hydrotermale prosesser – Store norske leksikon (original) (raw)
Hydrotermale prosesser er kjemiske prosesser som foregår i nærvær av vann ved høyt trykk og en temperatur på minst 100 °C. I naturen dannes mange mineraler gjennom hydrotermale prosesser. Oppløsning og krystallisasjon av mineraler og våtforbrenning av organisk materiale er eksempler på hydrotermale prosesser som kan utføres industrielt.
Faktaboks
Uttale
hydrotermˈale prosesser
Hydrotermal mineraldannelse
Mange mineraler dannes naturlig ved at gasser fra vulkaner og fra underjordiske smeltemasser (magmaer) reagerer med bergartene de passerer ved en prosess som kalles pneumatolyse. Når temperaturen faller, kondenseres gassene og gir vandige løsninger. Den hydrotermale virksomheten består i en reaksjon mellom disse løsningene og sidesteinen. Hydrotermalløsningene transporterer en mineralsubstans som avsettes i hulrom og sprekker som konkresjoner eller som hydrotermalganger og -årer, eller som impregnasjon langs korngrensene. En rekke viktige malm- og ertsmineraler avsettes på denne måten.
Det skilles mellom tre temperaturintervaller prosessen kan skje ved:
- Hypotermal: 300–500 °C
- Mesotermal: 200–300 °C
- Epitermal: 50–200 °C
Hydrotermal mineraldannelse kan iblant observeres der varme kilder kommer til overflaten, for eksempel ved Mammoth Hot Springs i Yellowstone National Park i USA.
Hydrotermal syntese
Mange av de naturlige hydrotermale prosessene har blitt etterlignet i laboratorier og utviklet videre til tekniske prosesser, kjent som hydrotermal syntese eller hydrotermal krystallisasjon.
Ved fremstilling av store enkeltkrystaller av kvarts, med kjemisk formel SiO2, anvendes en høytrykksmetode med superkritisk vann ved et trykk på 790 atm og en temperatur på rundt 400 °C. Råmaterialet, som er ren kvarts i små stykker, befinner seg i bunnen av en langstrakt stående autoklav som inneholder ca. 1 molar lutløsning. En eller flere startkrystaller av kvarts henger over i et område hvor temperaturen holdes ca. 50 °C lavere. Fordi løseligheten avtar ved fallende temperatur, vil kvarts som løses ut i bunnen etter hvert felles ut på startkrystallene. Temperaturforskjellen sørger for indre strømning og transport i autoklaven. For å oppnå perfekte, store krystaller, må utfellingen skje svært langsomt. Produksjon av en krystall på et halvt kilo kan ta 2–3 måneder.
Hydrotermal syntese omfatter også produksjon av en rekke oksider med høy renhet der det først utfelles mikrokrystallitter, gjerne mindre enn 10 mm i diameter. Eksempler er SiO2 til elektronisk utstyr og kromdioksid, CrO2, som særlig har vært brukt til magnetbånd for informasjonslagring. Et annet viktig produkt er zeolitter, som er spesielle krystaller av aluminosilikater som anvendes til katalysatorer og til selektiv adsorpsjon av komponenter (molekylsil).
Superkritisk vann
Flere av de industrielle prosessene utnytter de spesielle egenskapene til superkritisk vann, det vil si vann som er nær eller over det kritiske punktet, som for vann er 374 °C og 225 atm. Vann i superkritisk tilstand kan ikke lenger identifiseres som damp eller væske, men har egenskaper som minner om begge faser. For eksempel er massetettheten helt avhengig av trykket, slik den er for en gass, og den kan ved høye trykk bli vesentlig høyere enn for vanlig vann. Løsemiddelegenskapene ligner vannets, men fordi de er sterkt avhengig av trykk og temperatur, kan man styre oppløsning og utfelling ved relativt små endringer i disse parametrene. Superkritisk vann har lav viskositet og høy diffusivitet, omtrent som for gasser. Oppløsningshastigheten og evnen til å trenge inn i små sprekker og hulrom i et materiale er derfor svært god.
Høytrykks-hydrometallurgi
Høytrykks-hydrometallurgi er en teknologi som omfatter vannkjemisk behandling av metallførende mineraler ved høyt trykk og høy temperatur. De verdifulle komponentene ekstraheres selektivt over i vannfasen og kan deretter utvinnes i ren form. I bayerprosessen for produksjon av aluminiumoksid, er et av trinnene behandling av bauxitt med konsentrert natronlutløsning i autoklaver ved 160–170 °C. Derved løses aluminium ut som natriumaluminat mens uoppløst jern og silisium kan filtreres fra. Reaksjonsligningene for hovedreaksjonene i denne prosessen er
Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4 (aq)
eller
AlO(OH) + NaOH + H2O → NaAl(OH)4 (aq)
Våtforbrenning
Våtforbrenning er en reaksjon mellom oksygen og suspendert eller løst organisk materiale i en vannfase. Typiske betingelser for våtforbrenning er temperaturer mellom 150 og 325 °C og trykk fra 20 til 200 atm. Prosessen er i prinsippet nokså lik vanlig forbrenning, men den er vanskeligere å initiere (tenne). Når innholdet av organisk materiale er rundt 0,5 prosent, er våtforbrenningen selvforsynt med varme. Ved høyere konsentrasjoner kan energi hentes ut i varmevekslere. Våtforbrenning er tatt i bruk til destruksjon av mange forskjellige typer organisk problemavfall.