Особенности очистки газовых выбросов с использованием монокристаллических электродов

УДК 66.07

В. Д. Сандаков, А. Н. Подрезов, И. М. Валеев, Н. А. Староверова

ОСОБЕННОСТИ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ

Ключевые слова: методы топографического и композиционного контраста, монокристалл никеля, электронно-микроскопический анализ, эффективность процесса удаления SO2.

В статье рассматривается способ повышения эффективности очистки газовых сред, проанализирован монокристалл никеля, смоделирован процесс выхода активных частиц в поле стримерной короны, получены экспериментальные данные по очистке газов от SO2.

Keywords: methods of topographic and compositional contrast, a single crystal of nickel, electron microscopic analysis, the effectiveness of the removal process SO2

The article discusses a method of increasing the efficiency ofpurification of gaseous media, analyzed a single crystal of nickel, and modeled process output of the active particles in the streamer corona, obtained by experimental data on gas cleaning from SO2.

По данным Минприроды РФ на 15 % территории страны, где проживает 60 % населения, состояние окружающей среды и рационального природопользования является неудовлетворительным. Ежегодный экологический ущерб оценивается в 4 - 6 % валового внутреннего продукта [1].

На 70-ой сессии Генеральной Ассамблеи ООН 2015 года В.В. Путин обратил внимание на проблему экологии: «...устанавливая квоты на вредные выбросы, мы снимем остроту проблемы лишь на какой-то срок, но кардинально ее не решим. Нам нужны качественно иные подходы, новые технологии, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют в гармонии с окружающим миром».

Глобальную экологическую проблему загрязнения атмосферы, по словам учёных и представителей власти, можно решить путём очистки воздуха на особо загрязнённых территориях, причем развитие электрофизических способов очистки газовых выбросов является перспективным направлением.

Проанализировав высокоэффективные методы очистки газов в поле стримерной короны, мы пришли к выводу, что на энергетические характеристики оказывает влияние не только форма и конструкция, но и физико-химический состав электродов.

В качестве электрода был выбран монокристалл никеля с плоскостью среза (111) и площадью 1,5 см, выращенный методом Бриджмена [2] в Казанском физико-техническом институте Российской Академии Наук.

Ранее нами были проведены электронно-микроскопические и металлографические исследования [3,4] монокристалла в Центре коллективного пользования «Прикладные нанотехнологии» (ЦКП ПНТ) при КНИТУ имени А.Н.Туполева.

Подготовка монокристаллического никелевого электрода к электронно-микроскопическому анализу осуществлялась химическим травлением в растворе «царская водка»: 1 объем HNO3, 3 объема HCl при температуре 60-700C. Для проведения анализа использовался сканирующий электронный микроскоп AURIGA CrossBeam с энергодисперсионным спектрометром INCA X-MAX (инвентарный номер

0013511310, 0013511313, 0013511315). Протравленные образцы фиксировались на токопроводящий углеродный скотч на алюминиевый держатель.

Методами топографического и композиционного контраста с увеличением 80 - 20000 крат было изучено формирование рельефа монокристалла никеля (рис. 1).

Рис. 1 - Монокристалл никеля, снятый электронным микроскопом AURIGA CrossBeam с энергодисперсионным спектрометром INCA X-MAX с увеличением 12000 крат

Химический состав монокристаллов никеля практически идеален. Это происходит потому, что при росте кристаллической решётки происходит самопроизвольный подбор нужных атомов (молекул для молекулярных кристаллов) не только по их химическим свойствам (валентности), а также по размеру.

На базе ранее разработанной конструкции [5] для конверсии топочных газов в поле стримерной короны (рис. 2) были проведён ряд экспериментов. От регулируемого источника высокого напряжения 7 в реакционную камеру 1 подавалось напряжение. В виде электрода «плоскость» использовался монокристалл никеля.

Определение степени очистки осуществлялось газоанализатором Testo 350-S/-XL при следующих параметрах: расход газа 30-40 л/мин., первоначаль-

ная концентрация 802 - 170-180 ррт, диапазон амплитуд импульсных напряжений (и+, и—) - 12 кВ, регулируемая частота - 5-500 Гц, длина реакционной камеры - 230 мм, диаметр - 65 мм.

L

Рис. 2 - Схема технологии конверсии топочных газов в поле стримерной короны: - 1 - Реакционная камера; 2 - Электрод «плоскость» (монокристалл никеля); 3 - Электрод «игла»; 4 - Топочные газы; 5 - Газоанализатор; 6 - Регулируемый источник высокого напряжения; 7 - Кило-вольтметр; 8 - Миллиамперметр

Основой технологического процесса очистки газов является взаимодействие наработанных в поле стримерной короны химически активных частиц (О3) с диоксидами серы (802). Моделирование выхода активных частиц в канале стримера является процессом, сопряженным с рядом трудностей и проблем. Вследствие чего применялся приближенный способ вычисления концентраций активных компонентов в стримерном канале, основанный на введении в-факторов [6]. В рамках данного способа

концентрация 1-го компонента определяется: ]

n =

100

где Оу - количество частиц сорта /, возникших из молекул сорта у на 100 эВ введенной в газ электрической энергии; Ху - мольная доля у-го компонента, из которой в области высокого поля возникает 1-й компонент; w¡tt - некоторая часть энергии, введенной в единицу объема стримера, затраченная на образование активных компонентов.

Особенностью данного технологического процесса является неравномерное образование озона вблизи каналов стримера. Однако, используя исследуемый монокристалл, нами было замечено равномерное распределение стримерных каналов по объему ионизируемой области (рис. 3).

Рис. 3 - Ионизируемая область реакционной камеры с использованием монокристалла в качестве электрода «плоскость»

O3, ppm

1,4

1,2

1,0

0,8

610

10° 1-10"4 1,2-10-4 Энерговклад, Дж/см3

1,4-10"4

SO2, ppm 180

140

100

60

20

6-10° 8-10 110

Энерговклад, Дж/см3

Рис. 4 - Зависимости изменения концентраций: а) О3 и б) SO2 от энерговклада в стримерную корону

7

В результате измерений и расчетов нами были получены зависимости изменения концентраций О3 и 802 от энерговклада в стримерную корону. Как видно (рис. 4), применение монокристалла никеля в процессе очистки газовых выбросов значительно повышает количество нарабатываемых в реакционной камере химически активных частиц. Анализируя результаты, следует также отметить высокую эффективность процесса удаления 802, что напрямую связано с использованием новых технологий и материалов.

Литература

1. Проект реализации технологической платформы «Технологии экологического развития. Москва, 2011. 92 с.;

2. А. А. Баландин, Катализ: Труды Первого Международного конгресса. Изд-во иностр. лит., Москва, 1960, 38 с.

3. Л. И. Миркин, Рентгеноструктурный анализ. Получение и измерение рентгенограммы. Наука, Москва, 1976, 328 с.

4. Ф. Блатт, Физика электронной проводимости в твердых телах. Мир, Москва, 1971, 228 с.

5. Пат. РФ. №144782

6. Penetrante B. M. Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Part A. NATO ASI Series, 34, 65-89 (1993).

© В. Д. Сандаков - асп. 2 года обучения КГЭУ, sanvidm@rambler.ru; А. Н. Подрезов - асп. каф. электрических станций им. В.К.Шибанова КГЭУ; И. М. Валеев - д.т.н., проф. той же кафедры; Н. А. Староверова - канд. тех. наук, доцент кафедры автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ.

© V. D. Sandakov - graduate student Kazan power university state, sanvidm@rambler.ru; A. N. Podrezov - graduate student of department «Electric Stations of V.K. Shibanov» Kazan power university state; 1 M. Valeev - Doc. Tech. Sci., professor of department «Electric Stations of V.K. Shibanov»; N. A. Staroverova - candidate. those. Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of KNRTU.