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超臨界水氧化技術的研究

發表時間:2021-02-23  |  點擊率:222

    通常情況下,水以蒸汽、液態和冰三種常見的狀態存在,且是極性溶劑,可以溶解包括鹽在內的大多數電解質,對氣體和大多數有機物則微溶或不溶。液態水的密度幾乎不隨壓力升高而改變。但是如果將水的溫度和壓力升高到臨界點(Tc=374.3℃,Pc=22.1MPa)以上,水的性質發生了變化,其密度、介電常數、黏度、擴散系數、熱導率和溶解性等都不同于普通水。

    通過測定水在亞臨界到超臨界區的介電常數、離子解離常數及Raman光譜可探索水的溶劑性質和分子結構。結果表明:水的定態介電常數從常溫的80變到臨界點的5-10,在450℃或更高時降到2左右。離子解離常數從室溫的10到近臨界區的10,而在超臨界區變成10。水的Raman光譜結果也表明在超臨界狀態下水中只剩下少部分氫鍵。這些結果意味著水的行為與非極性壓縮氣體相近,其溶劑性質與低極性有機物相似。因而,碳氫化合物在超臨界水中通常有很高的溶解度。例如,在25℃時,苯在水中的溶解度為0.07%,295℃時上升為35%,在300℃時即超越苯一水混合物的臨界點,只存在一個相,因此,任何比例的組分都是互溶的。同理,在375℃以上,超臨界水可與氧氣、空氣和氮氣及有機物以任意比例互溶。

    與有機物的高溶解度相比,無機鹽在超臨界水中的溶解度非常低,并且隨水的介電常數減小而減小,當溫度大于475℃時,無機物在超臨界水中的溶解度急劇減小,呈鹽類析出或以濃縮鹽水的形式存在。如NaCl在300℃水中的溶解度為37%,而在550℃和25MPa的水中的溶解度為120mg/L,其原因主要是由水的低介電常數和離子解離常數造成的。同時,在超臨界水中溶解的無機鹽溶質具有不同于常溫常壓下的特殊性,對于等壓條件下的溫度上升,水的介電常數會降低,有利于溶質的締合;相反,等溫條件下壓力的上升有利于溶質的分解。在高溫低壓的超臨界條件下,當水的介電常數小于15時,水中溶解的溶質會發生大規模的締合作用,即常溫常壓下的強電解質在高溫低壓的超臨界條件下會變為弱電解質,而室溫下的弱電解質則形成中性的締合的配合物。

    由于超臨界水的非凡的溶解能力、可壓縮性和傳質特性,使它成為一種具有非?;钚缘漠惡鯇こ5姆磻橘|。顯示了超臨界水與普通水的溶解能力對比。

 

    超臨界水氧化技術是在溫度、壓力高于水的臨界溫度(374.3℃)和臨界壓力(22.1MPa)條件下,以超臨界水作為反應介質來氧化分解有機物。在超臨界水氧化過程中,由于超臨界水對有機物和氧氣都是極好的溶劑,因此有機物的氧化可以在富氧的均一相中進行,反應不會因相間轉移而受限制。同時較高的反應溫度也使反應速率加快,在很短的反應停留時間內,有機物的去除率可以達到99.99%以上。在氧化過程中,有機污染物中的C, H元素轉化成二氧化碳和水;N, S, P和鹵素等雜原子氧化生成氣體、含氧酸或鹽;在超臨界水中鹽類以濃縮鹽水溶液的形式存在或形成固體顆粒而析出,超臨界流體中的水經過冷卻后成為清潔水。因而,超臨界水氧化技術是在不產生有害副產物情況下*降解有機污染物的一種新方法。

    從理論上講,SCWO技術適用于處理任何含有機污染物的廢物:高濃度的有機廢液、有機蒸汽、有機固體、有機廢水、污泥、懸浮有機溶液或吸附了有機物的無機物;廢水中的有機物和氧化劑(02,H202)在單一相中反應生成CO2和H2O;出現在有機物中的雜原子氯、硫和磷分別被轉化為HCl,H2SO4和H3PO4,有機氮主要形成N2;在超臨界水的氧化環境不產生N2O。因此SCWO過程無需尾氣處理,不會造成二次污染。另外,當廢水中的有機物濃度大于2%時,可利用反應放出的熱維持過程的熱平衡,從而實現自熱反應。

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