Суперкритикалық судың қасиеттері және қалдықтарды жоюдағы қолданылуы
Supercritical water oxidation
Суперкритикалық судың тотығу әдісі – қауіпті қалдықтарды (PCB, PFAS) жоюдың тиімді тәсілі. Судың ерекше қасиеттері, жаңа ерігіштік мүмкіндіктері туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Суды суперкритикалық тотығу (SCWO) – қоспаның термодинамикалық критикалық нүктесінен жоғары температура мен қысымда суда жүзеге асатын процесс. Осындай жағдайларда су ерекше қасиеттері бар сұйықтыққа айналады, оны полихлориленген бифенилдер (ПХБ) немесе пер- және полифторлы алкил заттар (ПФАС) сияқты қиын жойылатын және қауіпті қалдықтарды жоюда тиімді пайдалануға болады. Суперкритикалық судың тығыздығы стандартты жағдайдағы су буы мен сұйықтықтың тығыздығы арасында болады және жоғары газ тәрізді диффузия жылдамдығымен қатар, жоғары сұйықтық тәрізді соқтығысу жылдамдығын көрсетеді. Сонымен қатар, судың еріткіш ретіндегі мінез-құлқы өзгереді (субкритикалық сұйық сумен салыстырғанда), ол полярлық еріткіш сияқты аз әрекет етеді. Нәтижесінде, ерігіштік «кері” болады, сондықтан оттегі және хлорланған көмірсутектер сияқты органикалық заттар суда ерігіш болады, бұл сулы қалдықтардың еріген тотықтырғышпен бір фазада реакцияласуына мүмкіндік береді. Кері ерігіштік сонымен қатар тұздардың ерітіндіден түнуіне себеп болады, яғни оларды қатты қалдықтардың қалдықтарын өңдеудің дәстүрлі әдістерін қолдану арқылы өңдеуге болады. Тиімді тотығу реакциялары төмен температурада (400-650 °C) NOx шығарылымын азайтумен жүреді. SCWO жасыл химия немесе таза технология ретінде жіктеледі. SCWO үшін қажетті жоғары қысым мен температура мұнай өңдеу және химиялық синтез сияқты өнеркәсіптік қолданыстарда кеңінен кездеседі. Суды суперкритикалық (SCW) тотықтыру саласына бірегей үлес (көбінесе академиялық қызығушылық тудыратын) – SCW ортасының ішінде жоғары қысымды жалындарды тудыру. Жоғары қысымды суперкритикалық су жалындары бойынша алғашқы зерттеулерді 1980-жылдардың соңында Карлсруэ университетінің профессоры ЭУ Франк жүргізді. Бұл зерттеулер негізінен жалынсыз SCWO тотықтыру процесінде қажетсіз жалындардың өзінен пайда болуына ықпал ететін жағдайларды болжауға бағытталған. Мұндай жалындар жүйе мен оның компоненттеріне тұрақсыздық тудыруы мүмкін. Цюрихтегі ETH үздіксіз жұмыс істейтін реакторларда гидротермальды жалындарды зерттеуді жалғастырды. Қалдықтарды өңдеу және жою қажеттілігінің артуы Ebara Corporation компаниясының жапондық тобын SCW жалынды қоршаған ортаны қорғау құралы ретінде зерттеуге итермеледі. Гидротермальды жалындарды зерттеу NASA-ның Кливлендтегі Гленн зерттеу орталығында да басталды.
Supercritical water oxidation (SCWO) is a process that occurs in water at temperatures and pressures above a mixture's thermodynamic critical point. Under these conditions water becomes a fluid with unique properties that can be used to advantage in the destruction of recalcitrant and hazardous wastes such as polychlorinated biphenyls (PCB) or per and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Supercritical water has a density between that of water vapor and liquid at standard conditions, and exhibits high gas like diffusion rates along with high liquid like collision rates. In addition, the behavior of water as a solvent is altered (in comparison to that of subcritical liquid water) it behaves much less like a polar solvent. As a result, the solubility behavior is "reversed" so that oxygen, and organics such as chlorinated hydrocarbons become soluble in the water, allowing single phase reaction of aqueous waste with a dissolved oxidizer. The reversed solubility also causes salts to precipitate out of solution, meaning they can be treated using conventional methods for solid waste residuals. Efficient oxidation reactions occur at low temperature (400 650 °C) with reduced NOx production. SCWO can be classified as green chemistry or as a clean technology. The elevated pressures and temperatures required for SCWO are routinely encountered in industrial applications such as petroleum refining and chemical synthesis. A unique addition (mostly of academic interest) to the world of supercritical water (SCW) oxidation is generating high pressure flames inside the SCW medium. The pioneer works on high pressure supercritical water flames were carried out by professor EU Franck at the German University of Karlsruhe in the late 80s. The works were mainly aimed at anticipating conditions which would cause spontaneous generation of non desirable flames in the flameless SCW oxidation process. These flames would cause instabilities to the system and its components. ETH Zurich pursued the investigation of hydrothermal flames in continuously operated reactors. The rising needs for waste treatment and destruction methods motivated a Japanese Group in the Ebara Corporation to explore SCW flames as an environmental tool. Research on hydrothermal flames has also begun at NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio.
