Superkritische Flüssigkeit - Supercritical fluid

Ein überkritisches Fluid ( SCF ) ist jeder Stoff bei einer Temperatur und einem Druck oberhalb seines kritischen Punktes , wo keine getrennten Flüssigkeits- und Gasphasen existieren, aber unterhalb des Drucks, der erforderlich ist, um es zu einem Feststoff zu komprimieren . Es kann effuse wie ein Gas durch poröse Feststoffe, die Überwindung Massentransferbeschränkungen , dass langsamer Flüssigkeitstransport durch solche Materialien. SCF sind Gasen in ihrer Fähigkeit, Materialien wie Flüssigkeiten oder Feststoffe aufzulösen, weit überlegen . Darüber hinaus führen kleine Druck- oder Temperaturänderungen nahe dem kritischen Punkt zu großen Dichteänderungen , wodurch viele Eigenschaften eines überkritischen Fluids "fein abgestimmt" werden können.

Überkritische Fluide kommen in den Atmosphären der Gasriesen Jupiter und Saturn , des terrestrischen Planeten Venus und wahrscheinlich in denen der Eisriesen Uranus und Neptun vor . Überkritisches Wasser kommt auf der Erde vor , wie zum Beispiel das Wasser, das aus schwarzen Rauchern , einer Art hydrothermalen Unterwasser- Schloten, austritt . Sie werden als Ersatz für organische Lösungsmittel in einer Reihe von Industrie- und Laborprozessen verwendet. Kohlendioxid und Wasser sind die am häufigsten verwendeten überkritischen Fluide; sie werden häufig zur Entkoffeinierung bzw. zur Stromerzeugung verwendet.

Eigenschaften

Allgemein gesagt haben überkritische Fluide Eigenschaften zwischen denen eines Gases und einer Flüssigkeit. In Tabelle 1 sind die kritischen Eigenschaften einiger Substanzen dargestellt, die üblicherweise als überkritische Fluide verwendet werden.

Tabelle 1. Kritische Eigenschaften verschiedener Lösungsmittel
Lösungsmittel Molekulare Masse Kritische Temperatur Kritischer Druck Kritische Dichte
g/mol K MPa ( atm ) g / cm 3
Kohlendioxid (CO 2 ) 44.01 304.1 7,38 (72,8) 0,469
Wasser (H 2 O) 18.015 647.096 22.064 (217.755) 0,322
Methan (CH 4 ) 16.04 190,4 4,60 (45,4) 0,162
Ethan (C 2 H 6 ) 30.07 305.3 4,87 (48,1) 0,203
Propan (C 3 H 8 ) 44.09 369.8 4,25 (41,9) 0,217
Ethylen (C 2 H 4 ) 28.05 282.4 5,04 (49,7) 0,215
Propylen (C 3 H 6 ) 42.08 364.9 4,60 (45,4) 0,232
Methanol (CH 3 OH) 32.04 512.6 8.09 (79.8) 0,272
Ethanol (C 2 H 5 OH) 46.07 513.9 6,14 (60,6) 0,276
Aceton (C 3 H 6 O) 58.08 508.1 4,70 (46,4) 0,278
Lachgas (N 2 O) 44.013 306.57 7,35 (72,5) 0,452

†Quelle: International Association for Properties of Water and Steam ( IAPWS )

Tabelle 2 zeigt Dichte, Diffusivität und Viskosität für typische Flüssigkeiten, Gase und überkritische Fluide.

Tabelle 2. Vergleich von Gasen, überkritischen Fluiden und Flüssigkeiten
Dichte (kg/m 3 ) Viskosität ( µPa·s ) Diffusivität (mm 2 /s)
Gase 1 10 1–10
Überkritische Flüssigkeiten 100–1000 50–100 0,01–0,1
Flüssigkeiten 1000 500–1000 0,001

Außerdem gibt es in einem überkritischen Fluid keine Oberflächenspannung , da es keine Flüssig/Gas-Phasengrenze gibt. Durch Ändern des Drucks und der Temperatur des Fluids können die Eigenschaften "abgestimmt" werden, um flüssigkeitsähnlicher oder gasähnlicher zu sein. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die Löslichkeit des Materials in der Flüssigkeit. Die Löslichkeit in einem überkritischen Fluid nimmt tendenziell mit der Dichte des Fluids (bei konstanter Temperatur) zu. Da die Dichte mit dem Druck zunimmt, neigt die Löslichkeit dazu, mit dem Druck zuzunehmen. Der Zusammenhang mit der Temperatur ist etwas komplizierter. Bei konstanter Dichte nimmt die Löslichkeit mit der Temperatur zu. In der Nähe des kritischen Punktes kann die Dichte jedoch bei leichtem Temperaturanstieg stark abfallen. Daher sinkt die Löslichkeit nahe der kritischen Temperatur oft mit steigender Temperatur und steigt dann wieder an.

Mischungen

Üblicherweise sind überkritische Fluide vollständig miteinander mischbar , so dass ein binäres Gemisch bei Überschreiten des kritischen Punktes des Gemisches eine einzige Gasphase bildet. Ausnahmen sind jedoch in Systemen bekannt, bei denen eine Komponente wesentlich flüchtiger ist als die andere, die bei hohem Druck und Temperaturen oberhalb der kritischen Punkte der Komponente teilweise zwei nicht mischbare Gasphasen bilden. Dieses Verhalten wurde beispielsweise bei den Systemen N 2 -NH 3 , NH 3 -CH 4 , SO 2 -N 2 und n-Butan-H 2 O gefunden.

Der kritische Punkt einer binären Mischung kann als arithmetisches Mittel der kritischen Temperaturen und Drücke der beiden Komponenten abgeschätzt werden,

T c (Mischung) = (Molenbruch A ) × T c ( A ) + (Molenbruch B ) × T c ( B ) .

Für eine größere Genauigkeit kann der kritische Punkt mithilfe von Zustandsgleichungen wie dem Peng-Robinson -Verfahren oder Gruppenbeitragsverfahren berechnet werden . Andere Eigenschaften, wie die Dichte, können ebenfalls mit Zustandsgleichungen berechnet werden.

Phasendiagramm

Abbildung 1. Kohlendioxid-Druck-Temperatur-Phasendiagramm
Abbildung 2. Kohlendioxid-Dichte-Druck-Phasendiagramm

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen zweidimensionale Projektionen eines Phasendiagramms . Im Druck-Temperatur-Phasendiagramm (Abb. 1) trennt die Siedekurve den Gas- und Flüssigkeitsbereich und endet im kritischen Punkt, wo die Flüssigkeits- und Gasphase zu einer einzigen überkritischen Phase verschwinden.

Das Auftreten einer einzelnen Phase kann auch im Dichte-Druck-Phasendiagramm für Kohlendioxid beobachtet werden (Abb. 2). Deutlich unterhalb der kritischen Temperatur, z. B. 280 K, komprimiert sich das Gas mit steigendem Druck und kondensiert schließlich (bei knapp über 40 bar ) zu einer viel dichteren Flüssigkeit, was zu einer Unstetigkeit in der Leitung führt (senkrechte gestrichelte Linie). Das System besteht aus 2 Phasen im Gleichgewicht , einer dichten Flüssigkeit und einem Gas geringer Dichte. Bei Annäherung an die kritische Temperatur (300 K) wird die Dichte des Gases im Gleichgewicht höher und die der Flüssigkeit niedriger. Am kritischen Punkt (304,1 K und 7,38 MPa (73,8 bar)) gibt es keinen Dichteunterschied und die 2 Phasen werden zu einer flüssigen Phase. Oberhalb der kritischen Temperatur kann ein Gas also nicht durch Druck verflüssigt werden. Etwas oberhalb der kritischen Temperatur (310 K), in der Nähe des kritischen Drucks, verläuft die Linie fast senkrecht. Eine kleine Druckerhöhung bewirkt eine starke Zunahme der Dichte der überkritischen Phase. Viele andere physikalische Eigenschaften zeigen ebenfalls große Druckgradienten in der Nähe des kritischen Punktes, zB die Viskosität , die relative Permittivität und die Lösungsmittelstärke, die alle eng mit der Dichte zusammenhängen. Bei höheren Temperaturen beginnt sich die Flüssigkeit eher wie ein ideales Gas zu verhalten, mit einer lineareren Dichte/Druck-Beziehung, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Für Kohlendioxid bei 400 K nimmt die Dichte fast linear mit dem Druck zu.

Viele Druckgase sind tatsächlich überkritische Fluide. Stickstoff hat beispielsweise einen kritischen Punkt von 126,2 K (−147 °C) und 3,4 MPa (34 bar). Daher ist Stickstoff (oder Druckluft) in einer Gasflasche über diesem Druck tatsächlich ein überkritisches Fluid. Diese werden häufiger als Dauergase bezeichnet. Bei Raumtemperatur liegen sie deutlich über ihrer kritischen Temperatur und verhalten sich daher wie ein nahezu ideales Gas, ähnlich wie CO 2 bei 400 K darüber. Sie können jedoch nicht durch mechanischen Druck verflüssigt werden, es sei denn, sie werden unter ihre kritische Temperatur abgekühlt, wodurch Gravitationsdruck wie in Gasriesen erforderlich ist , um bei hohen Temperaturen eine Flüssigkeit oder einen Feststoff zu produzieren. Oberhalb der kritischen Temperatur können erhöhte Drücke die Dichte so weit erhöhen, dass der SCF eine flüssigkeitsähnliche Dichte und ein flüssigkeitsähnliches Verhalten zeigt. Bei sehr hohen Drücken kann ein SCF zu einem Feststoff verdichtet werden, da die Schmelzkurve rechts vom kritischen Punkt im P/T-Phasendiagramm verläuft. Während der erforderliche Druck, um überkritisches CO 2 zu einem Feststoff zu verdichten , je nach Temperatur bis zu 570 MPa betragen kann, beträgt der erforderliche Druck zum Verfestigen von überkritischem Wasser 14.000 MPa.

Die Fisher-Widom-Linie , die Widom-Linie oder die Frenkel-Linie sind thermodynamische Konzepte, die es erlauben, flüssigkeitsähnliche und gasähnliche Zustände innerhalb des überkritischen Fluids zu unterscheiden.

In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um verschiedene Eigenschaften überkritischer Fluide zu untersuchen. Dies ist ein spannendes Gebiet mit einer langen Geschichte seit 1822, als Baron Charles Cagniard de la Tour superkritische Flüssigkeiten entdeckte, während er Experimente mit den Diskontinuitäten des Schalls in einem mit verschiedenen Flüssigkeiten bei hoher Temperatur gefüllten abgedichteten Geschützrohr durchführte. In jüngerer Zeit haben überkritische Flüssigkeiten in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung gefunden, von der Extraktion von Blumenduft aus Blumen bis hin zu Anwendungen in der Lebensmittelwissenschaft, wie z Materialien, Nanosysteme, Naturprodukte, Biotechnologie, fossile und Biokraftstoffe, Mikroelektronik, Energie und Umwelt. Ein Großteil der Aufregung und des Interesses des letzten Jahrzehnts ist auf die enormen Fortschritte zurückzuführen, die bei der Leistungssteigerung relevanter experimenteller Werkzeuge erzielt wurden. Die Entwicklung neuer experimenteller Methoden und die Verbesserung bestehender Methoden spielen auf diesem Gebiet weiterhin eine wichtige Rolle, wobei sich die neuere Forschung auf die dynamischen Eigenschaften von Fluiden konzentriert.

Natürliches Vorkommen

Hydrothermale Zirkulation

Ein schwarzer Raucher , eine Art hydrothermaler Schlot

Die hydrothermale Zirkulation findet innerhalb der Erdkruste überall dort statt, wo Flüssigkeit erhitzt wird und zu konvektionieren beginnt. Es wird angenommen, dass diese Flüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen überkritische Bedingungen erreichen, beispielsweise bei der Bildung von Porphyr-Kupfer-Lagerstätten oder der Hochtemperaturzirkulation von Meerwasser im Meeresboden. An mittelozeanischen Rücken wird diese Zirkulation am deutlichsten durch das Auftreten von hydrothermalen Quellen, die als "schwarze Raucher" bekannt sind. Dies sind große (meterhohe) Schornsteine ​​​​aus Sulfid- und Sulfatmineralien, die Flüssigkeiten bis zu 400 °C ablassen. Die Flüssigkeiten erscheinen wie große schwarze Rauchwolken aufgrund der Ausfällung von gelösten Metallen in der Flüssigkeit. Es ist wahrscheinlich, dass viele dieser Austrittsstellen in der Tiefe überkritische Bedingungen erreichen, die meisten jedoch ausreichend abkühlen, wenn sie den Meeresboden erreichen, um unterkritisch zu sein. Eine bestimmte Entlüftungsstelle, Turtle Pits, hat eine kurze Zeit der Überkritikalität an der Entlüftungsstelle gezeigt. Ein weiterer Standort, Beebe , im Cayman Trog, soll an der Entlüftungsöffnung eine anhaltende Überkritikalität aufweisen.

Planetare Atmosphären

Die Atmosphäre der Venus besteht zu 96,5% aus Kohlendioxid und 3,5% aus Stickstoff. Der Oberflächendruck beträgt 9,3 MPa (93 bar) und die Oberflächentemperatur beträgt 735 K, über den kritischen Punkten der beiden Hauptbestandteile und macht die Oberflächenatmosphäre zu einem überkritischen Fluid.

Die Innenatmosphären der Gasriesenplaneten des Sonnensystems bestehen bei Temperaturen weit über ihren kritischen Punkten hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Die gasförmigen äußeren Atmosphären von Jupiter und Saturn gehen sanft in das dichte flüssige Innere über, während die Natur der Übergangszonen von Neptun und Uranus unbekannt ist. Theoretische Modelle des extrasolaren Planeten Gliese 876 d haben einen Ozean aus unter Druck stehendem, überkritischem flüssigem Wasser mit einer Schicht aus festem Hochdruck-Wassereis am Boden postuliert.

Anwendungen

Extraktion überkritischer Flüssigkeiten

Die Vorteile der Extraktion mit überkritischen Fluiden (im Vergleich zur Flüssigextraktion) bestehen darin, dass sie aufgrund der niedrigen Viskositäten und hohen Diffusionsfähigkeiten, die mit überkritischen Fluiden verbunden sind, relativ schnell ist. Die Extraktion kann bis zu einem gewissen Grad selektiv sein, indem die Dichte des Mediums gesteuert wird, und das extrahierte Material wird leicht durch einfaches Druckentlasten gewonnen, wodurch ermöglicht wird, dass das überkritische Fluid in die Gasphase zurückkehrt und verdampft, wobei nur wenige oder keine Lösungsmittelrückstände zurückbleiben. Kohlendioxid ist das häufigste überkritische Lösungsmittel. Es wird in großem Umfang zur Entkoffeinierung von grünen Kaffeebohnen, zur Gewinnung von Hopfen für die Bierherstellung und zur Herstellung von ätherischen Ölen und pharmazeutischen Produkten aus Pflanzen verwendet. Einige Labortestverfahren umfassen die Verwendung von überkritischen Fluidextraktion als Extraktionsverfahren anstelle der Verwendung von herkömmlichen Lösemitteln .

Zersetzung überkritischer Fluide

Überkritisches Wasser kann verwendet werden, um Biomasse durch überkritisches Wasser-Vergasung von Biomasse zu zersetzen. Diese Art der Biomassevergasung kann verwendet werden, um Kohlenwasserstoff-Brennstoffe zur Verwendung in einer effizienten Verbrennungsvorrichtung zu erzeugen oder um Wasserstoff zur Verwendung in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Im letzteren Fall kann die Wasserstoffausbeute aufgrund der Dampfreformierung, bei der Wasser ein Wasserstoff liefernder Teilnehmer an der Gesamtreaktion ist, viel höher sein als der Wasserstoffgehalt der Biomasse.

Chemische Reinigung

Überkritisches Kohlendioxid (SCD) kann anstelle von PERC ( Perchlorethylen ) oder anderen unerwünschten Lösungsmitteln für die chemische Reinigung verwendet werden . Überkritisches Kohlendioxid interkaliert manchmal in Knöpfen, und wenn der SCD drucklos gemacht wird, platzen die Knöpfe oder brechen auseinander. In Kohlendioxid lösliche Detergenzien verbessern die Solvatisierungskraft des Lösungsmittels. CO 2 -basierte Trockenreinigungsgeräte verwenden flüssiges CO 2 , kein überkritisches CO 2 , um eine Beschädigung der Tasten zu vermeiden.

Überkritische Flüssigkeitschromatographie

Die überkritische Flüssigkeitschromatographie (SFC) kann im analytischen Maßstab eingesetzt werden, wo sie viele der Vorteile der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und der Gaschromatographie (GC) kombiniert . Es kann mit nichtflüchtigen und thermisch labilen Analyten (im Gegensatz zu GC) verwendet werden und kann mit dem universellen Flammenionisationsdetektor (im Gegensatz zu HPLC) verwendet werden und erzeugt aufgrund der schnellen Diffusion schmalere Peaks. In der Praxis reichten die Vorteile der SFC nicht aus, um die weit verbreiteten HPLC und GC zu ersetzen, außer in einigen Fällen wie chiralen Trennungen und der Analyse von hochmolekularen Kohlenwasserstoffen. Für die Fertigung stehen effiziente präparative simulierte Wanderbettanlagen zur Verfügung. Die Reinheit der Endprodukte ist sehr hoch, aber die Kosten machen es nur für sehr hochwertige Materialien wie Pharmazeutika geeignet.

Chemische Reaktionen

Eine Änderung der Bedingungen des Reaktionslösungsmittels kann eine Phasentrennung zur Produktentfernung oder eine Einzelphase zur Reaktion ermöglichen. Schnelle Diffusion beschleunigt diffusionskontrollierte Reaktionen. Temperatur und Druck können die Reaktion auf bevorzugte Wege abstimmen, zB um die Ausbeute eines bestimmten chiralen Isomers zu verbessern . Es gibt auch erhebliche Umweltvorteile gegenüber herkömmlichen organischen Lösungsmitteln. Industrielle Synthesen , die unter überkritischen Bedingungen durchgeführt werden , umfassen solche von Polyethylen aus überkritischem Ethen , Isopropylalkohol aus überkritischem Propen , 2-Butanol aus überkritischem Buten und Ammoniak aus einer überkritischen Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff . Andere Reaktionen wurden in der Vergangenheit industriell unter überkritischen Bedingungen durchgeführt, darunter die Synthese von Methanol und das thermische (nicht-katalytische) Ölcracken. Durch die Entwicklung wirksamer Katalysatoren wurden die erforderlichen Temperaturen dieser beiden Verfahren gesenkt und sind nicht mehr überkritisch.

Imprägnieren und Färben

Die Imprägnierung ist im Wesentlichen das Gegenteil der Extraktion. In dem überkritischen Fluid wird eine Substanz gelöst, die Lösung strömt an einem festen Substrat vorbei und lagert sich auf dem Substrat ab oder löst sich darin auf. Das Färben, das auf Polymerfasern, wie Polyester mit Dispersions (nichtionisch) ohne weiteres durchgeführt wird , Farbstoffen , ist ein Spezialfall von diesem. Auch Kohlendioxid löst sich in vielen Polymeren, quillt und plastifiziert diese stark und beschleunigt den Diffusionsprozess weiter.

Nano- und Mikropartikelbildung

Die Bildung kleiner Partikel einer Substanz mit enger Größenverteilung ist ein wichtiger Prozess in der pharmazeutischen und anderen Industrie. Überkritische Fluide bieten eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu erreichen, indem der Sättigungspunkt eines gelösten Stoffes durch Verdünnung, Druckentlastung oder eine Kombination davon schnell überschritten wird . Diese Prozesse laufen in überkritischen Fluiden schneller ab als in Flüssigkeiten, fördern die Keimbildung oder spinodale Zersetzung gegenüber dem Kristallwachstum und ergeben sehr kleine Partikel mit regelmäßiger Größe. Neuere überkritische Fluide haben die Fähigkeit gezeigt, Partikel bis zu einem Bereich von 5-2000 nm zu reduzieren.

Erzeugung pharmazeutischer Cokristalle

Überkritische Flüssigkeiten fungieren als neue Medien für die Erzeugung neuartiger kristalliner Formen von APIs (Active Pharmaceutical Ingredients), die als pharmazeutische Cokristalle bezeichnet werden. Die überkritische Fluidtechnologie bietet eine neue Plattform, die eine einstufige Erzeugung von Partikeln ermöglicht, die mit herkömmlichen Techniken nur schwer oder gar nicht zu gewinnen sind. Die Erzeugung reiner und getrockneter neuer Cokristalle (kristalline Molekülkomplexe, die das API und ein oder mehrere Konformere im Kristallgitter umfassen) kann aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von SCFs durch die Verwendung verschiedener überkritischer Fluideigenschaften erreicht werden: überkritisches CO 2 -Lösungsvermögen, Anti-Lösungsmittel Wirkung und deren Zerstäubungsverstärkung.

Überkritische Trocknung

Überkritisches Trocknen ist ein Verfahren zum Entfernen von Lösungsmitteln ohne Oberflächenspannungseffekte. Wenn eine Flüssigkeit trocknet, zieht die Oberflächenspannung an kleinen Strukturen innerhalb eines Festkörpers, was zu Verformung und Schrumpfung führt. Unter überkritischen Bedingungen gibt es keine Oberflächenspannung und das überkritische Fluid kann ohne Verzerrung entfernt werden. Die überkritische Trocknung wird bei der Herstellung von Aerogelen und der Trocknung empfindlicher Materialien wie archäologischer Proben und biologischer Proben für die Elektronenmikroskopie verwendet .

