Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Трансформация паров бензола в воздухе под воздействием барьерного разряда

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Содержание диссертации, кандидата химических наук, Кайряк, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

§ 1.1. Методы очистки отходящих газов различных производств от вредных веществ.

§ 1.1.1. Традиционные методы очистки.

§ 1.1.2. Методы химии высоких энергий.

§ 1.2. Совокупность реакций, протекающих в воздушной плазме барьерного разряда и механизмы, отвечающие за образование и гибель активных частиц.

§ 1.3. Трансформация органических соединений в барьерном разряде.

§ 1.3.1. Механизм и продукты полимеризации органических соединений в барьерном разряде.

§ 1.3.2. Химизм деструкции органических соединений до газообразных продуктов в барьерном разряде.

§ 1.4. Цели работы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

§ 2.1. Описание экспериментальной установки.

§ 2.2. Определение концентрации бензола.

§ 2.3. Определение концентрации озона.

§ 2.4. Определение концентрации оксидов азота.

§ 2.5. Определение концентраций газообразных продуктов деструкции бензола.

§ 2.6. Изучение кинетики полимеризации бензола и состава образующегося полимера.

§ 2.7. Хромато-масс спектроскопический анализ продуктов деструкции бензола в БР.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

§ 3.1. Кинетика трансформации озона и оксидов азота в БР в воздухе.

§ 3.2. Основные закономерности трансформации бензола в барьерном разряде в воздухе.

§ 3.3. Кинетика полимеризации бензола в барьерном разряде.

§ 3.4. Идентификация основных газообразных продуктов деструкции бензола и химизм трансформации бензола в барьерном разряде.

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по географии, на тему "Трансформация паров бензола в воздухе под воздействием барьерного разряда"

Проблема изменения атмосферы и климата является одной из наиболее важных и наиболее часто обсуждаемых, поскольку уровень возмущения атмосферы превышает допустимый по многим независимым оценкам. Внимание исследователей привлекает проблема воздействия на атмосферу органических веществ разных классов, в частности ароматических соединений. Загрязнение воздуха газообразными углеводородами или парами органических веществ, используемых как в качестве растворителей, так и исходных компонентов и побочных продуктов в органическом синтезе, является неизбежным атрибутом многих химико-технологических процессов. Данная группа соединений оказывает влияние на атмосферный цикл соединений азота, что приводит к образованию целого ряда весьма токсичных соединений, в частности пероксиацетил-нитратов (ПАН) [1].

Выбор бензола в качестве объекта исследования объясняется тем, что во-первых, он является простейшим представителем своего гомологического ряда, во-вторых, относится к летучим органическим соединениям (ЛОС), использование которых, ограниченно международным соглашением [2].

Для уменьшения уровня воздействия на нижние слои атмосферы летучими органическими соединениями в настоящее время применяют довольно эффективные методы, такие как адсорбция, абсорбция, термическое и термокаталитическое окисление, биологические методы очистки. Однако этим методам присущ ряд недостатков [3, 4].

Пятая Международная конференция по новым окислительным технологиям для сохранения воды и воздуха, состоявшаяся с 24 по 28 мая 1999 года в г. Альбукерке (США) показала применимость методов химии высоких энергий (к примеру, барьерного разряда (БР)) для очистки газовых выбросов от органических и неорганических соединений [5].

Результаты многочисленных работ по исследованию возможности применения поверхностно-барьерного разряда (ПБР) для защиты атмосферы от выбросов летучих органических соединений показывают как высокую степень 4 очистки от загрязнителей (90-^99 %), так и её независимость от состава газовых выбросов [5-10]. Экологическое значение данных методов определяется еще и тем, что они применимы при низких концентрациях ЛОС в отходящих газах (0,1ч-10 г/м3).

Недостаточность данных о кинетике и механизмах трансформации органических соединений, включая состав образующихся продуктов, является серьезным препятствием для промышленной реализации данных методов.

Актуальность исследований определяется как необходимостью снижения уровня загрязнения атмосферы парами органических веществ, так и разработкой новых эффективных, энергетически выгодных методов нейтрализации паров органических соединений, содержащихся в отходящих газах промышленных предприятий.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Кайряк, Сергей Викторович

108 Выводы.

1. Показана возможность использования плазмы барьерного разряда для нейтрализации паров бензола, содержащихся в отходящих газах организованных источников и вентиляционных выбросов, которые могут разлагаться не менее чем на 95 % при энергозатратах (0.15 кВт-ч/м ) или меньших, или соизмеримых с традиционными методами очистки отходящих газов.

2. Установлено, что применение пульсирующего БР в воздухе позволяет снизить концентрацию озона на 40.5-80.2 %, а оксидов азота на 25.0-71.8 %.

3. В пульсирующем БР (горение - 3 с, скважность - 1 с) эффективность использования озона, по сравнению со стационарным БР, возрастает до 56 %, а энергозатраты снижаются на 25 %.

4. Показано, что в процессе деструкции бензола происходит полимеризация, инициируемая в гомогенной области. Процесс полимеризации протекает неравномерно по длине разрядной зоны, максимальная скорость процесса наблюдается в центре разрядной зоны. Соотношение между каналами деструкции и полимеризации составляет 7:1.

5. Установлено, что в состав полимера входят карбоксильные, кетонные, спиртовые, эфирные группы, а также циклические алканы и гомологи бензола. Полимер легко растворяется в мономере (бензоле), а также разлагается в воздушной плазме барьерного разряда, что важно при промышленной реализации данного метода.

6. Определен диапазон начальных концентраций паров бензола (0.5-47 г/м ), в котором процесс полимеризации играет существенную роль, что необходимо учитывать при промышленной реализации данного метода.

7. Установлено, что при деструкции бензола в БР в непредельные соединения переходит ~ 15 % всего "С", в альдегиды - не более 0.01 %, в кислоты - 1.17 %, в СО - 50.7 %, в С02 - 35.3 %. В сумме в СО и С02 переходит 86 % исходного углерода, что показывает высокую эффективность плазменных процессов окислительной деструкции бензола.

8. Предложенный возможный химизм деструкции бензола в БР предполагает инициирование процесса атомарным кислородом с последующим образованием в качестве основных промежуточных продуктов альдегидов и кислот (С2-С5), а в качестве конечных - СО и С02.

Библиография Диссертация по географии, кандидата химических наук, Кайряк, Сергей Викторович, Иваново

1. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. Пер с англ. М.: Мир, 1999. - 217 С.

2. Балашенко С.А., Макарова Т.И. Международно-правовая охрана окружающей среды и права человека. Учебное пособие. Минск: "World Wide Printing", 1999. С. 256.

3. Григорьев Л.H., Войнов Ю.И. Интенсификация адсорбционного способа очистки выбросов в атмосферу. в кн. тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсивные и безотходные технологии и оборудование". - Волгоград, 1991. С. 129.

4. Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая обработка и обезвреживание отходов. М.; Химия, 1990. С. 304.

5. Пикаев А.К. Пятая международная конференция по новым окислительным технологиям для сохранения воды и воздуха. // Химия высоких энергий. 2000. Т. 34. № 1.С. 53-57.

6. Бубнов А.Г., Гриневич В.И., Костров В.В. Александрова С.Н. Воздействие плазмы барьерного разряда на пары фенола и формальдегида. // Химия высоких энергий. 1993. Т.27. № 4. С. 83-88.

7. Бугаев С.П., Кувшинов В.А., Сочугов Н.С., Хряпов П.А. Очистка воздуха от органических загрязнений в плазмохимическом реакторе с барьерным разрядом. // Журнал прикладной химии. 1996. Т.69. Вып. 6. С. 965-969.

8. Злотопольский В.М., Смоленская Т.С. Превращение органических соединений в плазме барьерного разряда. // Химия высоких энергий. 1996. Т.30. № 3. С.211-213.

9. Сироткина Е.Е., Кудряшов C.B., Рябов А.Ю. Окисление углеводородов в реакторе с барьерным электрическим разрядом. // XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Рефераты докладов и сообщений. № 3. Москва, 1998, С. 162.

10. Кудряшов C.B., Щеголева Г.С., Сироткина Е.Е. Рябов А.Ю. Окисление углеводородов в реакторе с барьерным разрядом. // Химия высоких энергий. 2000. Т. 34. №2. С. 145-148.

11. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств / Ю.Ш. Матрос, A.C. Носков, В.А. Чумаченко. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. -224 с.

12. Защита атмосферы от промышленных загрязнений (справочное издание) : В 2 ч. Ч. 1/Под ред. С. Калверта, Г.М. Инглунда. - М.: Металлургия, 1988. -760 с.

13. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. - 656 с.

14. Баркаускас Ю., Карейва А. Продукты окисления, образующиеся при взаимодействии н-гексана с кислородом воздуха на поверхности активированного углерода. // Журнал прикладной химии. 1995. Т. 63. Вып. 3. С. 441-445.

15. Вайсман Я.И., Халтурин В.Г., Коротаев В.Н., Карманов В.В., Сорокин А.И., Гыйбадуллин Н.Ш. Плазмохимическая утилизация токсичных отходов. // Экология и промышленность России. 1998. № 10. С. 15-17.

16. Heck G., Muller G., Ulrich M. // Chem. Ing. Techn.- 1988. Bd 60, № 4. -S. 286-297.

17. Перчугов Г.Я., Бобров О.Г. Биохимические методы газоочистки: Обзор, ин-форм. Сер. ХМ-14/ЦИНТИхимнефтемаш. М., 1986. - 24 с.

18. Dalouche A., Gillet M., Lemasle M. // Pollut. atmos. 1981. - V. 23. № 92. -P. 317-322.

19. Носков A.C., Исмагилов З.Р. Каталитические методы обезвреживания жидких, твердых и газообразных отходов промышленных производств. // XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Рефераты докладов и сообщений. № 3. Москва, 1998, С. 420-421.

20. Кузьмина Р.И., Зубинова Л.Г., Кондрашова A.B. Очистка газовых выбросов от органических веществ. // XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Рефераты докладов и сообщений. № 3. Москва, 1998, С. 325.

21. Артемьев Ю.М., Артемьева M.А., Лисогурская О.Ф. Фотокаталитическое окисление толуола на оксиде ниобия (V). // Журнал прикладной химии. 1995. Т. 68. Вып. 6. С. 956-961.

22. Пикаев А.К. Применение методов химии высоких энергий для очистки воды и воздуха. (По материалам I Международной конференции по передовым окислительным технологиям защиты воды и воздуха). // Химия высоких энерг ий. 1995. Т. 29. № 1. С. 74-80.

23. Dhali S.K., Sardja I. Dielectric barrier discharge for processing of S02 (NOx) // J. Appl. Phys. 1991. № 9. C. 6319-6324.

24. Шведчиков А.П., Белоусова Э.В., Полякова A.B., Понизовский A.3., Гончаров В А. Очистка атмосферного воздуха от примесей S02 и NH3 с помощью постоянного коронного разряда и УФ-облучения. // Химия высоких энергий. 1992. Т. 26. №4. С. 377-378.

25. Бубнов А.Г. Очистка отходящих газов от летучих органических соединений в плазме поверхностно-барьерного разряда: Диссер.канд. хим. наук: 11.00.11. -Иваново: 1998,- 159 С.

26. Кудряшов C.B. Окисление углеводородов н-Cs-Cg и циклогексана в реакторе с барьерным электрическим разрядом: Диссер.канд. хим. наук: 02.00.13. -Томск: 1999,- 102 С.

27. Епхиева Т.С. Технология электрофизической очистки вентиляционных выбросов от паров органических растворителей с использованием тлеющего разряда: Диссер.канд. техн. наук: 11.00.11. Москва: 1998, - 159 С.

28. Ларин В.Ф., Румянцев С.А. Кинетика образования озона и окислов азота при импульсном СВЧ-разряде в воздухе // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. № 6. С. 87-90.

29. Коссый И.А., Костинский А.Ю., Матвеев A.A., Силаков В.П. Плазмохими-ческие процессы в неравновесной азотно-кислородной смеси. // Физика и химия газовых разрядов в пучках СВЧ-волн. М.: Наука, 1994. С. 141. (тр. ИОФАН; т. 47).

30. Нестер С.А., Потапкин Б.В., Левицкий A.A. Кинетико-статистическое моделирование химических реакций в газовом разряде. М.: ГК по использов. АЭ СССР. 1988. С. 23-26.

31. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.

