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Il miracolo chimico dell'acqua surriscaldata: come è diventata un solvente ideale per le reazioni industriali?
L'acqua surriscaldata è acqua liquida tra 100°C e 374°C (705°F) che rimane stabile sotto pressione e non può bollire, spesso definita "acqua subcritica" o "acqua supercritica". Acqua calda pressurizzata. Grazie alle sue particolari proprietà fisiche e chimiche, l'acqua surriscaldata è progressivamente diventata un solvente ideale per applicazioni industriali e analitiche e può sostituire i tradizionali solventi organici, con grandi benefici per la tutela dell'ambiente.
L'acqua surriscaldata presenta numerose proprietà uniche nelle reazioni chimiche, tra cui la capacità di agire come solvente, reagente e catalizzatore.
Cambiamenti di proprietà e temperatura
Le proprietà dell'acqua cambiano al variare della temperatura, ma l'acqua surriscaldata cambia in modo più drastico di quanto ci si aspetterebbe normalmente. All'aumentare della temperatura dell'acqua, la viscosità e la tensione superficiale diminuiscono, mentre la diffusività aumenta con la temperatura. Inoltre, l'autoionizzazione dell'acqua aumenta con l'aumentare della temperatura, con un pKw prossimo a 11 a 250 °C, il che indica che sia la concentrazione di ioni idrogeno sia quella di idrossido aumentano significativamente mentre il pH rimane neutro.
Spiegazione del comportamento insolito
L'acqua è una molecola polare con separazione dei centri di carica positiva e negativa, che consente alla molecola d'acqua di rispondere ai campi elettrici. Tuttavia, la forte rete di legami idrogeno presente nell'acqua limita la disposizione di tali molecole. In condizioni di surriscaldamento, la continua distruzione dei legami idrogeno provoca una diminuzione significativa della costante dielettrica relativa dell'acqua, riducendo così la sua capacità di sciogliere i sali, ma aumentando notevolmente la sua capacità di sciogliere i composti organici entro un certo intervallo di temperatura.
Miglioramento della solubilità
Composti organici
La solubilità delle molecole organiche in acqua surriscaldata aumenta drasticamente con l'aumento della temperatura, in parte a causa di un cambiamento di polarità che rende sostanze altrimenti insolubili, come gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), più solubili a 225°C. La solubilità aumenta di cinque ordini di grandezza, rendendo l'acqua surriscaldata più vantaggiosa di altri solventi durante l'elaborazione di composti organici.
Sali
Sebbene la costante dielettrica relativa dell'acqua surriscaldata diminuisca, molti sali rimangono solubili fino a quando non si avvicinano al punto critico. Ad esempio, la solubilità del cloruro di sodio a 300°C raggiunge il 37% in peso. Tuttavia, avvicinandosi al punto critico, la solubilità di questi sali diminuisce drasticamente.
Benzina
In generale, la solubilità di un gas in acqua diminuisce all'aumentare della temperatura, ma questo non è vero prima di una certa temperatura critica. Infatti, gas come l'azoto e l'ossigeno possono riacquistare la loro solubilità in acqua surriscaldata oltre i 90°C, rendendoli estremamente preziosi per i processi di ossidazione a umido.
CorrosivoL'acqua surriscaldata può essere più corrosiva dell'acqua a temperatura ambiente, soprattutto se supera i 300°C, e ciò richiede l'uso di speciali materiali in lega resistenti alla corrosione. Tuttavia, alcuni rapporti indicano che i tubi in acciaio al carbonio sono stati utilizzati ininterrottamente per 20 anni a 282 °C, riscontrando solo una minima corrosione.
L'impatto dello stressA temperature inferiori a 300°C, l'acqua è relativamente incomprimibile e la pressione ha un effetto limitato sulle sue proprietà fisiche. Poiché la pressione dell'acqua surriscaldata influisce direttamente sulla velocità di estrazione e può persino accelerare il processo di estrazione di materiali vegetali, l'acqua surriscaldata ha un grande potenziale per le applicazioni industriali.
Fabbisogno energetico
Il fabbisogno energetico per riscaldare l'acqua è notevolmente inferiore a quello necessario per convertirla in vapore, rendendo il processo di distillazione più economico. Per 1000 kg di acqua, l'energia necessaria per riscaldarla da 25°C a 250°C è molto inferiore a quella necessaria per aumentare l'evaporazione.
Estrazione e reazione
L'acqua surriscaldata si comporta bene in una varietà di reazioni industriali e può svolgere efficacemente i processi di ossidazione dei composti organici. In presenza di poco ossigeno, i composti organici rimangono stabili nell'acqua surriscaldata, il che li rende ideali per le reazioni di chimica verde.
Analisi cromatografica
Nella cromatografia liquida a fase inversa, una miscela di acqua e metanolo viene spesso utilizzata come fase mobile. Il passaggio all'acqua surriscaldata consente la separazione in un ampio intervallo di temperatura, ottenendo buoni risultati analitici.
L'acqua surriscaldata ha un potenziale illimitato e le applicazioni odierne sono senza dubbio solo la punta dell'iceberg. Come può il suo valore ambientale e industriale essere ulteriormente ampliato in futuro?
