CC BY
90
УДК 542.92.73
Винникова С.А., Антонюк М.Н., Говоруха Е.Р., Петров А.Ю., Дьяконов В.А., Чащин В.А., Нефедова Н.В.
РАЗЛОЖЕНИЕ ОЗОНА НА СЕРЕБРЯНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ НАНЕСЕННОГО ТИПА
Винникова Светлана Андреевна, магистр 1 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: [email protected];
Антонюк Мария Николаевна, студентка 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Говоруха Евгения Романовна, магистр 1 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Петров Антон Юрьевич, старший преподаватель кафедры Стандартизации и инженерно-компьютерной графики; Дьяконов Виктор Александрович, ведущий инженер кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Чащин Валерий Александрович, ведущий научный сотрудник кафедры физической химии;
Нефедова Наталья Владимировна, к.т.н., доцент факультета Технологии неорганических веществ и
высокотемпературных материалов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Деструкция озона является актуальной проблемой современности. В настоящее время каталитическое разложение озона следует признать одной из наиболее эффективных и широко применяемых технологий. В исследовании использовались катализаторы нанесенного типа. Активная фаза - серебро, нанесенное на носитель из нержавеющей стали. Для оценки эффективности конверсии было определено количество озона, разложенного на испытанном катализаторе, попутно была исследована активность катализаторов в зависимости от условий их синтеза.
Ключевые слова: нанесенные катализаторы; деструкция озона; серебряные катализаторы; очистка отходящих газов.
THE DECOMPOSITION OF OZONE ON A SILVER CATALYST OF THE TYPE CAUSED
Vinnikova S.A., Antonyuk M.N., Govoruha E.R., Petrov A.Y., Deaconov V.A., Chashchin V.A., Nefedova N.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Exhaust-contained ozone destruction remains an actual problem of the modernity. For now, ozone catalytic destruction proved to be one of most effective and widely applied technologies. Supported catalysts were used within the investigation. Silver is an active phase of the catalyst, and stainless steel acts as a carrier and support media. The ozone amount, decomposed over the catalyst being tested, allowed to assess conversion efficiency, catalyst activity dependancy on the synthesis conditions has been investigated as well.
Keywords: supported catalyst; ozone destruction; silver-containing catalysts; exhaust gases cleaning.
В России предельно допустимой концентрацией выброса составляет 3.3 мкг/м3 [2]. В настоящее
(ПДК) озона в воздухе считается 30 мкг/м3. В время для разложения озона в очистных
течение 7 лет в Москве регистрируются сооружениях типа ГРОК используется катализатор
повышенные концентрации озона. Повышение нанесенного типа КНК, в состав которого входит
концентрации озона является следствием платина концентрацией 0,015 %масс на носителе
антропогенного загрязнения атмосферы, что гопталюм марки ГТТ [3]. Цель работы: подбор
подтверждается постоянным содержанием озона над сопоставимых по эффективности, но более дешевых
морем, составляющим 17 мкг/м3. При катализаторов деструкции озона.
концентрациях озона 60 - 80 мкг/м3 и выше В качестве носителей использовались ячеисто-
проявляется токсическое воздействие озона на каркасные металлические структуры, разработанные
человеческий организм, опубликованы данные о на кафедре физической химии РХТУ им. Д. И.
повреждении легких и бронхов, снижении Менделеева (патенты РФ №2184794, №2213645).
иммунитета. Когда содержание озона превышает Это структуры, в виде спиралевидных тел вращения,
уровень в 70 мкг/м3, оно сопровождается образованные дискретными проволочными
повышением средней смертности на 0.4 % [1]. элементами (рис.1). Их многократное соединение в
Озон широко применяется в качестве контактных зонах приводит к получению материала
экологически чистого окислителя, в ходе с плотностью от 0,4 до 1,5 г/см3 и с полностью
эксплуатации систем воздухоочистки возникает доступной внутренней поверхностью,
проблема разложения остаточного озона. ПДК геометрическая площадь которой может изменяться
от 10 до 200 см /см . Контур витка проволочного элемента может иметь форму круга, эллипса, п-угольника с п>3 и в том числе спирали Архимеда. Диаметр дискретного проволочного элемента в 10100 раз превышает диаметр проволоки. Шаг спирали при этом варьируется от 1,5 до 10 диаметров проволоки, а количество витков от 2-3 до 20. Спиралевидные элементы, выполненные из нержавеющей проволоки диаметром 75 мкм и свитые в спираль с внутренним диаметром 1,5-2 мм, шагом 0,5 мм, высотой 2-3 мм.
Рис.1. Внешний вид ячеисто-каркасного спиралевидного металлического носителя.
ш
к Ш/U
г МИЯЙ W1
г * Ш ;
Ш
ЯН
^fNÜHMfe' 1
r -^1111
Рис. 2. Поверхность ячеисто-каркасной металлической структуры при увеличении 500 мкм
Рис.3. Спиралевидный металлический носитель, нанизанный на стекловолоконную нить.
Нержавеющий носитель имеет гладкую, неразвитую структуру (рис.2), рекомендуется развить поверхность, делая ее шероховатой для лучшего сцепления активного металла с носителем. Травлению и нанесению активной фазы подвергли гирлянду из 95 штук описанных "бусин", насаженных на стекловолоконную нить (рис.3) для химических методов травления и нанесения, для электрохимических на никелевую проволоку. Подготовка поверхности осуществлялась методом глубокого рельефного травления, с предварительным обезжириванием носителя в
ацетоне. Травление проходило по двум методам: химическое (№1) и электрохимическое (№2) травление. Состав травящего раствора и условия проведения №1: азотная кислота HNO3 (74% масс), KCl и H2O. Мольное отношение Vhn03/vkci = 5.7. Мольное отношение vHNO3+KCi/vH2O = 4.1. Время травление 5 мин, 2 мин, 1 мин. Отношение Am/m, где Am разница масс до и после травления, а m масса до травления. При времени травления 5 минут Am/m = 50%, при 2 минутах Am/m = 18,2%, при 1 минуте Am/m = 5%.
Электрохимическое травление: электролит - соляная кислота концентрацией 0,05 Н. Продолжительность катодного и анодного периодов 1:2, выгрузка носителя происходила в анодный период. Время травления составило 20 минут, сила тока 1=0,9 А, напряжение U=30 V. Отношение Am/m = 12,3%. Результаты травления рис. 4.
Рис. 4. Поверхность носителя: А - после химического травления; Б - после электрохимического травления.
Для нанесения серебра использовался раствор AgNO3 концентрацией 1 %масс.
Раствор со спиралевидными элементами помещался в сушильный шкаф, нагретый до 80 °С. Процедура нанесения серебра продолжалась до полного осаждения металла из раствора. В процессе испарения происходило разложение нитрата серебра. Рекомендуется восстанавливать серебро при низких температурах, так как процесс восстановления должен проходить медленно. Количество осажденного серебра определяли исходя из данных о содержании серебра в исходном растворе.
Все синтезированные образцы исследовались на активность в процессе деструкции озона в интервале температур от 25 до 75С соответствующему условиям эксплуатации в реальном режиме. В и-образный реактор загружали катализатор объемом V=1 см3, затем пропускали через него озон в течении 10 минут на каждую температурную точку, для каждого образца. Скорость подачи озона составляла 3,6 м3/ч. Объем остаточного озона определялся методом обратной йодометрии, произведенной путем титрования раствора продукта реакции озона с иодидом калия 0,05 н. раствором Na2S2O3 в присутствии индикатора крахмала от черно-фиолетовой окраски до белой.
Масса остаточного озона рассчитывалась по формуле (в пересчете на час):
т(03) = 3-^М(03),
¿vrn
где V - объем тиосульфата натрия; Vm - молярный объем; М(03) - молярная масса озона.
Зависимость степени превращения от температуры при различных методах и условиях травления представлены на рис. 5.
80
< 70
о 60
<
£ 50 5 40 3 30
XI
Ь 20
х 10 со
о
£
<
10
■Хим. Травл. 1 мин--Хим. Травл. 5 мин ■
-Хим. Травл. 2 мин -Эл.хим. травл
20
30
40 50
ТЕМПЕРАТУРА, 5С
60
75
58 ""59
46
ч чч
2l| -♦-----
1 16 21
1
70
80
Рис. 5. Кривые зависимости активности катализатора от температуры при различных условиях и методах травления.
Изучая влияния методов и условий травления на активность катализатора термодеструкции озона, было выявлено, что активность катализатора зависит от степени травления.
Катализатор при подготовке поверхности которого применялось химическое травление в течение 1 минуты показал наихудший результат, можно сделать вывод, что отношение Am/m = 5% недостаточно для хорошего сцепления металла с поверхностью.
Катализатор носитель которого протравливался химически в течение 5 минут, отношение Am/m = 50%, данный носитель истончился, стал хрупким, не сохранил спиралевидную структуру, как показано на рис.2, активность этого катализатора несколько лучше предыдущего при высоких температурах.
Катализатор, синтезированный методом химического травления носителя в течении 2 минут, показал наилучшую активность среди катализаторов, подготовка носителей которых осуществлялась химическим методом травления. Отношение Am/m = 18,2 %. Согласно этим данным
можно сделать вывод, что оптимальное время травления носителя при условиях химического травления, представленного выше 2 минуты.
Катализатор, носитель которого подвергался электрохимическому травлению показал наилучший результат во всем интервале температур. Отношение Am/m = 12,3 %. Активность этого катализатора при температуре 75 °С составила 75%абс.
выполнены
на
Исследования поверхности оборудовании Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева.
Список литературы
1. Веденеева Н. Под озоном не ходить // Московский комсомолец. - 2016. - №27031. - С. 3.
2. Егорова Г.В., Попович М.П., Филиппов Ю.В. // Вести. Моск.ун-та. Сер. Химия. Изд-во МГУ. -1971. - Т.12. №3. - С. 351.
3. Пицхелаури Е.Н., Емельянов Ю.М., Маевская Е.С. и др. Катализатор разложения озона. // А.С. СССР. № 286987. 1969.
