Введение к работе
Актуальность работы. Летучие органические соединения (ЛОС) являются критериальными и наиболее токсичными загрязнителями атмосферного воздуха. В настоящее время существуют и постоянно совершенствуются различные методы зашиты атмосферы от выбросов ЛОС, такие как: абсорбция, адсорбция, конденсация, окисление (термическое, каталитическое и термокаталитическое) и биохимическое разложение. Возможность деструкции (или нейтрализации) ЛОС в промышленности напрямую связяна с энергозатратами, поскольку последние резко возрастают при низком их содержании в отходящих газах (менее 0,5 г/м') и высокой требуемой степени очисіки (не менее 90 %). Традиционные методы очистки воздуха (например, окисление углеводородов на гетерогенных катализаторах) эффективны лишь при исходном содержании ЛОС не менее I мг/м\ Однако, концентрация органических соединений в выбросах из систем местной и общеобменной вентиляции как правило не превышает данной величины. В последнее время появился ряд публикаций, посвященных исследованию возможности использования для этих целей плазменных методов нейтрализации (коронный, стриммерныи и поверхностно-барьерный разряд (ПЕР)). В частности установлено, что степень очистки от ЛОС в плазме ПБР определяется удельной энергией вкладываемой в разряд и достигает 99,8 % с энергозатратами не более 30 Втч/м'. При таких энергозатратах очистка в барьерном разряде конкурентоспособна по отношению к традиционным технологиям зашиты атмосферного воздуха. Невосприимчивость к каталитическим ядам, возможность работы с низкокалорийными загрязнениями, без-ннерцнонность, могут являться главными достоинствами этого метода очистки, егін образующиеся газообразные продукты реакций будут менее токсичны, чем удаляемые из воздуха компоненты. Отсутствие систематических исследований, направленных на выявление механизма и кинетики процессов трансформации ЛОС в плазме, а также влияния конструкции разрядного устройства на наблюдаемые превращения, сдерживает промышленное применение данного метода. Поэтому исследования процессов, протекающих в ПБР в смеси воздуха и ЛОС, являются актуальными.
Работа выполнена в соответствие с тематическими планами исследований Ивановской государственной химико-технологической академии с 1989-1997 гг., в рамках Грантов Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию 1993-1996 гг. (Раздел V: "Технология неорганических материалов и электротехнических производств"), а также в соответствии с межвузовской научно-исследовательской программой "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами" 1995 г. Министерства по делам науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации.
Цель работы: изучение общих закономерностей превращений различных классов летучих органических соединений в ПБР и оценка возможности применения данного метода для зашиты атмосферного воздуха от выбросов ЛОС.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих згдач;
установление основных закономерностей м механизмов процессов трансформации ЛОС в плазме поверхностно-барьерного разряда;
исследование кинетики разложения модельных соединений, имитирующих наиболее часто выбрасываемые в атмосферу углеводороды;
сравнение кинетики трансформации ЛОС в реакторах различной геометрии \< рыработка соответствующих рекомендаций.
Научили повита. Экспериментально показано, что превращения ЛОС в плазме протекают по двум основным механизмам, а именно через деструкцию на более лёгкие фрагменты и полимеризацию. Впервые установлено, что реакции плазменной полимеризации превалируют над процессами деструкции лишь в том случае, когда в спектрах лучеиспускания плазмы регистрируются характерные для нейтрализуемых ЛОС полосы излучения. Определено соотношение между скоростями полимеризации и деструкции для различных органических соединений.
Установлено, что получаемые в процессе очистки воздуха ог ЛОС в ллаэлте ПБР плёнки или порошки низкомолекулярных полимеров сильно окислены, содержат незначительное количество поперечных сшивок, а их элементный состав близок к элементному составу исходных мономеров без учёта обогащения кислородом. Это значительно отличает свойства получаемой конденсированной фазы от аналогичных полимеров, осаждаемых в низкотемпературной плазме пониженною давления. Экспериментально установлено, что скорость потшериіашіи ЛОС в плазме ПБР возбуждаемой на воздухе зависит от свойств поверхности, ограничивающей зону плазмы, причём основная масса полимера (до 99 %) осаждается в зоне послесвечения, где концентрация озона максимальна. Впервые показано, что основные закономерности процессов трансформации ЛОС при их у-радиолизе и в плазме ПБР близки.
На основании экспериментальных и теоретических исследований предложен механизм деструкции формальдегида до СО;, СО и HjO в низкотемпературной плазме ПБР, удовлетворительно описывающий экспериментальные данные.
Практический значимость. Плазма поверхностно-барьерного разряда может быть использована с высокой эффективностью (95-99 %) как для очистки отходящих газов организованных источников выбросов, содержащих ЛОС, так и для очистки и дезинфекции воздуха гер.чробъект ов. Кроме тою, такой тип разряда может быть применён для инициирования процессов связывания (полимеризации) углеводородов. Получаемые в плазме ПБР низкомолекулярные соединения могут быть использованы в качестве вторичных материальных ресурсов.
Предложены области применения плазмохимических реакторов различных конструкций и методология выбора их оптимальных параметров.
Публикации и апробация работы. По результатам работы опубликовано 4 статьи и 12 тезисов докладов.
Объём диссертации. Диссертация изложена на стр., содержит 14
табл., ,Су рисунков и состоит из введения, литературную обзора, методики исследований, обсуждения результатов эксперимента, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 148 наименований.