Физика плазмы, 2021, T. 47, № 4, стр. 379-382

1. ВВЕДЕНИЕ

В Институте общей физики РАН был обнаружен и исследован новый вид микроволнового разряда – самоподдерживающийся несамостоятельный (СНС) разряд, обладающий рядом уникальных физических свойств, существенно расширяющих область возможных приложений [1–3]. Условия возбуждения разряда, физические аспекты и области актуальных приложений обсуждаются в работах, представленных в [4]. СНС‑разряд возбуждается по схеме, представленной на рис. 1 и 2, микроволновым пучком, генерируемым гиротроном Борец [4]. К особым свойствам СНС разряда относятся следующие.

Рис. 1.

Схема эксперимента: 1 – микроволновый пучок; 2 – фокусирующие зеркала; 3 – квазиоптический ответвитель; 4 – детекторная секция регистрации отраженного излучения; 5 – детекторная секция регистрации мощности излучения гиротрона; 6 – входное окно реактора; 7 – линия регистрации спектра излучения разряда (область перетяжки микроволнового пучка); 8 – реактор; 9 – инициатор разряда.

Рис. 2.

Камера плазмохимического реактора установки: 1 – инициатор разряда; 2 – поглотитель микроволн; 3 – камера плазмохимического реактора; 4, 5 – патрубки для подачи и вывода рабочего газа; 6 – прозрачное для микроволн окно; 7 – СНС-разряд.

– Возбуждение разряда в газах и газовых смесях высокого (вплоть до атмосферного и выше) давления в условиях сильной подпороговости (приведенное электрическое поле в пучке микроволн E_m/n₀ ниже порога возбуждения самостоятельного микроволнового разряда). E_m – амплитуда микроволнового электрического поля в пучке, n₀ – концентрация молекул в газовой среде в исходном состоянии.

– Возможность возбуждения разряда в больших объемах в пределах микроволнового пучка как в свободном пространстве (в том числе и при значительных удалениях от генератора микроволн), так и в замкнутых металлических или диэлектрических камерах.

– Необычная структура разряда, представляющего собой последовательность “микровзрывов” в локальных областях, заполненных сверхплотной плазмой с концентрацией электронов n_e ~ ~ 10¹⁶–10¹⁷ см^–3, отличающихся сверхвысокой газовой температурой (T_g ~ 5000–7000 К) и высокой интенсивностью излучаемого ультрафиолета [5].

– Относительная простота введения микроволнового излучения в цилиндрический реактор или в свободное воздушное пространство также, как и высокая эффективность вклада микроволновой энергии в глубоко подпороговый разряд и через него в газовую среду [4] позволяют сделать вывод о целесообразности создания плазмохимического реактора на основе гиротрона и СНС‑разряда, который мог бы удовлетворить современным требованиям в отношении производительности для различных химических технологий. В частности, для конверсии метана с углекислым газом в синтез-газ, а также для утилизации и очистки промышленных газовых отходов и т. д.

Целью настоящей работы выбрана задача дезинфекции и очистки городского воздуха от экологически вредных примесей. Задача имеет безусловную социальную значимость, будучи направленной на улучшение экологического качества воздушной среды современных мегаполисов. Именно для решения такого рода экологически значащих проблем проведена была описываемая в [6] работа по очистке городского воздуха от меркаптана с помощью СНС-разряда в пучке микроволн. В предлагаемой статье приводятся результаты, являющиеся продолжением экспериментов, представленных в [4, 6] по поиску высокоэффективных методов очистки воздушной атмосферы города. Конкретно от содержания в ней примеси сероводорода H₂S.

Сероводород ядовит и относится к 3-му классу опасности. Первые симптомы отравления сероводородом наступают при концентрации в 0.006 мг/л при вдыхании больше 4 часов. Острое отравление при концентрациях 0.2–0.3 мг/л. Концентрация свыше 1 мг/л считается смертельной. При концентрации в воздухе 4.5–45% сероводород воспламеним и взрывоопасен. Задаваемые государственными нормативами предельно допустимые концентрации (ПДК) сероводорода в воздухе рабочей зоны и в воздухе населенных пунктов составляют 10 мг/м³ и 0.008 мг/м³ соответственно.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По схеме, изображенной на рис. 1 и 2, проведен эксперимент с исследованием очистки воздуха при давлении, близком к атмосферному от содержащейся в нем примеси сероводорода. Генерируемый гиротроном Борец пучок микроволн вводится через радиопрозрачное окно в цилиндрическую металлическую камеру с объемом в 7 л. Режимы облучения: последовательность пачек из 4-х микроволновых импульсов с мощностью P_i ≤ 150 кВт и длительностью τ_I = 2 мс, посылаемых один за другим через 20 мс. Длина волны λ = 0.4 см. Пачки следуют одна за другой через 20 с. От числа пачек зависит энерговыделение в воздушной среде, заполняющей камеру реактора. Перед обработкой разрядом в камере давление p₀ = 750 Торр.

Измерения проведены при различных начальных концентрациях сероводорода в смеси n₀= = 15.7, 7.6 и 1.66 мг/м³. Зависимость относительной концентрации сероводорода $J = {{n}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{S}}}}}{\text{/}}{{n}_{0}}$ от удельного энерговклада микроволновой энергии, вложенной в СНС-разряд Y, приведена на рис. 3. Для измерения содержания H₂S использовался cпектрофотометр UNICO 1201, а также хроматограф Кристаллюкс-2000M. С ростом энерговклада видно достаточно быстрое уменьшение концентрации H₂S.

Рис. 3.

Зависимость концентрации ${{n}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{S}}}}}$ (а) и относительной концентрации сероводорода ${{n}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{S}}}}}$/n₀ (б) от удельного энерговклада микроволновой энергии, вложенной в СНС разряд. Начальная концентрация: ■ – 15.7 мг/м³, ▲ – 7.6 мг/м³ и • – 1.66 мг/м³.

Так при начальных концентрациях n₀ = 7.6 и 1.66 мг/м³ при энерговкладе в разряд 2 Дж/см³ концентрация сероводорода падает более чем в 10 раз, а при энерговкладе больше 4 Дж/см³ до величины в 40–50 раз меньше исходного значения. При начальной концентрации n₀ = 15.7 мг/м³ падение концентрации в 40 раз зарегистрировано при энерговкладе 9.5 Дж/см³.

В эксперименте с начальной концентрацией сероводорода 15.7 мг/м³ ее удалось уменьшить ниже уровня ПДК для рабочей зоны (10 мг/м³). В остальных случаях начальная концентрация сероводорода уже находилась ниже уровня ПДК для рабочей зоны, поэтому стоило бы рассмотреть достигнутое снижение концентрации после обработки СНС-разрядом относительно уровня ПДК сероводорода в воздухе населенных пунктов (0.008 мг/м³). Однако наименьшие зарегистрированные нами значения концентраций H₂S находятся уже в рамках погрешности измерения приборов, задействованных в эксперименте (<0.05 мг/м³), что по умолчанию не позволяет судить о достижении концентрации, соответствующей ПДК сероводорода в воздухе населенных пунктов. Измерение столь малых концентраций веществ является существенно более сложной задачей и может быть проведено в дальнейшем. По аналогичной причине не проводилось детального исследования массовых концентраций возможных вторичных веществ (например, сера в твердой фазе, SO₂, O₃, OH, оксиды азота и др.), хотя это, безусловно, является важной задачей для валидации кинетических моделей реакций. В условиях необходимости принципиальной демонстрации деструкции с помощью СНС-разряда небольших концентраций сероводорода в воздухе атмосферного давления и ограниченности нашей измерительной базы достигнутый в экспериментах результат является показательным в качестве первого приближения, несмотря на вышеуказанные недостатки.

Отдельного обсуждения заслуживает результат с начальной концентрацией сероводорода 7.6 мг/м³, где отмечается падение концентрации до уровня приборной погрешности (рис. 3а) уже после первого шага по энерговкладу в разряд 2 Дж/см³. Такой результат при указанном энерговкладе не достигается для начальной концентрации H₂S n₀ = 1.66 мг/м³, что позволяет заподозрить серьезные ошибки при проведении эксперимента. Однако в эксперименте с начальной концентрацией сероводорода n₀ = 7.6 мг/м³ по сравнению с двумя другими экспериментами, отличалась форма огибающей мощности СВЧ-излучения гиротрона, регистрируемая измерительным СВЧ-диодом (см. элемент 5 на рис. 1). В пределах каждого из четырех импульсов пачки была близкая к 100% модуляция мощности микроволнового излучения с частотой ~20 кГц (рис. 4а). Хотя средняя мощность излучения (P_i ≈ 150 кВт) в каждом импульсе из пачки соответствует режиму генерации гиротрона без сильной модуляции (рис. 4б), но пиковая мощность, очевидно, оказывается выше. Последующие целенаправленные исследования и анализ могли бы внести ясность, является ли такой режим более эффективным для деструкции примеси сероводорода в воздухе атмосферного давления при обработке подпороговым микроволновым разрядом.

Рис. 4.

Огибающие мощности СВЧ-излучения гиротрона при одинаковой средней “уставочной” мощности генерации P_i ≈ 150 кВт. На верхнем графике представлен сигнал для всей длительности пачки из четырех импульсов, а на нижнем более подробно рассмотрен первый импульс из пачки: пачка № 54203 с сильной модуляцией СВЧ-мощности из эксперимента по деструкции сероводорода с начальной концентрацией n₀ = 7.6 мг/м³ (а); пример стандартной пачки (№ 54085) без существенной модуляции СВЧ‑мощности, характерной для экспериментов с начальной концентрацией n₀ = 15.7 мг/м³ и 1.66 мг/м³ (б).

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В основу предлагаемой системы очистки городской воздушной среды положен обнаруженный и исследуемый в ИОФ РАН самоподдерживающийся несамостоятельный (СНС) разряд. Уникальность разряда заключается в том, что он возбуждается при взаимодействии микроволновых пучков с газовой средой высокого давления в парадоксальных условиях, при которых согласно классической газоразрядной теории [7] развитие разряда исключено так как мощность пучка много меньше пороговой и давление столь высоко, что частота столкновений электрон–нейтрал оказывается много больше циклической частоты микроволн. Однако при этом микроволновым пучком, как показано в проведенных экспериментах, возбуждается СНС-разряд, обладающий рядом необычных свойств, делающих его особо интересным в плазмохимических приложениях и в том числе в задаче очистки городской воздушной среды от экологически вредных примесей.

В настоящей работе впервые продемонстрирована столь важная особенность СНС-разряда как эффективная очистка воздуха от введенного в него сероводорода, являющегося опасным для человека газом, приводящим к летальному исходу при относительно высоком содержании. В отличие от других методов, как, например, диэлектрический барьерный разряд или коронный разряд, используемых в работах [8, 9] для очистки от сероводорода, СНС-разряд позволяет обрабатывать существенно большие объемы газовых смесей при сравнимых энергозатратах.

Полученные результаты позволяют рассматривать разряд, возбуждаемый подпороговым микроволновым пучком, как основу высокоэффективной системы очистки загрязнений воздуха, источником которых являются современные городские свалки, а также ряд действующих производств, транспорт и др.

Работа, представленная в настоящей статье, осуществлена при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 17-12-01352-П).