Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы значительно возросло применение экологически чистого окислителя - озона в различных областях химии, промышленности, сельского хозяйства, медицины. Вместе с тем, озон является токсичным веществом. Остаточные количества озона необходимо утилизировать перед выбросом в окружающую среду. Наиболее эффективным способом конверсии озона является его разложение на гетерогенных катализаторах. Поэтому изучение каталитического разложения озона и исследование механизма этого процесса является чрезвычайно актуальной задачей в химии озона.
В литературе имеется достаточно много работ, особенно патентов, посвященных каталитическому распаду озона. В основном они посвящены вопросам создания различных катализаторов разложения озона и практическим проблемам утилизации на них остаточного озона. Такие же до конца не выясненные вопросы, как механизм каталитического распада озона, лимитирующая стадия данного процесса, времена жизни озона на поверхности катализаторов, константы скорости элементарных реакций представляют несомненный теоретический и практический интерес. Прогресс в понимании этих проблем позволит вести целенаправленный поиск и научную разработку новых каталитических композиционных систем, эффективно разлагающих озон.
Цель работы. Целью данной работы является изучение кинетики и механизма каталитического распада озона, в частности выяснение лимитирующей стадии этого процесса, и определение таких количественных характеристик, как время жизни адсорбированных озона и кислорода на поверхности марганец-медных оксидных катализаторов.
В качестве объекта исследования нами были взяты цементсодержащие катализаторы разложения озона. Данные каталитические композиции разработаны на химическом факультете МГУ совместно с Новомосковским институтом азотной промышленности и прошли успешные испытания в промышленных условиях.
Кроме катализаторов нами изучался распад озона на чистом носителе -талюме (талюм - это смесь моно-диалюминатов кальция), поскольку в литературе известно несколько цементсодержащих катализаторов разложения озона, однако данные об активности носителя отсутствуют.
Исследования проводились двумя способами. В первом, классическом методе, активность катализатора определяли по скорости ухода молекул из газовой фазы. Во втором, калориметрическом, активность измеряли по количеству выделяющегося в процессе разложения озона тепла. Калориметрический метод исследования позволяет следить за выделением тепла на поверхности катализатора в ходе реакции. Это дало нам возможность сделать важные выводы о механизме каталитического распада озона и определить ряд количественных характеристик реакции гетерогенного распада озона.
Научная новизна. Положения, представляющие научную новизну и выносимые на защиту, заключаются в следующем:
измерены коэффициенты разложения озона на поверхности катализаторов состава Мл02-СиО-талюм, Мп02-талюм, CuO-талюм и впервые на поверхности талюма;
- предложен механизм разложения озона на поверхности катализатора.
Впервые установлено, что лимитирующей стадией данного процесса является
десорбция продукта разложения - кислорода;
- впервые определены времена жизни адсорбированных озона и
кислорода на поверхности изучаемых каталитических композиций;
- проведено моделирование процесса выделения тепла на поверхности
катализаторов при разложении озона. Впервые определень: константы
скоростей отдельных стадий механизма гетерогенного разложения озона на
марганец-медном катализаторе.
Практическая значимость. Полученные результаты представляют интерес для решения проблемы утилизации остаточных количеств озона при его промышленном использовании, важны для понимания механизма гетерогенно-каталитического разложения озона и создания новых эффективных каталитических композиций конверсии озона. Разработанные в диссертации методика и программное обеспечение могут быть использованы при исследовании других экзотермических гетерогенно-каталитических процессов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции "Озон-94", г. Уфа, 1994 г.; на Международной конференции "Modern Trends in Chemical Kinetics and Catalysis", Новосибирск, 1995 r.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы, включая два тезиса докладов на конференциях и одну статью в научном журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 149 страниц, включая 26 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 97 наименований.