Überkritische Wasseroxidation

Bei der überkritischen Wasseroxidation wird überkritisches Wasser als Medium verwendet, um gefährlichen Abfall zu oxidieren, wodurch die Bildung giftiger Verbrennungsprodukte, die beim Verbrennen entstehen können, eliminiert wird.

Das zu oxidierende Abfallprodukt wird zusammen mit molekularem Sauerstoff (oder einem Oxidationsmittel, das bei der Zersetzung Sauerstoff abgibt, zB Wasserstoffperoxid ), im überkritischen Wasser gelöst, woraufhin die Oxidationsreaktion stattfindet.

Überkritische Wasserhydrolyse

Die überkritische Hydrolyse ist ein Verfahren zur Umwandlung aller Biomasse-Polysaccharide sowie des zugehörigen Lignins in niedermolekulare Verbindungen durch Kontakt mit Wasser allein unter überkritischen Bedingungen. Das überkritische Wasser dient als Lösungsmittel, Lieferant von bindungsbrechender thermischer Energie, als Wärmeübertragungsmittel und als Quelle für Wasserstoffatome. Alle Polysaccharide werden in einer Sekunde oder weniger in nahezu quantitativer Ausbeute in einfache Zucker umgewandelt. Die aliphatischen Interringbindungen von Lignin werden auch leicht in freie Radikale gespalten, die durch aus dem Wasser stammenden Wasserstoff stabilisiert werden. Die aromatischen Ringe des Lignins werden bei kurzen Reaktionszeiten nicht beeinflusst, so dass die von Lignin abgeleiteten Produkte gemischte Phenole mit niedrigem Molekulargewicht sind. Um die für die Spaltung erforderlichen sehr kurzen Reaktionszeiten zu nutzen, muss ein kontinuierliches Reaktionssystem entwickelt werden. Die Wassermenge, die auf einen überkritischen Zustand erhitzt wird, wird dadurch minimiert.

Überkritische Wasservergasung

Die Vergasung von überkritischem Wasser ist ein Verfahren, bei dem die vorteilhafte Wirkung von überkritischem Wasser genutzt wird, um wässrige Biomasseströme in sauberes Wasser und Gase wie H 2 , CH 4 , CO 2 , CO usw. umzuwandeln .

Überkritisches Fluid in der Stromerzeugung

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist letztlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ( Carnot-Zyklus ). Um den Wirkungsgrad von Kraftwerken zu verbessern, muss die Betriebstemperatur erhöht werden. Mit Wasser als Arbeitsmedium gelangt es in überkritische Zustände. Wirkungsgrade lassen sich von ca. 39 % bei unterkritischem Betrieb auf ca. 45 % mit aktueller Technik steigern. Superkritische Wasserreaktoren (SCWRs) sind vielversprechende fortgeschrittene Nuklearsysteme, die ähnliche thermische Effizienzgewinne bieten. Kohlendioxid kann auch in Kernkraftwerken mit überkritischem Kreislauf mit ähnlichen Effizienzgewinnen verwendet werden. Viele kohlebefeuerte überkritische Dampferzeuger sind auf der ganzen Welt in Betrieb und haben die Effizienz traditioneller Dampfkraftwerke verbessert.

Biodieselproduktion

Die Umwandlung von Pflanzenöl in Biodiesel erfolgt über eine Umesterungsreaktion , bei der das Triglycerid in den Methylester plus Glycerin umgewandelt wird . Dies geschieht normalerweise unter Verwendung von Methanol und ätzenden oder sauren Katalysatoren, kann jedoch auch ohne Katalysator mit überkritischem Methanol erreicht werden. Die Methode zur Verwendung von überkritischem Methanol für die Biodieselproduktion wurde zuerst von Saka und seinen Mitarbeitern untersucht. Dies hat den Vorteil, dass eine größere Bandbreite und ein größerer Wassergehalt der Einsatzmaterialien (insbesondere Altspeiseöl) ermöglicht werden, das Produkt nicht gewaschen werden muss, um den Katalysator zu entfernen, und einfacher als kontinuierlicher Prozess ausgelegt werden kann.

