Каталитическое окисление монооксида углерода Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Химические науки

УДК 546.681

КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА

О.А. Федяева, Омский государственный технический университет (Омск, Россия). В.О. Онучина, Омский государственный технический университет (Омск, Россия),

e-mail: [email protected]

Аннотация. Основой целью данной статьи является рассмотрение каталитического обезвреживания такого загрязнителя атмосферного воздуха, как монооксид углерода, степень воздействия на окружающую среду которого очень значительна в наше время. Рассмотрела и показана реакция каталитического окисления монооксида углерода на мелкодисперсном порошке ZnTe. Исследована зависимость степени превращения монооксида углерода в углекислый газ от температуры и, следовательно, наличие эндотермических процессов данной реакции.

Ключевые слова: монооксид углерода, загрязнение, углекислый газ, катализатор, степень превращения.

CATALYTIC OXIDATION OF CARBON MONOXIDE

Abstract. The main purpose of this article is to consider the catalytic neutralization of an air pollutant, such as carbon monoxide, whose environmental impact is very significant in our time. The reaction of catalytic oxidation of carbon monoxide on fine-grained ZnTe powder was considered and demonstrated. The dependence of the degree of conversion of carbon monoxide to carbon dioxide on temperature and, consequently, the presence of endothermic processes of this reaction was studied.

Keywords: carbon monoxide, pollution, carbon dioxide, catalyst, conversion.

Одним из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу, является моноокид углерода. Соединяясь с гемоглобином крови, даже при очень низкой концентрации, он значительно ухудшает самочувствие человека.

На территории Омской области находится 4325 объектов, являющихся источниками загрязнения окружающей среды, среди которых 766 промышленных предприятий. Основными объектами-загрязнителями являются автомобильный транспорт, ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ», ООО «Омский завод технического углерода», ТЭЦ-5 ОАО «ТГК №11», ОАО «Омск-шина» и другие. Уровень загрязнения воздуха монооксидом углерода в октябре 2016 года составлял 0,2 ПДК. Несмотря на незначительные поступления монооксида углерода в атмосферный воздух города, проблема очистка выбросов от него весьма актуальна.

В данной работе исследована реакция окисления монооксида углерода на мелкодисперсном порошке ZnTe. Реакцию окисления проводили кислородом воздуха при атмосферном давлении в реакторе проточного типа при температурах 293 - 423 К. Схема каталитической установки состояла из мембранного насоса, трубчатого реактора диаметром 0,5 см со слоем катализатора длиной 3 см, помещённого в печь, расходомера, барботёра с поглотительным раствором. Скорость газа-носителя (воздуха) составляла 0,5 л/мин. В качестве поглотительного раствора использовали 0,1 н раствор гидроксида натрия. После проведения опытов поглотительный раствор последовательно оттитровывали 0,1 н раствором соля-

ной кислоты в присутствии фенолфталеина, а затем метилоранжа. Степень превращения монооксида углерода в углекислый газ рассчитывали с учётом холостых опытов без участия катализатора.

Химическое состояние поверхности катализатора до и после проведения реакции контролировали методами ИК-спектроскопии и измерения водородного показателя pH. ИК-спектры снимали на приборе InfraLUM FT-02 c использованием селеновой приставки многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО). Водородный показатель водных суспензий ZnTe измеряли с помощью комбинированного измерителя Seven Easy pH в комплекте с комбинированным электродом InLab 413.

Результаты выполненных исследований представлены на рисунках 1 - 3. Из данных каталитических исследований (рис.1) можно заключить, что при содержании в воздушном потоке монооксида углерода до 70 мкмоль степень его превращения в углекислый газ плавно увеличивается. С ростом температуры степень превращения возрастает и достигает 22% при 423 К. Увеличение степени превращения монооксида углерода с ростом температуры свидетельствует о преимущественном протекании эндотермических процессов. Это могут быть реакции диссоциации и др.

Степень

превращения, %

10 20 30 40 50 60 70 п ; мкмоль

Рис. 1. Зависимость степени превращения монооксида углерода от его количества, введённого в реактор с катализатором ЕпТе, при различных температурах: 1 - 373 К; 2 - 393 К; 3 - 423 К.

Согласно работам [1-3], в данном каталитическом процессе участвуют адсорбированный кислород в форме ион-радикалов О2- , О- и поверхностные атомы металла, а совместная адсорбция СО и О2 протекает преимущественно по ударному механизму с образованием адсорбированных частиц СО2. Согласно [2], в смеси СО и О2 монооксид углерода является активным компонентом, поэтому он в первую очередь будет адсорбироваться на координационно-ненасыщенных атомах металла А (цинка) и при участии поверхностных вакан-сионных дефектов образует комплексы со5+а5~ . Газообразный кислород взаимодействует с адсорбированными молекулами СО. Механизм процесса каталитического окисления СО можно представить следующей схемой:

СО (газ) + А ^ со5+а5- (адс)

cq5+A5- (адС) + e ^ qq, (адС) +А

СО - (адс) + О2 (газ) + e ^ СОз2- (адс) СОз2- (адс) ^ СО2 -(адс) + О - (адс).

СО2 --(адс) = СО2 (адс)

Рис. 2. ИК-спектры теллурида цинка долгое время хранившегося на воздухе (1) и после реакции

окисления монооксида углерода (2)

Согласно ИК-спектроскопическим исследованиям (рис. 2), на поверхности образцов теллурида цинка хранившихся на воздухе присутствует оксид углерода (VI), адсорбированный на координационно-ненасыщенных атомах цинка с образованием линейной структуры о = с = о+5 ->А 5 (полосы 2372, 2341 см-1) и анионных вакансиях теллура с образованием

карбоксилатной структуры

V

asCO,

(полосы 1496, 1542 см-1). После проведения

реакции окисления интенсивность полос 2372 и 2341 см-1 немного увеличивается, исчезли полосы поглощения 1496 и 1542 см-1. Исчезновение данных полос указывает на участие в реакции окисления СО адсорбированного на анионных вакансиях оксида углерода (VI), что подтверждает предложенную в [1-3] схему механизма реакции.

Измерения водородного показателя водных суспензий теллурида цинка показали, что в результате реакции окисления монооксида углерода поверхность образцов подкисляется (рис. 3). Это может быть связано с образованием угольной кислоты.

Рис. 3. Кривые изменения водородного показателя водной дисперсии теллурида цинка хранившегося на воздухе (1) и после реакции окисления монооксида углерода (2)

Таким образом, в результате выполненных исследований было установлено, что при хранении на воздухе поверхность теллурида цинка содержит адсорбированный углекислый газ, который образует линейные и карбоксилатные структуры. В результате реакции окисления CO образуется углекислый газ. Его образование с ростом температуры увеличивается, что указывает на протекание побочных эндотермических процессов. Подтверждена предложенная ранее схема механизма реакции окисления оксида углерода (II) на других алмазопо-добных полупроводниках. Изученный катализатор может быть использован в электронных приборах - каталитических преобразователях для контроля загрязнения окружающей среды монооксидом углерода.

Литература:

1. Федяева О.А. Физико-химические свойства поверхности полупроводниковой системы CdXHg1-XTe. Монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 172 с.

2. Федяева О.А. Совместная адсорбция монооксида углерода и водорода на поверхности твёрдых растворов CdXHg1-XTe // Известия Вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. №5. С. 85-88.

3. Кировская И.А. Полупроводниковые катализаторы: Монография. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2004. 272 с.

4. Кировская И.А., Федяева О.А., Миронова Е.В. Адсорбционные и каталитические свойства теллурида кадмия в реакции окисления монооксида углерода // Омский научный вестник. 2003. №4 (25).

References:

1. Fedyaeva O.A. Fiziko-khimicheskie svoistva poverkhnosti poluprovodnikovoi sistemy CdXHg1-XTe. Monografiya. Omsk: Izd-vo OmGTU, 2013. 172 s.

2. Fedyaeva O.A. Sovmestnaya adsorbtsiya monooksida ugleroda i vodoroda na poverkhnosti tverdykh rastvorov CdXHg1-XTe // Izvestiya Vuzov. Khimiya i khim. tekhnologiya. 2012. T. 55. №5. S. 85-88.

3. Kirovskaya I.A. Poluprovodnikovye katalizatory: Monografiya. Omsk: Izd-vo Om-GTU. 2004. 272 s.

4. Kirovskaya I.A., Fedyaeva O.A., Mironova E.V. Adsorbtsionnye i kataliticheskie svoistva tellurida kadmiya v reaktsii okisleniya monooksida ugleroda // Omskii nauchnyi vestnik. 2003. №4 (25).

— • —

Сведения об авторах

Оксана Анатольевна Федяева, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия», Омский государственный технический университет (Омск, Россия).

Виктория Олеговна Онучина, магистрантка, Омский государственный технический университет (Омск, Россия).