Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Изобретение относится к области переработки политетрафторэтилена и утилизации его отходов и может найти применение для получения растворов, содержащих ионы фтора (электролитов) и используемых для проведения электролиза и химических реакций в растворах с участием ионов фтора с выделением товарных продуктов, в частности водорода, ультрадисперсных оксидов металлов и других соединений.

Известен способ переработки отходов политетрафторэтилена (фторопласт, ПТФЭ) (пат. РФ №2437902, опубл. 2011.12.27), включающий его термодеструкцию, сублимацию продуктов разложения и процесс конденсации. ПТФЭ предварительно смешивают с гидродифторидом аммония (NH₄HF₂) в соотношении от 99:1 до 2,3:1 по массе и выдерживают смесь при 560-590°C в течение 1,0-1,5 часов. Образовавшуюся газовую фазу собирают и конденсируют при 10-90°C с получением дисперсных порошков с выходом более 60% и достаточной адгезионной способностью. Недостатком известного способа является его многоступенчатость, необходимость использования реагентов, а также недостаточно полная утилизация продуктов переработки.

Известен способ переработки отходов политетрафторэтилена (пат. РФ №2387632, опубл. 2010.04.27) путем пиролиза (термического разложения) в присутствии водяного пара (10-15 мас.ч. водяного пара на 1 мас.ч. отходов ПТФЭ) в две последовательные стадии, причем температура пиролиза на первой стадии составляет 600-750°C, а на второй - 500-600°C, при этом температура на первой стадии выше температуры на второй стадии. Способ обеспечивает получение газообразных продуктов пиролиза (до 98%), содержащих фтормономеры и предназначенных для дальнейшей переработки, и мелкодисперсного политетрафторэтилена. Недостатком известного способа является его многоступенчатость, а также сложность аппаратурного оформления, обусловленная необходимостью использования дополнительного оборудования в виде парогенератора, обеспечивающего дозированную подачу водяного пара в реактор.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ переработки политетрафторэтилена с получением нанодисперсного фторорганического материала, описанный в патенте РФ №2341536, опубл. 2008.12.20, включающий термодеструкцию политетрафторэтилена в плазме электрического разряда в переменном электрическом поле при амплитуде переменного напряжения не менее 2 кВ в атмосфере воздуха и последующее охлаждение продуктов термодеструкции.

Известный способ обеспечивает получение порошка, содержащего наноразмерные твердые частицы, который необходимо собирать с поверхности-приемника путем соскабливания либо путем смывания органическим растворителем, например спиртом или ацетоном, в котором порошок частично растворяется, частично образует взвесь, а частично выпадает в осадок, что усложняет способ, а также приводит к частичной потере целевого продукта. Кроме того, известный способ не предусматривает утилизацию образующейся в результате термодеструкции ПТФЭ газовой фазы.

Задачей изобретения является создание простого способа переработки ПТФЭ, обеспечивающего максимально полную утилизацию продуктов его термодеструкции с получением растворов, содержащих ионы фтора.

Технический результат изобретения заключается в повышении полноты утилизации продуктов переработки ПТФЭ при одновременном упрощении способа за счет переведения части газообразных продуктов его переработки в раствор непосредственно в ходе термодеструкции.

Указанный технический результат достигается способом переработки политетрафторэтилена путем его термодеструкции в плазме электрического разряда в переменном электрическом поле, в котором, в отличие от известного, электрический разряд возбуждают между электродом, размещаемым над поверхностью негорючей жидкости на расстоянии, обеспечивающем стабильное протекание разряда, и негорючей жидкостью при амплитуде переменного напряжения 5-12 кВ.

Преимущественно при осуществлении способа в качестве негорючей жидкости используют воду.

Способ осуществляют с помощью установки, схематично показанной на чертеже (фиг.1). Установка включает генератор переменного высоковольтного напряжения 1, реактор 2 из непроводящего материала, выполненный с входами 3 для доступа воздуха отводом 4 для газообразных продуктов, в котором размещены металлические электроды 5 и 6, на которые подается напряжение от генератора 1, и емкость 7 с негорючей жидкостью 8.

