Кинетика разрушения толуола в неравновесной низкотемпературной плазме атмосферного давления

Основные результаты и выводы диссертации

Основные результаты и выводы, полученные в диссертации, можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Разработана численная кинетическая модель плазмохимического разрушения толуола в неравновесной низкотемпературной плазме атмосферного давления в смеси молекулярных газов азота, кислорода и паров воды, описывающая все последовательные стадии процесса разложения толуола вплоть до формирования конечных стабильных продуктов - углекислого газа и воды.

2. Установлено, что главную роль в механизме разрушения толуола в неравновесной низкотемпературной плазме азота играют реакции молекулы C₆H₅CH₃ с электронно - возбужденными метастабильными молекулами азота в N₂(A³⁺_u) и N₂(a`¹У^-_u) состояниях. Непосредственный вклад прямого электронного удара в механизм разрушение толуола в диэлектрическом барьерном разряде в азоте не превышает 2%. Ион - молекулярные реакции вносят незначительный вклад в процесс удаление толуола с помощью барьерного разряда - их вклад в разрушение толуола в условиях ДБР в азоте не превышает 1 %.

3. Численным моделированием показано, что присутствие кислорода в составе плазмообразующей газовой смеси диэлектрического барьерного разряда существенно изменяет кинетику разрушения толуола и значительно повышает эффективность его удаления по сравнению с разрядом в чистом азоте. Установлено, что в "сухой" газовой смеси N₂: O₂, не содержащей в своем исходном составе паров воды, наибольший вклад в разложение толуола вносят реакции C₆H₅CH₃ с гидроксильным радикалом OH, который нарабатывается в этой смеси за счет плазмохимических реакций между атомами и молекулами кислорода и продуктами разложения толуола.

4. Численное моделирование показало, что в газовой смеси N₂: O₂ существует оптимальная концентрация молекулярного кислорода [O₂]_опт, при которой достигается максимальная эффективность удаления толуола в неравновесной низкотемпературной плазме. Установлено, что существование оптимальной концентрации кислорода связано с наличием конкурирующих каналов расходования наработанных атомов О: канала разложения толуола и канала генерации озона. Показано, что величина оптимальной концентрации кислорода [O₂]_опт повышается с ростом начальной концентрации толуола в смеси.

5. Установлено, что при многоимпульсном режиме воздействия газового разряда на обрабатываемую смесь в динамике разложения толуола в течение каждого импульса тока присутствуют две последовательные стадии, отличающиеся по длительности, преобладающему механизму и интенсивности процессов разрушения толуола. В течение первой стадии, длящейся примерно 1 мкс после окончания разряда, основным механизмом разрушения толуола являются его реакции с электронно - возбужденными метастабильными молекулами азота N₂( A³⁺_u ) и N₂(a'¹_u^-). Преобладающим механизмом разрушения толуола на второй стадии являются реакции между молекулами толуола и гидроксильным радикалом ОН. Показано, что при фиксированной концентрации кислорода количество толуола, разрушенного в течение первой стадии, остается неизменным, а количество толуола, разрушенного в течение второй стадии, монотонно уменьшается с увеличением номера импульса тока. Вклад первой стадии в общее удаление толуола монотонно уменьшается с ростом концентрации кислорода в газовой смеси и при [О₂] > 5% становится несущественным.

6. Численное моделирование показало, что присутствие кислорода в исходной газовой смеси существенно изменяет, по сравнению с чистым азотом, состав промежуточных и конечных продуктов плазмохимического разложения толуола.

7. Влажность обрабатываемого газового потока существенно повышает эффективность удаления толуола с помощью тлеющего разряда атмосферного давления. Этот вывод согласуется с имеющимися экспериментальными результатами. На основе анализа результатов моделирования установлены основные механизмы влияния влажности на процесс разрушения толуола C₆H₅CH₃ в тлеющем разряде.

8. Основной механизм разрушения толуола в тлеющем разряде в газовой смеси N₂:O₂:H₂O при атмосферном давлении связан с реакциями молекул толуола с гидроксильным радикалом OH. Прямой вклад атомов кислорода в удаление C₆H₅CH₃ невелик и уменьшается с ростом концентрации паров воды в газе. Ионно - молекулярные реакции и диссоциация молекул C₆H₅CH₃ прямым электронным ударом не имеют существенного значения в механизме разрушения толуола с помощью стационарного тлеющего разряда атмосферного давления - их вклад в общее удаление толуола не превышает нескольких процентов.

9. Численным моделированием установлено существование двух стадий в процессе разложения толуола в стационарном тлеющем разряде, отличающихся длительностью и интенсивностью плазмохимических процессов разрушения C₆H₅CH₃. Первая (быстрая) стадия имеет длительность примерно 100 мкс, в то время как вторая (медленная) стадия продолжается в течение нескольких десятков миллисекунд.

Основной механизм разрушения толуола в течение обеих стадий одинаков и связан с взаимодействием молекул C₆H₅CH₃ с гидроксильным радикалом ОН, однако источники радикала ОН на этих стадиях различные. В течение быстрой стадии происходит расходование гидроксильного радикала, наработанного в тлеющем разряде в процессах диссоциации молекул воды прямым электронным ударом, а также при взаимодействии молекул Н₂О с электронно - возбужденными молекулами и атомами азота и атомарного кислорода. Вторая стадия характеризуется существенно меньшей по сравнения с первой стадией скоростью разрушения толуола, которая определяется интенсивностью наработки гидроксильного радикала за счет плазмохимических реакций между продуктами разложения C₆H₅CH₃ и атомами кислорода.

10. Показано, что соотношение вкладов быстрой и медленной стадий в общем разрушении толуола зависит от влажности потока, удельного энерговклада в газ и исходного содержания толуола. При фиксированном энерговкладе доля медленной стадии в разрушении толуола уменьшается с ростом влажности потока, при этом даже при высокой влажности (е = 18%) этот вклад сопоставим (~30 %) с вкладом быстрой стадии. Увеличение энерговклада и исходного содержания толуола в газе приводят к повышению вклада медленной стадии в разрушение C₆H₅CH₃.

11. Установлено, что наличие паров воды в обрабатываемом газовом потоке оказывает существенное влияние на состав и динамику промежуточных и конечных продуктов плазмохимического разложения толуола. Увеличение влажности потока приводит к заметному повышению выхода углекислого газа СО₂ по отношению к СО и значительному уменьшению выхода озона. Установлен каталитический цикл с участием гидроксильного радикала ОН в качестве катализатора, приводящий к значительному ускорению рекомбинации атомов кислорода и подавлению образования озона при наличии паров воды в составе плазмообразующего газа.

Цитируемая литература

1. Blin-Simiand N., Jorand F., Magne L., Pasquiers S., Postel C., Vacher J.-R. Plasma Reactivity and Plasma-Surface Interactions During Treatment of Toluene by a Dielectric Barrier Discharge.- Plasma Chem Plasma Process, 2008, v.28, pp. 429-466.

2. Jiang C., Mohamed A., Stark R., Yuan J.H., Schoenbach K.H. Removal of Volatile Organic Compounds in Atmospheric Pressure Air by Means of Direct Current Glow Discharges. - IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, v. 33, № 2, pp. 1416- 1425.

3. Deminsky M., Chorkov V., Belov G., Cheshigin I., Knizhnik A., Shulakova E., Shulakov M., Iskandarova I., Alexandrov V. Chemical Workbench--integrated environment for materials science. - Computational Materials Science, 2003, v. 28, № 2, pp. 169-178.

4. Falkenstein Z. Effect of the O₂ concentration on the removal efficiency of volatile organic compounds with dielectric barrier discharges in Ar and N₂. - J. Appl. Phys., 1999, v. 85, № 1, pp. 525-529.

