編輯
超臨界水氧化（Supercritical Water Oxidation，簡(jiǎn)稱(chēng)SCWO）技術(shù)是一種可實(shí)現對多種有機廢物進(jìn)行深度氧化處理的技術(shù)。超臨界水氧化是通過(guò)氧化作用將有機物完全氧化為清潔的H 2 O、CO 2 和N 2 等物質(zhì)，S、P等轉化為最高價(jià)鹽類(lèi)穩定化，重金屬氧化穩定固相存在于灰分中。超臨界水氧化(Supercritical Water Oxidation，簡(jiǎn)稱(chēng)SCWO)技術(shù)的原理是以超臨界水為反應介質(zhì)，經(jīng)過(guò)均相的氧化反應，將有機物快速轉化為CO 2 、H 2 O、N 2 和其他無(wú)害小分子。
超臨界水氧化技術(shù)在處理各種廢水和剩余污泥方面已取得了較大的成功，其缺點(diǎn)是反應條件苛刻和對金屬有很強的腐蝕性，及對某些化學(xué)性質(zhì)穩定的化合物氧化所需時(shí)間也較長(cháng)。為了加快反應速度、減少反應時(shí)間、降低反應溫度，使超臨界水氧化技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯，許多研究者正在嘗試將催化劑引入超臨界水氧化工藝過(guò)程中。
中文名
超臨界水氧化技術(shù)
外文名
Supercritical Water Oxidation
功能特點(diǎn)
處理難降解的有機廢物
應用領(lǐng)域
廢物處理、污泥處理
超臨界水氧化技術(shù)
外文名
Supercritical Water Oxidation
功能特點(diǎn)
處理難降解的有機廢物
應用領(lǐng)域
廢物處理、污泥處理
目錄
- 1 原理
- 2 優(yōu)缺點(diǎn)
原理
編輯所謂超臨界，是指流體物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)。當把處于汽液平衡的流體升溫升壓時(shí)，熱膨脹引起液體密度減小，而壓力的升高又使汽液兩相的相界面消失，成為均相體系，這就是臨界點(diǎn)。當流體的溫度、壓力分別高于臨界溫度和臨界壓力時(shí)就稱(chēng)為處于超臨界狀態(tài)。超臨界流體具有類(lèi)似氣體的良好流動(dòng)性，但密度又遠大于氣體，因此具有許多獨特的理化性質(zhì)。
水的臨界點(diǎn)是溫度374．3℃、壓力22．064MPa，如果將水的溫度、壓力升高到臨界點(diǎn)以上，即為超臨界水，其密度、粘度、電導率、介電常數等基本性能均與普通水有很大差異，表現出類(lèi)似于非極性有機化合物的性質(zhì)。因此，超臨界水能與非極性物質(zhì)(如烴類(lèi))和其他有機物完全互溶，而無(wú)機物特別是鹽類(lèi)，在超臨界水中的電離常數和溶解度卻很低。同時(shí)，超臨界水可以和空氣、氧氣、氮氣和二氧化碳等氣體完全互溶。
由于超臨界水對有機物和氧氣均是極好的溶劑，因此有機物的氧化可以在富氧的均一相中進(jìn)行，反應不存在因需要相問(wèn)轉移而產(chǎn)生的限制。同時(shí)，400～600℃的高反應溫度也使反應速度加快，可以在幾秒的反應時(shí)間內，即可達到99%以上的破壞率。有機物在超臨界水中進(jìn)行的氧化反應，可以簡(jiǎn)單表示為：
酸+Na0H一無(wú)機物
超臨界水氧化反應完全徹底：有機碳轉化為CO2，氫轉化為H20，鹵素原子轉化為鹵離子，硫和磷分別轉化為硫酸鹽和磷酸鹽，氮轉化為硝酸根和亞硝酸根離子或氮氣。而且超臨界水氧化反應在某種程度上和簡(jiǎn)單的燃燒過(guò)程相似，在氧化過(guò)程中釋放出大量的熱量。
為了進(jìn)一步加快反應速度、減少反應時(shí)間和降低反應溫度，使超臨界水氧化技術(shù)能充分發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，對催化超臨界水氧化技術(shù)處理廢水的研究正在日益興起。
優(yōu)缺點(diǎn)
編輯優(yōu)點(diǎn)：
（1）效率高，處理徹底，有機物在適當的溫度、壓力和一定的保留時(shí)間下，能完全被氧化成二氧化碳、水、氮氣以及鹽類(lèi)等無(wú)毒的小分子化合物，有毒物質(zhì)的清除率達99.99%以上，符合全封閉處理要求：
?。?）由于SCWO是在高溫高壓下進(jìn)行的均相反應，反應速率快，停留時(shí)間短（可小于1min），所以反應器結構簡(jiǎn)潔，體積??；
?。?）適用范圍廣，可以適用于各種有毒物質(zhì)、廢水廢物的處理；
?。?）不形成二次污染，產(chǎn)物清潔不需要進(jìn)一步處理，且無(wú)機鹽可從水中分離出來(lái)，處理后的廢水可完全回收利用；
?。?）當有機物含量超過(guò)2%時(shí)，就可以依靠反應過(guò)程中自身氧化放熱來(lái)維持反應所需的溫度，不需要額外供給熱量，如果濃度更高，則放出更多的氧化熱，這部分熱能可以回收。
?。?）由于SCWO是在高溫高壓下進(jìn)行的均相反應，反應速率快，停留時(shí)間短（可小于1min），所以反應器結構簡(jiǎn)潔，體積??；
?。?）適用范圍廣，可以適用于各種有毒物質(zhì)、廢水廢物的處理；
?。?）不形成二次污染，產(chǎn)物清潔不需要進(jìn)一步處理，且無(wú)機鹽可從水中分離出來(lái)，處理后的廢水可完全回收利用；
?。?）當有機物含量超過(guò)2%時(shí)，就可以依靠反應過(guò)程中自身氧化放熱來(lái)維持反應所需的溫度，不需要額外供給熱量，如果濃度更高，則放出更多的氧化熱，這部分熱能可以回收。
缺點(diǎn)：
盡管超臨界水氧化法具備了很多優(yōu)點(diǎn)，但其高溫高壓的操作條件無(wú)疑對設備材質(zhì)提出了嚴格的要求。另一方面，雖然已經(jīng)在超臨界水的性質(zhì)和物質(zhì)在其中的溶解度及超臨界水化學(xué)反應的動(dòng)力學(xué)和機理方面進(jìn)行了一些研究，但是這些與開(kāi)發(fā)、設計和控制超臨界水氧化過(guò)程必需的知識和數據相比，還遠不能滿(mǎn)足要求。
在實(shí)際進(jìn)行工程設計時(shí)，除了考慮體系的反應動(dòng)力學(xué)特性以外，還必須注意一些工程方面的因素，例如腐蝕、鹽的沉淀、催化劑的使用、熱量傳遞等。
?。?）腐蝕 在超臨界水氧化環(huán)境中比通常條件下更易導致金屬的腐蝕。高濃度的溶解氧、高溫高壓的條件、極端的pH值以及某些種類(lèi)的無(wú)機離子均可使腐蝕加快。腐蝕會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是反應完畢后的流出液中含有某些金屬離子（如鉻等），會(huì )影響處理的質(zhì)量；二是過(guò)度的腐蝕會(huì )影響壓力系統正常工作。在300～500℃、pH值2～9、氯化物濃度為400mg/L的條件下，對13種合金的腐蝕進(jìn)行了實(shí)驗研究。結果表明，在給定的溫度范圍內pH對腐蝕的影響不大。在300℃的亞臨界狀態(tài)下，由于水的介電常數和無(wú)機鹽的溶解度均較大，主要以電化學(xué)腐蝕為主。當溫度升至400℃以上時(shí)，水的介電常數和鹽的溶解度迅速下降，這時(shí)以化學(xué)腐蝕為主。
?。?）鹽的沉淀 在超臨界水氧化中，往往在進(jìn)料中加入堿中和過(guò)程中產(chǎn)生的酸和生成的鹽，因超臨界條件下無(wú)機物的溶解度很小，過(guò)程中會(huì )有鹽的沉淀。某些鹽的粘度較大，有可能會(huì )引起反應器或管路的堵塞。通過(guò)反應器形式的優(yōu)化和適當的操作方式可予以部分地改善。對于某些高含鹽體系可能需要預處理。
