深海中被發現「第四種水」:原來水并非只有固態、液態和氣態

不知道大家每天的水攝入量達標了嗎? 水在自然界存在多種形態,而科學家發現地球還存在「第四種水」,它到底是什麼呢?這種水叫做 超臨界水

科學家是 如何發現 「第四種水」的呢? 「超臨界水」 到底是什麼有什麼用途?超臨界水在地質科學方面有什麼化學意義呢?下面本文會為大家一一解答。

科學家是在深海發現的「第四種水」,原來 水并非只有固態、液態和氣態

「第四種水」被發現

事情還要從 2008 一次考察說起,當年,來自德國的科學家發現了大西洋一處險要山脊中存在一個新鮮事物—— 一個熱液噴口聽起來有點像火山噴發。這些藏匿于海底的熱液噴口,形狀像一個煙囪, 熾熱的內部溶液和外部冰冷的海水相遇,凝固成一種混合的奇特物質

此處的水溫高達464℃,已經 超過了水的臨界溫度 374℃了。研究熱噴口的化學家 安德里亞對此很興奮,她表示:它是一種水, 是一種自然狀態下就能被人類觀察到的天然的超臨界水。要是以前,誰也不會懷疑「只能通過實驗室的技術達到水的超臨界狀態」這個觀點,如今這一觀點被打破。

不再通過人為的干預, 在自然界存在超臨界水,聽起來是多麼新鮮的一件事。

「超臨界水」是什麼?

水的性質會因為溫度、壓力超過其臨界值發生變化,也就是說水會「脫胎換骨」,變成 超臨界水。它有什麼特點呢?其中引入一個概念,叫 熱力參數。這個熱力參數使超臨界水變得比普通水更小,它的 密度也在壓強和氣溫的變化下隨之改變,這個變化幅度 介于低氣壓水汽與液態水兩者之間

超臨界水在熱力學參數方面和水的普通三種形態有明顯差異,容易讓人聯想到「六邊形戰士」,在多項數值中超出平均水平。正所謂能力越大,做的事也越多。超臨界水的各項數值讓液態水、固態水、氣態水紛紛投來羨慕的目光。那麼 超臨界水有什麼超越普通水的能力呢

「超臨界水」的用途

應用于化學反應

近年來對使用超臨界水這樣的超臨界流體作為反應媒介的研究報道很多。 超臨界流體是一種很好的反應介質,它能使反應混合物更好的結合,反應過程更徹底。

接近臨界點的離子積比常態水增加了近3個數量級,處于這種狀態下的水可以 在不添加催化劑的條件下進行酸堿自催化反應,充當酸堿催化反應的介質。

超臨界水常用于 水解反應、脫水反應、水合反應,因為臨界點附近的離子積較大,這三種反應都可以在無酸、堿催化劑的情況下進行。有了超臨界水作為反應的參與者,原本復雜的反應 效率會有所提高轉化率也會得到顯著提升,總的來說,這是一種應用廣泛的有機合成方法。

超臨界水氧化技術

超臨界水氧化法(SCWO)是一種 廢水廢氣物處理技術,效率高且新穎,目前可以 將一些有毒物質在超臨界水中進行氧化,做凈化處理

它的主要原理是 利用超臨界水作為 「催化劑」 對有機物進行氧化并完成分解,所以超臨界水是氧氣和有機物完美的溶解劑,只要確保氧化環境在 富氧的環境下進行,受到的反應阻力可以小到忽略不計。

超臨界水氧化技術特點

其一, 無二次污染。在封閉環境下進行,產物無非就是些二氧化碳、水、氮氣,不會產生硫化物和二氧化硫等污染物。

其二, 處理效率高。沒有傳質阻力,可以不使用催化劑進行有機物氧化分解,分解率高達99%以上。

其三, 處理速度快,設備體積小。這也是 均相反應的特點,在超臨界水的氧化系統中,反應均是均相反應。

其四, 處理范圍廣。開頭也提到過, 超臨界水氧化技術可以降解非常多有毒有害的物質。比如氰化廢水、鹵化脂肪和鹵代芳香廢水等等。說得更貼近生活些,比如造紙廢水、生活和垃圾產生的滲透液、廢電池、毒氣毒液、廢棄電子產品等等。

其五, 節約能量。氧化分解后形成的無機鹽不溶于水,可全部沉淀析出,一些聚合物被分解為單體和低分子產物,也可以進行循環利用。一點不浪費,反應剩下的還可以用,這就是環境友好型工業的特點。

超臨界水的水解技術

超臨界水可以進行 納米材料的生產。比如 SCF 抗溶劑技術,它就是利用超臨界水這樣的「超臨界流體」,使溶解在其中的溶質發揮異于普通水的溶解度。

該項技術在 藥物微粉化有著得天獨厚的優勢,該技術幫助制藥科學家突破傳統制備方法在研磨、噴霧干燥上的技術缺陷, 擁有易于操作控制、綠色環保、過程更加溫和的優點

超臨界水氣化技術

超臨界水也是制作混合氣體的良好試劑。它有著 強大的溶解能力,產生粘度低且密度較高的液體,通過改變環境的壓力與溫度使之在短時間內氣化。

這項技術在同類 制氫技術中有著獨特的優勢:制得的高溫高壓氫氣可直接用于工業生產;不會造成二次污染,不需要高能耗的干燥過程。

超臨界水與地質科學

超臨界水是地球賜予人類的產物,它有哪些化學意義呢?

超臨界水參與成礦的作用

華南錫石礦床與富含硫化物的礦物發生 礦化作用,表明了 不同的金屬在流體演化過程中會發生活化和沉淀。超臨界水產生于高溫高壓的海底,同時附近的礦物也會 被氧化形成鹽酸,在這個過程沉淀重組,會 形成新的礦物質

超臨界水與礦物和巖石相互作用

超臨界水溶液流體不同于室溫下的電解質溶液,它們差別很大,這些差別可以為水如何溶解礦物及遷移金屬和配合物帶來了很大的參考價值。礦物的溶解和壓力有關, 壓力的提高會導致靜電致縮作用,使溶液體積縮小,有利用溶解和溶劑活化。

超臨界水引起地殼巖石發生變質反應

這是 造成地殼元素或虧損或富集的主要原因水是在地球地質中最活躍的成分,對于地球的演進和動力學有著非凡的意義。目前人們對關于超臨界水與地球地質關系的研究仍處于探索階段,所以結論的總結和論證不夠明晰,需要相關學者和專家投入精力加以研究。

超臨界水與未來

超臨界水是一種奇特而神秘的水形態,它廣泛應用于化學反應,參與水解、氣化廢物處理,它參與了地球地質的運動和改造,等待科學家的深入探索。

同一事物的不同形態,呈現出嶄新的未知可能。我們人類的長遠發展,離不開追求變化、追求創新,未來永遠把握在新事物的手中,如初生的太陽。


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