سیال فوق بحرانی (Supercritical Fluid )

درمیان فرآیندهای شناخته شده برای انجام عملیات جداسازی،فرایتد تقطیر و استخراج اهمیت فراوانی داشته و از معمول ترین روشهایی میباشند که دیرباز شناخته شده و به کار رفته اند.با و جود آنکه مدت زمان زیادی از مطرح شدن سیالات فوق بحرانی وکاربردهای آن ها در چرخه صنعت نمیگذرد،اما تحقیقات گسترده در این زمینه صورت گرفته و مقالات متعددی در کنگره ها،همایش ها و نشریات مهندسی پیرامون آنها به چاپ رسیده است.دلالیل گسترش استفاده از این سیالات را می توان به شرح زیر توضیح داد.
در برخی از فراینهای جداسازی نمیتوان از روش های معمول تقطیر و استخراج استفاده کرد که عمدتا به لحاظ مسائل اقتصادی می باشد.زیرا خواص فیزیکی و شیمیایی مواد و نیز شرایط مورد نیاز به گونه ای که امکانات لازم جهت استفاده و کاربرد روشهای معمول موجود را به طور رضایت بخش و با کیفیت بالا فراهم نمی سازد.اهم این موارد شامل بالا بودن نقطه جوش،نزدیک بودن نقطه جوش مواد مورد نظر(تشکیل مخلوط های آزئوتروپ با نقطه ی هم جوش (Azeotropic Solution)حساسیت مواد به دمای بالا ،تامین و بازیابی حلال می باشد...

(بقیه در ادامه مطلب)  در اوایل دهه 70،قیمت انرژی براثر اتفاقات جهانی به طور غیر قابل پیش بینی افزایش پیدار کرد که این مشکل بزرگی برای کشورهای صنعتی بود.در نتیجه اکثر مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی به جایگزین فرآیندهایی با مصرف انرژی کمتر توجه کردند.در فرآیند استخراج با سیال فوق بحرانی بر خلاف عملیات استخراج مایع-مایع،بازیابی حلال با انبساط ناگهانی انجام می شود وبرای بازیابی حلال نیازی به عملیات تقطیر نیست،این موضوع باعث کاهش مصرف انرژی می شود.دلیل دیگر گسترش کاربرد سیالات فوق بحرانی ،نیاز به مواد اولیه با درجه خلوص بالا در صنایع غذایی و دارویی است.برای مثال بازیابی کامل حلال در صنایع دارویی و غذایی برای جلوگیری از ایجاد آلودگی حلال شیمیایی،بسیار ضروری است،در حالی که روش های معمول مانند تقطیر و استخراج مایع-مایع بازیابی کامل حلال میسر نیست.از دلایل دیگر گسترش سیالات فوق بحرانی این است که حلال های آلی مخصوصا حلال های کلر دار که در روش های قدیمی جداسازی مورد استفاده قرار میگیرند برای محیط زیست مضر هستند.به طوری که امروز ثابت شده حلال های کلر دار و بعضی از حلال های آلی مورد مصرف در صنایع،از قبیل کلرو فلرو کربن،برای لایه ازن زیان آور بوده و از نظر دیدگاه شیمی سبز(green chemistry)مردود می باشند.لذا با جایگزینی گاز co2 به عنوان حلال در فراین های فوق بحرانی این مشکل برطرف شده است .در موارد ذکر شده و مشابه که از ملاحظات اقتصادی و محدودیت های عملی و اجزائی ناشی شده است،بایستی از روشی برای انجام عمل جداسازی استفاده نمود ویا امکان بهره گیری از آن را بررسی کردکه آن روش حتی الامکان بتوانداکثر شرایط مورد نیاز و مخصوصات شرایط عمده و غالب راتامین کند و این روش استفاده از سیالات فوق بحرانی در فرایندهای جداسازی میباشد.

سیالات فوق بحرانی
در شرایط پایین تر از نقطه بحرانی تعادلات بخار مایع به صورتی است که بخار از سطح جدایش دو فاز و مایع در پایین سطح قرار می گیرند.باافزایش دما و فشار به تدریج دانسیته مایع کاهش یافته و دانسیته ی گاز زیاد می شود.در نقطه بحرانی(critical point) دانسیته ی دو فاز با یکدیگر برابر می شود و تشخیص سطح جدایش دو فاز غیر ممکن است.سیال در شرایط دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی،سیال فوق بحرانی نامیده می شود.
برخلاف مایعات ،در شرایط فوق بحرانی تغییر ناچیزی در T یا P و یا هر دو ،تغییرات شدیدی در خواص فیزیکی به ویژه دانسیته سیال ایجاد می کند.این خاصیت در استخراج علاوه بر انتخاب پذیری زیاد در حل کردن یک ترکیب از مخلوط،باعث می گردد که بازیابی مواد استخراجی با انبساط ناگهانی حلال فوق بحرانی انجام گیرد.همانطور که در قبل نیز گفته شد سیالات فوق بحرانی از نظر انحلال پذیری مانند مایعات و از نظر خواص انتقالی و نفوذ مانند گازها رفتار می کنند ،در نتیجه سیال فوق بحرانی به راحتی در جامدات متخلخل یا لیفی نفوذ می کند.از مزایای عمده سیالات فوق بحرانی انحلال گزینشی و جداسازی کامل حلال و حل شونده،و از معایب مهم این روش،فشار بالای مورد نیاز در فرایند است.
انتخاب حلال فوق بحرانی
مهمترین مسئله در طراحی یک فرایند استخراج فوق بحرانی،انتخاب حلال می باشد.با انتخاب حلال مناسب هزینه های عملیاتی کاهش یافته و خلوص محصولات افزایش می یابد.حلال مصرفی باید ارزان و غیر سمی بوده و قدرت حلالیت بالایی داشته باشد.با توجه به تجربیات به دست آمده،در طراحی یک فرایند فوق بحرانی،معمولا اولین انتخاب حلال دی اکسید کربن Co2 است.چند دلیل عمده در انتخاب Co2 به شرح زیر است:
ـــارزان قیمت و قابل دسترس بودن
ـــ مناسب و بی اثر بودن از نظر شیمیایی جهت استفاده در فرایندهای غذایی و دارویی
ـــ شرایط بحرانی مناسب(6/31 درجه سانتی گراد و4/73اتمسفر )
ـــ غیر سمی بودن،غیر اشتعال بودن

