موضوع مقاله: سیال ابربحرانی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سیال ابربحرانی | مقدمه: این‌گونه از سیالات می‌توانند همچون گازها بینابین جامدات پراکنده شوند یا به مانند مایعات، مواد را در خود حل کنند. | ## بخش 1: سیال ابربحرانی | در نزدیکی نقطه بحرانی هر گونه تغییر اندک در فشار یا دما باعث یک تغییر عظیم در چگالی می‌شود. سیالات اَبَربحرانی بسیار مناسب جهت جایگزینی برای حلال‌های ارگانیگ در فرایندهای صنعتی و آزمایشگاهی هستند. از پرکاربردترین سیالات فوق بحرانی می‌توان به کربن دی‌اکسید و آب اشاره کرد که در کافئین زدایی و تولید قدرت (نیروگاه‌ها) استفاده می‌شوند. ویژگی‌ها در ویژگی‌های عمومی، سیالات فوق بحرانی ویژگی‌های تلفیقی از گاز و مایع را دارا می‌باشند. ویژگی‌های بحرانی برخی از محلول‌هامحلولجرم مولی گرم بر مولدمای بحرانی بر حسب کلوینفشاربحرانی بر حسب مگا پاسکال (اتمسفر)چگالی بحرانیکربن دی‌اکسید (CO2)۴۴٫۰۱۳۰۴٫۱۷٫۳8(72.8)۰٫۴۶۹آب(H2O)۱۸٫۰۱۵۶۴۷٫۰۹۶۲۲٫۰۶4(217.755)۰٫۳۲۲متان(CH4)۱۶٫۰۴۱۹۰٫۴۴٫۶0(45.4)۰٫۱۶۲اتان(C2H6)۳۰٫۰۷۳۰۵٫۳۴٫۸7(48.1)۰٫۲۰۳پروپان(C3H8)۴۴٫۰۹۳۶۹٫۸۴٫۲5(41.9)۰٫۲۱۷اتیلن (C2H4)۲۸٫۰۵۲۸۲٫۴۵٫۰4(49.7)۰٫۲۱۵پروپیلن(C3H6)۴۲٫۰۸۳۶۴٫۹۴٫۶0(45.2)۰٫۲۳۲متانول(CH3OH)۳۲٫۰۴۵۱۲٫۶۸٫۰9(79.8)۰٫۲۷۲اتانول (C2H5OH)۴۶٫۰۷۵۱۳٫۹۶٫۱4(60.6)۰٫۲۷۶استون(C3H6O)۵۸٫۰۸۵۰۸٫۱۴٫۷0(46.4)۰٫۲۷۸دی نیتروژن مونوکسید (N2O)۴۴٫۰۱۳۳۰۶٫۵۷۷٫۳5(72.5)۰٫۴۵۲ +جدول ۲. مقایسه بین گازها و سیالات فوق بحرانی و مایعاتچگالی (kg/m3)ویسکوزیته(µPa·s)انتشار(mm2/s)گازها۱۱۰۱–۱۰سیالات فوق بحرانی۱۰۰–۱۰۰۰۵۰–۱۰۰۰٫۰۱–۰٫۱مایعات۱۰۰۰۵۰۰–۱۰۰۰۰٫۰۰۱ در سیال‌های فوق بحرانی، هیچ گونه کشش سطحی وجود ندارد. این بدین دلیل است که در آن دما و فشار، هیچ گونه مرزی بین فاز‌های گاز و مایع وجود ندارد. با ایجاد تغییر در دما یا گاز سیال، می‌توان ویژگی‌های سیال را به گونه‌ای تنظیم کرد که سیال ما رفتاری همانند گاز یا مایع بگیرد. اما در نزدیکی نقطه بحرانی چگالی دچار یک افت شدید می‌شود که با افزایش دمای اندکی همراه است. در هر حال در نزدیکی دمای بحرانی، در اکثر مواقع، انحلال‌پذیری با افزایش دما، کاهش می‌یابد و پس از مدتی، دوباره افزایش می‌یابد. پس می‌توان یک محلول دو فازی را با رسیدن به دمای فوق بحرانی به یک محلول تک فازی تبدیل کرد. دمای بحرانی محلول جدید را نیز می‌توان را با میانگین حسابی گرفتن از دما و فشار بحرانی دو جز تخمین زد. در نموداری فازی فشار بر حسب دما (شکل ۱) دمای جوش، مرزی بین گاز و مایع ایجاد کرده که در نقطه بحرانی پایان می‌گیرد. این موضوع را می‌توان در نمودار فازی چگالی بر حسب فشار گاز کربن دی‌اکسید (شکل ۲) نیز مشاهده کرد. در دماهایی پایین‌تر از دما بحرانی، (۲۸۰ کلوین) فشار افزایش می‌یابد و گاز فشرده می‌شود (بیشتر از ۴۰ بار) و به مایع چگالتر منقبض می‌شود که به صورت خط‌های نقطه چین بر روی نمودار قابل مشاهده است. با افزایش دمای بحرانی (تا ۳۰۰ کلوین) بر چگالی گاز افزوده و از چگالی مایع کاسته می‌شود. در وضعیت بحرانی (۳۰۴٫۱ کلوین و ۷٫۳۸ مگا پاسکال) هیچ تفاوتی در چگالی وجود ندارد و دو فاز مایع و گاز به یک فاز بدل گشته‌اند. از این رو، در دمای بالاتر از دمای بحرانی، گاز نمی‌تواند تحت تأثیر فشار مایع گردد. کمی بالاتر از دمای بحرانی (۳۱۰ کلوین)، در همسایگی فشار بحرانی، خط تقریباً افقی است. همانگونه که در شکل ۲ نمایان است، برای کربن دی‌اکسید در دمای ۴۰۰ کلوین، چگالی تقریباً به صورت خطی با فشار تغییر می‌کند. بسیاری دیگر از ویژگی‌های فیزیک ماده از جمله ویسکوزیته و گذردهی نسبی و مقاومت محلول در نزدیکی نقطه بحرانی، با شیب تندی تغییر می‌کنند. تاریخچه در سال‌های اخیر، تلاش‌های برجسته‌ای برای جستجو و کشف خاصیت‌های گوناگون سیالات فوق بحرانی صورت گرفته است. عناصر غذاهای فراسودمند، داروها، لوازم آرایشی، پلیمرها، پودرها، مواد فرا بیولوژیکی، نانو سیستم‌ها، تولیدات طبیعی، بیوتکنولوژی‌ها، سوخت‌های فسیلی، سوخت‌های بیوفسیلی؛ میکلروالکترونیک‌ها، انرژی و محیط زیست. | ## بخش 2: سیال ابربحرانی | یخش اعظمی از تحقیقات و تلاش‌های دهه‌های اخیر در جهت افزایش پیشرفت و توسعه در ابزآلات آزمایشگاه صورت گرفته است. دیما بولماتوف، براژکین و تراچنکو کشف کرده‌اند که ظرفیت گرمایی در واقع تقاطعی است بین دو سازمان دینامیکی متفاوتی که ما در یک مایع سخت در دمای پایین و یک گاز غیر صلب با دمای بالا (مانند سیالات) شاهد هستیم. مایعات سخت در با مقیاس کوتاه مدت، درست به مانند جامدات عمل می‌کنند ولی در مقیاس زمانی بلند مدت به مانند دیگر مایعات جاری می‌شوند. گاز بحرانی همانند سیالات، حرکت دینامیکی مشابه گازها دارند، اما از طرف دیگر به مانند مایعات توانایی حل کردن دیگر مواد را در خود دارا می‌باشند. این روزها این باور که بین گاز و مایع در دماهای بالاتر از نقطه بحرانی هیچ تفاوتی نمی‌توان قائل شد توسط دانشمندان روسی به چالش کشیده شده است. بالماتوف و همکارانش ترمودینامیک سیستم و ظرفیت گرمایی را بالاتر از تقاطع فرمول بندی کردند. آن‌ها پیش‌بینی کردند که ارتباط بین ظرفیت گرمایی اجزا فوق بحرانی و ویسکوزیته نشات گرفته از قاونو توان در شرایط فوق بحرانی است. محدوده (مرز) مایع – گاز بحرانی به ما این اجازه را می‌دهد تا بین حالت‌ها شبه مایع و شبه گاز در سیال فوق بحرانی، تمایز قائل شویم. در پشته میانی اقیانوس، این جریان به وسیله یک چاه گرمایی که به " دود سیاه " معروف است، نمایان می‌شود. این‌ها چاه‌های بزگ دود سولفید و سولفات هستند که سیال را به دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد رسانده‌اند. سیال به شکل یک دود و ابری سیاه ظاهر می‌شود که این به سبب ته‌نشین شدن فلزات در سیال هست. این‌طور که به نظر می‌آید در عمق‌های بیشتر، بسیاری از این چاه‌ها به شرایط فوق بحرانی می‌رسند. کاربردها استخراج نظر به ویسکوزیته پایین و قدرت نفوذ بالای سیالات فوق بحرانی در