

В 2016 году General Electric объявила о сверхкритическом CO.
2турбина, позволяющая с 50% -ным КПД преобразовывать тепловую энергию в электрическую. В нем СО
2нагревается до 700 ° C. Он требует меньшего сжатия и обеспечивает теплопередачу. На полную мощность она выходит за 2 минуты, тогда как паровым турбинам требуется не менее 30 минут. Прототип генерировал 10 МВт и примерно на 10% меньше сопоставимой паровой турбины. [16]

Кроме того, благодаря его превосходной термической стабильности и негорючести возможен прямой теплообмен от источников с высокой температурой, что обеспечивает более высокие температуры рабочей жидкости и, следовательно, более высокую эффективность цикла. В отличие от двухфазного потока однофазный характер s CO
2устраняет необходимость в подводе тепла для фазового перехода, необходимого для преобразования воды в пар, тем самым также устраняя связанную с этим термическую усталость и коррозию. [17]

Несмотря на обещание существенно более высокой эффективности и более низких капитальных затрат, использование s CO
2представлены вопросы выбора материалов и проектирования. Материалы компонентов производства электроэнергии должны обладать стойкостью к повреждениям, вызванным высокой температурой , окислением и ползучестью . К материалам-кандидатам, отвечающим этим требованиям по свойствам и рабочим характеристикам, относятся сплавы, используемые в производстве электроэнергии, такие как суперсплавы на основе никеля для компонентов турбомашин и аустенитные нержавеющие стали для трубопроводов. Компоненты внутри s CO
2Петли Брайтона страдают от коррозии и эрозии, особенно от эрозии турбомашин и компонентов рекуперативного теплообменника, а также от межкристаллитной коррозии и точечной коррозии в трубопроводах. [18]

Были проведены испытания возможных сплавов на основе никеля, аустенитных сталей, ферритных сталей и керамики на коррозионную стойкость в s CO.
2циклы. Интерес к этим материалам обусловлен образованием на их поверхности защитных оксидных слоев в присутствии диоксида углерода, однако в большинстве случаев требуется дальнейшая оценка механики реакции, кинетики и механизмов коррозии / эрозии, поскольку ни один из материалов не соответствует необходимым целям. . [19] [20]

Другое [ править ]

Ведутся работы по развитию как CO
2 газовая турбина замкнутого цикла для работы при температурах около 550 ° C. Это будет иметь последствия для тепловой и ядерной генерации электроэнергии, поскольку сверхкритические свойства диоксида углерода при температуре выше 500 ° C и 20 МПа обеспечивают тепловой КПД, приближающийся к 45 процентам. Это может увеличить электрическую мощность, производимую на единицу необходимого топлива, на 40 процентов и более. Учитывая объем углеродного топлива, используемого для производства электроэнергии, повышение эффективности цикла будет иметь значительное воздействие на окружающую среду. [21]

Сверхкритический CO
2это новый природный хладагент, используемый в новых низкоуглеродистых решениях для бытовых тепловых насосов . Сверхкритический CO
2тепловые насосы продаются на коммерческой основе в Азии. Системы EcoCute из Японии, разработанные Mayekawa, развивают высокотемпературную бытовую воду с небольшими затратами электроэнергии за счет передачи тепла в систему из окружающей среды. [22]

Сверхкритический CO
2 используется с 1980-х годов для увеличения нефтеотдачи зрелых нефтяных месторождений.

Появляются технологии « чистого угля », которые могут сочетать такие методы повышения нефтеотдачи с улавливанием углерода . При использовании газификаторов вместо обычных печей уголь и вода восстанавливаются до газообразного водорода, двуокиси углерода и золы. Этот газообразный водород можно использовать для производства электроэнергии в газовых турбинах с комбинированным циклом , CO
2улавливается, сжимается до сверхкритического состояния и закачивается в геологическое хранилище, возможно, в существующие нефтяные месторождения для повышения урожайности. Уникальные свойства s CO
2убедитесь, что он остается вне атмосферы. [23] [24] [25]

Сверхкритический CO
2может использоваться в качестве рабочего тела для выработки геотермальной электроэнергии как в усовершенствованных геотермальных системах [26], [27] [28] [29], так и в осадочных геотермальных системах (так называемые CO
2Плюм геотермальный). [30] [31] Системы EGS используют резервуар с искусственными трещинами в породе фундамента, в то время как системы CPG используют более мелкие, естественно проницаемые осадочные резервуары. Возможные преимущества использования CO
2в геологическом резервуаре, по сравнению с водой, включают более высокий выход энергии в результате его более низкой вязкости, лучшего химического взаимодействия и постоянного CO
2хранение, так как резервуар должен быть заполнен большими массами CO
2. По состоянию на 2011 год концепция не тестировалась в полевых условиях. [32]

Производство аэрогелей [ править ]

Сверхкритический диоксид углерода используется в производстве аэрогелей на основе кремнезема, углерода и металлов . Например, образуется гель диоксида кремния, который затем подвергается воздействию s CO.
2. Когда CO
2становится сверхкритическим, все поверхностное натяжение снимается, позволяя жидкости покинуть аэрогель и образовать поры нанометрового размера. [33]

Стерилизация биомедицинских материалов [ править ]

Сверхкритический CO
2является альтернативой термической стерилизации биологических материалов и медицинских устройств с добавкой перуксусной кислоты (PAA). Сверхкритический CO
2не стерилизует среду, потому что не убивает споры микроорганизмов. Более того, этот процесс щадящий, так как морфология, ультраструктура и белковые профили инактивированных микробов сохраняются. [34]

Очистка [ править ]

Сверхкритический CO
2используется в некоторых промышленных процессах очистки .

См. Также [ править ]

  • Кофеин
  • Химчистка
  • Духи
  • Сверхкритическая жидкость

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Спан, Роланд; Вагнер, Вольфганг (1996). «Новое уравнение состояния углекислого газа, покрывающего жидкую область, от температуры тройной точки до 1100 К при давлениях до 800 МПа». Журнал физических и химических справочных данных . 25 (6): 1509–1596. Bibcode : 1996JPCRD..25.1509S . DOI : 10.1063 / 1.555991 .
  2. ^ Открытие - Может ли химия спасти мир? - Всемирная служба Би-би-си
  3. ^ Кафедра фармацевтического анализа, Шэньянский фармацевтический университет, Шэньян 110016, Китай
  4. ↑ Стюарт, Джина (2003), Джозеф М. Дезимоун; Уильям Тумас (ред.), «Химчистка с жидким углекислым газом», « Зеленая химия с использованием жидкости и S CO»
    2    : 215–227
  5. ^ Aizpurua-Olaizola, Oier; Ормазабал, Маркел; Вальехо, Азиер; Оливарес, Майтан; Наварро, Патрисия; Etxebarria, Нестор; Усобиага, Арезац (01.01.2015). «Оптимизация сверхкритической жидкости последовательной экстракции жирных кислот и полифенолов из виноградных отходов Vitis vinifera». Журнал пищевой науки . 80 (1): E101–107. DOI : 10.1111 / 1750-3841.12715 . ISSN 1750-3841 . PMID 25471637 .  
  6. ^ Mendiola, JA; Herrero, M .; Cifuentes, A .; Ибаньес, Э. (2007). «Использование сжатых жидкостей для пробоподготовки: пищевые продукты». Журнал хроматографии A . 1152 (1-2): 234–246. DOI : 10.1016 / j.chroma.2007.02.046 . hdl : 10261/12445 . PMID 17353022 . 
  7. ^ Метод USEPA 3560 Сверхкритическая жидкостная экстракция всех извлекаемых углеводородов
  8. ^ Метод USEPA 3561 Сверхкритическая жидкостная экстракция полициклических ароматических углеводородов .
  9. ^ Использование озоноразрушающих веществ в лабораториях . ТемаНорд 2003: 516.
  10. ^ Йео, S .; Киран, Э. (2005). «Формирование полимерных частиц со сверхкритическими жидкостями: обзор». J. Supercrit. Жидкости . 34 (3): 287–308. DOI : 10.1016 / j.supflu.2004.10.006 .
  11. ^ Будиса, Недилько; Шульце-Макух, Дирк (8 августа 2014 г.). «Сверхкритический диоксид углерода и его потенциал в качестве поддерживающего жизнь растворителя в планетарной среде» . Жизнь . 4 (3): 331–340. DOI : 10,3390 / life4030331 . PMC 4206850 . PMID 25370376 .  
  12. ^ Рубин, Джеймс Б.; Тейлор, Крейг М.В.; Хартманн, Томас; Павиет-Хартманн, Патрисия (2003), Джозеф М. ДеСимоун; Уильям Тумас (ред.), «Улучшение свойств портландцементов с использованием сверхкритического диоксида углерода», « Зеленая химия» с использованием жидкого и сверхкритического диоксида углерода : 241–255
  13. ^ Сакакура, Тошиясу ; Чой, Джун-Чул ; Ясуда, Хироюки (13 июня 2007 г.). «Превращение углекислого газа». Химические обзоры . 107 (6): 2365–2387. DOI : 10.1021 / cr068357u . PMID 17564481 . 
  14. ^ а б в Ма, Итай; Лю, Чжунъянь; Тиан, Хуа (2013). «Обзор транскритических тепловых насосов на диоксиде углерода и холодильных циклов» . Энергия . 55 : 156–172. DOI : 10.1016 / j.energy.2013.03.030 . ISSN 0360-5442 . 
  15. ^ «Разработка и коммерциализация сверхкритического цикла мощности CO2: почему sCO2 может вытеснить пар» (PDF) .
  16. Рианна Талбот, Дэвид (11 апреля 2016 г.). «Турбина размером с рабочий стол может привести в действие город» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 13 апреля 2016 .
  17. ^ "Циклы питания сверхкритического диоксида углерода начинают выходить на рынок" . Разрушающая энергия .
  18. ^ "Коррозия и эрозия в CO2Циклы питания » (PDF) . Сандианские национальные лаборатории.
  19. ^ "ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОВМЕСТИМОСТЬ sCO2 ОБЫЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ СПЛАВОВ" (PDF) . 4-й Международный симпозиум - Энергетические циклы сверхкритического CO2. Архивировано из оригинального (PDF) 23 апреля 2016 года.
  20. ^ Дж. Паркс, Кертис. "Коррозия потенциальных жаропрочных сплавов в сверхкритическом диоксиде углерода" (PDF) . Оттава-Карлтонский институт машиностроения и аэрокосмической техники.
  21. ^ В. Досталь, MJ Дрисколл, П. Хейзлар, "Цикл сверхкритического углекислого газа для ядерных реакторов нового поколения" (PDF) . Проверено 20 ноября 2007 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) Серия MIT-ANP, MIT-ANP-TR-100 (2004 г.)
  22. ^ «Тепловые насосы» . Производственная компания Маякава (Mycom) . Проверено 7 февраля 2015 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  23. ^ «Водородная экономика: возможности, затраты, препятствия и потребности в исследованиях и разработках» , стр. 84 (2004)
  24. ^ «Проект FutureGen 2.0» . FutureGen Alliance . Архивировано из оригинального 10 февраля 2015 года . Проверено 7 февраля 2015 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  25. ^ Øyvind Vessia: «Фишеру Тропша подпитывается синтез - газа» Архивированные 2007-09-29 в Wayback Machine
  26. ^ К. Прюсс (2006), "Концепция геотермальной энергии горячих сухих пород с использованием CO2вместо воды ». Архивировано 8 октября 2011 г. в Wayback Machine.
  27. ^ Дональд В. Браун (2000), "О возможности использования s CO2в качестве теплоносителя в спроектированной геотермальной системе с горячими сухими породами ». Архивировано 4 сентября 2006 г. в Wayback Machine.
  28. ^ K Pruess (2007) Расширенные геотермальные системы (EGS), сравнивающие воду с CO2 как теплопередающие жидкости »
  29. ^ J Apps (2011), "Моделирование геохимических процессов в усовершенствованных геотермальных системах с CO.2 как теплоноситель »
  30. ^ Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2011). «Сочетание улавливания геотермальной энергии с геологической секвестрацией углекислого газа» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (L10401): н / д. Bibcode : 2011GeoRL..3810401R . DOI : 10.1029 / 2011GL047265 .
  31. ^ Адамс, Бенджамин М .; Kuehn, Thomas H .; Bielicki, Джеффри М .; Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2015). «Сравнение выработки электроэнергии геотермальной системой CO2 Plume (CPG) и геотермальной системой с рассолом для различных пластовых условий». Прикладная энергия . 140 : 365–377. DOI : 10.1016 / j.apenergy.2014.11.043 .
  32. ^ http://earthsciences.typepad.com/blog/2011/06/achieve-carbon-sequestration-and-geothermal-energy-production-a-win-win.html Новости и события ESD "Достижение секвестрации углерода и производства геотермальной энергии : Беспроигрышный вариант! "
  33. ^ "Aerogel.org» Сверхкритическая сушка " .
  34. ↑ Уайт, Анджела; Бернс, Дэвид; Кристенсен, Тим В. (2006). «Эффективная терминальная стерилизация с использованием сверхкритического диоксида углерода». Журнал биотехнологии . 123 (4): 504–515. DOI : 10.1016 / j.jbiotec.2005.12.033 . PMID 16497403 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Мухопадхьяй М. (2000). Натуральные экстракты с использованием сверхкритического диоксида углерода . США: CRC Press, LLC. Бесплатный предварительный просмотр в Google Книгах .