超臨界二氧化碳

Posted on 2013/10/16 in 化學, 液體, 物質狀態 with 沒有迴響 17,252 views

超臨界二氧化碳 (Supercritical carbon dioxide)
臺北市立第一女子高級中學二年級陳郁欣/臺北市立第一女子高級中學化學科許名智老師

超臨界流體簡介

物質通常具有大家所熟知的固、液、氣三相，但當溫度及壓力都大於其臨界溫度及臨界壓力時，液體和氣體之間沒有明顯的界面，形成既非氣相也非液相的另一種均勻相，稱為超臨界相。

一般而言，超臨界流體具有低黏度、高密度、高擴散性和低表面張力等介於氣、液相之間的物理性質。例如，因為黏度接近氣體且擴散係數比液體高10至100倍，在輸送上較液體容易也迅速。密度接近於液體，因此可輸送比氣體更多的超臨界流體。此外，因為幾乎沒有表面張力，使之容易滲入多孔性組織中。在化學性質上，超臨界流體也與氣、液態時有所不同。例如，二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性，因此產生隨溫度及壓力而不同的溶解有機物的能力。

圖片來源：楊顯整（2009），「超臨界綠色技術之概述」，綠基會通訊，第7頁。

超臨界二氧化碳

目前超臨界流體技術的應用範圍包括萃取、分離、清洗、染色、純化、奈米顆粒形成與化學反應等。

超臨界二氧化碳具無毒、無色、無臭、費用低、無殘留、不可燃性、無廢水處理問題、化學穩定性佳及易達到臨界點（Pc＝72.8 atm, Tc＝31.1 ℃）等優點，是一種「乾淨」的溶劑，因此最常被使用。

(1) 去除咖啡中的咖啡因

先利用乾燥的超臨界二氧化碳，萃取經焙炒過的咖啡豆中的香味成分，再利用含有水分的超臨界二氧化碳，將咖啡豆中的咖啡因取出，最後將先前萃取出的咖啡香味放回不含咖啡因的咖啡豆中。由以上步驟可以發現，超臨界二氧化碳因為有高滲透力與低表面張力，而可深入咖啡豆內部。另外，因此也顯示我們可以藉由改變二氧化碳的物理及化學性質，來改變其溶解能力及對溶質的選擇性。

(2) 清洗晶圓表面

過去所用清洗半導體元件的方法，包括使用酸鹼性溶液，雖然相當有效，但使用的大量純水和化學試劑，會造成產品及環境的污染，也須費時加以乾燥。而新一代精密電子零件的引洞深度或底層材料敏感度，使傳統製程難以勝任。因此，近年來許多公司，開發出以二氧化碳清洗的製程。其好處為：溫度適合、製程完全乾燥、環境親和性高、消耗較少化學原料而降低生產成本，以及較小的佔地面積。

(3) 取代氟氯碳化物

超臨界態及高壓液態的二氧化碳也可用來取代衣物乾洗所用的氟氯碳化合物，以降低空氣汙染與致癌可能性，或改善石油系溶劑易燃、易爆的特性，也可再生使用過的活性碳，以及處理被重金屬或毒性化學物污染的土壤、高分子中殘留溶劑及反應物等。

(4) 染色

以超臨界二氧化碳染色，取代傳統溶劑和水，不必添加任何化學藥劑，染色完畢也不需清洗及烘乾，因此縮短了染色時間。染色過程中可回收二氧化碳與剩餘染料，減少對環境危害，因此具有取代能源消耗、廢水排放量大和生產成本高的傳統染色方式之潛力。