СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ВОДА -- АКТИВНАЯ СРЕДА НОВЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
Подготовила В.Михайлова.
В последние годы за рубежом, главным образом в США и Японии,
произошло резкое расширение фундаментальных и прикладных работ по
использованию воды в сверхкритическом состоянии для переработки
низкосортного энергетического сырья, токсичных веществ,
промышленных и бытовых отходов. Развитие метода сверхкритического
водного окисления (СКВО) опирается на мощную финансовую поддержку
как со стороны частных компаний, так и государств. В этом году
под руководством д.ф.-м.н., профессора А.Вострикова из Института
теплофизики СО РАН сформирована интеграционная программа
"Исследование фундаментальных свойств сверхкритических флюидов на
основе воды как активных природных и технологических сред",
которая объединила усилия ученых нескольких институтов СО РАН:
Теплофизики, Катализа, Минералогии и петрографии, Гидродинамики и
Новосибирского госуниверситета. О том, какова сейчас ситуация с
практическим использованием метода СКВО и связанных с этим
фундаментальных проблем, наше интервью с заведующим лабораторией
молекулярно-пучковых исследований, профессором А.Востриковым.
-- Анатолий Алексеевич, в чем же состоит уникальность
сверхкритической воды (СКВ)?
-- Вещество в сверхкритическом состоянии часто называют флюидом,
подчеркивая этим особые свойства сверхкритического состояния,
которые отличаются от свойств жидкой и газообразной фаз данного
вещества. Вода -- самый распространенный и экологически чистый
растворитель в природе -- переходит в сверхкритическое состояние
при температуре выше 374 градусов Цельсия и давлении более 221
атм. Любое повышение давления СКВ не приводит к конденсации, т.е.
не разрушает гомогенное состояние среды. Физико-химические
свойства СКВ совершенно иные, чем у жидкой воды. СКВ способна
растворять неполярные химические соединения и при этом не
растворяет многие неорганические соли. При достаточно высоком
давлении СКВ обладает неограниченной смесимостью как с
органическими соединениями, так и с кислородом. Это является
одним из веских аргументов в пользу гипотезы зарождения жизни на
Земле в сверхкритических гидротермальных системах на дне древнего
океана. Способность СКВ растворять органические вещества и
кислород и существенно изменять свою плотность и активность при
изменении давления и температуры, не разрушая однородности,
обеспечивает высокую технологическую эффективность СКВ для
частичного окисления сложных органических и сепарации
неорганических веществ. Более того, наши исследования показали,
что при Т>600 градусов Цельсия вода сама становится источником
водорода и кислорода.
-- Что представляет собой метод сверхкритического водного
окисления (СКВО)?
-- Процесс СКВО состоит в превращении органических и
неорганических соединений в более простые, полезные и
экологически безвредные вещества. Сложные органические соединения
дают при разложении, например, водород, окись углерода, метан,
бензол, толуол и другие ценные продукты. Хлор, фтор, фосфор и
сера, содержащиеся в органических веществах, образуют кислотные
остатки и легко выделяются в виде неорганических кислот или
солей. Азотосодержащие органические соединения и аммонийные
вещества разлагаются с выделением азота. Металлы выделяются в
виде неорганических солей или окислов. Большинство устойчивых в
условиях СКВО неорганических соединений мало растворимы и
выпадают в осадок или выделяются в виде газа при сбросе давления.
Полнота и высокая скорость реакций в СКВ обеспечиваются
молекулярной дисперсностью реагентов. Кинетика и механизмы
химических реакций в СКВ зависят от температуры и давления
(плотности) среды. Так, даже незначительное изменение давления
СКВ сопровождается значительным изменением плотности,
существенным для диффузионных, вязкостных, диэлектрических и
растворяющих свойств среды. Наши и другие исследования, например,
Sandia National Laboratory (США), показали, что при оптимальном
давлении и температуре СКВ время пребывания исходного вещества
("топлива") в реакторе, необходимое для разложения до заданного
уровня, составляет 1--2 мин. Это обеспечивает высокие скорости
переработки в реакторах проточного типа.
Профессор А.Востриков демонстрирует экспериментальный
комплекс СКВО сотрудникам фирмы Air Products Chemical Inc. (США).
|
-- В чем преимущества метода СКВО, например, в утилизации
отходов, перед стандартными технологиями сжигания?
