Superkritické kapaliny Zpracovala: Barbora Przybylková Ostravská univerzita v Ostravě, PŘF

Kritický bod Baron Charles Cagniard de la Tour V roce 1822 objevil kritický bod látky (TK – ethanolu) Experiment s mušketou Další zjištěné kritické teploty – voda, diethylether Van der wals a další Až od roku 1980 poznán obrovský potenciál pro chemickou syntézu

Superkritické veličiny Kritický bod není příliš přesně definován Se stanovením superkritických veličin jsou problémy Okometrie – v zatavené skleněné ampuli se sleduje vymizení menisku Měření fyzikálních parametrů látky (index lomu, rozptyl světla, relativní permitivita, rychlost zvuku – SF6, chlorsilany ) Technologický pokrok ve vybavení sice způsobuje značný nárůst exp. dat, ale např. kritická teplota je známá pro méně než 1000 látek Řada látek je v oblasti kritického bodu již nestabilní Hypotetická hodnota je důležitá např. pro odhad termodynamických nebo transportních vlastností Odhad kritických veličin (3% chyba ve stanovení TC benzenu může způsobit až 30% chybu v odhadu jeho tlaku nasycených par V roce 1986 vznikla mezinárodní pracovní skupina, která v rámci projektu IUPAC systematicky sbírá a ukládá dostupné experimentální údaje

Superkritické kapaliny Superkritické kapaliny (SCF) mohou být definovány jako sloučeniny, které jsou ve stavu nad jejich kritickým tlakem (Pc) a nad jejich kritickou teplotou (Tc). Nad kritickou teplotu a tlakem je materiál v jediném kondenzovaném stavu s vlastnostmi mezi plynem a kapalinou. Jestliže teplota kapaliny vzroste, její hustota se sníží. Jestliže tlak plynné fáze vzroste, hustota se zvýší. V kritickém bodě se hustoty stávají rovnocenné. Obecně superkritické kapaliny mají hustotu blízkou kapalinám a viskozitu podobnou plynům.

Kritické veličiny

Vlastnosti - obecně Mohou difundovat skrz pevné látky jako plyny Rozpouští materiály jako kapalina

Vlastnosti - obecně Nemá povrchové napětí Já mam taky růst ne? Nemá povrchové napětí Neexistuje rozhranní mezi kapalnou a plynou fází Důležitá vlastnost je rozpustnost materiálu v superkritických kapalinách Rozpustnost materiálu roste s rostoucí hustotou kapalin (T=konst.) Blízko ke kritickému bodu hustota může prudce klesat s nepatrným zvýšením teploty Rozpustnost často blízko kritické teploty klesá s rostoucí teplotou a poté opět roste hustota Rozpustnost

Superkritický oxid uhličitý Kritická teplota 31,1˚C Kritický tlak 7,38 MPa Velice dobře se mísí s plyny, což může vést k značnému urychlení reakce např. hydrogenace Je relativně dobré rozpouštědlo pro malé polární molekuly jako je methanol Nedostatek polarity má kladný vliv na reakční rychlost, protože se hned nekoordinuje s katalyzátory či solvatovanými komplexy

Superkritický oxid uhličitý

Použití superkritického oxidu uhličitého Extrakční rozpouštědlo - SFE Rozpouštědlo pro disperzní média ke sprejovému pokovování Rozpouštědlo pro malé polární molekuly jako je methanol

Superkritická extrakce Je to proces separace jedné složky od ostatních použitím superkritické látky jako extrakčního rozpouštědla Extrahuje se obvykle z pevného povrchu, ale může to být i z kapaliny Používá se k odstranění nežádoucích materiálů z produktu nebo k separaci vzorků pro analytické účely Dále v potravinářství a při přípravě parfému – extrakce vůní, extrakce esenciálních olejů, odstraňování tuků z ořechů atd. Odstraňuje se i tuk z bramborových lupínků, díky použití sc. oxidu uhličitého se obsah tuku sníží o polovinu bez ztráty chuti Oxid uhličitý je nejpoužívanější superkritická kapalina

Extrakce kofeinu

Použití a vlastnosti superkritické vody Kritická teplota 374,2˚C Kritický tlak 22,05 MPa Největší konerční úspěch má syntéza křemenných krystalů pro mobilní telefony Oxidace superkritickou vodou – mnoho organických látek není v sc. vodě stabilní tento stav může mít uplatnění při zacházení a likvidaci odpadu Při teplotě nad 200 ˚C začíná mít voda vlastnosti mnoha organických rozpouštědel Při teplotě okolo 300 ˚C má vlastnosti podobné acetonu Nahrazení organických rozpouštědel superkritickou vodou může mít velký význam pro životní prostředí Příprava nátěrových hmot

Superkritická voda

Rozpouštědlo chemických syntéz Diels-Alderova reakce cyklopentandianu a butenonu prováděná v sc. Vodě zvýší reakční rychlost až 700x.

Co se dnes řeší v superkritické oblasti TO NA CO JSOU PENÍZE

Ústav analytické chemie akademie věd ČR Badatelský výzkum je zaměřen na oblast superkritické extrakce a superkritické fluidní chromatografie Měření rozdělovacích koeficientů modelových látek mezi vodou a oxidem uhličitým Aplikace superkritické fluidní extrakce k analýzám vodných prostředí Vývoj a konstrukce přístrojů pro kapalinovou extrakci za vysokých teplot a tlaků Vývoj instrumentálních prvků pro superkritickou fluidní chromatografii v mikronáplňových kolonách

Bionafta z kuřecího tuku Výzkumníci chemických technologií z Arkansaské univerzity – R. E. Babcock, B. Schulte Kuřecí tuk nízké kvality a mastná kyselina tallového oleje byla vystavena chemickému procesu zvanému superkritický metanolový proces Při tomto postupu se rozpouští jednotlivé složky produktu a způsobuje reakci mezi jeho jednotlivými částmi za pomoci vysoké teploty a tlaku. Tento jednoduchý proces o jednom kroku nepotřebuje ani katalyzátor.

Bionafta z kuřecího tuku Při teplotě 325 ˚C bylo vyrobena bionafta s výnosem dosahujícím 89 – 94 % Nevznikají nežádoucí vedlejší produkty Téměř žádná ztráta výnosu Bionafta není závislá na neobnovitelných zdrojích, je to biologicky odbouratelný materiál, uhlíkově neutrální (tzn. nevznikají skleníkové plyny), používá se i jako čistidlo a mazadlo Existují i odpůrci této technologie PROČ?

Zdroje k výrobě by museli dosahovat obrovských výnosů tzn Zdroje k výrobě by museli dosahovat obrovských výnosů tzn. Máme málo kuřat Finanční náročnost výroby

Kam s ním Oxid uhličitý uniká do ovzduší z různých výrob Je to skleníkový plyn V roce 1996 začal v Norsku na ložisku Sleipner unikátní projekt Oxid uhličitý se kompresory žene do vrtu v moři, který končí v pískovcové vrstvě nasáklé extrémně slanou vodou, prostírající se kilometr pod úrovní dna. Nepropustné břidlice v nadloží vrstvy zaručují, že odsud CO2 neunikne V prvních desetiletích po uložení se sc. oxid uhličitý shlukuje v horní části přírodní pasti, postupně se ve vodě nasycené solí začne rozpouštět a rozptýlí se po celém objemu rezervoáru Po několika tisíciletích se pak díky reakcím s okolní horninou stane součástí minerálů a do ovzduší se už nebude moct vrátit Projekt běží už 12 let a zjistilo se, že CO2 se opravdu zpět do ovzduší nevrací Bohužel finančně se to zatím nevyplatí a má i své odpůrce u některých ekologických organizacích

Všeobecné použití Suché čištění – místo např. perchlorethylenu Superkritická fluidní chromatografie – většinou pro léčiva Impregnace a barvení – ekologičtější Tvorba mikro- a nanočástic – proces je rychlejší a produktem jsou velmi malé a velikostně definované pravidelné částice Chemický recyklační proces toluendiisokyanátového (TDI) odpadu na toluendiamin (TDA) pomocí sc. vody – tato metoda je neškodná pro životní prostředí, nepoužívá organická rozpouštědla ani katalyzátory, bylo dosaženo vysokých výtěžků (až 80%), a vysoké reakční rychlosti

Hydrolýza polyethylentereftalátu (PET) Reakce trvá max. 30 min. a nepožaduje přídavek žádných aditiv Před Po

Superkritická kapalina v přírodě Podmořské vulkány jsou běžným prvkem oceánského dna, jejich přítomnost se projevuje výbuchy páry a narušováním skalisek u hladiny moře Mnohé leží ve velké hloubce a ohromný tlak pocházející z váhy vody nad ním zamezuje explosivnímu uvolnění páry a plynů, které vodu ohřívají Atmosféra Venuše je tvořena z 96,5 % oxidem uhličitým, který je superkritický (9,3MPa, 735 K) Hloubka víc jak 3 km Teplota víc jak 648 K Tlak víc než 30 MPa

Děkuji za pozornost