stringtranslate.com

Сверхкритический диоксид углерода

Фазовая диаграмма давления-температуры диоксида углерода
В этом видео показано свойство углекислого газа переходить в сверхкритическое состояние при повышении температуры.

Сверхкритический диоксид углерода ( s CO
2) — это жидкое состояние диоксида углерода , при котором он поддерживается на уровне или выше критической температуры и критического давления .

Углекислый газ обычно ведет себя как газ в воздухе при стандартной температуре и давлении (СТП) или как твердое вещество, называемое сухим льдом , при достаточном охлаждении и/или давлении. Если температура и давление увеличиваются от СТП до критической точки или выше нее , он может принять свойства, промежуточные между газом и жидкостью . Более конкретно, он ведет себя как сверхкритическая жидкость выше своей критической температуры (304,128 К, 30,9780 °C, 87,7604 °F) [1] и критического давления (7,3773 МПа, 72,808 атм, 1070,0 фунтов на кв. дюйм, 73,773 бар), [1] расширяясь, чтобы заполнить свой контейнер как газ, но с плотностью, как у жидкости.

Сверхкритический CO
2становится важным коммерческим и промышленным растворителем из-за его роли в химической экстракции , в дополнение к его относительно низкой токсичности и воздействию на окружающую среду. Относительно низкая температура процесса и стабильность CO
2также позволяет извлекать соединения с небольшим повреждением или денатурацией . Кроме того, растворимость многих извлеченных соединений в CO
2изменяется в зависимости от давления [2], что позволяет проводить выборочную экстракцию.

Приложения

Растворитель

Углекислый газ приобретает все большую популярность среди производителей кофе , которые стремятся отойти от классических растворителей для декофеинизации . s CO
2продавливается через зеленые кофейные зерна, которые затем опрыскиваются водой под высоким давлением для удаления кофеина. Затем кофеин может быть выделен для перепродажи (например, фармацевтическим производителям или производителям напитков) путем пропускания воды 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 из растительного материала в индустрии травяных добавок . [3]

Сверхкритический диоксид углерода может использоваться в качестве растворителя в химической чистке . [4]

Сверхкритический диоксид углерода используется в качестве экстракционного растворителя для создания эфирных масел и других травяных дистиллятов . [5] Его основные преимущества перед такими растворителями, как гексан и ацетон в этом процессе, заключаются в том, что он негорюч и не оставляет токсичных остатков. Кроме того, отделение компонентов реакции от исходного материала намного проще, чем с традиционными органическими растворителями . CO
2может испаряться в воздух или быть переработан путем конденсации в рекуперационном сосуде. 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 , s CO
2используется в качестве экстракционного растворителя, например, для определения общего количества извлекаемых углеводородов из почв, отложений, летучей золы и других сред, [7] и определения 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
2для производства микро- и наночастиц , часто для фармацевтического использования, находятся в стадии разработки. Газовый антисольвентный процесс, быстрое расширение сверхкритических растворов и сверхкритическое антисольвентное осаждение (а также несколько связанных методов) перерабатывают различные вещества в частицы. [10]

Благодаря своей способности избирательно растворять органические соединения и способствовать функционированию ферментов, s CO
2был предложен в качестве потенциального растворителя для поддержания биологической активности на планетах типа Венеры или суперземли . [11]

Выпускаемая продукция

Экологически чистые, недорогие заменители жесткого термопластика и обожженной керамики производятся с использованием s CO
2как химический реагент . S CO
2В этих процессах он реагирует со щелочными компонентами полностью затвердевшего гидравлического цемента или гипсовой штукатурки, образуя различные карбонаты. [12] Основным побочным продуктом является вода.

с CO
2используется при вспенивании полимеров . Сверхкритический диоксид углерода может насыщать полимер растворителем. При сбросе давления и нагревании диоксид углерода быстро расширяется, вызывая образование пустот в полимерной матрице, т.е. создавая пену . Продолжаются исследования микроячеистых пен.

Электрохимическое карбоксилирование пара- изобутилбензилхлорида в ибупрофен происходит под действием s CO
2. [13]

Рабочая жидкость

с CO
2химически стабилен, надежен, недорог, не воспламеняется и легко доступен, что делает его желанным кандидатом на роль рабочей жидкости для транскритических циклов . [14]

Сверхкритический CO 2 используется в качестве рабочей жидкости в бытовых водяных тепловых насосах . Изготовленные и широко используемые, тепловые насосы доступны для бытового и коммерческого отопления и охлаждения. [14] В то время как некоторые из наиболее распространенных бытовых водяных тепловых насосов отводят тепло из пространства, в котором они находятся, например, подвала или гаража, водонагреватели с тепловым насосом CO 2 обычно располагаются снаружи, где они отводят тепло из наружного воздуха. [14]

Генерация электроэнергии

Уникальные свойства s CO
2представляют преимущества для замкнутого цикла генерации энергии и могут быть применены для приложений генерации энергии. Системы генерации энергии, которые используют традиционные воздушные циклы Брайтона и паровые циклы Ренкина, могут использовать s CO
2для повышения эффективности и выходной мощности.

