Микроволновый газовый разряд и его использование для разложения фреонов

4.2. Схема эксперимента. Описание методик.—————————————————————-58.

4.3. Результаты экспериментов.——————————————————————————————-63.

4.4. Обсуждение результатов. Возможные процессы трансформации фреонов в свободно локализованном микроволновом разряде.———————-69.

4.4.1. Особенности инициированного микроволнового разряда в газах высокого давления.——————————————————————————————————69.

4.4.2. Разрушение и трансформация исходного фреона.——————————————-70.

4.4.3 Образование SiF4———————————————————————————————————73.

4.4.4.

Заключение

—————————————————————————————————————-74.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ——————————————————————————————-76.

6.Литератур а———————————————————————————————————————————78.

Одним из наиболее опасных последствий производственной деятельности человечества является происходящее в течение последних десятилетий разрушение озонного слоя Земли — естественного «щита», экранирующего все живое от губительного действия биологически активного солнечного ультрафиолетового излучения. Согласно широко распространенной точке зрения (подтверждаемой многочисленными натурными измерениями со спутников, самолетов и с помощью наземных станций) [1, 2] основная причина истощения озонового слоя — выброс в атмосферу хлорфторуглеродов (фреонов), имеющих антропогенное происхождение и широко использующихся в технике и в быту.

К числу наиболее «опасных» для озона относятся такие фреоны, как CFC-12 (CF2C12), CFC-11 (CFCI3), CFC-113 (C2F3CI3) и др. Эти чрезвычайно стойкие в обычных условиях химические соединения диффундируют через всю толщу атмосферы и разлагаются за счет фотодиссоциации под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в стратосфере. Отщепляющийся при этом хлор является катализатором в • реакциях уничтожения озона типа: причем один атом хлора может разрушить до 105 молекул озона.

Фреоны, кроме того, за счет сильного поглощения инфракрасного теплового излучения участвуют в процессах, приводящих к парниковому эффекту, уступая при этом по эффективности только лишь СОг.

Человечество могло бы избежать грозящей опасности лишь в том случае, если за грядущие десятилетие ему удалось бы придумать и осуществить способ очистки воздушного океана от хлорфторуглеродов.

Среди относительно небольшого числа опубликованных в печати предложений активной защиты и восстановления озоносферы [3−6] следует прежде всего отметить работы Т. Стикса [3,4] и А. Вонга [5, б].

К сожалению, ни один из представленных в литературе [3−6] способов не может быть рассмотрен как способ, полностью решающий актуальную экологическую проблему защиты и восстановление озонового слоя.

Поэтому несомненный интерес представляют новые варианты активного воздействия на окружающую среду, к числу которых может быть отнесен проект, предложенный и развиваемый в ИОФАН. Идея этого проекта основана на.

С1 + 03=>С10 + 02 С10 + 0=>С1 + 02.

В.1) (В.2) предположении, что эффективным, экономически оправданным и реализуемым на современном уровне техники средством решения озоновой проблемы является возбуждение свободнолокализованных газовых разрядов в тропосфере [7−10].

Появление в воздушной среде газоразрядной плазмы, согласно [7−10], приводит к селективному разложению примесей озоноразрушающих фреонов с последующим выводом дождями продуктов разложения из атмосферы. К числу наиболее перспективных методов возбуждения газового разряда отнесен метод, основанный на использовании мощных микроволновых пучков.

Высказанная в самом общем виде идея глобальной (или локальной) очистки тропосферного воздуха требует тщательной теоретической проработки, а также постановки лабораторных экспериментов, моделирующих предполагаемые условия атмосферного возбуждения микроволнового разряда.

Именно последнее и составляет одно из основных направлений диссертационной работы, цель которой заключается в изучении свойств свободнолокализованных газовых разрядов, возбуждаемых мощными микроволновыми пучками, и определении, эффективности их воздействия на молекулы фреона, содержащиеся в виде примеси в воздушной среде.

Помимо задачи глобальной очистки атмосферы от фреонов (или ликвидации-локальных выбросов) настоящая работа стимулирована также потребностями ликвидации или утилизации накопленных человечеством запасов озоноразрушающих хлорфторуглеродов.

Реактор, предназначенный для разрушения экологически опасных фреонов и трансформацииих в новые, относительно безвредные, стабильные продукты, должен обладать высокой производительностью и низкой энергетической ценой процесса. Исходя из накопленного за последние годы опыта, при проектировании такого рода реактора целесообразно обратиться к плазмохимии, и, прежде всего, к плазмохимии, базирующейся на термонеравновесных газовых разрядах.

В течение ряда лет в ИОФАН проводились исследования инициированного микроволнового разряда в качестве средства разрушения (трансформации) хлорофторуглеродов. В работе [И] была показана высокая эффективность такого рода разрядов (низкая энергетическая цена деструкции фреона). Однако, отсутствие подробного исследование продуктов деструкции не позволяло вплоть до последнего времени с уверенностью рекомендовать инициированный микроволновый разряд в качестве базового для плазмохимического реактора. Следует отметить также и недостаток экспериментальных данных по исследованиям физических свойств подпороговых микроволновых разрядов в газах высокого давления, что не позволяет выявить основные каналы деструкции (трансформации) хлорофторуглеродов.

Изучение инициированных микроволновых разрядов, как плазменного объекта, и определение продуктов деструкции фреонов в такого рода разрядах входит в число основных задач диссертации.

Таким образом, цели диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

— Проведение экспериментов с разрядами, возбуждаемыми в свободном пространстве пучками мощного микроволнового излучения (свободнолокализованными микроволновыми разрядами), с целью определения эффективности плазмохимической деструкции хлорофторуглеродной примеси;

— Исследование инициированных (подпороговых) микроволновых разрядов в газах высокого давления с целью определения параметров плазмы в областях контракции (разрядных «нитях» или «каналах»);

— Проведение подробных исследований продуктов деструкции фреонов в инициированном микроволновом разряде с определением баланса атомарных компонент хлорофторуглеродных молекул.

Результаты диссертационного исследования, поставленного в соответствии суказанными целями, сведены в три главы диссертации.

1-я глава диссертации носит обзорный характер и посвящена анализу возможных газоразрядных методов очистки атмосферы: от фреонов и их промышленной— трансформации и утилизации. На основании проведенного анализа ставятся задачи диссертационной работы.

2-я глава посвящена исследованию физических характеристик несамостоятельного (инициированного) разряда высокого давления. Проведено прямое экспериментальное измерение параметров высокочастотной плазменной нити с высоким временным разрешением, позволяющих судить о времени ее формирования и продолжительности жизни.

3-й глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации фреонов в самоподдерживающемся, свободнолокализованном микроволновом разряде.

4-я глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов разрушения и трансформации фреонов в несамостоятельном (инициированном) микроволновом разряде высокого давления. Приведена подробная схема эксперимента описаны методы определения продуктов разложения фреонов. Приведены результаты эксперимента и их обсуждение.

Основные выводы, следующие из проведенных исследований, можно сформулировать следующим образом:

1. Проведены эксперименты с разрядами, возбуждаемыми в свободном пространстве пучками мощного микроволнового излучения с целью определения эффективности плазмохимической деструкции хлорфторуглеродной примеси. В разряде в азоте с примесью фреона (F-10) продемонстрирована возможность высокоэффективного разложения последнего в объеме, занятом разрядом, с энергетической ценой деструкции около.

4—8 эВ/молекулу. Выявлен в качестве наиболее вероятного механизма деструкции, механизм, связанный с тушением электронно-возбужденных молекул азота на молекулах фреона.

2. Впервые определены параметры плазмы в области сильной контракции («каналы» или «нити»), характерной для микроволновых разрядов высокого давления. С применением диодной лазерной спектроскопии поглощения и пассивной спектроскопии плазменного излучения измерена концентрация электронов в каналах. Показано, что области контракции (микроволновые стримеры) являются местом существования плотной (пе 1016 см" 3) плазмы, создающей вокруг каналов относительно разреженный и холодный «ореол» фотоионизации.

3. Впервые в плазмохимических исследованиях газоразрядного разложения примеси фреона к газам высокого давления удалось экспериментально установить баланс практически всех продуктов деструкции, содержащих хлор и фтор. Показано, что среди новых стабильных продуктов нет ни фреонов, обладающих высоким озоноразрушающим потенциалом, ни каких-либо иных вредных веществ. Выявлен в качестве наиболее вероятного механизма исчезновения исходного фреона (F-12) — механизм неравновесной химической трансформации, заключающийся во взаимодействии колебательно-возбужденных или электронно-возбужденных молекул хлорофторуглеродной примеси.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

Основная прикладная задача, стимулировавшая постановку настоящей диссертационной работы, связана с проблемой очистки атмосферы от загрязняющих её озоноразрушающих фреонов и утилизации накопленных и складируемых на, Земле запасов хлорофторуглеродов.

Решение этой задачи базируется на фундаментальных основах такой области науки, как плазмохимия, лежащей на стыке физики и химии плазмы. С точки зрения достижений в плазмохимической сфере в настоящей диссертации можно отнести следующее. Представленная работа может быть классифицирована, как одно из первых исследований, в которых объектом является не, как правило, однородное и стабильное плазменное образование, а сильно контрагированная, нестабильная плазма. Таким образом, работа является вкладом в новое направление плазмохимии, а именно, в плазмохимию нестабильных газоразрядных систем.