КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА

Монооксид углерода является одним из наиболее опасных веществ, загрязняющих воздушный бассейн. Опасность оксида углерода (I) связана с его высокой токсичностью. Окись углерода, так же как и кислород, связывается с гемоглобином крови. СО вытесняет O₂ из оксигемоглобина (НbО) крови, образуя при этом карбоксигемоглобин (COHb), содержание О₂ снижается с 18-20% до 8%, а разница между содержанием НbО в артериальной и венозной крови уменьшается с 6-7% до 2-4%. Поэтому воздух, содержащий окись углерода, приводит к кислородному голоданию. Вдыхание небольших концентраций СО вызывает появление в организме человека тяжести и ощущения сдавливания головы, сильные боли в области лба и висков, головокружение, шум в ушах, покраснение и жжение кожи лица, дрожь, чувство слабости и страха, жажду, частый пульс, пульсацию височных артерий, тошноту, рвоту. Высокие концентрации газа приводят к немедленной смерти [1].

В естественных условиях CO образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений, а также при сжигании биомассы при возникновении лесных и степных пожаров, извержении вулканов. В почве окись углерода образуется как биологическим путем, так и абиотически (небиологическим). Опытным путем было доказано выделение оксида углерода (I) за счет превращения в почве фенольных соединений, содержащих -ОН и -ОСН₃ группы в орто- или параположениях к первой гидроксильной группе. Количество монооксида, образующегося абиотическим путем, а также его окисление  микроорганизмами зависит от определенных условий окружающей среды, в частности, от влажности и значения рН.

Однако 90% всех загрязнителей имеют антропогенное происхождение. Основными антропогенными источниками окиси углерода в настоящее время служат выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, промышленные предприятия, коммунальное и сельское хозяйств. Значительное количество окиси углерода образуется в процессе курения. При сгорании одной сигареты образуется 10-23 мг СО [2].

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания содержат монооксид углерода и углеводороды из-за неполного сгорания топлива. В большинстве случаев допустимый уровень CO и углеводородов может быть достигнут только при использовании катализатора для их окисления до  СО₂ и Н₂О.

Каталитическое окисление является наиболее рациональным и эффективным методом очистки атмосферного воздуха от монооксида углерода. Для окисления монооксида углерода используют марганцевые, медно-хромовые и содержащие металлы платиновой группы катализаторы. Анализ достоинств и недостатков существующих катализаторов для очистки атмосферного воздуха от СО [3-8] позволяет отметить, что проблема создания доступных, эффективных, экологически безопасных катализаторов актуальна, и исследования в данной области представляют собой перспективное направление.

Катализатор для очистки атмосферного воздуха должен сохранять активность при высоких температурах (1000 °С и выше), которые возникают при окислении загрязняющих веществ высокой концентрации. Большинство из известных каталитических систем не могут выдержать длительного действия этих температур без термической или термохимической деградации катализатора, выражающейся в потере активности, усадке и сильном истирании, что делает катализатор бесполезным. Вышеперечисленное обуславливает цель данного исследования: разработку и апробацию каталитической системы, состоящей из носителя - шамотной глины, и модифицирующих компонентов: диоксида марганца, сульфата меди и раствора аммиака. Для обоснования эффективности работы созданного медь-марганцевого катализатора было изучено действие катализаторов, имеющих разный состав модифицирующих компонентов: марганцевого катализатора, содержащего шамотную глину, диоксид марганца и аммиак, и медного катализатора, содержащего шамотную глину, сульфат меди и аммиак.

Для проведения эксперимента в лабораторных условиях была собрана установка (рис.1.).

Рисунок 1. Схема установки для моделирования процесса очистки воздуха от монооксида углерода в лабораторных условиях: 1 - штатив; 2 - плоскодонная термостойкая колба; 3 - водяная баня; 4 - аллонж; 5 - патрон; 6 - катализатор; 7 - воздухопроницаемый инертный материал; 8 - пробка с газоотводной трубкой; 9 - резиновый шланг; 10 - сосуд с раствором Na₂CO₃.

В лабораторных условиях монооксид углерода получали разложением муравьиной кислоты при нагревании с сильным водоотнимающим реагентом H₂SO_4(конц.):

                                            (1)

Образовавшийся монооксид углерода пропускали через катализатор, при этом часть монооксида углерода окислялась до диоксида, а другая часть вместе с диоксидом углерода поглощалась катализатором.

Для определение количественного содержания CO₂ после очистки катализатором, наиболее эффективным оказалось поглощение углекислого газа раствором карбоната натрия. Содержание CO₂ определяли титриметрическим методом: смесь карбоната и гидрокарбоната натрия титровали соляной кислотой в присутствии двух индикаторов: сначала с фенолфталеином до обесцвечивания, затем с метиловым оранжевым до перехода желтой окраски в розовую.

                                                              (2)

                                             (3)

После пропускания монооксида углерода через модифицированные катализаторы на основе минерального сырья и обработки экспериментальных данных была рассчитана эффективность работы катализаторов, которая оценивается через эффективность окисления монооксида углерода в диоксид углерода и эффективность поглощения монооксида и диоксида углерода сорбентом-катализатором, а также проведен расчет емкости катализаторов.

Таблица 1.

Эффективность работы катализаторов, ν⁰(СО) = 7,8·10^-3 моль

Полученные результаты позволяют отметить (табл.1), что наилучшей степенью очистки обладает система, содержащая диоксид марганца, сульфат меди и аммиак на минеральной основе; менее эффективны катализаторы, модифицированные медью и марганцем отдельно.

Наблюдаемую закономерность можно интерпретировать следующим образом:

1. При работе медь-марганцевого катализатора одновременно протекают процессы окисления: этому способствует диоксид марганца, а также медно-аммиачный комплекс с двухвалентной медью; и сорбции: этому способствует медно-аммиачный комплекс с одновалентной медью, а также диоксид марганца и аммиак.

2. При работе медного катализатора также одновременно протекают процессы окисления и сорбции, но в большей степени очистка воздуха от монооксида углерода осуществляется за счет процесса сорбции: происходит связывание угарного газа медно-аммиачным комплексом с одновалентной медью.

3. При работе марганцевого катализатора наиболее важным процессом, лежащим в основе очистки воздуха от CO, является процесс окисления, которому способствует диоксид марганца.

Высокой сорбции CO и CO₂ во всех рассмотренных выше системах способствует структура катализаторов, а именно, его высокая пористость.

Список литературы:

1. Алыкова Т.В. Аналитическая химия объектов окружающей среды. Лабораторные работы. Вопросы. Задачи : учебное пособие / Т. В. Алыкова. ‒ Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2013. - 197 с.
2. Зобнин Ю.В. Отравление монооксидом углерода (угарным газом). ‒ Санкт-Петербург, 2011. - 86 с.
3. Пат. Республика Беларусь №2530, 30.12.1998.
4. Пат. РФ №2198027, 10.02.2003.
5. Пат. РФ №2241526, 10.12.2004.
6. Пат. РФ №2267354, 10.01.2006.
7. Пат. РФ №2274485, 20.04.2006.
8. Пат. Республика Беларусь №16370, 30.08.2011.