超臨界水
超臨界水介紹
超臨界流體應用技術
在綠色製程(Green Process)的蓬勃發展下，超臨界流體應用技術也日漸受到重視。亞炬公司憑藉著特殊金屬設備製造的技術能力，於1999年與工研院共同完成台灣第一套超臨界水氧化設備，現除提供滿足不同製程需求之設備外，我們不自我設限為設備供應商，而是進而以技術服務做為我們的目標，因此多年來也陸續完成各式超臨界流體應用技術的開發。
何謂超臨界流體
固、液、氣為一般我們熟知的三態。以水為例，當我們在常壓下(1大氣壓)將水冷卻到0℃以下，此時水即由「液」態轉變為「固」態(我們叫它”冰”) ；若將水加熱到100℃以上，此時水就由「液」態轉變為「氣」態(我們這時叫它”水蒸汽”) (見圖1) 。但科學家發現若在220大氣壓以上對水加熱，當溫度超過374℃，水的物理性質(密度、擴散係數、表面張力等)明顯與其他三態不同，因此該如何描述這時的狀態呢？
由於這時水的溫度、壓力超過了它的臨界條件(Tc=374℃、Pc=22.1MPa，最後科學家決定叫它「超臨界流體(Supercritical Fluid)」。超臨界流體近年受到工業界重視的原因，即在於其界於液體及氣體間的特性，見下表，所以不論以超臨界二氧化碳取代傳統溶劑進行萃取或清洗、或是在超臨界水均一相(homogen-ous)環境下進行廢水降解或水熱合成奈米粉體，由於其諸多優點，因此被視為新一代的綠色製程。
常見超臨界流體之臨界點
| 物質 | PC/ 臨界壓力 （MPa） | TC/ 臨界溫度 （℃） |
|---|---|---|
|
CO2/二氧化碳 |
7.37 |
31.1 |
|
MeOH / 甲醇 |
8.09 |
239 |
|
H2O/水 |
22.1 |
374 |
| Characteristic/物性 | Liquid | Supercritical fluid | Vapor |
|---|---|---|---|
|
Density / 密度 g/cm³ |
1 |
0.1~1 |
10-3
|
|
Viscosity / 黏度 Pa‧S |
10-3
|
10-4~10-5
|
10-5
|
|
Diffusion / 擴散係數 cm²/s |
10-5
|
10-3
|
10-1
|
|
Surface tension / 表面張力 dyne/cm |
20~50 |
0 |
0 |
|
Solubility / 溶解度 M/cm³ |
10-3
|
10-5
|
10-8
|
|
Reacting temp. / 反應溫度 ℃ |
28~80 |
40~250 |
>250 |
超臨界流體技術在各種工業的應用
| 工業別 | 應用種類 |
|---|---|
|
食品業 |
香料萃取、農藥去除、醇類共沸精餾(紅酒去除酒精)、食品成型造粒 |
|
特用化學品工業 |
分離、純化、回收 |
|
生技/製藥產業 |
萃取、分離、純化、光學分割、造粒、包覆 |
|
石化工業 |
分離、純化、脫瀝青、殘渣油除重金屬與再生、煤液化、生質能、廢水處理 |
|
能源工業 |
生質能(纖維水解、生質柴油製備) 、含放射線有機廢液處理 |
|
高分子工業 |
發泡、回收、植入、染色、純化、聚合、清洗、微粉化 |
|
半導體工業 |
清洗、鍍膜 |
超臨界水氧化優點
Advantage of SCWO
- 水、有機物、氧氣或氧化劑完全溶為一相，可避免兩相反應。
- 有機物的氧化速率快反應時間短，易於絕熱的操作，廢熱回收完全。
- 氧化溫度較焚化低，且無機鹽不溶解，無NOx生成。
