CC BY
21
УДК 542.943 - 92:661.666.4
*Л.П. Новиков, A.N. Noviko\, e-mail: [email protected] *КА. Марат канава, ЕЛ. Maratkanova, e-mail: [email protected] *,**Г.И. Раздъяконова, GJ. Razdyakonova, e-mail: grazdy [email protected] iif**M.S. Rybakm, e-mail: [email protected]
* Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук. г. Омск, Россия
Institute of Hydrocarbons Processing SB RAS. Omsk. Russia
++Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия
Omsk state teclmical university, Omsk, Russia
*** Green River Community College, Enumclaw, WA, USA
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА НА ВОДНЫЕ СУСПЕНЗИИ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
STUDY OF INTERACTION OF REACTIVE OXYGEN SPEC IES WITH AQUEOUS CARBON BLACK SUSPENSIONS
Установлено, что наименьшее значение показателя рН водной суспензии дисперсного углерода достигается при его окислении не отдельными окислителями, а их смесью. Показало, что увеличение температуры процесса окисления дисперсного углерода N 121 смесью окислителен (Н;0:—03) от 25 "С до 100 "С приводит к снижению показателя рН водной суспензии технического углерода на 1-2 ед.
It was determined, that a minimal pH value of ад aqueous carbon black (N121 grade) suspension is reached when not oxidized by individual oxidants, but by a mixture of two. It was revealed, that increasing of the process temperature from 25 to 100 "C leads to pH decrease of 1-2 units.
Ключевые слова: лмпютйспш углерод, окисление, активные формы кислорода, перекись водорода, озон, рН водной суспензии
Keywords: carbon black, oxidation, reactive oxygen species, hydrogen peroxide, ozone, pH of aqueous suspension
В настоящее время в мире большое внимание уделяется процессам окисления твёрдых углеродных частиц, что связано с развитием экологических технологий и модификации углеродных материалов для различных применений.
Данное исследование направлено на изучение модификации технического дисперсного углерода, который востребован в производство резин, электрохимических устройств, пигментов и пр.
Наибольшую часть (96 %) технического углерода (ТУ) получают способом термоокислительного пиролиза углеводородов при температуре выше 1500 °С. Высокотемпературные режимы приводят к термодеструкции термодинамически неустойчивых кислородсодержащих функциональных групп ТУ, таких как карбоксильных, фенольных, хинонных. лактонных и др.? поэтому в мире получили развитие технологии его постреакторного окисления.
Наиболее перспективными окислителями представляются активные формы кислорода (АФК) - высокореактивные частицы, в состав которых входит кислород [1, 2]. К ним относятся такие молекулы, ноны и ион-радикалы, как перекись водорода (Н2О2). озон (Оз)? синг-летный кислород ^Oj), супероксид (О;^), радикал гидроксила (*ОН) и другие. Перечисленные окислители генерируют на поверхности только кислородсодержащие функциональные группы (не засоряя продукт другими гетероатомами), не изменяют геометрические свойства окисленного ТУ, а также являются безопасными для окружающей среды.
Ранее было показано, что при одновременном использовании двух окислителей наблюдается более ■значительное понижение рН водной суспензии окисленного технического углерода, чем при их раздельном применении [3], что обусловлено синергическим эффектом, приводящим к увеличению концентрации наиболее активных из множества образованных в ходе окислительного процесса АФК. Данное исследование является продолжением ранее выполненного [3] и дополняет его в части температуря ой зависимости процесса окисления технического углерода перекисью водорода в присутствии озона.
Целью данной работы является изучение воздействия окислительной системы АФК (ЕЪСь+Оз) на рН водной суспензии технического углерода при разных температурах.
Объектом исследования служил образец печного технического углерода марки N121, выбор которого обусловлен перспективностью использования его функционализнрованной формы как глубоко-чёрного пигмента при окрашивании полимеров. Его свойства показаны в таблице 1.
Таблица 1
Фнзнко-хн?л1ческие свойства образца технического утлерода марки № 121
Показатель Значение показателя
Удельная полная поверхность по адсорбции азота NSA. м'/г 121
Удельная внешни поверхность STSA, ы*\г 109
рН водной суспензии 7,5
Содержание золы, % 0,38
Массовая доля серы. % 0,31
Окисление образца ТУ проводили в лабораторных условиях при трёх разных температурах (25, 60 и 100 "С) Для этого навеску ТУ, предварительно диспергированную в воде кавитацией ультразвуком 35 кГц, выдерживали при перемешивании в течение 5 минут в водном растворе перекиси водорода (2, 4, б. 3 или 10 % (масс.)) при одновременном барбогнро-вании озоно-воздупшой смесью из озонатора производительностью по озону 400 мг/ч. После отмывки ТУ от реакционной среды и его высушивания при температуре 125 °С определяли рН его водной суспензии (рН(в.с.) ТУ).
Известно, что при окислении ТУ на его поверхности могут образовываться два типа функциональных групп: протоногенные и нейтральные. Сведения о наличии протоногенных групп на углеродной поверхности в скрытом виде содержатся в значении показателя рН(в.с.) ТУ. За его снижение главным образом отвечают протоногенные группы: слабокислотные фенольные (-ОН, рКа = 9,5) и сильнокислотные карбоксильные (-СООН, рКа = 4,3). С учетом разнины их констант диссоциации рКа, наиболее низкие значения рН(в.с.) ТУ достигаются при генерации на углеродной поверхности карбоксильных групп.
Действительно, с ростом концентрации перекиси водорода выше 4% при температуре опыта 100 °С показатель рН(в.с.) практически не менялся (рис. 1а), что может быть связано с образованием максимально возможного количества протоногенных групп на поверхности ТУ, т.е. такого состояния поверхности, при котором генерация новых функциональных групп не возможна даже при высоких концентрациях окислителя.
Из рис. 16 видно, что при температурах 25 и 60 ЭС с повышением концентрации перекиси водорода в суспензии наблюдалось плавное снижение рН(в.с.) ТУ, а при 100 °С при низких концентрациях НлО? - резкое снижение рН(в.с.) ТУ 3 ед.) до постоянного значения 4,5 ед., то есть наибольшее смешение рН(в.с.) ТУ достигается уже при низких концентрациях перекиси водорода.
Увеличение температуры процесса окисления от 25 °С до 100 °С приводит к дополнительному снижению показателя рН водной суспензии технического утлерода на 1-2 ед.. что указывает на преврашение фенольных групп в карбоксильные.
