Библиографическое описание:

Федяева О. А., Захаров В. А., Фисенко Т. Е., Кулешов Д. А. Каталитическое обезвреживание монооксида углерода на катализаторе ZnTe // Молодой ученый. — 2016. — №24. — С. 124-128.



В проточном реакторе при атмосферном давлении и температурах 295–423 К изучена реакция гидрирования оксида углерода (II) на полупроводниковом катализаторе ZnTe. Установлено, что основным продуктом реакции является газообразный формальдегид. Идентификация формальдегида была проведена по УФ-спектрам.

Образование формальдегида с ростом температуры уменьшается, что указывает на протекание побочных экзотермических процессов, тормозящих основную реакцию. Побочными продуктами реакции гидрирования оксида углерода (II) в воздушной среде могут быть оксид углерода (IV) и муравьиная кислота. В результате реакции поверхность ZnTe частично очищается от оксида углерода (IV).

Подтверждена предложенная ранее схема механизма реакции гидрирования оксида углерода (II) на теллурид кадмия и других алмазоподобных полупроводниках.

Изученный катализатор может быть использован в электронных приборах — каталитических преобразователях для контроля загрязнения окружающей среды монооксидом углерода.

Ключевые слова: катализатор, монооксид углерода, гидрирование, реактор

Разнообразие и гигантские масштабы производства приводят к весьма существенному воздействию его на окружающую среду и вызывают изменение атмосферы и климата, состояния гидросферы и литосферы. Так, только за счёт сжигания химического топлива в атмосферу планеты ежегодно выбрасывается свыше тонн оксидов углерода, следствием чего происходит загрязнение атмосферы, парниковый эффект и разрушение озонового слоя [1]. В связи с этим, проблема очистка выбросов от оксидов углерода весьма актуальна.

Для удаления следов CO и CO2 из обогащённых водородом газов в промышленном синтезе аммиака, при синтезах метанола и Фишера-Тропша используется каталитическое гидрирование оксидов углерода. Смесь окиси углерода и водорода, известная под названием синтез — газ, используется для получения многих продуктов в промышленных масштабах, таких как метиловый спирт, формальдегид и др.

Особое влияние на выход и характер получаемых продуктов оказывают катализаторы. Для этой цели в настоящее время используют металлы: Сu, Fe, Co, Ru, Ni и окислы MgO, ZnO, A12O3, ThO2, K2O, Cr2O3 и др. [2].

В данной работе изучена реакция гидрирования монооксида углерода на порошковом катализаторе ZnTe при атмосферном давлении и температурах 293–423 К. Схема каталитической установки включала мембранный насос, трубчатый реактор диаметром 0,5 см с длиной слоя катализатора 3 см, помещённый в печь, расходомер, барботёр с водой для поглощения продуктов реакции.

Ввод смеси монооксида углерода и водорода в установку производили медицинским шприцем при одинаковом объёмном соотношении водорода и оксида углерода (II). Реакцию гидрирования проводили при объёмной скорости газа-носителя (воздуха) 0,5 л/мин. Анализ состава образующихся продуктов осуществляли путём отбора проб раствора из барботёра и их анализа методом УФ спектроскопии на приборе Specol 1500. Толщина кюветы — 1 см.

Учитывая, одним из продуктов гидрирования монооксида углерода может быть газообразный формальдегид, образование которого возможно при комнатной температуре без участия катализатора, степень превращения реакции оценивали по изменению интенсивности полосы поглощения в УФ-спектре при 185 нм, отвечающей электронному переходу в молекуле формальдегида. Из-за спектральных ограничений нашего УФ-спектрометра за 100 % сигнал принимали интенсивность полосы поглощения 191 нм в метаноле (IМЕТ = 1,9637 отн. ед.). Выбор метанола в качестве стандарта обусловлен тем, что переход , характеризующийся низшей энергией, свойственен не только формальдегиду, но и большинству карбонильных соединений.

Химическое состояние поверхности катализатора до и после проведения реакции контролировали методами ИК-спектроскопии и измерения водородного показателя pH. ИК-спектры снимали на приборе InfraLUM FT-02 c использованием селеновой приставки МНПВО. Водородный показатель водных суспензий ZnTe измеряли с помощью комбинированного измерителя Seven Easy pH в комплекте с комбинированным электродом InLab 413.

УФ — спектроскопические исследования водных растворов, содержащих продукты гидрирования монооксида углерода показали, что без участия катализатора основным продуктом реакции является газообразный формальдегид (рис. 1). В водных растворах в УФ-спектре ему соответствуют две полосы поглощения 185 и 270 нм, которым отвечают и электронные переходы в молекуле формальдегида соответственно [3, 4]. Орбитали na и nb представляют собой несвязывающие молекулярные орбитали, на которых находится неподелённая пара электронов кислорода.

Степень превращения исходной газовой смеси в формальдегид составляет 33,56 %. Образование формальдегида при участии катализатора уменьшается с ростом температуры (таблица), что указывает на протекание побочных процессов, протекающих с выделением теплоты и тормозящих образование формальдегида.

Согласно предложенной в [5, 6] схеме механизма реакции гидрирования CO, первой стадией процесса является адсорбция молекулярного водорода на анионных вакансиях полупроводника с образованием частиц Н2+ и Н+. Во второй стадии атомы водорода взаимодействуют с поверхностными координационно-ненасыщенными атомами металла. На следующих стадиях путём внедрения СО по связям металл-водород образуется формильный лиганд, происходит присоединение молекулы водорода к металлическому центру, далее формальдегид восстанавливается и переходит в газовую фазу.

