超临界二氧化碳在染整加工中的应用
摘要：针对传统水染工艺不能从根本上解决印染行业水环境污染严重及资源消耗、浪费大的问题，介绍了一种全新的清洁生产技术——超临界二氧化碳染色过程。文章综述了超临界二氧化碳应用于染整加工领域的研究进展，包括超临界二氧化碳的性质，其在前处理的应用、以超临界二氧化碳为介质染合技术的一般流程，染合成纤维及天然纤维相关内容等，并讨论了其利弊。
关键词：超临界流体：二氧化碳；染整；
前沿：
进入二十一世纪环境保护越来越受到人们的重视．可持续发展问题成为当今世界经济发展的主题，任何工业的发展都必须符合这一主题的要求。同时全球水资源环境问题日益尖锐，我国是严重缺水的国家，水污染使资源短缺问题变得更为突出，工业污染是造成水环境污染的主要污染源之一。而在纺织品染整加工过程中，大量使用了污染环境和对人体有害的染整剂，这些助剂生物降解性差，毒性大，游离甲醛含量高，重金属离子的含量超标。这些助剂大多以气体、液体、固体的形态排放而污染环境，严重危害人类的健康，因而，绿色染整加工技术成了近年来科研工作者追求的目标[16]。
近二十年来，超临界二氧化碳技术倍受青睐，它是采用二氧化碳来代替以水为介质的染整加工技术，工艺中无需清洗，无需烘干，二氧化碳可循环再利用。该技术可避免大量废水对环保带来严重污染问题。保护了水资源，省去还原清洗和烘干工序，降低了能源消耗，染色过程无有害气体排放，残余染料可循环使用，提高了染料利用率。它不仅无毒、无污染，不易燃烧，而且价格便宜，要求的操作温度和压力都较低，具有许多奇特的性能，以前较多地应用于食品及医药工业上。近几年来，超临界二氧化碳技术在高分子材料合成和加工以及纺织工业上的应用成为科技界关注的热点。下面介绍超临界二氧化碳的性质以及超临界二氧化碳技术在染整加工领域的一些应用。
1超临界二氧化碳的性质
常压下，物质在液相和气相间成平衡时，两相的物理性质如粘度、密度、导电度和介电常数等存在显著差别。当压力提高时，这种差别逐渐缩小，当达到某一温度和压力时，两相密度相等，气相和液相之间无明显的界限，而且仅有一相，称为临界状态。此时的温度和压力均称为临界温度和临界压力。超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨。超临界流体本身具有如下特性[17]：①其扩散系数比气体
小，但比流体高一个数量级；②粘度接近气体；③密度类似液体，压力的细微变化可导致其密度的显著变动；④压力或湿度的改变均可导致相变。由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好。
虽然超临界流体的溶剂性能普遍存在，但实际上由于需要考虑所选择的溶剂是否容易获取、在使用过程中的安全性、化学稳定性及临界条件等一系列因素，因而常用的超临界流体溶剂并不太多。二氧化碳、氨、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、甲醇，乙醇、乙醚、苯、水等可作为超临界流体的溶剂。但最引人注目、研究最
多的还是C0
2。因为C0
2
纯度高，临界温度和临界压力低(临界温度31℃，临界压力
73 x 10 Pa)，非易燃易爆，非常稳定，没有腐蚀性，无毒，是随处可得的副产物，如可以通过发酵、燃烧和氨的合成获取，不会带来温室效应[1]。
总的来说，二氧化碳表现出了一个典型的类似甲苯的烃类溶剂的特性。超过临界点以后，二氧化碳具有独一无二的理化性质：⑴、扩散系数高，传质速率快；
⑵、黏度低，混合性能好；⑶、密度高(相对于气体)，介电系数低，能与有机物完全互溶；⑷、对无机物溶解度低，有利于固体分离，而且理化性质容易通过温度和压力的变化来实现连续变化。超临界二氧化碳流体技术就是利用这些特殊性质而形成的一系列应用技术。
2 超临界二氧化碳在前处理中的应用
超临界二氧化碳流体是一种非极性物质，本身对极性物质的亲和性小，属于疏水性溶剂，不能直接溶解传统的亲水性浆料，如变性淀粉浆料、PVA、羟甲基纤维素等。为此，研究人员通过两种途径去提高超临界二氧化碳流体对亲水性物质的溶解能力：(1)利用超临界二氧化碳流体具有很强的均一化混溶特性，在其中加入极性携带剂，如甲醇、乙醇等来增强超临界二氧化碳流体本身的极性，达到提高膨胀和溶解效率的目的；(2)设法降低待处理物质的极性。为此，人们开发了以氟化物为基础的浆料，并应用于涤棉混纺纱线的上浆。
采用超临界二氧化碳可溶解的化合物为原料对纱线进行上浆。浆料施加有两种方法。第一是先将浆料化合物放置在高压设备中，预上浆的纱线悬挂在设备中，
用CO
2气体排除空气通入CO
2
使压力增加，达到一定压力，使浆料化台物溶解，将
设备倒转纱线浸渍在溶液中，然后恢复到原位。迅速释放CO
2
气体，则浆料化合
物固化在纱线上。第二是通过加热使浆料化台物熔融。纱线被拉入低粘度的熔体中，纱线经过挤压，浆液在空气中迅速冷却和固化，涂层光滑而均匀。
纱线的退浆主要是通过超临界二氧化碳的洗涤萃取作用，浆料将完全被去除，
浆料和液体CO
2
几乎全部被回收。传统的上浆和退浆过程以水为基础，消耗许多能量，且产生大量污水，应用超临界二氧化碳技术几乎可以全部回收浆料和溶剂，大大减少了产生污水的数量。
2 超临界二氧化碳用于染色
2.1 超临界二氧化碳染色的染色原理[15]
具有液体的密度、溶剂超临界二氧化碳流体染色技术是利用超临界状态下CO
2
流体代替水作为介质，对织的性质，能够溶解物质(如分散染料等)，从而以CO
2
物进行染色加工。同时其又具有很小的粘度、部分气体的性质，其溶解状态的单介质扩散系数大，扩散边界层小，能大大缩短染色加工时间。而分子染料及CO
2
体系中染料易于移染，染色产品匀染性好，能达到传统水浴染且由于超临界CO
2
色的同等效果。
超临界流体对溶质的溶解度取决于其密度，密度越高，溶解度越大。当改变其压力和温度时，密度即发生变化，从而导致溶解度发生变化。其染色机理及上染过程可以简单描述为：溶解在超临界二氧化碳流体中的染料随染液的流动逐渐靠近纤维界面染料进入动力边界层靠自身的扩散接近纤维染料迅速被纤维表面吸附染料将向纤维内部扩散。整个过程实质就是以超临界二氧化碳流体为介质或载体完成染料对纤维的上染。
染色完成后，残余染料呈粉末状，可回收再用，CO
气体也可回收利用。同时
2
染色物呈干燥状态，无需烘干及染后还原清洗，与传统水浴法染色相比，可节约能量20％，染色速度比水浴快3-6倍，整个加工时间可缩短l～2h。染色时不用添加分散剂、匀染剂、载体等染色助剂，同时无染色废水及其它废弃物产生，彻底实现清洁、绿色、环保化加工。在超临界CO
染色加工过程中，无需酸、碱、载
2
体以及染后化学试剂(如还原剂等)处理，利于染色产品的色泽鲜艳度、牢度，并保护纤维和织物品质。
2.2 超临界二氧化碳染色的工艺流程
超临界二氧化碳染色过程一般包括等温压缩、等容温升和等温释放3个过程，具体的工艺流程如图1所示。首先将卷绕了织物、中空而筒壁布满小孔的不锈钢轴固定于高压染色槽，染料投入溶解槽中，关闭压力容器，贮存于贮罐的液体coz 冷却后直接用柱塞泵压缩到设定压力，然后通过加热器把液流加热到预设的温度。超临界二氧化碳流体随后在溶解槽内溶解染料，并把染料送至高压染色槽的不锈钢轴内筒，流体在流经筒壁小孔向外扩散穿透织物层的过程中进行染色，并通过循环泵增加流体在系统中的循环次数，确保染色的质量。染色结束后，流体通过分离器释放压力，这时由于二氧化碳变为气体，降低了染料的溶解度，可使染料沉淀回收。不含染料的二氧化碳通过冷却器冷却后回收贮存于贮罐中。
基于1995年在德国UHDE公司染色设备的经验上，研究人员开发了一个最佳化的染色工艺，由此确定了进一步扩大规模的所有相关的染色参数。标准超临界CO
2
如图2归纳所示。
对于有些织物，应避免大量萃取纺丝油剂而使织物手感变硬。在染色工艺结束时用冷的CO
进行萃取步骤Ⅱ的目的是去除未固着的染料[18]，同时尽快降低PET
2
温度至玻璃化温度以下，以避免萃取出已固着在纤维上的染料 J。而对于有些染
料，降低压力替代降低温度也是合适的[19]。根据我们的经验，对于那些不是最佳的C02染色用染料，该工艺步骤到目前仅仅是一种可行性工艺，因为它还存在着较宽的温度范围和压力条件，染料在CO 2中的高溶解性会产生设备清洗问题，以
及对PET 纤维的低亲和性使均匀性降低[20]。
2.3 合成纤维染色
德国西北纺织研究中心的E ．Schollmeyer 课题组最早提出用超临界二氧化碳代替水进行分散染料染涤纶的设想，也进行了最基础的试验[2]。国外对分散染料超临界二氧化碳染涤纶已进行了较多的研究，涉及分散染料在超临界二氧化碳中溶解度的研究[3]，超临界二氧化碳染色条件对涤纶表面性能的影响[4]，以及不同温度 压力对织物染色性能的影响。通过压力控制可以调节染料在超临界流体中的溶解度。染料在超临界介质中的扩散系数比水中高得多，因此，染色时间大大缩短[5]。染色温度的高低取决于被染织物的种类，染色温度一般在80～160℃，但对于高性能纤维如芳纶等染色温度可达300℃，染色时间为5～20min ，在几分钟内就可将聚酯纤维染成深色[6]。以超临界二氧化碳勾介质染色的织物，其日晒牢度 水洗牢度和摩擦牢度与用传统方法染色的基本一样。对于纯涤纶织物，在130℃、240× 10s Pa 条件下染10 min ，染料上染量每克织物达0．2～22 glmol ，而且
匀染性好，不需还原清洗便可得到较好的摩擦牢度[7]。
目前的研究结果表明，超临界二氧化碳染色尤其适用于各类合成纤维，其中包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、弹性纤维、三醋酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。对于用传统方法无法染色的合成纤维，用超临界二氧化碳基本都可以实现。
2．4 天然纤维染色
超临界二氧化碳适合于染疏水性纤维，
因为分散染料既溶于超临界二氧化碳
又溶于聚酯。但是对于天然纤维染色常用的活性染料、直接染料和酸性染料，它们在超临界二氧化碳中几乎不溶。由于棉占有37％的市场份额，PET占35％的市场份额，因此，研究极性纤维在超临界二氧化碳中染色对该技术的产业化应用非常重要。天然纤维在超临界二氧化碳中的染色主要通过3个途径来实现：对纤维进行预处理(或改性)；加入共溶剂改变流体的极性；对染料进行改性。
2.4.1 改变流体的极性[8-9]
加入极性共溶剂，提高超临界流体对极性染料的溶解度。水或乙醇是最重要的用于提高超临界流体极性和溶解能力的共溶剂。甲醇也曾被用于超临界二氧化碳中金属络合染料染羊毛，但没有获得成功。在超临界二氧化碳中有水存在的条件下，形成碳酸，降低纤维表面的pH值，促使金属络合物与媒染染料的结合。尽管大多数媒染染料的溶解度很低，但有些情况下，染得织物的颜色浓度和牢度性能均可与传统的水介质染色相比。Giehl等人的研究也获得了类似的结果，他们发现媒染剂对色泽和颜色浓淡有影响。如果使用共溶剂，当改变颜色时会产生清洗问题。与常规的超临界二氧化碳染色相反，染色之后共溶剂需从纤维上去除，这需要额外增加烘干步骤。工业化应用有机溶剂，存在安全问题，而且染色之后共溶剂必须与CO2分离。这二者都会大大增加设备的成本。
2.4.2 改变纤维的性能[10-13]
天然纤维通过浸渍溶胀剂或用交联剂进行预处理可以进行超临界二氧化碳染色。用高分子量聚醚衍生物、聚氧乙烯和聚乙二醇或聚丙二醇浸渍纤维，进行棉、粘胶和羊毛的超临界二氧化碳染色。这些物质通过断开纤维素大分子链问的氢键使棉纤维溶胀，来提高纤维素对染料的可及度。除了湿处理牢度低外，这一工艺的主要缺点是必须通过水相加工进行浸渍及染色后需去除浸渍剂，还包括两步烘干过程。在超临界二氧化碳中将棉浸渍在低分子量的氧键拆分剂如二乙醇胺及分散染料中，仅获得很淡的颜色，二乙醇胺还会引起色变。溶胀剂对羊毛染色也无明显的效果。
提高天然纤维在超临界二氧化碳中上染率的另一个方法是将纤维进行改性，引进疏水性官能团，永久改变纤维表面结构，该疏水性官能团可以提高分散染料对纤维的直接性。
有人用苯甲酰氯和苯甲酰巯基乙酸酯(BTG)对棉纤维进行改性。BTG改性的棉在超临界二氧化碳染色后，由于取代度较低(8．8％的增重率)，所以得色量较低，牢度较差。对于用苯甲酰氯改性，分散染料要获得较高的上染率，纤维的改性增重率则要达到22％ (O．w．f．)。纤维过高的改性增重率会严重影响纤维本身的性能。还可通过在棉纤维上引入l，3，5一三氯均三嗪(TCT)基团来提高纤维素在CO2中的活性。TCT增重率仅为3％就可以得到较高的得色量。改性后的棉纤维在超临界二氧化碳中染色后，牢度等级如水洗牢度、干摩擦牢度和湿摩擦牢度均为5级，只有少数例外。但由于反应过程中TCT会释放出HC1，所以对纤维的损伤也
相当严重。
为获得合适的颜色深度，对纤维进行改性会明显改变天然纤维的优良性能。此外，在所有的加工过程中，预处理和清洗都要在水溶液或其它溶剂中进行，从而需增加烘干步骤。这些处理不仅消耗能源，而且增加工序。因此，实现天然纤维超临界二氧化碳染色，比较理想的途径是对染料进行改性。
2.4.3 对染料进行改性[14-15]
对分散染料进行改性，引入活性基团并利用其能够与纤维反应形成化学键，这种思路能解决上述的缺憾。用三氯均三嗪(TCT)、2一溴代丙烯酸(BAA)改性后所获得的活性分散染料在超临界二氧化碳中上染天然纤维，染色性能有不同程度的改善。其中2一溴代丙烯酰胺改性后所得到的染料染色效果更好。但在超临界二氧化碳染色过程中，活性基团与天然纤维发生取代反应会分别释放出腐蚀性的HC1和HBr。达两种酸都会损伤纤维和染色设备。对羊毛、兔毛、聚酰胺一66以及
X改性的染料在超临界二氧化碳流体中染色，棉纤维采用乙烯砜、丙烯酰胺和SO
2
在100～ l20℃的低温条件下便可获得深染的效果。而且染色后的羊毛、兔毛、聚酰胺一66的水洗牢度也很好。但对真丝的染色效果却很差。
目前，在超临界二氧化碳中不超过120℃的中温和300 x 10 Pa的染色条件下，含乙烯砜的分散染料最适宜上染含一NH2的纤维，而且对纤维没有损伤。
3 超临界二氧化碳流体染色优点和尚待研究的问题
超临界二氧化碳流体染色具有以下一些优点：(1)染色时不用水，无废水污染；(2)染色结束后可降低压力，此时CO2气化，不需要进行染后烘干，既可缩短工艺流程，又可缩短染色时间、节省烘干能源；(3)上染速度快，匀染和透染性
