CC BY
42
УДК 66.097.3
С. А. Винникова*, Е. Р. Говоруха, В. А. Дьяконов, В. А. Чащин, Н. В. Нефедова.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: svetlana_vinnikova@mail.ru
ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ ОЗОНА НА СЕРЕБРЯНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ
В результате работы были установлены условия деструкции озона в отходящих газах промышленных предприятий. В процессе использовались катализаторы, синтезированные методом рельефного ("глубокого") химического травления ячеисто-каркасных металлических носителей и нанесения активной фазы. Была определена масса озона, разложенного на катализаторе, и исследована активность катализаторов с различным содержанием серебра 1 и 2%.
Ключевые слова: деструкция озона; очистка отходящих газов; нанесенные катализаторы; катализаторы на серебре; химическое травление.
В российском воздухе в 90-е годы, специалистами отмечены повышенные уровни концентрации озона, при которых следует ограничивать прогулки в определенное время. Предельно допустимой концентрацией озона в воздухе считается 30 мкг/м3. Повышение концентрации озона не происходит без вмешательства человека, это доказывается тем, что над морем озон всегда регистрируется на уровне 17
мкг/м3.
В Москве в течение 7 лет регистрируются повышенные концентрации озона и внутри помещений и на придомовых участках. Больше озона оказалось в Подмосковье, это связано с запыленностью столицы, а молекулы озона чувствительны к пыли, поэтому часть этих молекул разрушается. При концентрациях озона 60 - 80 мкг/м3 и больше озон начинает отравлять организм, выжигая ткани легких и бронхов, снижая иммунитет. После уровня в 70 мкг/м3, дальнейшее возрастание средней концентрации озона повышает среднюю смертность на 0,4 %, а средняя концентрация озона 100 мкг/м3 повышает смертность еще на 1 - 2 % и далее. Наибольшее количество озона на улице отмечено в весенне-летний период, так как при повышенной температуре и ярком солнце идут фотохимические реакции. [1]
Озон эффективно применяется в различных областях науки, технологии и производства, в качестве экологически чистого окислителя. При использовании озона на практике возникает проблема разложения остаточного озона. Предельно допустимая концентрация выброса составляет 3,3 мкг/м3, выше этой концентрации выброс озона в окружающую среду запрещен. Газоразрядный очистной комплекс "ГРОК" [2] комбинирует универсальные методы и передовые технологии, которые способны очистить от взвешенных частиц и дезактивировать большой спектр аэрозольных и газообразных загрязнителей в диапазоне расчетных концентраций. Система состоит из блоков, последний, блок финишной очистки, включает в себя нейтрализацию технологического озона и завершение конверсии остаточных концентраций
токсичных компонентов. В настоящее время в блоке финишной очистки используется
низкотемпературный нанокатализатор (КНК), содержащий драгоценные металлы [3]. Цель заключается в подборе эффективных, но более дешевых катализаторов нанесенного типа для финишной очистки отходящих газов. В качестве носителей использовались ячеисто-каркасные металлические структуры. Впервые они были разработаны на кафедре физической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева (патенты РФ № 2184794, №2213645). Носитель представляет собой структуру, образованную дискретными
проволочными элементами в виде спиралевидных тел вращения, их многократное соединение в контактных зонах приводит к получению материала с плотностью от 0,4 до 1,5 г/см3 и с плотностью доступной внутренней поверхностью,
геометрическая площадь которой может меняться от 10 до 200 см2/см3. Контур витка проволочного элемента может иметь форму круга, эллипса, n-угольника с n>3 и в том числе спирали Архимеда. Диаметр дискретного проволочного элемента в 10 -100 раз превышает диаметр проволоки. Шаг спирали при этом варьируется от 1,5 до 10 диаметров проволоки, а количество витков от 2-3 до 20. Многократный контакт элементов приводит к созданию пространственной структуры, газо- и гидродинамические сопротивления которой, а также прочность и геометрическая поверхность (отнесенная к единице объема), определяется формой и размерами дискретных элементов. На рисунке 1 представлена структура материала.
Рис. 1. Внешний вид проволочного ячеисто-каркасного металлического носителя.
Поверхность проволочного носителя гладкая, не имеет шероховатостей, которые могли бы обеспечить удержание функциональных покрытий на носителе (рис.2). Для развития поверхности использовалось рельефное ("глубокое") химическое травление.
Рис. 2. Поверхность исходного образца спиралевидного элемента ячеисто-каркасной структуры.
Объекты исследования: спиралевидные элементы, выполненные из проволоки диаметром 125 мкм и свитые в спираль с внутренним диаметром 3-3,5 мм, шагом 0,5 мм, высотой 5-6 мм ("буса"). Травлению подвергалась предварительно взвешенная гирлянда из 15 штук "бус", насаженных на капроновую нить.
Травящий раствор состоял из HNO3 (74%масс.), KCl и H2O. Их соотношение в растворе варьировали, изменяя мольное отношение Vhno3/Vkci и молярную долю Н20 (NH2o)
Рис. 3. Морфология поверхности "бус" после травления в режиме: vHN03/vKCl = 5.0, N^0 = 0,51, т = 5 мин, Дт/т =10,2%
■Гурии--
Рис. 4. Морфология поверхности "бус" после травления в режиме: vHN03/vKCl = 5.8, NH20 = 0,41, т = 5 мин, Ат/т = 12,2%
Рис. 5. Морфология поверхности "бус" после травления в режиме: vHNO3/vKCl = 6.5, NH2O = 0,45, т = 6 мин, Am/m = 11,7%
Нанесение активной фазы на ячеисто-каркасные металлические носители происходило с использованием раствора AgNO3 с концентрацией 1 и 2%масс. Химическое осаждение серебра осуществлялось по реакции:
2Ag+„ + Fe (Ni) = 2Ag0 + Fe+2(Ni+2).
Спиралевидные элементы помещали в раствор азотнокислого серебра, нагревали до температуры 80 °С, после к раствору добавляли концентрированную соляную кислоту, количество которой определяло характеристики осажденного слоя серебра.
Процедура нанесения серебра продолжалась до полного осаждения металла из раствора. Протекание сопровождалось изменением цвета раствора (от темно-оранжевого до желто-зеленого). Количество осажденного серебра определяли исходя из данных о содержании серебра в исходном растворе.
Исследования активности катализаторов термодеструкции озона проводились при различных температурах, в интервале от 25 до 75 °С. В реактор загружали катализатор V = 2 см3, затем пропускали через него озон. Длительность пропускания озона через слой катализатора составляла 20 минут на каждую температурную точку, для каждого образца. Скорость подачи озона 3,6 м3/ч. Объем прошедшего озона определялся расчетно по данным 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 озона рассчитывалась по формуле (в пересчете на час):
^ "т
где V - объем тиосульфата натрия, Vm - молярный объем, M(O3) - молярная масса озона.
На графиках (рис.6) представлены результаты исследований.
Рис. 6. Результаты исследований: 1 - без активации; 2 - активация 2 часа; 3 - активация 3,5 часа; 4 - активация 5
часов; а - активность, %; t - температура, °С.
Изучение активности катализаторов в интервале температур эксплуатации 25^75 °С показало, что максимальная степень деструкции озона у образца Л§/Ме с содержанием Л§~2%масс. Активация катализаторов в озоне в диапазоне от 2-х до 5 -ти
часов при 20 °С привела к увеличению максимальной активности у образца Л§/Ме с содержанием Л§~2%масс и составила 89 %. Серебряный катализатор активен при температуре окружающей среды без дополнительной активации.
Винникова Светлана Андреевна, студентка 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Говоруха Евгения Романовна, студентка 4 курса факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Дьяконов Виктор Александрович, ведущий инженер кафедры Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Чащин Валерий Александрович, ведущий научный сотрудник кафедры физической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Нефедова Наталья Владимировна, к.т.н., доцент факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
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
Svetlana Andreevna Vinnikova*, Evgenia Romanovna Govoruha, Viktor Aleksandrovich Deaconov, Valery Aleksandrovich Chashchin, Natalya Vladimirovna Nefedova.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: svetlana_vinnikova@mail.ru
THERMAL DESTRUCTION OF OZONE IN THE SILVER CATALYSTS
Abstract
As a result, conditions were created destruction of ozone in the exhaust gases of industrial plants. In use, the catalyst synthesized relief means ("deep"), chemical etching cellular-frame metal the basis and applying an active phase. Determined mass of ozone decomposed on the catalyst and the catalyst activity was investigated with the various contents of silver and 1 to 2%.
Key words: destruction of ozone; cleaning of exhaust gases; supported catalysts; catalysts on silver; chemical etching.
