Fluidi supercritici: diagrammi di fase

I fluidi supercritici (SCF) sono sostanze che si trovano a temperature e pressioni superiori a quelle critiche, ovvero i valori oltre i quali non esiste distinzione tra fase liquida e fase gassosa. In questa condizione, i fluidi possiedono una combinazione unica di proprietà: densità simile a quella di un liquido, che permette una buona solvatazione, e viscosità e diffusività simili a quelle di un gas, che favoriscono un rapido trasporto di massa. Questa combinazione li rende particolarmente versatili e adatti a numerose applicazioni industriali e scientifiche.

La scoperta dei fluidi supercritici risale al 1822, quando l’ingegnere francese Charles Cagniard de La Tour osservò per la prima volta il comportamento particolare di alcune sostanze a elevate temperature e pressioni tramite un famoso esperimento con una canna di cannone. Successivamente, il chimico irlandese Thomas Andrews coniò il termine “fluido supercritico” e ne studiò in dettaglio le proprietà termodinamiche, aprendo la strada alla comprensione dei fenomeni supercritici.

Fluidi supercritici e impatto ambientale

È importante sviluppare tecnologie alternative con un impatto ambientale minimo per prodotti con proprietà speciali progettate su misura. Ridotto consumo di energia, meno residui tossici, conversione efficiente dei reagenti in prodotti, meno sottoprodotti e maggiore qualità e sicurezza dei prodotti finali sono requisiti fondamentali per i processi futuri.

Le tecnologie ad alta pressione sono uno strumento relativamente nuovo per soddisfare queste esigenze. Le tecnologie che utilizzano l’alta pressione hanno sviluppato diversi processi che hanno portato a prodotti completamente nuovi con caratteristiche speciali

Tra i diversi processi ad alta pressione, i fluidi subcritici e supercritici (SCF) offrono lo sviluppo di diverse eccellenti tecnologie di lavorazione grazie alle loro proprietà fisico-chimiche.

I fluidi supercritici si possono trovare anche in natura infatti l’acqua supercritica si trova vicino all’eruzione dei vulcani sottomarini. Gli SCF hanno viscosità e diffusività simili a quelle del gas, densità e costante dielettrica simili a quelle dei liquidi e proprietà di solvatazione che possono essere controllate dalla pressione e/o dalla temperatura. Queste proprietà li rendono ottimi solventi per varie applicazioni.

Acqua

Mettendo un campione di acqua in un contenitore chiuso a 25°C, dopo aver sottratto l’aria è presente una miscela di acqua e vapore alla pressione di 0.03 atm. Si può osservare un confine tra la fase liquida più densa e quella di vapore meno densa.

All’aumentare della temperatura la pressione del vapore acqueo aumenta come si può vedere dal diagramma di fase dell’acqua.

Alla temperatura di 374°C la pressione è pari a 218 atm  un ulteriore aumento della temperatura provoca la scomparsa del confine tra fase liquida e fase vapore. Tutta l’acqua è presente in un’unica fase la cui proprietà sono intermedie tra quelle dello stato liquido e gassoso.

Analogamente ai gas i fluidi supercritici tendono ad espandersi ma la loro densità è maggiore a quella dei gas e si avvicina di più a quella del liquido.

In analogia con il comportamento dei liquidi il fluido supercritico è in grado di agire da solvente. In questo stato, tuttavia, le molecole di acqua non presentano legami a idrogeno e sono quindi libere di muoversi ed esercitare il loro potere solvente in misura maggiore. L’acqua supercritica ha una bassa costante dielettrica vicina a quella dei composti organici. Le reazioni organiche in acqua supercritica, quindi, diventano più omogenee, determinando una velocità di reazione più elevata.

Anidride carbonica

L’anidride carbonica è tra i fluidi supercritici più utilizzato a causa del suo basso costo, inerzia chimica, assenza di tossicità e di infiammabilità.

L’anidride carbonica è disponibile ad elevato grado di purezza. Inoltre il punto critico corrispondente alla temperatura di 31°C e alla pressione di 73 atm è facilmente raggiungibile. Inoltre dopo l’uso può essere facilmente recuperata.

L’anidride carbonica supercritica è diventata un solvente molto comune nell’industria alimentare. È utilizzata per decaffeinare il caffè, rimuovere i grassi dalle patatine ed estrarre composti aromatici dagli oli di agrumi e può essere descritta come un solvente green. L’anidride carbonica supercritica è uno dei solventi facilmente riciclabili più attraenti, consentendo la progettazione di processi sicuri per l’ambiente. La CO₂ supercritica ha proprietà simili a quelle dei solventi fluoroorganici.

Applicazioni tecnologiche dei fluidi supercritici

I fluidi supercritici (SCF) rappresentano uno strumento versatile e innovativo per numerosi settori industriali e scientifici, grazie alle loro proprietà uniche che combinano le caratteristiche dei gas e dei liquidi. La loro capacità di comportarsi come solventi regolabili, di penetrare materiali con facilità e di trasportare sostanze chimiche in modo efficiente li rende adatti a processi che richiedono precisione, sostenibilità e alta efficienza.

Uno dei campi di applicazione più noti è quello dell’estrazione e della purificazione. Un esempio emblematico è l’uso del biossido di carbonio supercritica (CO₂ sc) per estrarre caffeina dai chicchi di caffè o oli essenziali dalle piante aromatiche. Rispetto ai metodi tradizionali con solventi organici, l’estrazione con SCF è più selettiva, riduce i residui chimici e permette di ottenere prodotti più puri e naturali. In ambito farmaceutico, la CO₂ supercritica è utilizzata per isolare principi attivi sensibili al calore, evitando degradazioni e preservando l’attività biologica dei composti.

Nel settore della chimica verde, i fluidi supercritici consentono di svolgere reazioni chimiche in condizioni più sostenibili. La possibilità di regolare la densità e la polarità del fluido permette di modulare la solvatazione dei reagenti, migliorando la resa e selettività delle reazioni. Alcuni catalizzatori possono essere utilizzati in SCF per accelerare trasformazioni chimiche senza la necessità di solventi organici volatili o tossici, riducendo l’impatto ambientale dei processi industriali.

I fluidi supercritici trovano impiego anche nella produzione di materiali e polimeri avanzati. La loro alta diffusività permette di impregnare polimeri con additivi funzionali, creare strutture microporose o modificare superfici con precisione. Ad esempio, l’anidride carbonica supercritica può essere utilizzata per generare schiume polimeriche leggere e uniformi, senza la necessità di agenti chimici espandenti, con applicazioni che spaziano dall’industria automobilistica a quella dell’edilizia e del packaging.

Nel settore alimentare e farmaceutico, i fluidi supercritici offrono ulteriori vantaggi. Possono essere impiegati per la sterilizzazione di prodotti sensibili al calore, rimuovendo batteri e microrganismi senza degradare vitamine o aromi. Inoltre, l’uso di fluidi supercritici facilita la formulazione di farmaci a rilascio controllato, poiché consente di disperdere principi attivi in matrici polimeriche con uniformità e precisione, migliorando l’efficacia terapeutica e la stabilità del prodotto finale.

Infine, le tecnologie basate su SCF stanno trovando applicazioni anche nel trattamento ambientale e nella sintesi sostenibile di composti chimici complessi, dimostrando come questa classe di fluidi rappresenti una vera e propria frontiera per processi ad alta efficienza, a basso impatto ambientale e adatti alla produzione di prodotti innovativi con proprietà speciali.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica