Способ обезвреживания органических веществ

 

Изобретение может быть использовано для обезвреживания органических веществ. Способ обезвреживания органических веществ включает в себя обработку вещества излучением, при этом обработку производят импульсами оптического излучения, преимущественно видимого и/или инфракрасного, с энергетическими экспозициями на облучаемом объекте не менее 10 Дж/см² за один импульс. Способ позволяет повысить степень обезвреживания за счет разложения сложных молекул на простые нетоксичные вещества.

Изобретение относится к области обезвреживания органических веществ, в том числе жидких фосфорсодержащих отравляющих веществ (ОВ), составляющих большую часть накопительных запасов химического оружия.

Известен способ обезвреживания ОВ путем термического разложения в зоне горения жидкого органического горючего с кислородом при 2200-3200 K, причем ОВ подают в рабочую зону в виде раствора его в керосине [1].

Этот способ имеет существенные недостатки: - необходимость использования высоких температур, - наличие продуктов выброса, требующих связывания их в растворах щелочных соединений, - большой расход горючего, кислорода и других материалов (на 1 кг обезвреживаемого ОВ расход керосина составляет 4 кг, кислорода 22-30 кг, раствора ацетата кальция 60-65 кг).

Известен способ обезвреживания жидких органических веществ с помощью плазмы, заключающийся в том, что обезвреживаемое вещество испаряют, пары смешивают с транспортным газом и вводят полученную смесь в плазменную реакционную камеру, где в результате взаимодействия паров с плазмой получают фрагменты и/или ионы молекул испаренного вещества, которые затем нейтрализуют в скруббере, заполненном раствором соляной кислоты [2].

Этот способ имеет существенный недостаток: необходимость использования сложной аппаратуры (генератор микроволновой плазмы, источник магнитного поля и др.).

Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого изобретения является способ фотокаталитического разложения жидких органических веществ, в котором тонкий слой раствора обезвреживаемой жидкости, протекающего по плоской поверхности, покрытой слоем катализатора, облучают непрерывным ультрафиолетовым (λ = 240-280 нм) излучением интенсивностью 14-250 Вт/м² [3].

Этот способ имеет существенные недостатки: - большая продолжительность процесса (десятки и сотни часов); - необходимость катализатора в виде слоя мелкодисперсного покрытия, требующего периодического восстановления в процессе работы; - выделение в объеме облучательной камеры озона, вредного для организма человека и окружающей среды.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является: - сокращение времени обезвреживания, - снижение энергозатрат, - экологическая чистота процесса.

Это достигается тем, что обработку обезвреживаемых веществ производят импульсами оптического излучения, преимущественно видимого и/или инфракрасного, с энергетическими экспозициями на облучаемом объекте не менее 10 Дж/см² за один импульс.

Существенными отличиями предлагаемого способа обезвреживания органических веществ являются следующие:
а) обработку ведут импульсами оптического излучения,
б) излучение преимущественно видимое и/или инфракрасное,
в) поверхностная плотность энергии падающего излучения на объекте (энергетическая экспозиция) составляет не менее 10 Дж/см².

Авторам не известны какие-либо способы или устройства для обезвреживания органических веществ, в которых использовали бы обработку вещества импульсным оптическим излучением преимущественно видимого и/или инфракрасного диапазонов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериями "новизна" и "существенные отличия".

Подлежащее обезвреживанию жидкое органическое вещество помещают вблизи источника импульсного излучения, при работе которого образуется плазма инертных газов с температурой 6-10 тыс. К, и производят один или несколько импульсов с постепенным повышением выделяемой энергии.

После достижения на объекте определенной пороговой плотности падающей световой энергии (энергетической экспозиции) H_пор или при превышении этой величины происходит полное и необратимое разложение части вещества - фотораспад сложных молекул на простые компоненты без образования высокомолекулярных остаточных соединений - фрагментов исходных молекул. Процесс облучения повторяют до полного разложения всего токсичного вещества.

В предлагаемом способе обезвреживания положительного эффекта достигают в основном за счет величины плотности излучения на объекте (энергетической экспозиции, дозы облучения). При малых энергетических экспозициях (H < H_пор) фотодеструкция не наблюдается. Значительное превышение плотности падающего излучения также нецелесообразно, поскольку при энергетических экспозициях H ≳ 2 H_пор происходит деградация элементов в конструкции облучателя, изготовленных из металлов и композитов, вследствие низкой стойкости этих конструкционных материалов к импульсному световому излучению плотностью свыше 10 Дж/см² по сравнению со светостойкими диэлектрическими материалами (стеклом, керамикой).

При изменениях дозы облучения в этих пределах (от H_пор до 2 H_пор) возможны вариации пиковой плотности мощности излучения (облученности) E_п и длительности импульса τ ( τ = 10^-4 - 10^-2 с). Эти величины определяются конструкцией и режимом работы конкретного источника излучения, используемого для обработки веществ. Основным обобщенным параметром процесса импульсной фотодеструкции принимают величину энергетической экспозиции (дозы облучения) H на обрабатываемом объекте (H ≃ E_п· τ), поскольку фотораспад сложных молекул является эффектом, кумулятивным относительно дозы облучения.

Источником оптического излучения могут быть импульсные ксеноновые лампы или импульсный адиабатический плазмотрон, в котором в рабочую камеру инжектируется ксеноновая плазма с температурой 6-10 тыс. К. В этих устройствах выход оптического излучения в видимой и инфракрасной областях (λ = 0,3-2,5 мкм) составляет 50-60% от вложенной энергии (электрической или механической), выход ультрафиолетового излучения (λ < 0,3 мкм) - до 10%.

Способ обезвреживания органических веществ был апробирован в Научно-производственном объединении "Астрофизика" (г. Москва) на жидких углеводородах (керосин, дизельное топливо) и на фосфорсодержащем веществе - диизопропилфосфонате, являющемся нетоксичным имитатором отравляющего вещества нервно-паралитического действия - зарина (акт апробирования прилагается).

При облучении стеклянных пробирок, содержащих 1-2 мл испытуемых органических веществ, светом двух импульсных ксеноновых ламп ИНП 16/250 путем ступенчатого повышения вкладываемой в лампы электрической энергии W (W = CU²/2, где C, U - емкость и напряжение заряда конденсатора) была зафиксирована деструкция этих веществ, характеризуемая следующими признаками:
а) появление в объеме жидкости мелкодисперсной твердой фазы типа аморфного углерода - сажи,
б) выделение легких газовых фракций, проявляющееся в выбивании из пробирки легкой пробки,
в) изменение окраски (пожелтение) оставшейся жидкости.

Эта совокупность явлений наблюдается одновременно при достижении или превышении пороговой величины энергии W_пор (при W ≥ W_пор) и не наблюдается при W < W_пор. Величина W_пор зависит от природы вещества и конструкции облучателя и в условиях эксперимента составляла для керосина и дизельного топлива около 3000 Дж, для диизопропилфосфоната ~ 9600 Дж, что соответствовало величинам плотности излучения в центре пробирки H₁ ≃ 15 Дж/см² и H₂ ≃ 50 Дж/см² соответственно при спектре действующего излучения Δλ = 0,3-2,5 мкм (область пропускания силикатного стекла).

Анализ облученного диизопропилфосфоната, проведенный лабораторией Академии химзащиты МО РФ (г. Москва) на жидкостном хроматографе с масс-спектрометром, установил полную идентичность состава облученного вещества и исходного (анализ твердой фазы, выделившейся в виде осадка, не проводился), и таким образом подтвердил отсутствие в жидкости высокомолекулярных фрагментов молекул, наблюдаемых при обычном химическом разложении фосфорорганических веществ, то есть факт распада части жидкого вещества непосредственно на простые компоненты (твердые и газообразные).

Источники информации
1. Патент РФ N 2022590, кл. A 62 D 3/00, 1991 г.

2. Патент ЕР N 0412107, кл. A 62 D 3/00, 1989 г.

3. Патент ЕР N 0499362, кл. A 62 D 3/00, 1992 г.

Формула изобретения

Способ обезвреживания органических веществ, включающий обработку вещества излучением, отличающийся тем, что обработку производят импульсами оптического излучения, преимущественно видимого и/или инфракрасного, с энергетическими экспозициями на облучаемом объекте не менее 10 Дж/см² за один импульс.