Language
Country/Area
No result found
Химическое чудо перегретой воды: как она стала идеальным растворителем для промышленных реакций?
Перегретая вода — это жидкая вода при температуре от 100°C до 374°C (705°F), которая остается стабильной под давлением и не может закипеть, часто ее называют «субкритической водой» или «сверхкритической водой». Горячая вода под давлением. Благодаря своим особым физическим и химическим свойствам перегретая вода постепенно стала идеальным растворителем для промышленных и аналитических применений и может заменить традиционные органические растворители, что принесет большую пользу для защиты окружающей среды.
Перегретая вода проявляет множество уникальных свойств в химических реакциях, включая способность действовать как растворитель, реагент и катализатор.
Изменения свойств и температуры
Свойства воды меняются при изменении ее температуры, но перегретая вода изменяется более резко, чем можно было бы ожидать. С повышением температуры воды вязкость и поверхностное натяжение уменьшаются, а коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры. Кроме того, автоионизация воды увеличивается с ростом температуры, в результате чего pKw приближается к 11 при 250 °C, что указывает на то, что как концентрация ионов водорода, так и концентрация гидроксида значительно увеличиваются, в то время как pH остается нейтральным.
Объяснение необычного поведения
Вода — полярная молекула с разделением положительных и отрицательных зарядовых центров, что позволяет молекуле воды реагировать на электрические поля. Однако сильная сеть водородных связей в воде ограничивает расположение таких молекул. В условиях перегрева непрерывное разрушение водородных связей приводит к значительному снижению относительной диэлектрической проницаемости воды, что снижает ее способность растворять соли, но значительно увеличивает ее способность растворять органические соединения в определенном диапазоне температур.
Улучшение растворимости
Органические соединения
Растворимость органических молекул в перегретой воде резко возрастает с ростом температуры, отчасти из-за изменения полярности, которое делает нерастворимые в противном случае вещества, такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), более растворимыми при 225°C. Растворимость увеличивается на пять порядков, что делает перегретую воду более выгодной по сравнению с другими растворителями при переработке органических соединений.
Соли
Хотя относительная диэлектрическая проницаемость перегретой воды уменьшается, многие соли остаются растворимыми, пока не достигнут критической точки. Например, растворимость хлорида натрия при 300°С достигает 37 мас.%. Однако при приближении к критической точке растворимость этих солей резко падает.
Газ
Обычно растворимость газа в воде уменьшается с повышением температуры, но это неверно до достижения некоторой критической температуры. Фактически, такие газы, как азот и кислород, могут восстанавливать свою растворимость в перегретой воде выше 90°C, что делает их чрезвычайно ценными для процессов мокрого окисления. Коррозионный
Перегретая вода может быть более едкой, чем вода комнатной температуры, особенно при температуре выше 300°C, что требует использования специальных коррозионно-стойких сплавов. Тем не менее, некоторые отчеты указывают на то, что трубы из углеродистой стали непрерывно использовались в течение 20 лет при температуре 282°C, и при этом наблюдалась лишь незначительная коррозия. Влияние стресса
При температуре ниже 300°C вода относительно несжимаема, и давление оказывает ограниченное влияние на ее физические свойства. Поскольку давление перегретой воды напрямую влияет на скорость экстракции и может даже ускорить процесс экстракции растительного сырья, перегретая вода имеет большой потенциал для промышленного применения.
Потребности в энергии
Энергозатраты на нагрев воды значительно ниже, чем на ее преобразование в пар, что делает процесс дистилляции более экономичным. Для нагрева 1000 кг воды от 25°C до 250°C требуется гораздо меньше энергии, чем требуется для увеличения испарения.
Извлечение и реакция
Перегретая вода хорошо себя проявляет в различных промышленных реакциях и может эффективно осуществлять процессы окисления органических соединений. В присутствии небольшого количества кислорода органические соединения остаются стабильными в перегретой воде, что делает их идеальными для реакций зеленой химии.
Хроматографический анализ
В обращенно-фазовой жидкостной хроматографии в качестве подвижной фазы часто используется смесь воды и метанола. Переход на перегретую воду позволяет проводить разделение в широком диапазоне температур, достигая хороших аналитических результатов.
Перегретая вода имеет неограниченный потенциал, и сегодняшние приложения, несомненно, являются лишь вершиной айсберга. Как ее экологическая и промышленная ценность может быть расширена в будущем?
