Деструкция органических соединений в газовой и жидкой средах в плазме СВЧ-разряда

Abstract

Представлены результаты экспериментального исследования деструкции органических соединений в газовых и жидких средах с использованием плазмы СВЧ-разряда атмосферного давления. Разработан СВЧ-плазмотрон волноводного типа на частоте 2,45 ГГц, мощностью до 3 кВт, используемый в качестве источника плазмы разряда. В качестве газовой среды использовался углеводородный газ, жидкой средой были водные растворы метиленового голубого и более сложные органические соединение в виде гуминовых веществ. Исследования выполнены для продвижения разработанного плазмотрона в технологиях утилизации отходов, очистки жидких сред от вредных веществ, получении новых материалов и модификации поверхности материалов. Цель работы: исследовать процесс деструкции углеводородного газа и растворов метиленового голубого и гуминовых веществ при взаимодействии с плазмой СВЧ-разряда при атмосферном давлении. Методы исследования: оптическая спектроскопия, фотоколориметрия, аналитическая химия, рН-метрия. Результаты. В результате деструкции молекул природного газа в плазме СВЧ-разряда обнаружены такие вещества, как водород, ацетилен, этилен, наноструктурированный углеродный материал. Показано, что добавление в природный газ азота повышает степень деструкции молекул природного газа и обеспечивает стабильную работу плазмотрона, при этом степень деструкции достигает 70 %. В экспериментах по деструкции органических соединений водных растворов в качестве плазмообразующих газов были использованы воздух и аргон. С помощью обратимого окислительно-восстановительного индикатора метиленового голубого показано, что процесс деструкции органических веществ в плазме СВЧ-разряда основан на протекании окислительно-восстановительных реакций. Установлено, что наибольшая эффективность деструкции метиленового голубого в растворе происходит при использовании плазмообразующего газа воздуха, что приводит к снижению интенсивности поглощения в видимой области спектра при 590 нм. Предложен механизм деструкции исследуемых органических соединений в водных растворах при воздействии плазмы СВЧ-разряда.

The paper introduces the results of experimental studies of organic compounds molecular destruction in gaseous and liquid media using a microwave discharge plasma at atmospheric pressure. A microwave plasma generator has been developed and used as a source of plasma discharge. The plasma generator was of guided-wave type with the frequency of 2,45 GHz and power of up to 3 kW. Hydrocarbon gas was used as the gas medium; the water solutions of methylene blue and more complex organic compound in the form of humic substances served as liquid medium. The research was carried out for promoting the plasma generator technology in waste management, cleaning liquid environments from harmful substances, new materials, surface modification of materials, etc. The aim of the research is to study molecular compounds destruction in microwave discharge plasma at atmospheric pressure in such media as petroleum gas, water solutions of methylene blue, and humic substances. Methods: optical spectroscopy, photocolorimetric analysis, analytical chemistry, pH measurement. Results. New materials such as hydrogen, acetylene, ethylene, carbon nanostructured material were generated as the result of destruction of natural gas molecules in microwave discharge plasma. It is shown that nitrogen addition into natural gas increases the destruction level of the natural gas molecules. It also provides a stable operation of the plasma generator. In the experiments the 70 % destruction degree was reached. Air, nitrogen, argon were used as the plasma gases in experiments on destructing water solutions of organic substances molecular compounds. It is shown that destruction of molecular compounds in water solutions of organic substances in plasma is based on redox reactions. It was ascertained that the highest efficiency of the molecular destruction of compounds in the solution takes place when air plasma gas is used. Methylene blue solution reduces the intensity of the color in the visible spectrum at 590 nm and becomes colorless. The mechanism of destruction of organic compounds in water solutions under microwave discharge plasma was offered.