本身无毒，不燃，可重复回用；(5)染料可重好，染色重现性也很好； (4) CO
2
复利用，染色时不需要添加分散剂、匀染剂、缓冲剂等助剂，不仅可降低成本，提高染料的利用率，还有利于环境保护，减少污染；(6)适用的纤维品种较广，一些难染的合成纤维(如丙纶、芳纶等)也可染色。
虽然以超临界二氧化碳流体为介质的染色技术具有许多优点，但要真正实现工业化生产还需解决些问题。如在染色前对设备管理中残留染料的清洗；低流速时匀染性差，高流量则设备投资大；可用染料的品种不齐全；一般只适用于非离子染料对疏水纤维的染色，很难对未改性的棉、毛纤维进行染色等。这些存在的问题成为了超临界二氧化碳流体染色技术步向产业化的瓶颈和障碍，这还需要各方面的人才去开展大量的研究工作。
4 结语和展望
综上所述，超临界CO2染色技术是一个具有良好前景的新型染色技术，它的研究涉及纤维素化学、染料化学、化学工程、物理化学、机械加工等多个学科，以CO2
为介质，染色过程不产生污染物，充分体现了清洁生产的理念。加强对纤维改性、无水染色的理论研究与实践检验，开创超临界流体在染色领域的广泛应用，从源头上解决印染行业的环境污染问题，这是当前研究的主要任务。但综观国内外的染色中各种分散染料在不同纤维上着色的最佳操作条件、染文献，在超临界CO
2
料在超临界CO
中的溶解状况和在纤维内部的扩散系数、染色过程的热力学基础、
2
染料结构与纤维的结构关系以及染料与纤维的改性、设计等方面积累的数据仍不够充分，更缺乏染色机理和动力学的微观分析，因此尚需相关领域的科技工作者联合攻关，开展大量的研究工作。
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超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较 目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。 1. 二氧化碳布雷顿循环分析 （1）二氧化碳布雷顿循环 CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大（表1-1）。高压（7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容c p 和压缩因子z均与低压（0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点（7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况（图1-1）。超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。 表1-1 CO2和He热物性比较（35℃） 工质P/MPa ρ/kg·m-3 λ/W·(m·K)-1 C P/kJ·(kg·K)-1z CO2 7.5 277.6 0.03532 5.9306 0.463 0.1 1.95 0.01497 0.828 0.879
《二氧化碳的实验室制法》教学设计、教材分析： 教材在学习了氧气的实验室制法的基础上安排了二氧化碳的 实验室制法。这样安排可以使学生对氧气的认识得到巩固、补充和深化，通过小结氧气的实验室制法来总结出实验室制取气体的思路和方法。可以使学生分析问题、解决问题的能力、认识事物过程的能力得到发展和提高。从而为学生以后研究、探讨其它气体的实验室制法，指明了正确的学习顺序。 、设计思想： 因为本节课的重要性和典型性，在教学中力求做到以学为主， 学生是学习的主人，在教学过程中，教师是学习的组织者和引导者，建设一个以学生动脑、动口、动手的和谐的学习氛围，给学生在时间和空间上提供广阔的教学天地来培养学生的成功感，从而培养学生终身学习的能力。 、教学目标： 1．知识目标： 1)、通过分析氧气的实验室制法，使学生了解在实验室内制 取气体的方法和设计思路。 2)、探讨二氧化碳的实验室制法，使学生掌握实验室制取 氧化碳的原理和实验装置。 2．能力目标： (1) 、通过对氧气、氢气实验室制法的分析，培养学生对知识
的归纳总结能力。 2）、通过研讨二氧化碳的实验室制法来提高学生分析和解决 实际问题的能力。 3．情感目标： 1）、通过对气体实验室制法的设计思路和方法的归纳总结， 培养学生开阔的思维和思想。 2）、通过对二氧化碳实验室制法的研究和探讨，来激发学生 的学习欲望，创建一个和谐民主的学习氛围。 四、教学重点： 实验室制取二氧化碳的化学反应原理、实验装置和制取方法。 五、教学难点： 从实验室制取气体的设计思路出发，学习二氧化碳的实验室 制取方法。 六、教学关键：实验室制取气体的设计思路 七、教学方法：实验探索、分析、对比、讨论、归纳等启发式教 学方法。 八、学生学法：学生比较、分析、归纳、总结的方法 九、教学手段：多媒体教学、教师演示实验（第二课时学生在实 验室分组演示） 、教学过程：学习目标：学习目标的展示让学生明确本节课的具体的学习目标和任务。 回忆：
超临界二氧化碳循环特性 作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。 与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。 1. 二氧化碳动力循环 （1）简单超临界Brayton循环 与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。
超临界二氧化碳的研究进展 李会峰陈秀芝 (北京理工大学理学院化学系 100081) E-mail. lhf9898@https://www.doczj.com/doc/2f18337812.html, 摘要 超临界CO2 具有气体的低粘度、高扩散系数和液体的高密度,且化学惰性,无毒无腐蚀,临界状态容易实现,是一种性能优良的环境友好溶剂。本文在超临界CO2 的萃取、超临界流体沉淀技术、以及化学反应等方面就目前的现状做了简介,指出了目前超临界CO2 的研究进展以及今后的研究方向。 关键词超临界二氧化碳萃取沉淀化学反应 1. 前言 自1822年Cagniard首次报道了物质的临界现象以来，超临界流体的研究被广泛关注。1869年Andrew测定了二氧化碳的临界参数。超临界二氧化碳是指温度和压力均高于其临界值（T=31.1℃ P=7.38MPa）的二氧化碳流体。在超临界状态下，二氧化碳具有类似液体的高密度和接近气体的低粘度，并且对人体和动植物无害、不燃、没有腐蚀性、对环境友好、原料易得、价格便宜和处理方便等优点，是目前使用最多的一种超临界流体。 超临界二氧化碳主要应用于热敏性物质和高沸点组分的萃取分离，超细特殊材料的制备，特殊化学反应的溶媒等方面。 2．超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction,SFE） 与传统的分离方法相比，超临界二氧化碳萃取具有许多独特的优点：（1）超临界流体的萃取能力随其密度增大而提高，因而很容易通过调节温度和压力加以控制；（2）溶剂回收简单方便，不易产生溶剂残留或污染；（3）由于超临界二氧化碳化学性质稳定，无毒和无腐蚀，临界温度接近常温，所以特别适合食品及医药中的生理活性成分和热敏组分的分离[1]。因此，超临界二氧化碳萃取在医药、食品、化妆品、香料、化学工业及环保等领域得到了广泛的应用研究。超临界二氧化碳萃取主要应用于去处有害物质、分离有毒污染、提取有效成分以及回收有用物质[2]。 食品工业上，超临界二氧化碳萃取主要用于从天然中提取各种脂溶有效成分，其提取率优于有机溶剂萃取，且无溶剂残留，为纯天然产品。现已成功提取的物质有啤酒花浸膏、咖啡因、亚麻酸、农副产品植物油脂（如小麦胚芽油、米糠油、玉 - 1 -
