TWI426062B - A method of warping with supercritical fluid - Google Patents

Description

以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法

本發明係關於超臨界流體的分離方法，特別是指一種於低溫條件下，以超臨界二氧化碳流體批次進行三硝基甲苯(2-methyl-1,3,5-trinitrobenzene，TNT)熔融脫藥的分離方法。

基於「我們只有一個地球」的環保意識抬頭，現代科技正逐漸往綠色科技發展，強調以資源的回收再利用與低環境污染為訴求手段，達到維護人類永續生存的目的。戰爭不但直接對於人類生存造成危害，其所遺留含有火炸藥如三硝基甲苯的軍用品，廢棄處理時更間接造成環境的污染。

習知常用軍用彈藥處理方式包含熱水熔出法(melting)及蒸汽熔出法(steam out)，皆是利用高溫熱力直接將炸藥主成份三硝基甲苯熔出分離，此一處理方法在軍事術語上稱為「脫藥」。此一脫藥過程所需處理時間長，無法有效運用於大量廢棄彈的處理，且其所產生的大量廢水具污染性，需額外經一加工處理過程後才能排放，而該廢水所需的處理費用高，造成整體處理效率低且成本高。

為因應現在綠色科技趨勢發展，超臨界流體運用於火炸藥的製造、加工及廢棄彈藥處理之技術已有相關研究及專利文獻見諸於世，如於美國專利第5,953,679號中即揭露一種利用超臨界二氧化碳流體由軍用彈藥中分離出三硝基甲苯，其所採用分離條件：於37.4MPa的高壓環境下，以高於三硝基甲苯熔點(85℃)的溫度進行分離作業，但軍用彈藥的成份並非僅包含有三硝基甲苯，如以前述高溫條件下進行分離三硝基甲苯作業，會因其他火炸藥成份存在而有造成危險的可能。

再者，如所周知各種火炸藥在超臨界二氧化碳流體中之溶解度甚低，尤其是以超臨界二氧化碳流體進行火炸藥成份萃取或廢棄彈藥回收分離時，因三硝基甲苯溶解度甚低，使其處理過程上必須使用大量的超臨界二氧化碳流體才能達到有效萃取分離之目的，如此將造成該技術經濟價值低，而大大限制超臨界二氧化碳流體實際應用性。

將超臨界流體技術運用於傳統萃取分離步驟中，是近年來迅速發展的化工分離技術。由於二氧化碳的臨界溫度為31℃，於其超臨界狀態下的分離程序可在接近室溫的條件下進行，且二氧化碳的臨界壓力(7.39MPa)適中並同時具有不可燃、無毒、化學安定性良好、廉價及容易獲得等優點，由此可知超臨界的二氧化碳流體非常適於運用在具有高度危險性的火炸藥工業。

發明人經長期多次進行測試結果獲得在特定條件下，超臨界二氧化碳流體能在低於三硝基甲苯熔點的情況下由彈頭內熔出，並能於2公升的槽體進行分離萃取熔裝有500克三硝基甲苯炸藥模擬彈頭的彈體分離程序，如第4-1圖至第4-6圖中所示，且其過程又不受溶解度及相平衡濃度之限制，故依該條件可進行快速，經濟的脫藥過程，有利於大量工業生產的操作。

於第4-1及4-2圖中，以內部直徑60mm、開口處直徑50mm的350ml金屬容器A熔裝三硝基甲苯TNT500克，並將金屬容器A開口朝下固定於脫藥架B(如第4-3圖中所示)後將脫藥架B及金屬容器A置入容量2公升之低溫熔出槽(圖中未示)後密閉行低溫熔融脫藥。

發明人發現於溫度55℃、壓力25MPa的條件下，以超臨界二氧化碳流體進行脫藥作業，時間需30min即可將金屬容器A內之三硝基甲苯TNT完全脫除，並收集高純度的三硝基甲苯TNT在脫藥架B下方的炸藥收集槽C內(如第4-4及4-5圖中所示)，且收集到之三硝基甲苯TNT整體是隨炸藥收集槽C形狀而平整凝固成型(如第4-6圖中所示)，故以第4-1圖至第4-6圖中所示證明本發明之脫藥過程是於熔融狀態下進行，此乃發明一大特色。

有鑑於此，發明人係對超臨界二氧化碳流體應用在萃取分離火炸藥三硝基甲苯成份的製程進行改良，提供一種於低溫條件下，利用超臨界二氧化碳流體批次式進行三硝基甲苯脫藥分離的方法流程，如第1圖所示，該方法包括步驟1：將一砲彈彈體置入一熔出槽；步驟2：將一超臨界流體注入至該熔出槽；步驟3：於低於三硝基甲苯熔點的溫度及三硝基甲苯可熔出壓力的熔出條件下，進行一熔出脫藥作業。

其中該砲彈彈體內裝藥為三硝基甲苯及以三硝基甲苯為基質的炸藥。以三硝基甲苯為基質的炸藥包括B炸藥、阿馬圖(Amatol)、奧克圖(Octol)及阿猛乃(Ammonal)之任一種皆可行。

其中該超臨界流體是二氧化碳。該熔出條件包含溫度介於50至75℃之間，壓力介於15至40MPa之間。

其中該熔出條件的最適溫度為55℃、最適壓力為25MPa。

其中以該熔出條件自三硝基甲苯為基質的炸藥所得之熔出物中包含至少99%的三硝基甲苯。

本發明解決問題所應用的技術手段以及對照先前技術的功效係在於：

1.更安全的製程：以本發明中之處理流程取代習用需藉由高於炸藥整體熔點之高溫水或高熱蒸氣將廢棄彈頭炸藥中的三硝基甲苯熔出的處理流程，因本發明所採超臨界二氧化碳流體脫藥操作溫度低於炸藥整體熔點之熔點，不但降低發生爆炸之機會而大幅提昇處理流程安全性，更可以減少分離後三硝基甲苯變質的機會。

2.更環保的製程：於本發明之超臨界脫藥操作過程中不需使用有機溶劑，且作為溶劑之二氧化碳可經由減壓之程序即可完全與三硝基甲苯分離，使分離出之三硝基甲苯不會造成環境二次汙染，亦可回收再利用分離出之二氧化碳及三硝基甲苯。

3.更經濟之製程：習用以超臨界二氧化碳萃取、分離及回收廢彈炸藥中之三硝基甲苯的技術，受限於三硝基甲苯在超臨界二氧化碳溶解度而須採費時且不經濟的連續式操作。於本發明中，由於三硝基甲苯熔出的過程採批次式進行，可減少連續式操作設備因管路壓力降低造成萃取物溶解度降低、結晶析出阻塞管路之問題，且在二氧化碳利用率方面更遠遠超過以超臨界二氧化碳萃取彈頭三硝基甲苯之技術，較習用萃取分離技術操作更為省時經濟。

4.脫藥過程是於熔融狀態下進行完成，脫藥效率高且效果良好。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

請同時參閱第1圖及第2圖，其係顯示本發明以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法的流程圖及實施第1圖實施例所需之裝置示意圖。

於第1圖中，第一儲存槽10藉由控制閥11調節其內部儲存二氧化碳的供應，並以壓力計13監控二氧化碳的供應壓力。由第一儲存槽1所供應之二氧化碳會再經由過濾器20過濾雜質之後暫時儲存於第二儲存槽30，並控制其溫度至預設溫度，並以控制閥31調節其內部二氧化碳的暫儲量，且同時以溫度顯示裝置32監測第二儲存槽30中二氧化碳溫度。

第二儲存槽30內部暫存的二氧化碳會再受到高壓泵浦(pump)40加壓導入低溫熔出槽50內至預設壓力，並於高壓泵浦40管路前後端分別設有控制閥41、42，以防止加壓後的超臨界二氧化碳回流及控制導入低溫熔出槽50的超臨界二氧化碳量。

低溫熔出槽50分別利用溫控器51與控壓器52將導入低溫熔出槽50中的超臨界二氧化碳進行監控在預設溫度與壓力範圍，以利用超臨界二氧化碳流體進行低溫熔出分離作業。熔出作業後的超臨界二氧化碳流體通過低溫熔出槽50連接的控制閥53進入壓力緩衝槽70，收集由二氧化碳脫離超臨界狀態後，分離出的溶質。

如第3圖中所示，係顯示第2圖實施例中低溫熔出槽之示意圖，低溫熔出槽50中裝置有一脫藥架60，低溫熔出槽50之槽體510具有溫度控制層(圖中未示)，且於槽體510內設有一中空之超臨界脫藥槽511，以供脫藥架60裝置於低溫熔出槽50內部。超臨界脫藥槽511一端為超臨界流體注入口512，另一端為超臨界流體排放口513。

脫藥架60具有一藥架本體61，脫藥架60之藥架本體61對應超臨界流體注入口512處為注入端612，而其對應超臨界流體排放口513處為排放端613。脫藥架60於注入端612裝置有一支撐架62，以利脫藥架60定位於低溫熔出槽50中，而另於排放端613裝置有一吊掛環63，便於移動脫藥架60。

藥架本體61內部具有一容置空間611，並於容置空間611內部兩側分對應裝置有一彈頭固定架641、642，以利固定彈頭(圖中未示)。另於彈頭固定架641、642下方的容置空間611裝置炸藥收集槽65。

於本實施例中，先將彈體固定於脫藥架60其容置空間611內部的彈頭固定架641、642上(圖中未示)，並將脫藥架60連同彈體一併置入低溫熔出槽50中，使彈頭內部所包含的火炸藥與高壓泵浦40導入低溫熔出槽50的超臨界二氧化碳流體做接觸，並在一預設最適溫度壓力條件下，對彈體進行低溫熔出，並回收熔融火炸藥成份至彈頭固定架641、642下方的炸藥收集槽65中。

於本發明中，依據上述實施例步驟，以實際使用容量為2公升之超臨界脫藥槽511進行以下實驗。

【三硝基甲苯低溫熔出最適操作條件實驗】

實驗步驟：

1.將0.50吋砲彈空殼熔裝10克三硝基甲苯炸藥，開口朝下固定於脫藥架。

2.將脫藥架及砲彈空殼置入超臨界脫藥槽後密閉。

3.低溫熔出最適操作實驗條件及結果如下表中所示。

實驗結果：

脫藥率是以低溫熔出後的三硝基甲苯減少之重量除以低溫熔出前三硝基甲苯重量，並在取百分率(%)。在實驗規劃的條件中，本發明低溫熔出最適操作條件為55℃、25MPa。

【三硝基甲苯實彈炸藥低溫熔出實驗】

實驗步驟：

1.將40mm砲彈彈頭熔裝60克三硝基甲苯炸藥，彈頭開口朝下固定於低溫熔出架總成。

2.將低溫熔出架總成及彈頭置入超臨界低溫熔出槽後緊閉朝蓋。

3.以不同之溫度及壓力條件進行30分鐘低溫熔出實驗。

實驗結果：

脫藥率是以低溫熔出後的三硝基甲苯減少之重量除以低溫熔出前三硝基甲苯重量，並在取百分率(%)。

【三硝基甲苯炸藥模擬低溫熔出實驗】

實驗步驟：

1.將250ml金屬容器熔裝250克三硝基甲苯炸藥，並將金屬容器開口朝下固定於低溫熔出架總成。

2.將低溫熔出架總成及金屬容器置入超臨界低溫熔出槽後緊閉朝蓋。

3.低溫熔出條件為溫度55℃、壓力25MPa、時間30分鐘。

實驗結果：

1.彈頭殘餘三硝基甲苯炸藥0克。

2.炸藥收集槽內三硝基甲苯炸藥241克。

【三硝基甲苯炸藥模擬低溫熔出實驗】

實驗步驟：

1.將350ml金屬容器熔裝500克三硝基甲苯炸藥，並將金屬容器開口朝下固定於低溫熔出架總成。

2.將低溫熔出架總成及金屬容器置入超臨界低溫熔出槽後緊閉朝蓋。

3.低溫熔出條件為溫度55℃、壓力25MPa、時間30分鐘。

實驗結果：

1.彈頭殘餘三硝基甲苯炸藥0克。

2.炸藥收集槽內三硝基甲苯炸藥490克。

【B炸藥低溫熔出實驗】

實驗步驟：

1.將0.50吋砲彈空殼熔裝10克B炸藥，其成分為RDX(Hexogen)60%、三硝基甲苯40%及少量Wax(其以高效液相層析儀分析成份，結果如第5圖中所示)，並將彈頭開口朝下固定於低溫熔出架總成。

2.將低溫熔出架總成及彈頭置入超臨界低溫熔出槽後緊閉朝蓋。

3.低溫熔出條件為溫度55℃、壓力25MPa、時間30分鐘。

實驗結果：

1.彈頭殘餘炸藥以高效液相層析儀分析其成份，結果如第6圖中所示，其殘餘炸藥組成包含99.8%的RDX及0.2%的三硝基甲苯，表示以本實驗流程及其條件可將三硝基甲苯自B炸藥中分離。

2.炸藥收集槽內炸藥以高效液相層析儀分析其成份，結果如第7圖中所示，其收集槽內炸藥組成包含0.7%的RDX及99.3%的三硝基甲苯，表示以本實驗流程及其條件可將三硝基甲苯自B炸藥中分離回收。

3.壓力緩衝槽內炸藥以高效液相層析儀分析其成份，結果如第8圖中所示，其緩衝槽內炸藥組成包含0.9%的RDX及99.1%的三硝基甲苯，表示以本實驗流程及其條件對B炸藥中三硝基甲苯的分離效果與超臨界二氧化碳萃取分離法效果相當。

註：高效液相層析儀由安捷倫公司(Agilent)製造，其型號1100 HPLC，以50%甲醇及50%水的混合液作為移動相(Mobile phase)，以操作流速1mL/min在C-18層析管中分析，並採用波長為254nm的紫外線檢測。

【高量三硝基甲苯炸藥低溫熔出實驗】

實驗步驟：

1.模擬彈頭一係將250ml金屬容器熔裝250克三硝基甲苯炸藥，模擬彈頭二係將350ml金屬容器熔裝500克三硝基甲苯炸藥，開口朝下固定於脫藥架。

2.將脫藥架及含藥彈頭置入超臨界脫藥槽後密閉。

3.以低溫熔出的最適操作條件下實驗，其結果如下表：

本發明經上述實驗獲得於低於三硝基甲苯的熔點溫度下，利用超臨界二氧化碳流體批次進行三硝基甲苯脫藥分離的方法流程之最佳操作條件為溫度55℃、壓力25MPa，此一溫度及壓力皆低於先前技術中需要以高於高於三硝基甲苯熔點的溫度(大於85℃)及較高壓力(37.4MPa)，故本發明以較低的操作溫度與壓力可降低操作設備成本，並提高超臨界二氧化碳流體萃取分離的經濟效益，更提昇實際操作安全。

此外，在B炸藥低溫熔出實驗中，自彈頭脫藥所得之炸藥三硝基甲苯含量高於99%以上，這也顯示本發明具有超臨界二氧化碳萃取的分離效果，但不受三硝基甲苯在超臨界二氧化碳中溶解度之限制，故本發明所採用萃取分離流程除可將三硝基甲苯自彈頭中熔出，亦可以自B炸藥(Composition B)、阿馬圖(Amatol)、奧克圖(Octol)及阿猛乃(Ammonal)中分離熔出三硝基甲苯。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內。

10．．．第一儲存槽

11．．．控制閥

13．．．壓力計

20．．．過濾器

30．．．第二儲存槽

31．．．控制閥

32．．．溫度顯示裝置

40．．．高壓泵浦

41、42．．．控制閥

50．．．低溫熔出槽

510．．．槽體

511．．．超臨界脫藥槽

512．．．超臨界流體注入口

513．．．超臨界流體排放口

51．．．溫控器

52．．．控壓器

53．．．控制閥

60．．．脫藥架

61．．．藥架本體

611．．．容置空間

612．．．注入端

613．．．排放端

62．．．支撐架

63．．．吊掛環

651、652．．．彈頭固定架

66．．．炸藥收集槽

70．．．壓力緩衝槽

第1圖係顯示本發明以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法之流程圖；

第2圖係顯示實施第1圖實施例所需之裝置示意圖；

第3圖係顯示第2圖實施例中低溫熔出槽之示意圖；

第4-1至4-6圖係顯示第1圖實施例中脫藥過程示意圖；

第5圖係顯示B炸藥之高效液相層析圖；

第6圖係顯示B炸藥脫藥實驗彈頭殘餘炸藥高效液相層析圖；

第7圖係顯示B炸藥脫藥實驗炸藥收集槽內炸藥高效液相層析圖；

第8圖係顯示B炸藥脫藥實驗壓力緩衝槽內炸藥高效液相層析圖。

Claims (5)

1. 一種以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法，該方法係將一砲彈彈體置入一熔出槽，再將一二氧化碳超臨界流體注入至該熔出槽，其特徵為：於低於三硝基甲苯熔點的最適溫度55℃及三硝基甲苯可熔出的最適壓力25MPa熔出條件下，於三硝基甲苯呈熔融狀態下快速進行一熔出脫藥作業。
2. 如申請專利範圍第1項所述之以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法，其中該砲彈彈體內裝藥包含三硝基甲苯及以三硝基甲苯為基質的炸藥之其一。
3. 如申請專利範圍第2項所述之以超臨界流體進行彈頭裝藥熔融脫藥的方法，其中以三硝基甲苯為基質的炸藥包含B炸藥、阿馬圖、奧克圖及阿猛乃之其一。
4. 如申請專利範圍第3項所述之以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法，其中以該熔出條件自三硝基甲苯為基質的炸藥所得之熔出物中包含至少99%的三硝基甲苯。
5. 如申請專利範圍第1項所述之以超臨界流體進行彈頭脫藥的方法，其中該熔出脫藥作業的過程係採批次式進行，以簡化作業流程。