Использование сверхкритических флюидных технологий для очистки воды

Размещено на http://allbest.ru

Доклад

Использование сверхкритических флюидных технологий для очистки воды

Введение

Сверхкритимческий флюимд -- состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой.

Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритическим флюидом.

Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе.

Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает.

С недавних пор суперкритическая (СК) флюидная технология стала очень популярной. Даже те первые заводы по использованию СК технологии, построенные более 20 лет назад в Северной Америке, только сейчас убедились в своих широких возможностях.

СК флюиды используются везде: от сухой чистки белья до очищения металлов, от пищевой промышленности до благовоний, от нутрицевтики до фармацевтики, от синтеза полимеров до получения мелкодисперсных порошков.

СК технология предоставляет многочисленные выгодные условия технологических процессов, таких как увеличение скорости масс-преобразования материалов, уменьшение числа операций в технологическом процессе и снижение действительной стоимости продукции. [1]

Современное состояние развития сверхкритических флюидных технологий

Использование сверхкритических флюидов в качестве экологически чистых, эффективных растворителей является в настоящее время быстро развивающимся направлением в разработке принципиально новых технологий как в крупных промышленно развитых странах мира (США, Великобритании, Германии, Франции, Японии), так и в развивающихся странах (Сингапуре, Южной Корее и др.).

Изучением флюидной тематики только в США занято 3 специализированных научных центра, не считая отдельных исследовательских групп при университетах и крупных фирмах. Следует подчеркнуть, что практически все национальные лаборатории США имеют подразделения, прекрасно оснащенные современным сверхкритическим оборудованием, активно используемым в различных исследованиях.

Сверхкритические растворители представляют собой вещества, находящиеся при температурах и давлениях, превышающих критические значения. сверхкритический флюидный углекислый газ

Многие газы имеют критическую температуру, близкую к комнатной (СО2 + 31°С, С2Н4 + 9°С, С2Н6 + 19°С, N2O + 36,6°C) и критическое давление, лежащее в диапазоне 50-80 атм., что делает весьма удобным и недорогим их применение на практике.

Широкое развитие технологий с применением сверхкритических растворителей связано с использованием их уникальных свойств:

· сочетание свойств газов при высоких давлениях (низкая вязкость, высокий коэффициент диффузии) и жидкостей (высокая растворяющая способность);

· растворяющая способность сверхкритических флюидов очень чувствительна к изменению давления или температуры;

· быстрый массоперенос, осуществляемый благодаря низкой вязкости и высокому коэффициенту диффузии;

· сочетание пренебрежимо малого межфазного натяжения с низкой вязкостью и высоким коэффициентом диффузии, позволяющее сверхкритическим флюидам проникать в пористые среды более легко, по сравнению с жидкостями;

· простота разделения сверхкритических флюидов и растворённых в них веществ понижением давления. [2]

История

Впервые сверхкритическое состояние вещества обнаружил Каньяр де ла Тур в 1822 году, нагревая различные жидкости в паровом автоклаве Папена. Внутрь автоклава он поместил кремниевый шарик. Сам де ла Тур работал в области акустики -- в частности, ему принадлежит изобретение сирены.

При встряхивании автоклава он слышал всплеск, возникавший, когда шарик преодолевал границу раздела фаз. Повторяя встряхивание в процессе дальнейшего нагревания, Каньяр де ла Тур заметил, что звук, издаваемый шариком при столкновении со стенкой автоклава, в определённый момент резко меняется -- становится глухим и более слабым. Для каждой жидкости это происходило при строго определенной температуре, которую стали именовать точкой де ла Тура. [3]

Углекислый газ - замечательный растворитель

Сверхкритическое состояние изучено для трех десятков соединений. Наиболее интересны из них этан, этилен, пропилен, ксенон, вода, однако, основное внимание исследователи уделяют сегодня углекислому газу. Углекислый газ наиболее употребим благодаря своей физиологической совместимости, не токсичности, дешевизне; он не вызывает воспалительных процессов, легко доступен, имеет удобные параметры критического состояния (Тс=31 °С, Рс=7,38 МПа) и не оказывает пагубного влияния на окружающую среду.

Обычно углекислый газ используется для процессов получения продукции малого объема и высокой ценности, тогда как пропан используется в процессе получения продукции в больших объемах и низкой ценности; вода используется для получения высоко полярных субстанций, которые нельзя получить углекислотной и пропановой экстракцией. Использование диоксида углерода вместо органических растворителей повышает экологическую безопасность производств, а также степень чистоты получаемых продуктов, учитывая отсутствие в них следов достаточно токсичных органических растворителей и содержащихся в них примесей. [1]

В сверхкритическом состоянии (31^оС, 73 атм.) он становится мощным растворителем и по отношению к низкомолекулярным соединениям ведет себя как гексан. С полимерами - сложнее. При давлении меньше 350 атм. и температуре до 100^оС флюид растворяет только полидиметилсилоксаны и перфторированные полиуглеводороды.

Причина в том, что молекула СО₂, вступает в специфические взаимодействия с атомом кремния или фторуглеродной группировкой, механизм которых до сих пор обсуждается. Если давление превысит 500 атм., то флюид СО₂, начинает растворять полимеры и других классов. При этом их растворимость во флюиде достигает десятков массовых процентов.[5]

Применение

Раз сверхкритический СО₂, такой сильный растворитель, то почему бы ему не чистить грязную одежду? И не только ее. Еще в 70-е годы флюидом научились извлекать из растворов ионы тяжелых металлов.

В реактор с водой, в которой растворен в виде соли удаляемый металл, подают сверхкритический СО₂. Но это не чистый флюид - в нем растворен какой-либо органический лиганд. Раствор и флюид перемешивают, ион металла соединяется с лигандом, образует комплекс и переходит в СО₂. Потом флюид вытесняют, выводят по капилляру за пределы реактора, где давление падает. Углекислый газ улетает, и получается металлорганический комплекс в чистом виде, с которым можно работать дальше.

Таким способом можно извлекать металлы не только из жидкости, но и из твердого вещества. Во всяком случае, сейчас в Радиевом институте (Санкт-Петербург) создают технологию извлечения из чернобыльской земли заурановых элементов.

Самое главное, что после завершения синтеза достаточно сбросить давление, и растворитель, углекислый газ, просто улетит в атмосферу. В такой схеме синтеза удается избежать главной беды химической технологии - огромного количества растворителей, которые приходится удалять из готового продукта

Все технологии, связанные со сверх критическим СО₂, объединяет одно: в роли растворителя выступает газ, входящий в состав атмосферы нашей планеты. После использования он возвращается туда же, откуда пришел, не создавая при этом ни малейшего загрязнения. Таким образом, сверхкритический флюид из углекислого газа позволяет избежать загрязнения всеми теми, крайне неприятно пахнущими и вредными для всего живого веществами, которыми так славятся промышленный органический синтез и прочие химические производства. [5]

Литература

1. Самое актуальное о сверхкритических флюидах. By Dr. L.Chordia, J.L.Martinez "Laboratory Focus", 2002, V.6, N1 http://www.extract.ru/index.php?id=86

2. Современное состояние развития сверхкритических флюидных технологий http://www.thar.ru/t2.html

3. Сверхкритическая жидкость https://ru.wikipedia.org/wiki/

4. Кювета со сверхкритическим флюидом, Эрнестом Ефимовичем Саид Галиевым. http://www.chem.msu.su/rus/journals/chemlife/2000/krit.html

Размещено на Allbest.ru