СИСТЕМА РАЗЛОЖЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК B01J19/08 A62D3/00 B01D53/32 

Изобретение относится к области радиационных технологий и может найти применение для разложения токсичных соединений (ТС) в химической промышленности и других областях, где имеются ТС.

Известно устройство для разложения токсичных соединений с помощью плазмохимических методов, например с помощью плазменной дуги [1]. Оно включает в себя плазменный реактор, в котором зажигается плазменная дуга, контейнер с выходом токсичных соединений в реактор, систему подачи нагретых газов в реактор для облегчения зажигания разряда. Когда зажигается плазменная дуга, происходит нагревание ТС и начинают протекать химические реакции, которые приводят к разложению этих соединений.

Основными недостатками этого устройства являются сложность системы и трудность оптимизации процесса разложения токсичных соединений.

Другое устройство для разложения токсичных соединений на основе микроволновых плазменных процессов [2] состоит из плазменного реактора, генераторов микроволнового излучения, системы напуска токсичных соединений из контейнеров или других сосудов. При подаче микроволнового излучения в плазменный реактор, в последнем формируется микроволновый разряд. В этом разряде происходит нагрев ТС и начинается их разложением на основе химических реакций.

Основными недостатками этого устройства являются сложность плазменного реактора с вакуумной системой и трудностью оптимизации процесса разложения. Кроме того оба аналога имеют общий недостаток - опасность утечки токсичных веществ.

В качестве прототипа выбрано устройство для разложения диоксинов [3], которое используется в целлюлозной промышленности и представляет собой токсичное вещество. Это устройство включает в себя ускоритель электронов непрерывного действия для облучения газов, проходящих через металлическую трубу. В этом случае осуществляются окислительно-восстановительные реакции, которые инициируются электронами. При этом продукты реакций практически полностью используются для химического производства других полезных веществ или отходят в атмосферу. Концентрация вредных веществ для окружающей природы резко снижается и не превышает допустимых санитарных норм. Электронный ускоритель содержит электронную пушку с термокатодом, ускоряющую структуру, систему развертки и сканирования пучка электронов, систему вывода пучка в атмосферу. Процесс разложения газов начинается при облучении электронным пучком этих газов.

Недостатками данного устройства являются невысокая его эффективность, невозможность осуществления разложения жидких токсичных соединений. Первый недостаток связан с отсутствием возможности регулировки параметров пучка электронов, а второй - с отсутствием условий для осуществления разряда в жидкости, потому что электронный пучок непрерывный, а проводимость жидкости - конечная величина.

Цель изобретения - расширений функциональных возможностей устройства путем возможности разложения жидких токсичных соединений.

Указанная цель достигается тем, что источник инициирования разряда в объеме с жидкими или газообразными токсичными соединениями состоит из импульсного источника электронов, соединенного с входом и выходом генератора импульсного напряжения через систему управления параметрами источника электронов и через один из выходов системы обработки данных по разложению токсичных соединений, при этом входы системы обработки данных по разложению токсичных соединений соединены с токовыми измерителями, расположенными в металлической камере, и связаны посредством токовых шин, которые с одной стороны соединены с металлическими ячейками с установленными на них контейнерами с токсичными соединениями, а с другой стороны - с металлической камерой, при этом металлические ячейки расположены на диэлектрической пластине внутри металлической камеры.

Разложение ТС осуществляется на основе плазмохимических реакций и по проводимости плазмы, которая зависит от параметров разряда и концентрации ионизованных ТС, определяются и устанавливаются параметры пучка электронов, а также время окончания процесса разложения.

На чертеже схематично показана предлагаемая система разложения токсичных соединений:
1 - импульсный источник электронов; 2 - генератор импульсного напряжения; 3 - система управления параметрами источника электронов; 4 - система обработки данных по разложению токсичных соединений; 5 - токовые измерители; 6 - система измерения параметров электронного пучка; 7 - пучок электронов; 8 - капсула или контейнер с токсичными соединениями; 9 - металлическая ячейка; 10 - диэлектрическая пластина; 11 - металлическая камера; 12 - токовая шина.

Импульсный источник электронов 1 запитывается от генератора импульсного генератора импульсного напряжения 2. При этом генератор импульсного напряжения 2 и импульсный источник электронов 1 подключены к системе управления параметрами источника электронов 3, которая в свою очередь связана с системой обработки данных по разложению токсичных соединений 4. Система обработки данных по разложению токсичных соединений 4 соединена с системой измерения параметров электронного пучка 6. К системе обработки данных по разложению токсичных соединений подключена капсула или контейнер с токсичными соединениями 8 через токовые измерители 5, которые в свою очередь подключены к токовой шине 12. При этом токовыми измерителями 5 могут быть как шунты или трансформаторы тока. В металлической камере 11 устанавливается диэлектрическая пластина 10, в которой располагаются металлические ячейки 9 для размещения капсул или контейнеров с отравляющими веществами 8. При этом металлические ячейки 9 электрически подключены к металлической камере 11 через токовые шины 12. Капсула или контейнер с токсичными соединениями 8 устанавливаются в металлических ячейках 9, и при этом они имеют электрический контакт с самой металлической камерой 11, которая в свою очередь подключена к общей шине импульсного источника электронов 1 и генератора импульсного напряжения 2. Таким образом осуществляется электрическая цепь для протекания электронного тока от импульсного источника электронов 1 через контейнер или капсулу с токсичными соединениями 8 на металлическую камеру 11 на общую шину импульсного источника электронов 1 и генератор импульсного напряжения 2.

Устройство работает следующим образом. Электронный пучок 7 от импульсного источника электронов 1 проходит через систему измерения параметров пучка электронов 6 на основе токового трансформатора (пояса Роговского) и поступает в контейнер 8 с токсичными соединениями. Параметры пучка электронов (величина электронного тока, кинетическая энергия - ускоряющее напряжение на источнике электронов) поступают в систему обработки данных по разложению токсических соединений 4. При инжекции электронного пучка 7 в жидкое или газообразное ТС в контейнере или в капсуле 8 происходит образование гамма-квантов при прохождении электронов через стенку контейнера или капсулы 8. Эти первичные гамма-кванты начинают инициировать диссоциацию компонент токсичных соединений. Затем электроны, которые поступили в контейнер 8 с ТС, начинают ионизировать газ или жидкость. В случае газовых токсичных соединений наблюдается плазменно-пучковый разряд, усиливается диссоциация компонент ТС и повышается температура, которая приводит к процессу термического выжигания ТС. Температуры, до которых нагревается газ, составляют больше тысячи градусов в течение длительности импульса тока пучка электронов. Так как глубина проникновения электронов соизмерима с размерами капсул или контейнеров, то выделение энергии пучка идет по всему объему. Также развивается плазменно-пучковый разряд и неустойчивости в нем [4]. В целом это все приводит к процессам разложения токсичных соединений. Так при параметрах электронного пучка: кинетической энергии E = 1 МэВ, тока пучка J = 1 кА и длительности импульса тока пучка электронов t = 500 нс, энергия пучка электронов за один импульс составляет W = EJt = 10⁶ • 10³ • 5 • 10^-7 500 Дж. Этой энергии достаточно для нагрева газового объема капсулы диаметром 5 см и длиной 10 см до температуры порядка 700-1200^oC. Согласно многим данным, этой температуры достаточно для разложения многих токсичных соединений [5]. При этом наблюдается изменение проводимости плазмы газового или жидкостного разряда и величины тока, который стекает с контейнера или капсулы 8 на металлическую камеру 11. Величина тока определяется разностью между током пучка электронов 7, измеренного с помощью системы измерения параметров пучка 6, и потерями электронов на формирование газового или жидкостного разряда в капсуле или контейнере 8. В этом случае это изменение тока, который стекает с контейнера или капсулы 8 на металлическую камеру, является величиной, определяющей степень разложения токсичных соединений. В зависимости от типа токсичных соединений величина потерь электронов в разряде в контейнере или капсуле 8 будет иметь различные значения, и для каждого конкретного типа токсичных соединений необходима калибровка, которая заносится в систему обработки данных по разложению ТС 4. Процесс облучения продолжается до тех, пор пока не наступит степень разложения ТС, которая удовлетворяет потребителей. По калибровке можно осуществлять коррекцию параметров пучка электронов в зависимости от степени разложения и эффективности протекания химических реакций разложения. Для этого с системы обработки данных по разложению ТС поступают импульсы на систему управления параметрами источника электронов 5. В этом случае регулируется величина электронного тока и кинетической энергии пучка электронов. Поскольку существуют обширные классы веществ, которые относятся к токсичным соединениям, то эта операция по коррекции параметров пучка электронов необходима.

В случае использования ТО в виде жидкости происходит формирование электронно-пучкового разряда в жидкости и происходит радиолиз жидкости, который приводит к разложению ТО до других химических соединений, которые могут использоваться в химической промышленности. Импульсный характер пучка электронов позволяет реализовать условия зажигания разряда в жидкости в силу ее конечной проводимости. Кроме того, дополнительно к импульсному радиолизу электронным пучком в данном случае добавляется эффект воздействия гамма-излучения, природа появления которого описана выше.

Таким образом, плазменно-пучковый разряд как в газовых, так и жидкостных средах, а именно в газовых или жидкостных капсулах или контейнерах 8 приводит к плазмохимическим реакциям их разложения.

Следовательно, введение существенных новых признаков, а именно импульсного источника электронов, системы управления параметрами источника электронов, системы обработки данных по разложению токсичных соединений, металлической камеры с диэлектрической пластиной и металлической ячейкой, на которой расположен контейнер с токсичными соединениями, а также связи между ними приводят к положительному эффекту, а именно расширению функциональных возможностей устройства путем возможности разложения жидких токсичных соединений.

Был изготовлен опытный образец устройства, на котором проводились предварительные эксперименты. При этом использовался импульсный источник электронов ЛСВЭ ОИЯИ [6] со следующими параметрами:
кинетическая энергия электронов кэВ - 200 - 500
ток пучка электронов, А - 500 - 2000
длительность импульса тока пучка электронов, нс - 300
В качестве жидкого токсичного соединения выбирался ацетон, как наиболее доступное токсичное жидкое соединение. Ацетон помещался в небольшую металлическую тонкостенную ампулу из стали. Система коррекции параметров пучка, система обработки данных по разложению представляла собой электронную систему, собранную на основе известных электронных блоков (АЦП, ЦАП, усилители и др. ). Управление осуществлялось от компьютерной системы на базе персонального компьютера. Регистрация разложения осуществлялась на основе продуктов химических реакций.

Сравнение с прототипом показывает преимущество предлагаемого технического решения, которое заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем возможности разложения жидких токсичных соединений.

Литература
1. Dev. Н., Condorelli P., e. a. Solving Yazardous waste problems: Learning from Dioxins. ACS Symposium Series Np 338, Publ. American Chemiccal Society, 1987, p. 331.

2. Bailin L.J. EPA/68-03-2190. Lockneed Palo Alto Research Laboratory, Cincinnati OH, 1977.

3. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Стрижев А.Ю. Применение электронных пучков и импульсных разрядов для очистки дымовых отходов. - М.: Всесоюзный Электротехнический Институт, 1993. стр. 36.

4. Иванов А.А., Крашенников С.И. ЖТФ. Т. 51, вып. 11, - 1981, 2271.

5. Бекер С. и др. Российский химический журнал. Т. XXXVII. - 1993, N 3, с. 29.

6. Коренев С.А. Докторская диссертация. - ОИЯИ, 1995.

Изобретение относится к области радиационных технологий и может быть использовано для разложения токсичных соединений в химической промышленности и других областях, где имеются токсичные соединения. Система разложения токсичных соединений включает контейнер с токсичными соединениями и источник инициирования разряда для плазмохимического разложения токсичных соединений, при этом источник инициирования разряда состоит из импульсного источника электронов, соединенного с входом и выходом генератора импульсного напряжения через систему управления параметрами источника электронов и через один из выходов системы обработки данных по разложению токсичных соединений, а входы системы обработки данных по разложению токсичных соединений соединены с токовыми измерителями, расположенными в металлической камере, и соединены посредством токовых шин, которые с одной стороны соединены с металлическими ячейками с установленными на них контейнерами с токсичными соединениями, а с другой стороны - с металлической камерой, при этом металлические ячейки расположены на диэлектрической пластине внутри металлической камеры. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности разложения токсичных соединений. 1 ил.

Система разложения токсичных соединений, включающая контейнер с токсичными соединениями и источник инициирования разряда для плазмохимического разложения токсичных соединений, отличающаяся тем, что источник инициирования разряда состоит из импульсного источника электронов, соединенного с входом и выходом генератора импульсного напряжения через систему управления параметрами источника электронов и через один из выходов системы обработки данных по разложению токсичных соединений, при этом входы системы обработки данных по разложению токсичных соединений соединены с токовыми измерителями, расположенными в металлической камере, и соединены посредством токовых шин, которые с одной стороны соединены с металлическими ячейками с установленными на них контейнерами с токсичными соединениями, а с другой стороны - с металлической камерой, при этом металлические ячейки расположены на диэлектрической пластине внутри металлической камеры.