1) H2 (г) + V → Н2+ (адс) + F

Н2+ (адс) + V → 2 Н+ (адс) + F,

где V — вакансия, F — F-центр;

2) H + M → H ― M;

G:\kolbasa\My Pictures\Scan Pictures\схем2 - копия (3).bmp

Побочными процессами гидрирования монооксида углерода могут быть реакции окисления формальдегида и монооксида углерода кислородом воздуха и др:

СН2О +1/2 О2 → НСООН + 270,4 кДж/моль

НСООН + ½ О2 → СО2 + Н2О +14,5 кДж/моль

НСООН → СО + Н2О — 53,7 кДж/моль

СН2О → СО + Н2 + 1,9 кДж/моль

2СН2О + Н2О → СН3ОН + НСООН + 122,0 кДж/моль

СО + ½ О2 → СО2 + 283,0 кДж/моль

2СН2 О → НСООН + 132,6 кДж/моль

ИК-спектроскические исследования (рис. 2) показали, что на исходной поверхности теллурида цинка присутствует оксид углерода (VI), адсорбированный на координационно-ненасыщенных атомах цинка с образованием линейной структуры (полосы 2372, 2341 см-1) и анионных вакансиях теллура с образованием карбоксилатной структуры : КИРОВСКАЯ%20БУДАНОВА%20а(полосы 1496, 1542 см-1). После проведения реакции гидрирования интенсивность этих полос немного уменьшилась и появились новые полосы поглощения 937 и 1037 см-1, которые согласно [3], можно отнести к валентным колебаниям связи металл — углерод Me — C. Появление этих полос указывает на участие поверхностных металлических атомов в реакции гидрирования монооксида углерода и подтверждает предложенную схему механизма реакции.

Измерения водородного показателя образцов водных суспензий теллурида цинка показали, что в результате реакции гидрирования монооксида углерода поверхность подкисляется (рис. 3). Это может быть связано с образованием муравьиной и угольной кислот.

Таким образом, в результате выполненных исследований было установлено, что исходная поверхность теллурида цинка содержит адсорбированный из воздуха оксид углерода (VI), который образует линейные и карбоксилатные структуры. В результате реакции гидрирования CO происходит частичная очистка поверхности от CO2. Основным продуктом реакции гидрирования монооксида углерода на полупроводниковом катализаторе ZnTe является формальдегид. Образование формальдегида с ростом температуры уменьшается, что указывает на протекание побочных экзотермических процессов, тормозящих основную реакцию. Побочными продуктами реакции гидрирования оксида углерода (II) в воздушной среде могут быть оксид углерода (VI) и муравьиная кислота. Подтверждена предложенная ранее схема механизма реакции гидрирования оксида углерода (II) на CdTe и других алмазоподобных полупроводниках. Изученный катализатор может быть использован в электронных приборах — каталитических преобразователях для контроля загрязнения окружающей среды монооксидом углерода.

G:\kolbasa\Дипломы\План магистров\УФ-спектры поглотит раствора.jpg

Рис. 1. УФ-спектры метанола (1), водных растворов продуктов взаимодействия CO + H2 (1:1) без участия катализатора при 295 К (2) и с участием катализатора ZnTe при 295 К (3), 373 К (4), 423 К (5), 388 К (6)

G:\kolbasa\Дипломы\План магистров\ИК-спектры ZnTe гидр со.jpg

Рис. 2. ИК-спектры теллурида кадмия долгое время хранившегося на воздухе (1) и после реакции гидрирования монооксида углерода (2)

G:\kolbasa\Дипломы\План магистров\диспергир ZnTe.jpg

Рис. 3. Кривые изменения водородного показателя водной дисперсии теллурида цинка хранившегося на воздухе (1) и после реакции гидрирования монооксида углерода (2)

Таблица 1

Изменение интенсивности полосы поглощения 191 нм истепени превращения монооксида углерода иводорода вформальдегид на катализаторе ZnTe взависимости от температуры

Температура, К

Интенсивность полосы 191 нм (I), отн. ед.

Степень превращения,%

295

0,4092

20,84

373

0,2089

10,64

388

0,2178

11,09

423

0,1718

8,75

Литература:

  1. Соколов Р. С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2т. –М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. — Т.1 Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. — 368 с.
  2. Общая химическая технология. Под редакцией докт. техн. наук профессора Мухленова И. П. — М.: Высш. шк., — 1964. С. 484–495.
  3. Драго Р. Физические методы в химии. Т.1. М.: Мир, 1981. — 423 с.
  4. Методические указания № 4525–87 по фотометрическому измерению концентраций формальдегида и метанола в воздухе рабочей зоны.
  5. Федяева О. А. Физико-химические свойства поверхности полупроводниковой системы CdXHg1-XTe. Монография. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. — 172 с.
  6. Федяева О. А. Совместная адсорбция монооксида углерода и водорода на поверхности твёрдых растворов CdXHg1-XTe / О. А. Федяева / Изв. Вузов. Химия и хим. технология. — 2012. — Т. 55. — № 5. — С. 85–88.
Основные термины (генерируются автоматически): монооксида углерода, гидрирования монооксида углерода, реакции гидрирования, гидрирования оксида углерода, реакции гидрирования монооксида, реакции гидрирования оксида, оксид углерода, механизма реакции гидрирования, катализаторе znte, оксидов углерода, полосы поглощения, среды монооксидом углерода, продуктом реакции, результате реакции, продуктами реакции гидрирования, обезвреживание монооксида углерода, газообразный формальдегид, реакции гидрирования co, результате реакции гидрирования, основным продуктом реакции.

Ключевые слова

катализатор, реактор, монооксид углерода, гидрирование

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос