Сверхкритическое водное окисление ( SCWO ) - это процесс, который происходит в воде при температурах и давлениях выше термодинамической критической точки смеси . В этих условиях вода становится жидкостью с уникальными свойствами, которая может быть использована для уничтожения опасных отходов, таких как полихлорированные бифенилы (ПХБ). Жидкость имеет плотность между этим водяным паром и жидкости при стандартных условиях, и демонстрирует высокую газ -подобных скорости диффузии наряду с высокой жидкостью-подобная частота столкновений. Кроме того, поведение воды как растворителя изменяется (по сравнению с жидкой водой в докритическом состоянии) - она ведет себя гораздо меньше, чем полярный растворитель. В результате поведение растворимости «меняется на противоположное», так что хлорированные углеводороды становятся растворимыми в воде, обеспечивая однофазную реакцию водных отходов с растворенным окислителем . Обратная растворимость также вызывает выпадение солей в осадок из раствора, что означает, что их можно обрабатывать с использованием обычных методов для остатков твердых отходов. Эффективные реакции окисления происходят при низкой температуре (400-650 ° C) с пониженным образованием NOx .
SCWO можно классифицировать как « зеленую химию» или как «чистую технологию». Повышенные давления и температуры, требуемые для SCWO, обычно встречаются в промышленных применениях, таких как нефтепереработка и химический синтез.
Уникальным дополнением к миру сверхкритического окисления воды (SCW) является создание пламени под высоким давлением внутри среды SCW. Пионерские работы по сверхкритическому водяному пламени высокого давления были выполнены профессором ЕС Франком в немецком университете Карлсруэ в конце 80-х годов. Работы в основном были направлены на прогнозирование условий, которые могут вызвать самопроизвольное возникновение нежелательного пламени в процессе беспламенного окисления SCW. Это пламя вызовет нестабильность системы и ее компонентов. ETH Zurich продолжил исследование гидротермального пламени в реакторах непрерывного действия. Растущие потребности в методах обработки и уничтожения отходов побудили японскую группу Ebara Corporation изучить пламя SCW как средство защиты окружающей среды. Исследования гидротермального пламени также начались в Исследовательском центре NASA Glenn Research Center в Кливленде, штат Огайо.
Фундаментальные исследования
Фундаментальные исследования сверхкритического окисления воды проводились в 1990-х годах в Исследовательском центре горения (CRF) Sandia National Laboratory в Ливерморе, Калифорния. Первоначально предложенная в качестве технологии уничтожения опасных отходов в соответствии с Киотским протоколом , множественные потоки отходов были изучены Стивеном Райсом и Рассом Ханушем, а гидротермальное (сверхкритическая вода) пламя исследовали Ричард Р. Стипер и Джейсон Д. Эйкен. Среди изученных потоков отходов были красители и пиротехника военного назначения, [1] [2] метанол [3] [4] и изопропиловый спирт. [5] В качестве окислителя использовалась перекись водорода, и Эрику Круазе было поручено провести подробные измерения разложения перекиси водорода в сверхкритических условиях воды. [6]
Основные технические проблемы были связаны с отложением солей [7] и химической коррозией в этих реакторах со сверхкритической водой. Энтони Лаженесс возглавлял группу, занимавшуюся расследованием этих проблем. Чтобы решить эти проблемы, Лаженесс разработал реактор с прозрачной стенкой [8], который создавал перепад давления через стенки внутреннего рукава, заполненного порами, для непрерывной промывки внутренних стенок реактора пресной водой. Руссу Ханушу было поручено строительство и эксплуатация реактора со сверхкритическими жидкостями (SFR) [9], который использовался для этих исследований. Среди конструктивных сложностей были сплав Inconel 625, необходимый для работы при таких экстремальных температурах и давлениях, а также конструкция оптических ячеек высокого давления и высоких температур, используемых для фотометрического доступа к реагирующим потокам, которые включали герметичные уплотнения из 24-каратного золота и сапфир. окна. [10] [11]
Коммерческие приложения
Несколько компаний в США в настоящее время работают над коммерциализацией сверхкритических реакторов для уничтожения опасных отходов . Широкое коммерческое применение технологии SCWO требует конструкции реактора, способной противостоять загрязнению и коррозии в сверхкритических условиях. [ необходима цитата ]
В Японии существует ряд коммерческих приложений SCWO, в том числе одна установка для обработки галогенированных отходов, построенная Organo. В Корее Hanwha построила две единицы коммерческого размера .
