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超臨界水酸化（SCWO ）は、混合物の熱力学的臨界点を超える温度と圧力下で水中で起こるプロセスです。このような条件下では、水はポリ塩化ビフェニル（PCB）やパーフルオロアルキル物質（PFAS）などの難分解性および有害廃棄物の分解に有利に利用できる独自の特性を持つ流体になります。超臨界水は、標準状態における水蒸気と液体の間の密度を持ち、高い気体のような拡散速度と高い液体のような衝突速度を示します。さらに、溶媒としての水の挙動は（亜臨界液体の水と比較して）変化し、極性溶媒としての挙動ははるかに弱くなります。その結果、溶解挙動が「逆転」し、酸素や塩素化炭化水素などの有機物が水に溶解するようになり、溶解した酸化剤と水性廃棄物との単相反応が可能になります。溶解度が逆転することで塩類が溶液から沈殿するため、従来の固形廃棄物処理方法で処理することが可能になります。また、低温（400～650℃）で効率的な酸化反応が起こり、NOxの生成量も低減されます。
SCWOは、グリーンケミストリーまたはクリーンテクノロジーに分類される。SCWOに必要な高圧・高温条件は、石油精製や化学合成といった産業用途において日常的に見られるものである。
超臨界水（SCW）酸化の世界におけるユニークな追加要素（主に学術的な関心事）は、SCW媒体内で高圧火炎を生成することである。高圧超臨界水火炎に関する先駆的な研究は、1980年代後半にドイツのカールスルーエ大学のEU Franck教授によって行われた。これらの研究は主に、無炎SCW酸化プロセスにおいて望ましくない火炎が自発的に発生する条件を予測することを目的としていた。これらの火炎は、システムとその構成要素に不安定性をもたらす。チューリッヒ工科大学は、連続運転反応器における熱水火炎の研究を進めた。廃棄物処理および破壊方法に対するニーズの高まりは、荏原製作所の日本のグループが環境ツールとしてSCW火炎を研究する動機となった。熱水火炎の研究は、オハイオ州クリーブランドのNASAグレン研究センターでも開始されている。
超臨界水酸化に関する基礎研究は、1990年代にカリフォルニア州リバモアにあるサンディア国立研究所の燃焼研究施設（CRF）で行われた。当初は京都議定書に対応して有害廃棄物処理技術として提案され、スティーブン・F・ライスとラス・ハヌシュが複数の廃棄物ストリームを研究し、リチャード・R・スティーパーとジェイソン・D・エイケンが水熱（超臨界水）炎を調査した。研究された廃棄物ストリームの中には、軍用染料と花火[ 1 ] [ 2 ]、メタノール[ 3 ] [ 4 ] 、イソプロピルアルコール[ 5 ]などがあった。過酸化水素が酸化剤として使用され、エリック・クロワゼは超臨界水条件下での過酸化水素の分解の詳細な測定を担当した[ 6 ] 。
1992年半ば、サミット・リサーチ・コーポレーションの代理としてロスアラモス国立研究所に出向していたトーマス・G・マクギネス（PE）は、現在「透過壁型超臨界水酸化反応器」（TWR）として知られるものを発明した。マクギネスはその後、1995年初頭にTWRに関する米国初の特許を取得した。TWRは、当時他の超臨界水酸化反応器（例えば、管型反応器や槽型反応器）で発生していた塩類や固体の堆積、腐食、熱的制約といった問題を軽減するために設計された。垂直型反応器の上部には透過性ライナーが組み込まれており、清浄な流体がこれを透過することで、塩類やその他の固体がライナーの内面に蓄積するのを防ぐ。また、ライナーは反応ゾーン内の高温から外側の圧力容器を断熱する役割も果たす。ライナーは、腐食や高温に耐性のある様々な材料で製造できる。 TWRの下部には、反応副生成物を冷却すると同時に、亜臨界温度への移行中に酸を生成する可能性のある成分を中和するための「急冷器」が組み込まれています。TWRの概念実証と、さまざまな原料に対する性能上の利点は、カールスルーエ研究センター（FZK）のエックハルト・ディンジュス氏とヨハネス・アベルン氏によって、TWRと隣接する管型反応器との直接比較によって実証されました。
これらの超臨界水反応器では、塩の沈着[ 7 ]や化学腐食が大きな工学的課題となっていた。アンソニー・ラジュネスがこれらの問題を調査するチームを率いた。これらの問題に対処するため、ラジュネスは透過壁反応器[ 8 ]を設計した。これは、細孔で満たされた内側スリーブの壁を通して圧力差を導入し、反応器の内壁を新鮮な水で連続的に洗浄するものである。ラス・ハヌシュは、これらの研究に使用された超臨界流体反応器（SFR） [ 9 ]の建設と運転を担当した。その設計上の複雑な点の中には、このような極端な温度と圧力での運転に必要なインコネル625合金、および反応流への光度測定アクセスに使用される高圧高温光学セルの設計があり、これには24金の圧力シールとサファイア窓が組み込まれていた。[ 10 ] [ 11 ]
現在、米国ではいくつかの企業が有害廃棄物を分解するための超臨界原子炉の商業化に取り組んでいる。SCWO技術の広範な商業的応用には、超臨界条件下での汚染や腐食に耐えられる原子炉設計が必要となる。[ 12 ]
日本では、オルガノ社が建設したハロゲン系廃棄物処理装置など、数多くの商業用SCWO（超臨界水酸化）装置が存在する。韓国では、ハンファ社が商業規模の装置を2基建設している。
ヨーロッパでは、スウェーデンのChematur Engineering ABが、使用済み化学触媒から貴金属を回収するためのSCWO技術であるAquaCatプロセスを商業化しました。この装置は英国のJohnson Matthey 向けに建設されました。これはヨーロッパで唯一の商業用SCWO装置であり、3000 l/hの処理能力を持つ世界最大のSCWO装置です。Chematurの超臨界流体技術は、SCFI Group（アイルランド、コーク）に買収され、SCFI Groupは脱インク汚泥や下水汚泥などの汚泥処理のためのAqua Critox SCWOプロセスを積極的に商業化しています。これらの用途で多くの長期試験が行われ、99.9%以上の高い破壊効率のおかげで、SCWOプロセス後の固体残渣はリサイクルに適しています。脱インク汚泥の場合は製紙用充填剤として、下水汚泥の場合はリンと凝集剤としてリサイクルされます。 SCFIグループは 、アイルランドのコークに、毎時250リットルの処理能力を持つアクアクリトックスの実証プラントを運営している。
アクアノバ・テクノロジーズ社アクアノバ社は、廃棄物処理と再生可能エネルギー用途に重点を置き、第2世代透過壁型SCWOリアクター（「TWR」）の商業化を積極的に進めています。アクアノバ社の特許出願中のTWR-SCWO技術は、PFASを含む幅広い種類の廃棄物を処理し、システムの熱効率を向上させて発電することが期待されています。アクアノバ社のパラダイムを変えるこの技術は、従来のSCWO技術よりも高い反応温度で、超臨界圧および亜臨界圧で動作するように設計されています。アクアノバ社は、より大規模な産業用途をターゲットにしています。アクアノバ・テクノロジーズ社は、米国特許第5,384,051号で透過壁型リアクター（TWR）の発明者であるトム・マクギネス氏（PE）によって設立されました。
374Water Inc. は、有機廃棄物をきれいな水、エネルギー、ミネラルに変換する商用 SCWO システムを提供する会社です。同社は、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けて 7 年以上にわたる研究開発を経て、デューク大学に拠点を置く Deshusses 教授の研究室からスピンアウトしました。[ 13 ] 374Water の創設者である Marc Deshusses 教授と Kobe Nagar 氏は、SCWO に関連する廃棄物処理リアクターの特許を保有しています。[ 14 ] 374Water は、バイオソリッドや廃水スラッジ、有機化学廃棄物、未使用の水性フィルム形成泡消火剤 (AFFF)、すすぎ液、使用済み樹脂、吸着媒体などのPFAS廃棄物の処理用に AirSCWO システムを積極的に商業化しています。最初の商業販売は 2022 年 2 月に発表されました。[ 15 ]
Aquarden Technologies (デンマーク、スケーヴィンゲ) は、産業廃水に含まれる PFAS、農薬、その他の問題のある炭化水素などの有害汚染物質を分解するためのモジュール式 SCWO プラントを提供しています。[ 16 ] Aquarden はまた、SCWO による有害なエネルギー廃棄物や化学兵器の修復も提供しており、フランスでは防衛産業向けにフルスケールの SCWO システムが数年間稼働しています。
米国に拠点を置くRevive Environmental Technology 社は、パーフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質 (PFAS) を分解するための PFAS Annihilator® と呼ばれる移動可能な SCWO ベースのシステムを商品化しました。このシステムは、埋立地浸出水、水性フィルム形成泡消火剤 (AFFF)、産業廃水などのさまざまなマトリックス中の長鎖および短鎖のバリアントを含む幅広い PFAS 化合物に対して 99.99% の分解効率を実証しています。この技術は、実験室環境と、オハイオ州コロンバスおよびミシガン州グランドラピッズでの許可された商業運転の両方で実証されており、第三者機関の研究所が正式な分解証明書プロトコルを通じてその性能を検証しています。[ 17 ] [ 18 ]
世界中でこのテーマに取り組んでいる研究グループがいくつかあります。