Негізгі зерттеулер
Судың суперкритикалық тотығуына қатысты негізгі зерттеулер 1990 жылдары Калифорния штатының Ливермор қаласында Сандия ұлттық зертханасының жану зерттеулер кешенінде (CRF) жүргізілді. Алғашында Киото хаттамасына жауап ретінде қауіпті қалдықтарды жою технологиясы ретінде ұсынылған, бірнеше қалдық ағындарын Стивен Ф. Райс пен Расс Хануш зерттеді, ал гидротермалды (судың суперкритикалық) жалындарын Ричард Р. Стипер мен Джейсон Д. Айкен зерттеді. Зерттелген қалдықтар арасында әскери бояулар мен пиротехника, метанол және изопропил спирті бар. Сутек пероксиді тотықтырғыш ретінде қолданылды, ал Эрик Кройсе сутек пероксидінің судың суперкритикалық жағдайында ыдырауын егжей-тегжейлі өлшеуді тапсырды. 1992 жылдың ортасында Томас Г. МакГиннес, PE, "Summit Research Corporation" атынан Лос-Аламос ұлттық зертханасына жіберілген кезде "Транспирациялық қабырғалық SCWO реакторы" (TWR) деп аталатынды ойлап тапты. Кейіннен 1995 жылдың басында МакГиннес TWR үшін алғашқы АҚШ патентін алды. TWR басқа SCWO реактор конструкцияларында (мысалы, түтікше және резервуар типті реакторлар) кездесетін тұз/қатты заттардың жинақталуы, коррозия және жылулық шектеулер мәселелерін жеңілдету үшін жобаланған. Вертикаль реактордың жоғарғы бөлігінде таза сұйықтық сіңіп шығатын, тұздар мен басқа қатты заттардың қабаттың ішкі бетінде жиналып қалуына жол бермейтін, өткізгіш қаптама бар. Сонымен қатар, қаптама сыртқы қысымды сақтау ыдысын реакция аймағындағы жоғары температурадан қорғайды. Лайнерді коррозияға және жоғары реакциялық температураға төзімді әртүрлі материалдардан жасауға болады. TWR-дің төменгі жағында реакция қосалқы өнімдерін салқындату үшін "көбікті салқындатқыш" бар, сонымен бірге субкритикалық температураға өту кезінде қышқылдар пайда болуы мүмкін кез келген компоненттерді бейтараптандыру. TWR-ның тұжырымдамалық және өнімділік артықшылықтарын түрлі шикізат үшін Экхард Динюс пен Йоханнес Абельн Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) -да TWR мен іргелес түтікше реакторының тікелей салыстыруы арқылы көрсетті. Су реакторларында тұздардың жинақталуы мен химиялық коррозияға байланысты инженерлік күрделі мәселелер туындады. Энтони Ляжунесс осы мәселелерді зерттейтін топты басқарды. Осы мәселелерді шешу үшін Лажуенсе реактордың ішкі қабырғаларын таза сумен үнемі шаю үшін ішкі қабықтың қабырғалары арқылы қысым айырмасын енгізген транспирациялық қабырғалық реакторды жобалады. Расс Хануш осы зерттеулер үшін пайдаланылған суперкритикалық сұйықтықтар реакторын (SFR) салу мен пайдалануды тапсырды. Оның конструкциялық күрделіліктері арасында осындай экстремалды температура мен қысымда жұмыс істеу үшін қажетті Inconel 625 қорытпасы және реакциялық ағымдарға фотометриялық қол жеткізу үшін қолданылатын 24 каратты алтын қысымды тұйықтар мен сапфир терезелерді қамтитын жоғары қысымды, жоғары температуралы оптикалық жасушалардың дизайны болды.
