超临界二氧化碳应用.doc

化工工艺-结课论文学 校：长春工业大学学 院：化学工程学院专 业：环境工程班 级：090606学 号：20092212姓 名：贺永龙指导老师：孙林平超临界二氧化碳萃取技术及其应用摘要：本文对超临界萃取技术的原理进行了综述，介绍了二氧化碳作为溶剂的优点、超临界二氧化碳技术的优点以及影响因素，并对当前的应用做出分析。关键字：超临界萃取技术；二氧化碳；影响因素；应用1.超临界萃取技术（SFE）的原理超临界流体（SCF）指的是热力学状态处于临界点之上的流体。SCF既不同于气体，也不同于液体，是介于液体和气体之间的单一相态，此时流体处于气态与液态之间的一种特殊状态，具有独特的物理化学性质，其粘度接近于气体，密度接近于液体，扩散系数介于气体和液体之间，故其兼有气体和液体的特点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力，因而SCF具有高扩散性和高溶解性。超临界萃取就是利用SCF在临界点附近体系温度和压力的微小变化，使物质溶解度发生几个数量级的突变性质来实现其对某些组分的提取和分离。通过改变压力或温度来改变SCF的性质，达到选择性地提取各种类型的化合物的目的。超临界萃取技术主要有两类萃取过程：恒温降压过程和恒压升温过程。不同点在于前者是把SCF经减压后与溶质分离，后者是超临界态经加热实现溶质与溶剂分离。两个过程的溶剂都可以反复循环使用。2.CO2作为SCF溶剂的优点常用作SCF的溶剂有CO2、H2O、C2H6、C3H6、NH3、甲苯等，其中CO2是工业上最常用萃取剂，其特点是：临界温度低（31.06），萃取可以在室温附近的温和条件下进行，对易挥发组分或生理活性物质极少破坏，适合于天然活性成分的提取；临界压力适中（7.14MPa），操作条件易于达到，在室温下液化压力为46MPa，便于储运；安全无毒，尤其适合制药、食品工业，且萃取分离一次完成，无溶剂残留；具有化学惰性不可燃，操作安全，价廉易得，而且为温室气体CO2的利用开辟了一条新的途径。3.超临界二氧化碳技术的优点较之常规萃取方法，超临界CO2流体萃取具有显著的优点：可以在接近室温（3540）及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止热敏性物质的氧化和逸散；能完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。使用CO2是最干净的提取方法。由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染。萃取和分离合二为一。当饱含溶解物的CO2SF流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本。压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。临界点附近，温度压力的微小变化都会引起CO2密度显著变化，使得待萃物的溶解度发生变化，通过控制温度或压力达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离，因此工艺流程短、耗时少。对环境无污染。萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化1。CO2是非极性溶剂，对于非极性、弱极性的目标组分的溶解度较大，而对于中等极性、极性的物质来所说，一般要加入能改善其在CO2中的溶解度的极性溶剂改性剂。改性剂的加入还能降低操作温度和压力、缩短萃取时间。适宜的改性剂，其分子结构上应该既有亲脂基团，又有亲CO2基团。改性剂改性作用可以从分子间相互作用得到解释。另外改性剂还起到了与待萃物争夺基体活性点的作用，使被萃物与基体的键合力减弱，从而更易被萃取出来。目前比较常用的改剂有甲醇、丙酮、乙醇、乙酸乙酯等2，其中甲醇作为改性剂使用最为广泛。衍生化试剂可降低被萃物的极性，多用于酚和离子化合物的萃取。需要指出的是，改性剂的作用是有限的，它在改善超临界流体的溶解性的同时，也会削弱萃取系统的捕获作用，导致共萃物的增加，还可能会干扰分析测定。所以，改性剂的用量要尽可能少。4.超临界流体萃取过程的影响因素谭明臣等3研究了影响超临界流体萃取效果的各种因素，主要包括以下方面：物料的预处理方式、萃取压力、萃取温度、CO2流量、萃取时间、夹带剂和分离压力及分离温度。预处理过程中影响萃取效果的主要因素是物料含水量及粒度，二者对萃取的过程影响很大，严重时会使得萃取过程无法进行。超临界流体的溶解能力与压力有明显的相关性，而且不同萃取物受压力影响的范围不同。实际中要考虑设备投资、安全和生产成本等因素，综合考虑产品资源和整体操作参数。温度对萃取过程的影响比较复杂，在恒定压力下，萃取率的高低取决于此温度下是密度的影响还是溶质的挥发性增大对溶解度的影响占优势。应该注意的是，对于热敏性的物质，需控制比较合适的萃取温度。溶剂流量过低，萃取率不高；但是流量过大时，会导致萃取剂耗量增多，从而增加成本。所以在实际处理过程中，必须综合考虑，通过试验来确定合适的萃取剂流量。在确定萃取时间时，应综合考虑设备能耗和萃取率的关系，选择能使系统能耗经济的最佳时间和方式。夹带剂从热力学和动力学两个方面影响被萃取组分的萃取率。但夹带剂的使用会因萃取物中夹带剂的分离及残渣中夹带剂的回收，而增加设备及能耗。故是否选用夹带剂及添加的种类、数量等问题，都应视具体萃取对象慎重决定。还有，分离条件的选择也很重要，合理调整分离釜的工艺参数，是使得不同物质分离的关键所在。5.超临界流体萃取技术的应用随着对超临界流体萃取技术研究的不断深入，其应用范围越加广阔。目前超临界流体萃取技术在以下的方面受到广泛的应用。5.1食品工业的应用由于超临界流体萃取技术所得萃取液溶剂残留少、低毒、无污染、无致癌性等优点，因此特别适合用于食品工业。目前在咖啡豆或茶叶中脱除咖啡因、啤酒花有效成分萃取、动植物油脂的萃取、分离和精制、天然香料植物或果蔬中提取天然香精和色素及风味物质等方面的研究和应用，都取得了长足发展。用超临界CO2进行食品杀菌也有研究4。5.2医药工业的应用从动、植物中提取有效药物成分仍是目前SFE在医药工业中应用较多的一个方面。目前已对多种中草药有效成分的提取工艺及质量进行了研究，如红景天、灵芝等。近年来，利用超临界流体技术进行药物的干燥、造粒和制作缓释药丸已成为人们关注的一个新热点。采用SCF技术，可避免中药加水煎熬的传统服用方法，对热敏性有效成分受热破坏，从而提高疗效。SFE可更有效地提取复杂中药中的挥发性成分。另外，超临界萃取技术还可以用于抗生素的提取，医药制品的精制、脱杂质，维生素和酶的回收等。5.3石油化工的应用石油化工的SFE应用是化工生产中开发最早的行业，除主要用于渣油脱沥青外，在废油回收利用及3次采油等方面也得到了一定的发展。超临界流体萃取可以脱除尾油中全部沥青质及甲苯不溶物，质量分数99.5%以上的金属和70.4%以上的残炭富集到萃余残渣中，馏出油符合催化裂化或加氢裂化进料要求，并具有优良的裂化性能。5.4环保方面的应用在环保方面，SCF技术用于处理含有机物的废水和固体污染物，改进现行的废水处理过程，还可用于废水与污染物分离并将污染物氧化为小分子的场合。在环境污染监测上，SCF技术也可发挥其高效、准确的特性。目前已经有关于超临界流体萃取技术应用于核废料的处理，从水溶液中提取金属离子的报道。5.5皮革工业中的应用目前超临界流体已广泛应用于皮革染色、脱灰、脱脂、铬鞣等方面，极大地推动了皮革清洁化生产的发展。据报道，已经出现了关于超临界流体与分析仪器联用来分析皮革中的组分，超临界流体萃取高效去除皮革废水中的铬等方面的研究报道。5.6在其它领域中的应用随着SFE研究的不断深入以及应用领域的不断拓展，新型超临界流体技术如超临界流体色谱、超临界流体化学反应、超临界流体干燥、超临界流体沉析等技术的研究，都取得了较大进展，显示了超临界流体萃取技术良好的应用前景5。6.结束语虽然超临界流体技术在许多方面已得到应用，但还远没有发挥其应有的作用，这主要是因为目前对超临界流体性质的认识还远远不够，随着认识的深入，超临界流体技术势必得到越来越广泛的应用。参考文献：1李淑芬.超临界CO2萃取天然产品的特性研究A.全国超临界流体技术学术及应用研讨会论文集C.北京:清华大学出版社,1996.30-3