अतिक्रांतिक द्रव

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Not to be confused with superfluidity or supercritical flow.

एक सुपरक्रिटिकल फ्लुइड (SCF) किसी भी पदार्थ का तापमान और उसके महत्वपूर्ण बिंदु (रसायन विज्ञान) के ऊपर दबाव होता है, जहाँ विशिष्ट तरल और गैस चरण उपलब्ध नहीं होते हैं, लेकिन दबाव के नीचे इसे एक ठोस में संपीड़ित करने की आवश्यकता होती है।[1] यह गैस जैसे झरझरा ठोस पदार्थों के माध्यम से बह सकता है, बड़े पैमाने पर स्थानांतरण सीमाओं पर नियंत्रण पा सकता है जो ऐसी सामग्रियों के माध्यम से तरल परिवहन को धीमा कर देता है। तरल पदार्थ या ठोस जैसे समाधान सामग्री की क्षमता में एससीएफ गैसों से अत्यधिक उत्तम हैं। इसके अतिरिक्त,महत्वपूर्ण बिंदु के पास, दबाव या तापमान में छोटे परिवर्तन के परिणामस्वरूप घनत्व में बड़े परिवर्तन होते हैं, जिससे सुपरक्रिटिकल द्रव के कई गुणों को सही किया जा सकता है।

सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ गैस दिग्गजों बृहस्पति और शनि, स्थलीय ग्रह शुक्र ,और बर्फ के दिग्गज अरुण ग्रह और नेपच्यून के वातावरण में होते हैं। सुपर क्रिटिकल जलपृथ्वी पर पाया जाता है, जैसे काले धूम्रपान करने वाले से निकलने वाला जल,एक प्रकार का अंडरवाटर हाइपोथर्मल वेंट ।[2] औद्योगिक और प्रयोगशाला प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला में कार्बनिक यौगिक सॉल्वैंट्स के विकल्प के रूप में उपयोग किए जाते हैं। सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड और जल सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ हैं; वे प्रायःडिकैफिनेशन और सुपरक्रिटिकल वॉटर रिएक्टर के लिए प्रयोग किए जाते हैं। कुछ पदार्थ एक विलायक (जैसे कार्बन डाइऑक्साइड) की सुपरक्रिटिकल अवस्था में घुलनशील होते हैं लेकिन गैसीय या तरल अवस्था में अघुलनशील होते हैं - या इसके विपरीत। इसका उपयोग किसी पदार्थ को निकालने के लिए किया जा सकता है और इसे विलायक में एक चरण संक्रमण को अनुमति देने या प्रेरित करके वांछित स्थान पर इकट्ठा करने से पहले समाधान में कहीं और परिवहन किया जा सकता है।

गुण

सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ में सामान्यतः गैस और तरल के मध्य गुण होते हैं। तालिका 1 में, कुछ पदार्थों के महत्वपूर्ण गुण दिखाए गए हैं जो सामान्यतः सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

Table 1. Critical properties of various solvents [3]
Solvent Molecular mass Critical temperature Critical pressure Critical density
g/mol K MPa (atm) g/cm3
Carbon dioxide (CO2) 44.01 304.1 7.38 (72.8) 0.469
Water (H2O)† 18.015 647.096 22.064 (217.755) 0.322
Methane (CH4) 16.04 190.4 4.60 (45.4) 0.162
Ethane (C2H6) 30.07 305.3 4.87 (48.1) 0.203
Propane (C3H8) 44.09 369.8 4.25 (41.9) 0.217
Ethylene (C2H4) 28.05 282.4 5.04 (49.7) 0.215
Propylene (C3H6) 42.08 364.9 4.60 (45.4) 0.232
Methanol (CH3OH) 32.04 512.6 8.09 (79.8) 0.272
Ethanol (C2H5OH) 46.07 513.9 6.14 (60.6) 0.276
Acetone (C3H6O) 58.08 508.1 4.70 (46.4) 0.278
Nitrous oxide (N2O) 44.013 306.57 7.35 (72.5) 0.452

†Source: International Association for Properties of Water and Steam (IAPWS)[4] तालिका 2 विशिष्ट तरल पदार्थ, गैस और सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के घनत्व, विसरणशीलता और विस्कासी को दर्शाता है।

Table 2. Comparison of gases, supercritical fluids and liquids[5]
Density (kg/m3) Viscosity (µPa·s) Diffusivity (mm2/s)
Gases 1 10 1–10
Supercritical fluids 100–1000 50–100 0.01–0.1
Liquids 1000 500–1000 0.001

