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.

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.

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.