Verbesserte Ölrückgewinnung und Kohlenstoffabscheidung und -speicherung

Überkritisches Kohlendioxid wird verwendet, um die Ölförderung in ausgereiften Ölfeldern zu verbessern . Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, durch „ Clean Coal Technology “ verbesserte Rückgewinnungsverfahren mit Kohlenstoffbindung zu kombinieren . Das CO 2 wird von anderen Rauchgasen getrennt , bis zum überkritischen Zustand verdichtet und in geologische Speicher, möglicherweise in bestehende Ölfelder, um die Ausbeute zu verbessern, injiziert.

Gegenwärtig nutzen nur Systeme zur Isolierung von fossilem CO 2 aus Erdgas tatsächlich eine Kohlenstoffspeicherung (zB Sleipner Gasfeld ), aber es gibt viele Pläne für zukünftige CCS-Systeme mit CO 2 vor oder nach der Verbrennung . Es besteht auch die Möglichkeit, die CO 2 -Menge in der Atmosphäre durch die Nutzung von Biomasse zur Stromerzeugung und die Sequestrierung des entstehenden CO 2 zu reduzieren .

Verbessertes geothermisches System

Als geothermisches Arbeitsmedium wurde die Verwendung von überkritischem Kohlendioxid anstelle von Wasser untersucht.

Kühlung

Überkritisches Kohlendioxid entwickelt sich auch als nützliches Hochtemperatur- Kältemittel , das in neuen FCKW / HFKW- freien Haushaltswärmepumpen verwendet wird , die den transkritischen Kreislauf nutzen . Diese Systeme werden kontinuierlich weiterentwickelt, wobei überkritische Kohlendioxid-Wärmepumpen bereits erfolgreich in Asien vermarktet werden. Die EcoCute- Systeme aus Japan gehören zu den ersten kommerziell erfolgreichen Hochtemperatur- Warmwasser- Wärmepumpen.

Überkritische Flüssigkeitsabscheidung

Überkritische Flüssigkeiten können verwendet werden, um funktionelle nanostrukturierte Filme und nanometergroße Partikel von Metallen auf Oberflächen abzuscheiden. Die hohen Diffusivitäten und Konzentrationen des Vorläufers in der Flüssigkeit im Vergleich zu den Vakuumsystemen, die bei der chemischen Gasphasenabscheidung verwendet werden, ermöglichen eine Abscheidung in einem Bereich mit begrenzter Oberflächenreaktionsgeschwindigkeit, wodurch ein stabiles und gleichförmiges Grenzflächenwachstum bereitgestellt wird. Dies ist entscheidend für die Entwicklung leistungsfähigerer elektronischer Komponenten, und auf diese Weise abgeschiedene Metallpartikel sind auch leistungsstarke Katalysatoren für die chemische Synthese und elektrochemische Reaktionen. Darüber hinaus ist es aufgrund der hohen Transportgeschwindigkeiten der Vorläufer in Lösung möglich, Partikel mit großer Oberfläche zu beschichten, die bei der chemischen Gasphasenabscheidung eine Verarmung in der Nähe des Auslasses des Systems zeigen würden und wahrscheinlich auch zu instabilen Grenzflächenwachstumsmerkmalen wie Dendriten führen würden . Das Ergebnis sind sehr dünne und gleichmäßige Filme, die mit Raten abgeschieden werden, die viel schneller sind als die Atomlagenabscheidung , das beste andere Werkzeug für die Partikelbeschichtung in dieser Größenskala.

Antimikrobielle Eigenschaften

CO 2 bei hohen Drücken hat antimikrobielle Eigenschaften. Obwohl seine Wirksamkeit für verschiedene Anwendungen nachgewiesen wurde, sind die Mechanismen der Inaktivierung nicht vollständig verstanden, obwohl sie seit mehr als 60 Jahren untersucht werden.

Geschichte

1822 entdeckte Baron Charles Cagniard de la Tour in seinen berühmten Kanonenrohrexperimenten den kritischen Punkt einer Substanz . Er hörte die Diskontinuitäten im Geräusch einer rollenden Feuersteinkugel in einer versiegelten Kanone, die mit Flüssigkeiten bei verschiedenen Temperaturen gefüllt war, und beobachtete die kritische Temperatur. Oberhalb dieser Temperatur werden die Dichten der flüssigen und gasförmigen Phase gleich und der Unterschied zwischen ihnen verschwindet, was zu einer einzigen überkritischen Fluidphase führt.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links