- 有機物的氧化完全，無需對尾氣進行二次處理。
超臨界水氧化
超臨界水氧化 - 高效率廢水處理技術
因為廢水中污染物之不同及考量處理成本，目前並無單一的處理技術適用於所有廢水處理。亞炬公司除提供物理方式的廢水處理技術(薄膜過濾、吸附)，對於具生物毒性之高濃度有機廢水，亦提供比傳統焚化法及濕式氧化更有效並節能之另一選擇。
超臨界水氧化(Supercrutical Water Oxidation) 的商業應用已有10年的歷史，廢水氧化降解主要是在高於水的臨界溫度(374.2 ℃)及臨界壓力(22.1 MPa)下進行。在超臨界狀態下，廢水與氧或添加之氧化劑會成為均相，因此氧化能力提高，污染物質迅速被氧化，相較濕式氧化法由於水中溶氧不足，造成氧化不完全，排放尾氣有VOC，及焚化法中濃縮脫水前處理造成之能耗，及高溫反應易形成NOx等問題，SCWO不啻提供另一更佳之技術選擇。
各種熱處理技術之比較
| 溫度範圍 (℃) | 壓力範圍(bar)（℃） | 相行為 | 滯留時間 (min) | |
|---|---|---|---|---|
|
濕式氧化法 |
150-300 |
10-200 |
固+液+氣
(3 相) |
10-100 |
|
超臨界水氧化法 |
450-550 |
250-350 |
超臨界
(1 相) |
0.1-1 |
|
焚化法 |
800-1100 |
常壓 |
固+液+氣
(3 相) |
0.01 |
超臨界水氧化應用實例
| 項目 | 應用內容 |
|---|---|
|
有機物質 |
殺蟲劑 / 藥劑 / 溶劑 / 染料 |
|
高能物質 |
炸藥 / 火藥 / 推進劑 |
|
受污土壤 |
礦油 / 鹵碳化合物 |
|
污水廠之活性污泥 |
民生 / 工業 |
|
廢水 |
紡織及造紙廠廢水 / 皮革廠廢水 / 切削油 |
|
塑膠＆添加劑 |
鹵素塑膠 / 難燃劑 / 塑性劑 |
超臨界水氧化的系統流程圖
超臨界環境下製備生質柴油
近年來替代能源的開發，隨著地球暖化議題日受重視及石化燃料價格屢創新高，而再度成為各國能源政策重點 之一。台灣因鄰近東南亞，亞炬公司在考慮原料取得方便，及期望同時解決國內廢食用油處理問題，因此 提供客戶連續式生質柴油製程規劃及設備製造之相關服務。目前除有年產量100噸，可滿足客戶區域性使 用上需求之單元設備(自產自用) ，也提供工業級生產之整廠技術服務。
生質柴油主要為脂肪酸甲酯，傳統製程係將油脂及醇類藉由氫氧化鈉進行鹼摧化反應，由於製程副產物含有大量的皂，因此生產過程中需要用到大量的水將皂自生質柴油中去除，而有了「製程會產生大量廢水」這項最為人垢病之問題。
在超臨界環境下進行油脂及醇類的酯化反應，因為係屬均化反應 (homogenous) ，不需鹼進行摧化，不但不會有皂的產生，也因為反應速率快，同樣生產規模之設備，其大小較傳統式製程佔地更少，減少了客戶建廠投資上之成本。
超臨界環境下製備生質柴油的優點
| 項目 | 酯交換法 | 超臨界甲醇法 |
|---|---|---|
|
反應時間 |
1~6h |
4-50min |
|
反應條件 |
0.1~1MPa |
35MPa,350C |
|
催化劑 |
酸或鹼 |
無 |
|
轉化率 |
97% |
>98.5% |
|
需從產物中去除的雜質 |
甲醇、催化劑、皂化物 |
甲醇 |
|
甘油副產品的回收 |
雜質多不易處理 |
簡單 |
|
反應過程 |
複雜 |
簡單 |
|
原料要求 |
僅適用精煉油脂 |
皂腳或是廢食用油都適用 |
超臨界甲醇法製備生質柴油的系統流程圖
