在自然界中,我们可以看到,水的形式可以有三种,固态的冰、液态的水、气态的气体。
固态冰
水的组成元素是氢和氧,在不同的温度条件中,这三种状态可以相互转化。
比如当温度达到0℃时,液态水就会逐渐变成固态冰,当温度不断增加时,水就会逐渐变成气态水蒸气,当水蒸气升入空中后,受到低温影响,或者体积被压缩,就会逐渐液化成雨滴降落。
而实际上,科学家发现,任何一种物质都应该存在一个临界点,当它处于这个临界区域时,就会变成超临界流体状态,水也是如此。
三种状态的转化
接下来,我们就来了解一下,深海中被发现的“第四种水”是什么?原来水并非只有固态、液态和气态。
要了解“第四种水”,我们就得先搞清楚,超临界流体是什么?
液体、固体和气体是物质的基本相,就如前面所说,它们之间存在一个临界点。
当物质的温度和压力都高于临界点时,此时气体和液体的性质会十分相似,随后便会达到一个均匀的流体现象。
超临界流体
超临界流体的特点
我们可以想象它们是缓慢运动的气体,可以从一个多孔的固体中流出,看上去既可以像液体一样流动,又可以如气体般发生泻流。
这就是超临界流体具备的特点,具有可压缩性,其密度一般介于0.1-1.0g/ml,此时的密度会随着压力或温度的较小变化,而发生更大的变化。
所以处于这一状态的物体,有着极强的可塑性。
水不止3种形态
正是由于超临界流体还没有表面张力,所以我们只需要稍微调整一下它的压力和密度,就可以使其性质和状态更偏向液体或气体了。
在自然界,我们已经发现了很多具有超临界流体的物质。
自然环境下的超临界流体
比如我们熟知的沥青,从外表上看,它属于固体,但是1927年,澳大利亚科学家帕内尔进行滴落实验时,就让学生了解到它具有一定的流动性。
沥青滴落
所以它既不是固体也不是液体,而属于非完全晶体,只不过它的滴落速度尤其缓慢,人们经常将其看作固体也不是没有道理。
严格来说,超临界流体应该是较稳定地处于单相相区。
它虽然不属于其他三种相中的任何一个,但是又在三相种接近某一项,因此我们可以将其成为“第四相”。
而处于深海中的超临界水,就是水在临界点区域呈现的状态。
物质的四种状态
2008年,德国科学家正在对大西洋中部山脊的热液喷口进行考察。
我们知道,水的临界温度为374.15℃,临界压力为22.05MPa。
而这里的水温已经达到464℃,是地球上水温最高的地方。
其明显高于临界温度,此时不管该地的压力有多大,气体都不可能液化。
所以参与考察的安德里亚认为,这是深海中的第四种水,是我们在自然状态下,第一次观测到的超临界水。
黑烟囱一样的热液喷口
此前基于对超临界流体研究时,科学家就曾在实验室获得过超临界水。
所以很早之前,人们就已经了解到超临界水的特性,并试图加以利用。
我们知道,位于水分子之间的氢键,决定了大部分水的性质。
一般来说,如果温度升高,就会快速降低氢键的数量,由此破坏水在室温下存在的氧四方有序结构。
但当它属于超临界水的时候,氢键就出现了特殊的性质,不管温度再高,它都不会消失。
水的构成
科学家对此进行研究,它们发现在临界温度时,饱和水蒸气的氢键增加值,和处于液态水的氢键减少值相等,此时液态水中的氢键占总量的17%左右。
随后,科学家又发现了超临界水的其他特点。
第一,比如大家知道“水火不相容”这句俗语吧,但如果是在超临界水中,这一点就不成立了,因为它可以让很多物质在其中燃烧,产生火焰,甚至还可以将很多物质溶解。
常态下的水火不容
第二,超临界水具有很强的反应活性,以及强大的氧化能力,甚至比高锰酸钾还要强。
一般只需要将需要处理的物质放入超临界水中,然后向其中加入氧和过氧化氢,随后这些物质很快就会被氧化和水解。
第三,超临界水具有强腐蚀性,它几乎可以将所有金属都腐蚀,包括黄金,其腐蚀强度,比王水还要厉害。
第四,超临界水还具有极强的催化能力,所以物质在其中的化学反应会变得极快,几乎是在其他状态下的100倍。
王水
于是根据超临界水的特点,我们完全可以将其充分利用起来。
目前,我们对超临界水,可以应用于制作反应容器、预热器、冷却装置等等。
超临界水在化学反应中,既可以作为反应介质,又可以直接参与反应。
通过改变温度和压力,可以使得超临界水操控反应环境,协调反应速率、化学平衡等,所以它可以作为一种良好的溶剂来使用。
超临界水
根据前面提到的超强反应活性,我们可以将其应用于化学反应中,使得物质能够反应得更彻底。
科学家经过实验证明,超临界水可以在不添加催化剂的条件下,进行酸碱自催化反应,也就是说可以直接充当酸碱催化反应的介质。
因为当接近临界点时,水中的离子积已经比常态水增加了差不多3个数量级。
于是我们完全可以将超临界水用于水解反应、脱水反应和水合反应。
超流体萃取过程
如果未来这一技术得到使用,可以有效减少化学反应中产生的杂质,因为在超临界水状态下,无机物质几乎不能溶解,而有机物质却几乎被完全溶解。
利用超临界水去除杂质
利用这一现象,我们可以将其发展为超临界水氧化技术(SCWO)。
在将垃圾进行填埋和堆放的过程中,有机物会分解出水,并其中含有的游离水和降雨、径流和地下渗水,会极大地污染周边的水资源。
超临界水氧化技术
因此此时我们就可以将超临界水作为垃圾过滤液,减少这些废水的排放。
此外在污泥中,也存在很多有机物、氧化剂和水,使用超临界水就可以将三者形成均一的相。
由此就可以克服相间的物质传输阻力,最终在短时间内彻底破坏污泥中的有机成分,将污泥变废为宝。
另外在其他废弃、废水和固体废弃物中,应用超临界水也可以将其中含有的各种有毒化学物质清除掉。
废水
这样不仅可以增强化学物质的安全性,还可以有效减少附加污染物。
不过现在这一技术还有一些问题,需要我们重点考虑。
因为我们前面也讲到,超临界水具有很强的腐蚀性,所以在我们在使用它的过程中,如何制造具有强大抗腐蚀能力的材料就很重要。
并且,虽然水的成本不高,但是要应用这一技术,就需要在高温、高压和高含氧量的环境下进行。
我们需要高昂的经济投入,才能对这一技术进行进一步的研究和开发。
国内首台城市污泥SCWO示范装置
现在,科学家们对自然环境下的超临界水还在继续研究。
由于热液喷口的高温高压,使得钻头几乎在靠近它时就已经融化,所以至今我们都没有办法开采超临界水的样本。
不过我们相信,随着技术的进步和研究的深入,我们或许可以利用超临界水创造一场新的技术革新,最终将其应用到实际生活中。
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