इसके अतिरिक्त, सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ में कोई सतही तनाव नहीं होता है, क्योंकि कोई तरल/गैस चरण सीमा नहीं होती है। तरल पदार्थ के दबाव और तापमान को परिवर्तित करके, गुणों को अधिक तरल-जैसी या अधिक गैस-जैसी होने के लिए "ट्यून" किया जा सकता है। सबसे महत्वपूर्ण गुणों में से एक द्रव में सामग्री की घुलनशीलता है। सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ में घुलनशीलता द्रव के घनत्व (स्थिर तापमान पर) के साथ बढ़ती है। चूंकि घनत्व दबाव के साथ बढ़ता है, घुलनशीलता दबाव के साथ बढ़ती है। तापमान के साथ संबंध थोड़ा अधिक जटिल है। निरंतर घनत्व पर, तापमान के साथ घुलनशीलता बढ़ेगी। चूँकि,महत्वपूर्ण बिंदु के करीब, तापमान में सामान्य वृद्धि के साथ घनत्व तेजी से गिर सकता है। इसलिए, महत्वपूर्ण तापमान के करीब, बढ़ते तापमान के साथ घुलनशीलता प्रायः कम हो जाती है, फिर बढ़ जाती है। [6]


मिश्रण

सामान्यतः सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ एक दूसरे के साथ पूर्ण रूप से मिश्रणीय होते हैं, मिश्रण के महत्वपूर्ण बिंदु से अधिक होने पर एक बाइनरी मिश्रण एक एकल गैसीय चरण बनाता है। चूँकि,अपवादों को उन प्रणालियों में जाना जाता है जहां एक घटक दूसरे की तुलना में अत्यधिक अस्थिर होता है, जो कुछ स्थितियों में घटक के महत्वपूर्ण बिंदुओं के ऊपर उच्च दबाव और तापमान पर दो अमिश्रणीय गैस चरण बनाते हैं। यह व्यवहार उदाहरण के लिए सिस्टम N2-NH3, NH3-CH4, SO2-N2 में पाया गया है।[7] बाइनरी मिश्रण के महत्वपूर्ण बिंदु का अनुमान दो घटकों के महत्वपूर्ण तापमान और दबावों के अंकगणितीय मध्य के रूप में लगाया जा सकता है,

Tc(mix) = χA × Tc(A) + χB × Tc(B)

जहां χi घटक i के मोल अंश को दर्शाता है।

अधिक सटीकता के लिए,पेंग-रॉबिन्सन, या समूह-योगदान विधियों जैसे राज्य के समीकरणों का उपयोग करके महत्वपूर्ण बिंदु की गणना की जा सकती है ,घनत्व जैसे अन्य गुणों की गणना भी राज्य के समीकरणों का उपयोग करके की जा सकती है।


चरण आरेख

चित्रा 1. कार्बन डाइऑक्साइड दबाव-तापमान चरण आरेख
चित्रा 2. कार्बन डाइऑक्साइड घनत्व-दबाव चरण आरेख

आंकड़े 1 और 2 चरण आरेख के द्विआयामी प्रक्षेपण दर्शाते हैं। दबाव-तापमान चरण आरेख (चित्र 1) में क्वथन वक्र गैस और तरल क्षेत्र को अलग करता है और महत्वपूर्ण बिंदु पर समाप्त होता है, जहां तरल और गैस चरण एकल सुपरक्रिटिकल चरण बनने के लिए विलुप्त हो जाते हैं।

कार्बन डाइऑक्साइड (चित्र 2) के घनत्व-दबाव चरण आरेख में एकल चरण की उपस्थिति भी देखी जा सकती है। महत्वपूर्ण तापमान से अत्यंत नीचे, उदाहरण के लिए, 280 K, जैसे ही दबाव बढ़ता है, गैस संकुचित होती है अंततः (केवल 40 बार (इकाई) पर) अधिक सघन तरल में संघनित हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप लाइन में विच्छेदन होता है (ऊर्ध्वाधर बिंदीदार रेखा ).प्रणाली में रासायनिक संतुलन ,में 2 चरण होते हैं, एक सघन तरल और एक कम घनत्व वाली गैस। जैसे-जैसे महत्वपूर्ण तापमान (300 K) के करीब आता है, संतुलन पर गैस का घनत्व अधिक होता जाता है, और तरल का घनत्व कम होता जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु पर, (304.1 के और 7.38 एमपीए (73.8 बार), घनत्व में कोई अंतर नहीं है, और 2 चरण एक द्रव चरण बन जाते हैं। इस प्रकार, महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर एक गैस को दबाव से द्रवित नहीं किया जा सकता है। क्रांतिक तापमान (310 K) से थोड़ा ऊपर, क्रांतिक दाब के आसपास, रेखा लगभग लंबवत होती है। दबाव में एक छोटी सी वृद्धि सुपरक्रिटिकल चरण के घनत्व में बड़ी वृद्धि का कारण बनती है। कई अन्य भौतिक गुण भी महत्वपूर्ण बिंदु के पास दबाव के साथ बड़े ग्रेडियेंट दिखाते हैं। उदा,चिपचिपापन, सापेक्ष पारगम्यता और विलायक शक्ति, जो सभी घनत्व से निकटता से संबंधित हैं। उच्च तापमान पर, द्रव अधिक रैखिक घनत्व संबंध के साथ आदर्श गैस की तरह व्यवहार करना शुरू कर देता है, जैसा कि चित्र 2 में देखा जा सकता है। 400 K पर कार्बन डाइऑक्साइड के लिए, दबाव के साथ घनत्व लगभग रैखिक रूप से बढ़ जाता है।

कई दबाव वाली गैसें वास्तव में सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन का 126.2 K (−147 °C) और 3.4 MPa (34 बार) एक महत्वपूर्ण बिंदु है। इसलिए, इस दबाव के ऊपर गैस सिलेंडर में नाइट्रोजन (या संपीड़ित हवा) वास्तव में एक सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ है। इन्हें प्रायः स्थायी गैसों के रूप में जाना जाता है। कमरे के तापमान पर, वे अपने महत्वपूर्ण तापमान से अत्यंत ऊपर हैं, इसलिए ऊपर 400 K पर CO2 के समान लगभग आदर्श गैस के रूप में व्यवहार करते हैं। चूंकि,जब तक उनके महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा नहीं किया जाता है, तब तक उन्हें यांत्रिक दबाव से द्रवित नहीं किया जा सकता है, उच्च तापमान पर तरल या ठोस बनाने के लिए गैस दिग्गजों के अंदर गुरुत्वाकर्षण दबाव की आवश्यकता होती है।[citation needed] महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर, ऊंचा दबाव घनत्व को इतना बढ़ा सकता है कि SCF तरल-समान घनत्व और व्यवहार प्रदर्शित करता है। बहुत उच्च दबावों पर, एक SCF को एक ठोस में संकुचित किया जा सकता है क्योंकि पिघलने की अवस्था P/T चरण आरेख में महत्वपूर्ण बिंदु के दाईं ओर फैली हुई है। जबकि सुपरक्रिटिकल CO2 को एक ठोस में संपीड़ित करने के लिए आवश्यक दबाव, तापमान के आधार पर, 570 एमपीए जितना कम हो सकता है,[8] सुपरक्रिटिकल पानी को ठोस बनाने के लिए 14,000 एमपीए की आवश्यकता होती है।[9] फिशर-विधवा रेखा , विडोम लाइन, या फ्रेनकेल लाइन थर्मोडायनामिक अवधारणाएं हैं जो सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के अंदर तरल और गैस जैसी अवस्थाओं को अलग करने की अनुमति देती हैं।

हाल के वर्षों में, सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों के विभिन्न गुणों की जांच के लिए एक महत्वपूर्ण प्रयास समर्पित किया गया है। यह 1822 से एक लंबे इतिहास के साथ एक रोमांचक क्षेत्र रहा है जब बैरन चार्ल्स कैग्नियार्ड डे ला टूर ने उच्च तापमान पर विभिन्न तरल पदार्थों से भरे सीलबंद गन बैरल में ध्वनि की असंततता से जुड़े प्रयोगों का संचालन करते हुए सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों की खोज की थी। जल्द में ही, सुपरक्रिटिकल फ्लुइड्स का विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग हुआ है, जिसमें फूलों से फूलों की सुगंध निकालने से लेकर खाद्य विज्ञान में अनुप्रयोगों जैसे कि डिकैफ़िनेटेड कॉफ़ी बनाना, कार्यात्मक खाद्य सामग्री, फार्मास्यूटिकल्स, सौंदर्य प्रसाधन, पॉलिमर, पाउडर, जैव और कार्यात्मक सम्मिलित हैं। सामग्री, नैनो-सिस्टम, प्राकृतिक उत्पाद, जैव प्रौद्योगिकी, जीवाश्म और जैव-ईंधन, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक, ऊर्जा और पर्यावरण,पिछले एक दशक का अधिकांश उत्साह और रुचि प्रासंगिक प्रायोगिक उपकरणों की शक्ति को बढ़ाने में की गई भारी प्रगति के कारण है। नए प्रायोगिक उपायों का विकास और सम्मिलित उपायों में सुधार इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा रहा है, जल्द के ही शोध में तरल पदार्थों के गतिशील गुणों पर ध्यान केंद्रित किया गया है।

प्राकृतिक घटना

हाइड्रोथर्मल परिसंचरण

एक काला धूम्रपान करने वाला , एक प्रकार का हाइड्रोथर्मल वेंट
See also: Hydrothermal circulation

हाइड्रोथर्मल संचलन पृथ्वी की पपड़ी के अंदर होता है जहाँ कहीं भी द्रव गर्म हो जाता है और संवहन करना प्रारम्भ कर देता है। माना जाता है कि ये तरल पदार्थ कई अलग-अलग सेटिंग्स के अंतर्गत सुपरक्रिटिकल स्थितियों तक पहुंचते हैं, जैसे पोर्फिरी कॉपर डिपॉजिट या समुद्र तल में समुद्री जल के उच्च तापमान संचलन के निर्माण में मध्य-महासागर की रेखाओ पर, यह परिसंचरण "ब्लैक स्मोकर्स" के रूप में जाने ,जाने वाले हाइड्रोथर्मल वेंट की उपस्थिति से स्पष्ट है। ये सल्फाइड और सल्फेट खनिजों की बड़ी (मीटर ऊंची) चिमनियां हैं जो 400 डिग्री सेल्सियस तक तरल पदार्थ को बाहर निकालती हैं। तरल पदार्थ में घुली हुई धातुओं के अवक्षेपण के कारण धुएँ के बड़े काले बिल्ले वाले बादलों की तरह दिखाई देते हैं। यह संभावना है कि गहराई में इनमें से कई वेंट साइट सुपरक्रिटिकल स्थितियों तक पहुंचती हैं, लेकिन जब तक वे समुद्र तल तक पहुंचती हैं, तब तक पर्याप्त रूप से शांत हो जाती हैं। एक विशेष वेंट साइट, टर्टल पिट्स, ने वेंट साइट पर सुपरक्रिटिकलिटी की एक संक्षिप्त अवधि प्रदर्शित की है। केमैन ट्रफ में एक और साइट, बीबे हाइड्रोथर्मल वेंट फील्ड , को वेंट छिद्र पर निरंतर सुपरक्रिटिकलिटी प्रदर्शित करने के लिए माना जाता है।[10]


ग्रहों का वातावरण

शुक्र ग्रह के वातावरण में 96.5% कार्बन डाइऑक्साइड और 3.5% नाइट्रोजन है। सतह का दबाव 9.3 MPa (93 बार) है और सतह का तापमान 735 K है, जो दोनों प्रमुख घटकों के महत्वपूर्ण बिंदुओं से ऊपर है और सतह के वातावरण को एक सुपरक्रिटिकल द्रव बनाता है।

सौर मंडल के गैस विशाल ग्रहों के आंतरिक वातावरण मुख्य रूप से हाइड्रोजन और हीलियम से बने होते हैं, जो उनके महत्वपूर्ण बिंदुओं से ऊपर के तापमान पर होते हैं। बृहस्पति और शनि के गैसीय बाह्य वातावरण सघन तरल आंतरिक भाग में सुचारू रूप से संक्रमण करते हैं, जबकि नेपच्यून और यूरेनस के संक्रमण क्षेत्रों की प्रकृति अज्ञात है। बाह्य सौर ग्रह ग्लिसे 876 डी के सैद्धांतिक मॉडल ने दबाव वाले, सुपरक्रिटिकल तरल पानी के एक महासागर को तल पर ठोस उच्च दबाव वाले बर्फ की चादर के साथ प्रस्तुत किया है।

अनुप्रयोग

सुपरक्रिटिकल द्रव निष्कर्षण

सुपरक्रिटिकल फ्लुइड एक्सट्रैक्शन (तरल निष्कर्षण की तुलना में) के फायदे यह हैं कि सुपरक्रिटिकल फ्लुइड्स से जुड़ी कम चिपचिपाहट और उच्च प्रसार के कारण यह अपेक्षाकृत तेज़ है। सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों के वैकल्पिक सॉल्वैंट्स पानी या कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में बहुत अधिक मात्रा में जहरीले, ज्वलनशील या पर्यावरण के लिए खतरा हो सकते हैं। निष्कर्षण माध्यम के घनत्व को नियंत्रित करके एक सीमा तक चयनात्मक हो सकता है, और निकाली गई सामग्री को केवल अवसादन द्वारा आसानी से पुनर्प्राप्त किया जाता है, जिससे सुपरक्रिटिकल द्रव गैस चरण में वापस आ जाता है और अत्यधिक कम या विलायक अवशेष छोड़कर वाष्पित हो जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड सबसे आम सुपरक्रिटिकल विलायक है। ग्रीन कॉफी बीन्स के डिकैफ़िनेशन, बीयर उत्पादन के लिए हॉप्स की निकासी,[11] और पौधों से आवश्यक तेलों और दवा उत्पादों के उत्पादन के लिए इसका बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है।[12] कुछ प्रयोगशाला परीक्षण विधियों में पारंपरिक विलायक का उपयोग करने केअतिरिक्त निष्कर्षण विधि के रूप में सुपरक्रिटिकल द्रव निष्कर्षण का उपयोग सम्मिलित है।[13][14][15]


सुपरक्रिटिकल द्रव अपघटन

बायोमास के सुपरक्रिटिकल जल गैसीकरण के माध्यम से बायोमास को विघटित करने के लिए सुपरक्रिटिकल पानी का उपयोग किया जा सकता है।[16] इस प्रकार के बायोमास गैसीकरण उपयोग एक कुशल दहन उपकरण में उपयोग के लिए या ईंधन सेल में उपयोग के लिए हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोकार्बन ईंधन का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। बाद की स्थितियों में, भाप सुधार के कारण बायोमास की हाइड्रोजन सामग्री की तुलना में हाइड्रोजन उपज अत्यधिक हो सकती है जहां पानी समग्र प्रतिक्रिया में हाइड्रोजन प्रदान करने वाला उपयोगकर्ता है।