Относительно новый энергетический цикл Аллама использует sCO 2 в качестве рабочей жидкости в сочетании с топливом и чистым кислородом. CO 2, полученный при сгорании, смешивается с рабочей жидкостью 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.

sCO 2 обещает существенное повышение эффективности. Благодаря высокой плотности жидкости, sCO 2 позволяет создавать компактные и эффективные турбомашины. Он может использовать более простые конструкции с одним корпусом, в то время как паровые турбины требуют несколько ступеней турбины и связанных с ними корпусов, а также дополнительных впускных и выпускных трубопроводов. Высокая плотность позволяет использовать более компактную технологию теплообменника на основе микроканалов. [15]

Для концентрированной солнечной энергии критическая температура углекислого газа недостаточно высока для получения максимальной эффективности преобразования энергии. Солнечные тепловые электростанции обычно располагаются в засушливых районах, поэтому невозможно охладить теплоотвод до субкритических температур. Поэтому разрабатываются сверхкритические смеси углекислого газа с более высокими критическими температурами для улучшения производства электроэнергии концентрированной солнечной энергией.

Кроме того, благодаря своей превосходной термической стабильности и негорючести возможен прямой теплообмен от высокотемпературных источников, что позволяет использовать более высокие температуры рабочей жидкости и, следовательно, более высокую эффективность цикла. В отличие от двухфазного потока, однофазная природа s CO
2устраняет необходимость подвода тепла для фазового перехода, необходимого для преобразования воды в пар, тем самым устраняя сопутствующую термическую усталость и коррозию. [16]

Использование s CO
2представляет вопросы коррозионной инженерии , выбора материалов и проектирования. Материалы в компонентах для производства электроэнергии должны обладать устойчивостью к повреждениям, вызванным высокой температурой , окислением и ползучестью . К материалам-кандидатам, которые соответствуют этим целям свойств и производительности, относятся действующие сплавы в производстве электроэнергии, такие как суперсплавы на основе никеля для компонентов турбомашин и аустенитные нержавеющие стали для трубопроводов. Компоненты в пределах s CO
2Контуры Брайтона страдают от коррозии и эрозии, в частности, от эрозии в турбомашинах и компонентах рекуперативного теплообменника, а также от межкристаллитной коррозии и точечной коррозии в трубопроводах. [17]

Испытания проводились на потенциальных сплавах на основе никеля, аустенитных сталях, ферритных сталях и керамике на коррозионную стойкость в среде CO
2циклы. Интерес к этим материалам обусловлен образованием ими защитных поверхностных оксидных слоев в присутствии углекислого газа, однако в большинстве случаев требуется дальнейшая оценка механики реакции, а также кинетики и механизмов коррозии/эрозии, поскольку ни один из материалов не отвечает необходимым целям. [18] [19]

В 2016 году компания General Electric анонсировала турбину на основе sCO2 , которая обеспечивает 50% эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. В ней CO2 нагревается до 700 °C. Она требует меньшего сжатия и обеспечивает передачу тепла. Она достигает полной мощности 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] Пилотная установка сверхкритической трансформационной электроэнергии (STEP) мощностью 10 МВт стоимостью 155 миллионов долларов США была завершена в 2023 году в Сан-Антонио. Она размером со стол и может обеспечить электроэнергией около 10 000 домов. [21]

Другой

Ведутся работы по разработке CO
2 газовая турбина замкнутого цикла для работы при температурах около 550 °C. Это будет иметь последствия для массового теплового и ядерного производства электроэнергии, поскольку сверхкритические свойства углекислого газа при температуре выше 500 °C и 20 МПа позволяют тепловой эффективности приближаться к 45 процентам. Это может увеличить электрическую мощность, производимую на единицу требуемого топлива, на 40 процентов или более. Учитывая объем углеродного топлива, используемого для производства электроэнергии, воздействие на окружающую среду повышения эффективности цикла будет значительным. [22]

Сверхкритический CO
2это новый природный хладагент, используемый в новых низкоуглеродных решениях для бытовых тепловых насосов . Сверхкритический CO
2Тепловые насосы продаются в Азии. Системы EcoCute из Японии, разработанные Mayekawa, вырабатывают высокотемпературную бытовую воду с небольшими затратами электроэнергии, перемещая тепло в систему из окружающей среды. [23]

Сверхкритический CO
2используется с 1980-х годов для повышения нефтеотдачи на зрелых нефтяных месторождениях.

