Энергетический баланс в процессе кавитационной деструкции материи.

Кавитационная деструкция пентахлорфенола.

Эти исследования были выполнены в рамках договора о сотрудничестве между фирмой ROSLO и Савойским Университетом (Франция).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для растворения пентахлорфенола был подготовлен раствор гидроксида натрия в дистиллированной воде. После растворения пентахлорфенола, рН раствора был скорректирован фосфорной кислотой на 5 - 6. Концентрация пентахлорфенола была в диапазоне 10 - 60 мг/л.

Ультразвуковой активатор генерирует звук с частотой 5 кГц и интенсивностью звука (сила звука) примерно 1 МВт/м². По своему устройству он относится к классу гидродинамических аппаратов роторного типа. Интенсивность звука нашей установки в 10 - 20 раз превышает интенсивность звука обычных аппаратов широко используемых в настоящее время в научных исследованиях и в промышленной технологии. Активатор сделан из обычной конструкционной стали, и имеет привод от асинхронного электромотора с мощностью 5,5 кВт и скоростью вращения 2950 об/мин.

Объем циркуляционного контура установки (активатор - трубопроводная обвязка - бак) равен 10 литрам. После включения активатора раствор постоянно циркулировал через активатор. В процессе работы отбирали пробы раствора из установки для анализа концентрации пентахлорфенола в растворе в зависимости от времени обработки. Было выполнено несколько экспериментов с различным временем обработки. Концентрация пентахлорфенола измерялась методом жидкостной хроматографии в независимой лаборатории Исследовательского Института Водного Хозяйства в Братиславе и в Савойском Университете. Результаты анализа показаны на рис. 1.

Рис. 1

Результаты и обсуждение

По результатам измерений концентрации РСР видно, что ультразвуковая деградация PCP протекает чрезвычайно быстро. Концентрация предела токсичности PCP (5,3 мг/мл) достигается за 30 минут обработки. Это значительно лучше результатов, полученных другими авторами. Процесс ультразвука рассматривается многими авторами как первый шаг перед биологической обработкой. Наши исследования показали, что последующая биологическая обработка не требуется.

Энергетические затраты в лабораторных экспериментах показаны на рис. 2. Зависимость энергетических затрат в экспериментах вставлена в график изменений концентрации РСР. Из этого сопоставления видно, что энергопотребление не превышает 70 кВт-час/м³ во всех экспериментах. По сравнению с французской установкой это почти в 10 раз ниже. При переходе на промышленную установку нашего типа электропотребление можно значительно (в 10 - 100 раз) снизить.

Рис. 2.

Наши оппоненты часто спрашивают, существует ли какая-либо гарантия того, что в процессе ультразвуковой обработки опасных отходов не будут синтезироваться более опасные отходы. Ответ на этот вопрос однозначный, да такая гарантия существует и заложена она в самом принципе действия процесса кавитационной деструкции материи в самом широком понятии этого слова. Чтобы объяснить этот принцип необходимо осветить следующее.

Кавитационный пузырек в момент своего коллапса сжимает определенную часть раствора. В сжимаемой части раствора находятся все исходные компоненты раствора примерно в таком же соотношении, как в исходном растворе. В процессе сжатия электронные оболочки атомов деформируются, электроны при этом падают на ядра и, соединяясь с протонами, превращают их в нейтроны [1, 2]. Нейтронизированные ядра сливаются в одно большое ядро, которое находится в сжатом состоянии. После окончания коллапса энергия сжатия ядра освобождается и разрывает ядро на такое количество осколков, которое необходимо для уравнивания суммарной энергии связи всех осколков с энергией коллапса кавитационного пузырька. Энергия коллапса кавитационного пузырька зависит от начальных параметров ультразвуковой кавитации и некоторых физических параметров раствора.

Начальные параметры ультразвуковой кавитации мы, в какой то степени умеем устанавливать и поддерживать в течение эксперимента. На протяжении 25-летнего опыта работы с нашими установками всегда перед началом работы ставилась цель и всегда в результате только ручного управления установкой эта цель достигалась. К сожалению, все наши установки из-за финансовых ограничений имеют только ручное управление.

Ниже на примере РСР покажем, как в процессе кавитационной деструкции вещества удается получить полную ликвидацию отхода.

1. Разложение РСР на отдельные атомы

C₆Cl₅OH а 6C + 5C1 + O + H + Q₁

Энергия химических связей [3] в молекуле РСР дана в табл. 1.

Таблица 1

Суммарная энергия химических связей

Q₁ = Q_PCP - 3Ч Q_C-C - 3Ч Q_C=C - 5Ч Q_C-Cl - Q_C-O - Q_O-H

Q₁ = - 48,97 эВ (знак минус указывает на эндотермичность реакции)

2. Разложение трех ядер углерода на отдельные протоны и нейтроны

C а 6p + 6n + Q₂

Энергия реакции [4]

Q₂ = Q_C - 6Ч Q_p - 6Ч Q_n

Q₂ = - 92,16 МэВ

Энергия связи трех ядер углерода

S Q₂ = 3Ч Q₂ = - 276,48 МэВ

3. Разложение ядер хлора-35.

В природе существуют два стабильных изотопа хлора ³⁵Cl, ³⁷Cl с процентным соотношением 75,77 % и 24,23 %, соответственно.