ड्राई क्लीनिंग

सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड (SCD) का उपयोग PERC (परक्लोरोथिलीन ) या अन्य अवांछनीय सॉल्वैंट्स के अतिरिक्त ड्राई-क्लीनिंग के लिए किया जा सकता है। सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड कभी-कभी बटनों में दखल देती है, और, जब एससीडी को दबा दिया जाता है, तो बटन फट जाते हैं, या अलग हो जाते हैं। कार्बन डाइऑक्साइड में घुलनशील डिटर्जेंट सॉल्वेंट की सॉल्वेटिंग पावर में सुधार करते हैं।[17] सीओ2-आधारित ड्राई क्लीनिंग उपकरण बटनों को नुकसान से बचाने के लिए तरल सीओ2 का उपयोग करते हैं, सुपरक्रिटिकल सीओ2 का नहीं।

सुपरक्रिटिकल द्रव क्रोमैटोग्राफी

सुपरक्रिटिकल फ्लुइड क्रोमैटोग्राफी (SFC) का उपयोग एक विश्लेषणात्मक स्तर पर किया जा सकता है, जहाँ यह उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (HPLC) औरगैस वर्णलेखन (GC) कई लाभों को जोड़ती है। इसका उपयोग गैर-वाष्पशील और ऊष्मीय प्रयोगशाला विश्लेषण (जीसी के विपरीत) के साथ किया जा सकता है और सार्वभौमिक लौ आयनीकरण डिटेक्टर (एचपीएलसी के विपरीत) के साथ-साथ तेजी से प्रसार के कारण संकरी चोटियों का उत्पादन किया जा सकता है। व्यवहार में, SFC द्वारा प्रस्तुत किए गए लाभ व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले HPLC और GC को विस्थापित करने के लिए पर्याप्त नहीं हैं, इसके अतिरिक्त कुछ स्थितियों में जैसे चिरल पृथक्करण और उच्च-आणविक-भार हाइड्रोकार्बन का विश्लेषण।[18] निर्माण के लिए, कुशल प्रारंभिक नसिम्युलेटेड मूविंग बेड यूनिट उपलब्ध हैं।[19] अंतिम उत्पादों की शुद्धता अत्यधिक है, लेकिन लागत इसे केवल उच्च मूल्य वाली सामग्री जैसे फार्मास्यूटिकल्स के लिए उपयुक्त बनाती है।

रासायनिक अभिक्रियाएं

प्रतिक्रिया विलायक की स्थितियों को परिवर्तित करने से उत्पाद को हटाने के लिए चरणों को अलग करने या प्रतिक्रिया के लिए एकल चरण की अनुमति मिल सकती है। तेजी से प्रसार प्रसार नियंत्रित प्रतिक्रियाओं को तेज करता है। तापमान और दबाव पसंदीदा मार्गों से प्रतिक्रिया को ट्यून कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, एक विशेष चिरालआइसोमर की उपज में सुधार करने के लिए।[20] पारंपरिक कार्बनिक सॉल्वैंट्स पर महत्वपूर्ण पर्यावरणीय लाभ भी हैं। सुपरक्रिटिकल परिस्थितियों में किए जाने वाले औद्योगिक संश्लेषण में सुपरक्रिटिकल एथीन से पॉलीथीन , सुपरक्रिटिकल प्रोपीन से आइसोप्रोपिल एल्कोहाल , सुपरक्रिटिकल ब्यूटेन से 2-ब्यूटेनॉल और नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के सुपरक्रिटिकल मिश्रण से अमोनिया सम्मिलित हैं।[21]अतीत में, अन्य प्रतिक्रियाएं सुपरक्रिटिकल परिस्थितियों में औद्योगिक रूप से की जाती थीं, जिसमें मेथनॉल और थर्मल (गैर-उत्प्रेरक ) तेल क्रैकिंग का संश्लेषण सम्मिलित था। प्रभावी उत्प्रेरकों के विकास के कारण, उन दो प्रक्रियाओं के आवश्यक तापमान कम हो गए हैं और अब सुपरक्रिटिकल नहीं हैं।[21]


संसेचन और रंगाई

संसेचन, संक्षेप में, निष्कर्षण का विलोम है। एक पदार्थ सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ में घुल जाता है, समाधान एक ठोस सब्सट्रेट से बहता है, और सब्सट्रेट पर जमा या घुल जाता है। रंगाई, जो फैलाने वाले (गैर-आयनिक) रंगों का उपयोग करके पॉलिएस्टर जैसे बहुलक फाइबर पर आसानी से की जाती है, इसकी एक विशेष स्थिति है। कार्बन डाइऑक्साइड भी कई पॉलिमर में घुल जाता है, काफी सूजन और उन्हें प्लास्टिक बना देता है और प्रसार प्रक्रिया को और तेज कर देता है।

नैनो और सूक्ष्म कण निर्माण

See also: micronization

एक संकीर्ण आकार के वितरण वाले पदार्थ के छोटे कणों का निर्माण दवा और अन्य उद्योगों में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ कमजोर पड़ने, अवसादन या इनके संयोजन द्वारा एक विलेय के संतृप्ति बिंदु को तेजी से पार करके इसे प्राप्त करने के कई तरीके प्रदान करते हैं। ये प्रक्रियाएं तरल पदार्थों की तुलना में सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों में तेजी से होती हैं, क्रिस्टल विकास पर केंद्रक या स्पिनोडल अपघटन को बढ़ावा देती हैं और अत्यधिक छोटे और नियमित आकार के कणों का उत्पादन करती हैं।जल्द ही के सुपरक्रिटिकल फ्लुइड्स ने 5-2000 एनएम की सीमा तक कणों को कम करने की क्षमता दिखाई है।[22]


फार्मास्युटिकल कोक्रिस्टल का उत्पादन

सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ फार्मास्युटिकल कोक्रिस्टल के रूप में नामित एपीआई (सक्रिय फार्मास्युटिकल सामग्री) के उपन्यास क्रिस्टलीय रूपों की पीढ़ी के लिए एक नए मीडिया के रूप में कार्य करते हैं। सुपरक्रिटिकल फ्लुइड टेक्नोलॉजी एक नया प्लेटफॉर्म प्रदान करती है जो पारंपरिक तकनीकों द्वारा प्राप्त करने के लिए कठिन या असंभव कणों की एकल-चरण पीढ़ी की अनुमति देती है। विभिन्न सुपरक्रिटिकल द्रव गुणों का उपयोग करके SCFs के अद्वितीय गुणों के कारण शुद्ध और सूखे नए कोक्रिस्टल (क्रिस्टलीय आणविक परिसरों में एपीआई और क्रिस्टल जाली में एक या अधिक कन्फर्मर्स सम्मिलित हैं) की पीढ़ी प्राप्त की जा सकती है। सुपरक्रिटिकल सीओ2 सॉल्वेंट पावर, एंटी-सॉल्वेंट प्रभाव और इसकी परमाणु वृद्धि। [[23][24]


सुपर क्रिटिकल ड्राइंग

See also: Critical point drying

सुपरक्रिटिकल ड्रायिंग सतह तनाव प्रभाव के बिना विलायक को हटाने की एक विधि है। जैसे ही एक तरल सूखता है, सतह का तनाव एक ठोस के भीतर छोटी संरचनाओं पर खिंचता है, जिससे विकृति और सिकुड़न होती है। सुपरक्रिटिकल परिस्थितियों में कोई सतही तनाव नहीं होता है, और सुपरक्रिटिकल द्रव को विरूपण के बिना हटाया जा सकता है। सुपरक्रिटिकल सुखाने का उपयोग एरोगल्स की निर्माण प्रक्रिया और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए पुरातात्विक चित्रण और जैविक चित्रण जैसे नाजुक सामग्रियों की सुखाने में किया जाता है।

सुपरक्रिटिकल वॉटर इलेक्ट्रोलिसिस

सुपरक्रिटिकल अवस्था में पानी का इलेक्ट्रोलिसिस अन्य इलेक्ट्रोलाइज़र में पाए जाने वाले अतिविभव को कम करता है,जिससे ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के उत्पादन की विद्युत दक्षता में सुधार होता है।

बढ़ा हुआ तापमान थर्मोडायनामिक बाधाओं को कम करता है और कैनेटीक्स को बढ़ाता है। इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीजन या हाइड्रोजन के कोई बुलबुले नहीं बनते हैं, इसलिए उत्प्रेरक और पानी के बीच कोई इन्सुलेट परत नहीं बनती है, जिससे ओमिक हानि कम हो जाती है। गैस जैसे गुण तेजी से बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रदान करते हैं।

सुपरक्रिटिकल जल ऑक्सीकरण

सुपरक्रिटिकल वॉटर ऑक्सीडेशन सुपरक्रिटिकल वॉटर का उपयोग एक ऐसे माध्यम के रूप में करता है जिसमें हानिकारक कचरे को ऑक्सीडाइज़ किया जाता है, जिससे जलने वाले जहरीले दहन उत्पादों का उत्पादन समाप्त हो जाता है।

ऑक्सीकृत किए जाने वाले अपशिष्ट उत्पाद आणविक ऑक्सीजन (या एक ऑक्सीकरण एजेंट जो अपघटन पर ऑक्सीजन देता है, जैसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड ) के साथ सुपरक्रिटिकल पानी में घुल जाता है, जिस बिंदु पर ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया होती है[citation needed]


सुपरक्रिटिकल जल हाइड्रोलिसिस

सुपरक्रिटिकल हाइड्रोलिसिस सभी बायोमास पॉलीसेकेराइड के साथ-साथ संबंधित लिग्निन को सुपरक्रिटिकल परिस्थितियों में अकेले पानी से संपर्क करके कम आणविक यौगिकों में परिवर्तित करने की एक विधि है। सुपरक्रिटिकल पानी, एक विलायक के रूप में कार्य करता है, बॉन्ड-ब्रेकिंग थर्मल एनर्जी का आपूर्तिकर्ता, एक गर्मी हस्तांतरण एजेंट और हाइड्रोजन परमाणुओं के स्रोत के रूप में सभी पॉलीसेकेराइड एक दूसरे या उससे कम में लगभग मात्रात्मक उपज में साधारण शर्करा में परिवर्तित हो जाते हैं। लिग्निन के एलिफैटिक इंटर-रिंग लिंक भी आसानी से मुक्त कणों में विभाजित हो जाते हैं जो पानी से निकलने वाले हाइड्रोजन द्वारा स्थिर होते हैं। लिग्निन के सुगंधित छल्ले कम प्रतिक्रिया समय के अंतर्गत अप्रभावित रहते हैं ताकि लिग्निन-व्युत्पन्न उत्पाद कम आणविक भार मिश्रित फिनोल हों। दरार के लिए आवश्यक कम प्रतिक्रिया समय का लाभ उठाने के लिए एक सतत प्रतिक्रिया प्रणाली तैयार की जानी चाहिए। सुपरक्रिटिकल अवस्था में गर्म किए गए पानी की मात्रा कम से कम हो जाती है।

