Очистка материалов обработкой плазмой на основе водорода


 


Владельцы патента RU 2403953:

МАКС-ПЛАНК-ГЕЗЕЛЬШАФТ ЗУР ФЁРДЕРУНГ ДЕР ВИССЕНШАФТЕН Е.В. (DE)

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Очистку аморфного бора от кислорода осуществляют обработкой плазмой на основе водорода при температуре до 1500°С в течение 0,5-10 часов. Технический результат - снижение уровня кислорода в аморфном боре до <0,1 мас.% без перехода бора в кристаллическую фазу. 11 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способу очистки, предназначенному для удаления из материалов кислорода.

Кислородные загрязнения создают проблемы для использования в науке и промышленности широкого спектра сырьевых материалов. Удаление или снижение количества кислородных загрязнений часто представляет проблему или является труднопреодолимой или требующей значительных усилий задачей. Эти сложности часто усиливаются присущими кислородным примесям особенностями, которые вызываются абсорбцией и/или взаимодействием сырьевых материалов с исходно не содержащимся в их структуре О2. Из-за наличия кислорода в воздухе его примеси распространены фактически повсюду. Помимо этого, удаление примесей кислорода часто осложнено образованием высокоустойчивых оксидов.

Кроме того, обычные способы очистки, основанные, например, на восстановлении соответствующих оксидов, часто приводят к загрязнению материала применяемыми для этих целей восстановителями и/или к принципиальным изменениям микроструктуры.

С другой стороны, такое загрязнение сырья часто препятствует возможности использования материала в предназначенных целях.

Поэтому задача изобретения состояла в том, чтобы предложить способ очистки для удаления кислорода, в частности способ, позволяющий отказаться от термообработки или такой обработки, при которой в материале остается восстановитель.

Согласно настоящему изобретению эта задача была решена с помощью удаляющего кислород из материала способа очистки, в котором содержащий примеси кислорода материал подвергается обработке плазмой на основе водорода.

Способ согласно настоящему изобретению, заключающийся в обработке водородной плазмой, в целом может применяться для удаления кислородсодержащих примесей из любых материалов. Предпочтительно использование термостойкого материала, в частности материала, определенно не испаряющегося при температурах ≤600°С, более предпочтительно - при температурах ≤750°С и наиболее предпочтительно - при температурах ≤950°С и не подверженных каким-либо другим процессам разложения.

Предпочтительно используемые материалы являются химическими элементами, в частности металлами химическими или элементами-неметаллами. Однако с помощью настоящего изобретения возможна также очистка и соединений, состоящих из более чем одного элемента.

Особенно предпочтительно применение способа очистки согласно изобретению для удаления кислорода из бора, в частности из аморфного бора. Удаление кислородных загрязнений из аморфного бора особенно трудно и представляет серьезную проблему. Способы промышленного производства аморфного бора обычно включают восстановление В2О3 подходящим восстановителем. При такой обработке получающийся материал аморфного бора обычно содержит до 4 мас.% кислорода. Это ограничивает применимость такого материала, например, для химических препаративных целей, так как во многих областях применения необходимо, чтобы используемый аморфный бор был свободен от кислорода или, по крайней мере, содержал его в минимально возможных количествах.

Для такой цели часто применяется аморфный бор, так как он демонстрирует значительно более высокую химическую реакционную способность по сравнению с кристаллическим бором. Однако попытки очистки аморфного бора какими-либо методами термообработки, сводящейся к испарению оксида бора, приводят к кристаллизация бора и тем самым к переходу аморфного бора в нежелательную кристаллическую форму.

Отличные от оксида бора B2O3 металлы по большей части можно очищать от их оксидов в печах с водородной атмосферой. Однако в случае тонких и реакционноспособных порошков, которые, как правило, содержат оксидные загрязнения в наибольших количествах, эти обычные способы очистки ведут к спеканию таких порошков. С другой стороны, в микроволновой плазменной печи даже самые тонкие металлические порошки могут быть за несколько минут полностью очищены от их оксидов без каких-либо изменений размеров частиц. Регулирование температуры обеспечивается использованием плазмы с импульсами достаточно малой длительности. Мощность микроволновой печи всегда подбирается в соответствии со свойствами оксидов и размерами зерен металла.

Согласно изобретению возможно удаление кислорода из материалов, которые предпочтительно полностью сохраняют свою первоначальную структуру либо сохраняют ее не менее чем в 90 мас.%, более предпочтительно - в более чем в 95 мас.% материала. Согласно изобретению возможна очистка от кислорода аморфного бора, и получающийся продукт является бескислородным бором или бором с пониженным содержанием кислорода, при этом бор все еще является аморфным.

По существу любые содержащие примеси кислорода материалы могут быть очищены с помощью способа согласно изобретению. Обычно в качестве материалов используются исходные материалы с содержанием кислорода ≥1 мас.%, в частности ≥4 мас.%, и предпочтительно ≥10 мас.% от общей массы материала. Примеси кислорода могут присутствовать в виде распределенного кислорода или также в связанной форме, особенно в форме оксидов.

В способе согласно изобретению возможно значительное снижение количества кислорода, особенно до содержания ≤0,5 мас.%, более предпочтительно - до содержания ≤0,1% мас.%, предпочтительно до ≤0,05 мас.% и еще предпочтительнее - до ≤0,01 мас.% кислорода от общей массы материала. Фактическое достигаемое содержание кислорода зависит от соответствующих условий обработки и может регулироваться квалифицированным персоналом в зависимости от желаемой конечной величины.

Как показано в примерах, способом согласно изобретению возможно, в частности, снизить уровень кислорода в аморфном боре до <0,1 мас.%, который недостижим при использовании известных к настоящему времени способов.

Согласно изобретению обработка исходного материала осуществляется плазмой на основе водорода. Предпочтительно такая плазма содержит ≥5 мас.%, в частности ≥20 мас.%, предпочтительно ≥50 мас.%, в частности ≥90 мас.%, предпочтительно ≥99 мас.% и более предпочтительно ≥99,5 мас.% водорода, однако может также состоять из водорода полностью. Для формирования плазмы обеспечивается газовая атмосфера, содержащая водород и, при необходимости, один или несколько инертных газов под требуемым давлением. Предпочтительно давление от 0,1 до 100, особенно от 1 до 20 бар. Особенно предпочтительна чистая плазма на основе водорода или плазма, основанная на смеси водорода и, по меньшей мере, одного инертного газа, выбираемого из числа аргона и азота. Содержание кислорода в плазме составляет, предпочтительно, ≤10 млн-1, особенно ≤5 млн-1, более предпочтительно ≤1 млн-1 и наиболее предпочтительно ≤0,6 млн-1. Предпочтительно, чтобы содержание кислорода в плазме было установлено на уровне 0,1-0,5 млн-1. Кроме того, предпочтительно, чтобы содержание в плазме воды было ≤10 млн-1, особенно ≤5 млн-1, более предпочтительно ≤1 млн-1 и наиболее предпочтительно ≤0,1 млн-1.

Обработку плазмой на основе водорода можно осуществлять в зависимости от желаемой степени очистки от кислорода в течение различного времени, как правило, в течение от 0,5 до 10 час, главным образом от 2 до 5 час, часто наиболее подходящим оказывается время обработки от 3 до 3,5 час.

Предпочтительно проводить плазменную обработку при температуре от 700 до 1500°С, в частности, от 800 до 1100°С.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы используемая водородная плазма была плазмой, созданной микроволновым излучением. В качестве источника микроволнового излучения могут использоваться, например, источники энергии мощностью 100-2000 Вт, особенно 500-1000 Вт, с частотой 1-10 ГГц, особенно 2-3 ГГц. Генерируемые в плазме, в частности в плазме, созданной микроволновым излучением, радикалы Н. и ионы Н+ очень активны, поэтому с помощью способа согласно изобретению в принципе возможна очистка материалов любого типа. В частности, радикалы Н. и ионы Н+ достаточно активны для того, чтобы удалять кислород из аморфного бора, очистка которого с сохранением аморфной структуры невозможна существующими в настоящее время способами.

В особенно предпочтительном воплощении кислород удаляется в присутствии кислородного газопоглотителя. Использование кислородного газопоглотителя значительно повышает эффективность очистки. Хотя возможно применение любого поглощающего кислород материала, особенно хорошие результаты были получены при использовании титана.

Не претендуя на широту охвата, предполагается, что успешное удаление кислорода согласно изобретению обеспечивается применением неравновесного процесса.

Способ согласно изобретению позволяет выполнять очистку от примесей кислорода без загрязнения материала каким-либо другим реагентом. В частности, не требуются восстановители, способные сохраняться в материале. Кроме того, не происходит никаких изменений микроструктуры, что означает, что микроструктура обработанного материала остается такой же, как и структура исходного материала. Это позволяет, например, сохранять бор в аморфной форме и только удалять примеси кислорода без преобразования аморфной микроструктуры в кристаллическую.

Далее настоящее изобретение поясняется следующим примером.

Около 0,2 г аморфного бора (чистота по металлам 99,999%, содержание кислорода по данным ICP анализа 4,05±0,21 мас.%) было помещено в чистый и прокаленный тигель из оксида алюминия, установленный затем в кварцевой ампуле вместе с дополнительньм тиглем, содержащим кислородный газопоглотитель (например, титан). Все описанные операции выполнялись в заполненной аргоном стерильной камере с перчатками в контролируемой атмосфере (<0,1 ч./млн H2O, 0,1-0,6 ч./млн О2). Ампула была откачана, заполнена необходимым газом до определенного давления и затем закупорена. Состав используемого для наполнения газа варьировался в целях определения наиболее подходящего для очистки. Обработка плазмой на основе чистого аргона и азота не изменяла содержание кислорода. Плазма на основе смеси Ar/H2 (5 об.% Н2) позволила снизить содержание кислорода. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании в качестве заполняющего газа чистого водорода.

Также проведены эксперименты без использования кислородного газопоглотителя. Показано, что применение кислородного газопоглотителя значительно улучшает очистку.

В качестве источника микроволнового излучения использовалась микроволновая печь Samsung M1719N (800 Вт, 2,45 ГГц).

По завершении обработки ампулы вскрывались и затем в стерильной камере с перчатками отбирались пробы для химического анализа.

Наилучший результат (0,09±0,05 мас.% кислорода после обработки) достигнут с использованием плазмы Н2, Ti в качестве газопоглотителя и времени проведения реакции около 3-3,5 часов.

Рентгеноструктурный анализ порошка показал, что как исходный материал, так и продукт обработки плазмой не дали острых дифракционных пиков и показали лишь широкий всплеск интенсивности при малых углах дифракции. Это подтверждает аморфное состояние материала. Рассмотрение с помощью сканирующего электронного микроскопа показало, что в обработанных плазмой продуктах исходные частицы спечены в более крупные конгломераты.

1. Способ очистки для удаления кислорода из материала, в котором кислород удаляют из аморфного бора, характеризующийся тем, что содержащий примеси кислорода материал подвергают обработке плазмой на основе водорода, причем плазменную обработку выполняют при температуре до 1500°С.

2. Способ по п.1, в котором кислород удаляют в присутствии кислородного газопоглотителя.

3. Способ по п.1, в котором используют титан в качестве кислородного газопоглотителя.

4. Способ по п.1, в котором предназначенный для очистки материал содержит примеси кислорода в количестве ≥1 мас.% от общей массы материала.

5. Способ по п.1, в котором примеси кислорода присутствуют в виде оксидов.

6. Способ по п.1, в котором материал очищают до содержания кислорода ≤0,5 мас.% от общей массы материала.

7. Способ по п.1, в котором плазма на основе водорода содержит ≥5 об.% Н2.

8. Способ по п.1, в котором используют плазму на основе водорода, состоящую из Н2 и, необязательно, инертного газа, такого как аргон или азот.

9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что содержание кислорода в плазме на основе водорода составляет ≤10 млн-1.

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что содержание воды в плазме на основе водорода составляет ≤10 млн-1.

11. Способ по п.1, в котором обработка плазмой на основе водорода осуществляется в течение 0,5-10 ч.

12. Способ по п.1, характеризующийся тем, что используют плазму, созданную микроволновым излучением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области неорганической химии и может быть использовано при очистке газов и стерилизации воздуха. .

