LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO DISOLVENTES ALTERNATIVOS

LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO DISOLVENTES ALTERNATIVOS Disolvente: Sustancia capaz de formar mezclas homogéneas con otra u otras sustancias (solut

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LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO

DISOLVENTES ALTERNATIVOS

Disolvente: Sustancia capaz de formar mezclas homogéneas con otra u otras sustancias (solutos) destruyendo la agregación de las partículas de esas sustancias

Disolventes en la Prehistoria: pinturas de Altamira Para algunos de los pigmentos los hombres prehistóricos emplearon disolventes: grasa animal, cola de pescado, sangre ...

Disolventes convencionales: Distribución por sectores del uso de disolventes no clorados

Fuente: ESIG

Disolventes convencionales: Toxicidad e inflamabilidad :

9 Límite permitido de exposición (PEL): Concentración máxima de una sustancia química a la que un trabajador puede estar expuesto. Definición de la Occupational Safe and Health Administration de EE.UU. 9 Punto de flash: Temperatura a la cual una fuente de ignición que se halle a 1 cm de la superficie del líquido causará su ignición.

Disolventes convencionales: Toxicidad e inflamabilidad : PEL / ppm

Punto flash/ oC

Acetona

1000

-18

Hexano

500

Pentano

PEL / ppm

Punto flash/ oC

Metanol

200

11

-7

Isopropanol

400

12

1000

-40

Tetrahidrofurano

200

-21

Heptano

500

-4

p-Dioxano

100

12

Acetonitrilo

40

2

Acetato de etilo

400

-4

12,5

-

Tolueno

200

4

Cloroformo

50

-

Xilenos

200

25

Éter etílico

400

-45

Benceno

1

-11

Etanol (absoluto)

1000

12

Dimetilformamid

10

58

Disolvente

Diclorometano

Disolvente

Disolventes convencionales: Emisiones por sectores de compuestos orgánicos volátiles (COVs)

Fuente: ESIG

Disolventes neotéricos: 9 Neotérico: significa moderno, contemporáneo 9 Son fluidos con propiedades modulables 9 Algunos son empleados a gran escala mientras que otros están siendo investigados por sus usos potenciales como disolventes que permitirían una mayor sostenibilidad.

Disolventes neotéricos: 9 Gases licuados 9 Líquidos expandidos con gas 9 Disolventes eutécticos 9 Líquidos iónicos 9 Fluidos supercríticos

Fluido supercrítico (SCF): Un fluido supercrítico es una sustancia que se encuentra a una presión superior a su presión crítica y a una temperatura superior a su temperatura crítica

Diagrama de fases: REGION SUPERCRITICA

sólido

líquido

Presión

Pc

PC PT gas Tc

Temperatura

PT – Punto Triple PC – Punto Crítico Tc – Temperatura Crítica Pc – Presión Crítica

Algunas propiedades de las sustancias varían ampliamente en un rango extenso de temperaturas y presiones alrededor del punto crítico 9 Densidad 9 Viscosidad 9 Difusividad 9 Capacidad calorífica 9 Conductividad térmica 9 Constante dieléctrica

Los valores de ciertas propiedades de los fluidos supercríticos son intermedias entre las de los líquidos y las de los gases Magnitud

Gas

Densidad (kg/m3)

1

SCF 100-800

Líquido 1000

Viscosidad (cP)

0.01

0.05-0.1

0.5-1.0

Difusividad (mm2/s)

1-10

0.01-0.1

0.001

Comparación de los SCF con los líquidos La densidad es la propiedad responsable del poder disolvente de los fluidos

Comparación de los SCF con los líquidos

La baja viscosidad dota a los fluidos supercríticos de una gran facilidad de transporte y de una velocidad de transferencia de masa más elevada

La elevada difusividad y la tensión superficial prácticamente nulas permiten una mejor penetración en las matrices sólidas.

Principales campos de aplicación 9 Extracción supercrítica productos naturales 9 Tratamiento de materiales 9 Medios de reacción

(SFE):

principalmente

de

Esquema de una planta de extracción supercrítica

Propiedades críticas de varias sustancias: Fluido

T. crítica [°C]

Etileno Xenón CO2 Etano NO Propano Amoníaco 1-Propanol Metanol Agua Tolueno

9.3 16.6 31.1 32.2 36.5 96.7 132.5 235.2 239.5 374.2 318.6

P. crítica [bar] ρ crítica [kg/m3] 50.4 58.4 73.8 48.8 71.7 42.5 112.8 47.6 81.0 220.5 41.1

220 120 470 200 450 220 240 270 270 320 290

Fluido más utilizado en SFE: Dióxido de carbono

Ventajas del dióxido de carbono: 9 Parámetros críticos accesibles 9 Baja temperatura crítica: muy ventajosa para extraer productos naturales sin que ocurra degradación térmica 9 Baja toxicidad: PEL = 5000 ppm 9 No es inflamable 9 Es bastante inerte desde el punto de vista químico 9 Coste bajo: 3,7 euros/kg Desventaja principal del dióxido de carbono: 9 No disuelve bien compuestos polares. Modificadores

El dióxido de carbono y la química verde: 9 Es un disolvente inocuo y no inflamable. Conduce a procesos más seguros 9 Los productos obtenidos suelen ser más seguros porque no hay residuos de disolvente 9Es un recurso abundante en la atmósfera y se puede considerar renovable (eliminando, por supuesto, el exceso de origen antropogénico)

El dióxido de carbono y la química verde: Handicap: es el causante del efecto invernadero y del calentamiento global del planeta ¾ El CO2 no se produce específicamente para la SFE. No contribuye al aumento de la cantidad total en la atmósfera ¾ Si se recicla en el proceso, es una forma de secuestrar CO2, si bien en pequeñas cantidades ¾ La situación ideal se presentaría si el CO2 se capturase directamente de la atmósfera.

EL CO2 SUPERCRÍTICO SE PUEDE CONSIDERAR COMO UN DISOLVENTE VERDE EN TODAS SUS APLICACIONES

Extracción a gran escala:

9 Descafeínado de café y té 9 Obtención de extracto de lúpulo para la industria cervecera

Planta de extracción a gran escala:

Proceso de descafeínado:

• Humidificación semillas de café • Extracción cafeína con CO2 supercrítico durante 10 horas • Flujos de CO2 con cafeína y de agua en contracorriente: la cafeína se disuelve en el agua • Reciclado del CO2 • Recuperación de la cafeína

Extracción a menor escala 9 Extracción de productos naturales ¾ Extracción de especias ¾ Extracción de aceites esenciales ¾ Extracción de productos de interés farmacológico 9 Extracción de metales utilizando un agente quelante

Planta piloto de extracción supercrítica Grupo de Termodinámica Aplicada y Superficies (GATHERS)

Línea de investigación GATHERS: Optimización de los parámetros de extracción supercrítica de aceites esenciales de plantas aromáticas de la Comunidad Autónoma de Aragón.

Colaboración con el Centro de Investigación de Tecnología Agroalimentaria (CITA) del Gobierno de Aragón

Objetivo: valorización de plantas que necesitan muy poco agua (salvia, hisopo, ajenjo, menta...) con vistas a su posible cultivo en zonas ahora incultas.

Otras aplicaciones favorables al medio ambiente y a la sostenibilidad 9 Pinturas y recubrimientos: eliminación de disolventes orgánicos y consiguiente emisión de COVs 9 Recuperación de suelos contaminados 9 Mejora en el aprovechamiento de pozos petrolíferos

Mejora del aprovechamiento de pozos petrolíferos Enhanced Oil Recovery (EOR)

Tratamiento de materiales 9 Obtención de micro y nanopartículas 9 Impregnación de polímeros 9 Formación de espumas sólidas

Obtención de micro y nanopartículas 9 Mediante CO2 supercrítico se pueden obtener partículas de tamaños comprendidos entre 5 y 2000 nm 9 Ventajas ¾ Se puede usar cuando los métodos físicos (molienda) no son aplicables. ¾ Permite la eliminación de disolventes orgánicos ¾ Gran precisión y flexibilidad ¾ Productos con mejores características

Obtención de micro y nanopartículas Comparación de la forma de las micropartículas de un producto

Método mecánico

Usando fluido supercrítico

Obtención de micro y nanopartículas 9 Usos ¾ Productos farmacéuticos inhalables o poco solubles ¾Catalizadores ¾Polímeros y biopolímeros ¾Intermedios químicos ¾Tintes

Obtención de micro y nanopartículas 9 Algunos métodos ¾ Expansión rápida de disoluciones supercríticas (RESS) ¾Antidisolvente supercrítico (SAS) ¾Partículas a partir de disoluciones saturadas de gas (PGSS) ¾Despresurización de una disolución orgánica líquida expandida (DELOS)

Expansión rápida de disoluciones supercríticas (RESS) La expansión del fluido supercrítico provoca su evaporación y la consiguiente precipitación del soluto

CO2 supercrítico como medio de reacción. Reacciones 9 Hidrogenaciones 9 Hidroformilaciones (procesos “oxo”) 9 Polimerizaciones 9 Reacciones de Diels-Alder 9 Reacciones de Friedel-Crafts

Otras aplicaciones de interés 9 Limpieza ¾ Lavado en seco de tejidos ¾ Limpieza de componentes 9 Microelectrónica ¾ Secado supercrítico ¾ Deposición de metales ¾ Formación de materiales dieléctricos 9 Esterilización. Inactivación de microorganismos en alimentos, material sanitario, etc.

Agua supercrítica 9 El agua en condiciones supercríticas es un agente muy adecuado para la eliminación por oxidación de residuos díficiles de eliminar de otra manera

CO2 SUPERCRÍTICO UN DISOLVENTE “VERDE” Y POLIVALENTE

LOS FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO

DISOLVENTES ALTERNATIVOS

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