способ уничтожения токсичных галогеносодержащих органических соединений

Формула изобретения

Способ уничтожения токсичных галогеносодержащих органических соединений, включающий заполнение реактора этими соединениями и реагентами в газообразном состоянии, энергетическое воздействие на молекулы токсичных галогеносодержащих органических соединений, приводящее к их разложению на атомы, молекулы и радикалы, связывание их между собой и с реагентами в нетоксичные газообразные вещества и в нетоксичные и токсичные конденсированные вещества и удаление из реактора газообразных и конденсированных продуктов реакции, отличающийся тем, что дополнительно к токсичным галогеносодержащим органическим соединениям и реагентам реактор заполняют инертным газом, в качестве реагентов в реактор вводят пары щелочного или щелочноземельного металла, а энергетическое воздействие осуществляют с помощью импульсно-периодического разряда, возбуждаемого в объеме реактора от внешнего источника питания.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области дезактивации и утилизации токсичных галогеносодержащих органических соединений, в том числе и боевых отравляющих веществ, и позволяет создать универсальный, эффективно функционирующий, экологически и технически безопасный способ дезактивации и утилизации токсичных галогеносодержащих органических соединений и боевых отравляющих веществ.

Известен способ уничтожения галогеносодержащих органических веществ, включающий в себя разложение молекул таких веществ и связывание продуктов разложения в реакциях с реагентами (ЕР 0257170, МПК А 62 D 3/00). В названном способе разложение молекул осуществляется с помощью ультрафиолетового излучения (например, волны диапазона 280-320 нм). В качестве реагентов используются смеси из соединений, образованных конденсацией окиси пропилена, окиси этилена, щелочью с окисляющим агентом или источником свободных радикалов и т.д.

Однако он обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, в первую очередь он предназначен для очистки различных (в том числе и пористых) поверхностей от находящихся на них галогеносодержащих токсичных веществ. И хотя имеется возможность его использования для дезактивации в газовой фазе галогеносодержащих веществ путем помещения их в прокачиваемую газовую среду (например, углеводородную), способ не пригоден для уничтожения боевых отравляющих веществ (например, иприта и люизита). В процессе дезактивации таких веществ неконтролируемым образом могут образовываться токсичные соединения, требующие специальных способов утилизации. Во-вторых, для каждого вида или класса галогеносодержащих веществ требуется конкретный реагент, следовательно, этот способ не является универсальным способом. В-третьих, подбор компонентов реагента осуществляется для химически чистых веществ, а боевые отравляющие вещества после длительного хранения таковыми не являются.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ уничтожения высокотоксичных газообразных веществ, включающий осуществление реакций разложения молекул высокотоксичных газообразных веществ под действием нагрева и ультрафиолетового излучения, испускаемого поверхностным скользящим разрядом, и связывания продуктов реакции разложения с помощью реагента в безопасные и экологически безвредные вещества в реакторе, заполненном смесью газообразных высокотоксичных веществ, газов, способствующих осуществлению реакции разложения по всему реактору, и реагентов (RU пат. N 2152236 С1, А 62 D 3/00, прототип).

В этом способе реактор заполняется смесью газообразных высокотоксичных веществ, водорода и кислорода. Реакция разложения молекул газообразных отравляющих веществ осуществляется за счет теплоты реакции горения вводимой в реактор горючей смеси кислорода и водорода, а инициирование реакции горения по всему объему реактора осуществляется энергетическим импульсом от импульсного скользящего поверхностного разряда, сочетающим в себе энергию неравновесной плазмы разряда между электродами и жесткое ультрафиолетовое излучение с поверхности диэлектрика, на котором расположены электроды. В зависимости от того, какая среда (окислительная или восстановительная) нужна для связи образующихся в результате реакции разложения веществ, в горючую смесь вводят избыток кислорода или водорода по сравнению со стехиометрическим соотношением [H₂]:[О₂]=2:1. Этот избыток и выполняет роль реагента, переводящего продукты разложения молекул токсичных веществ в безопасные и экологически безвредные вещества.

Этот способ, как и все высокотемпературные способы с использованием кислорода, обладает следующими недостатками:

1) необходимость использования для реализации процесса сжигания сложных композитных материалов, стойких к химически активным веществам в условиях высоких температур (Капашин В.П. и др. Химическое разоружение. Технологии уничтожения отравляющих веществ. Саратов: Гос. учеб. - науч. Центр "Колледж", 2000, с.134);

2) возможность загрязнения образующихся реакционных масс примесями из конструкционных материалов реактора (Шантроха А.В., Гормай В.В. и др. Химико-технологические направления в проблеме уничтожения и утилизации кожно-нарывных отравляющих веществ. Российский химический журнал. Т. XXXVIII. М.: Наука, 1994, 2, с. 23) обуславливает необходимость в дополнительных мерах по определению химического состава и степени токсичности реакционных масс и в организации дополнительных стадий очистки веществ, которые найдут применение в дальнейшем;

3) возможность образования диоксинов и бензофуранов, которое связано с наличием свободного кислорода в реагирующей газовой смеси (Федоров В.А., Ефремов А. А. и др. Проблемы получения мышьяка и его соединений особой чистоты на основе люизита. Там же, с.26);

4) возможность образования окислов мышьяка, фосфора, серы и т.п.

5) при дезактивации люизита в восстановительной среде возможно образование хлоридов мышьяка, арсинов, хлорированных углеводородов (Федоров В.А., Ефремов А.А. и др. Проблемы получения мышьяка и его соединений особой чистоты на основе люизита. Там же, с.26).

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу переработки без доступа кислорода токсичных галогеносодержащих органических соединений, в том числе и боевых отравляющих веществ, в безопасные и экологически безвредные вещества, либо в индивидуально чистые токсичные вещества (например, мышьяк), подлежащие дальнейшей утилизации или уничтожению.

Технический результат достигается за счет того, что в способе уничтожения токсичных галогеносодержащих органических соединений, включающем заполнение реактора этими соединениями и реагентами в газообразном состоянии, энергетическое воздействие на молекулы токсичных галогеносодержащих органических соединений, приводящее к их разложению на атомы, молекулы и радикалы, связывание их между собой и с реагентами в нетоксичные газообразные вещества и в нетоксичные или токсичные конденсированные вещества и удаление из реактора газообразных и конденсированных продуктов реакции, дополнительно к токсичным галогеносодержащим органическим соединениям и реагентам реактор заполняют инертным газом, в качестве реагентов в реактор вводят пары щелочного или щелочноземельного металла, а энергетическое воздействие осуществляют с помощью импульсно-периодического разряда, возбуждаемого в объеме реактора от внешнего источника питания.

В предлагаемом способе давление паров щелочных и щелочноземельных металлов изменяется в диапазоне от 0,01 до 10 мм рт. ст. Давление инертного газа - в диапазоне от 5 до 760 мм рт. ст.

Реакция разложение заключается в разрыве химических связей в молекулах отравляющих веществ, осуществляемом в соударениях этих молекул с электронами, нагретыми электрическим полем до энергий, достаточных для эффективного разрыва химических связей в молекуле уничтожаемого вещества. Образовавшиеся в результате реакции разложения молекул уничтожаемого вещества молекулы, атомы и радикалы вступают либо в реакцию соединения с атомами металлов, либо в реакцию соединения друг с другом, образуя в последнем случае чистые химические вещества.

Металлы выбирают таким образом, чтобы их энергии связи с атомами, молекулами и радикалами, образовавшимися в результате реакции разложения молекул отравляющих веществ электронами, были заметно выше энергий связи этих атомов, молекул и радикалов в молекуле отравляющего вещества. Поэтому атомы молекулы и радикалы, образовавшиеся в результате разложения молекул отравляющих веществ в обратную реакцию не вступают, а вступают в реакцию соединения с атомами металлов либо в реакцию соединения друг с другом, образуя в последнем случае чистые химические вещества. В некоторых случаях, когда энергия связи одинаковых атомов больше энергии связи этих атомов с атомами металлов, эти атомы могут образовывать молекулы индивидуально чистых веществ, например мышьяка или водорода.

Поскольку температура частиц, участвующих в реакциях соединения, низка, обратного разложения продуктов этих реакций происходить не будет.

Способ осуществляют следующим образом.

В реактор непрерывно или порциями поступает смесь инертного газа и уничтожаемого вещества в газовой фазе. Рабочее давление паров металла в реакторе создается с помощью генераторов паров металла, которыми снабжен реактор. Реактор снабжен электродами, соединенными с внешним источником питания, через которые осуществляется импульсно-периодический разряд, приводящий к образованию в реакторе электронов, осуществляющих разложение молекул токсичного вещества на молекулы, атомы, радикалы. Длительность разряда и напряженность электрического поля в разряде таковы, что во время его существования преобладающими процессами являются процессы возбуждения, диссоциации молекул токсичных веществ и процессы возбуждения и ионизации атомов реагента. В межимпульсный временной интервал молекулы, атомы и радикалы вступают в реакцию между собой и с атомами металла, в результате чего образуются газообразные (например, водород) или конденсированные (например, хлорид кальция) вещества, накапливаемые в сборниках конденсированных веществ, которыми снабжен реактор. После дезактивации определенного количества уничтожаемого вещества смесь, состоящую из образовавшихся конденсированных веществ, удаляют из сборников. Разделение конденсированных продуктов реакций, извлеченных из сборников реактора, осуществляется посредством специальной технологии.

Предлагаемый способ разложения отравляющих веществ осуществляется в бескислородной среде, следовательно, исключается образование диоксинов и бензофуранов.

Способ иллюстрируется примерами утилизации люизита и иприта.

При утилизации люизита ClCH=CH-AsCl₂ в реактор порциями или непрерывно поступает люизит в газовой фазе, инертный газ (например, аргон) и пары кальция. Рабочее давление паров кальция в реакторе поддерживается генераторами паров кальция, которыми снабжен реактор. В реакторе, содержащем смесь люизита в газовой фазе, инертного газа и паров кальция, осуществляется импульсно-периодический разряд, приводящий к образованию в реакторе электронов, осуществляющих разрыв химических связей в молекулах люизита. В межимпульсный интервал времени образовавшиеся в результате разложения молекулы люизита атомы, молекулы и радикалы вступают в реакции соединения между собой и с атомами кальция, в результате чего образуются нетоксичные газообразные вещества и нетоксичные или токсичные вещества в твердой фазе.

Анализ значений энергии связей между элементами, входящими в состав смеси реактора, позволяет сделать вывод о химическом составе продуктов реакций, осуществляемых в реакторе. Вероятный состав продуктов уничтожения люизита: хлорид кальция (Т_пл=782^oС, Т_кип=1960^oС); карбид кальция (Т_пл=2160^oС); мышьяк (Т_пл= 817^oС, Т_воз= 612^oС); диводород (Т_кип=-252,87^oС); ацетилен (Т_кип=-83,8^oС).

Мышьяк, карбид кальция и хлорид кальция осаждаются в сборниках, которыми снабжен реактор. Разделение этих твердых продуктов реакций, протекающих в реакторе, осуществляется посредством специальной технологии. Водород и ацетилен собираются в соответствующих сборниках.

При утилизации иприта S(CH₂CH₂Cl)₂ в реактор порциями или непрерывно поступает иприт в газовой фазе, инертный газ (например, аргон) и пары кальция. Рабочее давление паров кальция в реакторе поддерживается генераторами паров кальция, которыми снабжен реактор. В реакторе, содержащем смесь иприта в газовой фазе, инертного газа и паров кальция, осуществляется импульсно-периодический разряд, приводящий к образованию в реакторе электронов, осуществляющих разрыв химических связей в молекулах иприта. В межимпульсный интервал времени образовавшиеся в результате разложения молекулы иприта атомы, молекулы и радикалы вступают в реакции соединения между собой и с атомами кальция, в результате чего образуются нетоксичные газообразные вещества и нетоксичные вещества в твердой фазе.

Анализ значений энергии связей между элементами, входящими в состав смеси реактора, позволяет сделать вывод о химическом составе продуктов реакций, осуществляемых в реакторе. Вероятный состав продуктов уничтожения иприта: хлорид кальция (Т_пл=782^oС, Т_кип=1960^oС); карбид кальция (Т_пл=2160^oС); сера (Т_пл= 119^oС, Т_кип=444^oС); диводород (Т_кип=-252,87^oС); этилен (Т_кип=-103,7^oС).

Сера, карбид кальция и хлорид кальция осаждаются в сборниках, которыми снабжен реактор. Разделение этих твердых продуктов реакций, протекающих в реакторе, осуществляется посредством специальной технологии. Водород и этилен собираются в соответствующих сборниках.

Данный способ пригоден для дезактивации токсичных веществ, которые после длительных сроков хранения не являются химически чистыми веществами и, следовательно, не могут уничтожаться химическими способами, ориентированными на уничтожение химически чистых отравляющих веществ. После длительного хранения большинство отравляющих веществ таковыми не являются (Луганский И.Н, Шелученко В. В. и др. Основные технологические и экологические аспекты проблемы уничтожения иприта. Российский химический журнал. Т. XXXVIII. М.: Наука, 1994, 2, с.34).