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Le miracle chimique de l’eau surchauffée : comment est-elle devenue un solvant idéal pour les réactions industrielles ?
L'eau surchauffée est de l'eau liquide entre 100°C et 374°C (705°F) qui reste stable sous pression et ne peut pas bouillir, souvent appelée « eau sous-critique » ou « eau supercritique ». Eau chaude sous pression. En raison de ses propriétés physiques et chimiques particulières, l’eau surchauffée est progressivement devenue un solvant idéal pour les applications industrielles et analytiques, et peut remplacer les solvants organiques traditionnels, ce qui apportera de grands avantages à la protection de l’environnement.
L’eau surchauffée présente de nombreuses propriétés uniques dans les réactions chimiques, notamment la capacité d’agir comme solvant, réactif et catalyseur.
Changements de propriétés et de température
Les propriétés de l’eau changent lorsque sa température change, mais l’eau surchauffée change plus radicalement que ce à quoi on pourrait normalement s’attendre. À mesure que la température de l’eau augmente, la viscosité et la tension superficielle diminuent, tandis que la diffusivité augmente avec la température. De plus, l'autoionisation de l'eau augmente avec l'augmentation de la température, ce qui entraîne un pKw proche de 11 à 250 °C, indiquant que la concentration en ions hydrogène et la concentration en hydroxyde sont considérablement augmentées tandis que le pH reste neutre.
Explication du comportement inhabituel
L'eau est une molécule polaire avec une séparation des centres de charge positive et négative, ce qui permet à la molécule d'eau de répondre aux champs électriques. Cependant, le fort réseau de liaisons hydrogène présent dans l’eau restreint la disposition de ces molécules. Dans des conditions de surchauffe, la destruction continue des liaisons hydrogène entraîne une baisse significative de la constante diélectrique relative de l'eau, réduisant ainsi sa capacité à dissoudre les sels, mais augmente considérablement sa capacité à dissoudre les composés organiques dans une certaine plage de température.
Amélioration de la solubilité
Composés organiques
La solubilité des molécules organiques dans l'eau surchauffée augmente considérablement avec l'augmentation de la température, en partie à cause d'un changement de polarité qui rend les substances autrement insolubles, telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), plus solubles à 225 °C. La solubilité est augmentée de cinq ordres de grandeur, ce qui rend l’eau surchauffée plus avantageuse que les autres solvants lors du traitement des composés organiques.
Sels
Bien que la constante diélectrique relative de l’eau surchauffée diminue, de nombreux sels restent solubles jusqu’à ce qu’ils approchent du point critique. Par exemple, la solubilité du chlorure de sodium à 300 °C atteint 37 % en poids. Cependant, à l’approche du point critique, la solubilité de ces sels diminue fortement.
Gaz
En règle générale, la solubilité d’un gaz dans l’eau diminue lorsque la température augmente, mais ce n’est pas vrai avant une certaine température critique. En fait, les gaz tels que l’azote et l’oxygène peuvent retrouver leur solubilité dans l’eau surchauffée au-dessus de 90°C, ce qui les rend extrêmement précieux pour les processus d’oxydation humide.
CorrosifL'eau surchauffée peut être plus corrosive que l'eau à température ambiante, en particulier au-dessus de 300 °C, ce qui nécessite l'utilisation de matériaux d'alliage spéciaux résistants à la corrosion. Néanmoins, certains rapports indiquent que des tuyaux en acier au carbone ont été utilisés en continu pendant 20 ans à 282 °C avec seulement une corrosion mineure.
L'impact du stressEn dessous de 300°C, l’eau est relativement incompressible et la pression a un effet limité sur ses propriétés physiques. Étant donné que la pression de l’eau surchauffée affecte directement le taux d’extraction et peut même accélérer le processus d’extraction des matières végétales, l’eau surchauffée présente un grand potentiel pour les applications industrielles.
Besoins énergétiques
Les besoins énergétiques pour chauffer l’eau sont nettement inférieurs à ceux nécessaires pour la convertir en vapeur, ce qui la rend plus économique dans le processus de distillation. Pour 1000 kg d’eau, l’énergie nécessaire pour la chauffer de 25°C à 250°C est bien inférieure à celle nécessaire pour augmenter l’évaporation.
Extraction et réaction
L’eau surchauffée fonctionne bien dans une variété de réactions industrielles et peut réaliser efficacement des processus d’oxydation de composés organiques. En présence d’une faible teneur en oxygène, les composés organiques restent stables dans l’eau surchauffée, ce qui les rend idéaux pour les réactions de chimie verte.
Analyse chromatographique
En chromatographie liquide en phase inverse, un mélange d'eau et de méthanol est souvent utilisé comme phase mobile. Le passage à l'eau surchauffée permet une séparation sur une large plage de températures, ce qui permet d'obtenir de bons résultats analytiques.
L'eau surchauffée a un potentiel illimité, et les applications actuelles ne sont sans doute que la pointe de l'iceberg. Comment sa valeur environnementale et industrielle peut-elle être encore accrue à l'avenir ?
