CC BY
437
УДК:541.124:546.125+828.3
А.Р. Морозов, А.И. Родионов, И.Н. Каменчук*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 *e-mail: kamenc-irina@y andex. га
КИНЕТИКА РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ВОДЕ
Получены данные по кинетике разложения пероксида водорода при различных рН, температуре и его начальных концентрациях, в том числе в присутствии активного угля БАУ и образца того же угля, импрегнированного гидроксокарбонатом никеля. Рассчитаны константы скорости реакции процесса в слабокислой и щелочной средах. Для щелочной среды проведена оценка величины энергия активации процесса. Предложено использовать активный угль БАУ в качестве адсорбента-катализатора в процессе окисления поверхностно-активных веществ (ПАВ) пероксидом водорода.
Ключевые слова: пероксид водорода, разложение, кинетика, активный уголь, очистка воды от ПАВ
В настоящее время актуальной является проблема очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ, поскольку они присутствуют в сточных водах многих предприятий, таких как многочисленные автомойки, автобазы, прачечные, а также в городских бытовых водах. При этом применяются многочисленные композиции моющих средств, включающих ПАВ, которые плохо окисляются биохимически на городских очистных сооружениях и попадают в окружающую среду, загрязняя ее. К таким ПАВ относятся неионогенные, одними из которых являются нонилфенолэтоксилаты - торговая марка - «неонолы».
Существует много способов очистки воды от ПАВ, в частности, это коагуляция, напорная флотация, пенная сепарация, которые позволяют снизить концентрацию ПАВ в воде до 50-100 мг/л. Недостатком этих методов является необходимость утилизации пеноконденсата и относительно низкая степень очистки. Для доочистки воды применяют, как правило, адсорбцию и деструктивные методы -биохимическую очистку и в последнее время -окисление сильными окислителями, такими как озон и пероксид водорода. Недостатком адсорбционных методов очистки является необходимость периодической регенерации используемых адсорбентов. Окислительные методы, в частности, озонирование, хотя и требуют высоких затрат энергии, но при их использовании можно добиться разложения органических загрязнителей вплоть до СО2 и воды[1]. При этом озон и пероксид водорода не только дополнительно не загрязняют воду продуктами своего распада, но способствуют насыщению ее кислородом, который образуется при разложении выше указанных окислителей.
Пероксид водорода, по сравнению с озоном имеет то преимущество, что позволяет легко создавать в очищаемой воде практически
любые концентрации окислителя, а в сочетании с небольшими дозами озона обеспечивать высокую степень очистки воды от трудно окисляемых примесей[1].
Однако известно, что высокую скорость окисления загрязнителей пероксидом водорода можно обеспечить только при использовании катализаторов процесса его разложения. Такими катализаторами являются различные металлы, импрегнированные металлами адсорбенты и в их числе активные угли [2].
Для решения задач очистки воды от трудно окисляемых неионогенных НПАВ наиболее подходящими катализаторами являются активные угли, которые могут на своей поверхности не только разлагать пероксид водорода, но и хорошо адсорбировать эти вещества и другие органические примеси..
Целью данной работы являлось изучение кинетики разложения пероксида водорода в воде при различных рН среды, температурах, и его начальных концентрациях, а также оценка возможности использования доступных активных углей для ускорения этого процесса.
В первой серии опытов изучали изменение во времени концентрации пероксида в растворах, имеющих постоянную начальную концентрацию, равную 170 мг/л, но отличающихся величиной рН(3,0 -10) и температурой(500С -900С). рН растворов изменяли путем добавления в них либо соляной кислоты, либо натриевой щелочи, контроль вели по показаниям рН-метра. Температуру раствора пероксида водорода изменяли путем выдерживания стеклянной колбы со 100 мл его раствора в водяном термостате, нагретом до необходимого заданного уровня. По истечению заданного промежутка времени
термостатирования (5 - 60 минут) в растворе иодометрическим методом определяли остаточную концентрацию пероксида водорода
[3]. В результате были получена серия кинетических кривых разложения пероксида водорода при различных условиях. Анализ этих кривых показал, что при всех изученных рН среды степень разложения Н2О2 закономерно увеличивается с повышением температуры, однако в лучшем случае даже при 90оС она не превышает 23% отн. Следует отметить резкое
снижение интенсивности процесса в нейтральной среде.
В качестве примера в табл. 1 и на рис. 1 и 2 приведены данные по степени (% отн.) и массовой скорости (мг/мин) разложения пероксида водорода для опытов, проведенных при выдержке раствора при постоянной температуре в течение 60 минут.
Таблица 1
Результаты опытов по разложению Н2О2 в воде при различных температурах и рН среды
( время- 60 минут, начальная С Н2О2 =150 мг/л)
Степень разложения а ,% отн.
№ рН Температура, о С
п/п 50 70 80 90
1 3,0 11,6 11,6 13,9 13,9
2 4,7 16,1 21,8 20,7 22,9
3 7,0 7,1 9,3 11,6 13,9
4 10,0 13,9 16,1 20,7 21,8
Рис. 1. Влияние рН и температуры на массовую
скорость разложения Н2О2 в воде ( время- 60 минут, начальная С Н2О2 =150 мг/л)
Рис. 2. Изменение степени разложения пероксида водорода во времени при различных температурах в щелочной среде (Начальная конц. Н2О2 - 150 мг/л, рН=10)
Из них следует, что наилучшими условиями с точки зрения степени разложения для 50оС и 70оС, является слабо кислая среда - рН=4,7 а для более высоких температур щелочная - рН=10.
Следует отметить, что скорость разложения пероксида водорода изменяется во времени. При всех изученных условиях в первые 20 минут от начала опыта она существенно выше, затем процесс разложения затухает или даже совсем прекращается, как это имеет место, например, при 50оС (см. рис. 2). О такой возможности упоминается в одном из разделов монографии [2], касающемся процесса саморазложения пероксида водорода под влиянием различных факторов.
Преимущество кислой среды по сравнению со щелочной при малом времени процесса следует из кинетических кривых, полученных при температуре - 90оС (см. рис.3) Ход кривых свидетельствует о том, что после 30 минут от начала процесса разложения окислителя влияние рН невелируется.
В следующей серии опытов изучали влияние начальной концентрации пероксида водорода на кинетику его разложения. В данных опытах его растворы имели постоянную величину рН=10. Температуру в водяном термостате поддерживали на уровне 70оС, а начальную концентрацию пероксида водорода изменяли в интервале 50 - 250 мг/л. Щелочная среда и температура для дальнейших исследований были взяты исходя их возможной области применения пероксида водорода для адсорбционно-каталитической очистки сточных вод прачечных.
На рис.4. приведена зависимость степени разложения Н2О2 после 60-минутной выдержки раствора в термостате при 70оС от начальной концентрации окислителя. Из них следует, что с увеличением концентрации пероксида водорода его степень разложения монотонно уменьшается с 14,5 отн. % при 50 мг/л до 9,2 отн. % при 250 мг/л.
00
Константа скорости реакции К,1/мин
о о о
о о о о о
о о о о о
о о о ю
сл сл ю сл
=
■а о -о
X
г. р
в Й ы
» се о - Ъ В =
о
■а о - - =
= » ^ г.
73 се ъ
к X
х ^
о г. X
с о - о 73 г
я
= Е
Е - ■а а
о ^
о
= о |
х
о г
73 £
^
й
Остаточная конц. Н202,
о -ь о о
¡5 ¡£ ел от о о о о о
(О
о -1 тз ш ь
(О
о -1 тз ш ь
ю о
со о
о
сл о
о> о
о
с 7
/ у
/
ГО 1
л> г
мин
й
о »
к -
■а о се
■е-■а а т, с
М -
-
£
I
О
■л
=
■а
в
п -
г. -
я
в =
а -
а
: ь < в
и 1 »
> Н О
- -а ¡8
-о
3
О О
Я
»
л
а о
-
а -
с £
X
О
X С X
С =
73 а
С =
И
И
Остаточная КОНЦ. Н202, мг/л
Степень разложения, %
Расчет степени разложения пероксида водорода после 60 мин его контакта с катализаторами показал, что она увеличилась с 23 до 43 % отн. для исходного угля БАУ и лишь до 40 % отн. для угля, содержащего Ni2+
Нанесение на поверхность угля БАУ никеля даже в таком небольшом количестве снижает его каталитическую активность, вероятно, в результате блокирования части порового пространства угля, доступного для пероксида водорода, из-за большего количества газообразного кислорода, образующегося при его разложении.
Морозов Александр Романович, ведущий инженер-химик, ООО "Чемпион Технолоджис", Россия, Москва
Родионов Анатолий Иванович, д.т.н., профессор РХТУ им. Д.И.Менделеева, Россия, Москва
Каменчук Ирина Николаевна, к.т.н, инженер кафедры Промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Разумовский С.Д., Зайков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М: Наука-1974, 332с.
2. Шамб У,,Сеттерфилд Ч. ,Вентворс Р. Перекись водорода. М: Иностранная литература -1958, 580 с.
3. Аналитическая химия. Количественный анализ. Физико-химические методы анализа: учебное пособие / Ю. Я. Харитонов, Д. Н. Джабаров, В. Ю. Григорьева. - 2012. - 368 с.: ил.
Morozow Aleksandr Romanowich, Rodionow Anatoliy Iwanowich ,KamenchukIrinaNikolaewna*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: kamenc-irina@yandexl.ru
KINETICS OF DECOMPOSITION OF HYDROGEN PEROXIDE IN WATER
Abstract
The obtained data on the kinetics of decomposition of hydrogen peroxide at different pH, temperature, and its initial concentrations, including in the presence of activated charcoal BAU and sample of the same coal impregnated with gidroksicarbamid of nickel. The calculated rate constants of the reaction process in weak acid and alkaline environment. For the alkaline environment of the assessed value of the activation energy process to use activated charcoal BAU as the adsorbent-catalyst in the process of oxidation of the surface-active substances(SAS) and hydrogen peroxide.
Key words: hydrogen peroxide decomposition, kinetics, active corner , water purification from surfactants
Таким образом, на основе проведенного эксперимента можно заключить, что пероксид водорода может быть применен при очистке как слабо кислых, так и щелочных сточных вод в присутствии катализатора - активного угля БАУ. Установлено, что в сопоставимых условиях присутствие угля БАУ почти вдвое увеличивает степень разложения пероксида водорода. Внесение гидроксокарбоната никеля в структуру угля способствует повышению скорости разложения Н2О2 при времени контакта не более 30 минут.
