과열수

Superheated water
압력솥은 과열된 물을 만들어 끓는 물보다 음식을 더 빨리 요리합니다.

과열수는 보통 끓는점 100°C(212°F)와 임계 온도 374°C(705°F) 사이의 온도에서 압력을 가하는 액체 물입니다.아임계수 또는 가압온수라고도 합니다.과열수는 끓는점을 올리는 과압에 의해 또는 액체 상태의 물이 포화 증기 압력에서 증기와 평형을 이루는 헤드스페이스가 있는 밀폐된 용기에서 가열함으로써 안정적입니다.이는 핵생성 부위의 부족으로 인해 끓지 않은 정상 끓는점 이상의 대기압의 물을 지칭하는 과열(superheating)이라는 용어의 사용과는 구별된다.

물의 많은 변칙적인 특성은 매우 강한 수소 결합에 기인한다.과열된 온도 범위에서는 수소 결합이 분해되어 온도를 상승시키는 것만으로 보통 예상했던 것보다 더 많은 특성이 변화합니다.물은 극성이 낮아지고 메탄올이나 에탄올과 같은 유기 용매처럼 작용한다.유기 물질과 가스의 용해성은 몇 배 정도 증가하며, 물 자체는 추출, 화학 반응 및 세척을 포함한 산업 및 분석 분야에서 용제, 시약 및 촉매 역할을 할 수 있습니다.

온도에 따른 특성 변경

모든 물질은 온도에 따라 변화하지만 과열수는 온도만 고려했을 때 예상한 것보다 더 큰 변화를 보입니다.물방울의 점도와 표면장력 및 확산도는 온도가 상승함에 따라 증가한다.[1] 물의 자가 이온화는 온도에 따라 증가하며, 250°C에서 물의 pKw는 25°C에서 더 친숙한 14보다 11에 가깝다.즉, pH가 중성인 상태에서 하이드로늄 이온(HO
3+
)과 수산화물(OH−
)의 농도가 상승한다.일정한 압력에서의 비열 용량도 온도에 따라 25°C에서 4.187 kJ/kg에서 350°C에서 8.138 kJ/kg으로 증가한다.고온에서 물의 거동에 미치는 중요한 영향은 유전율(상대 유전율)[2] 감소이다.

이상 동작 설명

물은 양극 분자로, 양전하와 음전하의 중심이 분리된다; 그래서 분자는 전기장과 정렬될 것이다.물 속의 광범위한 수소 결합 네트워크는 이러한 정렬에 반대하는 경향이 있으며 정렬 정도는 상대 유전율에 의해 측정됩니다.물은 상온에서 약 80의 높은 상대 유전율을 가집니다. 왜냐하면 극성 변화는 연결된 수소 결합의 방향 변화를 통해 빠르게 전달되기 때문입니다.이온 사이의 매력적인 전장이 약 80배 [1]감소하기 때문에 물이 소금을 녹일 수 있습니다.분자의 열운동은 온도가 상승함에 따라 수소 결합 네트워크를 교란시킵니다. 따라서 임계 온도에서 상대 유전율은 온도가 약 7까지 떨어집니다.205°C에서 상대 유전율은 상온의 메탄올과 같은 33으로 떨어집니다.따라서 물은 100°C에서 200°C 사이의 물과 메탄올 혼합물과 같은 작용을 한다.확장된 수소 결합의 파괴는 분자를 더 자유롭게 움직일 수 있게 하며(점도, 확산 및 표면 장력 효과), 결합을 깨기 위해 추가 에너지가 공급되어야 합니다(열 용량 증가).

용해성

유기 화합물

유기 분자는 위에서 설명한 극성의 변화, 또한 용액의 엔탈피가 높기 때문에 온도와 함께 용해도가 급격히 증가하는 경향이 있기 때문이다.따라서 일반적으로 "용해할 수 없는" 물질로 간주되는 물질은 과열된 물에 용해될 수 있습니다.예를 들어 PAHs의 용해도를 25°C에서 225[3]°C로 5배 증가시키고, 예를 들어 나프탈렌은 270°C의 물에서 10%의 중량용액을 형성하며, 온도에서 농약 클로로탈로닐의 용해도는 아래 [2]표에 나타낸다.

물 속 클로로살로닐의 용해성
T(°C) 몰 분율
50 5.41 x 10−8
100 1.8 x 10−6
150 6.43 x 10−5
200 1.58 x 10−3

따라서 과열수는 기존의 유기용제 사용에 비해 상당한 환경적 이점을 가진 많은 유기화합물을 처리하는 데 사용될 수 있습니다.

소금

상대 유전율이 감소함에도 불구하고, 많은 소금은 임계점에 도달할 때까지 과열된 물에 용해된 상태로 남아 있습니다.예를 들어 염화나트륨은 300°C에서[4] 37wt%로 녹는다 임계점에 가까워지면 용해도가 몇 ppm으로 현저하게 떨어지고 염분은 초임계수에 거의 용해되지 않는다.일부 소금은 온도에 따라 용해도가 감소하지만, 이러한 행동은 덜 일반적입니다.

가스

물 속 가스의 용해도는 보통 온도에 따라 감소하는 것으로 생각되지만, 이것은 다시 증가하기 전에 특정 온도에서만 발생합니다.질소의 경우 이 최소값은 74°C이고 산소의 경우[5] 94°C입니다. 가스는 높은 압력으로 과열된 물에 용해됩니다.임계 온도 이상에서는 모든 가스와 물이 완전히 섞일 수 있습니다.특히 산소의 용해도가 높아짐에 따라 과열수를 습식 산화 과정에 사용할 수 있습니다.

부식

과열수는 상온에서 물보다 부식성이 높을 수 있으며, 300°C 이상의 온도에서는 다른 용해된 구성 요소에 따라 특수 내식성 합금이 필요할 수 있습니다.282°C에서 20년 동안 탄소강 파이프를 지속적으로 사용한 것은 심각한 [6]부식 없이 보고되었으며, 스테인리스강 셀은 최대 350°[7]C의 온도에서 40–50을 사용한 후 약간의 열화만 보였다.허용 가능한 부식 정도는 용도에 따라 다르며 내식성 합금도 결국 고장날 수 있습니다.열교환기의 인코넬 U튜브 부식이 원자력 발전소의 [8]사고의 원인으로 지목되었다.따라서 간헐적 또는 실험적인 사용의 경우 스테인리스강의 일반 등급은 지속적인 모니터링에 적합할 수 있지만, 중요한 응용 분야와 부품의 유지보수가 어려운 경우에는 재료 선택에 각별한 주의가 필요합니다.

압력의 영향

300°C 미만의 온도에서 물은 상당히 압축할 수 없습니다. 즉, 액체 상태를 유지하는 데 충분하다면 압력이 물의 물리적 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다.이 압력은 포화 증기 압력에 의해 주어지며 증기 표에서 조회하거나 [9]계산할 수 있습니다.121 °C에서 포화증기압은 200 kPa, 150 °C는 470 kPa, 200 °C는 1550 kPa이다.임계점은 374°C 온도에서 21.7MPa이며, 그 이상은 물이 과열되기보다는 초임계입니다.약 300°C 이상에서는 물이 거의 임계 액체처럼 작용하기 시작하고 밀도와 같은 물리적 특성은 압력에 따라 더욱 크게 변화하기 시작합니다.그러나 압력이 높을수록 300°C 미만의 과열수를 사용하는 추출 속도가 증가합니다.이는 물의 성질을 변화시키기보다는 기판, 특히 식물 재료에 대한 영향 때문일 수 있습니다.

에너지 요건

물을 가열하는 데 필요한 에너지는 증류하는[10] 데 필요한 에너지보다 훨씬 낮으며, 열 교환기를 사용하여 에너지를 재활용하는 것이 더 쉽습니다.에너지 요구 사항은 증기 표에서 계산할 수 있습니다.예를 들어, 물을 25°C에서 250°C에서 1atm에서 증기로 가열하려면 2869 kJ/kg이 필요합니다.물을 25°C에서 250°C로 5MPa로 가열하려면 976kJ/kg만 필요합니다.또한 과열수로부터 많은 열(예를 들어 75%)을 회수할 수 있으므로 과열수 추출에 필요한 에너지 사용량은 증기 증류에 필요한 1/6 미만입니다.이는 과열수에 포함된 에너지가 감압 시 물을 증발시키기에 부족함을 의미합니다.위의 예에서는 5MPa에서 대기압으로 [2]감압 시 30%의 물만 증기로 변환됩니다.

추출.

과열수를 이용한 추출은 온도에 따라 확산 속도가 증가하므로 빠른 경향이 있다.유기 물질은 온도에 따라 용해도가 증가하는 경향이 있지만, 모든 것이 같은 속도는 아닙니다.예를 들어 로즈마리[11] 및 [12]고수에서 에센셜 오일을 추출할 때, 더 가치 있는 산소화된 터펜이 탄화수소보다 훨씬 더 빨리 추출되었습니다.따라서 과열수를 사용한 추출은 선택적이면서도 신속할 수 있으며 디젤 및 우드 스모크 [13]미립자를 분류하는 데 사용되어 왔다.과열된 물은 피부[14] 관리를 위해 습지 말로우 뿌리에서 녹말 물질을 추출하고 고온에 강한 [15][16]폴리머에서 낮은 수준의 금속을 제거하기 위해 상업적으로 사용되고 있습니다.

분석 목적을 위해, 과열수는 토양에서[17] PAHs를 추출하는 등 많은 응용 분야에서 유기 용제를 대체할 수 있으며, 추출만으로 또는 초임계 또는 습식 [18]산화와 관련된 추출을 통해 오염된 토양을 교정하는 데 대규모로 사용될 수도 있다.

반응

과열수는 초임계수와 함께 습식 산화 과정에서 유해 물질을 산화시키는 데 사용되어 왔습니다.유기화합물은 연소에 의해 생성되는 독성물질의 생성 없이 빠르게 산화된다.그러나 산소 농도가 낮을 경우 유기화합물은 과열수에서 상당히 안정적일 수 있다.하이드로늄(HO
3+
)과 수산화물−
(OH) 이온의 농도가 25℃에서 물보다 100배 크기 때문에 과열수가 강산, 강염기로 작용할 수 있어 다양한 반응을 할 수 있다.선택적 반응의 예로는 페닐에탄산 또는 열분해 [7]생성물의 형성의 증거가 없는 에틸벤젠을 아세토페논으로 산화시키는 것이 있다.Katritzky et al.[19]는 물이 반응 물질, 촉매 및 용매로 작용하는 몇 가지 다른 유형의 반응을 설명했습니다.트리글리세라이드는 275°[20]C에서 과열된 물에 의해 유리 지방산과 글리세롤로 가수 분해될 수 있으며, 이는 바이오디젤을 만드는 2단계 공정 중 최초일 수 있다.[21] 과열수는 유기물을 연료제품으로 화학적으로 변환하는 데 사용될 수 있다.이것은 직접 열수 액상화,[22] 수성 열분해 등 몇 가지 용어로 알려져 있습니다.몇 가지 상업적 규모의 응용 프로그램이 있습니다.열탈중합 또는 열변환(TCC)은 약 250°C의 과열수를 이용해 칠면조 폐기물을 경질연료유로 전환하며 하루에 200t의 저급 폐기물을 연료유로 처리하는 것으로 알려져 있다.[23] 가수분해 반응의 초기 생성물은 물기를 제거하고 500°C에서 건식 균열에 의해 추가로 처리된다.EnerTech가 운영하는 "SlurryCarb" 공정은 젖은 고체 바이오워스트를 탈탄산하는 것과 유사한 기술을 사용합니다. 이 기술은 물리적으로 탈수되어 E-Fuel이라고 불리는 고체 연료로 사용될 수 있습니다.리알토 공장은 하루에 683톤의 폐기물을 처리할 수 있다고 한다.[24] HTU 또는 Hydro Thermal Upgrade 프로세스는 TCC 프로세스의 첫 번째 단계와 비슷합니다.네덜란드에 하루 64톤의 바이오매스(건조 기준)를 [25]석유로 가공할 수 있는 실험 공장이 들어설 예정이다.

크로마토그래피

역상 HPLC는 종종 메탄올-물 혼합물을 이동상으로 사용한다.물의 극성은 25 ~ 205 °C의 동일한 범위에 걸쳐 있기 때문에 온도 구배를 사용하여 유사한 분리를 할 수 있습니다(예: 페놀).[26] 물을 사용하면 화염 이온화 검출기(FID)를 사용할 수 있으며, 이는 거의 모든 유기 화합물에 대해 질량 민감 출력을 제공한다.[27] 최대 온도는 정지상이 안정된 온도로 제한됩니다.HPLC에서 일반적인 C18 결합상은 순수 실리카의 결합상보다 훨씬 높은 최대 200 °C의 온도에서 안정적인 것으로 보이며, 고분자 스티렌-디비닐벤젠 상도 유사한 온도 안정성을 제공한다.[28] 물은 190nm 파장까지 자외선 검출기를 사용하는 것과도 호환된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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