水热熔盐系统为众多领域开辟可持续发展新道路

在一份关于科学进展的新报告中,T. Voisin和法国国家科学研究中心和技术与能源管理研究所的一个研究小组提出了一种新的溶剂系统。水热熔盐(HyMoS)系统是由压水堆中的熔盐组成,能够改变无机物在超临界水中的溶解度。

HyMoS的形成。(A)以NaOH为例,在SCW中形成HyMoS的方案。(B)影片S1的蒙太奇照片(下图)显示了在25 MPa和450°C下蓝宝石毛细管中NaOH熔融盐滴的直接观察和运动。图片提供:ICMCB的Thomas Voisin。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaz7770

重大意义

科学家们使用了氢氧化钠(NaOH)这种低熔点的盐,并显示出在高于其熔点的温度下沉淀它的能力,能立即形成热金属氧化物。熔盐可以溶解大量的无机盐,包括硫酸钠(Na2SO4)。

新的溶剂体系在材料合成、生物质转化、绿色化学、循环利用、催化和可持续生产等多个领域开辟了一条新的道路。这项工作提供了超越水热动力学的机会来研究创新盐沉淀的化学性质和见解。

研究背景

由于超临界水具有溶解油的能力,因此通常被称为“魔术”溶剂。该特性扩展了SCW在材料合成,回收或生物质转化中的潜在应用。但是,随着SCW极性的破坏,无机化合物的溶解度下降。

可以通过选择具有良好的无机化合物溶解能力和高热稳定性的良好共溶剂候选物来克服SCW的局限,从而解决这一难题。熔融盐由于其高密度和重要的溶解能力而具有吸引力。

熔融盐种类繁多,数十年来作为硝酸盐,碳酸盐,氢氧化物或共晶混合物溶解无机材料。在这项工作中,Voisin等人建议在SCW内生成熔融盐以克服SCW的局限性。他们将高温热熔盐(HyMoS)与感兴趣的盐与SCW一起组成了高温热液应用。

研究过程

为了形成HyMoS,研究小组在压力下注入了均匀的电解质水/盐溶液,并将其加热以使盐沉淀。由于沉淀温度高于熔融温度,因此盐在沉淀后立即熔化,形成HyMoS。

科学家注意到蓝宝石毛细管内SCW中熔融的NaOH液滴的演化和运动。当他们冷却系统时,由于机理是完全可逆的,因此他们可以回收最初的均匀电解质水/盐溶液。Voisin等。选择NaOH盐的原因是其具有高的热稳定性,低的熔融温度(318 0 C)和高的溶解无机盐的能力。

该团队使用了一个实验装置(在其他地方进行了详细介绍)来测量溶解度值并研究SCW中氢氧化钠的行为。他们探索了两种组分之间密度和粘度的差异,以测量化合物在SCW条件下的溶解度。

固体沉淀的两步机制很快,并且在装有常规电荷耦合器件照相机的蓝宝石毛细管设备中,以每秒50帧的速度观察不到固体颗粒。结果表明,与SCW一起流动的浓助溶剂的可行性。然后,该团队着重研究了在SCW条件下NaOH溶解其他无机盐的能力。

1 / 1呈现连续电导率数据和延迟,用于测量NaOH熔盐的溶解度。(A)由于NaOH和SCW之间的多孔介质中的粘度和密度差异,使用延迟分析说明了测量原理。(B)以延迟原理获得的连续测量的示例,蓝色曲线为反应器内部的温度,红色线为出口处的电导率测量值(根据时间延迟进行校正)。(C)在25 MPa下所得的NaOH在SCW中的溶解度曲线。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaz7770

另一种方案

为了突出基于NaOH的HyMoS在SCW中溶解固体盐的能力,研究小组提出了另一种实验方案。在实验期间,他们首先在给定温度下将无机盐硫酸钠(Na 2 SO 4)的水溶液注入系统中,以将固体盐沉积在反应物壁上。

由于Voisin等人知道Na 2 SO 4的溶解度,他们检查了电导率的连续测量过程中系统中是否发生降水,随后计算出了氢氧化钠溶液中硫酸钠的浓度。尽管装置中升高的温度对无机盐硫酸钠几乎没有影响,但是熔融盐氢氧化钠的初始浓度对其溶解速率有重大影响。

因此,从逻辑上讲,随着氢氧化钠浓度的增加,其相应的熔融相在设置中也会增加,从而导致沉积在反应器中的无机盐的溶解速率提高,从而确保连续流动。

NaOH HyMoS在SCW中连续流动对沉积的Na2SO4固体盐溶解的验证。(A)从实验装置获得的原始电导(红色)和温度(蓝色)信号,显示了协议的不同步骤。绿色区域表示进入反应器的Na2SO4沉淀和盐沉积步骤,蓝色区域表示注入NaOH溶液以溶解沉积的盐。(B)图解说明实验的第一步的方案,该方案包括通过沉淀来沉积盐。(C)图示了实验的第二步的方案,包括NaOH的沉淀/熔融和先前沉积的Na2SO4的溶解。(D)Na 2 SO 4 ICP浓度根据温度得出,在NaOH溶解过程中的不同时间。措施与Na2SO4在SCW中的正常溶解度之间的比较。(E)对于两种不同的NaOH进料浓度,NaOH熔融相中Na 2 SO 4质量分数随时间的变化。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaz7770

研究成果

使用稳定的熔融氢氧化物盐(例如氢氧化钠),他们生成了原位溶剂以溶解大量的钠。硫酸盐固体盐。科学家展示了HyMoS的首次应用,并绕过了盐在反应堆中的沉积和阻塞,从而发展出连续流动的过程。

该技术具有成本效益,因为与复杂的离子液体相比,实验中使用的碱性盐(如NaOH)是相对便宜的材料。用简单而廉价的系统产生浓溶剂的能力也对水热系统有影响。但是,由于分批系统需要高温和高粘度,熔融盐相对于连续系统的可加工性受到限制。

双相HyMoS系统由SCW和熔融盐组成,可以将其设置为一种新型的热水/ 盐 乳液可有效溶解各种不同的盐。

文章来源:phys.org

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