La oxidación en agua supercrítica ( SCWO ) es un proceso que ocurre en el agua a temperaturas y presiones superiores al punto crítico termodinámico de una mezcla . En estas condiciones, el agua se convierte en un fluido con propiedades únicas que se pueden utilizar para la destrucción de residuos recalcitrantes y peligrosos, como los bifenilos policlorados (PCB) o las sustancias perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS). El agua supercrítica tiene una densidad entre la del vapor de agua y la del líquido en condiciones estándar, y exhibe altas tasas de difusión similares a las de los gases junto con altas tasas de colisión similares a las de los líquidos . Además, el comportamiento del agua como disolvente se altera (en comparación con el del agua líquida subcrítica): se comporta mucho menos como un disolvente polar. Como resultado, el comportamiento de solubilidad se "invierte" de modo que el oxígeno y los compuestos orgánicos como los hidrocarburos clorados se vuelven solubles en el agua, lo que permite la reacción monofásica de los residuos acuosos con un oxidante disuelto . La solubilidad inversa también hace que las sales se precipiten fuera de la solución, lo que significa que pueden tratarse utilizando métodos convencionales para residuos sólidos. Las reacciones de oxidación eficientes ocurren a baja temperatura (400-650 °C) con una producción reducida de NOx .
La oxiacetilación de agua desionizada se puede clasificar como química verde o como tecnología limpia. Las elevadas presiones y temperaturas que requiere la oxiacetilación de agua desionizada se encuentran de manera habitual en aplicaciones industriales como la refinación de petróleo y la síntesis química.
Una novedad única (y sobre todo de interés académico) en el mundo de la oxidación con agua supercrítica (SCW) es la generación de llamas a alta presión en el interior del medio SCW. Los trabajos pioneros sobre llamas de agua supercrítica a alta presión fueron realizados por el profesor EU Franck en la Universidad alemana de Karlsruhe a finales de los años 80. Los trabajos tenían como objetivo principal anticipar las condiciones que provocarían la generación espontánea de llamas no deseadas en el proceso de oxidación SCW sin llama. Estas llamas causarían inestabilidad en el sistema y sus componentes. La ETH de Zúrich se dedicó a la investigación de las llamas hidrotermales en reactores de funcionamiento continuo. La creciente necesidad de métodos de tratamiento y destrucción de residuos motivó a un grupo japonés de la Corporación Ebara a explorar las llamas SCW como herramienta medioambiental. La investigación sobre llamas hidrotermales también ha comenzado en el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, Ohio.
En la década de 1990 se llevó a cabo una investigación básica sobre la oxidación en agua supercrítica en el Centro de Investigación de Combustión (CRF) del Laboratorio Nacional de Sandia, en Livermore, California. Originalmente se propuso como una tecnología de destrucción de residuos peligrosos en respuesta al protocolo de Kioto ; Steven F. Rice y Russ Hanush estudiaron múltiples corrientes de residuos, y Richard R. Steeper y Jason D. Aiken investigaron las llamas hidrotermales (agua supercrítica). Entre las corrientes de residuos estudiadas se encontraban los tintes militares y la pirotecnia, [1] [2] el metanol, [3] [4] y el alcohol isopropílico. [5] Se utilizó peróxido de hidrógeno como agente oxidante y se encargó a Eric Croiset que realizara mediciones detalladas de la descomposición del peróxido de hidrógeno en condiciones de agua supercrítica. [6]
A mediados de 1992, Thomas G. McGuinness, PE, inventó lo que ahora se conoce como el "reactor de ósmosis inversa de pared transpirante" (TWR) mientras estaba destinado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en nombre de Summit Research Corporation. Posteriormente, McGuinness recibió la primera patente estadounidense para un TWR a principios de 1995. El TWR fue diseñado para mitigar los problemas de deposición de sales/sólidos, corrosión y limitaciones térmicas que se producían en otros diseños de reactores de ósmosis inversa de pared transpirante (por ejemplo, reactores tubulares y de tipo cuba) en ese momento. La parte superior del reactor vertical incorpora un revestimiento permeable a través del cual se filtra un fluido limpio para ayudar a evitar que las sales y otros sólidos se acumulen en la superficie interior del revestimiento. El revestimiento también aísla el recipiente de contención de presión exterior de las altas temperaturas dentro de la zona de reacción. El revestimiento se puede fabricar a partir de una variedad de materiales resistentes a la corrosión y a las altas temperaturas de reacción. El extremo inferior del TWR incorpora un "enfriador de enfriamiento rápido" para enfriar los subproductos de la reacción y neutralizar los componentes que podrían formar ácidos durante la transición a la temperatura subcrítica. Eckhard Dinjus y Johannes Abeln demostraron las ventajas de rendimiento y de prueba de concepto del TWR para una variedad de materias primas en el Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) mediante una comparación directa entre un TWR y un reactor tubular adyacente.
Los principales desafíos de ingeniería estaban asociados con la deposición de sales [7] y la corrosión química en estos reactores de agua supercrítica. Anthony Lajeunesse dirigió al equipo que investigó estos problemas. Para abordarlos, Lajeunesse diseñó un reactor de pared transpirante [8] que introducía un diferencial de presión a través de las paredes de una manga interna llena de poros para enjuagar continuamente las paredes internas del reactor con agua dulce. Russ Hanush estuvo a cargo de la construcción y operación del reactor de fluidos supercríticos (SFR) [9] utilizado para estos estudios. Entre sus complejidades de diseño se encontraba la aleación Inconel 625 necesaria para operar a temperaturas y presiones tan extremas, y el diseño de las celdas ópticas de alta presión y alta temperatura utilizadas para el acceso fotométrico a los flujos de reacción que incorporaban sellos de presión de oro de 24 quilates y ventanas de zafiro. [10] [11]
Varias empresas de los Estados Unidos están trabajando actualmente para comercializar reactores supercríticos para destruir desechos peligrosos . La aplicación comercial generalizada de la tecnología SCWO requiere un diseño de reactor capaz de resistir la formación de incrustaciones y la corrosión en condiciones supercríticas. [12]
En Japón existen varias aplicaciones comerciales de SCWO, entre ellas una unidad para el tratamiento de residuos halogenados construida por Organo. En Corea, Hanwha ha construido dos unidades de tamaño comercial .[1]
En Europa, Chematur Engineering AB de Suecia comercializó la tecnología SCWO para el tratamiento de catalizadores químicos usados para recuperar el metal precioso, el proceso AquaCat. La unidad ha sido construida para Johnson Matthey en el Reino Unido. Es la única unidad SCWO comercial en Europa y con su capacidad de 3000 l/h es la unidad SCWO más grande del mundo. La tecnología de fluidos supercríticos de Chematur fue adquirida por SCFI Group ( Cork, Irlanda ), que comercializa activamente el proceso SCWO Aqua Critox para el tratamiento de lodos, por ejemplo, lodos de destintado y lodos de depuradora. Se han realizado muchos ensayos de larga duración en estas aplicaciones y, gracias a la alta eficiencia de destrucción de más del 99,9%, el residuo sólido después del proceso SCWO es muy adecuado para el reciclaje: en el caso de los lodos de destintado como relleno de papel y en el caso de los lodos de depuradora como fósforo y coagulante. El Grupo SCFI opera una planta de demostración Aqua Critox de 250 l/h en Cork, Irlanda.
AquaNova Technologies, Inc. https://aquanovatech.com comercializa activamente su reactor de ósmosis inversa de pared transpirante ("TWR") de segunda generación, con el foco puesto en el tratamiento de residuos y las aplicaciones de energía renovable. Se prevé que la tecnología TWR-SCWO de AquaNova, pendiente de patente, trate una amplia variedad de residuos, incluidos los PFAS, a la vez que genera energía eléctrica con una eficiencia térmica del sistema mejorada. La tecnología de AquaNova, que cambia paradigmas, está diseñada para funcionar a presiones supercríticas y subcríticas y a temperaturas de reacción más altas que la tecnología SCWO tradicional. AquaNova apunta a aplicaciones industriales a mayor escala. AquaNova Technologies fue fundada por Tom McGuinness, PE, quien es el inventor original del reactor de pared transpirante (TWR) con la patente estadounidense 5.384.051.
374Water Inc. es una empresa que ofrece sistemas comerciales de SCWO que convierten los desechos orgánicos en agua limpia, energía y minerales. Se creó después de más de siete años de investigación y desarrollo financiados por la Fundación Bill y Melinda Gates en el laboratorio del profesor Deshusses con sede en la Universidad de Duke. [13] Los fundadores de 374Water, el profesor Marc Deshusses y Kobe Nagar, poseen la patente del reactor de procesamiento de desechos correspondiente a SCWO. [14] 374Water está comercializando activamente sus sistemas AirSCWO para el tratamiento de biosólidos y lodos de aguas residuales, desechos químicos orgánicos y desechos PFAS , incluidas las espumas formadoras de película acuosa (AFFF) no utilizadas, los enjuagues o las resinas gastadas y los medios de adsorción. La primera venta comercial se anunció en febrero de 2022. [15]
Aquarden Technologies (Skaevinge, Dinamarca) proporciona plantas modulares de SCWO para la destrucción de contaminantes peligrosos como PFAS, pesticidas y otros hidrocarburos problemáticos en corrientes de desechos industriales. [16] Aquarden también proporciona remediación de desechos energéticos peligrosos y agentes de guerra química con SCWO, donde un sistema SCWO a gran escala ha estado funcionando durante algunos años en Francia para la industria de defensa.
Hay algunos grupos de investigación trabajando en este tema en todo el mundo: