Электроразрядное Инициирование восстановления Ni(III) из метагидроксида никеля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 537.52:614.48

Р.В. Якушин*, В.А. Бродский, В.А. Колесников, А.В. Чистолинов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected]

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ NI(III) ИЗ МЕТАГИДРОКСИДА НИКЕЛЯ

Инициирование окислительно-восстановительных процессов в водных растворах с использованием метода электроразрядной плазмы является представляет интерес с научной и практических позиций Проведены исследования по воздействию электроразряда на окислительно-восстановительные процессы, протекающие в системе Ni(III)/Ni(H)-H2O. Наблюдается процесс восстановления Ni(III) в Ni(II) под действием циклического воздействия искрового разряда, сопровождающийся изменением окислительно-восстановительного потенциала раствора.

Ключевые слова: электроразрядная плазма; искровой разряд; окислительно-восстановительная реакция; никель

Инициирование окислительно-восстановительных процессов в водных растворах с использованием метода электроразрядной плазмы является представляет интерес с научной и практических позиций. Привлекательность электроразрядной технологии заключается в том, что для ее реализации не требуется введения высокотоксичных химических реагентов, поскольку метод обеспечивает многофакторное воздействие на обрабатываемую жидкость — высокоактивные окислители с малым временем жизни (ОН-радикалы, пероксид водорода), озон, УФ-излучение и прочее [1].

Однако широкое практическое внедрение электроразрядной плазменной технологии

ограничено фрагментарностью фундаментальных знаний о кинетике и механизмах окислительно-восстановительных процессов, инициируемых в разряде [2].

Обработка модельных растворов проводилась в циклическом режиме искровым разрядом, реализуемым в реакторе электроразрядной плазмы с тангенциальной подачей жидкости в зону реакции — газоразрядную камеру (рис.1). Разряды возникали в пространстве между центральным электродом и корпусом реактора. Формирование электрического поля в реакторе обеспечивали подведением напряжения от высоковольтного источника импульсного тока, частота переменного напряжения которого составляла 45 кГц, амплитуда 6 кВ, ток до 1,0 А [3].

Ввод газа

Ввод

жидкости

Центральный электрод

Формирователь плёнки жидкости

1 ¿поразрядная камера

Плёнка жидкости

Рис. 1. Реактор обработки жидкости искровым разрядом

Проведены исследования по воздействию электроразряда на окислительно-восстановительные

процессы, протекающие в системе Ni(Ш)/Ni(П)-H2O. Исходным соединением, присутствующем в обрабатываемой системе, являлся малорастворимый гидратированный оксид никеля (III) — метагидроксид №0(0Н). В ходе циклической обработки искровым разрядом системы малорастворимого соединения №(Ш)-Н20 наблюдалось растворение дисперсной фазы в растворе. Точка резкого перехода системы из дисперсного состояния в истинный раствор совпадала с экспоненциальным повышением концентрации №2+ в растворе и точкой перегиба кривых Е (Рис. 2).

При электроразрядной обработке проводилось измерение окислительно-восстановительного

потенциала (Е) и рН модельных систем. Как показано на рисунке 2 при электроразрядной обработке модельной системы, содержащей 100 мг/л №(Ш), за первые 4 цикла обработки отмечается рост значения Е системы без значительного роста концентрации №2+ в растворе, что, как предполагается, может быть обусловлено наработкой в системе требуемой для протекания реакции концентрации пероксида водорода, выполняющего роль восстановителя в присутствии сильного окислителя №0(0Н). После четвертого цикла обработки искровым разрядом наблюдается падение окислительно-

восстановительного потенциала (Е) системы при одновременном возрастании концентрации ионов никеля (II) в растворе. Предполагается, что падение значения Е модельной системы может происходить вследствие расходования пероксида водорода, главным образом, за счет повышения концентрации потенциалопределяющего иона №2+.

Согласно диаграмме Пурбе для системы М-Н20 в области высоких значений потенциалов термодинамически устойчивыми являются малорастворимые соединения никеля (III) в форме оксидов и гидроксидов; при перемещении вдоль постоянного значения рН в область значений Е, близких к нулю, термодинамическую устойчивость проявляет №2+(раствор). Данная закономерность подтверждается экспериментально при исследуемых концентрациях никеля (III) (10, 50, 100 мг/л) в модельных системах.

Цикл обработки

Рис. 2. Зависимость концентрации М2+ и изменения Е при электроразрядной обработке модельной системы 100 мг/л М(Ш)-вода (амплитуда 2,5 кВ; ток 1,0 А; частота 45 кГц; скорость протока 0,6 м3/ч).

Показано влияние цикла воздействия искрового разряда на системы, содержащие №+3 различных концентраций. Полное восстановление №+3 за короткое время обработки (до 5 циклов) достигается в случае исходных концентраций ионов металла (10, 50 мг/л). Максимально продолжительного воздействия для достижения значения а=(Скон.- Сисх.)/Скон порядка 99,5% потребовала система с концентрацией 100 мг/л никеля (III).

В таблице 1 приведены зависимости концентрации №2+ в растворе и изменение окислительно-восстановительного потенциала систем от продолжительности электроразрядной обработки.

Таблица 1. Зависимости степени перевода малорастворимого соединения М(Ш) в М(П) и Е системы от цикла электроразрядной обработки (*а=(Скон.- Сис,)/Скон.; амплитуда 2,5 кВ; ток 1,0 А; частота 45 кГц; скорость протока 0,6 м3/ч)

Цикл обрабо тки С исх.(№3+)= 100 мг/л Сисх.(№3+)= 50 мг/л Сисх.(№3+)= 10 мг/л

а*,% Е, мВ (СВЭ) а*,% Е, мВ (СВЭ) а*,% Е, мВ (СВЭ)

0 0 60 0 85 0 270

1 3 210 5 270 99,0 10

2 5 350 16 320 - -

3 8 480 50 240 - -

4 15 540 87 100 -

5 60 410 99,5 25 - -

6 90 265 - - - -

7 99 80 - - - -

8 99,5 35 - - - -

Таким образом, изменение окислительно-восстановительного потенциала (Е) системы №(Ш)/№(П)-Н20 от цикла обработки проходит с возрастанием и дальнейшим снижением значений. Момент перегиба совпадает с началом интенсивного нарастания концентрации ионов №2+ в растворе.

Якушин Роман Владимирович, аспирант кафедры инновационных материалов и технологии защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Бродский Владимир Александрович, к.х.н., с.н.с. кафедры ТНВиЭП РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва Колесников Владимир Александрович, д.т.н., проф., заведующий кафедрой ТНВиЭП РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Чистолинов Андрей Владимирович, ст. инженер отдела экспериментальной магнитоплазменной аэродинамики и плазмохимии гетерогенных смесей, НИЦ-2, Объединенного института высоких температур Российской академии наук, Россия, Москва

Литература

1. Bobkova E. S., Shikova T. G., Grinevich V. I., Rybkin V. V., Mechanism of hydrogen peroxide formation in electrolytic-cathode atmospheric-pressure direct-current discharge //High Energy Chemistry. - 2012. - Т. 46. - №. 1. - С. 56-59.

2. Bobkova E. S., Grinevich V. I., Ivantsova N. A., Rybkin V. V., A study of sulfonol decomposition in water solutions under the action of dielectric barrier discharge in the presence of different heterogeneous catalysts //Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 2012. - Т. 32. - №. 1. - С. 97-107.

3. Yakushin R. V., Kolesnikov V. A., Brodskiy V. A., Ofitserov E. N., Chistolinov A. V., Degradation of organic substances in aqueous solutions under the action of pulsed high-voltage discharges //Russian Journal of Applied Chemistry. - 2015. - Т. 88. - №. 8. - С. 1338-1342.

Yakushin Roman Vladimir ovich*, Brodskiy Vladimir Aleksandrovich, Kolesnikov Vladimir Aleksandrovich, Chistolinov Andrey Vladimirovich

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

INITIATION OF THE PROCESS OF NI(III) REDUCTION FROM NICKEL METAHYDROXIDE BY ELECTRIC DISCHARGE

Abstract. The initiation of redox reactions in aqueous solutions using the method of discharge plasma is interest to scientific and practical positions. Electrodischarge influence on the redox processes are available in the system Ni (III) / Ni (II) -H2O was investigated. There is a reduction process Ni(III) under the influence of cyclical effects of the spark discharge, accompanied by a change in the redox potential of the solution. Key words: low-temperature plasma; spark discharge; redox reaction; nickel