DEVICE FOR LOW TEMPERATURE PLASMA INCINERATION OF OXIDIZABLE CARBON CONTAINING MATERIALS

Abstract: 1. Device for plasma chemical low temperature ashing of oxidable, carbon containing substances, with the being placed on a flat sample holder in the plasma of the positive column of a low pressure direct current glow discharge in oxygen between two electrodes in a discharge tube.

Description: Vorrichtung zur plasmachemischen Niedertemperaturveraschung oxidierbarer kohlenstoffhaltiger Materialien Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur plasma chemischen Veraschung oxidierbarer fester kohlenstoffhaltiger Materialien bei niedrigen Temperaturen und kleinen Reaktionszeiten. Die Vorrichtung kann bei der Untersuchung mineralischer Bestandteile in Kohlen angewendet werden. Grundlage der Niedertemperaturveraschung im Gasentladungsplasma ist die Bildung von Sauerstoffatomen und angeregten Sauerstoffmolekulen, die auch bei niedrigen Temperaturen mit Kohlenstoff oder organischen Substanzen reagieren, so dass vorwiegend C02 und H20 gebildet werden. Die Plasmaerzeugung erfolgt üblicherweise durch eine Hochfrequenzentladung, wobei die Energie induktiv oder kapazitiv eingekoppelt wird. Beim Veraschungsprozess im Gasentladungsplasma, das mittels Hochfrequenzentladung erzeugt wird, wird einerseits Sauerstoff verbraucht und andererseits müssen die Reaktionsprodukte abgeführt werden. Deshalb wird die Veraschung in einem Durchströmungssystem durchgeführt. Die Probe befindet sich dabei innerhalb des durch die Spule oder die Elektroden erzeugten Plasmas oder aber auch ausserhalb dieser Zone und wird von dem aktivierten Gas überströmt (J. R. Hollahan, A. T. Bell; Techniques and Applikations of Plasma Chemistry; John Wiley & Sons, New York, 1974). Hollahan berichtet zusammenfassend über Veraschungszei ten für 1 g kohliges Probenmaterial von 70 bis 90 Stunden. Um die Veraschungszeit zu verkürzen, strömt das Gas aus mehreren parallelen Entladungsstrecken über die Probe oder aber das Probenmaterial ist porös auf Quarzwolle gelagert, womit eine vergrösserte Kontaktfläche mit dem aktivierten Gasstrom erreicht wird (US-PS 3.671.195). Die Benutzung mehrerer, parallel zueinander angeordneter Entladungsrohre innerhalb einer Erregerspule zur Erhöhung der Veraschungsgeschwindigkeit wird in DE-OS 21 63 946 beschrieben. Die genannten Verfahren haben sich bewährt, besitzen jedoch den Nachteil, dass beim Einbringen der zu veraschenden Proben in den Elektrodenbereich die Beobachtung sehr erschwert ist und bei Deponierung im aktivierten Gasstrom hinter der Entladungsstrecke, bedingt durch die Rekombination der aktivierten Sauerstoffpartikel, ein Rückgang der Veraschungsgeschwindigkeit zu verzeichnen ist. Die Erfindung hat das Ziel, eine schonende Veraschung von Kohle oder anderen organischen Substanzen im Plasma mit verringertem Zeitaufwand bei guter Beobachtungsmöglichkeit des Veraschungsvorganges durchführen zu können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die eine schonende Veraschung oxidierbarer kohlenstoffhaltiger Materialien im Sauerstoffplasma bei guter Beobachtungsmöglichkeit des Veraschungsvorganges und kurzer Reaktionsdauer gestattet. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Probenmaterial auf einem ebenen Probenhalter im Plasma der positiven Säule einer Niederdruck-Gleichstrom-Glimmentladung im Sauerstoff angeordnet ist. Die Niederdruck-Gleichstrom-Glimmentladung brennt in einem gläsernen, durchsichtigen Entladungsrohr, durch das das Gas strömt. Die Probenanordnung während der Veraschung mit Hilfe der Gleichstromentladung gibt - im Gegensatz zur Probenanordnung während der Veraschung mit Hilfe der durchströmten Hochfrequenzentladung ausserhalb der erregenden Elektroden bzw. Spulen - die Möglichkeit, die Probe in das Gebiet der positiven Säule mit maximaler Konzentration aktivierter Teilchen ohne Rekombinationsverluste und hoher Veraschungsgeschwindigkeit zu bringen und ausserdem gestattet diese Anordnung eine gute Beobachtung des Veraschungsvorganges. Zur weiteren Verringerung des Zeitaufwandes bei der Veraschung sind in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung längs des Entladungsrohres mehrere Elektroden angeordnet. Dadurch ist es möglich, mit einer einmaligen Beschickung des Raumes zwischen jeweils zwei Elektroden mit auf den Probenhaltern angeordnetem Probenmaterial und einer einmaligen Evakuierung die Veraschung im Bereich der beiden Entladungsstrecken nacheinander durch geeignete Umschaltung der Betriebsspannung von einer Entladungsstrecke auf eine andere auszuführen. Mit dieser Beschickungsart ist eine deutliche Zeiteinsparung gewährleistet. Die Benutzung einer langen Entladungsstrecke zur Verringerung des Zeitaufwandes bei der Veraschung würde eine entsprechend hohe Zünd- bzw. Bremsspannung erfordern, die entweder in den meisten Fällen nicht zur Verfügung steht oder aber aufwendige Isolationen notwendig macht. Die wesentlichen Teile der erfindungsgemässen Versuchsapparatur sind in Figur 1 dargestellt. Das langgestreckte Entladungsrohr, das einen Durchmesser von 4,5 cm und eine Länge von 60 cm besitzt, weist drei seitliche Elektrodenansätze mit becherförmigen Ni-Elektroden auf. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 25 cm. Das Entladungsrohr endet zwecks Beschickung mit Probenmaterial PM einseitig in einem Planflansch P?, der mit einer Floatglasscheibe FG abgedeckt ist. Weiterhin sind am Entladungsrohr Öffnungen zum Durchströmen des Rohres mit Sauerstoff und zum Evakuieren vor gesehen. Das aufgesiebte, fein zermahlene Probenmaterial (500 mg) ist auf 20 cm langen Glasplatten GP im Entladungsrohr jeweils zwischen zwei Elektroden angeordnet. Ein Sauerstoffstrom aus der 02-Stahlflasche, geregelt durch ein Reduzierventil RV und ein Nadelventil NV, strömt durch das Entladungsrohr und wird durch eine Drehschiebervorvakuumpumpe VV (4 m3/h) abgepumpt. Die Evakuierungszeit nach Beschickung des Entladungsrohres beträgt ca. 30 Minuten. Der Druck im Entladungsrohr wird mit einem schwenkbaren U-Rohr-Manometer W mit Silikonfüllung bestimmt. Als Stromversorgung für die Entladung dient ein 3 kV-Hochspannungsgleichrichter HSG, der mit 300 mA belastet werden kann. Der Vorwiderstand R beträgt 20 kE; Mit einem Entladungsstrom von 70 mA, einer Betriebsspannung von 2,2 kV, einer Sauerstoff-Durchflussrate von 1,5 l/h und einem Druck im Entladungsrohr von 133 Pa nimmt die Veraschung einer Braunkohlenprobe (500 mg) 90 Minuten in Anspruch. In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf dieser Veraschung mit Hilfe einer Niederdruck-Gleichstrom-Glimmentladung als Masseverlust der zu veraschenden Probe dargestellt. Der Abschluss des Veraschungsvorganges ist deutlich sichtbar am Farbumschlag des Leuchten der positiven Säule von einer weisslich-bläulichen Färbung in die violette Färbung der Sauerstoffentladung. Durch röntgenographische Untersuchung der mineralischen Rückstände konnte auf eine Behandlungstemperatur zwischen 120 OC und 150 OC geschlossen werden. Nach Umschaltung von der ersten Entladungsstrecke ES 1 auf die zweite Entladungsstrecke ES 2 mit Hilfe des Schalters S kann die Veraschung auch hier erfolgen.

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zur plasmachemischen Niedertemperaturver aschung oxidierbarer kohlenstoffhaltiger Materialien, gekennzeichnet dadurch, dass das Probenmaterial auf einem ebenen Probenhalter im Plasma der positiven Säule einer Niederdruck Gleichstrom-Glimmentladung in Sauerstoff zwischen zwei Elektroden in einem Entladungsrohr angeordnet ist. 2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, dass längs des Entladungsrohres mehrere Elektroden angeordnet sind und sich jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden, zwischen denen das Plasma gezündet wird, ein Probenhalter mit Probenmaterial befindet.

Inventors: ADOLPHI, PETER, DIPL.-GEOLOGE, MOLLER, WALTER, DR. RER. NAT. DIPL.-CHEM., SCHMIDT, MARTIN, DR. RER. NAT. DIPL.-PHYS., STORR, MANFRED, PROF. DR. SC. DIPL.-GEOLOGE, Möller, Walter, Dr. rer. nat. Dipl.-Chem., Störr, Manfred, Prof. Dr. sc. Dipl.-Geologe
Applicants: AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN DER DDR
Application year: 1983
Main classification: G01N31
IPC codes: G01N31