Do yêu cầu về độ sạch tiếp tục tăng trong các ngành như chất bán dẫn, thiết bị y tế và quang học chính xác, nên các công nghệ làm sạch truyền thống-như làm sạch ướt và làm sạch bằng siêu âm-ngày càng gặp phải những hạn chế. Công nghệ làm sạch bằng carbon dioxide siêu tới hạn (sCO₂), với các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo, đã nổi lên như một giải pháp tiên tiến để làm sạch bề mặt một cách chính xác. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan có hệ thống về các nguyên tắc, ứng dụng hiện tại và những thách thức trong tương lai của công nghệ làm sạch sCO₂.
Tính chất của Carbon Dioxide siêu tới hạn
Carbon dioxide siêu tới hạn được hình thành khi CO₂ chịu nhiệt độ và áp suất trên điểm tới hạn của nó (31,1 độ và 7,38 MPa). Ở trạng thái này, nó thể hiện đặc tính kép của cả chất khí và chất lỏng:
1. Độ căng bề mặt bằng không: Cho phép thâm nhập vào các lỗ có kích thước nano (với tỷ lệ khung hình vượt quá 100:1) mà không bị cản trở.
2. Độ khuếch tán cao: Hiển thị hệ số khuếch tán 10⁻⁴ cm²/s, lớn hơn mười lần so với dung môi lỏng.
3.Độ hòa tan giống như chất lỏng: Hòa tan hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ như dầu và nhựa.
4. Đặc tính dung môi có thể điều chỉnh: Khả năng hòa tan có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất.
5. Lợi ích về môi trường và an toàn: Không-độc hại, không-dễ cháy và có thể tái chế.
Hệ thống làm sạch và quy trình xử lý
Hệ thống làm sạch sCO₂ điển hình sử dụng thiết kế mô-đun và bao gồm các thành phần chính sau:
1. Bộ phận cung cấp chất lỏng: Bể chứa CO₂ lỏng và bơm đông lạnh
2. Buồng phản ứng siêu tới hạn: Được thiết kế để chịu được áp suất cao (thường lớn hơn hoặc bằng 20 MPa)
3. Bộ phận lọc và tách: Được trang bị bộ lọc màng PTFE 0,1 μm
4.Recycling system: Achieves a CO₂ recovery rate of >95%
Quy trình làm sạch:
1.Tải các bộ phận cần làm sạch vào buồng.
2.Bơm CO₂ lỏng vào buồng và tạo áp suất đến điều kiện siêu tới hạn.
3.Tiến hành vệ sinh ở nhiệt độ và áp suất cài đặt (thường là 10–30 phút).
4. Tách các chất gây ô nhiễm thông qua quá trình giảm áp.
5. Tái chế CO₂ để tái sử dụng.
Những thách thức và giải pháp kỹ thuật
1.Hạn chế trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm
Thách thức: Hiệu quả hạn chế trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và dạng hạt.
Giải pháp:
Phát triển các chất hoạt động bề mặt và-dung môi đồng chuyên dụng (ví dụ: etanol, etyl axetat).
Tích hợp tính năng làm sạch-có hỗ trợ siêu âm hoặc siêu âm.
2.An toàn hệ thống áp suất-cao
Thách thức: Rủi ro vận hành ở áp suất cao (20–30 MPa).
Giải pháp:
Sử dụng buồng làm bằng thép không gỉ 316L hoặc hợp kim niken-.
Thực hiện nhiều cơ chế an toàn (ví dụ: cảm biến kép, đĩa nổ).
Áp dụng các thiết kế giảm áp suất lũy tiến.
3.Tối ưu hóa quy trình
Thách thức: Hiệu suất làm sạch rất nhạy cảm với nhiệt độ và áp suất.
Giải pháp:
⑴Sử dụng hệ thống điều khiển PID có độ chính xác-cao (nhiệt độ ±0,5 độ,<0.05 MPa pressure).
⑵Sử dụng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để tối ưu hóa trường dòng chảy.
⑶Áp dụng điều chỉnh tham số điều khiển-AI.
Thuận lợi
1. Giảm 95% lượng nước thải hóa học
2.Không phát thải VOC
3.CO₂ có thể tái chế