工程上,将某
流体所处的压力(P)和温度(T)均超过临界压力(Pc)和临界温度(Tc)时的这种状态称为超临界。
通常情况下,水以蒸汽、液态和冰三种常见的状态存在,且是
极性溶剂,可以溶解包括盐在内的大多数
电解质,对气体和大多数
有机化合物则微溶或不溶。液态水的密度几乎不随压力升高而改变。但是如果将水的温度和压力升高到临界点(T=374.3K,P=22.1MPa)以上,水的性质发生了极大变化,其密度、
介电常数、黏度、扩散系数、热导率和溶解性等都不同于普通水。水的存在状态如图
通过测定水在亚临界到超临界区的介电常数、离子
解离常数及Raman光谱可探索水的溶剂性质和
分子结构。结果表明:水的
定态介电常数从常温的80变到临界点的5-10,在450℃或更高时降到2左右。离子解离常数从室温的10-14到近临界区的10-13,而在超临界区变成10-23。水的Raman光谱结果也表明在超临界状态下水中只剩下少部分
氢键。这些结果意味着水的行为与非
极性压缩气体相近,其
溶剂性质与低极性
有机化合物相似。因而,碳氢化合物在超临界水中通常有很高的
溶解度。例如,在25℃时,苯在水中的溶解度为0.07%,295℃时上升为35%,在300℃时即超越苯一水
混合物的临界点,只存在一个相,因此,任何比例的组分都是互溶的。同理,在375℃以上,超临界水可与
氧气、空气和
氮气及有机物以任意比例互溶。
与有机物的高溶解度相比,
无机盐在超临界水中的溶解度非常低,并且随水的
介电常数减小而减小,当温度大于475℃时,
无机化合物在超临界水中的溶解度急剧减小,呈盐类析出或以浓缩盐水的形式存在。如NaCl在300℃水中的
溶解度为37%,而在550℃和25MPa的水中的溶解度为120mg/L,其原因主要是由水的低介电常数和离子
解离常数造成的。同时,在超临界水中溶解的无机盐
溶质具有不同于常温常压下的特殊性,对于等压条件下的温度上升,水的介电常数会降低,有利于溶质的缔合;相反,等温条件下压力的上升有利于溶质的分解。在高温低压的超临界条件下,当水的
介电常数小于15时,水中溶解的溶质会发生大规模的缔合作用,即常温常压下的强
电解质在高温低压的超临界条件下会变为弱电解质,而室温下的弱电解质则形成中性的缔合的
配位化合物。
(22.1MPa)条件下,以超临界水作为反应介质来氧化分解
有机化合物。在超临界水氧化过程中,由于超临界水对有机物和
氧气都是极好的
溶剂,因此有机物的氧化可以在富氧的均一相中进行,反应不会因相间转移而受限制。同时较高的反应温度也使反应
速率加快,在很短的反应停留时间内,有机物的去除率可以达到99.99%以上。在氧化过程中,有机污染物中的C、H元素最后转化成
二氧化碳和水;N、S、P和
卤族元素等杂
原子氧化生成气体、
含氧酸或盐;在超临界水中盐类以浓缩盐水溶液的形式存在或形成固体颗粒而析出,
超临界流体中的水经过冷却后成为清洁水。因而,超临界水氧化技术是在不产生有害副产物情况下彻底有效降解有机污染物的一种新方法。
从理论上讲,SCWO技术(超临界水氧化,Supercritical
H₂O Oxidation,简称SCWO)适用于处理任何含有机污染物的废物:高浓度的有机废液、有机蒸汽、有机固体、有机
废水、污泥、悬浮有机溶液或
吸附了
有机化合物的
无机化合物;废水中的有机物和
氧化剂(O,HO)在单一相中反应生成CO和HO;出现在有机物中的杂
原子氯、硫和磷分别被转化为HCl、HSO和HPO,有机氮主要形成N;在超临界水的氧化环境不产生NO[70,71]。因此SCWO过程无需尾气处理,不会造成二次污染。另外,当废水中的有机物浓度大于2%时,可利用反应放出的热维持过程的
热平衡,从而实现自热反应。有机废物在超临界水中进行的氧化反应,概括地可以用以下
化学方程式表示:
火电厂超临界机组和超超临界机组指的是锅炉内工质的压力。锅炉内的工质都是水,水的临界压力是22.115MPa ,临界温度是374.15℃ ;在这个压力和温度时,水和蒸汽的密度是相同的,就叫水的临界点,炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉,大于这个压力就是
超临界锅炉,炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界。在工程上,也常常将25MPa以上的称为超超临界。