सुपरक्रिटिकल जल गैसीकरण

सुपरक्रिटिकल वॉटर गैसीफिकेशन जलीय बायोमास धाराओं को साफ पानी और गैसों जैसे2, सीएच4, सीओ2, सीओ आदि में परिवर्तित करने के लिए सुपरक्रिटिकल पानी के लाभकारी प्रभाव का दोहन करने की एक प्रक्रिया है।[25]


बिजली उत्पादन में सुपरक्रिटिकल द्रव

ऊष्मा इंजन की ऊष्मीय दक्षता की दक्षता अंततः ऊष्मा स्रोत और सिंक (कार्नोट चक्र) के बीच तापमान के अंतर पर निर्भर करती है। जीवाश्म ईंधन बिजली संयंत्र की दक्षता में सुधार के लिए ऑपरेटिंग तापमान को बढ़ाया जाना चाहिए। काम कर रहे द्रव के रूप में पानी का उपयोग करके, यह इसे सुपरक्रिटिकल स्थितियों में ले जाता है। [26] वर्तमान तकनीक का उपयोग करके सबक्रिटिकल ऑपरेशन के लिए दक्षता को लगभग 39% से बढ़ाकर लगभग 45% किया जा सकता है।[27] सुपरक्रिटिकल वॉटर रिएक्टर (SCWRs) उन्नत परमाणु प्रणालियों का वादा कर रहे हैं जो समान तापीय दक्षता लाभ प्रदान करते हैं। समान दक्षता लाभ के साथ कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग सुपरक्रिटिकल चक्र परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में भी किया जा सकता है।[28] कई कोयले से चलने वाले सुपरक्रिटिकल स्टीम जनरेटर सारी दुनिया में काम कर रहे हैं, और पारंपरिक स्टीम-पॉवर प्लांट की दक्षता में वृद्धि हुई है। सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड को एक कार्यशील द्रव के रूप में भी प्रस्तावित किया गया है, जिसमें पानी की तुलना में कम महत्वपूर्ण दबाव का लाभ होगा, लेकिन क्षरण के मुद्दे अभी तक पूरी तरह से हल नहीं हुए हैं।[29][30] एक प्रस्तावित आवेदन अल्लम चक्र है। कार्बन डाइऑक्साइड और पानी दोनों ही न्यूट्रॉन मॉडरेटर हैं, लेकिन तरल पानी की तुलना में सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के रूप में उनका घनत्व कम होता है। यह परमाणु रिएक्टरों को उन सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों के साथ प्राथमिक शीतलक के रूप में कम मॉडरेशन मोड ("सेमी-फास्ट" या "एपिथर्मल") में चलाने की अनुमति देता है, लेकिन सामान्यतः पर तेज न्यूट्रॉन रिएक्टर के रूप में नहीं। दूसरी ओर, पूरी तरह से थर्मल न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रम के लिए कुछ अतिरिक्त मॉडरेशन प्रदान करना होगा।

बायोडीजल उत्पादन

बायोडीजल उत्पादन में वनस्पति तेल का रूपांतरण एक ट्रान्सएस्टरीफिकेशन प्रतिक्रिया के माध्यम से होता है, जहां ट्राइग्लिसराइड को मिथाइल एस्टर प्लस ग्लिसरॉल में परिवर्तित किया जाता है। यह सामान्यतः मेथनॉल और कास्टिक या एसिड उत्प्रेरक का उपयोग करके किया जाता है, लेकिन उत्प्रेरक के बिना सुपरक्रिटिकल मेथनॉल का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। बायोडीजल उत्पादन के लिए सुपरक्रिटिकल मेथनॉल का उपयोग करने की विधि का सबसे पहले साका और उनके सहकर्मियों द्वारा अध्ययन किया गया था। इसमें फीडस्टॉक्स (विशेष रूप से, प्रयुक्त खाना पकाने के तेल) की अधिक रेंज और पानी की मात्रा की अनुमति देने का लाभ है, उत्प्रेरक को हटाने के लिए उत्पाद को धोने की आवश्यकता नहीं है, और एक सतत प्रक्रिया के रूप में डिजाइन करना आसान है।[31]


बढ़ी हुई तेल रिकवरी और कार्बन कार्बन कैप्चर और भंडारण

परिपक्व क्षेत्रों में तेल की रिकवरी को बढ़ाने के लिए सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग किया जाता है। साथ ही, कार्बन प्रच्छादन के साथ उन्नत पुनर्प्राप्ति विधियों को संयोजित करने के स्वच्छ कोयला प्रौद्योगिकी का उपयोग करने की संभावना है। CO2 को अन्य फ़्लू गैसों से अलग किया जाता है, सुपरक्रिटिकल अवस्था में संकुचित किया जाता है, और पैदावार में सुधार के लिए संभवतः स्थिति तेल क्षेत्रों में भूगर्भीय भंडारण में इंजेक्ट किया जाता है।

वर्तमान में, केवल प्राकृतिक गैस से जीवाश्म CO2 को अलग करने वाली योजनाएँ ही वास्तव में कार्बन भंडारण का उपयोग करती हैं, (उदाहरण के लिएस्लीपनर गैस क्षेत्र ),[32] लेकिन भविष्य की सीसीएस योजनाओं के लिए कई योजनाएं हैं जिनमें CO2 दहन से पहले या बाद में सम्मिलित हैं। .[33][34][35][36] बिजली उत्पन्न करने के लिएबायोमास का उपयोग करके और उत्पादित CO2 को अलग करके वातावरण में CO2 की मात्रा को कम करने की भी संभावना है।

उन्नत भू-तापीय प्रणाली

Main article: Enhanced geothermal system § CO2 EGS

पानी केअतिरिक्त सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड के उपयोग की भूतापीय कार्यशील द्रव के रूप में जांच की गई है।

प्रशीतन

सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड एक उपयोगी उच्च-तापमान प्रशीतन के रूप में भी सामने रहा है, जिसका उपयोग नए, क्लोरोफ्लोरोकार्बन /हाइड्रोफ्लोरोकार्बन -मुक्त घरेलू ताप पंपों में ट्रांसक्रिटिकल चक्र का उपयोग करने के लिए किया जा रहा है।[37] एशिया में पहले से ही सफलतापूर्वक विपणन किए जा रहे सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड ताप पंपों के साथ ये प्रणालियां निरंतर विकास के दौर से गुजर रही हैं। जापान के EcoCute सिस्टम पहले व्यावसायिक रूप से सफल उच्च तापमान वाले घरेलू जल ताप पंपों में से कुछ हैं।

सुपरक्रिटिकल द्रव जमाव

सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थों का उपयोग कार्यात्मक नैनोसंरचित फिल्मों और धातुओं के नैनोमीटर-आकार के कणों को सतहों पर जमा करने के लिए किया जा सकता है। रासायनिक वाष्प जमाव में उपयोग किए जाने वाले निर्वात प्रणालियों की तुलना में द्रव में अग्रदूत की उच्च विसारकता और सांद्रता एक सतह प्रतिक्रिया दर सीमित शासन में जमाव की अनुमति देती है, जो स्थिर और समान इंटरफेशियल विकास प्रदान करती है।।[38] यह अधिक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक घटकों को विकसित करने में महत्वपूर्ण है, और इस तरह जमा धातु के कण भी रासायनिक संश्लेषण और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए शक्तिशाली उत्प्रेरक हैं। इसके अतिरिक्त, समाधान में अग्रदूत परिवहन की उच्च दरों के कारण, उच्च सतह क्षेत्र के कणों को कोट करना संभव है, जो रासायनिक वाष्प जमाव के तहत सिस्टम के आउटलेट के पास कमी को प्रदर्शित करेगा और डेन्ड्राइट अस्थिर इंटरफेसियल विकास सुविधाओं के परिणामस्वरूप भी हो सकता है। परिणाम परमाणु परत जमाव की तुलना में अत्यधिक गति से एकत्रित होने वाली बहुत पतली और समान फिल्म है, जो इस आकार के स्तर पर कण कोटिंग के लिए अच्छा उपकरण है।[39]


रोगाणुरोधी गुण

उच्च दबाव पर सीओ2रोगाणुरोधी गुण होते हैं।[40] जबकि इसकी प्रभावशीलता विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए दिखाई गई है, निष्क्रियता के तंत्र को पूरी तरह से समझा नहीं गया है, चूँकि 60 से अधिक वर्षों से उनकी जांच की जा रही है।[41]


इतिहास

1822 में, बैरन चार्ल्स कैग्नियार्ड डे ला टूर ने अपने प्रसिद्ध तोप ने अपने प्रसिद्ध तोप बैरल प्रयोगों में पदार्थ के महत्वपूर्ण बिंदु की खोज की। विभिन्न तापमानों पर तरल पदार्थ से भरी एक सीलबंद तोप में लुढ़कते हुए चकमक पत्थर के गोले की आवाज में अंतर को सुनकर, उन्होंने महत्वपूर्ण तापमान का अवलोकन किया। इस तापमान से ऊपर, तरल और गैस चरणों का घनत्व बराबर हो जाता है और उनके मध्य का अंतर विल्पुत हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एकल सुपरक्रिटिकल द्रव चरण होता है।[42]


यह भी देखें

संदर्भ

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