СПОСОБ БЫСТРОГО УНИЧТОЖЕНИЯ ВЫСОКОТОКСИЧНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2000 года по МПК A62D3/00 

Изобретение относится к способам обезвреживания химических отравляющих веществ и может быть использовано для быстрого уничтожения высокотоксичных газообразных соединений, являющихся отходами производств, отравляющими и экологически опасными веществами, а также химического оружия.

В настоящее время особенно актуальна проблема крупномасштабного уничтожения запасов химического оружия, при этом главным критерием для выбора оптимальной технологии являются экологическая чистота, полнота уничтожения и безопасность обслуживающего персонала и населения.

Кроме этого, в разрабатываемые технологии должен быть заложен принцип необратимости преобразования высокотоксичных химических продуктов в состояние, исключающее их возможное использование для нового производства отравляющих веществ.

Другой актуальной задачей, требующей скорейшего решения, является охрана окружающей среды и уничтожение высокотоксичных и вредных газообразных веществ, например, фтор-хлорсодержащих углеводородов, а также отходов производств, имеющих в своем составе экологически вредные и ядовитые вещества.

Из множества известных технических решений по уничтожению химического оружия и высокотоксичных и экологически вредных веществ выделяются две основные группы методов, которые могут быть использованы для переработки этих веществ - это химические и термические методы.

Известен способ фотолитического разложения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина с использованием четвертичных фосфониевых солей в качестве катализаторов. (см. RU пат. N 2078603 C1 МПК A 62 D 3/00, опубл. 10.05.97).

Способ не может быть применен для уничтожения газообразных отравляющих веществ (OВ), а при разложении вредных химических веществ образуются также экологически вредные продукты, требующие специальных приемов утилизации.

Химические способы уничтожения отравляющих веществ сопряжены с образованием больших количеств стоков и требуют дополнительных стадий обработки для переработки больших реакционных масс различных материалов, что увеличивает затраты на уничтожение 0В.

Наиболее экологически безопасными методами решения задачи уничтожения токсичных веществ являются термические методы.

Так, известен способ термического разложения боевых отравляющих веществ, заключающийся в их нагреве в полости снаряда с использованием СВЧ энергии и с удалением продуктов пиролиза емкость для накопления продуктов разложения. СВЧ энергию подают через заливную горловину с помощью коаксиальной линии с антенной, размещенной в полости снаряда.

Для каждого типа снаряда подбирают конфигурацию антенны и степень ее погружения для обеспечения СВЧ-тракта. Соединение внешнего проводника коаксиала и снаряда должно быть герметичным, (см. RU пат. N 2093229 C1, A 62 D 3/00, опубл. 20.01.97).

Способ требует сложного аппаратурно-конструкторского оформления и не является универсальным. Кроме того, здесь необходим большой расход энергии для проведения реакции уничтожения OB.

Известен способ термического разложения OB с помощью газо-взрывного воздействия на распыляемые химические боеприпасы в присутствии реагентов, которые связывают продукты разложения в экологически безопасные вещества (см. RU пат. N 2071800 C1 МПК A 62 D 3/00, опубл. 20.01.07).

Способ требует индивидуального подбора реагентов для различных видов химического оружия и предъявляет чрезвычайно высокие требования к взрывозащитным камерам, которые должны сохранять абсолютную герметичность при проведении мощных, слабо контролируемых взрывов, сопровождаемых возникновением разрушительных детонационных волн, а также к обеспечению синхронизации процесса взрыва и распыления химического вещества и реагента, связывающего продукты реакции. Высокие же требования означают либо очень большие затраты для их удовлетворения либо недостаточную надежность работы всей системы.

Известен способ обезвреживания промышленных отходов, содержащих фтор-хлор углеводороды, путем термической обработки при температуре 1400-1500^oC в токе продуктов сгорания органического топлива при избытке воздуха в присутствии гидрата окиси кальция. В результате получают нетоксичные минеральные соли CaCl₂, CaF₂ и газообразные продукты реакции: CO₂ и N₂ (см. RU пат. N 2091107 C1 A 62 D 3/00, опубл. 27.09.97).

Способ энергоемкий и имеет ограниченное использование по составу веществ, подвергаемых уничтожению, а также требует большого расхода топлива.

Известен способ быстрого уничтожения высокотоксичных газообразных веществ, включающий реакцию разложения с воздействием УФ-излучения и реагента, например, окислителя или источника свободных радикалов для связывания продуктов реакции в безопасные и экологически безвредные вещества.

Этим способом осуществляют разложение галогенированных органических соединений, (см. ЕР 0257170 МПК A 62 D пр. 02.03.88).

Все вышеперечисленные способы не являются универсальными, имеют ограниченное применение для уничтожения одного вида или класса веществ и не могут быть использованы для решения широкого спектра задач по уничтожению газообразных, высокотоксичных соединений, химического оружия и экологически вредных веществ.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание безопасного, экономичного и универсального способа уничтожения газообразных вредных, высокотоксичных соединений и химического оружия.

Технический результат достигается тем, что в способе быстрого уничтожения высокотоксичных газообразных веществ, в том числе химического оружия, включающем реакцию разложения с воздействием ультрафиолетового излучения внутри реактора и подачу в него реагента, согласно изобретению в качестве реагента используют горючие вещества, инициирование реакции разложения ведут с помощью скользящего поверхностного разряда с одновременным использованием его в качестве источника ультрафиолетового излучения; в качестве горючего вещества используют смеси водорода и кислорода, подаваемые внутрь реактора.

Сущность способа заключается в следующем.

Для разложения отравляющих веществ используют теплоту реакции горения вводимых в реактор горючих веществ с инициированием реакции горения энергетическим импульсом от скользящего поверхностного разряда, сочетающем в себе энергию термонеравновесной плазмы разряда между электродами и жесткое ультрафиолетовое излучение с поверхности диэлектрика, на котором расположены электроды, (см. ЖТФ, 1984, т. 54, с. 1219).

Установлено, что энергия от скользящего поверхностного разряда, распространяясь со скоростью света по всему реакционному объему в виде УФ-излучения, активирует молекулы газовой смеси также по всему объему и переводит их в возбужденное состояние одновременно с действием плазмы разряда между электродами. В результате этого суммарного воздействия реакции горения и разложения идут по всему объему единовременно, что приводит к отсутствию эффекта детонации. Теплота, выделяемая при таком "объемном" бездетонационном горении горючей смеси, служит причиной прохождения реакции разложения высокотоксичных веществ, помещенных в камеру вместе с горючей смесью и подлежащих уничтожению.

Преимущество заявленного изобретения перед всеми известными способами заключается в том, что сочетание теплового и фотоионизационного воздействия на разлагаемую газовую фазу позволяет получить принципиально новый результат - объемное, очень быстрое и бездетонационное прохождение реакции горения ("бездетонационный взрыв") с гарантированной полнотой превращения токсичных газов в экологически безвредные вещества.

Часть энергии скользящего поверхностного разряда выделяется в виде жесткого ультрафиолетового излучения с поверхности диэлектрика, по которой этот разряд скользит между электродами, размещенными на диэлектрике. При этом спектр излучения включает в себя характеристические полосы, определяемые материалом диэлектрика, а излучение с таким спектром имеет достаточную интенсивность для фотоионизации молекул газовой фазы во всем реакционном объеме.

Другая доля энергии скользящего поверхностного разряда выделяется в виде термонеравновесной плазмы разряда. Суммарное воздействие на газовую фазу разлагаемого отравляющего вещества трех факторов, а именно: плазмы разряда, жесткого ультрафиолетового излучения и теплоты реакции бездетонационного быстрого объемного горения горючей смеси, эквивалентно действию энергии взрыва, проходящего с образованием мощной детонационной волны разрушительной силы. В заявленном же способе детонационная волна не только не возникает (благодаря объемному возгоранию смеси), но кроме того, основная часть выделяющейся при горении теплоты идет на разрушение отравляющего или вредного вещества, и поэтому процесс сопровождается лишь несущественным повышением температуры в зоне реакции.

Заявленным способом можно уничтожать все виды газообразных отравляющих веществ, экологически вредные вещества и т.д., а также отходящие газы, содержащие в своем составе ядовитые вещества, в том числе в капельной форме. Разложение можно проводить как в протоке газа, так и в непроточной камере.

В зависимости от состава газообразных веществ, предназначенных для уничтожения, состав горючей смеси из водорода и кислорода может изменяться по содержанию кислорода или водорода, также как и количество горючей смеси по отношению к количеству разлагаемого соединения.

Состав горючей смеси определяется целью - связать образующиеся в результате разложения вещества в экологически безопасные соединения, т.е. в зависимости от того, нужна окислительная или восстановительная среда, в горючую смесь вводят избыток кислорода или водорода по сравнению со стехиометрическим соотношением [H₂]:[O₂]=2:1.

Количество горючей смеси по отношению к количеству разлагаемого токсичного вещества выбирают исходя из прочности последнего: чем труднее его разложить, тем больше необходимо добавить горючей смеси. Способ иллюстрируется примерами.

Пример 1.

Разложению подвергают фреоны в смеси с кислородом и водородом.

Схема реактора, основанного на электроразрядной инициации горения, изображена на фиг. 1.

Камера реактора 1 представляет собой цилиндрическую кварцевую трубу диаметром Ф_k ≈ 50 мм и длиной L_k ≈ 100 мм. Камеру откачивают до глубокого (p₀ < 10 Торр) вакуума и заполняют затем газовой смесью (H₂ + O₂ + фреон) при давлениях в интервале от 100 до 500 Торр. В этой водород-кислородной смеси, содержащей фреон, инициируют горение с помощью разрядника 2.

Разрядник представляет собой многоэлектродную систему, располагаемую особым образом на диэлектрической (кварц, тефлон, керамика) трубке с диаметром Ф_p ≈ 6 мм. Длина металло-диэлектрической цилиндрической разрядной системы: L_p ≈ 40 мм. Разрядник располагают вблизи одного из торцевых фланцев камеры реактора.

Подача высоковольтного импульса на разрядник приводит к формированию вдоль него низкопорогового скользящего поверхностного разряда и образованию протяженного плазменного слоя у поверхности диэлектрика, служащего источником УФ-излучения.

Конструктивная особенность разрядников позволяет задавать им достаточно сложную геометрию, повторяемую генерируемым разрядником плазменным слоем.

В качестве источников питания разрядников используют два генератора высоковольтных импульсов со следующими параметрами:
1. Маломощный генератор: амплитуда импульса: U ≅ 40 кВ; длительность импульса: τ ≅ 40 нс и энергия в импульсе: W ≤ 0,1 Дж.

2. Мощный генератор: U ≅ 20 кВ; τ ≅ 20 мкс; W ≤ 10 Дж.

Содержание фреона и ряда продуктов его разложения определяют методом спектроскопии поглощения с помощью спектрографа ИКС.

Возбуждение поверхностного скользящего разряда в смеси (водород + кислород + фреон) приводит к горению газовой смеси в объеме камеры и к изменению ее химического состава. Об эффективности плазмохимического разложения фреонового компонента в ходе реализации одного импульса можно судить по характерным результатам, представленным в таблице. Здесь приведены данные по степени разложения двух типов фреона: фреон-12 (CF₂Cl₂) и фреон-14 (CF₄) при различных составах смеси и двух значениях энергии в поджигающем скользящий поверхностный разряд импульсе. Как следует из приведенных результатов (см. таблицу), во всех случаях возбуждения поверхностного разряда горение газовой смеси уже после одного импульса приводит к существенному (в большинстве экспериментов почти полному) разложению фреона. Добавление смеси кислорода и водорода в соотношении 2:1 в реакционную камеру, содержащую продукты реакции после реализации одного импульса, и последующее проведение обработки еще одним таким же импульсом, приводит к полному, стопроцентному разложению фреонов.

Пример 2.

В настоящее время большое количество химического оружия захоронено под водой, что со временем может привести к экологической катастрофе, связанной с загрязнением акватории морей и океанов, в которых производились захоронения запасов OB.

Ниже приведена схема уничтожения химического оружия с помощью заявленного изобретения (см. фиг.2).

Уничтожение боевых отравляющих веществ (БОВ) под водой осуществляют следующим образом.

Над захоронением снарядов и емкостей располагают специальный "колокол" 1, в верхней части которого имеется герметичный толстостенный металлический танк (толстостенная стальная камера) 2, в котором производят вскрытие емкостей или подрыв (маломощный) снарядов, содержащих БОВ. Колокол соединен с танком шлюзом 3. После вскрытия емкостей и подрыва снарядов, т.е. после заполнения танка БОВ, в него со специального корабля 4 по шлангам 5 и 6 подают водород и кислород (или воздух). Внутри танка имеется разрядник 7, содержащий элемент со скользящим поверхностным разрядом, излучением которого производят поджиг газовой смеси (БОВ + кислород + водород) и уничтожение БОВ. Газы из танка откачивают насосом 8 через трубопровод 9 на поверхность в специальную емкость 10. После проверки на содержание БОВ и, в случае необходимости, после дополнительной обработки при помощи добавления кислород-водородной смеси и зажигания скользящим поверхностным разрядом газы выбрасывают в атмосферу.

В случае повреждения и несанкционированного открытия емкостей и снарядов с БОВ при их загрузке в танк БОВ попадают в газовую полость "колокола" II, откуда их откачивают в танк и уничтожают. Зараженный объем воды под колоколом также откачивают, но уже на специальный корабль 4, где и производят его обработку и уничтожение БОВ.

Предлагаемая схема позволяет провести уничтожение БОВ безопасно и эффективно, с минимальными затратами, без необходимости подвергать переработке большое количество зараженной воды и без необходимости транспортировки емкостей с БОВ с места их захоронения.

Таким образом, предложенный новый экологически безопасный, энергосберегающий, неразрушающий и осуществляемый при низких температурах, универсальный, высокопроизводительный способ уничтожения отравляющих веществ, химического оружия, экологически вредных веществ и отходов производства, обеспечивает полное химическое превращение токсичных соединений в экологически безопасные вещества. Способ может быть применен ко всем видам химического оружия и отравляющих веществ в газообразном или распыленно-капельном состоянии.

Изобретение может быть использовано для обезвреживания химических отравляющих веществ. Способ включает реакцию разложения с воздействием УФ-излучения внутри реактора и подачу в него горючего вещества, причем инициирование реакции разложения ведут с помощью скользящего поверхностного разряда с одновременным использованием его в качестве источника УФ-излучения. Изобретение позволяет создать безопасный, экономичный и универсальный способ уничтожения газообразных вредных, высокотоксичных соединений и химического оружия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ быстрого уничтожения высокотоксичных газообразных веществ, в том числе химического оружия, включающий реакцию разложения с воздействием УФ-излучения внутри реактора и подачу в него реагента, отличающийся тем, что в качестве реагента используют горючие вещества, инициирование реакции разложения ведут с помощью скользящего поверхностного разряда с одновременным использованием его в качестве источника УФ-излучения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве горючего вещества используют смеси водорода и кислорода.