Один из электродов размещают над емкостью 7 с негорючей жидкостью 8, в качестве которой преимущественно используют воду, на расстоянии, обеспечивающем стабильное протекание плазменного разряда и зависящем от амплитуды прикладываемого напряжения (чем выше напряжение, при котором возбуждается плазменный шнур разряда, тем больше используемое расстояние). Преимущественно электрод размещают над поверхностью негорючей жидкости на расстоянии 2-20 мм. Второй электрод погружают непосредственно в воду. Между электродами возбуждают электрический разряд с амплитудой переменного напряжения 5-12 кВ. В плазменный шнур разряда, возникающий практически между одним из электродов и водой, помещают образец фторопласта 9, подлежащий переработке. Под воздействием высокой температуры плазмы происходит деструкция фторопласта. Часть продуктов деструкции, содержащих ионы фтора, переходит в воду с образованием раствора (электролита), также содержащего ионы фтора. Другая часть газообразной фазы продуктов деструкции, содержащих, в основном, тетрафторэтилен, отводится из реактора в специальный приемник через отвод 4 и подлежит дальнейшей переработке; при этом твердые наночастицы, состоящие из оксидов, оксифторидов или фторидов материала электродов и фторированной сажи, которые выходят из зоны плазмы и оседают на стенках реактора, также подлежат сбору по известной технологии и дальнейшему использованию в соответствии с их функциональными свойствами.

Наличие ионов фтора в полученном растворе подтверждается проверкой стандартным способом по выпадению в осадок нерастворимой соли - фторида кальция - после добавления в раствор растворимого хлорида кальция.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает практически полную утилизацию трудно перерабатываемых отходов фторопласта, при этом получение растворов, содержащих ионы фтора (в том числе раствора плавиковой кислоты), осуществляется по простой и безопасной технологии без использования агрессивных веществ, требующих, особых условий хранения и мер предосторожности при работе.

Примеры конкретного осуществления способа

Пример 1

В стакан из кварцевого стекла с дистиллированной водой, находящийся в емкости из кварцевого стекла, выполненной с боковыми отверстиями для доступа воздуха и снабженной в верхней части газоотводной трубкой, помещали алюминиевый электрод. Над поверхностью воды, на расстоянии 10 мм, на стандартном зажиме размещали второй алюминиевый электрод. К электродам прикладывалось импульсное напряжение амплитудой 12 кВ; процесс осуществляли в атмосфере воздуха. Между поверхностью воды и электродом возникал плазменный шнур, в который вводили фторопластовый стержень размерами 3×3×150 мм. В месте контакта фторопласта с плазмой наблюдалось голубое свечение, при этом объем стержня уменьшался, что свидетельствовало о его деструкции. Полная деструкция части стержня длиной 10 мм наблюдалась по истечении трех минут процесса.

Образовавшийся раствор обнаруживал кислотные свойства (значение pH ~3±0.5), а после добавления в него хлорида кальция из раствора выпадал нерастворимый осадок фторида кальция, что подтверждает наличие ионов фтора в образовавшемся водном растворе, т.е. образование раствора плавиковой кислоты.

Пример 2

Способ осуществляют по примеру 1, при этом электрод размещают на расстоянии 6 мм над поверхностью воды и к электродам прикладывают импульсное напряжение амплитудой 5 кВ. Полная деструкция части стержня длиной 10 мм наблюдалась по истечении течение трех с половиной минут процесса.

Результаты (свойства раствора) аналогичны полученным в примере 1.

В качестве примеров применения полученного предлагаемым способом раствора, содержащего ионы фтора, в частности, может послужить его использование:

1) для получения водорода. В водный раствор, содержащий ионы фтора, помещали алюминиевую пластину, при этом с поверхности пластины выделялся водород;

2) для получения ультрадисперсных порошков оксидов металлов. В водный раствор, содержащий ионы фтора, помещали медные электроды, к которым прикладывали постоянное напряжение (около 100 вольт). В области положительного электрода активно выпадал в осадок материал в виде ультрадисперсного порошка (на фиг.2 представлено ЭСМ изображение полученного порошка), который, по данным РФА, представляет собой смесь оксидов меди СuО и Cu₂O.