（物理化学专业论文）超近临界co2gas法制备木糖醇微粒.pdf

摘要 作为一种绿色的结晶方法，气体抗溶剂( g a s ) 方法在制备超细微粒方面的 应用已得到化学材料、能源材料、医药制粒等领域的重视，它尤其适用于热敏性、 不耐氧化物质的超细微粒的制备。 、 本实验选择超( 近) 临界二氧化碳作为抗溶剂流体，乙醇作为溶剂，并首次 选用木糖醇作为待结晶物质来制备木糖醇微粒。 实验在经过改造的高压釜内进行，在不同的操作压力、温度、常压c 0 2 流速、 溶液浓度及进料量等条件下制备出了大量的不同形貌和大小的木糖醇微粒，并运 用红外吸收光谱对产品进行了定性表征，利用光学显微镜对木糖醇微粒的形貌、 粒径和粒径分布进行了重点观察。、 大量的实验结果显示，适当的高压、低温、高浓度、小进料量操作更有利于 制备出特定晶形、小粒径且分布均匀的木糖醇微粒产品，而c 0 2 流速对产品形 貌和大小则无明显的影响。 关键词： 气体抗溶剂结晶木糖醇微粒 a b s t r a c t a sau n h a r m f u lc r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d ，g a sa n t i - s o l v e n tc r y s t a l l i z a t i o n ( g a s ) h a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e di np r o d u c i n gm i c r o n i cp a r t i c l e si nc h e m i c a l ，e n e r g ya n d m e d i c a lf i e l d s ，w h i c hi ss p e c i a l l ya p p l i e dt op r o d u c em i c r o n i cp a r t i c l e so fs u b s t a n c e s a l t e r a t i v et oh e a ta n do x i d a n t i nt h i st h e s i s ，c a r b o nd i o x i d eg a s ，x y l i t o la n de t h a n o ls o l v e n ta r es e l e c t e dt o f i r s t l yp r o d u c em i c r o n i cp a r t i c l e so fx y l i t 0 1 t h ec r y s t a l l i z a t i o ni sc a r r i e di nar e b u i l ta u t o c l a v e am a s so fd i v e r s es h a p ea n d s i z em i c r o n i cp a r t i c l e so fx y l i t o lh a v e b e e np r e p a r e da td i f f e r e n tp r e s s u r e s ， t e m p e r a t u r e s ，c 0 2v e l o c i t yo ff l o w ，c o n c e n t r a t i o na n df e e d i nq u a n t i t yo fs o l u t i o n ， w h o s es t r u c t u r ew a ss t u d i e dw i t hi ra n dt h es h a p ea n ds i z ea r es t u d i e dw i t hp h o t i c m i c r o s c o p e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp r o p e rh i g hp r e s s u r e ，l o wt e m p e r a t u r e ，h i g h c o n c e n t r a t i o na n ds m a l lf e e d i nq u a n t i t yo fs o l u t i o na r ef a v o r a b l et og a i ng i v e n s h a p e ，s m a l la n dw e l l - p r o p o r t i o n e dd i a m e t e rm i c r o n i cp a r t i c l e so fx y l i t o l ，c 0 2 v e l o c i t yo ff l o wh a sn oo b v i o u se f f e c to nt h ec r y s t a l l i z a t i o no fx y l i t 0 1 k e yw o r d s ：g a s a n t i - s o l v e n t ，c r y s t a l l i z a t i o n ，x y l i t o l ，m i c r o n i cp a r t i c l e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰。与过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了叫确的说明并表示了谢意。 学位敝作者繇蓬哥毛签字嗍1 年岁月加同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数捌库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向幽家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瑾泽杉 解悯：1 眇同 导师签名： ，7 豹玖 签字同期：三叫年乡月叫h 第一章文献综述 第一章文献综述 清晨，我们在用化学品建造的住宅和公寓中醒来，穿上由合成纤维和合成染 料制成的衣服，并使用化学家们设计的肥皂和牙膏，用的化妆品是由化学工作者 制造和检验过的；吃的食品往往被化工产品包装和保存起来，而这些食品往往是 用化肥、除草剂和农药使之成长的植物，或是需用兽医药来防治病的家畜类；我 们的交通工具一汽车、火车、飞机一在很大程度上是要依靠化学加工业的产品： 我们生活中的所有金属制品都是用矿石经过以化学为基础的冶炼转化变成的金 属或是由金属再变成的合金，往往这些金属制品还需要化学油漆来保护，事 实上，我们日常生活中所用的产品中很难找到一种不是依靠化学和在化学家们的 帮助下制造出来的。以上这段生动的描述引自原美国化学会主席r b r e s i o w 在 1 9 9 7 年美同化学会出版的化学的今天和明天一一门中心的、实用的和创造性 的科学一书。其中我们可以看到化学工业在2 0 世纪得到了极为迅猛的发展， 并为人类生存环境的改善和生活水平的提高做出了巨大的贡献。展望2 1 世纪， 化学工业还将在衣食住行、保健与娱乐等方面更高层次上继续发展，为满足人类 日益增长的物质需求服务。 然而，从2 0 世纪5 0 年代起，由于化学品产量的剧增，化工产品种类的增多， 其对人类健康的危害和对环境、生态的破坏也逐渐暴露出来1 2 j 。1 9 6 2 年女海洋生 物学家r a c h a e lc a r s o n 所著的寂静的春天( s i l e n ts p r i n g ) 出版，书中详细地 叙述了d d t 和其他杀虫剂对各种鸟类生存环境和繁衍的影响，使原来百鸟歌唱、 叶绿花红的春天变得“一片寂静”。此书被誉为警世之作，使得当时的美国政府着 手立法管制杀虫剂，并于1 9 7 1 年成立了环保署( e p a ) ，开始了对环境保护的监 控和管制。此后，世界范围内发生了无数起与化学品污染有关的事件，对人类的 生存环境提出了严重的挑战。1 9 8 4 年1 2 月3 日凌晨3 时，位于印度博帕尔市西 北市郊的美国联合碳化物农药厂的一个贮有4 5 吨光气的贮罐发生泄漏。微风把 毒气吹向市区，很多人在睡梦中死去，许多人在沉睡中被熏醒，并发生眼睛发胀、 呼吸困难、咳嗽不止等严重的不良反应，能走动的人都惊慌失措的冲出家门。几 天后，博帕尔市政府公布有3 2 万人中毒，其中2 5 0 0 人死亡，6 万人严重中毒， 数十万人在医院抢救。当地的农田、水源和食品受到严重污染，市内所有公共机 关、工厂、学校都被迫关闭。几十万居民逃离家园，远走他乡。 恶性的快速发展之后，人们逐步认识到了化学工业对人类健康、生态环境和 人类安全的危害性。2 0 世纪9 0 年代初。绿色化学开始产生并很快发展起来【3 j ， 第一章文献综述 它是一门涉及化学合成、催化、生物化学、分析化学、社会科学等学科的多学科 交叉性的科学。它的研究方向包括绿色溶剂、绿色催化剂、绿色合成方法、可再 生资源的应用等多个领域。1 9 9 1 年美国学者at a n a s t a 和jcw a r n e r 4 j 提出了绿 色化学的1 2 条原则：( 1 ) 从源头制止污染，而不是在末端治理污染；( 2 ) 合成 方法应具备“原子经济性”原则，即尽量使参加反应的原子都进入最终产物；( 3 ) 在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有害有毒的物质：( 4 ) 设计 具有高使用效益且低环境毒性的化学产品；( 5 ) 尽量不使用溶剂，不得己使用的 溶剂必须是无害的；( 6 ) 生产过程应该在温和的条件下进行，而且能耗要最低； ( 7 ) 尽量采用可再生的原料，特别是用生物质替代石油和煤等矿物原料；( 8 ) 尽量减少副产品；( 9 ) 使用高选择性的催化剂；( 1 0 ) 化学产品在使用完后能降 解成无害的物质并且能进入自然生态循环；( 1 1 ) 进一步发展分析技术和方法， 对危险物质在生成前实行在线监控和处理；( 1 2 ) 选择参加化学过程的物质，尽 量减少发生意外事故的风险。 本课题的研究方向是含近邻界或超临界二氧化碳( c 0 2 ) 介质体系中的重结 晶研究，属于绿色溶剂的研究范畴。超临界重结晶具有普通溶剂重结晶和超临界 萃取的双重优点，既可以得到高纯度产品，又不对环境造成污染。它是近十多年 来发展起来的一种具有极好发展前景的细化制粒技术【5 剖。本章以下就与本研究 课题内容有密切关系的超临界c 0 2 、超临界流体技术和g a s 方法等几方面的内 容做进一步的介绍。 1 1 超临界二氧化碳与超临界流体技术 物质处于其临界温度( 瓦) 和临界压力( p 。) 以上状态时，向该状态气体加 压，气体不会液化，只是密度增加，却在许多方面具有类似液体的性质，同时还 保留气体性能，这种状态的流体称为超临界流体( s u p e r c f i t i c a lf l u i d ，简称s c f ) 。 超临界流体具有许多特殊的性质【7 】，表1 1 列出了超临界流体与气体、液体的一 些宏观性质的对比。 表1 - 1气体、超临界流体和液体的性质比较 旦垒! 宝! ：! 婴! ! 垒塑! 塑旦! 曼堑：! 婴! ! ! 垒! ! ! 皇! 旦尘璺竺璺幽竺塑： 密度粘度扩散系数导热系数 型l 垒：翌：2丛呈垒：堂2 丛竺望：1 2 丛型：堡：坚：2 气体1 0 3 ( 1 3 ) x 1 0 。51 0 4 1 0 6 ( 5 3 0 ) x 1 0 。3 超临界流体 0 1 o 5 ( 2 1 0 ) x 1 0 51 0 。6 1 0 罐( 3 0 7 0 ) x 1 0 3 液体 1 f 1 0 1 0 0 0 ) x 1 0 - 5l o 一1 0 1 0( 7 0 2 0 0 ) x 1 0 。3 2 第。章文献综述 从表中所列数据可以看出，超临界流体兼具气体和液体的双重性质，超临界 流体的密度和溶剂化能力接近液体；而粘度、扩散系数、导热系数等传递性质又 接近气体。前者使得超临界流体有较强的溶解能力，后者使得超临界流体有较好 的流动性和传质传热性能。而且，值得关注的是，在临界点附近，流体的物理化 学性质( 如密度、溶解度、介电常数等) 随温度和压力的变化十分敏感。基于超 临界流体的这种特殊性质，人们开发出了超临界萃取、超临界造粒、超临界除杂 等各种超临界流体技术。 1 1 1 超临界c 0 2 流体 虽然超临界流体的溶剂效应普遍存在，但实际上由于需要考虑溶解度、选择 性、临界点数据以及化学反应的可能性等一系列因素，因而实际应用中采用的超 临界流体溶剂并不多，其中超临界c 0 2 由于其密度大、溶解能力强、传质速率 高、存在压力和温度适中、分离可在室温下进行、便宜易得、无毒惰性等有利因 素而应用最多。 1 1 1 1 超临界c 0 2 流体的基本性质 二氧化碳的临界温度( 瓦= 3 1 0 6 ) 是文献上介绍过的超临界流体临界点 最接近室温的，其临界压力( p 。= 7 3 9m p a ) 也比较适中，临界密度( p 。= 0 4 4 8g c m 3 ) 是常用超临界溶剂中最高的( 超临界流体的溶解能力一般随流体密度的增加而增 加) ，可见c 0 2 具有最适合作为超临界溶剂的临界点数据【8 】。 ( 1 ) 超临界c 0 2 流体密度的变化规律是c 0 2 作为溶剂最受关注的参数， c 0 2 流体密度是压力和温度的函数。图1 1 中一组不同的密度直线表示c 0 2 流体 密度随压力、温度的变化关系。 图中数据表明：( a ) 在超临界区域，c 0 2 流体密度可以在很宽的范围内变化 ( 从1 5 0g d m 3 到9 0 0g d i n 3 之间) ，适当控制压力和温度可以使密度变化达五倍 以上：( b ) 临界点附近，压力或温度的微小变化可以大幅改变c 0 2 流体密度， 从而改变其溶解能力和传质能力。 第。章文献综述 t ，3 10 6 漱腰，r 图1 - 1 纯二氧化碳压力与温度和密度关系 各直线上数值为c 0 2 密度，g d m 3 f i g1 - l t h er e l a t i o na m o n gp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t y t h en b m e r i c a lv a l u ea b o v et h eb e e l i n ed e n o t e st h ed e n s i t yo f c 0 2 ，g d m ( 2 ) 超临界c 0 2 传递性质的变化规律在物质的分离和精制过程中非常重 要，既需要知道分离过程的可能性和进行程度，又要了解过程的进行速度。含二 氧化碳体系中物质的重结晶也一样，实验条件的选择需要知道溶剂的溶解度和分 配系数等热力学数据，也需要扩散系数和传递速率等动力学数据，这是因为结晶 过程涉及到溶液的过饱和、晶核的生成、晶体的生长等过程。对溶剂的传递性来 说，它取决于溶剂和溶质的性质、温度、压力等因素的变化。超临界流体的粘度、 导热系数、扩散系数等性质明显不同于其常态下的数值。图1 2 表达了纯c 0 2 在4 0 下的密度p 、粘度叩、自扩散系数密度( d 1 1 p ) 的值与压力的关系。 由图町知：当压力小于7 5m p a 时，粘度理和d 1 1 p 基本恒定，密度p 逐 渐增加；随着压力的迸一步增加，p 和玎快速增加，而d 1 1x p 迅速下降；压力超 过1 6m p a 以后，上述三个数据的变化又渐趋缓慢。因此超临界流体技术得益于 相对较低的粘度和扩散系数较液体高的特性，其中压力在6 0m p a - - 1 2m p a 的范 围是较为合适的研究区间。 4 弱 黔 撕 婚 m s o 茁、o 鬯 第一章文献综述 f i 9 1 - 2 t h e 幽1 3 袁示 的扩散系数d 1 2 的阴影部分给m ? 1 歹否：t 亲：拉：i i ：裂芝曩： 1 0 。 _ 。- “ 一_ l i h 0 一一遵划 叶一o z 鼍0 震4o ，r s o 8 i 翠o ： 匕。、_ 1 矿1 _ j p m p n 陶】3c o 】的自扩散系数d 1 1 和苯在c 0 2 中的扩散系觳d l2 与c o 的言度p 瓜力月的关系 f i g l l 3 t h er c l m i o nb e t w e e n d i i ，dj 2a n dd e n s i t y p p m s s u r e p 第一章文献综述 由上图可知：苯在超临界c 0 2 中的扩散系数比气相的数值小2 个数量级， 比液相的扩散系数值大3 个数量级，这说明超临界c 0 2 中溶质的传递性能介于 气相和液相之间，而且明显优于液相过程。 1 1 1 2 超临界c 0 ：流体的溶解性能 物质的相对摩尔质量大小和分子极性强弱是影响其在超临界c 0 2 流体中溶 解度的关键冈素，另外还与体系压力、温度、携带剂等因素有密切的关系。遗憾 的是与大量的工艺研究相比，溶解度的数据非常匮乏。d c d a n d g e 9 】测定了一系 列有机化合物在超临界c 0 2 中溶解度数据( 实验条件：2 5 ，p = o 8 9 5g c m 3 和 3 2 ，p = o 8 6g c m 3 ) 。并结合前人的工作，提出了溶质分子结构与溶解度之间 的经验规律。 ( 1 ) 极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物，如酯、醚、低碳正构醇、 内酯类、环氧化合物等在7 1 0m p a 的较低压力下溶于c 0 2 中。 ( 2 ) 引入极性基团( 女h - o h ，- c o o h ) ，将造成溶解性能的下降。对苯的 衍生物，具有三个酚羟基或一个羧基和两个羟基的化合物在很高的压力下只有很 小的溶解度，但具有一个羧基和两个羟基以上的多极性基团的化合物即使在极高 的压力下，也几乎无溶解度。 ( 3 ) 更强极性的物质，如糖类、氨基酸类等不溶于超临界c 0 2 流体中。 1 1 2 超临界流体技术 超临界流体与通常流体在性质上的巨大差异决定了其具有特殊性的用途，近 年来，超临界流体技术受到了许多科研工作者和相关国家机构的高度重视。国内 外相继成立了相关的学术组织，国际和地区性的会议定期召开。迄今为止人们对 超临界流体的性质和各方面应用己进行了大量的研究，随着超临界流体技术问题 的不断被解决和新技术、新工艺的开发，超临界流体技术的应用将越发广泛，并 将解决石油化工、环境保护、天然产物提取、分析技术、生物工程等众多领域中 一些其他技术无法或难以解决的问题。在这里我们将简单介绍这类绿色技术中的 超临界流体萃取技术、超临界流体反应技术、超临界水化学反应技术、超临界流 体发电技术、超临界流体液化煤技术、超临界流体色谱技术等，并将重点介绍超 临界流体结晶技术，尤其是其中与本课题有关的气体抗溶剂技术( g a s ) 。 6 第一章文献综述 1 1 1 1 超临界流体萃取技术 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n s f e ) 是一种平衡分离过程， 它在原理上无异于我们常见的萃取分离技术，即一种流体选择性地吸收或溶解体 系中的一种或几种物质，后与其分离。只是在超临界流体萃取技术中，应用的这 种流体是超临界存在条件下的流体而已，一般采用二氧化碳作为超临界流体，当 然水和某些有机溶剂也是可以的。s f e 是应用最广的一种超临界流体技术，也是 最早发展的，迄今有近l o o 年的研究历史。最早出现的超临界萃取专利是在1 9 4 3 年的从石油中脱沥青，2 0 世纪7 0 年代后，超临界萃取专利不断涌现，如植物脱 臭、咖啡豆脱咖啡因等i l ，并相继实现了工业化。s f e 适用于高活性、热敏性天 然物质的分离提取，可对天然植物、中草药、食品等中有用成分进行低温高压下 的有效提取，它可以实现萃取与分离的一体化，不仅可以“清洁”提取，还可实 现“清洁”分离，能够通过合适工艺条件的选择将不同于目标的成分“去头去 尾”，有选择地提取所需成分，相对于传统的蒸馏法和溶剂萃取法具有独特的优 势，因而被精细化工领域广泛采用。近年来s f e 技术已迅速扩展到分析领域， 与气相、液相色谱联机进行在线分析。 1 1 1 2 超临界流体反应技术 超临界流体反应是指超临界流体作为反应介质或反应物进行的化学反应。超 临界二氧化碳因具有太多的优点而成为应用最多的一种。超临界流体化学反应的 研究较多1 1 1 。1 4 】，如高分子聚合反应研究，其中有含氟丙烯酸酯在超临界c 0 2 中均 相溶液聚合反应、m m a 在超临界c 0 2 中的分散聚合反应、乙烯在超临界c 0 2 和离子液体双相体系中的氧化反应等。到目前为止，在超临界c 0 2 中的溶液聚 合、乳液聚合、分散聚合、沉淀聚合等反应都有报道。除c 0 2 外，超临界流体 反应研究较多的还有超临界氟化物、超临界水等。 1 1 1 3 超临界水化学反应技术 超临界水化学反应技术是将有机和无机反应移植在过热和超临界水中进行 的技术( 水的t e = 3 7 4 3 ，p 。= 2 2 1m p a ) 。这得益于水在过热和超临界状态下极 性大幅下降，以及水的廉价和环境友好的特性。k n o p f l l 5 1 ，f r a n c k 16 1 ，s a v a g e 1 7 1 ， a b r a h a m t 媳1 等人研究了烷烃类化合物如甲烷，在超临界水中的部分氧化反应，取 得了很多与传统条件下不一样的实验结果。x u 1 9 1 等人在研究近临界水中叔丁醇 第一章文献综述 的脱水反应时观察到了出人意料的结果，不使用任何催化剂的条件下，在2 5 0 1 2 的近临界水中异丁烯是唯一的产物，且反应在3 0 秒即可达到化学平衡。 k u h i m a n n 冽等还对超( 近) 临界水中消除反应、重排反应、水解反应等典型的 有机反应进行了较广泛的探索性研究，其结果同样非常喜人，反应速度快，选择 性高。 1 1 1 4 超临界流体发电技术【2 1 】 超临界水有极高的扩散速度和极大的物理动能，尤其是超临界水氧化法处理 污水所产生的热能已被用于高效率发电。废物和废水是成本最低的能源，其中所 含的大量有机物质则是最好的燃料。在超临界氧化处理过程中产生的热量将水加 热至超临界状态，经换热锅炉产生高中压蒸汽进入汽轮发电机进行发电，超临界 发电时的压力一般在2 2m p a 至3 5m p a 之间，温度在5 2 0 至6 5 0 之间。超 临界汽轮机具有较好的运行性能，运行方式灵活，负荷变化比较快，具有很好的 调峰和调频能力，热耗值比非超临界时低，热效率高，一般大于4 0 ，最高可达 6 0 以上，因此超临界水发电技术具有良好的经济性和发展前景。 1 1 1 5 超临界流体液化煤技术 超临界流体液化煤技术属于反应技术的一种，它是指利用超临界流体直接液 化煤的技术。早在2 0 世纪3 0 年代，德国就发明了在高温高压下的超临界流体溶 剂中加入煤进而转化为燃料的工艺，并实现了工业化。近几十年来由于对石油大 大量需求，许多煤液化技术被开发出来，如溶剂精炼煤法( s r c 1 ，s r c 2 ) 、供 氢溶剂法、美国的h t l 法、日本的n e d o l 工艺等【2 2 】。所有这些工艺均足处于 超临界状态下进行反应，煤的转化必须有适宜溶剂溶解后，加温加j 玉至流体物质 的临界点以上，同时加氢以降低煤的碳氢比，与烃类溶剂油结合达到平衡。在液 化工艺中往往还需使用催化剂进行催化，以加速反应转化、缩短反应时间、减少 用氢量。目前，煤的直接液化技术在我国己开始得到了工业化应用。 1 1 1 6 超临界流体色谱技术【2 3 1 超临界流体色谱( s c f c ) 是以超临界流体作为流动相进行分析的一种色谱 技术。早在2 0 世纪7 0 年代超临界流体技术就应用于色谱分析，2 0 世纪8 0 年代 随着毛细管柱的出现，该技术才得以迅速发展。由于超临界流体兼具气体与液体 第一章文献综述 的性质，超临界流体色谱便兼备了气相色谱与液昔日色谱的优点：与气相色谱相比， 其区域扩散度小，能显著提高柱效；与液相色谱相比，其具有高的色谱效率和短 的分析时间，可以分离高分子量化合物和热敏性物质。 1 1 1 7 超临界流体结晶技术 超临界流体结晶技术就是利用超临界流体特有的高膨胀能力和有机溶剂萃 取能力及c 0 2 的反萃取能力，并结合温度和压力的调节，从而制备出超细微粒 的一种方法。它包括溶液快速膨胀法( r e s s ) 和气体抗溶剂法( g a s ) 及其延伸出 的各种结晶方法( 如s a s 法、c p f 法、p g s s 法、s c f d 法等) 。使用该方法浓 缩药物有效成分和制各超细粉体材料。超临界流体结晶技术已成为一类新兴边缘 应用技术，因而受到化学、化工和材料科学界的广泛重视。本小节将从工艺原理、 工艺参数、应用领域三个方面就r e s s 法和g a s 法做详细介绍。 一，溶液快速膨胀法( i 也s s ) 早在1 8 7 9 年h a n n a y 和h o g a r t h l 2 4 j 就发现了超临界流体的减压过程可以析出 超细微粒的现象。但真正将r e s s 技术用于制备超细微粒是k r u k o n i s l 2 5 1 在1 9 8 4 年开始的，r e s s 技术与传统方法如研磨、气相沉淀、喷雾造粒等相比，所制备 出的颗粒具有粒径小、粒度均匀、颗粒成分不易被破坏和产品纯度高等优点。它 可用于制备精细陶瓷前躯体、催化剂颗粒、磁性材料、感光材料、聚合物微粒、 涂料粉剂和药物微粒等。r e s s 工艺的溶剂体系有c 0 2 、c 2 i - h 、c 2 i - 1 6 、c 5 h 1 2 、 c h f 3 等，其中以c 0 2 应用最广。 ( 1 ) 工艺原理 作为一种溶剂，超临界流体的溶解度对温度和压力非常敏感，温度和压力的 微小变化即可引起溶解度的极大改变，溶有同体溶质的超临界流体通过喷嘴快速 泄压成为低密度的气体时，溶于其中的固体的溶解度急剧减至原来的万分之一以 下，造成溶质的结晶析出【2 8 1 。由于过饱和度极大( s = 1 0 5 1 0 8 ) 和结晶时间极 短( 1 0 垲1 0 。5 s ) ，因而理论上可形成粒度均匀的微米级以至纳米级的超细颗粒。 图l - 4 是r e s s 技术简图，溶有溶质的高压超临界流体溶液经加热器4 预热 后( 温度应在溶质的熔点以下) 从喷嘴7 极速喷出，喷嘴是r e s s 过程的关键部 位，它一般长度很短( 5m m ) 和内径很小( 1 0 - - , 6 0 岬) 的不锈钢毛细管制成。 9 第章文献综述 镯5 4l = _ j 拶 目j - 4r e s s 拄术简刳 矫剂2 泉：3 一高压釜1 一帅掣l 器：j 一排7l ： 亩m 诵：i 喷嘴 f i 9 1 4 t h es i m p l ec h a r to f r e s s t e c h n o l o g y r e s s 工艺的疆著特点就是能，“生快速推进的机械扰动和快速降压所产生的 极高过饱藕】度，其中附者使成核彳r 质均化、粒了粒径分布较窄后者则使粒径 小而成微粒， ( 2 ) t 艺参数 研究表明：膨胀日u 流体的密度、膨胀前后流体状态参数以及喷嘴的结构设训 等是影响r e s st 艺制备微细颗粒的丰望凼素。“1 超临界流体中引入共溶剂酬 其溶剂的性质和浓度等相关参数也是很重要的影响冈素p | 。颗粒的粒往、粒径分 布和形态是产物的主要评价指标。 ( 3 ) 麻川领域 r e s s 上艺常用的超临界i i i c 体有一氧化碟、氨气、丙烷、丙酮和_ 二氯qo 婉等， 该方法在药物、高分子聚台物、有机物和无机物及陶瓷材料等面已经得到，广 泛的应用阻”j ，并逐渐从制籍单物质的超细微粒转变到制备包覆趔超细微粒，但 由于许多物质在超临界流体中不_ 2 存或溶解度太小，因而极大地限制了r e s s 工艺 的推广应用，为此很多时候必颁要在超临界流体中加八一种或数种共溶剂来提高 物质在超临界流体中溶解度，直 | 丙酮、丙烷、甲醇和已醇等但共溶剂的加入往 往会影响结晶颗粒的质量。鉴于此，人们已开发出适用于在超临界流体中不溶域 溶解度很小的物质的重结晶方法g a s 工艺，以下将对其进行详细介绍； 第章文献综述 二气体抗溶剂法( g a s ) g a s ( g a s a n l i s o l v e n t c f i s t a l l i z a t i o n ) 即气：抗溶剂结晶足由g a l l a g h e r p m 和k r u k o n i s 等于1 9 8 94 首先提卅的，并在1 9 9 3 年被y e o 等z f “l 成功地用于 胰岛素超细颗粒的制备与r e s s 工艺相比，g a s 工艺无需高温f 的快速膨胀， 而是在常温下利j js c f 在溶剂中的快速溶解和抗溶质溶解的作用实现溶液的极 大过饱和，从而析m 晶体黝粒。冈此吏适用于热敏件、不耐氧化物质的超细颗粒 的制备 ( i ) 工艺脒理 g a s 法是从上世纪9 0 年代才逐步发展起柬的用于物质提纯和细化的项新 型技术。固体物质a 溶于常态济剂b 叫1 ，向在超临界流体c 巾溶衅度i 艮小或不 溶，当超临界流体c 与a 的b 溶液混合时( c 与b 相溶) ，溶液迅速稀释膨胀， 体系快速达到极大过饱和使溶质a 结晶析出，肜成纯度高、粒径分布均匀的微 细颗粒a 。 主五， 飞 一 目广_ j 广_ _ 日1 - 5g a s 拽术简圈 f i gi - 5 t h es i m p l ec h a no f g a s t e c h n o l o g y 图1 5 是g a s 技术简图，间戤操作和连续操作均町。溶液和超临界流体先 后( 也可同时) 通入高压釜并在釜内迅速混合肝析出品体微粒溶剂和超临界 流体形成的溶液离开高压釜经解析后分离，并可各自循环使用。超临界流体和溶 剂形成的膨胀溶液与常压下的液体相比，具有更高的扩散系数和更低的粘度，因 此所得晶体中残留的溶剂比传统方沽要少得多大大提高了品体颗粒的纯度，况 且还可以通过超临界流体对所得晶体颗粒进行进步地下燥( 此时不再有原料溶 第章文献综述 液进入高压釜，仅有超临界流体通过高压釜) 。 ( 2 ) 工艺参数 g a s 工艺的实质是一个化学重结晶过程，由饱和溶液的形成、晶核的生成、 晶体的生长和再结晶四个阶段组成，它们决定了所得晶体颗粒的形貌、粒径大小 及粒径分布情况。蔡建国等人【3 5 】用传统的速率模型计算超临界流体g a s 法工艺 的成核速率，并讨论了过饱和度与颗粒尺寸的关系，过饱和度的大小直接决定了 结晶过程的四个阶段，所以凡是能够影响g a s 过程体系过饱和度及过饱和度变 化的因素均可对所得晶体颗粒造成影响，如体系压力、温度、待结晶溶液的初始 浓度、超临界流体流速等。 ( 3 ) 应用领域 g a s 过程可以用的超临界流体很多，但超临界二氧化碳应用最为常见。极 性物质和大分子往往不溶于超临界c 0 2 ，这就大大限制了r e s s 工艺的应用，在 这里恰好可以应用g a s 工艺，可见g a s 法与r e s s 法实现了应用上的互补，从 而为超临界流体结晶技术的推广应用创造了极有利的条件。