I fluidi supercritici occupano uno stato termodinamico unico al di là del punto critico di una sostanza, dove le fasi liquide e gassose distinguono l'esistenza. In questo regime, i solventi fluidi espongono proprietà intermedie tra quelle di un gas e di un liquido, offrendo gas-come la diffusione e il liquido-come il potere solvante.

Il comportamento di fase e il punto critico

Il punto critico di una sostanza pura è definito dalla temperatura critica (T]) e dalla pressione critica (Pkey] ), sopra il quale nessuna quantità di pressione può liquefare il gas.

Le risorse esterne per una comprensione più approfondita del comportamento di fase e delle equazioni di stato includono il [ WebBook di chimica NIST – Proprietà fluide[ e il libro di testo completo Fluidi supercritici: Fondamenti e applicazioni[] (disponibile tramite ScienceDirect).

Proprietà termodinamiche chiave dei fluidi supercritici

L'utilità dei fluidi supercritici nei processi chimici deriva dalla variazione continua e tunable delle loro proprietà termodinamiche. A differenza dei liquidi o dei gas sottocritici, un fluido supercritico può passare da uno stato gas-like (bassa densità, elevata diffusione) a uno stato liquido-come (alta densità, elevata potenza solvente) regolando temperatura e pressione.

Densità e potere solvente

La densità di solventi è notevolmente superiore a quella dei componenti di estrazione di tipo "scelto" (in particolare, "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo ")" e "di grado di sovrapposizione" (in particolare, "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo "di tipo ")" (in inglese)

Effetti di temperatura e pressione

Mentre la pressione colpisce principalmente la densità, la temperatura ha una doppia influenza: cambia la densità indirettamente (per alterare la compressione) e colpisce direttamente le proprietà della cinetica di reazione e del trasporto.

Proprietà di trasporto: Viscosità, Diffusità e Conduttività termica

I valori di trasporto dei fluidi supercritici sono intermedi tra quelli dei gas e dei liquidi, che influenzano notevolmente i flussi di massa e il trasferimento di calore nelle apparecchiature di processo.

Applicazioni nei processi chimici

La flessibilità termodinamica dei fluidi supercritici è stata sfruttata in un'ampia gamma di processi chimici industriali e di laboratorio. La capacità di sintonizzare continuamente densità, potenza solvente e proprietà di trasporto li rende ideali per l'estrazione, la purificazione, l'ingegneria della reazione e la lavorazione dei materiali.

Supercritical CO2 Estrazione

Il consumo di energia non è sufficientemente elevato, poiché il consumo di sostanze chimiche è più elevato, e la quantità di sostanze chimiche è più elevata.

Le applicazioni estese includono l'estrazione di fluidi supercritici dei lipidi dalle microalghe per la produzione di biocarburanti, l'estrazione di metalli pesanti da terreni contaminati utilizzando acqua supercritica (spesso con agenti chelanti), e il recupero di composti ad alto valore da prodotti naturali.

Reazioni chimiche migliorate

I fluidi supercritici servono come mezzi di reazione unici che possono influenzare notevolmente i tassi di reazione, la selettività e i rendimenti. Poiché sono sistemi monofase che dissolvono entrambi i gas (ad esempio, idrogeno, ossigeno) e liquidi/solidi, eliminano le limitazioni di trasferimento di massa tra le fasi.

Inoltre, il CO2[]] è utilizzato nei processi di polimerizzazione, come per la produzione di fluoropolimeri e polistirene, dove agisce come un “verde” sostituzione per solventi organici volatili. Il controllo della pressione e della temperatura sul grado di gonfiore del polimero e la solubilità monomero consente l’accordazione del peso molecolare e della dispersione.

Sfide e considerazioni di ingegneria

I sistemi di distribuzione di gas e di gas di combustione sono spesso progettati per consentire ai reattori di ridurre i costi di produzione e di ridurre i costi di produzione.

Direzioni e tendenze emergenti

Il campo della tecnologia dei fluidi supercritici continua ad evolversi, guidato dalla domanda di processi sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico. Nel contesto della chimica verde, lo standard scCO]2] viene esplorato come solvente per la cattura e l'utilizzo dei fluidi a ultraparticolari (CU), dove la CO]2] è utilizzata direttamente come mezzo di reazione promettente, che racchiude il bio

Conclusioni

Il comportamento termodinamico dei fluidi supercritici rappresenta un notevole incrocio tra chimica fisica e ingegneria pratica. Operando al di sopra del punto critico, questi fluidi offrono un mezzo continuamente solida la cui densità, viscosità, diffusione e potenza solvente possono essere regolati con precisione squisita attraverso la temperatura e la pressione.