Появляются технологии « чистого угля », которые могут объединить такие усовершенствованные методы восстановления с улавливанием углерода . Используя газификаторы вместо обычных печей, уголь и вода восстанавливаются до водорода, углекислого газа и золы. Этот водород может использоваться для производства электроэнергии. В газовых турбинах комбинированного цикла CO
2улавливается, сжимается до сверхкритического состояния и закачивается в геологическое хранилище, возможно, в существующие нефтяные месторождения для повышения производительности. [24] [25] [26]

Сверхкритический CO
2может использоваться в качестве рабочей жидкости для геотермальной генерации электроэнергии как в усовершенствованных геотермальных системах [27] [28] [29] [30], так и в осадочных геотермальных системах (так называемых CO
2Plume Geothermal). [31] [32] Системы EGS используют искусственно трещиноватый резервуар в подземной породе, в то время как системы CPG используют более мелкие естественно проницаемые осадочные резервуары. Возможные преимущества использования CO
2в геологическом резервуаре, по сравнению с водой, включают более высокий выход энергии в результате его меньшей вязкости, лучшего химического взаимодействия и постоянного содержания CO
2хранение, так как резервуар должен быть заполнен большими массами CO
2. По состоянию на 2011 год эта концепция не была испытана в полевых условиях. [33]

Производство аэрогеля

Сверхкритический диоксид углерода используется в производстве аэрогелей на основе кремния, углерода и металла . Например, гель диоксида кремния формируется, а затем подвергается воздействию s CO
2. Когда СО
2становится сверхкритическим, все поверхностное натяжение снимается, что позволяет жидкости покинуть аэрогель и создать поры нанометрового размера. [34]

Стерилизация биомедицинских материалов

Сверхкритический CO
2является альтернативой для термической стерилизации биологических материалов и медицинских изделий с добавлением надуксусной кислоты (НАК). Сверхкритический CO
2не стерилизует среду, так как не убивает споры микроорганизмов. Более того, этот процесс является щадящим, так как морфология, ультраструктура и белковые профили инактивированных микробов сохраняются. [35]

Уборка

Сверхкритический CO
2используется в некоторых промышленных процессах очистки .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Span, Roland; Wagner, Wolfgang (1996). "Новое уравнение состояния для диоксида углерода, охватывающее область жидкости от температуры тройной точки до 1100 К при давлениях до 800 МПа". Journal of Physical and Chemical Reference Data . 25 (6): 1509–1596. Bibcode : 1996JPCRD..25.1509S. doi : 10.1063/1.555991.
  2. ^ Discovery - Может ли химия спасти мир? - BBC World Service
  3. ^ Кафедра фармацевтического анализа, Шэньянский фармацевтический университет, Шэньян 110016, Китай
  4. ^ Стюарт, Джина (2003), Джозеф М. ДеСимоне; Уильям Тумас (ред.), «Химическая чистка с жидким диоксидом углерода», Зеленая химия с использованием жидкости и S CO
    2    : 215–227
  5. ^ Айзпуруа-Олайзола, 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.
  6. ^ Mendiola, JA; Herrero, M.; Cifuentes, A.; Ibañez, E. (2007). «Использование сжатых жидкостей для подготовки образцов: пищевые приложения». Journal of Chromatography A. 1152 ( 1–2): 234–246. doi : 10.1016/j.chroma.2007.02.046. hdl : 10261/12445 . PMID  17353022.
  7. ^ "Методы испытаний | Отходы - Опасные отходы | Агентство по охране окружающей среды США". wayback.archive-it.org . Архивировано из оригинала 17 декабря 2008 года . Получено 5 февраля 2018 года .{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  8. ^ Метод USEPA 3561 Сверхкритическая флюидная экстракция полициклических ароматических углеводородов.
  9. ^ Использование веществ, разрушающих озоновый слой, в лабораториях. TemaNord 2003:516.
  10. ^ Йео, С.; Киран, Э. (2005). «Формирование полимерных частиц с помощью сверхкритических жидкостей: обзор». J. Supercrit. Fluids . 34 (3): 287–308. doi :10.1016/j.supflu.2004.10.006.
  11. ^ Будиса, Недилько; Шульце-Макух, Дирк (8 августа 2014 г.). «Сверхкритический диоксид углерода и его потенциал как поддерживающего жизнь растворителя в планетарной среде». Life . 4 (3): 331–340. Bibcode :2014Life....4..331B. doi : 10.3390/life4030331 . PMC 4206850 . PMID  25370376. 
  12. ^ Рубин, Джеймс Б.; Тейлор, Крейг М.В.; Хартманн, Томас; Павиет-Хартманн, Патрисия (2003), Джозеф М. ДеСимоне; Уильям Тумас (ред.), «Улучшение свойств портландцемента с использованием сверхкритического диоксида углерода», Зеленая химия с использованием жидкого и сверхкритического диоксида углерода : 241–255
  13. ^ Сакакура, Тошиясу; Чой, Джун-Чул; Ясуда, Хироюки (13 июня 2007 г.). «Преобразование углекислого газа». Chemical Reviews . 107 (6): 2365–2387. doi :10.1021/cr068357u. PMID  17564481.
  14. ^ abc Ma, Yitai; Liu, Zhongyan; Tian, ​​Hua (2013). «Обзор транскритических тепловых насосов на углекислом газе и холодильных циклов». Energy . 55 : 156–172. Bibcode :2013Ene....55..156M. doi :10.1016/j.energy.2013.03.030. ISSN  0360-5442.
  15. ^ «Разработки и коммерциализация сверхкритического энергетического цикла на CO2: почему sCO2 может вытеснять пар» (PDF) .
  16. ^ "Энергетические циклы на сверхкритическом диоксиде углерода начинают появляться на рынке". Breaking Energy .
  17. ^ "Коррозионное и эрозионное поведение в циклах питания sCO2" (PDF) . Национальные лаборатории Сандия.
  18. ^ "ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОВМЕСТИМОСТЬ sCO2 ОБЫЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ" (PDF) . 4-й Международный симпозиум - Сверхкритические энергетические циклы CO2. Архивировано из оригинала (PDF) 23 апреля 2016 г.
  19. ^ Дж. Паркс, Кертис. «Коррозия высокотемпературных сплавов-кандидатов в сверхкритическом диоксиде углерода» (PDF) . Институт машиностроения и аэрокосмической техники Оттавы-Карлтона.
  20. ^ Талбот, Дэвид (11 апреля 2016 г.). «Турбина размером с настольный компьютер могла бы обеспечить энергией город». MIT Technology Review . Получено 13 апреля 2016 г.
  21. ^ Блейн, Лоз (1 ноября 2023 г.). «Пилотный проект по сверхкритическому CO2 нацелен на то, чтобы сделать паровые турбины устаревшими». Новый Атлас . Получено 4 ноября 2023 г.
  22. ^ V. Dostal, MJ Driscoll, P. Hejzlar, "Сверхкритический цикл на углекислом газе для ядерных реакторов следующего поколения" (PDF) . Получено 20 ноября 2007 г. MIT-ANP-серия , MIT-ANP-TR-100 (2004 г.)
  23. ^ "Тепловые насосы". Mayekawa Manufacturing Company (Mycom) . Получено 7 февраля 2015 г.
  24. ^ «Водородная экономика: возможности, затраты, барьеры и потребности в НИОКР», стр. 84 (2004)
  25. ^ "FutureGen 2.0 Project". FutureGen Alliance . Архивировано из оригинала 10 февраля 2015 года . Получено 7 февраля 2015 года .
  26. ^ "Ойвинд Вессиа: "Реактор Фишера-Тропша, питаемый синтез-газом"". Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г.
  27. ^ K Pruess (2006), «Концепция геотермальной энергии из горячих сухих пород с использованием sCO2 вместо воды». Архивировано 08.10.2011 на Wayback Machine
  28. ^ Дональд В. Браун (2000), «О возможности использования sCO2 в качестве теплопередающей жидкости в спроектированной геотермальной системе на основе горячих сухих пород». Архивировано 04.09.2006 на Wayback Machine
  29. ^ K Pruess (2007) «Улучшенные геотермальные системы (EGS) сравнивают воду с CO2 в качестве теплопередающих жидкостей»
  30. ^ J Apps (2011), «Моделирование геохимических процессов в усовершенствованных геотермальных системах с CO2 в качестве теплоносителя»
  31. ^ Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2011). «Сочетание улавливания геотермальной энергии с геологической секвестрацией углекислого газа». Geophysical Research Letters . 38 (L10401): n/a. Bibcode : 2011GeoRL..3810401R. doi : 10.1029/2011GL047265 .
  32. ^ Адамс, Бенджамин М.; Кюн, Томас Х.; Белицки, Джеффри М.; Рэндольф, Джимми Б.; Саар, Мартин О. (2015). «Сравнение выходной электрической мощности геотермальных систем с CO2-шлейфом (CPG) и рассольных геотермальных систем для различных условий резервуара». Applied Energy . 140 : 365–377. doi :10.1016/j.apenergy.2014.11.043.
  33. ^ http://earthsciences.typepad.com/blog/2011/06/achieving-carbon-sequestration-and-geothermal-energy-production-a-win-win.html Новости и мероприятия ESD «Достижение секвестрации углерода и производства геотермальной энергии: выигрыш для всех!»
  34. ^ "Aerogel.org » Сверхкритическая сушка".
  35. ^ 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. PMID  16497403.

Дальнейшее чтение