超臨界水酸化

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および圧力で水中で起こるプロセスです。これらの条件下では、水は、ポリ塩化ビフェニル(PCB) やパーフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物(PFAS)などの難分解性および有害廃棄物の分解に有利に使用できる独自の特性を持つ流体になります。超臨界水の密度は、標準状態での水蒸気と液体の中間であり、気体のような高い拡散速度と液体のような高い衝突速度を示します。さらに、溶媒としての水の挙動は変化します (亜臨界液体の水と比較して)。極性溶媒としての動作が大幅に減少します。その結果、溶解度の挙動が「逆転」し、酸素や塩素化炭化水素などの有機物が水に溶けるようになり、水性廃棄物と溶解酸化剤の単相反応が可能になります。溶解度が逆転すると、塩が溶液から沈殿するため、従来の固形廃棄物残留物処理方法を使用して処理できます。低温 (400～650 °C) で効率的な酸化反応が起こり、 NOx の生成が減ります。

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として分類できます。SCWO に必要な高圧と高温は、石油精製や化学合成などの産業用途で日常的に発生します。

超臨界水（SCW）酸化の世界にユニークな（主に学術的な）追加要素は、SCW媒体内での高圧炎の生成です。高圧超臨界水炎に関する先駆的な研究は、80年代後半にドイツのカールスルーエ大学のEUフランク教授によって行われました。この研究は主に、無炎SCW酸化プロセスで望ましくない炎が自然発生する条件を予測することを目的としていました。これらの炎は、システムとそのコンポーネントを不安定にします。ETHチューリッヒは、連続運転リアクター内の水熱炎の研究を進めました。廃棄物の処理および破壊方法に対するニーズの高まりから、荏原製作所の日本のグループは、環境ツールとしてのSCW炎を研究するようになりました。水熱炎の研究は、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ます。

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。もともと京都議定書への対応として有害廃棄物の破壊技術として提案され、スティーブン・F・ライスとラス・ハヌシュによって複数の廃棄物ストリームが研究され、リチャード・R・スティーパーとジェイソン・D・エイケンによって水熱（超臨界水）炎が調査された。研究された廃棄物ストリームには、軍用染料と花火、^{[1] [2]}メタノール、^{[3] [4]}およびイソプロピルアルコールが含まれていた。^[5]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での過酸化水素の分解の詳細な測定を任された。^[6]

1992 年半ば、トーマス G. マクギネス PE は、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派遣されていたときに、現在「蒸散壁型 SCWO リアクター」(TWR) として知られるものを発明しました。マクギネスはその後、1995 年初頭に TWR に関する最初の米国特許を取得しました。TWR は、当時の他の SCWO リアクター設計 (管状型リアクターやバット型リアクターなど) で発生していた塩/固体の堆積、腐食、および熱制限の問題を軽減するように設計されました。垂直リアクターの上部には透過性ライナーが組み込まれており、このライナーをきれいな流体が透過して、ライナーの内面に塩やその他の固体が蓄積するのを防ぎます。ライナーは、外側の圧力容器を反応ゾーン内の高温から遮断する役割も果たします。ライナーは、腐食や高温反応に耐えるさまざまな材料から製造できます。 TWR の下部には、反応副産物を冷却し、亜臨界温度への移行中に酸を形成する可能性のある成分を中和するための「クエンチ クーラー」が組み込まれています。さまざまな原料に対する TWR の概念実証とパフォーマンスの利点は、カールスルーエ研究センター (FZK) の Eckhard Dinjus 氏と Johannes Abeln 氏によって、TWR と隣接する管状反応器を直接比較することで実証されました。

主な技術的課題は、これらの超臨界水反応炉における塩の堆積^[7]と化学腐食に関連していました。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ました。これらの問題に対処するために、ラジュネスは蒸散壁反応炉^[8]を設計しました。これは、気孔で満たされた内側のスリーブの壁を通して圧力差を導入し、反応炉の内壁を真水で継続的に洗浄します。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炉 (SFR) ^[9]の構築と運用を担当しました。その設計の複雑さの中には、このような極端な温度と圧力で動作するために必要なインコネル 625合金と、24 カラットの金の圧力シールとサファイア ウィンドウを組み込んだ、反応流への測光アクセスに使用される高圧高温光学セルの設計がありました。^{[10] [11]}

現在、米国のいくつかの企業が有害廃棄物を破壊するための超臨界反応炉の商業化に取り組んでいます。SCWO技術の広範な商業的応用には、超臨界条件下での汚れや腐食に耐えられる反応炉の設計が必要です。^[12]

日本ではSCWOの商用アプリケーションが数多く存在し、その中にはオルガノが建設したハロゲン化廃棄物処理用のユニットが1つあります。韓国ではハンファが2つの商用規模のユニットを建設しました。[1]

ヨーロッパでは、スウェーデンの Chematur Engineering AB が、使用済み化学触媒を処理して貴金属を回収する SCWO 技術、AquaCat プロセスを商品化しました。このユニットは英国のJohnson Matthey 向けに構築されました。これはヨーロッパで唯一の商用 SCWO ユニットであり、3000 l/h の処理能力を備えた世界最大の SCWO ユニットです。Chematur の Super Critical Fluids 技術は、SCFI Group (アイルランド、コーク) によって買収され、同グループは、脱墨スラッジや下水スラッジなどのスラッジ処理用の Aqua Critox SCWO プロセスの商品化を積極的に進めています。これらの用途では長期間にわたる試験が数多く行われ、99.9% 以上という高い破壊効率のおかげで、SCWO プロセス後の固形残留物は、脱墨スラッジの場合は紙の充填剤として、下水スラッジの場合はリンや凝固剤としてリサイクルするのに適しています。 SCFI グループは 、アイルランドのコークで 250 l/h の Aqua Critox 実証プラントを運営しています。

AquaNova Technologies, Inc. https://aquanovatech.com は、廃棄物処理と再生可能エネルギー用途に重点を置いた第 2 世代の蒸散壁 SCWO リアクター (「TWR」) の商業化に積極的に取り組んでいます。AquaNova の特許出願中の TWR-SCWO 技術は、PFAS を含むさまざまな廃棄物を処理しながら、システムの熱効率を改善して電力を生成することが期待されています。AquaNova のパラダイムを変える技術は、超臨界圧および亜臨界圧で動作し、従来の SCWO 技術よりも高い反応温度で動作するように設計されています。AquaNova は、より大規模な産業用途をターゲットにしています。AquaNova Technologies は、米国特許 5,384,051 に基づく蒸散壁リアクター (TWR) の最初の発明者である Tom McGuinness, 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業用SCWOシステムを提供する会社です。ビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けて、デューク大学に拠点を置くデシュッセス教授の研究室で7年以上の研究開発を経てスピンアウトしました。^[13] 374Waterの創設者であるマーク・デシュッセス教授とコビー・ナガーは、SCWOに関連する廃棄物処理リアクターの特許を所有しています。^{[14] 374Waterは、バイオソリッドと廃水スラッジ、有機化学廃棄物、未使用の水性フィルム形成フォーム（AFFF）、リンス液または使用済み樹脂、吸着媒体を含む}PFAS廃棄物の処理用の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、スカエヴィンゲ）は、産業廃棄物に含まれる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破壊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、SCWOを使用して有害なエネルギー廃棄物や化学兵器の修復も行っており、フランスでは防衛産業向けに本格的なSCWOシステムが数年前から運用されています。

• 超臨界流体
• 湿式酸化
• 焼却

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。

• デューク大学のデシュセス研究室は、ノースカロライナ州ダーラムにNix1（1トン/日）のプロトタイプを保有している。
• SCFIはコーク（アイルランド）にAquaCritox A10プラントを稼働させています。
• UVa 高圧プロセス グループ (スペイン)
• クリーンテクノロジーグループ（英国）
• FZK カールスルーエ (ドイツ)
• ETH チューリッヒ、輸送プロセスおよび反応研究所 (スイス)
• UCL（英国ロンドン）連続水熱フロー合成に取り組むクリーンマテリアル技術グループ
• UBC（バンクーバー、ブリティッシュコロンビア州）機械工学研究活動（SCWOプロジェクトを含む）
• ターボシステムエンジニアリング SCWO テクノロジー
• カディス大学 (UCA)。超臨界流体グループ