Изобретение относится к средствам для очистки газовых сред и может быть использовано для очистки технологического воздуха различных производственных процессов, выхлопных газов транспортных средств, воздуха в бытовых помещениях, медицинских учреждениях и т.п.

Изобретение относится к технике очистки выхлопных газов и может применяться на газоперекачивающих станциях и электростанциях. .

Изобретение относится к области очистки газов, в частности для фильтрации потока от содержащихся в нем аэрозольных частиц, и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики.

Изобретение относится к аппарату и способу обработки побочного газа, отходящего из системы обработки отходов (100), использующим плазменную горелку. .

Изобретение относится к каталитической очистке газовых выбросов дизельных двигателей и промышленных предприятий, а именно к способу и устройству очистки выхлопных газов дизельных двигателей и выбросов промышленных предприятий от органических соединений и продуктов их разложения, оксидов азота, сажи, оксида углерода, озона.

Изобретение относится к способу и устройству очистки выбросов предприятий в атмосферу от загрязняющих веществ. .

Изобретение относится к газовой промышленности и может использоваться при подготовке природного газа к транспортировке по трубопроводу. .

Изобретение относится к способам очистки газовых выбросов от органических соединений, в частности от полициклических ароматических углеводородов. .

Изобретение относится к области химической технологии очистки углеводородного газа (попутного нефтяного, природного, пропан-бутановой смеси и др.) от сероводорода и может быть использовано в нефтегазовой, химической и энергетической промышленности

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для очистки газов от содержащихся в них аэрозольных частиц

Изобретение относится к приводимому в действие электричеством узлу отделения кислорода, включающему в себя по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, имеющий слой анода, слой катода, слой электролита, расположенный между слоем анода и слоем катода, и два слоя токоприемника, расположенные смежными с и в контакте со слоем анода и слоем катода и размещенные на внутренней стороне и наружной стороне упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента; комплект проводников, соединенных с одним из двух слоев токоприемника в двух центральных разнесенных местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента и с другим из двух слоев токоприемника по меньшей мере в противоположных концевых местоположениях упомянутого по меньшей мере одного трубчатого мембранного элемента, разнесенных наружу от упомянутых двух центральных разнесенных местоположений, так что источник питания способен прикладывать электрический потенциал через набор проводников между двумя центральными разнесенными и по меньшей мере двумя противоположными концевыми местоположениями, а вызванный приложенным электрическим потенциалом электрический ток, текущий через упомянутый по меньшей мере один трубчатый мембранный элемент, делится на две части, текущие между двумя центральными разнесенными и противоположными концевыми местоположениями

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от увлажненного газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц, в том числе и конденсируемой составляющей паров газового потока (конденсата). Фильтр очистки газового потока содержит осадительный и коронирующий электроды. Коронирующий электрод соединен с высоковольтным источником питания. Осадительный электрод заземлен. Коронирующий электрод коаксиально электрически изолированно установлен с зазором относительно осадительного электрода. Фильтр снабжен дополнительным пористым осадительным электродом, установленным в струе выходящего из осадительного электрода очищаемого газового потока. Фильтр содержит ряд дополнительных признаков, улучшающих его характеристики. Изобретение позволяет использовать энергию струи очищаемого газового потока для приближения его при очистке к дополнительному осадительному электроду и продвижения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода. В процессе движения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода электрически заряженные капли и аэрозольные частицы захватываются заземленной поверхностью дополнительного осадительного электрода, а очищенный газ выталкивается энергией струи наружу. Изобретение позволяет сократить габаритные размеры конструкции фильтра, особенно для очистки газовых потоков, движущихся с большой скоростью, например, выхлопных газов автомобиля. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологиям малотоннажной утилизации непромышленных газов в газовой промышленности. Изобретение касается малотоннажной установки по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа, состоящей из последовательно соединенных очистительного модуля, теплообменника предварительного нагрева, теплообменника-рекуператора для тепловой обработки сырья, реактора плазмохимического синтеза для образования водородно-сажевой смеси, теплообменника-рекуператора для закалки, теплообменника-охладителя для охлаждения смеси, циклона для выделения и подачи в рукавный фильтр для сбора с последующей подачей в гранулятор и конденсатор, гранулятора для гранулирования частиц сажи при увлажнении водой из конденсатора и последующей подачи в сушильный барабан, конденсатора для подачи воды в гранулятор и конденсации воды с подачей водородной смеси в компрессор, сушильного барабана для осушки и выделения, компрессора для сжатия водорода и подачи в мембранный блок для обогащения и последующего выделения. Технический результат - обеспечение рационального использования сжигаемого газового сырья на месторождении с получением товарной газохимической продукции: технического углерода и водорода. 2 ил.