-- Процесс СКВО одностадийный. Он реализуется в замкнутой схеме
при достаточно низкой температуре (~ 600 градусов Цельсия) и
полном смешении реагентов. Этим обеспечивается предельно высокая
эффективность разложения "топлива", пренебрежимо малый выход
вредных окислов азота и серы, полный сбор и анализ состава
продуктов разложения до начала их контакта с окружающей средой.
Метод СКВО универсальный. СКВО с одинаковым успехом могут быть
подвергнуты коммунальные и сельскохозяйственные стоки, отходы
химической, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей,
биологической и фармацевтической промышленности. Например,
известно, что с 1992 года фирма General Atomics разрабатывает
технологию СКВО для переработки токсичных отходов Минобороны США,
в частности, ракетных топлив и химического оружия. В
Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) изучаются проблемы
переработки методом СКВО отходов производства плутония. В Японии
корпорацией ORGANO в 1997 г. на основе метода СКВО создан опытный
завод близ Токио по переработке двух тонн токсичных отходов в
сутки. Недавно в Японии началось финансирование крупномасштабного
национального научно-исследовательского проекта "Сверхкритические
флюидные технологии".
-- Насколько метод СКВО экономически привлекателен?
-- Для нашей страны этот вопрос, конечно, принципиальный. Хотя,
когда речь идет о сверхопасных веществах, главное -- это
эффективность их уничтожения. Что касается экономической
эффективности, то исходя из данных эксплуатации лабораторных и
полупромышленных установок США стоимость переработки одного литра
отходов в реакторе СКВО оценивается в 5--20 центов, что примерно
в 10 раз дешевле, чем при переработке с помощью традиционной
технологии сжигания. Важно, что реакции окисления органики
экзотермичны, и тепло реакций компенсирует энергозатраты на
создание СКВ. При содержании в водной смеси порядка 10%
органического вещества метод СКВО экономически эффективнее не
только метода сжигания, но и методов окисления влажным воздухом и
обработки активированным углем.
-- Какие исследования технологического применения СКВ ведутся в
нашей стране?
-- Мне известны только фрагментарные исследования СКВ,
направленные на получение фундаментальных данных.
Сверхкритические системы типа вода--газ--соль всегда были
объектом исследований геологов и геохимиков в связи с
фундаментальными проблемами образования гидротермальных рудных
месторождений. Такие работы, в частности, проводятся в ряде
институтов СО РАН. Моя лаборатория, по-видимому, единственная,
где ведутся экспериментальные исследования технологических
возможностей метода СКВО применительно к задачам энергетики и
экологии. Нами исследованы кинетика разложения модельных веществ:
эйкозана, нафталина, тиофена, газификация тяжелых нефтяных
остатков, конверсия сульфатного (черного) щелока и экстракция
органических веществ и серы из бурого Канско-Ачинского угля.
Рабочий диапазон температуры и давления в реакторе СКВО --
400--800 градусов Цельсия и 300--400 атм.
-- Анатолий Алексеевич, вы известный специалист в области физики
кластеров. Ваши молекулярно-пучковые исследования теплофизики
молекулярных кластеров, по общему признанию, являются
классическими, и вдруг -- сверхкритическая вода. Какая здесь
связь?
-- Во-первых, гидратированные комплексы (смешанные кластеры), как
оказалось, играют важную роль в процессе СКВО. Во-вторых, моя
первая научная статья была посвящена экспериментальному
определению критических параметров фреонов Ф-21 и Ф-114В2. В свое
время я сделал установку с пьезометром постоянного объема для
наблюдения за переходом фреонов в сверхкритическое состояние.
Этот опыт пригодился мне при создании реакторов и систем
поддержания давления и температуры. В-третьих, в дальнейшем я
курировал создание самого мощного в мире генератора молекулярных
пучков и оснащал его системами вакуумной откачки,
электронно-оптическими и масс-спектрометрическими системами
диагностики. Эти системы диагностики, в частности, системы
масс-спектрометрического анализа газофазных продуктов реакций
СКВО в пучке, являются составной частью нашего экспериментального
комплекса СКВО. Метод СКВО мы начали развивать в 1997 году по
предложению академика В.Накорякова. Наличие солидной
экспериментальной базы и опыта позволило нам приступить к
систематическим исследованиям разложения органических веществ в
СКВ уже осенью того же года. Замечу, что, например, в
Университете штата Делавер на конструирование, изготовление и
тестирование оптических проточных реакторов с регистрацией
реагентов СКВО по ИК-спектрам и комбинационному рассеянию
потребовалось 4 года. Наш экспериментальный комплекс СКВО
уникален даже по своим функциональным возможностям. Сейчас целью
работы является создание опытно-промышленных установок для
разложения тяжелых нефтяных остатков и регенерации сульфатного
щелока.
-- Какие результаты ваших исследований вы могли бы выделить?
-- Мы установили режимы полной газификации тяжелых нефтяных
остатков, полученных после возгонки летучих компонент из нефти в
вакууме при Т = 600 градусам Цельсия, без образования сажи.
Обнаружили, что при Т = 710 градусам Цельсия реализуются
оптимальные условия для получения таких ценных продуктов, как
бензол, толуол, водород. Определили константу скорости разложения
наиболее устойчивого ароматического соединения -- нафталина.
Показали, что метод СКВО целесообразно использовать для улучшения
качества бурых углей: уголь переходит в полукокс, практически не
содержит серы, наблюдается хороший выход водорода. Установили,
что серу органических веществ при СКВО можно переводить в Н2S,
СS2 и СOS. В исследованиях с сульфатным щелоком (продукт
сульфатной варки древесной целлюлозы) были определены режимы
полной газификации органической части сульфатного щелока без
потери натрия и серы. В результате использования метода СКВО
исключаются стадия сжигания органической части сульфатного щелока
и энергоемкая стадия регенерации NaOH из Na2CO3 с помощью
Ca (OH) 2.
-- Не могли бы вы кратко сформулировать перспективные направления
использования метода СКВО и фундаментальные проблемы, которые
необходимо решить для успешного внедрения метода СКВО?
-- Технология СКВО -- лишь одна из широкого спектра новых
экологически чистых и экономически эффективных технологий,
использующих уникальные свойства СКВ как растворителя и среды для
химических реакций. На этой же основе возможно производство
синтетических топлив из низкосортного энергетического сырья,
получение органических и неорганических порошков, волокон и
пленок с заранее заданными свойствами, гидротермальный синтез
кристаллов, а также создание эффективных замкнутых систем
жизнеобеспечения изолированных объектов, например, подводных
лодок, космических кораблей. Естественно, что развитие этих
технологий потребует фундаментальных исследований, в частности,
калорических и транспортных свойств систем на основе СКВ, проблем
перемешивания реагентов, фазового поведения таких систем как
Na2SO4--H2O,
Na2SO4--H2O--CO2,
NaCl--H2O--CO2 в широком диапазоне
температур и давлений, коррозионной стойкости стенок реакторов.
-- Что сдерживает развитие экспериментальных исследований СКВО в
других организациях РАН?
-- Прежде всего, отсутствие целевого финансирования таких работ и
недопонимание огромных перспектив развития новых экологически
чистых технологий на основе уникальных свойств СКВ. Например, в
США эти работы финансируются Агентством по защите окружающей
среды (ЕРА), Министерством энергетики (DOE), Национальным
космическим агентством (NASA), военными ведомствами (DOD, USAF,
ARPA). К сожалению, экономическое положение и экологические
законы нашей страны не стимулируют интенсивное развитие
экологически чистых технологий. В перспективе эта ситуация,
конечно, изменится, и тогда придется покупать технологии и
оборудование СКВО в других странах и приспосабливать их к нашим
условиям и составу загрязненных стоков и отходов производств.
Пока еще в институтах РАН ведутся фундаментальные исследования
СКВ, есть кадры и экспериментальная база, необходимо усилить
целевое государственное финансирование и координацию таких работ.
Мы решили самостоятельно скоординировать наши усилия в СО РАН в
рамках интеграционного проекта "Исследование фундаментальных
свойств сверхкритических флюидов на основе воды как активных
природных и технологических сред" и провести в следующем году
первую в России конференцию, посвященную данной проблеме.
стр.
|