超臨界二酸化炭素

超臨界二酸化炭素（s CO
₂）は、二酸化炭素が臨界温度と臨界圧力以上で保持された流体状態である。

二酸化炭素は、通常、標準温度および標準圧力(STP)では空気中で気体として、または十分に冷却および/または加圧されるとドライアイスと呼ばれる固体として動作します。温度と圧力の両方を標準温度から二酸化炭素の臨界点以上に上げると、気体と液体の中間の特性をとることができます。より具体的には、臨界温度 (304.128 K、30.9780 °C、87.7604 °F) ^[1]および臨界圧力 (7.3773 MPa、72.808 atm、1,070.0 psi、73.773 bar) を超えると超臨界流体として動作し、 ^[1]ガスのように容器を満たすまで膨張しますが、密度は液体のようになります。

超臨界CO
₂比較的低い毒性と環境への影響に加えて、化学抽出におけるその役割により、重要な商業および工業用溶媒になりつつあります。プロセスの比較的低い温度とCO
₂また、化合物をほとんど損傷や変性させずに抽出することができる。さらに、抽出された多くの化合物のCO
₂圧力によって変化し、^[2]選択的な抽出を可能にする。

二酸化炭素は、従来のカフェイン除去溶剤からの脱却を目指すコーヒーメーカーの間で人気が高まっています。s CO
₂超臨界二酸化炭素は、生のコーヒー豆に押し込まれ、高圧の水を噴霧してカフェインを除去します。その後、活性炭フィルターに水を通すか、蒸留、結晶化、逆浸透によってカフェインを分離し、再販することができます（例：製薬会社や飲料メーカー）。ハーブサプリメント業界では、植物から必要な成分を混ぜることなく、農作物から有機塩素系 殺虫剤や金属を除去するために超臨界二酸化炭素が使用されています。^[3]

超臨界二酸化炭素はドライクリーニングの溶剤として使用できる。^[4]

超臨界二酸化炭素は、エッセンシャルオイルやその他のハーブ蒸留物を作成するための抽出溶媒として使用されます。[ ^{5]このプロセスにおける}ヘキサンやアセトンなどの溶媒に対する主な利点は、不燃性であり、有毒な残留物を残さないことです。さらに、出発物質からの反応成分の分離は、従来の有機溶媒よりもはるかに簡単です。CO
₂空気中に蒸発させるか、凝縮して回収容器にリサイクルすることができます。蒸気蒸留法に比べて、低温で処理できるため、植物ワックスをオイルから分離できるという利点があります。^[6]

実験室では、CO
₂抽出溶媒として使用され、例えば土壌、堆積物、フライアッシュ、その他の媒体から回収可能な炭化水素の総量を測定する場合や^[7]、土壌や固形廃棄物中の多環芳香族炭化水素を測定する場合に使用されます。 ^[8]超臨界流体抽出は、水中の炭化水素成分の測定に使用されています。 ^[9]

COを使用するプロセス
₂医薬品用途のマイクロおよびナノスケールの粒子を製造するための技術が開発されている。ガス反溶媒プロセス、超臨界溶液の急速膨張、超臨界反溶媒沈殿（および関連するいくつかの方法）により、さまざまな物質が粒子に加工される。^[10]

選択的に有機化合物を溶解し、酵素の働きを助ける能力があるため、CO
₂金星やスーパーアース型惑星における生物活動を支える潜在的な溶媒として示唆されている。 ^[11]

環境に優しく、硬質熱可塑性樹脂や焼成セラミックの低コスト代替品は、CO
₂化学試薬として。CO
₂これらのプロセスでは、完全に硬化した水硬性セメントまたは石膏 プラスターのアルカリ成分と反応して、さまざまな炭酸塩が形成されます。^[12]主な副産物は水です。

s CO
₂ポリマーの発泡に使用されます。超臨界二酸化炭素はポリマーを溶媒で飽和させることができます。減圧および加熱すると、二酸化炭素は急速に膨張し、ポリマーマトリックス内に空隙を生じ、つまり泡を形成します。マイクロセルラーフォームの研究が進行中です。

パライソブチルベンジルクロリドのイブプロフェンへの電気化学的 カルボキシル化は、CO
₂^[13 ]

s CO
₂化学的に安定しており、信頼性が高く、低コストで、不燃性であり、入手が容易であるため、超臨界サイクル用の作動流体として望ましい候補となる。^[14]

超臨界CO2_{は、家庭用水}ヒートポンプの作動流体として使用されます。製造され広く使用されているヒートポンプは、家庭用および業務用の暖房や冷房に利用できます。^[14]より一般的な家庭用水ヒートポンプの一部は、地下室やガレージなど、設置されている空間から熱を取り除きますが、CO2_{ヒートポンプ}給湯器は通常、屋外に設置され、外気から熱を取り除きます。^[14]

s COのユニークな特性
₂閉ループ発電に利点があり、発電用途に適用できます。従来の空気ブレイトンサイクルと蒸気ランキンサイクルを使用する発電システムは、 CO
₂効率と出力を向上させるためです。

比較的新しいアラム発電サイクルでは、燃料と純酸素と組み合わせて、 sCO _{2 を}作動流体として使用します。燃焼によって生成された CO _{2 は}、sCO ₂作動流体と混合されます。対応する量の純 CO _{2 は}、プロセスから除去する必要があります (工業用または隔離用)。このプロセスにより、大気への排出がゼロになります。

sCO _{2 は}大幅な効率向上を約束します。流体密度が高いため、sCO _{2 は}コンパクトで効率的なターボ機械を可能にします。蒸気タービンでは複数のタービンステージと関連するケーシング、および追加の入口と出口の配管が必要ですが、sCO 2 ではよりシンプルな単一のケーシングボディ設計を使用できます。高密度により、よりコンパクトなマイクロチャネルベースの熱交換器技術が可能になります。^[15]