g a s 工艺可被广泛 应用于爆炸性物质( 如h m x 类) 、热敏性物质( 如激素、蛋白质、药物等) 、高 分子、有机染料等物质的结晶造粒过程。成功应用g a s 技术的例子很多1 3 9 1 ， 比如用于一种叫作聚透明质酸苄基酯( h y a f f ) 的聚合物成型。h y a f f 是一种 生物可降解材料，已用于缓释药物的制备。目前在实际生产中h y a f f 还是在有 机溶剂介质中加工成型的，不仅消耗大量的有机溶剂，而且造成产品不纯，最后 得到颗粒的粒径较大，采用g a s 法可大大减少有机溶剂的使用，只需使用少量 的d m s o ，将h y a f f 溶于d m s o 中，在0 3l 的高压釜内充入0 0 3l 的此溶液， 在3 3 6 0 温度环境下充入二氧化碳至压力达到1 0m p a ，聚合物微粒便析出 成型，粒径可小至o 3 5g m ，d m s o 与c 0 2 可很容易实现彻底分离并循环使用。 进一步通入c 0 2 可以将残留在h y a f f 颗粒中的d m s o 萃取出来，即可得到纯 净的h y a f f 结晶颗粒。 1 2 超( 近) 临界g a s 法结晶的成核速率与晶体生长 与常规的结晶过程一样，超( 近) 临界g a s 重结晶过程对晶形的影响主要 与成核速率和晶体生长速率有关。由于过饱和度的大小直接影响到晶核的形成过 程和晶体增长过程的的快慢，因此过饱和度是考虑结晶问题时一个极其重要的参 数。下面将从过饱和度的角度就成核速率和晶体生长这两方面的知识做简单的介 绍。 1 2 第。章文献综述 1 2 1g a s 法的成核速率 在结晶推动力过饱和度的作用下，成核过程在结晶过程中占有举足轻重 的位置，一般情况下，成核现象有初级均相成核、初级非均相成核和二次成核三 种形式。在过饱和溶液的不稳定区( 也称i i l 区) ，溶液在一定的过饱和度下自发 地产生晶核的过程为均相成核，在外来物质如微尘或气泡的作用下产生的成核过 程称为非均相成核；在介稳区( 即i i 区) ，溶液虽属过饱和，但本身不会产生成 核现象，当溶液中含有被结晶物质的晶体时出现的成核现象，不论其机理如何， 都称之为二次成核现象。 g a s 沉析结晶过程与传统的结晶过程最大的区别在于产生过饱和度的方式， 由此可以认为传统的成核速率模型也适用于g a s 过程【4 0 1 。以热力学为基础，测 定由于相变造成的吉布斯自由能的变化，这种变化与新相的生成和界面的产生有 关。新相产生，颗粒长到一定的临界粒度，才能成为继续长大的稳定晶核，此临 界粒度值与晶体的表面能及生成能有关。 成核的的能量g c i 。为控制成核的能量势垒。根据化学动力学理论和吉布斯 自由能的理论可以推导出成核速率与温度、过饱和度等因素的关系式。 a g 州。= 潞 n = z c e x p ( 一下a g c n t n a ) - z c 唧 - 器 公式( 1 - 1 ) 公式( 1 - 2 ) 公式( 1 - 3 ) 在上式中，为成核速率，最为加权平均表面能，与晶体粒度无关，可根据 固体理论从晶格能算出，对一般物质，其值一般在8 0 1 0 0m j m 2 ；代表物质 摩尔体积；n a 为a v o g a d r o 常数；k 为晶体面积形状因子；为晶体的体积形状 因子；，为每分子溶质中离子的数目；s 为过饱和度；z c 为主频率因子，其数量 级一般在1 0 2 5 左右。 由式1 - 3 可知，成核速率在很大程度上取决于体系的过饱和度，新相粒子 数随着过饱和度s 的增加而快速增大，随s 的减小而趋于零。若以水蒸气凝聚为 例1 4 ，在0 和过饱和度s 为3 5 时，成核速率为1 0 罐个核( s c m 3 ) ，而当s 为4 5 时，猛增到1 0 3 个核s c m 3 。g a s 过程中过饱和度s 的值往往在1 0 3 以上， 这就是为什么g a s 工艺可以制备出粒径分布均匀的超细颗粒的原因。 第章文献综述 1 2 2g a s 法的晶体生长【4 2 】 晶体生长的主要阶段是：结晶物质从溶液本体向晶体表面扩散，并在表面吸 附，最后以某种方式嵌入晶格。描述晶体生长的理论很多，如表面能理论、扩散 理论、吸附层理论和运动学理论等，每个理论从不同的角度阐述了晶体生长的机 制，各有其学术价值，但也都有其局限性。 由于扩散理论能解释晶体生长过程现象有关问题较多，且简单易懂，这里采 用扩散理论来描述晶体的生长过程。根据扩散理论知：扩散与温度成正比，和粘 度成反比，和截面积成正比等。其结晶速率表达式如下： 结晶速率= 型絮誉学时间表面积 公式( 1 4 ) 在g a s 过程中，决定结晶微粒尺寸和尺寸分布的凶素除成核速率和晶体生 长速率外，过饱和度的变化速度也起到很重要的作用，另外超临界流体抗溶剂过 程的相平衡行为对结晶过程的相关参数的确定也至关重要，这里不再赘述。 1 3 本课题的研究内容 近些年来，随着超细微粒理论研究的逐步深入及其应用范围的日益拓展，工 业上化学材料、能源材料、医药制粒等领域对微粒产品的晶形、粒度和粒度分布 的需求越来越高，传统的制粒技术往往很难得到特定晶形和粒度大小的产品颗 粒，即便可以得到小粒度的晶体颗粒( 如爆发成核技术) ，但操作的稳定性和产 品的质量往往得不到保喇43 1 。超( 近) 临界g a s 方法恰恰为这种需求提供了广 阔的开发空间。超临界流体的扩散速度比液体高2 3 个数量级，它能迅速扩散 到液体溶剂内并产生很大的过饱和度，进而结晶出大量小粒子，且制备条件温和、 产品粒子流动性好、粒度和晶形可控。 由于人们对g a s 技术的研究起步较晚，研究内容还不够充分。研究多集中 于实际应用、热力学相图的测定、溶剂选择、过程优化判据( 如摩尔体积相对变 化率和偏摩尔体积相对变化率) 的讨论，温度、压力和溶液浓度等操作参数对结 晶过程影响的考察。在定量和理论分析如气一液和固一液传质的研究、成核和晶 体生长动力学、粒子的聚集和破碎、微观混合和宏观混合的作用、过饱和度的表 达、建立基于粒数衡算方程的过程模型和模拟、放大设计的可靠性等方面的研究 仍缺乏充足可靠的实验数据m j 。 1 4 第章文献综述 本课题的研究目的就是为g a s 工艺的理论研究，尤其是动力学方程和过程 模拟的研究提供更为详实、可靠有用的实验数据，并力求所选择的研究体系有一 定的实用价值。为此本实验中选择超临界c 0 2 作为抗溶剂流体，乙醇作为溶解 待结晶物质的溶剂，木糖醇为结晶物质。由于木糖醇不溶解于超临界c 0 2 ，而溶 于乙醇，且乙醇可在超临界c 0 2 中互溶，所以从理论上分析，本实验物质体系 的选择是可行的。乙醇和c 0 2 在不同压力和温度下的相平衡数据很完整 4 5 - 4 8 ， 这对实验内容的选择和对实验结果的分析是非常有帮助的。 作为一种健康的甜味剂、营养剂和在医疗上有重要用途的治疗剂，木糖醇广 泛存在于香蕉、胡萝卜、菠菜、杨梅、莴笋等果蔬中，是一种性能极为优良的多 元醇，化学名称为1 ，2 ，3 ，4 ，5 一戊五醇，它极易溶于水，可溶于乙醇和吡啶， 为白色结晶状粉末，晶型为单斜晶型，化学性质很稳定。熔点为9 2 - 9 4 ，沸 点为2 1 6 。木糖醇是所有食用糖醇和甜味剂中生理活性最好的品种，在医疗 上它能明显地降低转氨酶，是治疗糖尿病和护肝的良好药物，同时也是抑制口腔 细菌，防止牙酸蚀的作用。此外，木糖醇在同防、炸药、化工、涂料、皮革、造 纸等其他领域也有极为广泛的用途。有关木糖醇详细的性质、制备、用途、结晶 工艺等内容可参考文献4 9 , - - - - 51 ，这里不再赘述。 第二章实验部分 第二章实验部分 在本章，我们就本课题实验中所使用到的主要实验仪器、化学试剂及具体的 实验过程和对产物的表征等内容做重点描述。 2 1 实验装置图 图2 1 给出了本实验制备木糖醇微粒过程的简易实验装置图： 1 、恒温水槽2 、c 0 2 小钢瓶3 、精密压力表4 、阀 门5 、高压结晶釜 6 、热电偶7 、恒温装置8 、背压阀9 、洗气瓶1 0 、冷浴装置 l l 、流量计 图2 - 1实验装置图 f i g2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea p p a r a t u s 在上实验装置中，主体设备高压结晶釜是在由大连第四仪表厂生产的 f y x o 1l 型高压反应釜的基础上改造而成的。实验中，依次对釜抽真空，进液 体料，后向釜内充二氧化碳，夹带有乙醇的二氧化碳经洗气分离，再经过流量计 放空。其中体系的压力由背压阀和恒温水浴共同控制，恒温水浴1 控制着钢瓶内 c 0 2 气体的压力，恒温装置7 控制结晶体系的温度，热电偶6 通过测温管与恒温 装置7 相连，并控制其加热，常压二氧化碳的流量可由玻璃转子流量计l l 读出。 1 6 第二章实验部分 2 2 实验仪器及试剂 2 2 1 实验仪器 下表2 1 列出了本实验过程中使用到的主要仪器设备及其型号和生产厂家 表2 1 主要实验设备、仪器参数 仪器名称型号与规格生产厂家 2 2 2 实验试剂与药品 下表2 2 列出了本实验过程中使用到的主要试剂与药品及其规格和生产厂家 表2 2 主要实验试剂与药品 试剂名称规格生产厂家 1 7 第二章实验部分 2 3 实验过程 本实验的目的是在不同条件下制备出不同形态和粒径的木糖醇微粒，在这里 选用乙醇作为溶剂，超临界c 0 2 作为抗溶剂介质，详细的实验原理在第一章中 已作过介绍，不再重述。本节仅将重点而详细地介绍本实验中木糖醇乙醇溶液的 配制、木糖醇微粒的制备、木糖醇微粒的形貌表征这三部分内容，对实验前的准 备工作及试验后的整理工作，也不再赘述。 2 3 1 木糖醇乙醇溶液的配制 我们知道在g a s 法中，溶液初始浓度的大小会影响其结晶产品粒子的形态 和大小，为此本实验研究过程中要严格计量木糖醇乙醇溶液的浓度。至少在我们 还不清楚浓度对结晶有什么具体影响时，如果要研究其它因素对制备木糖醇晶体 微粒的影响时，一定要保持木糖醇乙醇溶液初始浓度的恒定。另外溶液中未溶解 完全的微小颗粒( 尤其是我们肉眼可能观察不到的那部分极小颗粒) 和其它固体 杂质将严重影响抗溶剂过程中的正常成核，进而影响到所制备出产品微粒的品质 ( 一般会造成过早成核，使产品颗粒的尺寸大大增加) ，为此，一定要对溶解后 的溶液进行过滤处理。以下是详细的木糖醇乙醇溶液的配制过程。 l 、用专用称量纸在精密电子天平内准确称量一定量的木糖醇固体颗粒，并 转移至5 0 m l 的小烧杯内。 2 、室温下向小烧杯内加入2 0m l 色谱纯的乙