CC BY
14
УДК 03.01.02
РАЗРАБОТКА, КОМПЬЮТЕРНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ И МОНИТОРИНГ ЦЕПОЧКИ РЕАКТОРОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ДЛЯ БТСЖО КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ*
Е. А. Морозов, С. В, Трифонов Научный руководитель — А. А. Тихомиров
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: yegormorozov@ibp.ru
Рассматриваемая технологическая цепочка переработки органических отходов в удобрения применительно к замкнутым экосистемам космического назначения состоит из реакторов «мокрого сжигания», разложения мочевины и синтеза H2O2. Авторы разрабатывают единый интерфейс сбора данных о параметрах работы вышеназванных реакторов, и систему автоматического управления ими.
Ключевые слова: пилотируемые космические полеты, замкнутые системы жизнеобеспечения, круговорот, переработка отходов, автоматизация
DEVELOPMENT, COMPUTER AUTOMATION AND MONITORING OF PHYSICO-CHEMICAL WASTES TREATMENT REACTORS CHAIN FOR SPACE APPLICATION BTLSS
Ye. A. Morozov, S. V. Trifonov Scientific Supervisor - А. А. Tikhomirov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: yegormorozov@ibp.ru
The considered technological chain of organic wastes treatment into fertilizers applied to space application closed ecosystems comprises the reactors of "wet incineration", urea decomposition, and H2O2 synthesis. The authors develop a united interface collecting data of the reactors operation parameters, and the reactor's automation control system.
Keywords: human spaceflight, closed life support systems, turnover, waste treatment, automation
Пилотируемые космические миссии длительностью более 2 лет, начиная от полета на Марс и далее, а тем более решение задач терраформирования планет и межзвездных перелетов, требуют использования замкнутых биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО). Процессы переработки органических отходов играют важную роль в формировании БТСЖО космического назначения, определяя размеры буферных емкостей и время автономного существования БТСЖО [1].
Разрабатываемая на кафедре ЗЭС СибГАУ совместно с ИБФ СО РАН последовательная технологическая цепочка переработки органических отходов для получения из них питательных растворов для выращивания культурных растений применительно к замкнутым экосистемам космического назначения состоит из трех основных реакторов: «мокрого сжигания», разложения мочевины и синтеза H2O2
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-14-00599) в ИБФ СО РАН.
Сначала органические отходы (прежде всего экзометаболиты человека, а так же возможно несъедобная биомасса растений, рыбные отходы, и т.д.) смешиваются с 33 % Н2О2 и через сутки поступают в реактор «мокрого сжигания» [2]. Перекись водорода активируется переменным электрическим током [3], образующиеся **О и **ОН радикалы запускают цепную реакцию окисления органических веществ в растворе. Получаемый на выходе «мокрого сжигания» продукт состоит из раствора, газа, и небольших количеств осадка. Состав газовых компонент и технология их вовлечения в круговоротные процессы БТСЖО описана в [4]. После процесса «мокрого сжигания» в растворе остается более 90 % мочевины.
Поскольку мочевина не усваивается многими растениями, раствор вместе с осадком далее направляется в реактор разложения мочевины. Ранее использовалась технология разложения мочевины ферментом уреазы получаемой из соевой муки [5]. В настоящее время, параллельно ведутся эксперименты с разложением мочевины с помощью катализатора из платиновой фольги. После любого варианта процесса разложения мочевины, осадок отстаивают и доокисляют в смеси НЫО3+Н2О2. Процесс извлечения элементов минерального питания высших растений из осадка в доступные формы в раствор описан в [6]. Необходимую для доокисления осадка и коррекции рН поливочных растворов на гидропонике азотную кислоту получают нитрификацией аммиака, связываемого в газовых скрубберах реакторов «мокрого сжигания» и разложения мочевины.
Ранее синтез Н2О2 предполагалось осуществлять из кислорода и растворов минерализованных экзометаболитов на газодиффузионных электродах по процессу описанному в [7]. Однако основным недостатком этого метода является крайне низкий срок службы газодиффузионных электродов и необходимость их частой замены, что увеличивает массу БТСЖО. В настоящее время параллельно ведутся исследования по разработке реактора синтеза Н2О2 из воды и кислорода под давлением с помощью ионизации насыщенного кислородом слоя жидкости эксилампой в диапазоне длин волн вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Из всех процессов физико-химической переработки отходов, процесс синтеза Н2О2 в любой реализации - наиболее энергоемкий.
Объектом исследования является технологическая цепочка процессов переработки органических отходов в удобрения для гидропоники, а так же автоматизация, мониторинг и управление вышеназванными процессами. Проблемы исследования заключаются в повышении эффективности, технологичности и надежности отдельных звеньев технологической цепочки переработки органических отходов, уменьшении массы БТСЖО в расчете на члена экипажа, а так же автоматизации, мониторинге и управлении вышеназванными процессами.
За последнее время авторами разработана и экспериментально проверена на растениях салата в качестве тест-объекта технология доокисления осадка от «мокрого сжигания» в смеси НЫО3+Н2О2. Более половины таких необходимых элементов минерального питания высших растений, как Са, М^, Р, Бе, и др. были ранее связаны в труднорастворимом осадке и недоступны для минерального питания. Удалось перевести более 90 % вышеназванных элементов минерального питания в ионную форму доступную в растворе. Достигнуто увеличение продуктивности салата более чем в 2 раза при использовании питательного раствора, приготовленного из одинакового количества минерализованных экзометаболитов человека с использованием технологии растворения осадка по сравнению с раннее использовавшейся технологической цепочкой. Проанализирована большая часть газовых компонент процесса, ведутся работы по изучению динамики окисления остающихся от доокисления осадка в смеси НЫО3+Н2О2 небольших количеств воска в почвоподобном субстрате (ППС). Работы по вовлечению осадка от «мокрого сжигания» в круговорот БТСЖО обладают принципиальной новизной и делаются впервые в мире.
Разработана, аппаратно и программно реализована система мониторинга в реальном времени с записью на компьютер параметров протекания процесса «мокрого сжигания» для реактора с рабочим объемом 6л, разгонным напряжением 100 В и рабочим 50 В, а также автоматическое и/или дистанционное управление через компьютер вышеназванной установкой [8]. В настоящее время сделан реактор «мокрого сжигания» с рабочим объемом 9л для экипажа из 3 человек, рассчитанный для будущего эксперимента в комплексе БИОС-4, который будет оснащен технологиями нового поколения.
Проблемой работы данного реактора оказалась измененная геометрия с меньшим расстояние между электродами, изменилось соотношение тока и напряжения, материал стенок был
заменен с керамики на фторопласт, и тщательно загерметизированы газовые пути. В результате, первое переключение реактора при прежней автоматике происходит раньше, чем раствор успевает разогреться до рабочей температуры (95-100 оС), что увеличивает время протекания процесса и ухудшает качество продукта. По всей видимости, потребуется еще одна ступень переключения автоматики - включение пеногасителя и катализатора по давлению, как и было, но переключение напряжения с разгонного на рабочие по иному принципу - по достижении заданной температуры раствора. Отключение установки, вероятно, так и останется по отрицательному давлению. Также актуальна задача разработки аналогичной системы компьютерного мониторинга и автоматизации для остальных реакторов вышеназванной технологической цепочки для создания единой информационной системы управления экспериментальным стендом БТСЖО.
Наиболее важной на сегодня задачей для запуска эксперимента по замыканию системы нового поколения БИОС-4 с людьми как первого значимого шага экспериментальной проверки существующих на сегодня концептуальных решений для полетной версии БТСЖО является создание энергоэффективной, экологически чистой, технологичной и легко встраиваемой в существующую цепочку круговоротных процессов БТСЖО установки синтеза Н2О2 из электроэнергии и имеющихся в системе потоков веществ. Существующий антрохиноновый процесс промышленного синтеза Н2О2 крайне проблематично использовать для БТСЖО из-за сложности и объемности технологической цепочки. В настоящее время, авторы ведут теоретические исследования для подготовки эксперимента по синтезу Н2О2 из внутрисистемной воды барботируемой кислородом под давлением под воздействием вакуумного ультрафиолета или ионизирующих излучения. Ведутся теоретические исследования для определения оптимальной длины волны ВУФ эксилампы или конструкции ионизатора, а так же повышения эффективности процесса с помощью катализаторов. Планируется провести серию экспериментов для получения поверхности оптимума эффективности процесса синтеза Н2О2 в зависимости от:
- длины волны;
- интенсивности излучения;
- давления атмосферы из чистого О2 внутри реактора;
- толщины слоя воды;
- скорости протока;
- интенсивности барботажа;
- катализаторов и стабилизаторов;
- иных параметров процесса, которые могут оказаться существенными, если их варьирование технически реализуемо доступными средствами.
После получения данной поверхности оптимума процесса, будет возможно создание полномасштабной установки, синтез алгоритмов и системы управления реактором синтеза Н2О2. Второй возможный подход заключается в поиске путей существенного продления срока службы электродов и облегчения процесса их воспроизводства в системе для процесса описанного в [7].
Процесс автоматического управления реактором разложения мочевины на платине заключается в поддержании постоянного тока в цепи при меняющейся электропроводности раствора в результате нагрева и химических реакций, а также термостатировании при выходе реакции на рабочую температуру, и отключении по прошествии заданного времени. В первом приближении, может осуществляться по жестко заданной программе.
В качестве дополнительной второстепенной задачи автоматизации, при наличии времени, возможна автоматическая дозация Н2О2 в ходе реакции при использовании первого варианта процесса разложения мочевины с использованием уреазы, получаемой из соевой муки по заданным интервалам времени. Также возможна автоматическая дозация части Н2О2 в ходе первичного процесса «мокрого сжигания», управляемая по току для сокращения расхода Н2О2. Управление реактором нитрификации КН3 не входит в объем данной работы, однако также является перспективной задачей.
Полученные результаты и ведущиеся авторами в настоящее время исследования по доработке технологической цепочки процессов последовательной переработки отходов в удобрения являются частью большого цикла работ по развитию высокозамкнутых БТСЖО космического назначения. Представляется, что данные разработки могут быть востребованы при освоении
среднего и в долгосрочной перспективе дальнего космоса, начиная от исследовательских баз на Марсе и других планетах, до решения задач терраформирования и межзвездной колонизации.
Библиографические ссылки
1. Gitelson J. I., Lisovsky G. M., MacElroy R. Manmade Closed Ecological Systems. Taylor & Francis Inc., 2003. 400 p.
2. Перспективы использования «мокрого» сжигания органических отходов в пероксиде водорода для замкнутых систем жизнеобеспечения / С. В. Трифонов, Ю. А. Куденко, А. А. Тихомиров и др. // Химия в интересах устойчивого развития. 2014. Т. 22, № 2. С. 203-208.
3. Уcтрoйcтвo oптимизирoвaннoй утилизaции oтхoдoв жизнедеятельшсти челoвекa и неcъедoбнoй биoмaccы рacтений, привoдящее к голучению из них удoбрений / Е. A. Мoрoзoв, C. В. Трифoнoв, Ю. A. Куденто и др. / Штент № 146378, Рoccия, 2014.
4. Assessing the feasibility of involving gaseous products resulting from physicochemical oxidation of human liquid and solid wastes in the cycling of a bio-technical life support system / A. Tik-homirov, Yu. Kudenko, S. Trifonov et al. // Adv. in Space Res. 2012. V. 49, P. 249-253.
5. Физико-химическая переработка экзометаболитов человека для замкнутых систем жизнеобеспечения / Е. Ф. Сутормина, С. В. Трифонов, Ю. А. Куденко и др. // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. Т. 19, С. 413-420.
6. Development of human exometabolites deep mineralization method for closed ecosustems / A. A. Tikhomirov, S. V. Trifonov, E.A. Morozov et al. // Doklady Akademii Nauk, Doklady Biochemistry and Biophysics. 2016. Vol. 470. P. 316-318.
7. Электросинтез перекиси водорода из кислорода в газодиффузионных электродах в растворах минерализованных экзометаболитов / Г. А. Колягин, В. Л. Корниенко, Ю. А. Куденко и др. // Электрохимия. 2013. Т. 49, № 10. С. 1120-1124. DOI: 10.7868/S0424857013100095.
8. Компьютерная автоматизация установки «мокрого сжигания» органических отходов для замкнутых экосистем / М. Ю. Салтыков, Е. А. Морозов, А. В. Мурыгин и др. // Вестник СибГАУ. 2017. Т. 17, № 2. С. 438-443.
© Морозов Е. А., Трифонов С. В., 2017
