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超临界二氧化碳萃取技术及其应用
摘 要
超临界流体萃取是近20年来迅速发展起来的一种新型的萃取分离技术。它利用超临界流体为萃取剂直接从固体或液体中萃取分离有效成分。目前,超临界流体萃取已形成了一门新的化工分离技术,在精细化工领域得到了广泛的应用
二氧化碳是一种很常见的气体,但是过多的二氧化碳会造成“温室效应”,因此充分利用二氧化碳具有重要意义。传统的二氧化碳利用技术主要用于生产干冰(灭火用)或作为食品添加剂等。现国内外正在致力于发展一种新型二氧化碳利用技术──CO2超临界萃取技术。运用该技术可生产高附加值的产品,可提取过去用化学方法无法提取的物质,且廉价、无毒、安全、高效。它适用于化工、医药、食品等工业。
一超临界流体(Super Critical fluid)
1. 概述
随着环境的温度和压力变化,任何一种物质都存在三种相态-气相,液相,固相,三相成平衡态共存的点叫三相点.液,气两相成平衡状态的点叫临界点.在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力不同的物质其临界点的压力和温度各不相同.超临界流体(Super Critical fluid,简称SCF)是指温度和压力均高于其临界点的流体,常用来制备成的超临界流体有二氧化碳,氨,乙烯,丙烷,丙烯,水等.物体处于超临界状态时,由于气液两相性质非常相近,以致无法清楚分别,所以称之为「超临界流体」
超临界流体的特性
超临界流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力,同时兼具低黏度,低表面张力的特性,使得超临界流体能够迅速渗透进入微孔隙的物质.因此用于萃取时萃取速率比液体快速而有效,尤其是溶解能力可随温度,压力和极性而变化.
超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的.当物质处于超临界状态时,成为性质介于液体和气体之间的单一相态,具有和液体相近的密度,黏度虽高于气体但明显低于液体,扩散系数为液体的10~100倍,因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力,能够将物料中某些成分提取出来.
在超临界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地依次把极性大小,沸点高低和分子量大小的成分萃取出来.同时超临界流体的密度,极性和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加,利用预定程序的升压可将不同极性的成分进行分步提取.当然,对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的,但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分,然后借助减压,升降温的方法使超临界流体变成普通气体或液体,被萃取物质则自动完全析出,从而达到分离提纯的目的,并将萃取与分离两过程合为一体,这就是超临界流体萃取分离的基本原理
超临界流体的发展史
超临界流体具有溶解其他物质的特殊能力,1822年法国医生Cagniard首次发表物质的临界现象,并在1879即被Hannay和Hogarth二位学者研究发现无机盐类能迅速在超临界乙醇中溶解,减压后又能立刻结晶析出.但由于技术,装备等原因,时至20世纪30年代,Pila和Gadlewicz两位科学家才有了用液化气体提取「大分子化合物」的构想.1950年代,美,苏等国即进行以超临界丙烷去除重油中的柏油精及金属,如镍,钒等,降低后段炼解过程中触媒中毒的失活程度,但因涉及成本考量,并未全面实用化.1954年Zosol用实验的方法实了二氧化碳超临界萃取可以萃取油料中的油脂.此后,利用超临界流体进行分离的方法沉寂了一段时间,70年代的后期,德国的Stahl等人首先在高压实验装置的研究取得了突破性进展之后,「超临界二氧化碳萃取」这一新的提取,分离技术的研究及应用,才有实质性进展;1973及1978年第一次和第二次能源危机后,超临界二氧化碳的特殊溶解能力,才又重新受到工业界的重视.1978年后,欧洲陆续建立以超临界二氧化碳作为萃取剂的萃取提纯技术,以处理食品工厂中数以千万吨计的产品,例如以超临界二氧化碳去除咖啡豆中的咖啡因,以及自苦味花中萃取出可放在啤酒内的啤酒香气成分.超临界流体萃取技术近30多年来引起人们的极大兴趣,这项化工新技术在化学反应和分离提纯领域开展了广泛深入的研究,取得了很大进展,在医药,化工,食品及环保领域成果累累.
1-萃取剂 2-膨胀阀 3-分离槽 4-压缩机
图1等温降压图
(2) 恒压升温流程 是利用不同温度下物质在超临界流体中的溶解度差异,通过改变温度使溶质与超临界流体相分离。所谓等压是指在萃取器和分离器中流体的压力基本相同。如图2所示,萃取了溶质的超临界流体经加热升温使溶质与溶剂分离,溶质由分离器下方取出,萃取剂经压缩和调温后循环使用
1-萃取器 2-加热器 3-分离槽 4-泵 5-冷却器
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