《二氧化碳的实验室制法》教学设计 【设计思路】：本课学习实验室中如何制取二氧化碳，从而总结出实验室制取气体的思路。是研究二氧化碳的性质和用途的基础并给以后制取其它气体提供了思路，在本节课的教学中，我充分利用了STS 教育的思想和理论，使科学、技术与社会融为一体，从而更好的培养学生的环保意识，创新精神和实践能力。 【教法处理】：以学生分析、探究、实践为主，以教师提示、启发、辅导为辅。 【教学目标】： 1.知识与技能： （1 了解实验室中制取CO2的反应原理。 （2探究实验室中制备C02的装置。 （3了解实验室中制取气体的思路与方法。 （ 4 提高学生的动手能力和分析资料、推理判断的能力。 2.过程与方法：能合理使用课堂资料，并会利用这些资料设计实验方案。 3.情感态度与价值观：从寻找药品、设计装置和制取气体的过程中获取成就感，进一步增强学习化学的自信心。从化学原理与实际生活的联系中，增强学生的环保意识、创新精神和实践能力。 【教学重点、难点】： 探究实验室制取C02的方法，并制取C02. 【教学流程】： 课题导入---- 提出问题 --- 搜集资料---- 分析判断---- 实验探究---- 交流总结 【教具准备】：教师用具：多媒体、石灰水、酚酞、无色透明的塑料瓶（碳酸钠、石灰石、稀盐酸、稀硫酸、浓盐酸）。 学生用具：（1）仪器：锥形瓶、烧杯、大试管、集气瓶、长颈漏斗、（带导管的）双孔塞及单孔塞、带塞子的弯导管、盛水的烧杯（代替水槽）、酒精灯。 （2）药品：石灰石、稀盐酸、稀硫酸、澄清的石灰水、木条。 【教学过程】： 课题导入：教师表演魔术（向澄清的石灰水中滴入几滴酚酞，将变红的溶液倒入盛有二氧化碳的无色透明的瓶中，振荡，观察现象。） 【STS理念的运用】运用趣味演示实验，激发学生的兴趣和探究的欲望。引言：我们要表演好这个魔术，重要的是制取一瓶二氧化碳，怎样制取二氧化碳呢？这节课我们就来学习二氧化碳的实验室制法。 板书：二氧化碳的实验室制法 请同学们分组讨论一下：我们要研究清哪些问题，就能顺利的制取二氧化碳了？（学生讨论回答，教师板书记录） 我们首先需要研究的问题是：什么反应可以生成二氧化碳？ 【STS理念的运用】这一环节运用问题讨论法，进行设疑，培养学生分析问题、解决问题的能力，加深学生对问题的理解。 板书：1、反应原理 点燃 ［提问］：我们知道的能生成二氧化碳的反应有哪些？高温 ［回答］：C+O2 === CO2 C+2CuO===2Cu+CO2 点燃 ［提问］：这些反应能用于实验室制取CO2 吗？高温 C+O2 ==== CO2 材料好，反应快但不易收集 C+2CuO====2Cu+CO2 反应慢，需条件高
单一C02跨临界压缩机运行制冷技术简况 技术优势： 该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行。压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成，此时高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。 在以空气为热源、热汇的制冷和热泵系统（主要是汽车空调以及家用空调）中，CO2循环在跨临界条件下运行，其工作压力虽然较高，但压比却很低，压缩机的效率相对较高；流体在超临界条件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有无与伦比的优势，超临界流体优良的传热和热力学特性使得换热器的效率也很高，这就使得整个系统的能效较高，完全可与传统的制冷剂（如R12、R22等）及其现有的替代物（如R134a、R410A等）竞争。加上CO2在气体冷却器中大的温度变化，使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度可能非常接近，这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。由于CO2的临界温度低，为31, ℃因此, 制冷循环采用跨临界制冷循环时，其排热过程不是一个冷凝过程，压缩机的排气压力与冷却温度是两个独立的参数，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的COP。研究分析表明，高压侧压力变化时，循环的COP 存在着一个最大值，因此，CO2跨临界制冷循环在对不同工况下，存在对应于最大COP 值的最佳排气压力。 CO2 在气体冷却器中较大的温度变化，正好适合于水的加热，从而使热泵的效率较高。 传统空调系统大多把冷凝热当作废热而直接排向大气，既造成能量的浪费又产生环境的局部热污染。而对跨临界循环,由于超临界区工质密度在不断增加，循环的放热过程必将有较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，其用于热回收时，必将有较高的放热效率，因而用于较高温度和较大温差需要的热回收时具有独特的优势。 优点： （1）安全、环保、无污染； CO2 作为制冷剂其优点在于，无毒，没有可燃性，价格便宜、来源丰富、无须回收，与普通润滑油相溶，容积制冷量约是R22 的5 倍，CO2 是唯一同时具有优良的热力特性、安全特性和环境特性的自然工质。 制冷系统蒸发器采用顶排管，冷凝方式采用植入式地源冷凝技术。 （2）节能（以每立方米容积年耗电量计算）：我国年平均耗电量为130度左右，先进发达国家年耗电量为60多度，而该冷库年耗电量仅6度左右。 （3）库温稳定：该冷库温差波动在±0.5度波动，将大大提升冻品的储藏品质，延长食品的实质质保期。 （4）机房占地面积小。 应用： 经过调查，北京市京科伦工程技术有限公司、北京市京科伦冷冻设备有限公司近年来多次承办智能立体库、速冻隧道等项目，工程项目遍布全国的22个省份的40个多城市，项目合作企业包括双汇、金锣、雨润、思念、三全、惠发等中国知名企业，所承担的项目均达到或超过了设计要求。