Изобретение относится к пищевой и биоэнергетической промышленностям. Способ плазмохимической очистки газов от органических загрязнений путем пропускания указанных газов через область объемного высоковольтного электрического разряда, при этом плазменную обработку газа производят при давлении ниже атмосферного, а в область электрического разряда дополнительно вводят окислитель и гранулированный катализатор. Установка для плазмохимической очистки газа от органических загрязнений содержит газоразрядную камеру 1 с входным патрубком 2 для ввода очищаемого газа и выходным патрубком 3 для вывода очищенного газа. Отличие: Установка дополнительно содержит подключенный к газоразрядной камере вакуумный насос 4, помещенный внутри указанной камеры 1 в области разряда катализатор 9 и устройство 8 для распределенного подвода к нему окислителя. Достигаемым техническим результатом изобретения является уменьшение энергозатрат и повышение эффективности плазмохимической очистки газов от органических загрязнений в присутствии водяных паров с возможностью изменения режимов процесса для его оптимизации. 2 н.з. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способу очистки газовых выбросов и может быть использовано на предприятиях металлургической, химической, нефтяной, коксохимической, теплоэнергетической отраслей промышленности. Способ очистки газовых выбросов от полициклических ароматических углеводородов, в том числе бенз(а)пирена включает облучение газовых выбросов ультрафиолетовым излучением электрического разряда в рабочем интервале длин волн со средней плотностью световой энергии 10-3 - 3·10-1 Дж/см2, причем облучение газовых выбросов ультрафиолетовым излучением электрического разряда проводят в присутствии озона и воды в виде жидкости или пара при температуре газовых выбросов 0°С - 250°С, причем озон получают путем облучения потока воздуха, подаваемого в камеру предварительного воздействия, причем облучение газового потока в газоходе установки осуществляется чередованием больших 3·10-1 Дж/см2 и меньших 10-3 Дж/см2 значений средней плотности световой энергии, причем облучение газовых выбросов ультрафиолетовым излучением электрического разряда проводят в спектральном диапазоне длин волн 310-410 нм. Изобретение позволяет повысить степень очистки промышленных выбросов от токсичных ПАУ, в том числе бенз(а)пирена и снизить кислотную коррозию газохода установки. 1 ил.

Изобретение относится к способам очистки газовых выбросов от полициклических ароматических углеводородов, в частности бенз(а)пирена. Способ включает облучение газовых выбросов ультрафиолетовым излучением электрического разряда в спектральном диапазоне длин волн 290-430 нм со средней плотностью световой энергии 10-3-3×10-1 Дж/см2 в присутствии озона и воды в виде жидкости или пара при температуре газовых выбросов 0°C-250°C, причем озон получают путем облучения потока воздуха, подаваемого в камеру предварительного облучения, при этом большие значения средней плотности световой энергии из указанного диапазона используют в камере предварительного облучения, а меньшие непосредственно в газоходе установки. Изобретение обеспечивает повышение степени очистки промышленных выбросов от токсичных полициклических ароматических углеводородов, в том числе бенз(а)пирена, и снизить кислотную коррозию газохода установки. 1 ил.

Изобретение относится к устройству для плазменной обработки газообразной среды. Устройство содержит генерирующее плазму устройство для создания в газообразной среде плазмы, диэлектрическую структуру, сформированную в виде трубки из плавленого кварца, причем плазма способна переноситься в диэлектрическую структуру, и камеру взаимодействия, включающую внутреннее пространство и стенку. Изобретение обеспечивает эффективную обработку газообразной среды и снижение потребления энергии. 7 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх