超临界流体及其应用

超临界流体及其应用

摘要：本文介绍了一种新的物质状态——超临界流体，介绍了它的相关特性，并对关于超临界流体近几年的研究做了简单介绍，以及对其发展前景做了展望。 关键词：超临界流体 相 物质状态

一、引言：

通常我们对物质的认识是固态、液态、气态三种，然而随着科学的发展物态便无法简单的限制到这三态之间，一些新型物态陆续被提出。1879年克鲁克斯（Sir William Crookes,1832-1919）首次发现等离子态（Plasma），作为一以由自由电子和带电离子为主要成分的物质，它无法被划分入固液气三态，于是它被视为物质的第四态。1822年法国Cagniard在进行实验时发现超临界流体的特性，他将炮管密封，其中加入不同温度的流体，再放入燧石的小球，球在炮管中滚动时会有声音的不连续变化，但当温度超过临界温度时，声音的不连续变化消失了，炮管的流体中液体和气体的密度变得相同，变成一个超临界流体的相，因此也没有二相之间的相界限。这种特殊的相态同样无法划归入之前的三态，亦属一种新的相态。1877年德国科学家奥托·雷曼（Otto Lehmann,1855－1922）运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象，之后和德国植物生物学家弗里德里希·莱尼泽(Friedrich Reinitzer,1857-1927)合作进一步研究，最终发现了这种介于固体和液体之间的新的相态——液晶。最近的研究又表明更有超固态和中子态存在。

当前人提出了这些新相态，我们似乎便可以突破思维定势，相信在气体之上、液气之间、固液之间、固体之下都有其他状态。当然也存在其他分类方式，科学家也按照分子之间的相互关系作分类，则存在固态、液态、气态、等离子态、费米子凝聚态和夸克-胶子酱这几种状态。但是任一种分类法无法完全涵盖所有物质状态，我们同样相信仍然还有很多物质形态是我们目前所无法解释的，这也是我们孜孜以求的目标。

限于篇幅和所学知识，本文仅就超临界流体做一介绍。

二、超临界流体及其性质：

当物质超过临界温度和临界压力之上时，气体和液体的性质会趋于类似，最后会形成一个均匀相，在相图中可以更清楚的看到：

当温度高于300K,压强大于100bar时，两相分界线消失，此时液体和气体性质相似，这就是超临界流体。

Figure 1 超临界流体相图

如果要得到超临界流体，显然温度和压强的控制是很重要的，下表是常见的几种物质的临界温度和压强：

Table 1各种化学物质的临界压力、温度和密度

同时，我们自然可以想到，超临界流体同时有着液体和气体的优良性质。它具有气体的可压缩性，也可以像气体一样发生泻流现象，同时有着液体的流动性，密度0.1~1.0g/ml之间的低密度。它的优良性质我们可以在下表中通过对比得出：

Table 2超临界流体的物理性质

（Edit Székely. Supercritical Fluid Extraction. Budapest University of Technology and Economics.2007.）

同时因为超临界流体不具有液体和气体之间的相界限，所以不存在表面张力，这对于控制而言是很重要的一件事，因为我们知道为了实现精密控制我们需要变化连续发生，对初值连续，而由于液体的表面张力导致了在液体表面性质的不连续，这使得液体的控制是一个很大的难题。而超临界流体则不受此约束，它有着良好的操控性，可以进行微调使其向需要的方向偏转。

对于超临界流体的应用而言，最为重要的一个性质是它的溶解性，研究表明物质在超临界流体中有着良好的溶解特性，这与它的密度、粘度比、扩散系数、介电常数等都有关系。这在萃取领域应用较为广泛。

三、超临界流体的应用：

超临界流体应用的范围主要是物质的分离提纯方面。而目前研究最为成功的，是CO2超临界流体的萃取技术。CO2的临界温度和临界压力均较低（见table 1），便于在实际操作中使用。超临界CO2具有低粘稠度、高扩散性、易溶解多种物质且无毒无害的特性。同时物质的超临界体溶液也易于进一步分离。目前已经利用超临界CO2成功从咖啡豆中出去咖啡因，从烟草中脱去尼古丁，从大豆或玉米胚芽中分离甘油酯，从植物中提炼精油等等。它优良的萃取性能对于一些

超临界流体的另一个应用是色谱（SFC），传统的气相色谱无法分析易挥发和热不稳定的物质，液相色谱无法分析火焰化离子，这些都可以利用超临界流体的兼容性加以实现。此外超临界流体色谱法得到的峰相对较窄，这大大提高了研究精确度。

超临界流体环境是一个均相环境，通过微调控可以使反应物溶解度增大，从而极大的提高了反应速率。同时可以通过控制反向达到相分离的目的。

此外，超临界流体在化学气相沉积、高效能热机领域同样有优良的性能。

四、展望：

超临界流体成功解决了高纯度物质的分离提纯问题，同时为医疗、纳米技术等领域提供了一种新的思路和工具，但是我们同样可以看到这一技术目前只适用于实验室以及有特殊需要的物质分离提纯方面，还未能实现大规模、普遍适用。一个重要的阻力就是压强和温度的限制，温度太高或者压强太大均对超临界流体的适用性带来的阻碍。

不过相信经过进一步的研究，我们可以找到更有实用性的物质来得到超临界流体，那时会在科技的各个领域带来一次技术的革新。

五、致谢：

感谢刘春立老师提供的此次针对专题问题进行调研和论文写作的机会；感谢北京大学图书馆提供的学术资源。

六、参考文献：

[1]倪伟,许群.超临界流体技术制备有序材料研究进展[J].科学通报.2009(06)

[2]银建中,张宪阵,徐琴琴,张传杰,王爱琴.超临界流体沉积技术在纳米复合材料制备中的应用[J].化学进展.2009(04)

[3]俞琛捷,马宏佳,周志华. 超临界流体技术的应用研究进展[J]. 化学世界. 2007(02)

[4]Edit Székely. Supercritical Fluid Extraction. Budapest University of Technology and Economics.2007.

[5]McHugh M A, Krukonis V J. Supercritical fluid extraction. Principles and practice[J]. 1986. [6]Johnston K P, Penninger J M L. Supercritical fluid science and technology[J].1989.