مقایسه با دیگر مایعات، استخراج به کمک آن‌ها با سرعت بیشتری صورت می‌گیرد. ماده استخراج شده می‌تواند به راحتی با کم کردن فشار بازیافت شود، که به سیال فوق بحرانی این اجازه را می‌دهد تا به فاز گاز بازگردد و تبخیر شود که در اینصورت حجم حلال بسیار کم (حتی صفر) می‌شود. کربن دی‌اکسید یکی از پرکاربردترین حلال‌های فوق بحرانی است که در مقیاس بالا برای جداسازی کافئین (کافئین زدایی) از دانه‌های کافه سبز و تولید اسانس‌ها و تولیدات دارویی از گیاهان استفاده می‌شود. تجزیه به کمک سیال فوق بحرانی از آب فوق بحرانی می‌توان برای تجزیه زیست توده‌ها از طریق گازی سازی می‌توان استفاده نمود. این نوع از گازی‌سازی بیومس می‌توانند در تولید سوخت‌های هیدروکربنی برای استفاده در دستگاه‌های احتراق یا تولید هیدروژن برای سلول‌های سوختی نقش مهمی ایفا کنند. خشک‌شویی کربن دی‌اکسید فوق بحرانی می‌تواند به جای پرکلرواتیلن یا هر حلال دیگه‌ای که در خشک‌شویی استفاده می‌شود به کار برود. باید توجه داشت گاهی مواقع کربن دی‌اکسید فوق بحرانی با دکمه‌ها درگیر می‌شود و وقتی که افت فشار پیدا می‌کند، باعث کنده شدن یا شکسته شدن دکمه‌ها می‌شود. پاک‌کننده‌هایی که توانایی حل شدن در کربن دی‌اکسید را دارند خود گواهی بر قدرت این محلول هستند. اشباع بدین صورت است که یک ماده در سیال فوق بحرانی حل می‌شود، محلول از روی لایه جامد می‌گذرد و در نتیجه این لایه را حل می‌کند یا روی آن ته‌نشین می‌شود، این‌طوری است که رنگرزی به راحتی روی فیبرهای پلیمر، همچون پلی استر که از رنگ‌های پراکنده (غیر یونیک) تشکیل شده است، صورت می‌پذیرد. دی‌اکسید کربن نیز در بسیار از پلیمرها حل می‌شود و آن‌ها را به طرز قابل توجهی حجم می‌دهد (باعث ورم کردن آن‌ها می‌شود) و آن‌ها را پلاسیتکی می‌کند و از این رو باعث سرعت بخشیدن به فرایند انتشار می‌شود. شکل‌گیری ذرات نانو و میکرو ذرات شکل‌گیری ذرات یک ماده با توزیع باریک و اندک یک فرایند در صنایع داروسازی و نیز سایر صنایع زیاد دیده می‌شود. | ## بخش 3: سیال ابربحرانی | وقتی سیال‌های فوق بحرانی را بررسی می‌کنیم می‌بینیم که این سیال‌ها به ما این امکان را می‌دهند تا از روش‌های متعددی برای بالاتر رفتن از نقطه اشباع یک محلول از طریق رقیق کردن استفاده کنیم. البته این کار با کاهش فشارنیز انجام پذیر است و همچنین می‌توان ترکیبی از روش‌ها استفاده نماییم. این مسئله در خلال فرایند رشد کریستالی رخ می‌دهد و همین باعث شود تا ذرات بسیار ریز به‌طور منظم و یک اندازه شکل گیرند. سیال‌های فوق بحرانی جدید نشان داده‌اند که این توانایی را دارند تا ذرات را به به گستره ۵ الی ۲۰۰۰ نانومتر برسانند. تولید کوکریستال‌های دارویی سیال‌های بحرانی، به عنوان وسیله‌ای جدید برای تولید فرم‌های کریستالی بدیع استفاده می‌شود. این موارد با فناوری‌های سنتی بعید است یا حتی امکان‌ناپذیر است که بتوانند ساخته شوند. تولید کریستال‌های جدید خالص و خشک شده (کمپلکس‌های مولکولی کریستالی که شامل API و یک یا تعدادی بیشتر از خانواده همسایه می‌باشند که در شبکه کریستال می‌باشند) می‌تواند بر مبنای ویژگی‌های خاص SCFs صورت پذیرد به این صورت که از دیگر ویژگی‌های سیال فوق بحرانی استفاده شود؛ مثلاً در این میان باید قدرت حلالیت دی‌اکسید کربن فوق بحرانی هم چنین اثر ضد حلالیت و بهبود اتمیزه آن را در نظر آورد.L. خشک کردن فوق بحرانی خشک کردن فوق بحرانی، روشی برای جدا کردن حلال بدون اثرات تنش سطحی می‌باشد. هنگامی که یک مایع خشک می‌شود، تنش سطح به ساختارهای کوچک کشیده می‌شود این کار در قالب اعوجاج و انقباض رخ می‌دهد. در شرایط فوق بحرانی، تنش سطحی وجود ندارد و سیال فوق بحرانی می‌تواند بدون اعوجاج جدا شود. این جاست که دی‌اکسید کربن به عنوان حلال فوق بحرانی در بعضی از فرایندهای تمیز کاری خشک مورد استفاده قرار می‌گیرد. هیدرولیزهای آب فوق بحرانی هیدرولیزهای فوق بحرانی، روشی برای تبدیل همه زیست توده‌های چند قندی و هم چنین لیگنین همراه آن ترکیب‌ها مولکولی از طریق تماس برقرار کردن با آب به تنهایی در شرایط فوق بحرانی می‌باشد. آب فوق بحرانی به عنوان یک حلال عمل می‌کند، در واقع آب بحرانی یک تأمین‌کننده برای انرژی گرمایی مورد نیاز برای شکستن پیوندها، می‌باشد. این‌گونه است که همه پلی ساکاریدها (چند قندها) به به قند ساده - در عرض یک لحظه یا کمتر - تبدیل می‌شوند. سیال فوق بحرانی در تولید قدرت به‌طور کلی اثربخشی یک موتور گرمایی به اختلاف دما موجود بین منبع و چگالنده ربط دارد (چرخه کارنو). 1053–1058, اثربخشی می‌تواند از ۳۹ درصد به حدود ۴۵ درصد برسد برای عملیات فوق بحرانی برسد که البته می‌توان با فناوری‌های موجود آن را انجام داد. رآکتورهای آب فوق بحرانی(SCWRs) در سرتاسر جهان عملیاتی شدند و این نوید ارتقا کیفیت در سیستم‌ها تولید قدرت سنتی را به ما می‌دهند. تولید زیست دیزل‌ها تغییر روغن سبزیجات زیست دیزل یک واکنش ترانس استریفیکاسیون می‌باشد. این کار معمولاً با استفاده از متانول، مواد خورنده یا کاتالیزورهای اسید صورت می یپذیرد ولی می‌تواند از طریق متانول فوق بحرانی بدون استفاده از کاتالیزور هم صورت پذیرد. روش استفاده از متانول فوق بحرانی برای تولید زیست دیزل اولین بار بار توسط ساکا(Saka) و همکارانش مورد مطالعه قرار گرفت. این مسئله باعث می‌شود تا از آب داخل مواد غذایی استفاده کنیم و از روغن آن بهره‌مند شود. افزایش بهره‌وری در بازیافت نفت و جداسازی کربن دی‌اکسید و ذخیره آن دی‌اکسید کربن فوق بحرانی برای بازیابی نفت در حوزه‌های نفتی قدیمی (آخرین استخراج‌ها از آن‌ها صورت می‌گیرد) به کار می‌رود. | ## جمع‌بندی | این سیستم هادر حال توسعه می‌باشد و در آن‌ها از پمپ‌های دی‌اکسید کربن فوق بحرانی استفاده شده است که در آسیا به خوبی برای آن‌ها بازاریابی شده است؛ مثلاً می‌توان به سیستم‌های اکوکیوت(Eco cute) ژاپن که توسط ائتلاف تجاری تعدای از شرکت‌ها، از جمله میتسوبیشی؛ ساخته شده است، اشاره کرد.