³⁵Cl а ¹⁸О + ¹⁷F + Q₃

Энергия реакции

Q₃ = Q_Cl-35 - Q_O-18 - Q_F-17

Q₃ = -26,227 МэВ

Суммарная энергия пяти реакций с учетом процентного содержания изотопа ³⁵Cl

S 5Ч 0,7577Ч Q₃ = -99,361 МэВ

4. Реакция превращения радиоактивного фтора-17 в стабильный кислород-17

¹⁷F а ¹⁷O + b ⁺ _{1.7: T = 64.8 sek} + Q₄

Энергия реакции

Q₄ = Q_F-17 - Q_O-17 - Qb

Q₄= + l,06 МэВ

Суммарная энергия пяти реакций с учетом процентного содержания изотопа ³⁵Cl

S 5Ч 0,7577Ч Q₄ = + 4,02 МэВ

5. Разложение ядер хлора-37

³⁷Cl а ¹⁶O + ¹⁷F + 4n + Q₅

Энергия реакции

Q₅ = Q_Cl-37 - Q_O-16 - Q_F-17 - 4Ч Q_n

Q₅ = - 61,259 МэВ

Суммарная энергия пяти реакций с учетом процентного содержания изотопа ³⁷Cl

е 5Ч 0,2423Ч Q₅ = - 74,215 МэВ

6. Реакция распада ¹⁷F в ¹⁷O описана в п. 4.

Суммарная энергия пяти реакций распада с учетом процентного содержания изотопа ³⁷Cl

е 5Ч 0,2423Ч Q₆ = + 1,28 МэВ

7. Реакция распада нейтронов [5]

n а p + e + Q₇

Энергия реакции распада нейтрона

Q₇ = Q_n - Q_p - Q_e

Q₇ = + 0,728 МэВ

Суммарная энергия реакций распада нейтронов с учетом процентного содержания изотопа ³⁷Cl

е 5Ч 0,2423Ч 4Ч Q₇ = + 3,53 МэВ

8. Реакция синтеза кислорода

¹² С + 4n а ¹⁶O + Q₈

Энергия реакции

Q₈ = Q_C-12 + 4Ч Q_n - Q_O-16

Q₈ = + 37,021 МэВ

Суммарная энергия трех реакций синтеза кислорода

е 3Ч Q₈ = + 111,063 МэВ

9. Реакция синтеза воды

O + 2H а H₂О + Q₉

Энергия реакции

Q₉ = Q_O + 2Ч Q_H - Q_H2O

Q₉ = + 35,5 эВ

Суммарная энергия 14 реакций синтеза воды

е 14Ч Q₉ = 497 эВ

В результате реакций (1, 3 - 7) получается 14 атомов кислорода. Из реакций (1, 2, 7) получается 29 атомов водорода. Из этого набора атомов получится 14 молекул воды и 1 свободный ион водорода. В реакциях (1, 3 - 7) получаются разные изотопы кислорода с атомным весом 16, 17 и 18. Средне статистический атомный вес кислорода в этом случае равен 16,96. Поэтому средне статистический молекулярный вес синтезированной воды равен 18,96. Суммарная молекулярная масса синтезированной воды равна 265,44 (молекулярная масса РСР равна 266,34).

Если сложить почленно правые и левые части уравнений (1 - 9), то в результате сложения получится очень простое, а вместе с тем весьма необычное уравнение, описывающее результат действия химических и ядерных реакций.

C₆Cl₅OH а 14Ч H₂O + H + Q₁₀

При алгебраическом сложении энергетических компонентов всех реакций, протекающих в данном технологическом процессе, выявится энергетика суммарного процесса.

Суммарный энергетический процесс кавитационной деструкции РСР является эндотермическим. Энергию для его осуществления поставляют кавитационные пузырьки. Лабораторный активатор генерирует примерно 3Ч 10¹¹ пуз/сек. Каждый пузырек в коллапсе отдает примерно 10²¹ эВ. Следовательно, имеется для использования примерно 3Ч 10²⁸ эВ/сек. Этого количества энергии достаточно для деструкции 9Ч 10¹⁹ молекул РСР/сек, т.е. 0,15 ммол/сек или 40 мг/сек. В наших экспериментах мы достигали выход 0,26 - 0,40 мг/сек. Удельные затраты электроэнергии на деструкцию РСР в лабораторном варианте составляют примерно 2,7 кВт-час/г. При переходе к промышленному активатору эту величину можно уменьшить примерно в 300 раз (иными словами в 300 раз повысить производительность аппарата).

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. Результаты, представленные в этой работе демонстрируют, что ультразвуковая обработка быстро и значительно уменьшает токсичность пентахлорфенола, таким образом, устраняя потребность в дальнейшей биологической обработке.

2. На основании полученных экспериментальных результатах можно утверждать, что огромное количество энергии, которое поставляют коллапсирующиеся пузырьки, является достаточным для превращения отходов любого вида в воду.

3. Кроме того, процесс кавитационной деструкции вещества экономически приемлем. Следовательно, он может использоваться в промышленной технологии при ликвидации отходов любого вида.

Литература:

1. Navratil O., Hala Ji., Kopunec R., Macashek F., Mikulaj V., Lesheticky L. Nuclear Chemistry. Academia Praha, 1992.
2. Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики, нейтронные звезды. Физика компактных объектов. Части 1, 2. "Мир", Москва, 1985.
3. Краткий справочник физико-химических величин. "Химия", Ленинград, 1974.
4. Nuclear wallet cards National nuclear data center Brookhaven National Laboratory Upton, New York 11973, USA, 1990.
5. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. "Наука", Москва, 1980.

НАЗАД