5. Becker K. H., Fink E. H., Groth W., Jud W. and Kley D. N₂ Formation in the Lewis - Rayleigh Afterglow. - Faraday Discus. Chem. Soc., 1972, №53, pp. 35 - 51.

6. Balamuta J., Golde M. F. Quenching of metastable Ar, Kr and Xe atoms by oxygen - containing compounds: A resonance fluorescence study of reaction products. - J. Chem. Phys., 1982, v. 76, № 5, pp. 2430 - 2440.

7. Ogata A., Kim H.H., Oh S.M., Einaga H. and Futamura S. Relationship beween ozone formation and toluene decomposition efficiency in a zeolite - hybrid plasma reactor. - Proc. of Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, 2006, Cairns, Australia, p. 1 -11.

8. Ono R. and Oda R. Optical Diagnosis of Pulsed Streamer Discharge under Atmospheric Pressure. - Int. J. Plasma Envir. Sci.& Tech., 2007, v. 1, №2, pp.123 -129.

Список работ по теме диссертации

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Трушкин А.Н., Кочетов И.В. Моделирование процессов разрушения толуола в импульсно - периодическом разряде в смеси молекулярных газов азота и кислорода. - Физика плазмы, 2012, т.38, № 5, с.447 - 472.

2. Трушкин А.Н., Грушин М.Е., Кочетов И.В., Трушкин Н.И., Акишев Ю.С. О разрушении толуола в стационарном тлеющем разряде атмосферного давления. - Физика плазмы, 2013, т.39, № 2, с. 193 - 209.

Статья в рецензируемом журнале:

3. Трушкин А.Н., Кочетов И.В. Кинетика плазмохимического разрушения толуола импульсно - периодическим барьерным разрядом в смеси N₂:O₂.- Горение и плазмохимия, 2012, т. 9, №3, с. 169 -177.

Работы, опубликованные в трудах конференций:

4. Deminsky M. A., Kochetov I.V., Trushkin A.N., Umanskii S. Ya. Modeling of Toluene Conversion in Non - Thermal Nitrogen Plasma. - Proc. of 9^th Int. Workshop on Magneto - Plasma Aerodynamics. Ed. V.A.Bityurin, Moscow, JIHT, 2010, pp. 172 -178.

5. Trushkin A.N., Kochetov I.V. Model of toluene admixture destruction in dielectric barrier discharge in nitrogen at atmospheric pressure. - Proc. of III Int. Scien. Tech. Conf. "Aeroengines of XXI century". Moscow, CIAM, 2010, pp.1391-1393.

6. Trushkin A.N., Kochetov I.V. Plasma destruction of toluene impurities in N₂: O₂ mixture by pulse-periodical discharge. - Proc. of 10^th Int. Workshop on Magneto - Plasma Aerodynamics. Ed. V.A.Bityurin, Moscow, JIHT, 2011, pp. 29 -34.

7. Кочетов И.В., Трушкин А.Н. Моделирование процессов разрушения толуола в импульсно-периодическом разряде в смеси N₂: O₂. - Труды XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2011, http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXXVIII/Zven_XXXVIII.html.

8. Трушкин А.Н., Кочетов И.В. Кинетика плазмохимического разрушения толуола импульсно - периодическим барьерным разрядом в смеси N₂:O₂. - Труды VI Международного Симпозиума по Теоретической и Прикладной Плазмохимии, 2011, Иваново, с.189 -192.

9. Akishev Yu.S., Grushin M.E., Kochetov I.V., Trushkin A.N., Trushkin N.I. Destruction of toluene in the steady -state glow discharge at atmospheric pressure in humid air - Proc. of 11^th Int. Workshop on Magneto - Plasma Aerodynamics. Ed. V. A. Bityurin, Moscow, JIHT, 2012, pp. 102 -104.

Размещено на Allbest.ru