В Европе Chematur Engineering AB из Швеции коммерциализировала технологию SCWO для обработки отработанных химических катализаторов с целью извлечения драгоценного металла, процесс AquaCat. Устройство было построено для Johnson Matthey в Великобритании. Это единственная коммерческая установка SCWO в Европе, а с ее производительностью 3000 л / ч она является крупнейшей установкой SCWO в мире. Технология Chematur Super Critical Fluids была приобретена SCFI Group ( Корк, Ирландия ), которая активно коммерциализирует процесс Aqua Critox SCWO для обработки осадка, например, отложения красок и осадка сточных вод. Было проведено множество длительных испытаний для этих применений, и благодаря высокой эффективности уничтожения 99,9% + твердый остаток после процесса SCWO хорошо подходит для вторичной переработки - в случае удаления красочного осадка в качестве наполнителя бумаги и в случае ил сточных вод в виде фосфора и коагулянта. SCFI Group управляет демонстрационной установкой Aqua Critox производительностью 250 л / ч в Корке, Ирландия.
Компания Turbosystems Engineering (Калифорния, США) активно коммерциализирует свой запатентованный реактор SCWO с прозрачной стенкой (TWR), уделяя особое внимание применению возобновляемых источников энергии.
374Water Inc. - компания, предлагающая коммерческие контейнеры SCWO, которые превращают твердые биологические вещества и осадок сточных вод в чистую воду и минералы. Он является результатом проекта, финансируемого Фондом Билла и Мелинды Гейтс и базирующегося в Университете Дьюка. [12] Основатели, профессор Марк Дешюсс и Коби Нагар, обладают патентом на реактор для переработки отходов, имеющим отношение к SCWO. [13]
Aquarden Technologies (Skaevinge, Дания) предоставляет модульные установки SCWO для уничтожения опасных загрязнителей, таких как PFAS, пестициды и другие проблемные углеводороды в промышленных сточных водах. [14] Aquarden также обеспечивает восстановление опасных энергетических отходов и боевых отравляющих веществ с SCWO, где полномасштабная система SCWO уже несколько лет работает во Франции для оборонной промышленности.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Райс, Стивен (1994). "Сверхкритическое водное окисление цветного дыма, красителей и пиротехнических композиций" (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Райс, Стивен (1995). «Уничтожение опасных боеприпасов путем сверхкритического окисления воды» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Райс, Стивен (1995). «Гидротермальная кинетика окисления метанола» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Райс, Стивен (1996). "Рамановское спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение метанола в формальдегид" (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Хантер, Томас (1996). «Рамановское спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение изопропанола в ацетон» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Круазе, Эрик (1997). «Разложение пероксида водорода в сверхкритической воде» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Lajeunesse, Энтони (1993). "Исследования осаждения солей в реакторе с водой в сверхкритическом состоянии" (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Lajeunesse, Энтони (1997). «Кинетическое исследование окисления морских избыточных опасных материалов в сверхкритической воде для проектирования реактора с транспирационной стенкой» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Хануш, Русь (1995). "Эксплуатация и характеристики реактора сверхкритических жидкостей" (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Райс, Стивен (1997). «Стратегии проектирования высокотемпературных оптических ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ Райс, Стивен (2000). «Стратегии проектирования оптически доступных высокотемпературных реакторных ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Фун .
- ^ ( https://www.watertechonline.com/water-reuse/press-release/14184469/power-verde-inc-companies-merge-to-offer-water-resource-recovery-system-using-supercritical-water- окисление )
- ^ ( https://patents.google.com/patent/US20200277213A1/en?q=Scwo&assignee=Duke&oq=Scwo+Duke+ )
- ^ https://www.wateronline.com/doc/pfas-destruction-through-supercritical-water-oxidation-0001
Внешние ссылки
По всему миру над этой темой работают несколько исследовательских групп:
- SCFI имеет действующий завод AquaCritox A10 в Корке (Ирландия).
- UVa High Pressure Processes Group (Испания)
- Группа чистых технологий (Великобритания)
- FZK Karlsruhe (Германия)
- ETH Zurich, Лаборатория транспортных процессов и реакций (Швейцария)
- UCL (Лондон, Великобритания) Группа по технологиям чистых материалов, работающая над синтезом непрерывных гидротермальных потоков
- UBC (Ванкувер, Британская Колумбия) Исследования в области машиностроения, включая проекты на SCWO
- Турбосистемы Инжиниринг SCWO Technology
- Университет Кадиса (УЦА). Группа сверхкритических жидкостей