一文读懂之超临界CO2干燥工艺
一文读懂之超临界CO2干燥工艺
超临界CO2干燥工艺是一种近年来发展迅速的化工新技术，它利用超临界流体的特性，可以避免材料在干燥过程中的收缩和碎裂，保持材料的原始结构和状态。本文将详细介绍超临界CO2干燥工艺的工作原理、特点、应用领域，并通过二氧化硅气凝胶的制备案例进行具体说明。
常用的干燥技术，如室温干燥、烘焙干燥等，在干燥过程中往往不可避免地会导致材料团聚，从而导致材料的碱性颗粒较粗，比表面积急剧下降，孔隙大幅减少。这是针对纳米材料的。高比表面积材料的获得和材料的制备是极其不利的。
超临界干燥技术是近年来发展迅速的一项化工新技术。是利用超临界流体的特性而发展起来的一种新型干燥方法。
在超临界状态下，介质流体渗透到被干燥物体的内部，与溶剂分子轻柔、快速地交换，取代溶剂，然后改变操作参数，将流体从超临界状态转变为气态，从中间释放的原料到干燥状态，达到干燥效果。它可以避免材料在干燥过程中的收缩和碎裂，从而保持材料的原始结构和状态，防止初级纳米颗粒的团聚固结，这对制备各种纳米材料具有重要意义。
应用超临界流体干燥技术成功制备了多种气凝胶。气凝胶是以纳米粒子或聚合物分子为骨架组成的超低密度多孔固体材料。由于气凝胶具有纳米材料的基本特性，它还具有极低的密度、极高的孔隙率和耐温性。热性能好，在航空航天、催化、吸附等领域有着广阔的应用前景。
图1 超临界CO2干燥气凝胶
超临界CO2干燥设备是一种利用超临界流体对材料进行干燥的设备，具有气体和液体双重特性。
工作原理
将待干燥物体置于超临界流体环境中，介质的气/液界面消失，不存在液体表面张力，干燥过程温和，在更大程度上避免了干燥应力对材料结构的破坏；由于超临界流体具有高扩散系数的特性，其干燥速度更快，微孔率更高。
图2 超临界CO2干燥设备
超临界CO2干燥设备特点
- 干燥介质的空气/液体界面消失，不存在液体表面张力；
- 干燥过程温和，在更大程度上避免了干燥应力对材料结构的破坏；
- 由于超临界流体具有高扩散系数的特性，其干燥速度较快；
- 干燥和脱溶过程都是在高压下进行的，脱溶过程也具有杀菌效果。
超临界CO2干燥设备的应用
- 氧化硅、氧化锆、热敏动植物产品的干燥。
- 航天、军事、血库等领域的隔热与反侦察；
- 光电子领域的元器件、显示器件、防护罩、高温透波材料；
- 提高了催化剂和其他领域的活性、选择性和寿命；
- 医疗和其他领域的诊断、药物输送和生物传感器；
- 在涂料等领域具有耐火、耐温、亚光绝缘性能；
- 食品和保健产品领域的质量保证和干燥。
图3：超临界干燥釜
超临界CO2干燥设备的操作注意事项
超临界干燥凝胶在操作过程中应注意以下几点：
- 用干燥介质（液体二氧化碳）代替凝胶中的乙醇溶剂的速度必须足够慢，以确保凝胶中的酒精溶剂完全被液体二氧化碳代替。溶剂置换过程通常需要约8至48小时。
- 凝胶中的液体需要一个稳定的过程才能达到临界状态，从而使每个部分都达到临界条件，因此必须在临界状态下保持一定的时间。
- 流体在保持临界温度不变的条件下缓慢释放，并沿临界等温线改变系统点，以防止临界流体变成液体。
- 在溶剂交换和超临界干燥过程中，经常会释放出易燃有毒的溶剂蒸汽。因此，必须注意安全问题。
图4 超临界CO2干燥设备
案例介绍：超临界CO2干燥二氧化硅气凝胶
二氧化硅气凝胶是通过两步酸碱催化溶胶-凝胶过程制备的，然后进行超临界二氧化碳干燥。当温度为40℃，压力为25 Mpa时，60min的干燥时间足以将乙醇从整体柱上完全去除，而后者保持了良好的气凝胶结构。
简而言之，将TEOS、EtOH和H2O以1:10:2的固定比例混合并搅拌1小时，制成均匀溶液。然后，在150 mL烧杯中加入0.5 mL 5 M HCl将溶液pH调节至3，在50 ℃下水解12 h，形成优良的均质溶液。随后，用0.6mL 6M氨水将混合物溶液调节至pH 8，倒入模具中并盖上盖子。最后，生成的醇凝胶在50°C的EtOH中老化48小时，然后进行超临界CO2干燥。
图5用于循环的超临界CO2干燥(1)圆筒、(2)缓冲罐、(3)冰箱、(4)高压泵(5)、(7)、(9)预热器、(6)干燥釜、(8)分离器I、(10)分离器II.B用于循环的超临界CO2干燥机的数字图像
当冷却器的温度降至0°C以下时，将凝胶与14 mL乙醇一起放入高压釜中以覆盖样品表面并防止蒸发在与超临界二氧化碳气氛接触之前从凝胶中除去溶剂，并避免固体收缩。通过加热器5并控制CO 2流速将容器的温度设置为305K。将容器在所需温度下保持封闭20分钟以允许温度稳定。将出口微计量阀V5调节至从容器6的底部到顶部的CO 2流量为2NL/min。
随着压力的增加，干燥时间明显缩短。当温度为40℃，压力为25 Mpa时，60min的干燥时间足以将乙醇从整体柱上完全去除，而后者保持了良好的气凝胶结构。