Сверхкритический диоксид углерода
Сверхкритический диоксид углерода ( s CO
2 ) представляет собой жидкое состояние углекислого газа , в котором он поддерживается при критической температуре и критическом давлении или выше них .
Углекислый газ обычно ведет себя как газ в воздухе при стандартной температуре и давлении (STP) или как твердое вещество, называемое сухим льдом , при достаточном охлаждении и/или давлении. Если температура и давление увеличиваются от стандартного давления до критической точки для углекислого газа или выше нее, он может приобрести промежуточные свойства между газом и жидкостью . Более конкретно, он ведет себя как сверхкритическая жидкость при температуре выше критической (304,128 К, 30,9780 ° C, 87,7604 ° F). [1] и критическое давление (7,3773 МПа, 72,808 атм, 1070,0 фунтов на квадратный дюйм, 73,773 бар), [1] расширяется, заполняя свой контейнер, как газ, но с плотностью, как у жидкости.
Сверхкритический CO
2 становится важным коммерческим и промышленным растворителем благодаря своей роли в химической экстракции , а также относительно низкой токсичности и воздействию на окружающую среду. Относительно низкая температура процесса и стабильность CO.
2 также позволяет извлекать соединения с небольшим повреждением или денатурацией . Кроме того, растворимость многих экстрагируемых соединений в CO
2 зависит от давления, [2] разрешение выборочного извлечения.
Приложения
[ редактировать ]Растворитель
[ редактировать ]Углекислый газ набирает популярность среди производителей кофе , стремящихся отказаться от классических растворителей без кофеина . с CO
2 проходит через зеленые кофейные зерна, которые затем опрыскиваются водой под высоким давлением для удаления кофеина. Затем кофеин можно выделить для перепродажи (например, производителям фармацевтических препаратов или напитков), пропуская воду через фильтры с активированным углем или путем дистилляции , кристаллизации или обратного осмоса . Сверхкритический диоксид углерода используется для удаления хлорорганических пестицидов и металлов из сельскохозяйственных культур без фальсификации желаемых компонентов растительного сырья в индустрии растительных добавок . [3]
Сверхкритический диоксид углерода можно использовать в качестве растворителя при химической чистке . [4]
Сверхкритический диоксид углерода используется в качестве растворителя для экстракции при создании эфирных масел и других дистиллятов трав . [5] Его основные преимущества перед такими растворителями, как гексан и ацетон, в этом процессе заключаются в том, что он негорючий и не оставляет токсичных остатков. Кроме того, отделение компонентов реакции от исходного материала намного проще, чем при использовании традиционных органических растворителей . СО
2 может испаряться в воздух или перерабатываться путем конденсации в резервуар для регенерации. Его преимущество перед паровой дистилляцией заключается в том, что он работает при более низкой температуре, что позволяет отделить растительные воски от масел. [6]
В лабораториях CO
2 используется в качестве экстракционного растворителя, например, для определения общего количества извлекаемых углеводородов из почв, отложений, летучей золы и других сред, [7] и определение полициклических ароматических углеводородов в почве и твердых отходах. [8] Сверхкритическая флюидная экстракция использовалась для определения углеводородных компонентов в воде. [9]
Процессы, в которых используется CO
2 для производства микро- и наночастиц , часто для фармацевтических целей, находятся в стадии разработки. Процесс газового антирастворителя , быстрое расширение сверхкритических растворов и сверхкритическое осаждение антирастворителем (а также несколько связанных с ним методов) перерабатывают различные вещества в частицы. [10]
Благодаря своей способности избирательно растворять органические соединения и способствовать функционированию ферментов, CO
2 был предложен в качестве потенциального растворителя для поддержки биологической активности на планетах типа Венеры или суперземли . [11]
Производимая продукция
[ редактировать ]Экологически выгодные и недорогие заменители жесткого термопласта и обожженной керамики производятся с использованием CO.
2 в качестве химического реагента . СО
2 в этих процессах вступает в реакцию со щелочными компонентами полностью затвердевшего гидравлического цемента или гипсовой штукатурки с образованием различных карбонатов. [12] Основным побочным продуктом является вода.
