Language
Country/Area
No result found
Phép màu hóa học của nước siêu nóng: Làm thế nào nó trở thành dung môi lý tưởng cho các phản ứng công nghiệp?
Nước siêu nóng là nước lỏng có nhiệt độ từ 100°C đến 374°C (705°F) vẫn ổn định dưới áp suất và không thể sôi, thường được gọi là "nước dưới tới hạn" hoặc "nước siêu tới hạn". Nước nóng dưới áp suất. Nhờ những tính chất lý hóa đặc biệt, nước quá nhiệt dần trở thành dung môi lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp và phân tích, có thể thay thế các dung môi hữu cơ truyền thống, mang lại lợi ích to lớn cho việc bảo vệ môi trường.
Nước quá nhiệt thể hiện nhiều tính chất độc đáo trong các phản ứng hóa học, bao gồm khả năng hoạt động như dung môi, thuốc thử và chất xúc tác.
Những thay đổi về tính chất và nhiệt độ
Tính chất của nước thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, nhưng nước quá nhiệt sẽ thay đổi mạnh mẽ hơn mức bình thường. Khi nhiệt độ của nước tăng, độ nhớt và sức căng bề mặt giảm, trong khi độ khuếch tán tăng theo nhiệt độ. Hơn nữa, quá trình tự ion hóa của nước tăng lên khi nhiệt độ tăng, dẫn đến pKw gần bằng 11 ở 250 °C, cho thấy cả nồng độ ion hydro và nồng độ hydroxide đều tăng đáng kể trong khi độ pH vẫn trung tính.
Giải thích về hành vi bất thường
Nước là phân tử phân cực với sự tách biệt giữa các trung tâm tích điện dương và âm, giúp phân tử nước có thể phản ứng với trường điện. Tuy nhiên, mạng lưới liên kết hydro mạnh trong nước hạn chế sự sắp xếp của các phân tử như vậy. Trong điều kiện quá nhiệt, sự phá hủy liên kết hydro liên tục làm cho hằng số điện môi tương đối của nước giảm đáng kể, do đó làm giảm khả năng hòa tan muối, nhưng lại làm tăng đáng kể khả năng hòa tan các hợp chất hữu cơ trong một phạm vi nhiệt độ nhất định.
Cải thiện độ hòa tan
Hợp chất hữu cơ
Độ hòa tan của các phân tử hữu cơ trong nước quá nhiệt tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng, một phần là do sự thay đổi về độ phân cực khiến các chất không hòa tan, chẳng hạn như hydrocarbon thơm đa vòng (PAH), hòa tan hơn ở 225°C. Độ hòa tan tăng lên theo năm cấp độ, khiến nước siêu nóng có lợi thế hơn các dung môi khác khi xử lý các hợp chất hữu cơ.
Muối
Mặc dù hằng số điện môi tương đối của nước quá nhiệt giảm, nhiều loại muối vẫn có thể hòa tan cho đến khi chúng đạt đến điểm tới hạn. Ví dụ, độ hòa tan của natri clorua ở 300°C đạt 37 wt%. Tuy nhiên, khi đạt đến điểm tới hạn, độ hòa tan của các muối này giảm mạnh.
Khí
Nói chung, độ hòa tan của khí trong nước giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng điều này không đúng trước khi đạt đến nhiệt độ tới hạn. Trên thực tế, các khí như nitơ và oxy có thể hòa tan trở lại trong nước quá nhiệt ở nhiệt độ trên 90°C, khiến chúng trở nên cực kỳ có giá trị đối với các quá trình oxy hóa ướt.
Ăn mònNước quá nhiệt có thể ăn mòn mạnh hơn nước ở nhiệt độ phòng, đặc biệt là trên 300°C, đòi hỏi phải sử dụng vật liệu hợp kim chống ăn mòn đặc biệt. Tuy nhiên, một số báo cáo chỉ ra rằng ống thép cacbon đã được sử dụng liên tục trong 20 năm ở nhiệt độ 282°C mà chỉ bị ăn mòn nhẹ.
Tác động của căng thẳngDưới 300°C, nước tương đối không nén được và áp suất có tác động hạn chế đến các tính chất vật lý của nước. Vì áp suất của nước quá nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ chiết xuất và thậm chí có thể đẩy nhanh quá trình chiết xuất nguyên liệu thực vật nên nước quá nhiệt có tiềm năng lớn cho các ứng dụng công nghiệp.
Yêu cầu năng lượng
Năng lượng cần thiết để đun nước thấp hơn đáng kể so với năng lượng cần thiết để chuyển nước thành hơi nước, giúp tiết kiệm hơn trong quá trình chưng cất. Đối với 1000 kg nước, năng lượng cần thiết để đun nước từ 25°C lên 250°C ít hơn nhiều so với năng lượng cần thiết để tăng tốc độ bay hơi.
Chiết xuất và phản ứng
Nước siêu nóng hoạt động tốt trong nhiều phản ứng công nghiệp và có thể thực hiện hiệu quả các quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Khi có nồng độ oxy thấp, các hợp chất hữu cơ vẫn ổn định trong nước quá nhiệt, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các phản ứng hóa học xanh.
Phân tích sắc ký
Trong sắc ký lỏng pha đảo, hỗn hợp nước và methanol thường được sử dụng làm pha động. Việc chuyển sang nước quá nhiệt cho phép tách trên phạm vi nhiệt độ rộng, đạt được kết quả phân tích tốt.
Nước siêu nóng có tiềm năng vô hạn và các ứng dụng ngày nay chắc chắn chỉ là phần nổi của tảng băng chìm. Làm thế nào để giá trị công nghiệp và môi trường của nó có thể được mở rộng hơn nữa trong tương lai?