32. Pollo I., Witkovska В. // Zesz. Nauk. Pol. Sias. Chem. 1973. Vol. 63. P. 25-30.

33. Pollo I., Narog A., Krop J. // Chemia Plasmy. 1974. N. 2. P. 101-106.

34. Вронски M. Кинетика синтеза озона и окислов азота в барьерном разряде: Автореф. дис. . канд. хим. наук. М., 1984.

35. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во МГУ, 1998. - 480 с.

36. Hadi-Ziane S., Held В., Pignolet P., Peyrous R., Benas J.M., Coste С. Cinetique reactionnelle d'un plasma d'oxygene en ecoulement. // Ann. Phys. 1990. - 15, colloq. № 3. - c. 103-104.

37. Попович М.П., Шишняев В.И., Егорова Г.В., Лунин В.В., Любомирова O.P. Кинетика образования озона при ультрафиолетовом облучении // Журнал физической химии. 1997. Т. 71. № 12. С. 2259-2263.

38. Демидюк В.И., Ткаченко С.Н., Попович М.П., Махир А.Х., Лунин В.В. Исследование кинетики и механизма каталитического разложения озона калориметрическим методом // Журнал физической химии. 1996. Т. 70. № 10. С. 1789-1793.

39. Баранов Г.А., Зинченко А.К., Леднев М.Г., Подтыкан Ф.П. Образование озона в поперечном разряде в потоке газа // Химия высоких энергий. 1994. Т. 28. №4. С. 361-365.

40. Попович М.П., Шишняев В.И., Чжан A.M., Ткаченко С.Н., Лунин В.В. Генератор озона в малых концентрациях // Журнал физической химии. 2000. Т. 74. № 4. С. 766-768.

41. Демьяников А.И., Дементьев A.A. Математическая модель синтеза озона в условиях барьерного разряда в кислороде // Журнал физической химии. 1994. Т. 68. №7. С. 1214-1218.

42. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М., 1987.

43. Ясуда X. Полимеризация в плазме: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 376 с.

44. M. Niinomi, Yanagihara, Plasma diagnostics of polymerizing benzene plasma, in "Plasma Polymerization", p. 87, ACS Symp Ser., v. 108, Am. Chem. Soc., Washington, D. C., 1979.

45. Бубнов А.Г., Гриневич В.И., Костров B.B. Плазменная полимеризация паров органических веществ в барьерном разряде // Химия высоких энергий. 1991. Т. 25. №4. С. 365-369.

46. Бубнов А.Г., Гриневич В.И., Александрова С.Н., Костров В.В. Полимеризация паров фенола в плазме барьерного разряда // Химия высоких энергий. 1997. Т. 31. №4. С. 296-299.

47. Шведчиков А.П., Белоусова Э.В., Понизовский А.З., Понизовский Л.З. Полимеризация паров стирола в воздухе при комбинированном воздействии короны постоянного тока и импульсного коронного разряда // Химия высоких энергий. 1999. Т. 33. № 1. С. 39-43.

48. Иванов B.C. Радиационная химия полимеров. Л.: Химия, 1988. С. 268.

49. Семенов С.И., Словецкий Д.И. Автоколебательный режим плазмохимиче-ской полимеризации смеси паров бензола с азотом в высокочастотном емкостном разряде // Химия высоких энергий. 1995. Т. 29. № 5. С. 368-372.

50. McCulla W.H., Rosocha L.A., Neely W.C., Clothiaux E.J., Kushner M.J., Rood M.J. // Proc. First INEL Plasma Applications to Waste Treatment Workshop. Idaho Falls. Idaho. USA, 1991. P. 1-25.

51. Словецкий Д.И. // Химия плазмы. Вып. 8. Под ред. Смрнова Б.М. М.: Энер-гоиздат, 1981. С. 189.

52. Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М.: Наука, 1974. С. 321.

53. Эмануэль Н.М., Денисов Е.Т., Майзус З.К. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе. М.: Наука, 1965. С. 375.

54. Atkinson R., Carter W.P.L.// Chem. Rev. 1984. V. 84. № 5. P. 437.

55. Кувыкин H.A., Бубнов А.Г., Гриневич В.И. Кинетика трансформации органических соединений в плазме барьерного разряда. // Материалы итоговой научной конференции ИГУ "Молекулярная физика неравновесных систем", Иваново, 28 января 1997 г.

56. Herrón J.T., Martinez R.I., Huie R.E. // Int. J. Chem. Kinet. 1982. V. 14, № 3. P. 201.

57. Лурье Б.А., Михно A.B. Окисление формальдегида диоксидом азота. // Журнал физической химии. 1997. Т. 71. № 9. С. 1611-1618.

58. Lin С., Wang H., Lin М.С., Mellius C.F. // Ibid. 1990. V. 22. P. 455.

59. Лурье Б.A., Апалькова B.H., Корнилова Г.Е. // Матер. 9-го Всесоюз. симп. по горению и взрыву. Кинетика химических реакций. Черноголовка. 1989. С. 113.

60. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия: Учеб. для хим. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1987. - 367 с.

61. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1979 г.

62. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах.-Jl.: Гидрометеоиздат, 1987 г.-270 с.

63. Гольберт К.А., Вигдергауз М.С. Введение в газовую хроматографию.-М.: Химия, 1991.-352 с.

64. Окабе X. Фотохимия малых молекул. М.; Мир, 1981.

65. Шарло Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ неорганических соединений.-М.: Химия, 1965 г.

66. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию: Учеб. пособие для хим. и хим.-технолог. спец. вузов. М.: Высш.шк., 1994. -400 с.

67. Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов.-М.: Медицина, 1990 г.-400 с.

68. Клещев Н.Ф., Костыкина Т.Д., Бескова Г.С., Моргунова Е.Т. Аналитический контроль в основной химической промышленности.-М.: Химия, 1992. С. 94.

69. Симонов В.А., Нехорошева Е.В., Заворовская H.A. Анализ воздушной среды при переработке полимерных материалов.-Л.: Химия, 1988. С.19.

70. Гиллебранд В.Ф. Практическое руководство по неорганическому анализу.-М.: 1957,-1016 с.

71. Гриневич В.И. Кинетика и механизм воздействия низкотемпературной плазмы на карбоцепные полимеры: Диссер.канд. хим. наук: 01.04.17. -Иваново: 1983,- 181 С.

72. Климова В.А. Основные микрометоды анализа органических соединений.-М.: Химия,-1975.-224 с.

73. Хмельницкий P.A., Бродский Е.С. Хромато-масс-спектрометрия. М.: Химия, 1984. С.54.

74. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. М.: Мир, -672 с.

75. Дубровин В.Ю. Ионизационные процессы и диссоциация молекул воды в плазме пониженного давления: Диссер. канд. хим. наук: 002.00.04 Иваново, 1983, - 170 с.116

76. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справ, изд. JL: Химия, 1987. - С.104.

77. Айнспрук Н., Браун Д. Плазменная технология в производстве СБИС. М.: Мир. 1987. 470 С.

78. Чумадова Е.С. Окисление СО и СН4 в совмещенном плазменно-каталитическом процессе: Диссер.канд. хим. наук: 11.00.11. Иваново: 1998,- 139 С.

79. Yasuda Н., Hsu Т. J. Polym. Sei., Polym. Chem. Ed., 1977, v. 15, p. 81.

80. Гриневич В.И., Максимов А.И., Менагаришвили В.М., Михеев В.Н. Кинетика разложения полимеров в кислородной плазме поверхностно-барьерного разряда.// Химия высоких энергий. Т. 20. № 4, 1986. С. 362-366.

81. Семиохин И.А., Страхов Б.В., Осипов А.И. Кинетика химических реакций: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ 1995. - 351 с.

82. Чеснокова Т.А. Утилизация отходов полимеров в низкотемпературной неравновесной плазме: Диссер.канд. хим. наук: 11.00.11. Иваново: 1998, -129 С.

83. Идентификация органических соединений: Пер. с англ./ Р. Шрайнер, Р. Фьюзон, Д. Кёртин, Т. Морилл. М.: Мир, 1983, - 704 с.

84. Скубневская Г.И., Дульцева Г.Г. Загрязнение атмосферы формальдегидом: Аналит. обзор / РАН. Сиб. отд-ние. ГПНТБ, ИХКиГ. Новосибирск, 1994. -70 с.