روش عملیاتی استخراج با سیال فوق بحرانی
پیشرفت های حاصل در طراحی تجهیزات و نیاز به محصولات خالص تر و با کیفیت تر سبب شده تا صنایع بیش از پیش علاقه مند به استفاده از تکنولوژی SCFE شوند.به طور کلی برای استفاده از SCFE دو روش ارائه شده است .روش اول تحت فشارهای بالا و به صورت ناپیوسته انجام می شود.و روش دوم به صورت پیوسته انجام می شود.ولی به هر حال در هر دو روش فرآیند استخراج فوق بحرانی به شرح زیر است:
در مرحله ی بارگیری(Loading) مخلوط خوراکی در تماس مستقیم با جریان SCF می شود.در این حالت یک یا چند ماده از مخلوط خوراکی جدا می شوند.می توان شرایط عملیاتی را طوری تنظیم نمود که تنها ترکیبات مورد نظر جدا شوند که این بستگی به نوع حلال و فشار و دما عملیات دارد.با کاهش دما در یک ظرف جداسازی میتوان مواد حل شده در سیال فوق بحرانی را بازیابی نمود.سپس حلال سرد شده و به مایع تبدیل می گردد و بعد از جمع آوری در یک ظرف ،مبدل حرارتی انتقال داده می شود تا مجددا مورد استفاده قرار گیرد.مزایای استفاده از سیالات فوق بحرانی را می توان به صورت ذیل خلاصه کرد:
1- کاهش زمان انجام فرایند
2-انحلال پذیری مشابه مایعات و قدرت نفوذی مانند گازها
3-انتخاب پذیری بالا
4-حساسیت به تغییر دما،فشار،دانسیته و غلظت حلال برای ایجاد درجات آزادی مطلوب جهت تنظیم یا کنترل قدرت و حساسیت حلال برای بدست آوردن محصولی با کیفیت بالاتر
5-عدم ایجاد مشکلات زیست محیطی
6-کمتر شدن میزان مصرف حلال در این روش
7-سلامت دمایی برای ترکیباتی که به دمای بالا حساسیت دارند
8-بازیابی کامل و آسان حلال

کاربرد هایSCF در صنایع مختلف

امروزه فرایند SCFE در بخش های مختلف علم و فن گسترش یافته است . با توجه به زمینه های صنعتی تعدادی از کاربردهای SCFE در صنایع گوناگون ذکر می شود .
بدیهی است که این فهرست گزیده مختصری از کاربردهای این پدیده می باشد .

_1 صنایع غذایی و مواد طبیعی

_ کافئین زدایی از چای و قهوه
_ بو و رنگ زدایی از روغن ها
_ استخراج نیکوتین از تنباکو
_ استخراج روغن های گیاهی از غلات 
_ استخراج مواد رنگی غذاها
_ استخراج مزه و بو و عطریات غذاها
_ تولید آب میوه ها
_ استخراج مواد دارویی از گیاهان
_ بازیابی روغن از چیپس سیب زمینی
_ استخراج LANOLIN از الیاف پشمی



_2فرایندهای مربوط به هیدروکربن های سنگین

_ آسفالت زدایی از مواد نفتی
_ بازیابی و خالص سازی روغن های مصرف شده
_ استخراج مواد شیمیایی از ذغال سنگ
_ استخراج لیگنیت و TARSAND
_ استخراج OZOKERITE

_3جداسازی و خالص سازی مواد شیمیایی

_ جداسازی مواد آلی اکسیژن دار از آب
_ جداسازی هیدرو کربن های آروماتیک و پارا فینیک
_ جداسازی ایزومرهای آروماتیک
_ جداسازی ایزوتوپ ها
_ استخراج مواد غیر قطبی از مواد قطبی
_ خالص سازی مواد آلی فلزی

_4ژئو فیزیک

_ بررسی مهاجرت مواد و رسوبات نفتی

_5جداسازی مواد جامد از محیط های بسیار غلیظ ( ویسکوز(

_6صنایع پلیمر

_ استخراج حلال و منومر و اولیگومر از پلیمر
_ استخراج جزء به جزء پلیمرها

_7 تهیه آب شیرین از آب دریا

_ سم زدایی از آب
_ استخراج اسید کربوکسیلیک از آب

_8احیاء و بازیابی

_ بازیابی کربن فعال 
_ بازیابی انواع جاذب ها 
_ بازیابی *****ها
_ بازیابی کاتالیست ها

_9 کروماتوگرافی با سیال فوق بحرانی

_10کریستالیزاسیون

_11رسوب دادن مواد در سوراخ های میکروسکوپی

_12خشک کردن در شرایط بحرانی

_ خشک کردن بافت های طبیعی
_ خشک کردن AEROGELS