超臨界二氧化碳萃取和粉體製程以熱力學參數控制之應用性

刊登日期:2016/7/5
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二氧化碳的超臨界溫度為 Tc = 31.1 ˚C,其取得容易且成本低,捕捉並循環運用此溫室氣體,是能永續發展的綠色技術,全球各工業發展國家為此技術的應用發展,均已投入量產設備,尤以歐、美、日為先進建構高壓設備的大宗。後續的研究,除產業界在已知的溫度、壓力參數控制下,獲得最佳化工作效率外,學術界亦致力於以更多精確的模型來設計調控密度、黏度、擴散效率外的物理性質,藉以在最節能的條件下達到更好的萃取溶解度,應用於各種細微粉體製作,同時也提升此技術的安全性。

超臨界流體性質與技術背景
自從超臨界流體(SCF)於西元 1822 年被發現,後續的研究顯示,超臨界流體與物質氣態或液態間的轉換,為連續性之密度改變,並無持溫相變化的階段,因而不被定義為物質的另一“態”或“相”。實驗中,可藉由變化超出該物質的臨界溫度(Tc)與臨界壓力(Pc),調控此區間的物理性質,造成黏度與擴散係數超過 1~2 個數量級的大幅度改變。此物性改變在近代工業生產中扮演重要的角色,不論是應用於萃取和化學反應中,作為高密度與高滲透率的溶劑,或是利用其本身於小幅度溫度改變下的大幅度體積改變量,來取代傳統的蒸氣推動渦輪機運轉,作為新世代高效的超臨界發電設備,種種應用情境都指出了此技術的前瞻發展性。

超臨界萃取技術
1. 超臨界二氧化碳萃取
超臨界萃取技術)開發如使用純二氧化碳作為流體,具無毒性溶劑殘留之優勢,搭配高效率回收 CO2 再利用回收率 >95 % 的流程,於生產應用端能符合大眾對於環保的需求。超臨界態下的二氧化碳流體具有類似氣體之良好擴散性,以及類似液體之高密度與溶解非極性物質能力。利用上述優勢可獲得廣大的應用商機。



圖二、流動型超臨界萃取裝置示意圖

3. 生產製程
萃取過程中,溫度、壓力與萃取時間的調控,往往是影響總萃取效率及生產成本的關鍵。由於超臨界設備需要維持在相對高溫和外加高壓的環境下,其成本主要在於運行能源的消耗,不同於傳統的溶劑萃取法,主要成本在於化學品使用量與廢水、廢液處理之費用,因此提高萃取效率的製程,便是化學工程上的一門重要技術。

調控產生奈米至微米級顆粒
傳統製程中,調整顆粒大小的方式,主要是利用摩擦力粉碎技術,如:研磨或球磨,以物理切削或粉碎方式將固體的尺徑調控至微米大小。但是此法製成的顆粒粒徑分布較廣,往往需要以過篩方式,一再地均一化粉體尺徑,工序繁雜。近代利用超臨界流體作為溶劑的微粉化技術,可產生奈米級的顆粒,且粒徑分布均勻。依照應用方式可分為:氣體飽和法、快速膨脹超臨界溶液法、超臨界抗溶劑法。




圖九、利用分子動力學模擬出的CO2團聚過程

熱力學描述
一般來說,溶解指的是溶劑分子(較多者)將溶質分子(較少者)分散並且包圍的行為,其可能涉及因極性差異導致分子間難以分散,進而造成……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳柏綱 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。


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