集光型太陽光発電では、二酸化炭素の臨界温度は、最大のエネルギー変換効率を得るには十分高くありません。太陽熱発電所は通常、乾燥地帯に設置されているため、ヒートシンクを亜臨界温度まで冷却することは不可能です。そのため、集光型太陽光発電の発電量を向上させるために、臨界温度が高い超臨界二酸化炭素混合物が開発されています。

さらに、優れた熱安定性と不燃性により、高温源からの直接熱交換が可能になり、作動流体の温度が上昇し、サイクル効率が高まります。二相流とは異なり、CO
₂水から蒸気への変換に必要な相変化のための熱入力の必要性を排除し、それに伴う熱疲労や腐食も排除します。^[16]

s COの使用
₂腐食工学、材料選択、設計の問題を提示します。発電部品の材料は、高温、酸化、クリープによる損傷に対する耐性を示す必要があります。これらの特性と性能の目標を満たす候補材料には、ターボ機械部品用のニッケルベースの超合金や配管用のオーステナイト系ステンレス鋼など、発電における現行の合金が含まれます。
₂ブレイトンループは腐食や浸食の影響を受けやすく、特にターボ機械や回生熱交換器の部品の浸食や配管の粒界腐食や孔食が顕著です。^[17]

候補となるNi基合金、オーステナイト鋼、フェライト鋼、セラミックについて、 CO中での耐食性試験が実施された。
₂サイクル。これらの材料への関心は、二酸化炭素の存在下で保護表面酸化物層を形成することから生じますが、ほとんどの場合、必要な目標を満たす材料がないため、反応機構や腐食/浸食の速度論とメカニズムのさらなる評価が必要です。^{[18] [19]}

2016年、ゼネラル・エレクトリックは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を50％に高めたsCO2ベースのタービンを発表した。その中でCO2は_{700 ℃}に加熱される。圧縮が少なくて済み、熱伝達が可能になる。蒸気タービンでは少なくとも30分かかるのに対し、このタービンは2分でフルパワーに達する。プロトタイプは10MWを発電し、同等の蒸気タービンの約10％の大きさである。^[20] 10MW、1億5500万米ドルの超臨界変換電力（STEP）パイロットプラントは、2023年にサンアントニオで完成しました。机ほどの大きさで、約1万世帯に電力を供給できます。^[21]

COとして開発するための作業が進行中です
₂ 密閉サイクルガスタービンを550℃近くの温度で作動させる。これは、二酸化炭素の500℃以上および20MPa以上の超臨界特性により、熱効率が45％に近づくため、大規模な火力発電および原子力発電に影響を与える。これにより、必要な燃料単位あたりの電力生産量が40％以上増加する可能性がある。発電に使用される炭素燃料の量を考えると、サイクル効率の向上による環境への影響は大きいだろう。^[22]

超臨界CO
₂は、家庭用ヒートポンプの新しい低炭素ソリューションに使用される新興の自然冷媒です。超臨界CO
₂ヒートポンプはアジアで商業的に販売されている。前川製作所が開発した日本のエコキュートシステムは、周囲から熱をシステム内に移動させることで、少ない電力で高温の生活用水を作り出す。^[23]

超臨界CO
₂1980 年代から、成熟した油田での回収率を高めるために使用されてきました。

「クリーンコール」技術は、このような強化回収法と炭素隔離とを組み合わせることができるようになりました。従来の炉の代わりにガス化炉を使用すると、石炭と水が水素ガス、二酸化炭素、灰に還元されます。この水素ガスは電力を生成するために使用できます。複合サイクルガスタービンでは、CO
₂回収され、超臨界状態に圧縮され、地層貯蔵庫に注入され、おそらくは既存の油田に注入されて収量が向上する。^{[24] [25] [26]}

超臨界CO
₂は、強化地熱システム^{[27] [28] [29] [30]}と堆積性地熱システム（いわゆるCO
₂プルーム地熱）。^{[31] [32]} EGSシステムは基盤岩の人工的に破砕された貯留層を利用し、CPGシステムはより浅い自然に浸透する堆積性貯留層を利用する。CO
₂地質貯留層では、水と比較して、粘性が低いこと、化学反応が優れていること、そしてCOが恒久的に存在することから、エネルギー収量が高いことなどが挙げられます。
₂貯蔵庫は大量のCOで満たされる必要があるため、
₂2011年時点では、このコンセプトは現場でテストされていませんでした。^[33]

超臨界二酸化炭素は、シリカ、炭素、金属ベースのエアロゲルの製造に使用されます。たとえば、二酸化ケイ素ゲルが形成され、その後COにさらされます。
₂. COが
₂超臨界状態になると、表面張力がすべて除去され、液体がエアロゲルから抜け出し、ナノメートルサイズの細孔が形成される。^[34]

超臨界CO
₂は、添加剤過酢酸（PAA）と組み合わせた生物学的材料および医療機器の熱滅菌の代替手段です。超臨界CO
₂この方法は、微生物の胞子を殺さないので、培地を滅菌するものではない。さらに、この方法は、不活化された微生物の形態、超微細構造、タンパク質プロファイルが保存されるため、穏やかである。^[35]

超臨界CO
₂特定の工業用洗浄プロセスで使用されます。

• カフェイン
• ドライクリーニング
• 香水
• 超臨界流体
• 金星の大気はほぼ二酸化炭素で、表面では超臨界状態にある。

• Mukhopadhyay M. (2000)。超臨界二酸化炭素を使用した天然抽出物。米国：CRC Press、LLC。Google ブックスで無料プレビュー。