Сверхкритическое окисление воды

Сверхкритическое окисление воды ( SCWO ) — это процесс, который происходит в воде при температуре и давлении смеси выше термодинамической критической точки . В этих условиях вода становится жидкостью с уникальными свойствами, которые можно с успехом использовать при уничтожении неподатливых и опасных отходов, таких как полихлорированные дифенилы (ПХБ) или пер- и полифторалкильные вещества (ПФАС). Сверхкритическая вода имеет плотность между плотностью водяного пара и жидкости в стандартных условиях и демонстрирует высокие скорости газоподобной диффузии наряду с высокими скоростями жидкоподобных столкновений. Кроме того, поведение воды как растворителя изменяется (по сравнению с поведением докритической жидкой воды) — она ведет себя гораздо менее похоже на полярный растворитель. В результате поведение растворимости «меняется на противоположное», так что кислород и органические вещества, такие как хлорированные углеводороды, становятся растворимыми в воде, что обеспечивает однофазную реакцию водных отходов с растворенным окислителем . Обратная растворимость также приводит солей . к осаждению из раствора, а это означает, что их можно обрабатывать обычными методами для остатков твердых отходов. Эффективные реакции окисления протекают при низкой температуре (400–650 °C) с уменьшением образования NOx .

SCWO можно классифицировать как зеленую химию или как чистую технологию. Повышенные давления и температуры, необходимые для SCWO, обычно встречаются в промышленных приложениях, таких как нефтепереработка и химический синтез.

Уникальным дополнением (в основном представляющим академический интерес) в мире сверхкритического окисления воды (СКВ) является создание пламени высокого давления внутри среды СКВ. Пионерские работы по сверхкритическому водяному пламени высокого давления были проведены профессором Э.У. Франком в немецком университете Карлсруэ в конце 80-х годов. Работы были направлены главным образом на прогнозирование условий, которые могли бы вызвать самопроизвольное возникновение нежелательного пламени в процессе беспламенного СКВ-оксидирования. Это пламя может привести к нестабильности 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 в корпорации Ebara изучить пламя SCW как экологический инструмент. Исследования гидротермального пламени также начались в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо.

Фундаментальные исследования

Фундаментальные исследования сверхкритического окисления воды были проведены в 1990-х годах в Центре исследования горения (CRF) Национальной лаборатории Сандии в Ливерморе, Калифорния. Первоначально предложенная в качестве технологии уничтожения опасных отходов в ответ на Киотский протокол , многочисленные потоки отходов изучались Стивеном Ф. Райсом и Рассом Ханушем, а гидротермальное пламя (сверхкритическая вода) исследовалось Ричардом Р. Стипером и Джейсоном Д. Эйкеном. Среди изученных потоков отходов были военные красители и пиротехника. ^[1]^[2] метанол, ^[3]^[4] и изопропиловый спирт. ^[5] В качестве окислителя использовалась перекись водорода, и Эрику Круазе было поручено провести детальные измерения разложения перекиси водорода в сверхкритических условиях воды. ^[6]

В середине 1992 года Томас Дж. МакГиннесс, PE, изобрел то, что сейчас известно как «реактор SCWO с транспирирующей стенкой» (TWR), будучи командированным в Национальную лабораторию Лос-Аламоса от имени Summit Research Corporation. Впоследствии МакГиннесс получил первый патент США на TWR в начале 1995 года. TWR был разработан для смягчения проблем отложения солей / твердых частиц, коррозии и тепловых ограничений, возникающих в то время в других конструкциях реакторов SCWO (например, трубчатых реакторов и реакторов чанового типа). . Верхняя часть вертикального реактора включает в себя проницаемый вкладыш, через который проходит чистая жидкость, что помогает предотвратить накопление солей и других твердых частиц на внутренней поверхности вкладыша. Облицовка также изолирует внешний герметизирующий резервуар от высоких температур в зоне реакции. Вкладыш может быть изготовлен из различных материалов, устойчивых к коррозии и высоким температурам реакции. В нижней части TWR имеется «закалочный охладитель» для охлаждения побочных продуктов реакции и одновременной нейтрализации любых компонентов, которые могут образовывать кислоты во время перехода к докритической температуре. Подтверждение концепции и эксплуатационные преимущества TWR для различных видов сырья были продемонстрированы Экхардом Диньюсом и Йоханнесом Абельном из Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) путем прямого сравнения TWR и соседнего трубчатого реактора.

Основные инженерные проблемы были связаны с отложением солей. ^[7] и химическая коррозия в этих сверхкритических водных реакторах. Энтони Лаженесс возглавил группу, расследующую эти проблемы. Для решения этих проблем Лаженесс разработал транспирирующий стеночный реактор. ^[8] который вводил перепад давления через стенки внутренней гильзы, заполненной порами, для непрерывной промывки внутренних стенок реактора пресной водой. Рассу Ханушу было поручено строительство и эксплуатацию сверхкритического жидкостного реактора (SFR). ^[9] используется для этих исследований. Среди конструктивных особенностей был сплав Inconel 625 , необходимый для работы при таких экстремальных температурах и давлениях, а также конструкция высокотемпературных оптических ячеек высокого давления, 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 сейчас 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. ^[12]

В Японии существует ряд коммерческих установок SCWO, в том числе установка для переработки галогенированных отходов, построенная Organo. построила два объекта коммерческого размера В Корее компания Hanwha .

В Европе шведская компания Chematur Engineering AB коммерциализировала технологию SCWO для переработки отработанных химических катализаторов для извлечения драгоценного металла - процесс AquaCat. Установка была построена для компании Johnson Matthey в Великобритании. с производительностью 3000 Это единственная коммерческая установка SCWO в Европе и крупнейшая установка SCWO в мире л/ч. Технология Super Critical Fluids компании Chematur была приобретена группой SCFI ( Корк, Ирландия ), которая активно коммерциализирует процесс Aqua Critox SCWO для обработки осадка, например, осадка от краски и осадка сточных вод. Было проведено множество длительных испытаний в этих областях применения, и благодаря высокой эффективности разрушения (99,9%+) твердый остаток после процесса SCWO хорошо подходит для переработки – в случае осадка после удаления краски в качестве наполнителя бумаги и в случае осадки сточных вод в качестве фосфора и коагулянта. Группа SCFI управляет демонстрационной установкой Aqua Critox производительностью 250 л/ч в Корке, Ирландия.

Компания Turbosystems Engineering (Калифорния, США) активно коммерциализирует свой запатентованный реактор SCWO с транспирирующими стенками («TWR»), уделяя особое внимание использованию возобновляемых источников энергии.

374Water Inc. — компания, предлагающая коммерческие системы SCWO, которые преобразуют органические отходы в чистую воду, энергию и минералы. Он создан после более чем семи лет исследований и разработок, финансируемых Фондом Билла и Мелинды Гейтс, в лаборатории профессора Дешуссе в Университете Дьюка. ^[13] Основатели 374Water, профессора Марк Дешусс и Кобе Нагар, владеют патентом на реактор по переработке отходов, относящимся к SCWO. ^[14] 374Water активно коммерциализирует свои системы AirSCWO для очистки твердых биологических веществ и осадков сточных вод, органических химических отходов и отходов PFAS , включая неизрасходованные водные пленкообразующие пены (AFFF), промывные жидкости или отработанные смолы и адсорбционные материалы. О первой коммерческой продаже было объявлено в феврале 2022 года. ^[15]

Aquarden Technologies (Скевиндж, Дания) поставляет модульные установки SCWO для уничтожения опасных загрязняющих веществ, таких как ПФАС, пестициды и другие проблемные углеводороды, в потоках промышленных отходов. ^[16] Акварден также обеспечивает переработку опасных энергетических отходов и боевых отравляющих веществ совместно с SCWO, где полномасштабная система SCWO уже несколько лет работает во Франции для оборонной промышленности.

См. также

Ссылки

^ Райс, Стивен (1994). «Сверхкритическое водное окисление цветного дыма, красителей и пиротехнических составов» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Райс, Стивен (1995). «Уничтожение опасных боеприпасов путем сверхкритического водного окисления» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Райс, Стивен (1995). «Кинетика гидротермального окисления метанола» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Райс, Стивен (1996). «Раман-спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение метанола в формальдегид» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Хантер, Томас (1996). «Раман-спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение изопропанола в ацетон» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Круазе, Эрик (1997). «Разложение пероксида водорода в сверхкритической воде» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Лаженесс, Энтони (1993). «Исследования отложения солей в сверхкритическом водном реакторе» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Лаженесс, Энтони (1997). «Кинетическое исследование окисления избыточных опасных материалов в сверхкритической воде для проектирования транспирационного реактора» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Хануш, Расс (1995). «Эксплуатация и производительность реактора сверхкритических жидкостей» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Райс, Стивен (1997). «Стратегии проектирования высокотемпературных оптических ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Райс, Стивен (2000). «Стратегии проектирования оптически доступных высокотемпературных реакторных ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Пун .
^ Ян, Шу (2013). «Новая конструкция реактора сверхкритического водного окисления для очистки осадка сточных вод» . Передовые исследования материалов – через ResearchGate.
^ «Компании объединяются, чтобы предложить систему восстановления водных ресурсов с использованием сверхкритического окисления воды» . Водные технологии онлайн . 1 октября 2020 г. Проверено 15 июня 2022 г.
^ Ожидается рассмотрение в США 20200277213A1 , Яаков Нагар; Кэтлин Джусс и Марк Дешусс и др., «Системы, методы и техники переработки отходов», опубликовано в 2020 г., поручено Университету Дьюка.
^ МаркетСкринер. «374Water, Inc.: OC San и 374Water заключают соглашение о развертывании первой системы AirSCWO коммерческого масштаба» . www.marketscreener.com . Проверено 2 февраля 2022 г.
^ «Разрушение ПФАС путем сверхкритического окисления воды» .

Внешние ссылки

По всему миру над этой темой работают несколько исследовательских групп:

[1] Райс, Стивен (1994). «Сверхкритическое водное окисление цветного дыма, красителей и пиротехнических составов» (PDF) . Физика Фор Пун .

[2] Райс, Стивен (1995). «Уничтожение опасных боеприпасов путем сверхкритического водного окисления» (PDF) . Физика Фор Пун .

[3] Райс, Стивен (1995). «Кинетика гидротермального окисления метанола» (PDF) . Физика Фор Пун .

[4] Райс, Стивен (1996). «Раман-спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение метанола в формальдегид» (PDF) . Физика Фор Пун .

[5] Хантер, Томас (1996). «Раман-спектроскопическое измерение окисления в сверхкритической воде - превращение изопропанола в ацетон» (PDF) . Физика Фор Пун .

[6] Круазе, Эрик (1997). «Разложение пероксида водорода в сверхкритической воде» (PDF) . Физика Фор Пун .

[7] Лаженесс, Энтони (1993). «Исследования отложения солей в сверхкритическом водном реакторе» (PDF) . Физика Фор Пун .

[8] Лаженесс, Энтони (1997). «Кинетическое исследование окисления избыточных опасных материалов в сверхкритической воде для проектирования транспирационного реактора» (PDF) . Физика Фор Пун .

[9] Хануш, Расс (1995). «Эксплуатация и производительность реактора сверхкритических жидкостей» (PDF) . Физика Фор Пун .

[10] Райс, Стивен (1997). «Стратегии проектирования высокотемпературных оптических ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Пун .

[11] Райс, Стивен (2000). «Стратегии проектирования оптически доступных высокотемпературных реакторных ячеек высокого давления» (PDF) . Физика Фор Пун .

[12] Ян, Шу (2013). «Новая конструкция реактора сверхкритического водного окисления для очистки осадка сточных вод» . Передовые исследования материалов – через ResearchGate.

[13] «Компании объединяются, чтобы предложить систему восстановления водных ресурсов с использованием сверхкритического окисления воды» . Водные технологии онлайн . 1 октября 2020 г. Проверено 15 июня 2022 г.

[14] Ожидается рассмотрение в США 20200277213A1 , Яаков Нагар; Кэтлин Джусс и Марк Дешусс и др., «Системы, методы и техники переработки отходов», опубликовано в 2020 г., поручено Университету Дьюка.

[15] МаркетСкринер. «374Water, Inc.: OC San и 374Water заключают соглашение о развертывании первой системы AirSCWO коммерческого масштаба» . www.marketscreener.com . Проверено 2 февраля 2022 г.

[16] «Разрушение ПФАС путем сверхкритического окисления воды» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

v т и Экологические технологии
Общий	Соответствующая технология Чистые технологии Климатически оптимизированное сельское хозяйство Экологический дизайн Оценка воздействия на окружающую среду Эко-инновации Экотехнологии Электромобиль Переработка энергии Экологический дизайн Оценка воздействия на окружающую среду Проектирование воздействия на окружающую среду Зеленое здание Зеленый автомобиль Экологически здоровый дизайн сообщества Дизайн общественных интересов Устойчивое развитие Наука об устойчивом развитии Устойчивое ( сельское хозяйство архитектура дизайн разработка продовольственные системы отрасли промышленности приобретение ремонт технология транспорт )
Загрязнение	Загрязнение воздуха ( контроль дисперсионное моделирование ) Промышленная экология Обращение с твердыми отходами Управление отходами Вода ( очистка сельскохозяйственных сточных вод очистка промышленных сточных вод очистка сточных вод технологии очистки сточных вод очистка воды )
Устойчивая энергетика	Эффективное использование энергии Электрификация Развитие энергетики Рекуперация энергии Топливо ( альтернативное топливо биотопливо углеродно-нейтральное топливо водородные технологии ) Список проектов по хранению энергии Возобновляемая энергия коммерциализация переход Устойчивое освещение Транспорт ( электромобиль гибридный автомобиль )
Сохранение	Здание ( зеленое изоляция естественный устойчивая архитектура Новый урбанизм Новая классика ) Биология сохранения Экологическое лесоводство Эффективное использование энергии Энергосбережение Рекуперация энергии Переработка энергии Экологическое движение Восстановление окружающей среды Стекло в зеленых зданиях Зеленые вычисления Вентиляция с рекуперацией тепла Высокоэффективные здания Реабилитация земель Охрана природы Пермакультура Переработка Рециркуляция тепла воды