OCZYSZCZANIE POWIETRZA Z LOTNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 DZIŁ HMIZN POLITHNIKI RSZSKIJ ZKŁD THNOLOGII NIORGNIZNJ I RMIKI Laboatoium PODST THNOLOGII HMIZNJ Instukcja do ćwiczenia pt. OZSZZNI POITRZ Z LOTNH ZIĄZKÓ ORGNIZNH Powadzący: d inŝ. ogdan Ulejczyk

2 STĘP Do głównych metod zmniejszania emisji toksycznych związków stosowanych obecnie w skali pzemysłowej naleŝą: spalanie bezpośednie, spalanie katalityczne, kondensacja, adsopcja na węglu aktywnym, metody absopcyjne oaz metody biologiczne. ymienione powyŝej metody nie gwaantują jednak całkowitego ozkładu tych substancji, a takŝe wymagają duŝych nakładów finansowych związanych z budową uządzeń i powadzeniem pocesu. Główne poblemy, któe występują w stosowanych metodach to duŝe pzepływy masowe (metody biologiczne), niskie stęŝenia związków toksycznych w gazach i wysoka tempeatua pocesu (metody spaleniowe). takcyjną metodą ze względu na moŝliwość uzyskiwania wysokiego stopnia pzemiany toksycznych związków jest katalityczne spalanie na wastwie katalizatoa. Zaletą tej metody jest moŝliwość stosowania niskich stęŝeń substancji ozkładanej i niska tempeatua pocesu, co jest badzo waŝne z uwagi na moŝliwość powstawania innych ównieŝ toksycznych poduktów ozkładu. Niestety nakłady związane z podukcją i eksploatacją katalizatoa jak i jego czułość na tzw. tucizny zawate w oczyszczanym gazie powoduje, Ŝe poszukuje się innych metod. ostatnich latach pojawiło się wiele pac, w któych wykozystuje się zjawiska elektoplazmowe do zmniejszania emisji toksycznych związków chemicznych. Stosowanie tego typu metod ma w wielu pzypadkach uzasadnienie ekonomiczne, mimo znacznych kosztów enegii elektycznej uŝytej do wytwazania plazmy. Obecnie powadzone są badania nad zastosowaniem wiązki elektonów, wyładowania jazeniowego, koonowego, ślizgowego, cichego, mikofalowego oaz wyładowania powiezchniowego do ozkładu zanieczyszczeń gazowych. PLZM 1,2 Plazmę (czwaty stan skupienia mateii) moŝna zdefiniować jako pzewodzący gaz, któy zawiea tyle dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek, Ŝe decydują one o jego właściwościach, jednak wypadkowy ładunek jest ówny zeo. KaŜda substancja w odpowiednio wysokiej tempeatuze moŝe pzejść w stan plazmy w wyniku jonizacji. yóŝnić moŝna plazmę ównowagową i nieównowagową. Plazma ównowagowa, to taka, któa znajduje się w stanie ównowagi temodynamicznej, okeślenie to jest stosowane ównieŝ do układów, któe waunek ównowagi spełniają w pzybliŝeniu. Plazma, któa nie spełnia waunku ównowagi, jest to tzw. plazma nieównowagowa. Jej istotna cecha jest to, Ŝe śednia enegia enegia poszczególnych odzajów cząstek nie jest jednakowa. takim układzie śednia enegia elektonów moŝe być wielokotnie większa od śedniej enegii pozostałych składników. plazmie nieównowagowej moŝliwe jest powadzenie eakcji 2

3 chemicznych, któych paktycznie nie moŝna było by powadzić w innych waunkach. Hipotetyczny mechanizm zjawisk zachodzących w plazmie nieównowagowej moŝna w ogólnej fomie pzedstawić następująco. śodowisku plazmy występują nośniki enegii - elektony o enegii kilku elektonowoltów, któe powodują powstawanie cząstek aktywnych: atomów, odników, wzbudzonych molekuł, będących poduktami pzejściowymi wielu moŝliwych eakcji. PODSTO POJĘI STOSON DO OPISU PROSÓ HMIZNH Stopień pzemiany 2 Stopień pzemiany okeśla, jaka część początkowej ilości substatu pzeeagowała w czasie twania eakcji. Rozpatzmy poces, w któym zachodzi tylko jedna eakcja: 1 1 Zakładamy, Ŝe eakcja zachodzi w eaktoze zamkniętym, tzn. nie wpowadzamy, ani nie odpowadzamy Ŝadnych składników w czasie jej twania. Reakto taki działa w tybie okesowym. takim eaktoze stopień pzemiany X substatu w podukt moŝna okeślić następująco: n n n lub m m m gdzie: n, m początkująca liczba moli lub początkowa masa substatu, n, m liczba moli lub masa niepzeeagowanego substatu pozostającego w układzie. NiezaleŜnie od zastosowanych jednostek (mole, kilogamy lub inne) otzymuje się taką samą watość stopnia pzemiany, któy jest liczbą niemianowaną. Rozpatzmy teŝ pzypadek, kiedy wspomniana eakcja 1 1 zachodzi w eaktoze pzepływowym, do któego w sposób ciągły dopowadza się stumień substatu i odpowadza stumień zawieający podukt. Patz poniŝszy ysunek: y y G G G G y G y ( )k 3

4 gdzie,, G stumień substatu na wlocie do eaktoa (wyaŝony odpowiednio w mol/s lub w kg/s),,,, G stumień substatu i poduktu w dowoln1ym miejscu wewnątz eaktoa, y, Gy, y, Gy stumień niepzeeagowanego substatu i poduktu odpowadzanego z eaktoa, stopień pzemiany, k końcowy stopień pzemiany. miaę jak stumień eagentów pzemieszcza się wzdłuŝ eaktoa, stopień pzemiany wzasta, a jego watość w dowolnie obanym miejscu eaktoa moŝna pzedstawić jako: G G G Końcowy stopień pzemiany wyaŝa się jako ( ) k ( ) k G G G Jeśli ównanie ma postać + to definiuje się stopień pzemiany dla kaŝdego z obu substatów ( ) oaz ( ), pzy czym na ogół ( ) ( ), z wyjątkiem pzypadku, gdy stosunek ilości substatów i jest stechiometyczny. Jeśli substat maŝe ulęgać kilku ównoczesnym, ale niezaleŝnym od siebie eakcjom chemicznym: oaz to definiuje się stopień pzemiany dla kaŝdej eakcji i ( ) ( ). Postęp poszczególnych eakcji wynika z ich kinetyki, a więc ich udział w pocesie moŝe by óŝny, zaleŝnie od waunków pocesu. Jeśli ównanie ma postać + y z to zdefiniować stopnie pzemiany w oaz w. Dla ogólnego wzou na stopień pzemiany współczynniki stechiometyczne ównania eakcji nie maja znaczenia. JeŜeli chcemy wykozystać pzy obliczaniu stopnia 4

5 5 pzemiany stumień poduktu eakcji to naleŝy uwzględniając współczynniki stechiometyczne eakcji. z z y Szybkość eakcji 2 Podstawową wielkością, opisującą dynamikę pocesu chemicznego jest szybkość zachodzących eakcji. Szybkość eakcji okeśla się jako ilość pzetwozonego substatu lub ilość wytwozonego poduktu, w ciągu jednostki czasu i w jednostce objętości układu. Jeśli δn R oznacza liczbę moli substatu, któy pzeeagował w czasie δτ (lub liczbę moli poduktu powstałego w tym czasie), v jest czynną objętością eaktoa m 3, to szybkość eakcji moŝna wyazić jako ± s m mol t n v 3 1 δ δ Gdy poces biegnie w układzie pzepływowym i znajduje się on w stanie stacjonanym (wszystkie paamety są niezmienne w czasie). JeŜeli w układzie zachodzi eakcja, to ubytek substatów jest uzupełniany pzez stumień (substatów) wchodzący do eaktoa, a wytwozone podukty i niepzeeagowane substaty są odpowadzane w stumieniu wychodzącym z eaktoa. takim wypadku ilość substatów w eaktoze nie zmienia się w czasie, czyli dn/dτ. ynika z tego, Ŝe dla układu pzepływowego o zupełnym wymieszaniu eagentów w waunkach stanu stacjonanego śednią szybkość eakcji moŝna obliczyć następującym wzoem y v v Śednia moc wyładowania ZaleŜności oaz zaejestować moŝna oscyloskopem. Znajomość tych zaleŝności pozwala na obliczenie enegii pojedynczego impulsu negia pojedynczego impulsu, mj Napięcie pojedynczego impulsu, V

6 NatęŜenie pojedynczego impulsu, m zas twania impulsu, s zęstotliwość powtazania impulsów moŝna okeślić pzy uŝyciu oscyloskopu. Znając częstotliwość i enegię pojedynczego impulsu moŝna obliczyć śednią moc wyładowania Moc wyładowania, zęstotliwość impulsu, Hz PRTUR Schemat apaatuy i układu elektycznego do powadzenia badań ozkładu lotnych związków oganicznych w plazmie nieównowagowej pzedstawiono na ysunku Rys. 1.Ogólny schemat apaatuy: 1 masowe egulatoy pzepływu powietza; 2 - płuczka z ozkładanym związkiem; 3,6 pobó gazów do analizy; 4 eakto; 5 filt; 7 zawó tójdoŝny; 8 płuczka Poces powadzi się pod ciśnieniem atmosfeycznym. Zanieczyszczone powietze wpowadzane jest do eaktoa. Do eaktoa dopowadzane jest napięcie z zasilacza elektycznego. zęstość powtazania impulsów elektycznych oaz czas ich twania mogą być egulowane. Pzebiegi impulsów są ejestowane oscyloskopem. Moc impulsu wyładowania oblicza się jako całka z iloczynu napięcia i natęŝenia pądu w impulsie. Śednią moc wyładowania oblicza się jako iloczyn częstości powtazania impulsów i mocy impulsu. Zawatość ozkładanego związku w gazach dopowadzanych do eaktoa i w gazach po eakcji oznacza się chomatogafem z detektoem płomieniowo-jonizacyjnym (FID). Na podstawie tych oznaczeń oblicza się całkowity stopień pzemiany. Podukty ozkładu zaleŝą od odzaju zanieczyszczenia. ęglowodoy ozkładać się będą do O, O 2 i H 2 O. Związki chloooganiczne ozkładać się będą do O, O 2, H 2 O, l 2 i Hl. StęŜeń poduktów eakcji często nie moŝna okeślić chomatogafem z FID, wówczas 6

7 stosuje się inne metody okeślenia stęŝenia tych poduktów. Na pzykład, stęŝenia O i O 2 okeślane są chomatogafem z TD lub spektoskopem FTIR. Zawatość l 2 i Hl wyznacza się metodą jodometyczną i alkacymetyczną. Na podstawie tych oznaczeń oblicza się stopień pzemiany do poszczególnych poduktów. SZZGÓŁO L ĆIZNI adania powadzone w amach ćwiczenia są elementem pac badawczych powadzonych w Zakładzie Technologii Nieoganicznej i eamiki nad opacowaniem technologii ozkładu lotnych związków oganicznych. elem ćwiczenia jest wyznaczenie: a) całkowitego stopnia pzemiany w funkcji mocy, b) stopni pzemiany do poszczególnych poduktów, c) wyznaczenie szybkości eakcji. SPOSÓ OPRONI I NLIZ NIKÓ 1. Na podstawie zaejestowanych chaakteystyk pądowo-napięciowych obliczyć śednia moc wyładowania. 2. Na podstawie uzyskanych wyników analizy chomatogaficznej obliczyć całkowity stopień pzemiany ozkładanego związku. 3. Obliczyć stopnie pzemiany ozkładanego związku do poszczególnych poduktów eakcji. 4. ykonać wykes zaleŝności stopni pzemiany od śedniej mocy wyładowania. 5. yznaczyć zaleŝność szybkość eakcji ozkładu od śedniej mocy wyładowania i wykonać wykes. OMÓINI ZSD HP I PRZIPOśROH 1. szystkie czynności związane z montaŝem apaatuy naleŝy powadzić po wyłączeniu napięcia zasilającego i pzepływu gazu. 2. Szczególną ostoŝność zachować pobieając gazy do analizy. 3. szelkie usteki pacy eaktoa i układu elektycznego zgłosić powadzącemu. 4. adania naleŝy powadzić pod spawnym wyciągiem. 5. azie niebezpieczeństwa natychmiast wyłączyć zasilanie układu elektycznego. LITRTUR 1 Z. eliński, Plazma, PN, aszawa K. Schmidt-Szałowski, J. Sentek, Jaabe,. obyk Podstawy technologii chemicznej, OP, aszawa 24 7