超临界水不是液体,也不是气体。宇宙飞船如何用加热到374°C的水

山后边的君 2025-03-19 00:05:51

这话虽然听起来很奇怪,但借助水,你可以燃烧各种物质。但要做到这一点,它必须处于一种特殊状态——超临界。

超临界流体是介于液体和气体之间的一种特殊物质状态。普通水在1个大气压下在100摄氏度时沸腾。在此温度下,内部压力等于外部气压,液体可以变成蒸汽。

但是,通过使用压力锅等增加压力,沸点可以升高到 120 度。这就是为什么食物在里面煮得很快的原因。但要无限提高水的沸点仍然是不可能的。达到某个临界点时,无论外部压力有多大,分子都会停止相互结合。

这就是所谓的相平衡临界点,对于水来说,这个温度是374度。这是在218个大气压下实现的。在这个值下,液体被迫改变状态,但不能变成普通蒸汽。然后水进入超临界状态,具有水和气体的性质。

超临界水像气体一样能够穿透固体物体的微小孔隙,并且作为液体,它能够有效溶解各种物质,甚至是油。

这些品质综合起来看起来非常有吸引力。在此温度下,正常条件下保持完整的物质会被有效溶解。在超临界水的作用下,有机分子的键被破坏、氧化,并与氧气自由发生反应。

从化学角度来说,剧烈的氧化反应就是燃烧。因此,当我们切断氧气供应时,燃烧就会停止,火就会熄灭。这意味着超临界水燃烧有机物的方式与在火中燃烧的方式非常相似。

只有超临界水才允许实现这一目标而无需明火,而明火一直被认为是危险的来源。这对于废物处理来说是理想的,特别是在无法生火的地方。例如在宇宙飞船上。

欧洲航天局(ESA)的研究人员发现,通过将超临界水注入人类有机排泄物中,可以生产出可供太空人使用的普通饮用水和二氧化碳。宇航员为什么需要水是显而易见的。最主要的是不要特别重视它的起源。同时,二氧化碳将维持为人类提供氧气和食物的植物的生命。

这项技术在长途太空飞行中将会非常有用,例如飞往火星。然而,在科学家和工程师开始使用它之前,他们必须克服几个障碍。在上述过程中,会形成盐作为副产品。超过临界点后,任何溶解在水中的盐都会迅速沉淀。如果这种情况发生在反应堆容器中,容器的金属部件就会被盐覆盖并开始腐蚀。

这些连接具有损坏各种类型机制的特性,而这在宇宙飞船上是完全不可接受的。然而,从有机废物中获取干净的饮用水值得努力完善技术。

超临界水不仅可以在太空中使用,也可以在地球上使用。超临界水尤其可以解决全氟和多氟烷基化合物(PFAS)的问题。它们被用来制造不粘锅,并最终进入地球的许多水源。

PFAS 有时被称为“永久的”,因为它们几乎不可降解且极难去除。但是超临界水可以通过氧化过程分解 PFAS 分子。此外,科学院ITSB的科学家还开发出一种方法,通过在超临界水中氧化各个水体中纸浆和造纸厂的废弃物,使其无害化。

0 阅读:9
山后边的君

山后边的君

感谢大家的关注