Oxidación de agua supercrítica - Supercritical water oxidation

Agua supercrítica (zona roja)

La oxidación por agua supercrítica ( SCWO ) es un proceso que ocurre en el agua a temperaturas y presiones por encima del punto crítico termodinámico de una mezcla . En estas condiciones, el agua se convierte en un fluido con propiedades únicas que puede utilizarse con ventaja en la destrucción de desechos peligrosos como los bifenilos policlorados (PCB). El fluido tiene una densidad entre la del vapor de agua y el líquido en condiciones estándar, y exhibe altas tasas de difusión similares a las de los gases junto con altas tasas de colisión similares a las de los líquidos . Además, el comportamiento del agua como solvente se altera (en comparación con el del agua líquida subcrítica), se comporta mucho menos como un solvente polar. Como resultado, el comportamiento de solubilidad se "invierte" de modo que los hidrocarburos clorados se vuelven solubles en el agua, lo que permite la reacción de una sola fase de los desechos acuosos con un oxidante disuelto . La solubilidad inversa también causa sales para precipitar fuera de la solución, lo que significa que pueden ser tratadas utilizando los métodos convencionales para los residuos de los desechos sólidos. Las reacciones de oxidación eficientes ocurren a baja temperatura (400-650 ° C) con producción reducida de NOx .

SCWO puede clasificarse como química verde o como tecnología limpia. Las elevadas presiones y temperaturas requeridas para SCWO se encuentran habitualmente en aplicaciones industriales como el refinado de petróleo y la síntesis química.

Una adición única al mundo de la oxidación del agua supercrítica (SCW) está generando llamas de alta presión dentro del medio SCW. Los trabajos pioneros sobre llamas de agua supercríticas a alta presión fueron realizados por el profesor EU Franck en la Universidad Alemana de Karlsruhe a finales de los 80. Los trabajos se orientaron principalmente a anticipar las condiciones que provocarían la generación espontánea de llamas no deseables en el proceso de oxidación SCW sin llama. Estas llamas provocarían inestabilidades en el sistema y sus componentes. ETH Zurich prosiguió la investigación de llamas hidrotermales en reactores de funcionamiento continuo. Las crecientes necesidades de métodos de destrucción y tratamiento de residuos motivaron a un grupo japonés de la Corporación Ebara a explorar las llamas SCW como una herramienta medioambiental. La investigación sobre llamas hidrotermales también ha comenzado en el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, Ohio.

Reactor de fluidos supercríticos
El reactor de fluidos supercríticos (SFR) en la Instalación de Investigación de Combustión (CRF) de Sandia National Laboratories, 1995.
Célula óptica de alta presión y alta temperatura.
Célula óptica de alta presión y alta temperatura.

Investigación básica

La investigación básica sobre la oxidación del agua supercrítica se llevó a cabo en la década de 1990 en la Instalación de Investigación de Combustión (CRF) del Laboratorio Nacional Sandia, en Livermore, CA. Originalmente propuesto como una tecnología de destrucción de desechos peligrosos en respuesta al protocolo de Kioto , Steven F. Rice y Russ Hanush estudiaron múltiples corrientes de desechos, y las llamas hidrotermales (agua supercrítica) fueron investigadas por Richard R. Steeper y Jason D. Aiken. Entre las corrientes de desechos estudiadas se encuentran los tintes militares y la pirotecnia, el metanol y el alcohol isopropílico. Se utilizó peróxido de hidrógeno como agente oxidante y Eric Croiset recibió la tarea de realizar mediciones detalladas de la descomposición del peróxido de hidrógeno en condiciones de agua supercríticas.

Los principales desafíos de ingeniería se asociaron con la deposición de sales y la corrosión química en estos reactores de agua supercrítica. Anthony Lajeunesse dirigió el equipo que investigaba estos problemas. Para abordar estos problemas, Lajeunesse diseñó un reactor de pared transpirante que introdujo un diferencial de presión a través de las paredes de un manguito interior lleno de poros para enjuagar continuamente las paredes interiores del reactor con agua dulce. Russ Hanush se encargó de la construcción y operación del reactor de fluidos supercríticos (SFR) utilizado para estos estudios. Entre las complejidades de su diseño se encuentran la aleación Inconel 625 necesaria para el funcionamiento a temperaturas y presiones tan extremas, y el diseño de las celdas ópticas de alta presión y alta temperatura utilizadas para el acceso fotométrico a los flujos de reacción que incorporan sellos de presión de oro de 24 quilates y zafiro. ventanas.

Aplicaciones comerciales

Varias empresas en los Estados Unidos ahora están trabajando para comercializar reactores supercríticos para destruir desechos peligrosos . La aplicación comercial generalizada de la tecnología SCWO requiere un diseño de reactor capaz de resistir el ensuciamiento y la corrosión en condiciones supercríticas.

En Japón existen varias aplicaciones comerciales de SCWO, entre ellas una unidad para el tratamiento de residuos halogenados construida por Organo. En Corea, Hanwha ha construido dos unidades de tamaño comercial .

En Europa, Chematur Engineering AB de Suecia comercializó la tecnología SCWO para el tratamiento de catalizadores químicos usados ​​para recuperar el metal precioso, el proceso AquaCat. La unidad ha sido construida para Johnson Matthey en el Reino Unido. Es la única unidad SCWO comercial en Europa y con su capacidad de 3000  l / h es la unidad SCWO más grande del mundo. La tecnología Super Critical Fluids de Chematur fue adquirida por SCFI Group ( Cork, Irlanda ), que comercializa activamente el proceso Aqua Critox SCWO para el tratamiento de lodos, por ejemplo, lodos de destintado y lodos de depuradora. Se han realizado muchos ensayos de larga duración en estas aplicaciones y, gracias a la alta eficiencia de destrucción del 99,9% +, el residuo sólido después del proceso SCWO es muy adecuado para el reciclaje, en el caso de lodos de destintado como relleno de papel y en el caso de lodos de depuradora como fósforo y coagulante. SCFI Group opera una  planta de demostración Aqua Critox de 250 l / h en Cork, Irlanda.

Turbosystems Engineering (California, EE. UU.) Está comercializando activamente su reactor SCWO de pared transpirante patentado ("TWR") con un enfoque en aplicaciones de energía renovable.

374Water Inc. es una empresa que ofrece contenedores SCWO comerciales que convierten biosólidos y lodos de aguas residuales en agua limpia y minerales. Se deriva de un proyecto financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates y con sede en la Universidad de Duke. Los fundadores, el profesor Marc Deshusses y Kobe Nagar, poseen la patente del reactor de procesamiento de residuos relevante para SCWO.

Aquarden Technologies (Skaevinge, Dinamarca) proporciona plantas SCWO modulares para la destrucción de contaminantes peligrosos como PFAS, pesticidas y otros hidrocarburos problemáticos en corrientes de desechos industriales. Aquarden también está proporcionando remediación de desechos energéticos peligrosos y agentes de guerra química con SCWO, donde un sistema SCWO a gran escala ha estado operando durante algunos años en Francia para la Industria de Defensa.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Hay algunos grupos de investigación que trabajan en este tema en todo el mundo: