Спосіб знешкодження токсичних сполук

Корисна модель відноситься до способів руйнування молекулярних стр уктур речовин і може бути використано в хімічній, нафтохімічній, біологічній та інших галузях промисловості. Зокрема, корисна модель може бути використаний при здійсненні мір щодо захисту довкілля від забруднюючих високотоксичних хімічних сполук. Відомі способи руйнування молекулярних структур речовин за допомогою механічного, теплового, хімічного, електричного та біологічного впливу [Летохов B.C. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах //М.: Наука, 1982, 405с.]. Недоліками цих способів є нераціонально великі витрати енергії, малі швидкості процесу, обмеженість в можливостях керування проміжними стадіями, неуніверсальність методів, їх істо тна залежність від термодинамічних та кінетичних заборонень. Відомий спосіб електромагнітного руйнування речовин [Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом // М.: На ука, 1989, 288с., Патент РФ №2056160 / Способ целенаправленного разрушения молекулярних стр уктур ве щества, 20.03.96]. Недоліками відомого способу є великі витрати енергії, труднощі керування процесом руйнування речовини, складнощі застосування методу к речовинам, що не володіють значною електромагнітною сприйнятливістю, низька селективність методу та незначна проникливість електромагнітного впливу. Досить перспективним способом знищення непридатних пестицидів є плазмохімічний, що має ряд переваг перед вогневим і термічним за рахунок підвищення температури електричної дуги до 2000-2500°С. При цьому процес розкладення діоксинів завершується протягом 0,1сек, що дозволяє зменшити габарити реактора. Однак, значна вартість такого реактора, наявність газів, що утворюються в плазмотроні, складність діагностики плазмохімічного процесу в дуговому розряді при найвищих температурах не дозволяє рекомендувати його до використання при знешкодженні непридатних пестицидів [Патент ГДР №245941 А1. Способ и устройство плазменного пиролиза вредных и ядовитых веществ, 20.05.87; Патент ДЕ №298459. Плазмохимический реактор для уничтожения токсичных отходов, 27.03.80; Патент US №4438706. Способ и оборудование для разложения отходов с помощью плазменной технологии, 27.03.84]. Найбільш близьким за технічною сутністю та результатом, що досягається, є спосіб розкладання органічних речовин [Патент ДЕ №4016514, Спосіб розкладання органічних речовин, 28.11.91.], в якому для глибокого очищення застосовується озонування розчинів пестицидів, поєднане з ультрафіолетовим опроміненням реакційної маси. Слід відмітити, що даний спосіб придатний тільки для знешкодження низько концентрованих водних розчинів. При цьому утворюються додаткові забруднюючі речовини у вигляді смол і газів, які можуть містити діоксини, оскільки наявність кисню не виключає можливості їх новоутворення. Суть корисної моделі полягає в наступному. Знешкодження токсичних сполук здійснюють в основному термічними методами розкладу з використання різноманітних нейтралізуючих компонентів. Величезні енергетичні витрати, складне апаратурне оформлення, мали швидкості процесу, обмеженість у можливості керування проміжними стадіями компенсуються високою ступеню вивченості та прогнозуванням процесу, тому модернізація в основному зводилася до поширення асортименту каталізаторів, що застосовуються, та вдосконаленню конструкцій реакційних апаратів. Сучасні способи знешкодження, такі як плазмохімічні та радіаційна обробка пучком електронів, або мають обмежені можливості зміни хімічного складу та оптимізації процесу розкладення, або мало ефективні у випадку великих витрат, так як енергія пучка електронів поглинається рідиною неоднорідно за об'ємом, то зміна ступеня очищення є неконтрольована. Великий час опромінювання не дозволяє використовувати в економічному режимі сучасні промислові установки, які, крім того, ще й відрізняються складністю конструкції реакторів, значними енерговитратами та вартістю. Задача полягає у створенні нового економічного способу, який дозволяє практично цілком розкласти токсичну речовину, що знешкоджується, незалежно від її хімічного складу, та агрегатного стану та виключити потрапляння екологічно небезпечних сполук у атмосферу. Технічний результат: - знешкодження токсичних сполук шляхом ультрафіолетового опромінювання в присутності суміші, яка складається з кадмію, вісмуту, олова, свинцю; - забезпечення повного та надійного знищення високотоксичних продуктів; - гарантоване запобігання викиду шкідливих речовин у навколишнє середовище; - зниження матеріалоємності й енергоємності процесу у порівнянні з традиційними промисловими способами. Зазначений технічний результат при здійсненні корисної моделі досягається тим, що процес знешкодження токсичних сполук здійснюють під впливом ультрафіолетового випромінювання в діапазоні хвиль 200-450нм в присутності суміші, що містить кадмій, вісмут, олово, свинець, при температурі 200-300°С у відсутності кисню. Особливістю даного процесу є те, що його здійснюють без потрапляння кисню, щоб виключити з одного боку окислення елементів, що входять до складу суміші, а з іншого - запобігти протіканню "нового" синтезу діоксинів, оскільки відомо, що він інтенсифікується в діапазоні температур 250-450°С за наявністю в газах продуктів неповного розкладу, особливо хлоридів. Каталізатором даного процесу виступає в першу чергу хлориди металів, що можуть знаходитися у золі. Крім того, суміш металів обрано таким чином, щоб їх енергетичний вплив був еквівалентним енергіям розриву зв'язків у токсичних сполуках. У способі, що заявляється, процес знешкодження токсичних речовин ведуть переважно при температурі, що забезпечує послаблення зв'язків за рахунок пароутворення вуглеводню та збудження електронів в елементах, які складають суміш під впливом ультрафіолетового опромінювання при цьому розриваються важкодоступні електронні пари зв'язків Сl-Н, O-Н та інші, що призводить до утворення вільних радикалів та об'ємного продовження реакції за ланцюговим механізмом. Звідси випливає, що йде процес знешкодження токсичних сполук в одну стадію з високим ступеням розкладу без домішок діоксинів, так як при цьому не протікають побічні реакції: утворення діоксинів, яки звичні для високотемпературних процесів окислення. Експериментально доведено, що процес йде за означеною схемою при використанні у якості первинних продуктів будь яких токсичних сполук, а також їх сумішей. Високий ступень перетворення первинної сировини забезпечується радикальним характером процесу, який у свою чергу обумовлено енергетичними параметрами діапазону ультрафіолетового випромінювання, що заявляється. На ступень розкладу, по відношенню до первинної сировини, впливає також температура в реакторі, від якої залежить енергія збудження елементів, що складають суміш, та прозорість парового середовища для проходження ультрафіолетового випромінювання. Наявність вологи у первинних продуктах також не призводить до проходження процесів окислення й утворення діоксинів, оскільки в даному енергетичному діапазоні виключено утворення озону, який є необхідним для протікання цих реакцій. Процес йде у одну стадію, у одному апараті при відносно низьких температурах та здійснимий при атмосферному тиску, а для виділення продуктів розкладу, які не є токсинами, вимагається тільки конденсація та абсорбція, тобто матеріало- та енерговитрати порівняно незначні, чим забезпечується безумовна економічність способу, що заявляється, порівняно з тими, що застосовуються в промисловості. Таким чином, приведені у формулі ознаки корисної моделі, що характеризують спосіб, що заявляється, є необхідні та достатні для досягнення потрібного технічного результату. Проведений заявником аналіз рівня техніки, що включає пошук по патентним та науково-технічним джерелам інформації і виявлення відомостей про аналоги корисної моделі, що заявляється, дозволив встановити, що заявник не знайшов джерело, яке характеризується ознаками, тотожними всім істотнім ознакам корисної моделі, яка заявляється, а також дозволив виявити сукупність істотних, стосовно до технічного результату, що вбачається заявником, відмітних ознак у заявленому способі і викладених у формулі корисної моделі. Отже, заявлена корисна модель відповідає умові "новизна". Для перевірки відповідності корисної моделі, що заявляється, умові "винахідницький рівень" заявник провів додатковий пошук відомих рішень, щоб виявити ознаки, що збігаються, з відмітними від прототипу ознаками способу, що заявляється. Результати пошуку показали, що корисна модель, яка заявляється, не випливає для фахівця явним чином з відомого рівня техніки, оскільки з рівня техніки, визначеного заявником, не виявлений вплив сукупної енергетичної дії ультрафіолетового випромінювання в діапазоні, що заявляється, й суміші, яка містить кадмій, вісмут, олово, свинець, на процес розкладу токсичних сполук, а також сукупності усіх відмітних ознак заявленої корисної моделі на отримання потрібного технічного результату. Отже, заявлена корисна модель відповідає умові "винахідницький рівень". Корисна модель ілюструється таблицею, у якій наведено первинні токсичні сполуки, параметри проведення процесу розкладу по прикладах. Відомості, що підтверджують можливість здійснення корисної моделі з отриманням вказаного технічного результату, полягає в наступному. Спосіб знешкодження токсичних сполук здійснюють в реакційному апараті об'ємом, наприклад, 5 літрів, що обладнано джерелом ультрафіолетового випромінювання, каталізаторною коробкою, яка містить суміш, що складається з кадмію, вісмуту, олова та свинцю, нагрівальним елементом, завантажувальним люком, штуцерами для виведення газоподібних продуктів реакції та "хвостових" газів, контрольно-вимірювальними приладами (термопари та інше). За допомогою нагрівального приладу в реакційному апараті підтримають температуру 200-300°С. В апарат завантажують токсичну сполуку або їх суміш, у рідкому або твердому вигляді, продувають інертним газом або водяною парою та піддають дії ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль 200-450нм та безперервно відводять продукти, що утворюються. У зоні реакції під впливом ультрафіолетового випромінювання протикає процес деструкції органічних сполук з утворенням галогенвмісного газу та вугле воднів, залежно від складу первинної сировини. Отриману паро-газову суміш пропускають через конденсатор для вилучення органічних продуктів розкладу (у випадку їх утворення), а галогенвмісний газ барботують через шар води (з утворенням, наприклад, соляної кислоти). Газ, який не розчинився у воді, очищують барботуванням через розчин лугу, для виключення його потрапляння в атмосферу. Процес легко регулюється. Корисна модель ілюструється прикладами. Приклад 1 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 200°С, продувають інертним газом (азотом) або водяною парою. Навіску технічного пестициду ДДТ у вигляді 25% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор для виділення утворених в наслідок розкладу органічної сполуки, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: в конденсаті - конденсат не утворюється; в твердому залишку – 0,002%; наявність діоксину - не виявлено. Приклад 2 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 250°С, продувають водяною парою. Навіску технічного пестициду ДДТ у вигляді 25% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор, де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки та водяна пара, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: в конденсаті – 0,002%; в твердому залишку - не виявлено; наявність діоксину - не виявлено. Приклад 3 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 300°С, продувають водяною парою. Навіску технічного пестициду ДДТ у вигляді 25% порошку поміщають в робочу зону реактора та витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки та водяна пара, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: в конденсаті – 0,0006%; в твердому залишку - не виявлено; наявність діоксину - не виявлено. Приклад 4 (негативний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 100°С, продувають інертним газом (азотом). Навіску технічного пестициду ДДТ у ви гляді 25% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: в конденсаті - не утворюється в твердому залишку – 0,01% наявність діоксину - не виявлено. Приклад 5 (негативний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 350°С, продувають водяною парою. Навіску технічного пестициду ДДТ у вигляді 25% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки та водяна пара, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: в конденсаті – 0,0006%; в твердому залишку - не виявлено; наявність диоксину - не виявлено. Приклад 6 (негативний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 350°С, продувають повітрям. Навіску технічного пестициду ДДТ у вигляді 25% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - дихлордифенілтрихлоретану: В конденсаті – 0,0006% В твердому залишку - не виявлено Наявність діоксину - в твердому залишку 0,005%. З прикладів 1-6 можна зробити висновок, що зменшення температури нижче 200°С призводить до зменшення ступеня розкладу ДДТ, а збільшення вище 300°С не впливає на нього. Крім того, при застосуванні для продування реакційного апарату водяної пари в якості побічного продукту з'являється конденсат, який містить незначну кількість первинної сировини, водночас з цим залишки первинної сировини у твердому залишку відсутні, тобто можна припустити, що вони мігрують з твердої фази в рідку. З наведеного можна заключити, що ступень розкладу не залежить від виду інертної середи в реакційному апараті, в той час як наявність кисню (при продуванні реактора повітрям) призводить до утворення діоксинів. Приклад 7 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 300°С, продувають водяною парою. Навіску технічного пестициду 2-метил-4-хлорфеноксіоцетова кислота (2М-4Х) у вигляді 40% водного розчину, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки та водяна пара, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - 2-метил-4-хлорфеноксіоцетова кислота: в конденсаті – 0,3% в твердому залишку - не виявлено наявність діоксину - не виявлено. Приклад 8 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 300°С, продувають водяною парою. Навіску технічного пестициду 2-хлор-4,6-біс(етіламіно)-1,3,5-триазин (СЕМАЗИН) у вигляді 50% порошку, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки та водяна пара, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини - 2-хлор-4,6-біс(етіламіно)-1,3,5-триазин: в конденсаті – 0,5%; в твердому залишку – 0,13%; наявність діоксину - не виявлено. Приклад 9 (позитивний) Реакційний апарат, обладнаний каталізаторною коробкою, яка містить суміш елементів (кадмій, вісмут, олово, свинець), в якому підтримується температура 250°С, продувають інертним газом (азотом). Навіску суміші технічних пестицидів ДДТ, 2М-4 Х, СИМАЗИН, взятих у співвідношенні 1:1:1, яка розташовано в робочій зоні реактора, витримують протягом трьох годин під опроміненням. В якості джерела ультрафіолетового випромінювання використовують лампу ДРШ-250-3. Газоподібні продукти розкладу пестициду проходять крізь конденсатор де відділяються утворені в наслідок розкладу органічні сполуки, а галогенвмісний газ (наприклад, хлористий водень) послідовно проходить два абсорбера, де поглинається спочатку водою, з утворенням соляної кислоти, а потім розчином лугу. Всі інші газоподібні продукти розкладу пестициду викидаються в атмосферу. Аналіз зразків твердих залишків і конденсату на вміст діючої речовини отрутохімікату проводили хроматографічним методом. Вміст діючої речовини в твердому залишку: дихлордифенілтрихлоретану 0,0006%; 2-метил-4-хлорфеноксіоцетова кислота 0,10%; 2-хлор-4,6-біс(етіламіно)-1,3,5-триазин 0,05%; Наявність діоксану не виявлено. З наведених прикладів 7, 8 та 9 слід, що ступень розкладу не залежить від агрегатного стану і вмісту токсичної сировини, а визначається тільки її хімічним складом. При розкладі утворюються тільки низькомолекулярні (газоподібні речовини), які не конденсуються. Однак, особлива перевага полягає в тому, що процес здійснимий при достатньо низькій температурі, а підвищення її не впливає на ступень розкладу токсичної речовини. Запропонований спосіб є економічним, потребує відносно невисоких капітальних вкладень та відповідає вимогам щодо охорони довкілля. Таким чином, наведені відомості свідчать про виконання при здійсненні заявленого способу наступної сукупності умов: - засіб, який втілює спосіб, що заявляється, при його здійсненні, призначено для використання в промисловості, а саме у хімічної, нафтохімічної та біохімічної промисловостях та здійснення мір по захисту довкілля від забруднень високотоксичними хімічними сполуками; - для заявленого способу в тому виді, як його охарактеризовано у формулі корисної моделі, підтверджена можливість його здійснення за допомогою описаних у заявці засобів і методів. Отже, заявлена корисна модель відповідає умові "промислова придатність". Таблиця Показники 1. Температура, °С 2. Час витрумування, год 3. Наявність кисню, ± 4. Вміст токсичної сполуки в конденсаті, % 5. Остаточний вміст токсичної сполуки в твердому залишку, % 6. Наявність діоксину в твердому залишку або в конденсаті, % Назва знешкоджуваної токсичної сполуки Дихлордифенітрихлоретан (ДДТ) 2М-4Х симазін Суміш ДДТ, 2 М4Х, симазін Приклади 1 2 3 4 5 6 7 8 9 200 250 300 100 350 350 300 300 250 3 3 3 3 3 3 3 3 3 + Н 0.002 0.0006 Н 0.0006 0.0006 0.3 0.5 0.002 Н Н 0.01 Н Н Н 0.13 S=0.1506 0.05 Примітка: Н - не визначено при чутності методу 0.0001%; "-" - відсутні; "+" - присутні.