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 pueden utilizarse con ventaja en la destrucción de desechos recalcitrantes y peligrosos como los bifenilos policlorados (PCB) o las sustancias perfluoroalquiladas (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 un gas junto con altas tasas de colisión similares a las de un líquido . Además, el comportamiento del agua como disolvente se modifica (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 una reacción monofásica de residuos acuosos con un oxidante disuelto . La solubilidad inversa también hace que las sales precipiten de la solución, lo que significa que pueden tratarse utilizando métodos convencionales para residuos de desechos sólidos. Las reacciones de oxidación eficientes ocurren a baja temperatura (400-650 °C) con una producción reducida de NOx .
La SCWO puede clasificarse como química verde o tecnología limpia. Las elevadas presiones y temperaturas requeridas para SCWO se encuentran habitualmente en aplicaciones industriales como la refinación de petróleo y la síntesis química.
Una adición única (principalmente de interés académico) al mundo de la oxidación del agua supercrítica (SCW) es la generación de llamas de alta presión dentro del medio SCW. Los trabajos pioneros sobre llamas de agua supercrítica a alta presión los llevó a cabo a finales de los años 80 el profesor EU Franck en la Universidad alemana de Karlsruhe. Los trabajos tenían como principal objetivo anticipar las condiciones que provocarían la generación espontánea de llamas no deseadas en el proceso de oxidación de SCW sin llama. Estas llamas provocarían inestabilidades en el sistema y sus componentes. La ETH Zurich prosiguió la investigación de llamas hidrotermales en reactores en funcionamiento continuo. Las crecientes necesidades de tratamiento de residuos y métodos de destrucción motivaron 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.
La investigación básica sobre la oxidación del agua supercrítica se llevó a cabo en la década de 1990 en el Centro de Investigación de Combustión (CRF) del Laboratorio Nacional Sandia, en Livermore, CA. Originalmente propuesta como una tecnología de destrucción de desechos peligrosos en respuesta al protocolo de Kioto , Steven F. Rice y Russ Hanush estudiaron múltiples flujos de desechos, y Richard R. Steeper y Jason D. Aiken investigaron las llamas hidrotermales (agua supercrítica). Entre las corrientes de desechos estudiadas se encuentran tintes militares y pirotecnia, [1] [2] metanol, [3] [4] y alcohol isopropílico. [5] Se utilizó peróxido de hidrógeno como agente oxidante y a Eric Croiset se le encomendó la tarea de realizar mediciones detalladas de la descomposición del peróxido de hidrógeno en condiciones de agua supercríticas. [6]
A mediados de 1992, Thomas G. McGuinness, PE inventó lo que ahora se conoce como el "reactor SCWO de pared transpirante" (TWR) mientras estaba adscrito al 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 sal/sólidos, corrosión y limitaciones térmicas que se producían en otros diseños de reactores SCWO (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 penetra un fluido limpio para ayudar a evitar que se acumulen sales y otros sólidos en la superficie interior del revestimiento. El revestimiento también aísla el recipiente exterior de contención de presión 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" para enfriar los subproductos de la reacción y al mismo tiempo neutralizar cualquier componente que pueda formar ácidos durante la transición a una temperatura subcrítica. Eckhard Dinjus y Johannes Abeln en Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) demostraron la prueba de concepto y las ventajas de rendimiento del TWR para una variedad de materias primas, mediante una comparación directa entre un TWR y un reactor tubular adyacente.
Los principales desafíos de ingeniería estuvieron asociados con la deposición de sales [7] y la corrosión química en estos reactores de agua supercrítica. Anthony Lajeunesse dirigió el equipo que investigaba estas cuestiones. Para abordar estos problemas, Lajeunesse diseñó un reactor de pared transpirante [8] que introdujo un diferencial de presión a través de las paredes de un manguito interior lleno de poros para enjuagar continuamente las paredes interiores del reactor con agua dulce. Russ Hanush fue el encargado de la construcción y operación del reactor de fluidos supercríticos (SFR) [9] utilizado para estos estudios. Entre las complejidades de su diseño se encuentran la aleación Inconel 625 necesaria para operar a temperaturas y presiones tan extremas, y el diseño de las celdas ópticas de alta presión y temperatura utilizadas para el acceso fotométrico a los flujos de reacción que incorporaban sellos de presión de oro de 24 quilates y zafiro. ventanas. [10] [11]
Varias empresas en Estados Unidos están trabajando ahora 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 incrustación 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 .
En Europa, Chematur Engineering AB de Suecia comercializó la tecnología SCWO para el tratamiento de catalizadores químicos gastados 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 súper críticos de Chematur fue adquirida por SCFI Group ( Cork, Irlanda ), que comercializa activamente el proceso Aqua Critox SCWO para el tratamiento de lodos, por ejemplo, lodos de destintado y lodos de depuradora. Se han realizado muchas pruebas 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 lodos de destintado como relleno de papel y en el caso de Lodos de depuradora como fósforo y coagulante. SCFI Group opera una planta de demostración Aqua Critox de 250 l/h en Cork, Irlanda.
Turbosystems Engineering (California, EE. UU.) está comercializando activamente su reactor SCWO de pared transpirante patentado ("TWR") centrándose en aplicaciones de energía renovable.
374Water Inc. es una empresa que ofrece sistemas comerciales SCWO que convierten desechos orgánicos en agua limpia, energía y minerales. Surge después de más de siete años de investigación y desarrollo financiados por la Fundación Bill y Melinda Gates para el laboratorio del Prof. Deshusses con sede en la Universidad de Duke. [13] Los fundadores de 374Water, el Prof. Marc Deshusses y Kobe Nagar, poseen la patente del reactor de procesamiento de residuos relevante para SCWO. [14] 374Water está comercializando activamente sus sistemas AirSCWO para el tratamiento de biosólidos y lodos de aguas residuales, desechos químicos orgánicos y desechos de PFAS , incluidas espumas formadoras de películas acuosas (AFFF) no gastadas, enjuagues o resinas gastadas y 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 flujos de desechos industriales. [16] Aquarden también está proporcionando 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: