PRZEMYS£OWE ZASTOSOWANIA WODY POD- I NADKRYTYCZNEJ Woda w wysokich temperaturach i pod wysokimi ciœnieniami wykazuje

nie-zwykle korzystne cechy aplikacyjne. Wysoka dyfuzyjnoœæ i du¿a pojemnoœæ cieplna zapewniaj¹ szybki transport masy i ciep³a. Jednoczeœnie mieszalnoœæ z gazami oraz mo¿liwoœæ kontrolowania polarnoœci, zdolnoœci roztwórczej oraz w³aœciwoœci kwa-sowo-zasadowych wy³¹cznie poprzez zmianê warunków ciœnienia i temperatury, sprzyjaj¹ szerokim zastosowaniom technologicznym oraz przemys³owym. Do atrak-cyjnoœci wody w du¿ej mierze przyczynia siê, ponadto, jej nietoksycznoœæ i pow-szechna dostêpnoœæ w œrodowisku naturalnym.

Zjawisko dobrej rozpuszczalnoœci gazów w wodzie, w warunkach pod- i nad-krytycznych zosta³o wykorzystane w technologiach mokrego utleniania i hydroter-micznego spalania. Technologie mokrego utleniania stosowane s¹ na skalê przemy-s³ow¹ do oczyszczania œcieków i pó³p³ynnych odpadów przemys³owych od oko³o piêædziesiêciu lat. Mokre utlenianie (ang. wet oxidation) jest szczególnie przydatne, gdy stê¿enie zanieczyszczeñ waha siê w granicach od 1,5% do 20% masowych [3]. S¹ to œcieki zbyt stê¿one, aby oczyszczaæ je metodami biologicznymi, a jednocze-œnie zbyt rozcieñczone, aby uzasadnione by³o stosowanie metod klasycznego spala-nia z uwagi na energoch³onnoœæ procesu wynikaj¹c¹ z koniecznoœci odparowaspala-nia du¿ej masy wody. Mokre utlenianie jest procesem spalania w wodzie podkrytycz-nej, prowadzonym (zale¿nie od sk³adu œcieków) zazwyczaj pod ciœnieniem 0,5–20 MPa i w temperaturze 393–593 K [3]. Do wodnego roztworu œcieków wt³acza siê powietrze lub czysty tlen i podgrzewa do temperatury inicjuj¹cej proces utleniania. Proces ten jest samowystarczalny energetycznie, gdy¿ ciep³o spalania wystarcza do utrzymania temperatury w reaktorze. W przypadku œcieków bardziej stê¿onych poja-wia siê nadwy¿ka energetyczna wykorzystywana do produkcji pary technologicznej lub energii elektrycznej. Utrzymanie mieszaniny reakcyjnej w stanie ciek³ym, zapo-biega utracie ciep³a na odparowanie wody. Jednym z produktów poœrednich

utlenia-nia s¹ wolne rodniki, zwiêkszaj¹ce efektywnoœæ procesu. Koñcowymi produktami utleniania zanieczyszczeñ organicznych s¹ woda i dwutlenek wêgla. Skutecznoœæ metody w odniesieniu do alkoholi wy¿szych wynosi oko³o 95%, a w stosunku do cyjanków, nitryli i pestycydów przewy¿sza 99% [3]. Wydajnoœæ, pracuj¹cych obec-nie oko³o czterystu przemys³owych instalacji mokrego utleniania, waha siê od 2,3 do 25 m3/godz. [3]. Koszty instalacji przemys³owej s¹ porównywalne z kosztami budowy klasycznej spalarni odpadów, lecz koszty eksploatacyjne s¹ bez porówna-nia ni¿sze. Ponadto, w odró¿nieniu od klasycznych spalarni, technologie mokrego utleniania s¹ przyjazne dla œrodowiska, gdy¿ eliminuj¹ emisjê toksycznych gazów. Znacznie nowsza od mokrego utleniania jest technika hydrotermicznego spala-nia w wodzie nadkrytycznej. Impulsem do rozwoju technologii SCWO (ang. Super-critical Water Oxidation) by³y prace Francka i wspó³pracowników z prze³omu lat 1980–90 [4]. W 1988 r. Franck zademonstrowa³ samoczynny zap³on metanu w obec-noœci czystego tlenu w wodzie zawieraj¹cej 30% molowych metanu w temperaturze 673 K i pod ciœnieniem 100 MPa. Prowadzenie utleniania w wysokiej temperaturze zapewnia du¿y stopieñ mineralizacji. Ponadto technologie SCWO umo¿liwiaj¹ odbiór g³ównego produktu utleniania, jakim jest dwutlenek wêgla, w postaci cie-k³ej, nie zwiêkszaj¹c efektu cieplarnianego. SCWO oraz mokre utlenianie mog¹ byæ wykorzystywane do bezpiecznego spalania substancji wybuchowych, a tak¿e niszczenia broni chemicznej, poniewa¿ woda jest wyj¹tkowo pojemnym buforem cieplnym, co zapobiega niekontrolowanemu wzrostowi temperatury w procesie. Obie metody jako przyjazne œrodowisku naturalnemu cz³owieka s¹ podstaw¹ technologii zielonej chemii.

Stosunkowo now¹ metod¹ degradacji i rozk³adu zwi¹zków organicznych jest termohydroliza nadkrytyczna. W odró¿nieniu od mokrego i nadkrytycznego utle-niania, œrodowisko procesu jest beztlenowe, dziêki czemu nie wystêpuj¹ problemy zwi¹zane z korozj¹ materia³ów konstrukcyjnych. Rozk³ad zwi¹zków zachodzi wy³¹cz-nie pod wp³ywem wysokiej temperatury, analogiczwy³¹cz-nie jak w procesie pirolizy. Termo-hydroliza ma jednak tê przewagê, ¿e œrodowisko wodne zapobiega niepo¿¹danym procesom kondensacji i polimeryzacji. Wyniki badañ termohydrolizy zarówno stych jak i z³o¿onych zwi¹zków organicznych s¹ bardzo obiecuj¹ce. Hydroliza pro-wadzona w temperaturze 673 K i pod ciœnieniem 37 MPa, w czasie 10 min zapew-nia rozk³ad celulozy, nylonu, jedwabiu, chitozanu, czy polistyrenu w stopniu prze-kraczaj¹cym 90% [3]. Ponadto metoda ta mo¿e byæ wykorzystywana do odzyskiwa-nia u¿ytecznych zwi¹zków chemicznych, jak na przyk³ad kwasu tereftalowego sto-sowanego w produkcji w³ókien, folii, p³yt i butelek plastikowych [1].

Szereg innych zastosowañ wody nadkrytycznej obejmuje syntezê organiczn¹ [1, 2], oczyszczanie i ekstrakcjê [4], geochemiê [20], hodowlê wysokiej jakoœci krysz-ta³ów [4], a nawet energetykê j¹drow¹. Obecnie trwaj¹ prace nad zastosowaniem wody nadkrytycznej jako ch³odziwa i moderatora w reaktorach j¹drowych IV gene-racji. Reaktory SCWR pozwoli³oby zwiêkszyæ wydajnoœæ elektrowni j¹drowych z 33 do 45%, zmniejszyæ iloœæ odpadów promieniotwórczych, a tak¿e ograniczyæ problem proliferacji.

PODSUMOWANIE

Zastosowania technologiczne i przemys³owe wody pod- i nadkrytycznej wyprze-dzi³y rozwój badañ podstawowych. Przede wszystkim brakuje dok³adnych modeli matematycznych opisuj¹cych zachodz¹ce procesy. Konstrukcja modelu jest z kolei w du¿ej mierze zwi¹zana z opracowaniem uk³adu sprzê¿onych równañ ró¿niczko-wych opisuj¹cych kinetykê reakcji chemicznych. Na przyk³ad pe³ne rozwiniêcie modelu kinetycznego utleniania metanolu wymaga rozwa¿enia co najmniej stu dwu-dziestu szeœciu reakcji elementarnych [25]. Chocia¿ reakcje spalania i utleniania w fazie gazowej s¹ stosunkowo dobrze poznane a aktualny przegl¹d danych kine-tycznych i termodynamicznych mo¿na znaleŸæ w pracy [26], to bezpoœrednie prze-niesienie tych danych na spalanie SCWO nie jest uzasadnione. Powodem jest koniecz-noœæ uwzglêdnienia zarówno roli cz¹steczek wody jak i niejednorodnoœci struktu-ralnych rozpuszczalnika, spowodowanych wystêpowaniem klasterów molekularnych omawianych w Rozdziale 2. Pomimo ogromnego postêpu badawczego, jaki doko-na³ siê w ostatniej dekadzie [10] rola rozpuszczalnika, pozostaje niewyjaœniona dla szeregu reakcji. W szczególnoœci dotyczy to poznania mechanizmu reakcji rodniko-wych w radiolizie wody w wysokich temperaturach [27]. Okreœlenie kinetyki i wydaj-noœci reakcji indukowanych promieniowaniem jonizuj¹cym w wodzie nadkrytycz-nej jest wa¿ne dla zastosowania reaktorów j¹drowych IV generacji.

Obok poznania mechanizmów reakcji elementarnych rz¹dz¹cych procesami utleniania w wodzie pod- i nadkrytycznej, wa¿ne jest udoskonalenie opisu trans-portu oraz wymiany masy i ciep³a. Innym, niemniej istotnym, kierunkiem badañ jest opracowanie i wdro¿enie trwa³ych a zarazem tanich katalizatorów. Zastosowanie nowych katalizatorów pozwoli³oby zredukowaæ rozmiary reaktorów, zwiêkszyæ wydajnoœæ procesów technologicznych i obni¿yæ ich energoch³onnoœæ. Perspekty-wy noPerspekty-wych zastosowañ Perspekty-wymagaj¹ intensywnych badañ podstawoPerspekty-wych w takich dziedzinach jak termodynamika, kinetyka, kataliza, czy in¿ynieria materia³owa.

PIŒMIENNICTWO CYTOWANE

[1] P.E. Savage, J. Supercrit. Fluids, 2009, 47, 407 [2] A. Kruse, E. Dinjus, J. Supercrit. Fluids, 2007, 39, 362.

[3] R. Zarzycki (red.), Zaawansowane utlenianie w wodzie pod– i nadkrytycznej., Polska Akademia Nauk, Oddzia³ w £odzi, Komisja Ochrony Œrodowiska, £ódŸ 2002.

[4] E.U. Franck, Supercritical Water and Other Fluids – A Historical Perspective, [w:] Supercritical Fluids. Fundamentals and Applications. NATO Science Series, Kluwer Academic Publishers, 2000,

366, ss. 307–319.

[5] D.A. Palmer, R. Fernandez-Prini, A. H. Harvey (red.), Aqueous Systems at Elevated Temperatures and Pressures, Elsevier Academic 2004, ISBN: 0-12-544461-3.

[6] W. Wagner, A. Pruss, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2002, 31, 387. [7] W.L. Marshall, E.U. Franck, J. Phys. Chem. Ref. Data, 1981, 10, 295.

[8] D.P. Fernandez, A.R.H. Goodwin, E.W. Lemmon, J.M. Levelt Sengers, R.C. Williams, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1997, 26, 1125.

[9] R. Fernandez-Prini, J.L. Alvarez, A.H. Harvey, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2003, 32, 903. [10] N. Akiya, P.E. Savage, Chem. Rev., 2002, 102, 2725.

[11] Y. Maréchal, The Hydrogen Bond and the Water Molecule: The Physics and Chemistry of Water, Aqueous and Bio Media, Elsevier 2007, ISBN: 0-444-51957-2.

[12] F. Mallamace, Proc. Natl. Acad. Sci, USA 2009, 106, 15097.

[13] C. Huang, K.T. Wikfeldt, T. Tokushima, D. Nordlund, Y. Harada, U. Bergmann, M. Niebuhr, T.M. Weiss, Y. Horikawa, M. Leetmaa, M.P. Ljungberg, O. Takahashi, A. Lenz, L. Ojamae, A.P. Lyubartsev, S. Shin, L.G.M. Pettersson, A. Nilsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2009, 106, 15214.

[14] T. Head-Gordon, G. Hura, Chem. Rev., 2002, 102, 2651. [15] A.K. Soper , Chem. Phys., 2000, 258, 121.

[16] G. Hura, J.M. Sorenson, J. Chem. Phys., 2000, 113, 9140. [17] D. Swiatla-Wojcik, Chem. Phys. 2007, 342, 260.

[18] T.I. Mizan, P.E. Savage, R.M. Ziff, J. Supercrit. Fluids, 1997, 10, 119. [19] D. Swiatla-Wojcik, A. Pabis, J. Szala, Centr. Eur. J. Chem., 2008, 6, 555.

[20] A.G. Kalinichev, Molecular Simulations of Liquid and Supercritical Water: Thermodynamics, Structure, and Hydrogen Bonding, [w:] Reviews in Mineralogy and Geochemistry, Mineralogical Society of America, Washington, D.C. 2001, 42, ss. 83–130, ISBN: 0-939950-54-5.

[21] M.C. Bellissent-Funel, J. Mol. Liq., 2001, 90, 313.

[22] N. Matubayasi, C. Wakai, M. Nakahara, J. Chem. Phys., 1997, 107, 9133. [23] T. Yamaguchi, J. Mol. Liq., 1998, 78, 43.

[24] R.D. Mountain, J. Chem. Phys., 1999, 110, 2109. [25] E.E. Brock, P.E. Savage, AlChE J., 1995, 41, 1874.

[26] D.L. Baulch, C.T. Bowman, C.J. Cobos, R.A. Cox, Th. Just, J.A. Kerr, M.J. Pilling, D. Stocker, J. Troe, W. Tsang, R.W. Walker, J. Warnatz, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2005, 34, 757.

[27] G.V. Buxton, High temperature water radiolysis, [w:] Studies in Physical and Theoretical Chemi-stry, Elsevier 2001, 87, ss. 145–162, ISBN: 0-444-82902-4.

OZNACZANIE SIARKOWODORU