Candidatul științelor chimice V. Blagutina
Apă supercritică
Recent, tehnologiile supercritice (fluide) au devenit foarte populare. În Occident utilizate pentru curățarea rufelor, ape uzate și metale în industria alimentară și farmaceutică, - pentru extragerea substanțelor aromate în sinteza polimerilor și chiar și pentru producerea de pulberi fine. Acest lucru permite reducerea lanțului tehnologic și, prin urmare, reducerea costului produselor și serviciilor. Dar lucrul cel mai important - este ecologic procese prietenoase. Prima producție industrială, care se aplica fluide supercritice, a câștigat în 1978 - a fost o instalație pentru decaffeination cafelei, urmat în 1982 a fost urmată de extracția industrială a hameiului (pentru fabricarea berii). Astăzi, în Vest, o mulțime de întreprinderi lucrează la această tehnologie progresivă.
Cele mai populare fluide supercritice - dioxid de carbon, apă, propan, amoniac, și anumiți alți compuși cu temperaturi critice scăzute. Cel mai frecvent utilizat dioxidul de carbon supercritic, deoarece este non-toxic, este ieftin, ușor disponibile, și are parametrii convenabile (Tc = 31 ° C, Pc = 7,38 MPa). Avem aproape nici o astfel de întreprinderi (SRC ER „Goro“ - probabil singura excepție). Problema este că nu există nici un interes la nivel național în noile tehnologii curate, și, prin urmare, dorința de a investi.
O scurtă deviere în istorie
Apa supercritică este investigată sistematic de la începutul secolului trecut. Cu toate acestea, astăzi aceste lucrări sunt atractive nu numai din punct de vedere teoretic. Se speră că solventul cel mai comun, ieftin, sigur și ecologic va avea o nișă unică în industria chimică. (Desigur, nu este vorba despre apă obișnuită.)
Stările supercritice au început să studieze, în 1822, Canarul de la Tour. Dacă lichidul care fierbe (când există un echilibru între lichid și abur) continuă să se încălzească și să crească presiunea, atunci la un moment dat densitatea lichidului și a vaporilor devin identice și interfața dintre aceste faze dispare. În acest punct critic, materia trece într-o stare intermediară - nu devine gaz sau lichid. La o temperatură deasupra punctului critic, nu se vor obține două faze, deși dacă acest lichid omogen este comprimat, densitatea acestuia va varia de la tipul gazos la lichid. La temperaturi mai scăzute, apa se află într-o stare subcritică, iar când se schimbă presiunea, densitatea se schimbă abrupt: lichidul trece în vapori. Mai sus - în substanța supercritică, substanța este omogenă, iar densitatea variază continuu.
Tabel: Parametrii critici ai diferitelor substanțe
Punctul critic al substanței se caracterizează prin valori critice ale temperaturii, presiunii și densității (vezi figura). Răspândirea acestor parametri pentru diferite substanțe este foarte mare (acestea sunt prezentate în tabel), dar toate sunt ușor de realizat în laborator și în industrie. Pentru procesele tehnologice, dioxidul de carbon este cea mai bună alegere - se utilizează astăzi pentru extracție, separarea substanțelor și mult mai mult. Apa supercritică este încă folosită mult mai rar, deoarece devine fluid la 374 ° C și. care pentru uzul practic nu este foarte convenabil. Și totuși, în această stare, el dobândește cele mai valoroase proprietăți. De exemplu, apa supercritică devine un solvent aproape universal, precum și un oxidant destul de puternic. Cum se întâmplă acest lucru?
De fapt, nu există încă un răspuns clar la întrebarea, care este starea fizică a mediului numit fluid.
Dacă vorbim despre solide, de obicei folosim termenii "structură", "structură". Acestea sunt cuvinte extrem de nefericite pentru a indica ce se întâmplă într-un lichid sau gaz. Dacă am reușit să trimită coordonatele tuturor particulelor din lichid, apoi, în momentul următor, aceste date sunt depășite, deoarece poziția de schimbare a particulelor mult. Cuvântul „structură“ înseamnă ceva puternic, de nezdruncinat, și denaturează ideea de stare lichidă sau fluidă a materiei. Din păcate, alt termen adecvat nu. Poti vorbi cu siguranță despre „ordine cu rază scurtă“, dar nu transmite caracteristica principală a statului de fluid - variind continuu mișcare moleculară.
O mulțime de date experimentale privind starea supercritică a apei au fost deja acumulate. Toate aceste date confirmă că, atunci când crește temperatura și presiunea, se modifică constanta sa dielectrică, conductivitatea electrică, produsul ionic și structura obligațiunilor de hidrogen.
Dintre toate lichidele, apa este probabil supusă celor mai severe schimbări, trecând într-o stare supercritică. Dacă la presiune și temperatură normală apa este un solvent polar, atunci aproape toată materia organică se dizolvă în apă supercritică. Se schimbă, de asemenea, solubilitatea substanțelor anorganice. Chiar și o ușoară deviere a temperaturii și presiunii în apropierea punctului critic se schimbă toate proprietățile fizico-chimice ale apei, prin urmare, la cea mai mică fluctuațiile de presiune și temperatură astfel apa se poate dizolva complet, sau invers, precipitate de oxizi și săruri. De fapt, aceasta este baza tehnologiei de creștere a cristalelor hidrotermale, care are o vechime mai mare de o jumătate de secol.
Reactorul supercritic natural
În natură, există un mare reactor natural supercritic. Ea - intestinele pământului, în care, la o adâncime mai mare de 50 km de apă este într-un condiții supercritice. . Apa - bază „fluid hidrotermală“ (termen geologic), adică soluția fierbinte, foarte presiune apoasă care conține mai multe componente distanțe mari Transferarea dizolvate în ea o substanță de apă supercritică (skH2 O) ia o parte necesară în procesele majore geologice: formarea scoarța terestră, activitatea vulcanică din concentrația de minerale din scoarța terestră. Ai putea spune că, datorită apei supercritic formată fața geologică a planetei noastre.
În imaginea a ceea ce se întâmplă sub pământ, cercetatorii aproape o jumătate de secol în urmă, au dezvoltat o tehnologie pentru sinteza hidrotermală a cristalelor. Probabil, aceasta este singura tehnologie pe apa supercritică, care a fost folosită de mult timp cu succes. sinteza hidrotermală permite obținerea unor cristale de substanțe anorganice (de exemplu, cuarț sau alți oxizi, aluminosilicați, fosfați, etc.), în condiții de procese de minerale în interiorul Pământului imitatori. Această metodă se bazează pe abilitatea apei la temperatură ridicată și presiune pentru a dizolva oxizii, silicații, sulfurile și alte substanțe practic insolubil în condiții normale, și o schimbare de direcție a parametrilor, dimpotrivă, ele provoacă cristalizarea. Așadar, anual cresc sute de tone de cristale mari de cuarț (cântărind până la 50 kg). Aceeași tehnologie produce rubine artificiale, safire și alte materiale pentru industria modernă.
Într-o stare supercritică, apa (skH2O) se amestecă nelimitat cu oxigen, hidrogen și hidrocarburi, facilitând interacțiunea lor între ele - toate reacțiile de oxidare au loc foarte repede acolo. Una dintre cele mai interesante aplicații ale unei astfel de ape este distrugerea eficientă a agenților chimici de război. Într-un amestec cu alte substanțe skH2 O pot fi utilizate nu numai pentru oxidare, dar în reacții de hidroliză, hidratare, formarea și desfacerea legăturilor carbon-carbon, hidrogenare și altele.
Apa pre și supercritică este un solvent netoxic ale cărui proprietăți pot fi controlate prin ajustarea acestora la o reacție catalitică specifică. În procesele cu un fluid supercritic, nu există nici o problemă cu difuzia la interfața gaz-lichid (aceasta nu este gaz sau lichid), ceea ce înseamnă că este mai ușor să reglezi viteza unei astfel de reacții. Există dovezi că procesul de intoxicație prin catalizator are loc și mai lent.
În cele din urmă, apa supercritică poate fi un reactiv sau mediu pentru producerea de particule nanocristaline (în special catalizatori de oxid) cu proprietăți predeterminate care sunt deja sintetizate în reactoare de curgere. Particulele formate în acest proces au aproximativ o mărime și o suprafață destul de dezvoltată. De altfel, apa în stare supercritica poate fi folosit pentru a obține nu numai oxizi, dar și alte materiale nanocristaline, cum ar fi carbonul amorf de a sintetiza nanotuburi de carbon.
În ciuda tuturor varietăților posibile aplicări ale apei pre și supercritice, este importantă în primul rând pentru rezolvarea problemelor de mediu. Prelucrarea și descompunerea unor cantități din ce în ce mai mari de deșeuri anorganice și organice este sarcina, pentru soluția căreia este nevoie de un solvent sigur de practic orice compus solid. Toate metodele tradiționale - combustia, oxidarea în fază lichidă sau biodegradarea - au dezavantajele lor. Astfel, la arderea deșeurilor organice, se formează substanțe toxice, în special oxizi de azot, care trebuie eliminate. O biodegradare necesită mult timp și este posibilă numai neutralizarea deșeurilor care conțin până la 1% în greutate substanțe organice.
Reciclarea deșeurilor organice utilizând cH20 este o alternativă bună. Potrivit experților, construcția de instalații de prelucrare soluții de piridină folosind apă supercritică va fi mai ieftin decât de ardere și la temperatură scăzută de oxidare în fază lichidă. Există deja tehnici declorinare dezaromatizare și soluții de compuși organici, polimeri si prelucrarea maselor plastice, oxidarea deșeurilor municipale și a alimentelor, gazificarea biomasei, oxidarea deșeurilor toxice marina, hidroliza celulozei și ligninei și îndepărtarea metalelor grele din diverse efluenți.
Problema principală care împiedică introducerea tehnologiilor cu apă supercritică - un cost destul de ridicat al echipamentelor industriale care funcționează la presiune înaltă: au nevoie de aliaje rezistente la căldură și conducte speciale, excluzând posibilitatea de explozie a reactorului. Mai mult, skH2 O - mediu agresiv, provoacă coroziunea pieselor. Această problemă, precum depunerea de săruri în conducte, este bine cunoscută pentru funcționarea centralelor termice. Atunci când sarcinile tehnice sunt rezolvate și costul nu mai este factorul determinant, lobby-ul puternic al companiilor chimice tradiționale va fi întrerupt.
Preparat din:
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: