СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА Российский патент 2011 года по МПК C01B13/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к физической химии, точнее к технологии получения озона из рабочего газа в виде углекислого газа, и к области Всемирной экологии и охраны природы. Цель - получение озона из СO₂ путем воздействия на него ультрафиолетового излучения, а также экономичное решение проблемы утилизации парникового газа: CO_2.

Описание изобретения

Уровень техники

Изобретение относится к технологии получения озона из рабочего газа и утилизации парникового газа СО₂.

Известны способы получения озона с применением барьерного разряда, электролиза, фотохимического метода и высокочастотного электрического поля (Разумовский С.В., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. «Наука», М., 1974 г., с.31-42) /1/.

Полагают /1/, что при прохождении через зону барьерного разряда молекулы рабочего газа - кислорода частично диссоциируют. Образовавшийся атомарный кислород реагирует с молекулой кислорода, образуя озон. В случае присутствия в системе достаточно больших количеств озона он может реагировать с атомами кислорода, превращаясь обратно в молекулы кислорода. Поэтому недостатком данного способа является ограничение возможности увеличения концентрации озона в газе свыше 5-7 объемных % из-за конкуренции этих двух реакций. Для достижения лучших результатов перед синтезом необходима тщательная очистка кислорода и воздуха от примесей. Это вынуждает прибегать к осушке кислорода и воздуха до точки росы -45°С и ниже. Еще одним недостатком данного способа является большой расход электроэнергии и, соответственно, низкий КПД - максимум 15%.

Из известных способов в качестве аналога нами принят фотохимический способ (фотолиз) получения озона из кислорода (Разумовский С.В., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. «Наука», М., 1974 г., с.39) /2/. В дальней ультрафиолетовой области кислород сильно поглощает свет. Каждый поглощенный фотон вызывает диссоциацию молекул кислорода на два атома. Затем начинается реакция, которая не требует поглощения фотона. Таким образом, в результате поглощения одного фотона образуются две молекулы озона:

O₂+hv↔О+O

O₂+O↔О₃

Недостатком способа-аналога /2/ является получение низких концентраций озона при больших расходах электроэнергии. Так, например, на 1 кг озона расходуется 550 квт-час электроэнергии. Помимо этого озон, полученный фотохимическим методом, неустойчив, быстро разлагается в результате обратной фотохимической реакции на молекулу и атом кислорода, а также чрезвычайно взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, что вынуждает содержать его при низких концентрациях в различных газовых смесях.

Известен способ получения озона из рабочего газа путем воздействия на него ультрафиолетовым излучением (Патент России №2160701, МПК С01 В 13|10, 2000 г.) /3/, в котором в качестве рабочего газа используют воздух, а ультрафиолетовое излучение получают от разрядной ультрафиолетовой лампы в диапазоне длин волн в интервале 103-150 нм. Главный же недостаток прототипа /3/ и известных способов /1-2/ заключается в том, что с их помощью невозможно из СO₂ получить озон.

В качестве прототипа принят способ получения озона из рабочего газа - углекислого газа путем электромагнитного воздействия на него в виде коронного разряда между по крайней мере одной парой электродов, через которую пропускают углекислый газ (Европейский патент WO 02064498, А1, опубликован 22.08.2002) /4/. Недостатком способа - прототипа является необходимость существенной чистоты углекислого газа: примеси должны составлять менее 5% кислорода (по весу), с тем чтобы избежать существенной диссоциации кислорода при коронном разряде. Образовавшийся атомарный кислород реагирует с молекулой кислорода, образуя озон. В случае присутствия в системе достаточно больших количеств озона он может реагировать с атомами кислорода, превращаясь обратно в молекулы кислорода. Поэтому недостатком данного способа является ограничение возможности увеличения концентрации озона в газе свыше 5-7 объемных % из-за конкуренции этих двух реакций. Для достижения лучших результатов перед синтезом необходима тщательная очистка CO₂ от примесей. Еще одним недостатком данного способа - прототипа /4/ является большой расход электроэнергии и, соответственно, низкий КПД - максимум 15%, так как напряжения, подаваемые на электроды, колеблются от 5 до 20 кВ при частоте в короне разряда 50-3000 Гц.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в обеспечении получения из углекислого газа озона, обладающего рядом новых свойств, расширении использования озона в промышленности и решении мировой экологической проблемы по утилизации основного парникового газа СО₂.

Технический результат достигается тем, что в качестве электромагнитного воздействия используют ультрафиолетовое излучение, которое в диапазоне излучения сечений углекислого газа и диоксида азота производят одновременно в один цикл, либо в два цикла, причем в первом цикле длины волн ультрафиолетового излучения используют в пределах диапазона сечения поглощения углекислым газом, а во втором цикле - длины волн ультрафиолетового излучения в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота, при этом время между циклами Δt устанавливают по регистрации начала уменьшения сечения поглощения в первом цикле, например измерением с помощью актинометра; что в качестве рабочего газа используют диоксид азота и воздействуют на него ультрафиолетовым излучением с длинами волн в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота ультрафиолетового излучения.

Во-первых, полученный озон устойчив к разложению, так как его молекула, так же как и ядро не составные, а преобразованные в результате фотоядерной реакции. Во-вторых, полученный азот не взрывоопасен в любых концентрациях, что позволит упростить проблему его использования и хранения. При этом расход энергии для получения такого озона значительно снижен благодаря использованию фотоядерной реакции. И, наконец, получение озона из углекислого газа одновременно позволяет решить проблему утилизации CO₂. Все это, в свою очередь, позволит расширить использование озона в промышленности и решить мировую экологическую проблему по утилизации основного парникового газа CO₂.

Раскрытие изобретения

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных решений свидетельствует о его соответсвии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие задачи:

признак «что в качестве электромагнитного воздействия используют ультрафиолетовое излучение, которое в диапазоне излучения сечений углекислого газа и диоксида азота производят одновременно в один цикл, либо в два цикла, причем в первом цикле длины волн ультрафиолетового излучения используют в пределах диапазона сечения поглощения углекислым газом, а во втором цикле - длины волн ультрафиолетового излучения в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота, при этом время между циклами Δt устанавливают по регистрации начала уменьшения сечения поглощения в первом цикле, например измерением с помощью актинометра обеспечивает превращение СО₂ в озон»;

признак «что в качестве рабочего газа используют диоксид азота и воздействуют на него ультрафиолетовым излучением с длинами волн в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота ультрафиолетового излучения» обеспечивает получение озона.

Задача, решаемая предложенным способом, обеспечит получение из углекислого газа озона, обладающего рядом новых свойств. Полученный озон устойчив к разложению, так как его молекула, так же как и ядро не составные, а преобразованные в результате фотоядерной реакции, и не взрывоопасен в любых концентрациях, что позволит упростить проблему его использования и хранения. При этом расход энергии для получения такого озона значительно снижен благодаря использованию фотоядерной реакции. И, наконец, получение озона из углекислого газа одновременно позволяет решить проблему утилизации СО₂. Все это, в свою очередь, позволит расширить использование озона в промышленности и решить мировую экологическую проблему по утилизации основного парникового газа СO₂.

Технический результат: получение из СO₂ и диоксида азота озона, обладающего устойчивостью: не разлагающегося самопроизвольно на молекулу и атом кислорода, взрывобезопасного в любой концентрации.

Краткое описание чертежей

Способ получения озона из рабочего газа в виде углекислого газа путем воздействия на него электромагнитного излучения иллюстрируется чертежами. Устройство для получения озона из рабочего газа в виде углекислого газа путем воздействия на него электромагнитного излучения изображено на фиг.1.

Устройство содержит: емкость с углекислым газом 1, первое приспособление 2 и первый кран 3 для перемещения углекислого газа в реактор 4, соединенный с источником ультрафиолетового излучения 5, второе приспособление 6 и второй кран 7 для перемещения из реактора 4 в емкость 8 продуктов утилизации углекислого газа.

На фиг.2 изображен второй вариант устройства, в котором источник ультрафиолетового излучения 5 укреплен внутри реактора 4 и при этом реактор 4 снабжен устройством вакуумирования 9.

В варианте получения озона из диоксида азота также применяют устройства, приведенные на фиг.1 и фиг.2, но при этом ряд узлов имеют другие названия.

Устройство для получения озона, когда в качестве рабочего газа используют диоксид азота и воздействуют на него ультрафиолетовым излучением, изображено на фиг.1.

Устройство содержит: емкость с диоксидом азота 1, первое приспособление 2 и первый кран 3 для перемещения диоксида озота в реактор 4, соединенный с источником ультрафиолетового излучения 5, второе приспособление 6 и второй кран 7 для перемещения из реактора 4 в емкость 8 продуктов утилизации диоксида азота.

На фиг.2 изображен второй вариант устройства, в котором источник ультрафиолетового излучения 5 укреплен внутри реактора 4 и при этом реактор 4 снабжен устройством вакуумирования 9.

Осуществление изобретения

Способ получения озона из рабочего газа в виде углекислого газа путем электромагнитного воздействия на него осуществляют в следующей последовательности (фиг.1): из емкости 1 углекислый газ перемещают в реактор 4 через первое приспособление 2 для перемещения углекислого газа с помощью первого крана 3. Перемещенный из емкости 1 в реактор 4 углекислый газ с помощью источника ультрафиолетового излучения 5 подвергают воздействию электромагнитной энергией в виде ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн, соответствующих сечению поглощения углекислого газа и диоксида азота одновременно в один цикл. При этом осуществляются следующие фотоядерные реакции:

СO₂+hv→NО₂+λ(Не)

NO₂+hv→О₃+λ(He)

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения озона из рабочего газа путем воздействия на него ультрафиолетового излучения на углекислый газ воздействуют ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн в интервале 160-260 нм, соответствующих сечению поглощения углекислого газа и диоксида азота. Причем наилучший результат достигается при воздействии ультрафиолетовым излучением с длиной волны 170 нм.

При отработке оптимальных режимов получения озона необходимо способ осуществлять в два цикла, причем в первом цикле длины волн ультрафиолетового излучения используют в пределах диапазона сечения поглощения углекислым газом, а во втором цикле используют длины волн ультрафиолетового излучения в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота, при этом время между циклами Δt устанавливают по регистрации начала уменьшения сечения поглощения в первом цикле, например измерением с помощью актинометра. В варианте использования в способе получения озона, когда в качестве рабочего газа используют диоксид азота, то воздействуют на него ультрафиолетовым излучением с длинами волн в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота ультрафиолетового излучения.

На первых этапах работ по получению озона согласно предлагаемого способа при использовании в качестве рабочего газа СO₂ следует осуществлять технологию в один цикл и на углекислый газ воздействуют ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн в интервале 160-260 нм, соответствующих сечению поглощения углекислого газа и диоксида азота, при этом наилучший результат достигается при воздействии ультрафиолетовым излучением с длиной волны 170 нм.

Для ускорения процесса получения озона из рабочего газа путем воздействия на него ультрафиолетового излучения рабочий газ - углекислый газ перед его перемещением в реактор 4 вакуумируют с помощью устройства вакуумирования 9 (фиг.2) и после перепуска углекислого газа из емкости 1 в реактор 4 воздействуют источником ультрафиолетового излучения 5, укрепленным внутри реактора 4. После завершения реакции в соответствии с предложенным способом конечный продукт реакции - озон с помощью второго канала 6 и второго крана 7 перепускают в емкость 8 для продуктов утилизации. Затем реактор 4 вакуумируют с помощью устройства вакуумирования 9. И далее процесс утилизации углекислого газа повторяют циклически.

Способ получения озона, когда в качестве рабочего газа используют диоксид азота и воздействуют на него ультрафиолетовым излучением с длинами волн в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота ультрафиолетового излучения, осуществляют в следующей последовательности (фиг.1): из емкости 1 диоксид азота перемещают в реактор 4 через первое приспособление 2 для перемещения диоксида азота с помощью первого крана 3. Перемещенный из емкости 1 в реактор 4 диоксид азота с помощью источника ультрафиолетового излучения 5 подвергают воздействию электромагнитной энергией в виде ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн, соответствующих сечению поглощения диоксида азота. При этом осуществляется следующая фотоядерная реакция:

NO₂+hv→О₃+λ(Не)

Наилучший результат достигается в способе получения озона из рабочего газа, когда используют диоксид азота путем воздействия на него ультрафиолетового излучения с длиной волны 170 нм.

Для ускорения процесса получения озона из рабочего газа путем воздействия на него ультрафиолетового излучения рабочий газ - оксид азота перед его перемещением в реактор 4 вакуумируют с помощью устройства вакуумирования 9 (фиг.2) и после перепуска оксида азота из емкости 1 в реактор 4 воздействуют источником ультрафиолетового излучения 5, укрепленным внутри реактора 4. После завершения реакции в соответствии с предложенным способом конечный продукт реакции - озон с помощью второго канала 6 и второго крана 7 перепускают в емкость 8 для продуктов утилизации. Затем реактор 4 вакуумируют с помощью устройства вакуумирования 9. И далее процесс утилизации углекислого газа повторяют циклически.

Осуществимость способа получения озона из рабочего газа СO₂ путем воздействия на него ультрафиолетового излучения демонстрируется выполненным модельным экспериментом.

Две кварцевые пробирки (модельный аналог реактора 4) заполнялись углекислым газом, одна из которых являлась контрольной, другая подвергалась облучению от источника ультрафиолетового излучения в виде лампы марки ПРК-4-1-0,2. Пробирка (модельный аналог реактора 4) подвергалась облучению ежедневно в течение 5-6 часов. В общей сложности пробирка подвергалась облучению 120-125 часов. Хроматографический анализ показал снижение содержания CO₂ до 1-1,5%, то есть его почти полную утилизацию и превращение в результате фотоядерной реакции в озон. Анализ проводился на хроматографе ЛХМ-80.

Дополнительный анализ был проведен через 45 дней после прекращения облучения на ионизационно-плазменном хроматографе. Анализ показал содержание озона в пробирке 95-96%. Из этого следует, что озон, полученный в соответствии с предложенным способом, устойчив, не рекомбинирует в кислород, а при поджигании горит и не взрывается.

Отметим также, что в результате каждого цикла фотоядерных преобразований из ядер выделяются альфа частицы (λ), которые в случае упругого ядерного рассеяния могут обрести электроны и преобразоваться в газ гелий (Не). Из-за небольших размеров пробирки, а также низкого давления, вероятность процесса упругого ядерного рассеяния внутри пробирки ничтожна. Поэтому анализ на газ гелий не проводился.

В контрольной пробирке содержание углекислого газа за этот же период времени не изменилось.

При наличии источника ультрафиолетового излучения внутри пробирки (модельного аналога реактора 4) (второй вариант устройства на фиг.2) погружного источника ультрафиолетового излучения (5), излучающего в диапазоне длин волн с центром λ=170 нм, опыты показали, что время воздействия на углекислый газ сокращается в 7-8 раз.

Источники информации

1. Разумовский С.В., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. «Наука», М., 1974 г., с.31-42.

2. Разумовский С.В., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. «Наука», М., 1974 г., с.39.

3. Патент России № 2160701, МПК С01В, 13|10, 2000 г.

4. Европейский патент WO 02064498, А1, опубликован 22.08.2002 (прототип).

Изобретение относится к технологии получения озона и утилизации парникового газа СO₂. Озон получают из СО₂ и NO₂. На углекислый газ действуют ультрафиолетовым излучением в два или в один цикл, а на диоксид азота - в один цикл. Ультрафиолетовое излучение используют в диапазоне длин волн в интервале 160-260 нм. Применение погружного источника ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн с центром λ=170 нм воздействие на углекислый газ сокращает в 7-8 раз. Полученный озон устойчив к разложению, так как его молекула, так же как и ядро не составные, а преобразованные в результате фотоядерной реакции. Полученный азот не взрывоопасен в любых концентрациях, что позволит упростить проблему его использования и хранения. При этом расход энергии для получения такого озона значительно снижен благодаря использованию фотоядерной реакции. Кроме того, получение озона из углекислого газа одновременно позволяет решить проблему утилизации СО₂. Все это, в свою очередь, позволит расширить использование озона в промышленности и решить мировую экологическую проблему по утилизации основного парникового газа СО₂. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения озона из рабочего газа в виде углекислого газа путем электромагнитного воздействия на него, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного воздействия используют ультрафиолетовое излучение, которое в диапазоне излучения сечений углекислого газа и диоксида азота производят одновременно в один цикл, либо в два цикла, причем в первом цикле длины волн ультрафиолетового излучения используют в пределах диапазона сечения поглощения углекислым газом, а во втором цикле - длины волн ультрафиолетового излучения в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота, при этом время между циклами Δt устанавливают по регистрации начала уменьшения сечения поглощения в первом цикле, например, измерением с помощью актинометра.

2. Способ получения озона, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют диоксид азота и воздействуют на него ультрафиолетовым излучением с длинами волн в пределах диапазона сечения поглощения диоксидом азота ультрафиолетового излучения.