不知道大家每天的水?dāng)z入量達(dá)標(biāo)了嗎？水在自然界存在多種形態(tài)，而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球還存在“第四種水”，它到底是什么呢？這種水叫做超臨界水。

生命之源——水

科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)“第四種水”的呢？“超臨界水”到底是什么？有什么用途？超臨界水在地質(zhì)科學(xué)方面有什么化學(xué)意義呢？下面本文會(huì)為大家一一解答。

科學(xué)家是在深海發(fā)現(xiàn)的“第四種水”，原來(lái)水并非只有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)！

“第四種水”在深海中被發(fā)現(xiàn)

“第四種水”被發(fā)現(xiàn)

事情還要從2008年一次考察說(shuō)起，當(dāng)年，來(lái)自德國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大西洋一處險(xiǎn)要山脊中存在一個(gè)新鮮事物——一個(gè)熱液噴口，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像火山噴發(fā)。這些藏匿于海底的熱液噴口，形狀像一個(gè)煙囪，熾熱的內(nèi)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(zhì)。

拍攝到的熱液噴口

此處的水溫高達(dá)464℃，已經(jīng)超過(guò)了水的臨界溫度374℃了。研究熱噴口的化學(xué)家安德里亞對(duì)此很興奮，她表示：它是一種水，是一種自然狀態(tài)下就能被人類觀察到的天然的超臨界水。要是以前，誰(shuí)也不會(huì)懷疑“只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)達(dá)到水的超臨界狀態(tài)”這個(gè)觀點(diǎn)，如今這一觀點(diǎn)被打破。

不再通過(guò)人為的干預(yù)，在自然界存在超臨界水，聽(tīng)起來(lái)是多么新鮮的一件事。

出現(xiàn)超臨界水的條件

“超臨界水”是什么？

水的性質(zhì)會(huì)因?yàn)?/span>溫度、壓力超過(guò)其臨界值發(fā)生變化，也就是說(shuō)水會(huì)“脫胎換骨”，變成超臨界水。它有什么特點(diǎn)呢？其中引入一個(gè)概念，叫熱力參數(shù)。這個(gè)熱力參數(shù)使超臨界水變得比普通水更小，它的密度也在壓強(qiáng)和氣溫的變化下隨之改變，這個(gè)變化幅度介于低氣壓水汽與液態(tài)水兩者之間。

超臨界水不同于其它三種

超臨界水在熱力學(xué)參數(shù)方面和水的普通三種形態(tài)有明顯差異，容易讓人聯(lián)想到“六邊形戰(zhàn)士”，在多項(xiàng)數(shù)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(xiàng)數(shù)值讓液態(tài)水、固態(tài)水、氣態(tài)水紛紛投來(lái)羨慕的目光。那么超臨界水有什么超越普通水的能力呢？

“超臨界水”的用途

• 應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)

近年來(lái)對(duì)使用超臨界水這樣的超臨界流體作為反應(yīng)媒介的研究報(bào)道很多。超臨界流體是一種很好的反應(yīng)介質(zhì),它能使反應(yīng)混合物更好的結(jié)合，反應(yīng)過(guò)程更徹底。

超臨界流體的萃取原理

接近臨界點(diǎn)的離子積比常態(tài)水增加了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，處于這種狀態(tài)下的水可以在不添加催化劑的條件下進(jìn)行酸堿自催化反應(yīng)，充當(dāng)酸堿催化反應(yīng)的介質(zhì)。

超臨界水常用于水解反應(yīng)、脫水反應(yīng)、水合反應(yīng)，因?yàn)榕R界點(diǎn)附近的離子積較大，這三種反應(yīng)都可以在無(wú)酸、堿催化劑的情況下進(jìn)行。有了超臨界水作為反應(yīng)的參與者，原本復(fù)雜的反應(yīng)效率會(huì)有所提高，轉(zhuǎn)化率也會(huì)得到顯著提升，總的來(lái)說(shuō)，這是一種應(yīng)用廣泛的有機(jī)合成方法。

不需要常規(guī)催化劑進(jìn)行反應(yīng)

• 超臨界水氧化技術(shù)

超臨界水氧化法(SCWO)是一種廢水廢氣物處理技術(shù)，效率高且新穎，目前可以將一些有毒物質(zhì)在超臨界水中進(jìn)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(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化并完成分解，所以超臨界水是氧氣和有機(jī)物完美的溶解劑，只要確保氧化環(huán)境在富氧的環(huán)境下進(jìn)行，受到的反應(yīng)阻力可以小到忽略不計(jì)。

SCWO處理含酚廢水的流程

• 超臨界水氧化技術(shù)特點(diǎn)

其一，無(wú)二次污染。在封閉環(huán)境下進(jìn)行，產(chǎn)物無(wú)非就是些二氧化碳、水、氮?dú)?，不?huì)產(chǎn)生硫化物和二氧化硫等污染物。

其二，處理效率高。沒(méi)有傳質(zhì)阻力，可以不使用催化劑進(jìn)行有機(jī)物氧化分解，分解率高達(dá)99%以上。

其三，處理速度快，設(shè)備體積小。這也是均相反應(yīng)的特點(diǎn)，在超臨界水的氧化系統(tǒng)中，反應(yīng)均是均相反應(yīng)。

廢舊電池也可以被降解

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

其五，節(jié)約能量。氧化分解后形成的無(wú)機(jī)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(chǎn)物，也可以進(jìn)行循環(huán)利用。一點(diǎn)不浪費(fèi)，反應(yīng)剩下的還可以用，這就是環(huán)境友好型工業(yè)的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)機(jī)器人

• 超臨界水的水解技術(shù)

超臨界水可以進(jìn)行納米材料的生產(chǎn)。比如SCF抗溶劑技術(shù)，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(zhì)發(fā)揮異于普通水的溶解度。

該項(xiàng)技術(shù)在藥物微粉化有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)幫助制藥科學(xué)家突破傳統(tǒng)制備方法在研磨、噴霧干燥上的技術(shù)缺陷，擁有易于操作控制、綠色環(huán)保、過(guò)程更加溫和的優(yōu)點(diǎn)。

科學(xué)家研究出了超強(qiáng)的納米材料

• 超臨界水氣化技術(shù)

超臨界水也是制作混合氣體的良好試劑。它有著強(qiáng)大的溶解能力，產(chǎn)生粘度低且密度較高的液體，通過(guò)改變環(huán)境的壓力與溫度使之在短時(shí)間內(nèi)氣化。

這項(xiàng)技術(shù)在同類制氫技術(shù)中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：制得的高溫高壓氫氣可直接用于工業(yè)生產(chǎn)；不會(huì)造成二次污染，不需要高能耗的干燥過(guò)程。

氫氣可以作為環(huán)保燃料

超臨界水與地質(zhì)科學(xué)

超臨界水是地球賜予人類的產(chǎn)物，它有哪些化學(xué)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(fā)生礦化作用，表明了不同的金屬在流體演化過(guò)程中會(huì)發(fā)生活化和沉淀。超臨界水產(chǎn)生于高溫高壓的海底，同時(shí)附近的礦物也會(huì)被氧化形成鹽酸，在這個(gè)過(guò)程沉淀重組，會(huì)形成新的礦物質(zhì)。

礦化形成的景觀

• 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(zhì)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(lái)了很大的參考價(jià)值。礦物的溶解和壓力有關(guān)，壓力的提高會(huì)導(dǎo)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(fā)生變質(zhì)反應(yīng)

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(zhì)中最活躍的成分，對(duì)于地球的演進(jìn)和動(dòng)力學(xué)有著非凡的意義。目前人們對(duì)關(guān)于超臨界水與地球地質(zhì)關(guān)系的研究仍處于探索階段，所以結(jié)論的總結(jié)和論證不夠明晰，需要相關(guān)學(xué)者和專家投入精力加以研究。

地球被大片海洋覆蓋

超臨界水與未來(lái)

超臨界水是一種奇特而神秘的水形態(tài)，它廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)，參與水解、氣化廢物處理，它參與了地球地質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和改造，等待科學(xué)家的深入探索。

還有無(wú)數(shù)未知等著我們?nèi)ヌ剿?/span>

同一事物的不同形態(tài)，呈現(xiàn)出嶄新的未知可能。我們?nèi)祟惖拈L(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，離不開(kāi)追求變化、追求創(chuàng)新，未來(lái)永遠(yuǎn)把握在新事物的手中，如初生的太陽(yáng)。