超临界二氧化碳萃取技术在中药提取中的应用 引言：近年一些中药提取新技木以及一些新技术在中药制剂提取的应用大大促进了中药现代化的进程。其中，超临界流体萃取技术就是一个相当先进且极有应用前景的新技术。超临界流体萃取技木利用超临界流体扩散系数高．流动及传递性能好、溶解能力强的特点，已广泛应用于中药挥发油、生物碱、黄酮类等多种有效成分的提取分离。摘要：简要介绍了超临界流体萃取的基本原理及其在中药有效成分提取方面的优点,并从中药有效成分提取和中草药除杂两方面介绍了超临界流体萃取技术在中药开发中的应用。指出超临界流体萃取技术是一种新型高效分离技术,也是中药现代化的关键技术之一。在此基础上,提出了今后超临界流体萃取技术的主要研究方向。 关键词:超临界流体萃取; 中药; 应用; 研究方向 Abstract:Supercritical fluid extracti on ( SFE) is a new and high efficiency separati on technol ogy,which is one of the key technologies in Chinesemedicinemodernizati on . The princi and advantages of SFE in the extracti on of the effective components fromChinese herbalmedicine were si mp ly intr oduced, and the app licati on in the extracting of the effective components and removing theimpurity from herbalmedicine were als o introduced . Based on that, the main advanced research trends of SFE were pointed out . Key words: Supercritical fluid extracti on; Chinese herbalmedicine; App licati on; Advanced research trends
超临界二氧化碳萃取的过程及设备
3.2 超临界流体萃取过程的设计与开发 除了在一些食品提取工业中实现超临界流体萃取的工业化外，其在高附加值产品分离中也展现出新的活力，特别是在制药工业中，其重要性也日显增加。尤其是随着有关毒性物质排放越来越受到严格限制，SCFE的使用范围也会日渐扩大。但是SCFE的使用可行性是与过程的规模、产品的价值、是否需用无毒溶剂的一些因素有关。因此，只有进行周密的设计后，才能定量权衡上面提出的种种因素。一旦得出具有可行性的设计，便会吸引到企业界和研究者的重视和关注。 当前，不仅仅是国外的一些学者和专家作了扼要而实用的综述[1]，而且在国内召开的“超临界流体技术学术及应用研讨会”上有多篇论文专门讨论了SCFE 的工艺与设备设计。早八十年代就出现了SCFE过程设计和开发的报告，近30年间，有关SCFE的设计研究还在不断进展，逐渐完善。有些产品，如真菌脂质的提取，不仅要作SCFE的过程设计，而且还要作其他单元操作，如对液液萃取的设计进行比较，从经济上确定何种过程有优势，从而便于在进一步的投资中作出判断。可以说，目前SCFE已如其他比较成熟的单元操作一样,设计、仿真和优化(design,simulation and optimization)的工作已全面开展，这也从-个侧面表明SCFE的实用性正在受到越来越多的科技工作者的关注。 3.2.1 超临界流体萃取工业装置的开发步骤 图3-16示出了任一扩散分离过程科学开发的流程示意图。在步骤2中确定所涉及物料的特征后，一般情况下，若选用传统的分离单元操作，如蒸馏、液液萃取等，往往是凭设计者的经验来选定，较少采用预设计的方法。在开发过程中直接进行实验研究。但SCFE是新技术，对其了解不多。为了能和其他分
教案示例：二氧化碳的实验室制法之一 教学目标 1．使学生掌握实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和操作方法，提升学生分析和解决实际问题的水平。 2．简要介绍泡沫灭火器的原理，使学生对灭火和灭火器有大致印象。 实验准备 1．学生每组2人，事先备好相关的实验仪器。药品有大理石（碳酸钙）、碳 酸钠溶液、稀盐酸溶液、稀硫酸溶液。 2．教师应备好磁性小黑板一块、气体发生装置和收集装置图六幅，投影片一张（列表比较氧气、氢气和二氧化碳的实验室制法）。 教学过程 【引言】上节课学过二氧化碳的实验室制法，本节课再作进一步的研讨。先请同学们回答以下问题。 1．实验室里用什么药品制取二氧化碳？写出相关反应的化学方程式。 【回答】实验室里用稀盐酸跟大理石（或石灰石）反应来制取二氧化碳。 CaCO3＋2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O 2．请一位同学向大家介绍你所做过的两个家庭小实验：①纯碱跟醋酸反应。 ②鸡蛋壳跟盐酸反应。你在实验中看到哪些现象，得出什么结论？ 【回答】①纯碱跟醋酸反应，产生二氧化碳气体。它使点燃的蜡烛火焰熄灭。 ②鸡蛋壳跟盐酸反应，产生的气体使澄清石灰水浑浊，说明生成的气体是二氧化碳。鸡蛋壳的主要成分是碳酸盐。 【讲解】纯碱（碳酸钠）、大理石、鸡蛋壳（主要成分是石灰石）都是碳酸盐。盐酸、醋酸都是酸。碳酸盐跟酸反应会生成碳酸，碳酸不稳定，容易分解，生成二氧化碳。这就是实验室制取二氧化碳的反应原理。 【板书】 一、实验室制取二氧化碳的反应原理 反应原理：碳酸盐跟酸反应，生成二氧化碳。
【讨论】是不是任何碳酸盐和任何酸都能作实验室制取二氧化碳的药品？ 【设问】实验室制取二氧化碳时，能不能把碳酸钙换成碳酸钠，能不能用硫酸代替盐酸？这是上一节课布置给同学们思考的问题。现在请大家动手做实验，通过观察实验现象、来分析解决这个问题。 【实验】(1)将石灰石分别加入盛有稀盐酸、稀硫酸试管中，观察发生的现象 （两支试管同时做对比实验）。 (2)将石灰石和碳酸钠分别加入盛有稀盐酸的两支试管中，观察发生的现象。【提问】请两位同学分别描述实验中看到的现象。 【回答】(1)石灰石跟稀盐酸反应，产生大量气泡。石灰石跟稀硫酸反应，开 始有气体产生，过一会儿气泡逐渐减少，以至反应停止。 (2)碳酸钠跟稀盐酸反应十分剧烈，迅速产生大量气体。石灰石跟稀盐酸反应比碳酸钠缓和，也能生成大量气体。 【讲解】从上述两个实验可知，用硫酸代替盐酸跟石灰石反应，虽能产生二氧化碳，但是生成的硫酸钙微溶于水。它会覆盖在块状石灰石表面，阻止碳酸钙跟硫酸接触。而碳酸钠跟盐酸反应太快，生成的二氧化碳不容易收集。所以，实验室里通常是用石灰石跟稀盐酸反应来制取二氧化碳的。 从上述分析能够看出，研究制取气体的反应原理时，不但要看该反应能不能发生，还要考虑到所选择的药品能不能顺利地制取气体。在家庭小实验中，同学们已经了解醋酸也能跟碳酸钙反应，产生二氧化碳。但是醋酸是弱酸，反应较慢，实验室也不采用。可见对具体问题要作具体分析，灵活掌握。 【板书】在实验室里常常用石灰石（或大理石）跟稀盐酸反应来制取二氧化碳：CaCO3+2HCl CaCl2＋CO2↑十H2O 【练习】选择合适的药品和仪器装置，分别制取氧气、氢气和二氧化碳。将准确的答案填在下表空格中。 提供选择的药品有石灰石、碳酸钠溶液、氯酸钾、高锰酸钾、锌粒、铜片、稀硫酸、稀盐酸。 提供选择的仪器装置如下：
超临界二氧化碳换热器应用 当温度和压力达到临界点时，二氧化碳就进入了临界状态，超临界状态下的二氧化碳出现为一种即非气体又非液体的状态。超临界二氧化碳具有特殊性质：粘度低、密度高，对高聚物具有很强的溶胀和扩散能力，安全非易燃易爆，无毒无腐蚀性。超临界二氧化碳的特殊性质直接促成它在各个领域中广泛使用，其在能源领域获得很好的应用效果。 作为环境友好型工质，CO2有着诱人的物理和输运特性，将超临界CO2用于布雷顿循环发电系统，通过消耗较低的压缩功，能够实现较高的系统热效率，在新一代核能、太阳能、地热、工业余热回收等领域具有极为广阔的应用前景。超临界二氧化碳循环模式包括取热器、高温回热器、低温回热器、冷却器等换热器。换热器作为超临界二氧化碳发电系统中的关键设备，是数量最多、体积最大、成本最高的设备，其综合性能对系统效率提升与安全稳定运行至关重要。 2018年中国科学院工程热物理研究所承担的我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳换热器综合试验测试平台”在廊坊中试基地建成。其高效紧凑印刷电路板式换热器可在极端环境下运行（温度高于900℃，压力高于60MPa），且比表面积大于2500m2/m3。相同热负荷条件下，PCHE体积大约为壳管式换热器的1/5。而且，换热器热侧出口温度和冷侧入口温度的差值能够接近1K，而壳管式换热器一般在12K以上。
图1超临界二氧化碳换热器综合试验测试平台 在相同的输出功率的情况下，超临界二氧化碳涡轮尺寸大约是蒸汽涡轮的1/10，从而导致整个系统结构紧凑、投资成本低。但由于整个系统运行压力高，且占地面积小，因而传统换热器，如壳管式换热器，板翅式换热器等，均不再适用。 2020年中国船舶集团有限公司七二五所联合中核集团原子能院、合肥通用机械研究院有限公司研制的我国首台液态金属钠-超临界二氧化碳印刷板式换热器(PCHE)顺利通过专家组验收，产品技术达到国际先进水平。PCHE作为一种颠覆性的紧凑高效微通道换热器，具有换热效率高、耐低温高温、耐高压、可靠性高等优势。 近年来杭州沈氏节能科技股份有限公司研发出高效紧凑式微通道换热器，具有高完整性扩散结合结构的高效换热器。扩散结合成就了换热器耐高低温和出色的机械性能，使其成为唯一可用于超临界二氧化碳（SCO?）循环中的最佳换热器。 图2高效紧凑式微通道换热器 特点：超耐高温高压，适用于高温高压等苛刻条件；换热面积大，可达1000m2/m3;采用扩散焊接技术，焊接强度大，机械性能出色；且耐腐蚀，可靠性高，体积小。适用于高温高压下的发电循环；印刷电路板式换热器作为一种新型微通道紧凑式换热器,适用于高温高压等苛刻条件,在新一代核能发电、太阳能光热发电、氢能等领域应用潜力巨大。
超临界CO2流体的应用 随着环境的温度和压力变化，任何一种物质都存在三种相态-气相，液相，固相，三相成平衡态共存的点叫三相点.液，气两相成平衡状态的点叫临界点.在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力，不同的物质其临界点的压力和温度各不相同.超临界流体(Super Critical fluid，简称SCF)是指温度和压力均高于其临界点的流体，常用来制备成的超临界流体有二氧化碳，氨，乙烯，丙烷，丙烯，水等.物体处于超临界状态时，由于气液两相性质非常相近，以致无法清楚分别，所以称之为「超临界流体」。 超临界流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力，同时兼具低黏度，低表面张力的特性，如表1所示，使得超临界流体能够迅速渗透进入微孔隙的物质.因此用于萃取时萃取速率比液体快速而有效，尤其是溶解能力可随温度，压力和极性而变化. 超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的.当物质处于超临界状态时，成为性质介于液体和气体之间的单一相态，具有和液体相近的密度，黏度虽高于气体但明显低于液体，扩散系数为液体的10～100倍，因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，能够将物料中某些成分提取出来. 在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小，沸点高低和分子量大小的成分萃取出来.同时超临界流体的密度，极性和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加，利用预定程序的升压可将不同极性的成分进行分步提取.当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压，升降温的方法使超临界流体变成普通气体或液体，被萃取物质则自动完全析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取与分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理. 关于CO2超临界体 二氧化碳在温度高于临界温度Tc=31.26℃，压力高于临界压力Pc=72.9atm的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力.用它可溶解多种物质，然后提取其中的有效成分，具有广泛的应用前景.超临界二氧化碳是目前研究最广泛的流体之一，因为它具有以下几个特点： (1)CO2临界温度为31.26℃，临界压力为72.9atm，临界条件容易达到. (2)CO2化学性质不活泼，无色无味无毒，安全性好. (3)价格便宜，纯度高，容易获得. 所谓的二氧化碳超临界萃取是将已经压温加压成超临界状态的二氧化碳作为溶剂，以其极高的溶解力萃取平时不易萃取的物质，以下有几项关于萃取的说明： (1)溶解作用 在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性，沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性，低沸点成分可在104KPa(约1大气压)以下萃取，如挥发油，烃，酯，醚，环氧化合物，以及天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑，麝香草酚，酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-OH，-COOH等)愈多，则愈难萃取.强极性物质如糖，氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上.另外化合物的分子量愈大，愈难萃取；分子量在200～400范围内的成分容易萃取，有些低分子量，易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量物质(如蛋白质，树胶和蜡等)则很难以二氧化碳萃取. (2)特点 将超临界二氧化碳大量地拿来做萃取之用是因为它具有以下几个萃取技术上的特点 A.超临界CO2流体常态下是无色无味无毒的气体，与萃取成分分离后，完 分子临界温度临界压力临界密度分子临界温度临界压力临界密度 完全没有溶剂的残留，可以有效地避免传统溶剂萃取条件下溶剂毒性的残留.同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是一种天然且环保的萃取技术.
摘要：介绍了超临界二氧化碳萃取技术的基本原理和特点，简单说明了该技术在香料、医药、食品等工业上的应用。 关键词：超临界二氧化碳萃取分离技术基本原理 前言 超临界流体萃取，又称超临界萃取、压力流体萃取、超临界气体萃取。它是以高压、高密度的超临界状态流体为溶剂，从液体或固体中萃取所需要的组分，然后采用升温、降压或二者兼用和吸收（吸附）等手段将溶剂与所萃取的组分分离。 早在1897年，人们就已经认识到了超临界萃取这一概念。当时发现超临界状态的压缩气体对于固体具有特殊的溶解作用。例如再高于临界点的条件下，金属卤化物可以溶解再在乙醇或四氯化碳中，当压力降低后又可以析出。但直到20世纪60年代，才开始了其工业应用的研究。目前超临界二氧化碳萃取已成为一种新型萃取分离技术，被广泛应用于食品、医药、化工、能源、香精香料的工业的生产部门。 1 超临界萃取的原理 当液体的温度和压力处于它的临界状态。 如图1是纯流体的典型压力—温度图。图中， AT表示气—固平衡的升华曲线，BT表示液— 固平衡的熔融曲线，CT表示气－液平衡的饱 和液体的蒸汽压曲线，点T是气－液－固三相 共存的三相点。按照相率，当纯物的气－液－ 固三相共存时，确定系统状态的自由度为零， 即每个纯物质都有自己确定的三相点。将纯物 质沿气－液饱和线升温，当达到图中的C时， 气－液的分界面消失，体系的性质变得均一， 不再分为气体和液体，称点C为临界点。与该点相对应的临界温度和压力分别称 为临界温度T 0和临界压力P 。图中高于临界温度和临界压力的有影阴的区域属 于超临界流体状态。 在这种状态下，它既不完全与一般气相相同，又不是液相，故称为超临界流体。超临界流体有气、液相的特点，它既有与气体相当的高渗透力和低粘度，又兼有液体相近的密度和对物质优良的溶解能力。这种溶解能力能随体系参数的变化而连续的改变，因而可以通过改变体系的温度和压力，方便的调节组分的溶解度和萃取的选择性。利用上述特点，超临界二氧化碳萃取技术主要分为两大类原理流程即恒温降压流程和恒压升温流程。前者萃取相经减压，后者萃取相经升温。
二氧化碳的实验室制法教学设计Teaching design of carbon dioxide laboratory method
二氧化碳的实验室制法教学设计 前言：小泰温馨提醒，化学是自然科学的一种，主要在分子、原子层面，研究物质的组成、性质、结构与变化规律，创造新物质。是一门以实验为基础在原子层次上研究物质的组成、结构、性质、及变化规律的自然科学。本教案根据化学课程标准的要求和针对教学对象是 初中生群体的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划、并以启 迪发展学生智力为根本目的。便于学习和使用，本文下载后内容可随意修改调整及打印。 一.知识教学点。 二.重、难、疑点及解决办法 1.重点：实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和制取 方法。 2.难点：从实验室制取气体的设计思路出发，学习二氧化碳 的实验室制取 方法。 3.疑点：实验室制取二氧化碳，为什么不能用稀硫酸？ 4.解决方法 （1）采取讨论的形式，从学生学过的氧气和氢气的实验室 制法，归纳和总结出气体实验室制法的设计思路和方法。。 （2）通过演示和补充实验，组织学生分析讨论二氧化碳的 实验室制取方法，使学生掌握实验室制取二氧化碳的原理，提高 学生分析和解决实际问题的能力。 三.教学步骤 （一）明确目标
1.联系实验室制取氧气、氢气，学会实验室制取气体的一般方法。 2.掌握实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置、使用的药品、仪器名称和收集方法。 （二）整体感知 本节主要采用讨论的形式，使学生掌握。 （三）教学过程 [复习提问]：（1）CO2有哪些物理性质和化学性质？ （2）实验室制取H2、O2的反应原理是什么？ [小结]：实验室制取氧气的原理是利用高锰酸钾或氯酸钾（用二氧化锰作催化剂），在加热条件下得到氧气。实验室制取氢气的原理是用金属锌和稀硫酸（或稀盐酸）反应得到氢气。 [教师活动]：投影出制取H2、O2的几套装置图，通过讨论得出这些装置图的适用范围： （1）当用固体反应，需要加热产生气体时，可采用制取氧气的装置； （2）当用固体与液体反应，不需加热就能生成气体时，可采用制取H2的装置（注意该气体难溶于水或酸）。 [提问]： （1）在实验室如何收集H2和O2，根据它们什么性质？ （2）如何检验H2和O2？ [学生活动]：通过讨论得出以下结论：
一、国外研究现状 1、美国桑迪亚国家实验室率先开展了超临界二氧化碳闭式循环的研究，通过实验对超临界二氧化碳闭式循环存在的包括压缩、轴承、密封、摩擦等问题进行了大量研究，循环实验装置获得了接近50%的发电效率。2011年3月4日桑迪亚实验室在其网站上正式宣布已经掌握了超临界二氧化碳闭式循环的关键技术。 该试验台在早期超临界二氧化碳压缩特性实验装置的基础上添加涡轮、浸入式电加热器和回热器等装置而成，其中电加热器的功率为260kW，压气机压比为1.8。 来自中国科学院国家科学图书馆《科学研究动态监测快报》“先进能源科技专辑” 2、麻省理工（MIT）提出了3 种热力循环参数方案： ①基本设计方案：最高压力20 MPa、堆芯出口温度550℃、净效率达43%； ②先进设计方案：最高压力20 MPa、堆芯出口温度650℃、净效率达47%； ③高性能设计方案：最高压力20 MPa、堆芯出口温度700℃、净效率可达49%。 S-CO2冷却快堆（GFR）的总体方案。 反应堆热功率为2400 MW，电功率约1200 MW，采用2 环路或4环路设置，设计寿命60 a；系统热效率51%，净效率47%；堆芯进、出口温度分别为485.5、650℃，运行压力20 MPa。 3、东京工业大学（TIT）——气冷堆：反应堆热功率为600MW，堆芯出口温度为650℃，反应堆出口运行压力约为7 MPa，系统效率为45.8%。 以S-CO2作为二回路能量转换工质的核反应堆一般采用液态金属或气体冷却，以达到较高的堆芯出口温度。美国对这方面的研究主要是利用S-CO2动力系统高效率、设备简化紧凑等特点开发多功能模块化中小型核反应堆。
超临界二氧化碳在染整加工中的应用 摘要：针对传统水染工艺不能从根本上解决印染行业水环境污染严重及资源消耗、浪费大的问题，介绍了一种全新的清洁生产技术——超临界二氧化碳染色过程。文章综述了超临界二氧化碳应用于染整加工领域的研究进展，包括超临界二氧化碳的性质，其在前处理的应用、以超临界二氧化碳为介质染合技术的一般流程，染合成纤维及天然纤维相关内容等，并讨论了其利弊。 关键词：超临界流体：二氧化碳；染整； 前沿： 进入二十一世纪环境保护越来越受到人们的重视．可持续发展问题成为当今世界经济发展的主题，任何工业的发展都必须符合这一主题的要求。同时全球水资源环境问题日益尖锐，我国是严重缺水的国家，水污染使资源短缺问题变得更为突出，工业污染是造成水环境污染的主要污染源之一。而在纺织品染整加工过程中，大量使用了污染环境和对人体有害的染整剂，这些助剂生物降解性差，毒性大，游离甲醛含量高，重金属离子的含量超标。这些助剂大多以气体、液体、固体的形态排放而污染环境，严重危害人类的健康，因而，绿色染整加工技术成了近年来科研工作者追求的目标[16]。 近二十年来，超临界二氧化碳技术倍受青睐，它是采用二氧化碳来代替以水为介质的染整加工技术，工艺中无需清洗，无需烘干，二氧化碳可循环再利用。该技术可避免大量废水对环保带来严重污染问题。保护了水资源，省去还原清洗和烘干工序，降低了能源消耗，染色过程无有害气体排放，残余染料可循环使用，提高了染料利用率。它不仅无毒、无污染，不易燃烧，而且价格便宜，要求的操作温度和压力都较低，具有许多奇特的性能，以前较多地应用于食品及医药工业上。近几年来，超临界二氧化碳技术在高分子材料合成和加工以及纺织工业上的应用成为科技界关注的热点。下面介绍超临界二氧化碳的性质以及超临界二氧化碳技术在染整加工领域的一些应用。 1超临界二氧化碳的性质 常压下，物质在液相和气相间成平衡时，两相的物理性质如粘度、密度、导电度和介电常数等存在显著差别。当压力提高时，这种差别逐渐缩小，当达到某一温度和压力时，两相密度相等，气相和液相之间无明显的界限，而且仅有一相，称为临界状态。此时的温度和压力均称为临界温度和临界压力。超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨。超临界流体本身具有如下特性[17]：①其扩散系数比气体
超临界CO2萃取装置 该装置主要由萃取釜、分离釜、精镏柱、CO2高压泵、副泵、制冷系统、CO2贮罐、换热系统、净化系统、流量计、温度、压力控制（保护）系统等组成。 超临界CO2萃取装置的主要技术指标 萃取釜：0.5L、1L、2L、5L/50Mpa；10L、24L/40Mpa；50-200L/32Mpa,固态两用。配水夹套循环加热，温度可调。 分离釜：0.3-10L/30Mpa；50-100L/16-22Mpa。配水夹套循环加热，温度可调。 精镏柱：内径ф25×2-3m/30Mpa；ф35×2-3m/30Mpa；ф48×4-6m/30Mpa；ф78×4-6m/30Mpa，根据工艺要求可分4节、6节、8节梯度控温；柱内根据工艺要求由用户选相关填料。 CO2高压泵：20L/40Mpa·h双柱塞，50L/50Mpa·h双柱塞调频，400L/40Mpa·h三柱塞调频，800L/40Mpa·h三柱塞调频，泵头带冷却系统。 携带剂泵：用于萃取过程中，夹带溶剂来改变CO2极性，扩大应用范围。 制冷系统：配半封式、全封式压缩机，制冷量满足工艺要求。 换热及温度的控制系统：根据工艺要求,萃取釜、分离釜、精镏柱分别配置换热和温控系统，温度控制-85℃水循环、室温-150℃油循环，温度控制数显双屏控制水浴温度，测试CO2流体温度，控温±1℃ 压力控制（保护）：高压泵出口配电接点压力表，设定工作压力，超压自动保护停泵。高压泵、萃取釜、分离釜、精镏柱，根据最高工作压力，分别配安全阀，超压自动泄压保护。萃取釜出口配背压阀系统，压力稳定，易于调整，压控制精度（动态）±0.1Mpa 流量显示：金属转子流量计，数显远传，分别显示瞬时流量和累积流量 管路：接触流体的容器、阀门、管件、管线均采用不锈钢制作。 其他：电源三相四线制380V/50Hz，CO2食品级≥99.5，用户自备 超临界CO2萃取装置的基本流程 1、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； 2、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→精镏柱→回路； 3、CO2→萃取釜→精镏柱→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路； 4、CO2→萃取釜→分离Ⅰ→精镏柱→分离Ⅱ→回路。 超临界CO2萃取装置的特点
《二氧化碳制取的研究》 学案 西南交通大学附属中学化学组 任 洪编制 班级: 姓名 学习目标 （1）知道实验室制取二氧化碳的反应原理 （2）探究实验室制取二氧化碳的装置 （3）初步了解知道实验制取气体的思路和方法 旧知复习：实验室制备氧气的原理和装置 高锰酸钾制备氧气 双氧水与二氧化锰混合物制备氧气 药品 原理 装置 【探究活动】探究实验室制取气体的装置 实验室制取氧气（ 回忆实验室制取氧气的相关知识填写下表） 【归 纳】 确定气体发生装置时，考虑因素是 和 ； 确定气体收集装置时，考虑因素是 和 。 比较内容 实验室制取氧气 用KMnO 4 用H 2O 2溶液和MnO 2 反应物状态 反应条件 密度与空气比较 是否溶于水
查阅资料知，实验室制备二氧化碳的原理是采用稀盐酸和块状大理石（或石灰石，主要成分都是碳 酸钙）发生反应如下： 【随堂练习】 反应物状态 反应条件 密度与空气比较 溶解性及是否与水反应 氧气 固体与液体 反应 催化剂 比空气略大 不易溶于水且不与水反应 固体与固体 反应 加热 二氧化碳 【讨 论】 实验室制取二氧化碳的装置是否与制取氧气的装置相同？为什么？ 知识点：二、实验室制取二氧化碳的装置 或。 。。。。。。 【随堂练习】试标明提醒处注意事项 【讨 论】利用这套装置如何操作制备二氧化碳呢？
【回顾】实验室制备氧气的正确操作步骤是怎样的？ 【实验】实验室利用块状大理石和稀盐酸制备二氧化碳气体操作： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 【归纳】 a.利用排空气集气发收集氧气时，检验方法： b.利用排空气集气发收集氧气时，验满方法： c.利用排空气集气发收集二氧化碳时，检验方法： d.利用排空气集气发收集二氧化碳时，验满方法： 归纳总结（引导学生作结）作业：完成学案习题。 1、实验室制取二氧化碳原理； 2、实验室制取二氧化碳气体的装置； 3、实验室制取二氧化碳气体的操作步骤； 4、二氧化碳气体的检验和验满
2014年11月 CBZYJY 第2卷第6期 23 船舶职业教育 （渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105） 跨临界二氧化碳循环设备及性能分析 摘要：CO 2作为制冷剂具有良好的特性。基于此，在掌握压缩机内部结构及跨临界CO 2循环影响 因素的基础上，将跨临界CO 2循环与R134a 循环进行性能比较，得出在双级压缩中使用中间冷却器可 降低排气温度，同时作为膨胀装置的毛细管能使工作稳定，即采用滚动转子式二级CO 2压缩机、中间冷却器和毛细管节流，可获得高效跨临界CO 2制冷循环。结果表明，跨临界CO 2循环具有比R134a 循环更优异的性能。 关键词：CO 2跨临界循环；制冷剂；毛细管；双级压缩 中图分类号：TB64 文献标识码：A 文章编号：2095-5928（2014）06-23-05 收稿日期：2014-09-25 作者简介：徐化冰（1971-），男，辽宁铁岭人，讲师，硕士，研究方向：制冷与冷藏技术。 徐化冰 Trans-critical CO 2Recycle Unit and Performance Analysis Abstract:CO 2as refrigerant has satisfactory performance.Therefore,based on the internal structure of compressor and the influence factors of trans-critical CO 2recycle,the researcher makes performance comparison between trans -critical CO 2recycle and R134a recycle,obtaining the conclusion that in the two -stage compression,it can reduce the exhaust temperature to use intermediate cooler,and at the same time,the capillary as the expansion device can make the work stable.That is to say,it can make efficient trans-critical CO 2refrigeration recycle to use rolling piston two -stage CO 2compressor,intermediate cooler and capillary restriction.The results show that trans -critical CO 2recycle has more excellent performance than R134a recycle. Key words:trans-critical CO 2recycle;refrigerant;capillary;two-stage compression XU Huabing (Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China) 0引言 近年来，由于全球环境问题，对自然工作流体的使用正变得越来越重视。跨临界CO 2循环被认为是最具影响力的。作为制冷剂的CO 2具有非常好的特性，如非消耗臭氧潜能值、可以忽略不计的GWP （ 一种物质产生温室效应的一个指数）、不可燃性和非毒性等。尽管有工作压力高的缺点，但近年来还是有很多学者对此进行了深入研究。 利用二氧化碳作为制冷剂，可在许多应用中提供一个完全安全的、经济的、成本低的且有效的“自然”解决方案。CO 2作为低温制冷循 技术研究与应用