?。?）催化劑 在一些物質(zhì)的超臨界水氧化研究中使用了催化劑，主要是為了提高復雜有機物的轉化率、縮短反應時(shí)間或降低所需的反應溫度?？蓱玫慕^大部分催化劑是以往濕式空氣氧化和亞臨界水氧化過(guò)程研究中使用的。均相催化和非均相催化相比，非均相催化的綜合效果較好。
?。?）熱量傳遞 因為水的性質(zhì)在臨界點(diǎn)附近變化很大，在超臨界水氧化過(guò)程中也必須考慮臨界點(diǎn)附近的熱量傳遞問(wèn)題。在臨界點(diǎn)溫度以下但接近臨界點(diǎn)時(shí)，水的運動(dòng)粘度很低，溫度升高時(shí)自然對流增加，熱導率增加很快。但當溫度超過(guò)臨界點(diǎn)不多時(shí)，傳熱系數急劇下降，這可能是由于流體密度下降以及主體流體和管壁處流體的物理性質(zhì)的差異所導致。
雖然，超臨界水氧化技術(shù)仍存在著(zhù)一些有待解決的問(wèn)題，但由于它本身所具有的突出優(yōu)勢，在處理有害廢物方面越來(lái)越受到重視，是一項有著(zhù)廣闊發(fā)展和應用前景的新型處理技術(shù)。
?。?）腐蝕 在超臨界水氧化環(huán)境中比通常條件下更易導致金屬的腐蝕。高濃度的溶解氧、高溫高壓的條件、極端的pH值以及某些種類(lèi)的無(wú)機離子均可使腐蝕加快。腐蝕會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是反應完畢后的流出液中含有某些金屬離子（如鉻等），會(huì )影響處理的質(zhì)量；二是過(guò)度的腐蝕會(huì )影響壓力系統正常工作。在300～500℃、pH值2～9、氯化物濃度為400mg/L的條件下，對13種合金的腐蝕進(jìn)行了實(shí)驗研究。結果表明，在給定的溫度范圍內pH對腐蝕的影響不大。在300℃的亞臨界狀態(tài)下，由于水的介電常數和無(wú)機鹽的溶解度均較大，主要以電化學(xué)腐蝕為主。當溫度升至400℃以上時(shí)，水的介電常數和鹽的溶解度迅速下降，這時(shí)以化學(xué)腐蝕為主。
?。?）鹽的沉淀 在超臨界水氧化中，往往在進(jìn)料中加入堿中和過(guò)程中產(chǎn)生的酸和生成的鹽，因超臨界條件下無(wú)機物的溶解度很小，過(guò)程中會(huì )有鹽的沉淀。某些鹽的粘度較大，有可能會(huì )引起反應器或管路的堵塞。通過(guò)反應器形式的優(yōu)化和適當的操作方式可予以部分地改善。對于某些高含鹽體系可能需要預處理。
?。?）催化劑 在一些物質(zhì)的超臨界水氧化研究中使用了催化劑，主要是為了提高復雜有機物的轉化率、縮短反應時(shí)間或降低所需的反應溫度?？蓱玫慕^大部分催化劑是以往濕式空氣氧化和亞臨界水氧化過(guò)程研究中使用的。均相催化和非均相催化相比，非均相催化的綜合效果較好。
?。?）熱量傳遞 因為水的性質(zhì)在臨界點(diǎn)附近變化很大，在超臨界水氧化過(guò)程中也必須考慮臨界點(diǎn)附近的熱量傳遞問(wèn)題。在臨界點(diǎn)溫度以下但接近臨界點(diǎn)時(shí)，水的運動(dòng)粘度很低，溫度升高時(shí)自然對流增加，熱導率增加很快。但當溫度超過(guò)臨界點(diǎn)不多時(shí)，傳熱系數急劇下降，這可能是由于流體密度下降以及主體流體和管壁處流體的物理性質(zhì)的差異所導致。
雖然，超臨界水氧化技術(shù)仍存在著(zhù)一些有待解決的問(wèn)題，但由于它本身所具有的突出優(yōu)勢，在處理有害廢物方面越來(lái)越受到重視，是一項有著(zhù)廣闊發(fā)展和應用前景的新型處理技術(shù)。