с CO
2 используется при вспенивании полимеров . Сверхкритический диоксид углерода может насытить полимер растворителем. При разгерметизации и нагревании диоксид углерода быстро расширяется, образуя пустоты внутри полимерной матрицы, т. е. образуя пену . Продолжаются исследования микроячеистых пен.
Электрохимическое . карбоксилирование параизобутилбензилхлорида под до действием ибупрофена протекает CO
2 . [13]
Рабочая жидкость
[ редактировать ]с CO
2 химически стабилен, надежен, недорог, негорюч и легко доступен, что делает его желательным кандидатом на рабочую жидкость для транскритических циклов . [14]
Сверхкритический CO 2 используется в качестве рабочей жидкости в бытовых водяных тепловых насосах . Производимые и широко используемые тепловые насосы доступны для отопления и охлаждения жилых и коммерческих помещений. [14] В то время как некоторые из наиболее распространенных бытовых водяных тепловых насосов отводят тепло из помещения, в котором они расположены, например, из подвала или гаража, CO 2 обычно располагаются снаружи, где они отводят тепло из наружного воздуха. водонагреватели с тепловым насосом [14]
Производство электроэнергии
[ редактировать ]Уникальные свойства CO
2 представляют преимущества для выработки электроэнергии с обратной связью и могут быть применены к приложениям выработки электроэнергии. Системы производства электроэнергии, в которых используются традиционные воздушные циклы Брайтона и паровые циклы Ренкина, могут использовать CO.
2 для повышения эффективности и выходной мощности.
Относительно новый энергетический цикл Аллама использует sCO 2 в качестве рабочего тела в сочетании с топливом и чистым кислородом. CO 2 , образующийся при сгорании, смешивается с рабочим телом sCO 2 . Соответствующее количество чистого CO 2 должно быть удалено из процесса (для промышленного использования или секвестрации). Этот процесс сводит выбросы в атмосферу к нулю.
ШОС- 2 обещает существенное повышение эффективности. Благодаря высокой плотности жидкости sCO 2 позволяет создавать компактные и эффективные турбомашины. В нем могут использоваться более простые конструкции корпуса с одним корпусом, в то время как паровые турбины требуют нескольких ступеней турбины и соответствующих корпусов, а также дополнительных впускных и выпускных трубопроводов. Высокая плотность позволяет использовать более компактную технологию теплообменника на основе микроканалов. [15]
Для концентрированной солнечной энергии углекислого газа критическая температура недостаточно высока для достижения максимальной эффективности преобразования энергии. Солнечные тепловые станции обычно располагаются в засушливых районах, поэтому охладить радиатор до докритических температур невозможно. Поэтому смеси сверхкритического диоксида углерода с более высокими критическими температурами находятся в разработке для улучшения производства концентрированной солнечной электроэнергии.
Кроме того, благодаря его превосходной термической стабильности и негорючести возможен прямой теплообмен от источников высокой температуры, что обеспечивает более высокие температуры рабочей жидкости и, следовательно, более высокую эффективность цикла. В отличие от двухфазного потока, однофазный характер s CO
2, устраняет необходимость подвода тепла для фазового перехода, необходимого для превращения воды в пар, тем самым также устраняя связанную с этим термическую усталость и коррозию. [16]
Использование CO
2 представлены вопросы коррозионной техники , выбора материалов и проектирования. Материалы компонентов электрогенерации должны обладать устойчивостью к повреждениям, вызванным высокой температурой , окислением и ползучестью . К материалам-кандидатам, отвечающим этим требованиям по свойствам и характеристикам, относятся сплавы, используемые в энергетике, такие как суперсплавы на основе никеля для компонентов турбомашин и аустенитные нержавеющие стали для труб. Компоненты CO
2 Петли Брайтона подвержены коррозии и эрозии, особенно эрозии компонентов турбомашин и рекуперативных теплообменников, а также межкристаллитной коррозии и точечной коррозии в трубопроводах. [17]
Были проведены испытания потенциальных сплавов на основе Ni, аустенитных сталей, ферритных сталей и керамики на коррозионную стойкость в среде CO.
2 цикла. Интерес к этим материалам обусловлен образованием ими защитных поверхностных оксидных слоев в присутствии диоксида углерода, однако в большинстве случаев требуется дополнительная оценка механики реакции, кинетики и механизмов коррозии/эрозии, поскольку ни один из материалов не соответствует необходимым целям. . [18] [19]
В 2016 году General Electric анонсировала турбину на основе sCO 2 , которая позволила повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую на 50%. В нем CO 2 нагревается до 700°С. Он требует меньшего сжатия и обеспечивает передачу тепла. На полную мощность он выходит за 2 минуты, тогда как паровым турбинам требуется не менее 30 минут. Прототип вырабатывал 10 МВт и примерно на 10% меньше сопоставимой паровой турбины. [20] В 2023 году в Сан-Антонио было завершено строительство пилотной установки сверхкритической трансформационной электроэнергии (STEP) мощностью 10 МВт и стоимостью 155 миллионов долларов США. Он размером с письменный стол и может обеспечить электроэнергией около 10 000 домов. [21]
Другой
[ редактировать ]Ведутся работы по развитию как CO
2 газовая турбина замкнутого цикла , работающая при температуре около 550 °С. Это будет иметь значение для объемного теплового и ядерного производства электроэнергии, поскольку сверхкритические свойства углекислого газа при температуре выше 500 °C и 20 МПа позволяют достичь термического КПД, приближающегося к 45 процентам. Это может увеличить выработку электроэнергии на единицу необходимого топлива на 40 и более процентов. Учитывая объемы углеродного топлива, используемого при производстве электроэнергии, воздействие повышения эффективности цикла на окружающую среду будет значительным. [22]
Сверхкритический CO
2 — это новый природный хладагент, используемый в новых низкоуглеродных решениях для бытовых тепловых насосов . Сверхкритический CO
2 тепловых насоса продаются в Азии. Системы EcoCute из Японии, разработанные Mayekawa, производят бытовую воду высокой температуры с небольшими затратами электроэнергии за счет передачи тепла в систему из окружающей среды. [23]
Сверхкритический CO
2 используется с 1980-х годов для повышения нефтеотдачи на зрелых нефтяных месторождениях.
« чистого угля Появляются технологии », которые могут сочетать такие улучшенные методы добычи с секвестрацией углерода . При использовании газификаторов вместо обычных печей уголь и вода превращаются в газообразный водород, углекислый газ и золу. Этот газообразный водород можно использовать для производства электроэнергии. В комбинированного цикла газовых турбинах CO
2 улавливается, сжимается до сверхкритического состояния и закачивается в геологическое хранилище, возможно, в существующие нефтяные месторождения для повышения нефтеотдачи. [24] [25] [26]
Сверхкритический CO
2 может использоваться в качестве рабочей жидкости для производства геотермальной электроэнергии в обеих усовершенствованных геотермальных системах. [27] [28] [29] [30] и осадочные геотермальные системы (так называемые CO
2 Геотермальный шлейф). [31] [32] В системах EGS используется искусственный трещиноватый резервуар в породе фундамента, тогда как в системах CPG используются более мелкие осадочные резервуары с естественной проницаемостью. Возможные преимущества использования CO
2 в геологическом резервуаре, по сравнению с водой, включают более высокий выход энергии из-за его более низкой вязкости, лучшего химического взаимодействия и постоянного содержания CO.
2 хранилище, так как резервуар должен быть заполнен большими массами CO.
2 . По состоянию на 2011 год концепция не тестировалась в полевых условиях. [33]
Производство аэрогеля
[ редактировать ]Сверхкритический диоксид углерода используется в производстве аэрогелей на основе диоксида кремния, углерода и металлов . Например, образуется гель диоксида кремния, который затем подвергается воздействию CO.
2 . Когда СО
2 становится сверхкритическим, все поверхностное натяжение удаляется, позволяя жидкости покинуть аэрогель и образовать поры нанометрового размера. [34]
Стерилизация биомедицинских материалов
[ редактировать ]Сверхкритический CO
2 является альтернативой термической стерилизации биологических материалов и медицинских изделий с комбинацией добавки надуксусной кислоты (ПАА). Сверхкритический CO
2 не стерилизует среду, поскольку не убивает споры микроорганизмов. Причем этот процесс является щадящим, поскольку морфология, ультраструктура и белковые профили инактивированных микробов сохраняются. [35]
Очистка
[ редактировать ]Сверхкритический CO
2 используется в некоторых процессах промышленной очистки .
См. также
[ редактировать ]- Кофеин
- Химчистка
- Духи
- Сверхкритическая жидкость
- Атмосфера Венеры , почти вся углекислый газ, на поверхности сверхкритическая.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Спан, Роланд; Вагнер, Вольфганг (1996). «Новое уравнение состояния углекислого газа, охватывающее область жидкости от температуры тройной точки до 1100 К при давлениях до 800 МПа». Журнал физических и химических справочных данных . 25 (6): 1509–1596. Бибкод : 1996JPCRD..25.1509S . дои : 10.1063/1.555991 .
- ^ Открытие - Может ли химия спасти мир? - Всемирная служба Би-би-си
- ^ Департамент фармацевтического анализа, Шэньянский фармацевтический университет, Шэньян 110016, Китай
- ^ Стюарт, Джина (2003), Джозеф М. Дезимоун; Уильям Тумас (ред.), «Химическая чистка с использованием жидкой двуокиси углерода», « Зеленая химия с использованием жидкости и S CO».
2 : 215–227 - ^ Айзпуруа-Олайсола, Ойер; Ормазабаль, Маркел; Вальехо, Азиер; Оливарес, Майтане; Наварро, Патрисия; Эчебаррия, Нестор; Усобиага, Аресац (1 января 2015 г.). «Оптимизация сверхкритической жидкостной последовательной экстракции жирных кислот и полифенолов из отходов винограда Vitis vinifera». Журнал пищевой науки . 80 (1): E101–107. дои : 10.1111/1750-3841.12715 . ISSN 1750-3841 . ПМИД 25471637 .
- ^ Мендиола, Дж.А.; Эрреро, М.; Сифуэнтес, А.; Ибаньес, Э. (2007). «Использование сжатых жидкостей для подготовки проб: пищевое применение». Журнал хроматографии А. 1152 (1–2): 234–246. дои : 10.1016/j.chroma.2007.02.046 . hdl : 10261/12445 . ПМИД 17353022 .
- ^ «Методы испытаний | Отходы – опасные отходы | Агентство по охране окружающей среды США» . wayback.archive-it.org . Архивировано из оригинала 17 декабря 2008 года . Проверено 5 февраля 2018 г.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) - ^ Метод USEPA 3561 Сверхкритическая флюидная экстракция полициклических ароматических углеводородов .
- ^ Использование озоноразрушающих веществ в лабораториях . ТемаНорд 2003:516.
- ^ Йео, С.; Киран, Э. (2005). «Формирование полимерных частиц в сверхкритических жидкостях: обзор». Дж. Суперкрит. Жидкости . 34 (3): 287–308. дои : 10.1016/j.supflu.2004.10.006 .
- ^ Будиса, Недилько; Шульце-Макух, Дирк (8 августа 2014 г.). «Сверхкритический диоксид углерода и его потенциал в качестве растворителя, поддерживающего жизнь в планетарной среде» . Жизнь . 4 (3): 331–340. Бибкод : 2014Life....4..331B . дои : 10.3390/life4030331 . ПМК 4206850 . ПМИД 25370376 .
- ^ Рубин, Джеймс Б.; Тейлор, Крейг М.В.; Хартманн, Томас; Павиет-Хартманн, Патрисия (2003), Джозеф М. Дезимоун; Уильям Тумас (ред.), «Улучшение свойств портландцементов с использованием сверхкритического диоксида углерода», « Зеленая химия с использованием жидкого и сверхкритического диоксида углерода : 241–255».
- ^ Сакакура, Тошиясу; Чой, Джун-Чул; Ясуда, Хироюки (13 июня 2007 г.). «Превращение углекислого газа». Химические обзоры . 107 (6): 2365–2387. дои : 10.1021/cr068357u . ПМИД 17564481 .
- ^ Jump up to: а б с Ма, Итай; Лю, Чжунъянь; Тянь, Хуа (2013). «Обзор транскритических углекислотных тепловых насосов и холодильных циклов» . Энергия . 55 : 156–172. Бибкод : 2013Ene....55..156M . дои : 10.1016/j.energy.2013.03.030 . ISSN 0360-5442 .
- ^ «Разработки и коммерциализация сверхкритического энергетического цикла CO2: почему sCO2 может вытеснить пар» (PDF) .
- ^ «Сверхкритические энергетические циклы с двуокисью углерода начинают появляться на рынке» . Разрывная энергия .
- ^ «Коррозия и эрозия в CO
2 энергетических цикла» (PDF) . Национальные лаборатории Сандии. - ^ «ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОВМЕСТИМОСТЬ ОБЫЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ СПЛАВОВ ПО sCO2» (PDF) . 4-й Международный симпозиум - Сверхкритические энергетические циклы CO2. Архивировано из оригинала (PDF) 23 апреля 2016 года.
- ^ Дж. Паркс, Кертис. «Коррозия потенциальных жаропрочных сплавов в сверхкритическом диоксиде углерода» (PDF) . Оттавско-Карлтонский институт машиностроения и аэрокосмической техники.
- ^ Талбот, Дэвид (11 апреля 2016 г.). «Турбина размером с стол могла бы обеспечить электроэнергией целый город» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 13 апреля 2016 г.
- ^ Блейн, Лоз (1 ноября 2023 г.). «Пилотный проект по сверхкритическому выбросу CO2 направлен на то, чтобы сделать паровые турбины устаревшими» . Новый Атлас . Проверено 4 ноября 2023 г.
- ^ В. Достал, М. Дж. Дрисколл, П. Хейзлар, «Сверхкритический цикл углекислого газа для ядерных реакторов следующего поколения» (PDF) . Проверено 20 ноября 2007 г. MIT-ANP-серия , MIT-ANP-TR-100 (2004 г.)
- ^ «Тепловые насосы» . Производственная компания Майекава (Mycom) . Проверено 7 февраля 2015 г.
- ^ «Водородная экономика: возможности, затраты, барьеры и потребности в исследованиях и разработках» , с. 84 (2004)
- ^ «Проект FutureGen 2.0» . Альянс FutureGen . Архивировано из оригинала 10 февраля 2015 года . Проверено 7 февраля 2015 г.
- ^ «Эйвинд Вессия: «Реактор Фишера-Тропша, питаемый синтез-газом» » . Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 года.
- ^ К. Прюсс (2006), «Концепция геотермальной энергии из горячих сухих пород с использованием CO
2 вместо воды». Архивировано 8 октября 2011 г. в Wayback Machine. - ^ Дональд В. Браун (2000), «О возможности использования CO
2 в качестве теплоносителя в геотермальной системе с горячими сухими породами». Архивировано 4 сентября 2006 г. на Wayback Machine. - ^ К. Прюсс (2007) Улучшенные геотермальные системы (EGS), сравнивающие воду с CO
2 в качестве теплоносителей» - ^ J Apps (2011), «Моделирование геохимических процессов в улучшенных геотермальных системах с использованием CO».
2 в качестве теплоносителя" - ^ Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2011). «Сочетание захвата геотермальной энергии с геологической секвестрацией углекислого газа» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (L10401): нет данных. Бибкод : 2011GeoRL..3810401R . дои : 10.1029/2011GL047265 .
- ^ Адамс, Бенджамин М.; Кюн, Томас Х.; Белицкий, Джеффри М.; Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2015). «Сравнение выходной электрической мощности геотермальных систем с шлейфом CO2 (CPG) и рассолных геотермальных систем для различных пластовых условий». Прикладная энергетика . 140 : 365–377. дои : 10.1016/j.apenergy.2014.11.043 .
- ^ http://earthsciences.typepad.com/blog/2011/06/achieving-carbon-sequestration-and-geothermal-energy-production-a-win-win.html Новости и события ОУР «Достижение секвестрации углерода и производства геотермальной энергии». : Беспроигрышный вариант!»
- ^ «Aerogel.org » Сверхкритическая сушка» .
- ^ Уайт, Анджела; Бернс, Дэвид; Кристенсен, Тим В. (2006). «Эффективная терминальная стерилизация с использованием сверхкритического диоксида углерода». Журнал биотехнологии . 123 (4): 504–515. doi : 10.1016/j.jbiotec.2005.12.033 . ПМИД 16497403 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Мухопадхьяй М. (2000). Натуральные экстракты с использованием сверхкритического диоксида углерода . США: CRC Press, LLC. Бесплатный предварительный просмотр в Google Книгах .