Basic research on supercritical water oxidation was undertaken in the 1990s at Sandia National Laboratory's Combustion Research Facility (CRF), in Livermore, CA. Originally proposed as a hazardous waste destruction technology in response to the Kyoto protocol, multiple waste streams were studied by Steven F. Rice and Russ Hanush, and hydrothermal (supercritical water) flames were investigated by Richard R. Steeper and Jason D. Aiken. Among the waste streams studied were military dyes and pyrotechnics, methanol, and isopropyl alcohol. Hydrogen peroxide was used as an oxidizing agent, and Eric Croiset was tasked with detailed measurements of the decomposition of hydrogen peroxide at supercritical water conditions. In mid 1992, Thomas G. McGuinness, PE invented what is now known as the "transpiring wall SCWO reactor" (TWR) while seconded to Los Alamos National Laboratory on behalf of Summit Research Corporation. McGuinness subsequently received the first US patent for a TWR in early 1995. The TWR was designed to mitigate problems of salt/solids deposition, corrosion and thermal limitations occurring in other SCWO reactor designs (eg. tubular & vat type reactors) at the time. The upper part of the vertical reactor incorporates a permeable liner through which a clean fluid permeates to help prevent salts and other solids from accumulating at the inner surface of the liner. The liner also insulates the outer pressure containment vessel from high temperatures within the reaction zone. The liner can be manufactured from a variety of materials resistant to corrosion and high reaction temperatures. The bottom end of the TWR incorporates a "quench cooler" for cooling the reaction byproducts while neutralizing any components that might form acids during transition to subcritical temperature. Proof of concept and performance advantages of the TWR for a variety of feedstocks was demonstrated by Eckhard Dinjus and Johannes Abeln at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), via direct comparison between a TWR and an adjacent tubular reactor. Major engineering challenges were associated with the deposition of salts and chemical corrosion in these supercritical water reactors. Anthony Lajeunesse led the team investigating these issues. To address these issues Lajeunesse designed a transpiring wall reactor which introduced a pressure differential through the walls of an inner sleeve filled with pores to continuously rinse the inner walls of the reactor with fresh water. Russ Hanush was charged with the construction and operation of the supercritical fluids reactor (SFR) used for these studies. Among its design intricacies were the Inconel 625 alloy necessary for operation at such extreme temperatures and pressures, and the design of the high pressure, high temperature optical cells used for photometric access to the reacting flows which incorporated 24 carat gold pressure seals and sapphire windows.
Коммерциялық қолдану
АҚШ-тағы бірнеше компания қауіпті қалдықтарды жою үшін суперкритикалық реакторларды коммерцияландыруға жұмыс істеп жатыр. SCWO технологиясын кеңінен коммерциялық қолдану үшін реактордың суперкритикалық жағдайларда ластану мен коррозияға төзімді болуы қажет. Жапонияда SCWO технологиясының бірнеше коммерциялық қолданыс орындары бар, соның ішінде Organo компаниясы салған галогенделген қалдықтарды өңдеуге арналған бір қондырғы бар. Кореяда Hanwha компаниясы екі коммерциялық өлшемдегі қондырғы салды. Еуропада Швециядағы Chematur Engineering AB компаниясы SCWO технологиясын пайдаланып, бағалы металдарды қайта өңдеу үшін қолданылған химиялық катализаторларды өңдеуді жүзеге асырды. Бұл қондырғы Ұлыбританиядағы Johnson Matthey компаниясы үшін салынған. Бұл Еуропадағы жалғыз коммерциялық SCWO қондырғысы және сағатына 3000 литр қуатымен әлемдегі ең ірі SCWO қондырғысы болып табылады. Chematur компаниясының Super Critical Fluids технологиясын SCFI Group (Cork, Ирландия) сатып алды, олар шламды, мысалы, қағаз өндірісінен қалған шламды және кәріз шламдарын өңдеу үшін Aqua Critox SCWO процесін белсенді түрде коммерциялауда. Бұл қолданыстар бойынша көптеген ұзақ мерзімді сынақтар жүргізілді және 99,9% жоғары жою тиімділігінің арқасында SCWO процесінен кейінгі қатты қалдықтар қағаз толтырғышы ретінде қағаз өндірісінен қалған шламды және кәріз шламдарын фосфор мен коагулянт ретінде қайта өңдеуге өте қолайлы. SCFI Group Ирландияның Корк қаласында сағатына 250 литрлік Aqua Critox демонстрациялық қондырғысын пайдаланады. Turbosystems Engineering (Калифорния, АҚШ) жаңартылатын энергияны қолдануға бағытталған, патенттелген transpiring wall SCWO реакторын ("TWR") белсенді түрде коммерциялауда. 374Water Inc. компаниясы органикалық қалдықтарды таза суға, энергияға және минералдарға айналдыратын коммерциялық SCWO жүйелерін ұсынады. Бұл компания Билл мен Мелинда Гейтс қорының Дьюк университетіндегі профессор Дешусс зертханасына бөлген қаржысымен жеті жылдан астам зерттеу және әзірлеме жұмыстарынан кейін құрылды. 374Water компаниясының негізін қалаушылар, профессор Марк Дешусс және Кобе Нагар, SCWO-ға қатысты қалдықтарды өңдеу реакторының патентына ие. 374Water биототықтарды және ағынды су шламдарын, органикалық химиялық қалдықтарды және PFAS қалдықтарын, соның ішінде қолданылмаған сулы қабатты көбіктерді (AFFF), шаю суларын немесе пайдаланылған шайырларды және адсорбциялық орталарды өңдеу үшін AirSCWO жүйелерін белсенді түрде коммерциялауда. Бірінші коммерциялық сату 2022 жылдың ақпан айында жарияланды. Aquarden Technologies (Skaevinge, Дания) өндірістік қалдық ағынындағы PFAS, пестицидтер және басқа да проблемалық көмірсутектер сияқты қауіпті ластаушы заттарды жою үшін модульді SCWO қондырғыларын ұсынады. Aquarden сонымен қатар SCWO технологиясын пайдаланып, қауіпті энергетикалық қалдықтарды және химиялық соғыс агенттерін залалсыздандыруды жүзеге асырады, онда Франциядағы қорғаныс өнеркәсібі үшін бірнеше жылдан бері толық көлемдегі SCWO жүйесі жұмыс істеп келеді.
Several companies in the United States are now working to commercialize supercritical reactors to destroy hazardous wastes. Widespread commercial application of SCWO technology requires a reactor design capable of resisting fouling and corrosion under supercritical conditions. In Japan a number of commercial SCWO applications exist, among them one unit for treatment of halogenated waste built by Organo. In Korea two commercial size units have been built by Hanwha. In Europe, Chematur Engineering AB of Sweden commercialized the SCWO technology for treatment of spent chemical catalysts to recover the precious metal, the AquaCat process. The unit has been built for Johnson Matthey in the UK. It is the only commercial SCWO unit in Europe and with its capacity of 3000l/h it is the largest SCWO unit in the world. Chematur's Super Critical Fluids technology was acquired by SCFI Group (Cork, Ireland) who are actively commercializing the Aqua Critox SCWO process for treatment of sludge, e. g. de inking sludge and sewage sludge. Many long duration trials on these applications have been made and thanks to the high destruction efficiency of 99.9%+ the solid residue after the SCWO process is well suited for recycling – in the case of de inking sludge as paper filler and in the case of sewage sludge as phosphorus and coagulant. SCFI Group operate a 250l/h Aqua Critox demonstration plant in Cork, Ireland. Turbosystems Engineering (California, USA) is actively commercializing their patented transpiring wall SCWO reactor ("TWR") with a focus on renewable energy applications. 374Water Inc. is a company offering commercial SCWO systems that convert organic wastes to clean water, energy and minerals. It is spun out after more than seven years of research and development funded by the Bill & Melinda Gates Foundation to Prof. Deshusses laboratory based at Duke University. The founders of 374Water, Prof. Marc Deshusses and Kobe Nagar, possess the waste processing reactor patent relevant to SCWO. 374Water is actively commercializing its AirSCWO systems for the treatment of biosolids and wastewater sludges, organic chemical wastes, and PFAS wastes including unspent Aqueous Film Forming Foams (AFFFs), rinsates or spent resins and adsorption media. The first commercial sale was announced in February 2022. Aquarden Technologies (Skaevinge, Denmark) provides modular SCWO plants for the destruction of hazardous pollutants such as PFAS, pesticides, and other problematic hydrocarbons in industrial wastestreams. Aquarden is also providing remediation of hazardous energetic wastes and chemical warfare agents with SCWO, where a full scale SCWO system has been operating for some years in France for the Defense Industry.