CN109647306B

CN109647306B - 一种微波照辐下分解液态化学武器的装置及方法

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Publication number: CN109647306B
Application number: CN201910030961.XA
Authority: CN
Inventors: 毛岩鹏; 高一博; 董伟; 薛超; 吴含; 王文龙; 宋占龙; 赵希强
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: CN109647306A

Abstract

本发明涉及一种微波照辐下分解液态化学武器的装置及方法，包括气瓶、自动注射装置、反应器、微波发生装置，载气和毒剂分别通过气瓶和自动注射装置进入反应器，反应器的内部包括顶盖、搅拌杆、放电器、垫块组成，顶盖位于反应器的上部，搅拌杆的顶部与顶盖的底部固定连接，放电器由支座和若干放电金属丝组成，支座上侧固定连接放电金属丝的一端，放电金属丝竖向放置，底座位于反应器的底部，放电器位于底座的上方，支座位于底座的上表面，微波发生装置的一端位于底座的下方。放电器位于底座的正中位置，放电金属丝的另一端指向搅拌杆底部的中心位置。微波和金属放电共同作用下使毒剂发生热解，使毒剂发生氧化，达到处理毒剂液体的目的。

Description

一种微波照辐下分解液态化学武器的装置及方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种微波照辐下分解液态化学武器的装置及方法。

背景技术

化学武器是以毒剂杀伤人畜、毁坏植物的各种武器、器材的总称，化学武器的基础是化学毒剂，战争中利用常规武器将毒剂分散成蒸汽、液滴、气溶胶或粉末状态，使空气、地面、水源和物体染毒，以杀伤和迟滞敌军行动。迄今已在国内的18个省、市、自治区的90余个地点发现了二战期间日本遗弃的化学武器。全球化学武器销毁进度远慢于原计划的量。原来埋藏、倾倒在地下、江河湖海的化学武器所导致的生态环境风险也在显著增加。在未来很长的一段时间内，人类仍要面对化学武器的威胁。

销毁化学武器的手段主要是高温焚烧。高温焚烧销毁化学武器的原理是由可燃性气体燃烧产生高温，使化学毒剂与氧气发生完全氧化反应，从而将化学毒剂彻底分解破坏。而在美国和俄罗斯，市民和环保组织公开反对焚烧法销毁化学武器，人们已经把化学武器销毁时可能产生的二恶英、呋喃与癌症以及其他长期健康问题建立起了联系。尽管军方一再表明焚烧销毁技术安全可靠，能满足环保要求，但是公众对此作业过程还是感到恐慌和害怕。事实上，美国的高温焚烧处理系统就曾经发生过爆炸和少量毒剂泄露事故，而引起了公众的强烈关注和反对。鉴于公众的强烈要求，美国自90年代初开始进行销毁化学武器的替代技术研究。目前，提出的主要替代技术有：熔融盐氧化法、等离子弧热解法、湿空气氧化法、熔融盐热解法和化学中和法等。但是，美国对这些替代技术的评估是焚烧法仍然是首选销毁技术，这些替代技术仍处在探索试验和评审过程中，离实际应用还有一定的距离。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种微波照辐下分解液态化学武器的装置。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种微波照辐下分解液态化学武器的装置，包括气瓶、自动注射器、反应器、微波发生装置，气瓶通过进气管道与反应器的进气口连接，进气管道设置第一加热带，自动注射器与进气管道第一加热带覆盖的部分连接，第一加热带为电伴热装置位于进气管道的壁部，自动注射器输入毒剂液体，毒剂液体与气瓶输入的载气在进气管道内混合并被第一加热带加热成为气体进入反应器，所述反应器的空腔下部设置放电器，所述放电器由支座和若干放电金属丝组成，支座上侧固定连接放电金属丝的一端，放电金属丝竖向放置，反应器的空腔底部设置底座，放电器位于底座的上方，微波发生装置的输出端位于底座的下方。

本申请提出了一种微波辐照处理化学武器中的有毒试剂的装置，有毒试剂先通过在气体的携带和加热的作用下变成气体，微波通过反应器底部的天线经过垫块进入反应器内部，并且微波经过底座进入反应器的过程中微波遇到金属丝，放电金属丝的尖端在微波场的作用下充当电极，发生气体击穿引发放电，伴随等离子体的产生，等离子体吸收微波的能量，所以微波位于底座的底部，底座的上方设置金属丝，这样金属丝吸收下方的微波之后，尖端向上，尖端向上放电，对毒剂气体产生作用。搅拌杆使激发的等离子气氛分布更加均匀。

优选的，所述支座为由金属丝弯折制成的正多边形边框，所述正多边形边框的每个对顶点由金属丝连接，所述正多边形边框的每个顶点及中心点分别与一根放电金属丝的一端固定连接。

正多边形边框的作用为使放电金属丝平稳放置在石英垫块上，并使放电金属丝平均分布在底座上。

进一步优选的，所述正多边形边框的边数为4、6、8。

进一步优选的，正多边形边框的金属丝和放电金属丝的材质相同，为钴、铜、铬、镍、钒、锰、铁、钛、铅、铝、钨和锌中的一种。

优选的，所述放电器位于底座的正中位置，放电金属丝的自由端指向搅拌杆底部的中心位置。

进一步优选的，放电金属丝的直径为0.8-1.2mm，长25-35mm，搅拌杆自由端设置为尖形。

优选的，所述底座为石英垫块。

优选的，所述自动注射器包括注射针头、控制器、固定架组成，所述注射针头横向固定在固定架上，注射针头上的刻度线与固定架上的刻度线相对应，注射针头的活塞柄的活塞帽与固定架上的移动装置连接，控制器与移动装置连接。

所述移动装置为与控制器连接的动力装置。

本申请的自动注射装置通过控制器控制注射针头的推拉，能够精确的控制有毒试剂的体积。

优选的，所述反应器的顶部由上压盖、锁紧夹、顶盖组成，顶盖的外侧设置锁紧夹，锁紧夹的外侧设置上压盖；反应器的空腔内设置搅拌杆，搅拌杆的顶部与顶盖的底部连接，搅拌杆活动安装在顶盖上；反应器的底座的外侧设置下压盖；反应器的侧壁由外至内设置保护套、耐压层，石英内衬，石英内衬可拆卸。

优选的，所述第一加热带位于进气管道的中部。

进一步优选的，进气管道第一加热带覆盖的中部设置第一温度传感器，第一温度传感器与第一温度控制器连接。

进一步优选的，第一加热带和反应器进气口的管道间设置第三截止阀。

优选的，所述微波发生装置由微波控制器、磁控管、传导装置、天线、调配螺钉组成，磁控管与波导连接，传导装置的内部设置波导和水负载，所述水负载设置在波导的一侧，传导装置的上方设置磁控管，传导装置另一端的上侧设置天线，传导装置的下侧与天线对应的位置设置调配螺钉，微波发生装置设置天线的一端位于反应器的下方，天线的上部插入底座的底部。

调配螺钉安装在波导的底侧，通过调节调配螺钉插入深度来改变系统状态使得系统更好的匹配，它起到一个阻抗变换的作用，从而降低负载的驻波比。

优选的，反应器顶部的一端设置出气口，出气口通过出气管道依次与气相测谱仪、污染物处理装置连接。

进一步优选的，所述位于出气口和气相色谱仪之间的出气管道顺序依次设置第四截止阀、第一截止阀、第二加热带，第四截止阀位于出气口一端。

更进一步优选的，所述出气管道第二加热带覆盖的中部与第二温度传感器连接，所述温第二度传感器与第二温度控制器连接。

优选的，所述反应器的顶部设置压力表，所述压力表与反应器的内部通过测压管道连接。

优选的，所述气瓶的出口设置体积流量计。

优选的，气相色谱仪和污染物处理装置之间的管道设置第二截止阀。

利用上述装置进行毒剂热解的方法，具体步骤为：

1)将放电器置入反应器内部，将反应器密封，开启水负载对系统进行循环冷却，打开微波发生装置进行预热；

2)打开气瓶输入载气，打开第一加热带对进气管道进行加热，毒剂气体进入反应器后开始热解；

3)打开第二加热带，热解后的气体通过出气管道进入气相测谱仪、污染物处理装置，热解后的毒剂气体经过污染物处理装置后排出。

优选的，所述气瓶内的压缩气体为空气或惰性气体与空气的混合气。

优选的，毒剂浓度为5～100g/Nm³。

优选的，步骤1)中微波预热的时间为1-3min。

优选的，步骤1)中所述微波发生装置频率为915MHz，微波功率在0～1300W。

优选的，步骤2)中所述微波发生装置频率为915MHz，微波功率为500～1300W。

优选的，步骤2)中热解的时间为5-30s。

优选的，所述自动注射器的流量为1～500ml/min。

本发明的有益效果：

1)本发明通过微波热解化学毒剂，避免了焚烧销毁化学毒剂对市民带来的恐慌；

2)本发明反应腔体内部通过聚四氟乙烯耐压层、不锈钢保护套以及密封圈进行密封，该密封方式可以长时间承压而不泄压，可耐受大于3Mpa的高压，可有效的避免处理过程气体的泄露；

3)本发明通过石英内衬可保护外层腔体不被高温损坏，从而间接达到耐高温、高压的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为微波照辐下分解液态化学毒剂的系统结构示意图；

图2为反应器结构示意图；

图3为放电金属结构主视图；

图4为放电金属结构侧视图；

图5为放电金属结构俯视图；

其中，1、气瓶，2、体积流量计，3、自动注射器，4、第一加热带，5、第一温度传感器，6、第一温度控制器，7、微波控制器，8、磁控管，9、波导，10、水负载，11、调配螺钉，12、天线，13、第三截止阀，14、进气口，15、反应器，16、压力表，17、第四截止阀，18、出气口，19、第一截止阀，20、第二加热带，20、第二温度传感器，22、第二温度控制器，23、气相色谱仪，24、第二截止阀，25污染物处理装置，26、上压盖，27、锁紧夹，28、不锈钢顶盖，29、密封圈，30、搅拌杆，31、放电器，32、不锈钢保护套，33、聚四氟乙烯耐压层，34、石英内衬，35、石英垫块，36、密封板，37、下压盖，38、正多边形边框，39、放电金属丝。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

当微波辐射到介质表面时，会有三种不同的表现，分别为穿透、吸收以及反射。通常认为金属材料不能用微波加热，此时微波与金属的相互作用为反射作用。当微波场中植入带有尖端或突起的金属导体时，这些金属材料的尖端或突起在微波电磁场作用下往往充当电极，带电粒子在这些尖端或突起处聚集，当电极的曲率半径很小时，由于其附近的场强特别高，很容易发生气体击穿引发放电。放电过程中会伴随着等离子体的产生，等离子体可以有效的吸收微波能量，并将能量在不同的组分之间进行重新分配，同时激发该区域的流体进行高效地电离、离解。微波产生的等离子体具有更高的电子温度，5eV～15eV，在2450MHz下，电子密度约为(7×10¹⁶m³)。另外，微波等离子体可以在很宽的气压范围内产生(10^-6～10³Torr)。可见微波场中的金属放电，不但有助于强化微波加热或热解，还可能对化学反应起催化作用。活性高以及反应迅速是等离子体的化学特点。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

一种微波照辐下分解液态化学武器的装置，包括气瓶1、自动注射器3、反应器15、微波发生装置，气瓶1通过进气管道与反应器15的进气口14连接，进气管道设置第一加热带4，自动注射器3与进气管道第一加热带4覆盖的部分连接，第一加热带4为电伴热装置位于进气管道的壁部，自动注射器3输入毒剂液体，毒剂液体与气瓶1输入的载气在进气管道内混合并被第一加热带4加热成为气体进入反应器15，所述反应器15的空腔下部设置放电器31，所述放电器31由支座和若干放电金属丝组成，支座上侧固定连接放电金属丝的一端，放电金属丝竖向放置，反应器15的空腔底部设置底座，放电器31位于底座的上方，支座位于底座的上表面，微波发生装置的输出端位于底座的下方。

所述反应器15的内部包括顶盖28、搅拌杆30、放电器31、底座组成，顶盖28位于反应器15的上部，搅拌杆30的顶部与顶盖28的底部连接，搅拌杆30活动安装在顶盖28上，放电器31由支座和若干放电金属丝39组成，支座上侧固定连接放电金属丝39的一端，放电金属丝39竖向放置，底座位于反应器15的底部，放电器31位于底座的上方，支座位于底座的上表面，微波发生装置的一端位于底座的下方。

所述支座为由金属丝弯折制成具有对角线的正多边形边框38，所述正多边形边框38的每个对顶点由金属丝连接，所述正多边形边框38的每个顶点及中心点分别与一根放电金属丝的一端固定连接。

所述正多边形边框38的边数为6。

所述正多边形边框38位于底座的正中位置，放电金属丝39的另一端指向搅拌杆底部的中心位置。

放电金属丝39的直径为1mm，长30mm，指向搅拌杆30的一端磨尖。

所述底座为石英垫块35。

反应器15，其用于提供微波与介质交互作用的实验反应腔体；第四截止阀17，其用于控制反应器15内高压气体的流入及流出；自动注射器3，其用于把液态化学毒剂注入到气体管道中；气瓶1内盛放压缩气体，其用于把化学毒剂蒸汽带入微波金属放电反应区；气相色谱仪23，其用于检测出口气体成分；污染物处理装置25，其用于把污染气体处理后排放。

所述反应器的顶部由上压盖26、锁紧夹27、顶盖组成，顶盖为不锈钢顶盖28，顶盖的外侧设置锁紧27夹，锁紧夹27的外侧设置上压盖26；反应器15的空腔内设置搅拌杆30，搅拌杆30的顶部与顶盖的底部连接，搅拌杆30活动安装在顶盖上；反应器15的底座的外侧设置下压盖37。

作为本申请的一种实施方式，保护套为不锈钢保护套32，耐压层为聚四氟乙烯耐压层33，反应器15的侧壁由不锈钢保护套32、上密封圈29、下密封板36、聚四氟乙烯耐压层33和石英内衬34组成，所述聚四氟乙烯耐压层33设于不锈钢保护套32内，并通过上密封圈29和下密封板36与不锈钢保护套32连接，采用该种密封方式，使得反应器可耐受3Mpa以内的高压，且长时间不泄压，所述石英内衬34设于聚四氟乙烯耐压层33内，用于装载反应物料，如图2所示，整个反应器15采用不锈钢顶盖28进行密封。所述反应器15的顶部设置压力表16，所述压力表16与反应器15的内部通过测压管道连接。压力表16用于实时监测反应腔体内部压力状态。

所述石英内衬34为耐高温石英内衬，可保证反应腔体不会因为高温受到损坏。所述石英内衬34可以方便取出，便于添加物料以及清洗；所述石英内衬34可随时更换，以保证实验系统的良好运行。石英内衬34直接放置在聚四氟乙烯耐压层33的内侧，石英内衬34的底部通过底座抵住，使石英内衬34保持竖直的状态。

所述自动注射器3包括注射针头、控制器、固定架组成，所述注射针头横向固定在固定架上，注射针头上的刻度线与固定架上的刻度线相对应，自动注射器的活塞柄的活塞帽与固定架上的的移动装置连接，控制器与移动装置连接。

所述第一加热带4位于进气管道的中部，自动注射器3与第一加热带4覆盖的进气管道连接。

第一加热带4覆盖的管道的中部设置第一温度传感器5，第一温度传感器5与第一温度控制器6连接。

所述第一温度传感器5和第一温度控制器6可以控制加热带4将管道加热至200℃，以保证可以雾化液体毒剂。

第一加热带4和进气口14之间设置第三截止阀13，以保证在毒剂意外泄露时能够即时关闭阀门。

所述微波发生装置由微波控制器7、磁控管8、传导装置、调配螺钉11和天线12组成，传导装置的内部设置波导和水负载，磁控管8与波导9连接，传导装置一端的上侧设置磁控管8，传导装置另一端的上侧设置天线12，传导装置的下侧与天线12对应的位置设置调配螺钉11，微波发生装置设置天线12的一端位于反应器15的下方，天线12的上部插入反应器15垫块的底部。

微波发生装置，其用于提供稳定连续可调的微波功率；波导9，其用于控制微波的传播方向；天线12，将微波传送到反应器13内。

反应器15的顶部的一端设置出气口18，出气口18通过出气管道依次与气相测谱仪23、污染物处理装置25连接。

所述位于出气口18和气相色谱仪23之间的出气管道顺序依次设置第四截止阀17、第一截止阀19、第二加热带20，第四截止阀17位于出气口一端。

第四截止阀17用于收集气体。

所述第二加热带20覆盖的管道与第二温度传感器21连接，所述第二温度传感器21与第二温度控制器22连接。

第二温度传感器21与第二温度控制器22用于冷却排放气体的温度至100℃以下。

所述气瓶的出口设置体积流量计2。

气相测谱仪23和污染物处理装置25之间的管道设置第二截止阀24。

实施例2

采用上述装置对多物理场下微波与介质交互放电过程进行测量，其过程如下：

取金属丝钨为目标材料，将金属丝放入石英内衬34中，密封反应器15，打开第三截止阀13，关闭第四截止阀17，打开第一截止阀19，打开气瓶1阀门通入载气2min，打开水负载10进行水循环，设置微波功率为900W，开启微波预热，然后开启微波发生装置，微波工作1min后，可以听到金属放电的啪啦声，2min后待金属放电趋于稳定时关闭第一截止阀19，开启自动注射器3和第一加热带4，针对不同的毒剂设置不同的载气流量和毒剂流量，以使毒剂能够完全氧化为无毒物质。

实验通入氢氰酸(HCN)，载气为空气，毒剂浓度为5g/Nm³，可在900W微波功率下10s内完全降解。毒剂浓度为100g/Nm³，可在900W微波功率下，20s内完全降解。氢氰酸浓度低时，等离子体可以使其充分分解氧化；浓度较高时，会导致在等离子区中电子和活性化学物质的数量增加，进一步促进了氢氰酸的分解氧化。

实验通入氢氰酸(HCN)，毒剂浓度范围在100g/Nm³，载气换为合成空气(Ar:空气＝3:7)，可在900W微波功率下10s完全降解，证明在更容易被激发为等离子体的氩气环境中，等离子区中电子和活性化学物质的数量增加的更多，反应也更加迅速。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种微波照辐下分解液态化学武器的装置，其特征在于：包括气瓶、自动注射器、反应器、微波发生装置，气瓶通过进气管道与反应器的进气口连接，进气管道设置第一加热带，自动注射器与进气管道第一加热带覆盖的部分连接，第一加热带为电伴热装置位于进气管道的壁部，自动注射器输入毒剂液体，毒剂液体与气瓶输入的载气在进气管道内混合并被第一加热带加热成为气体进入反应器，所述反应器的空腔下部设置放电器，所述放电器由支座和若干放电金属丝组成，支座上侧固定连接放电金属丝的一端，放电金属丝竖向放置，反应器的空腔底部设置底座，放电器位于底座的上方，微波发生装置的输出端位于底座的下方；

所述支座为由金属丝弯折制成的正多边形边框，所述正多边形边框的每个顶点由金属丝连接，所述正多边形边框的每个顶点及中心点分别与一根放电金属丝的一端固定连接；

所述正多边形边框的边数为4、6、8；正多边形边框的金属丝和放电金属丝的材质相同，为钴、铜、铬、镍、钒、锰、铁、钛、铅、铝、钨和锌中的一种；

所述放电器位于底座的正中位置，放电金属丝的自由端指向搅拌杆底部的中心位置；

所述底座为石英垫块；

所述反应器的顶部由上压盖、锁紧夹、顶盖组成，顶盖的外侧设置锁紧夹，锁紧夹的外侧设置上压盖；反应器的空腔内设置搅拌杆，搅拌杆的顶部与顶盖的底部连接，搅拌杆活动安装在顶盖上；反应器的底座的外侧设置下压盖；反应器的侧壁由外至内设置保护套、耐压层，石英内衬，石英内衬可拆卸；

所述微波发生装置由微波控制器、磁控管、传导装置、天线、调配螺钉组成，磁控管与波导连接，传导装置的内部设置波导和水负载，所述水负载设置在波导的一侧，传导装置的上方设置磁控管，传导装置另一端的上侧设置天线，传导装置的下侧与天线对应的位置设置调配螺钉，微波发生装置设置天线的一端位于反应器的下方。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：放电金属丝的直径为0.8-1.2mm，长25-35mm，指向搅拌杆的自由端设置为尖形。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述自动注射器包括注射针头、控制器、固定架组成，所述注射针头横向固定在固定架上，注射针头上的刻度线与固定架上的刻度线相对应，注射针头的活塞柄的活塞帽与固定架上的移动装置连接，控制器与移动装置连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一加热带位于进气管道的中部；

进气管道第一加热带覆盖的中部设置第一温度传感器，第一温度传感器与第一温度控制器连接；第一加热带和反应器进气口之间设置第三截止阀。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：反应器的顶部的一端设置出气口，出气口通过出气管道依次与气相测谱仪、污染物处理装置连接；

所述位于出气口和气相色谱仪之间的出气管道顺序依次设置第四截止阀、第一截止阀、第二加热带，第四截止阀位于出气口一端；

所述出气管道第二加热带覆盖的中部与第二温度传感器连接，所述第二温度传感器与第二温度控制器连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的装置进行毒剂热解的方法，其特征在于：

1)将放电器置入反应器内部，将反应器密封，开启水负载(10) 对系统进行循环冷却，打开微波发生装置进行预热；

3)打开第二加热带，热解后的气体通过出气管道进入气相测谱仪、污染物处理装置，热解后的毒剂气体经过污染物处理装置后排出；

其中，步骤2)毒剂浓度为5～100g/Nm³；

步骤1)中微波预热的时间为1-3min；

步骤1)中所述微波发生装置频率为915MHz，微波功率在0～1300W；

步骤2)中所述微波发生装置频率为915MHz，微波功率为500～1300W；

步骤2)中热解的时间为5-30s；

所述自动注射器的流量为1～500ml/min。