Какие вещества ускоряют процесс разложения озона
Перейти к содержимому

Какие вещества ускоряют процесс разложения озона

  • автор:

БАССЕЙНЫ

Вы здесь: Главная Статьи Библиотека статей Озон — общие сведения

Свойства озона

ОЗОН O³ (от греч. ozon-пахнущий) — аллотропная модификация кислорода, которая может существовать во всех трех агрегатных состояниях. Озон — нестабильное соединение, и даже при комнатной температуре медленно разлагается на молекулярный кислород, однако озон не является радикалом. Физические свойства Молекулярный вес = 47, 9982 г/моль. Газообразный озон имеет плотность 2,144 •10-3 г/см3 при давлении 1 атм и 29° С . Озон – вещество особое. Он крайне нестабилен и при повышении концентрации легко диспропорционирует по общей схеме: 2О3 —> 3О2.В газообразном виде озон имеет голубоватый оттенок, заметный при содержании в воздухе 15—20% озона. Озон при нормальных условиях — газ с резким запахом. При очень низких концентрациях, запах озона ощущается как приятная свежесть, но с увеличением концентрации становится неприятным. Запах замерзшего белья — запах озона. К нему легко привыкнуть. Основное его количество сосредоточено в так называемом «озонном поясе» на высоте 15—30 км. У поверхности земли концентрация озона значительно меньше и абсолютно безопасна для живых существ; существует даже мнение, что полное его отсутствие также отрицательно сказывается на работоспособности человека. При концентрациях порядка 10 ПДК озон ощущается очень хорошо, но через несколько минут ощущение пропадает практически полностью. Это необходимо иметь в виду при работе с ним. Однако озон обеспечивает и сохранение жизни на Земле, т.к. озоновый слой задерживает наиболее губительную для живых организмов и растений часть уф-излучения Солнца с длиной волны менее 300 нм, наряду с СО2 поглощает ик-излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Озон сильнее кислорода растворим в воде. В воде озон разлагается значительно быстрее, чем в газовой фазе, причем исключительно большое влияние на скорость разложения оказывает наличие примесей, особенно ионов металлов.

Озон хорошо адсорбируется силикагелем и алюмогелем. При парциальном давлении озона, например 20 мм рт. ст., и при 0° С силикагель поглощает около 0,19% озона по весу. При низких температурах адсорбция заметно ослабевает. В адсорбированном состоянии озон очень устойчив. Потенциал ионизации озона равен 12,8 эВ. Химические свойства озона Они отличаются двумя главными чертами — нестойкостью и окисляющей способностью. Примешанный к воздуху в малых концентрациях, он разлагается сравнительно медленно, но при повышении температуры разложение его ускоряется и при температуре более 100° С становится очень быстрым. Присутствие в воздухе NO2, Cl, а также каталитическое действие окислов металлов — серебра, меди, железа, марганца — ускоряют разложение озона. Озон обладает столь сильными окислительными свойствами, поскольку один из атомов кислорода очень легко отщепляется от его молекулы. Легко переходит в кислород. Озон окисляет при обычной температуре большинство металлов. Кислые водные растворы озона довольно устойчивы, в щелочных растворах озон быстро разрушается. Металлы переменной валентности (Mn, Co, Fe и др.), многие окислы, перекиси и гидроокиси эффективно разрушают озон. Большинство металлических поверхностей покрывается пленкой окисла в высшем валентном состоянии металла (например, PbO2, AgO или Ag2O3, HgO). Озон окисляет все металлы, за исключением золота и металлов платиновой группы, реагирует с большинством других элементов, разлагает галогеноводороды (кроме HF), переводит низшие окислы в высшие и т. д. Он не окисляет золото, платину, иридий, сплав 75%Fe + 25%Cr. Черный сернистый свинец PbS он обращает в белый сернокислый PbSO4, мышьяковистый ангидрид Аs2O3 — в мышьяковый As2O5 и т. д. Реакция озона с ионами металлов переменной валентности (Мn, Сr и Со) в последние годы находит практическое применение для синтеза полупродуктов для красителей, витамина РР (изоникотиновая кислота) и др. Смеси солей марганца и хрома в кислом растворе, содержащем окисляемое соединение (например, метилпиридины), окисляются озоном. При этом ионы Сr3+ переходят в Сr6+ и окисляют метилпиридины только по метальным группам. В отсутствие солей металлов разрушается преимущественно ароматическое ядро. Озон реагирует и со многими газами, которые присутствуют в атмосфере. Сероводород H2S при соединении с озоном выделяет свободную серу, сернистый ангидрид SO2 превращается в серный SO3; закись азота N2O — в окись NO, оксид азота NO быстро окисляется до NO2, в свою очередь NO2 также реагирует с озоном, причем в конечном счете образуется N2O5; аммиак NH3 — в азотноаммиачную соль NH4NO3. Одна из важнейших реакций озона с неорганическими веществами — разложение им йодистого калия. Эта реакция широко используется для количественного определения озона. Озон реагирует в ряде случаев и с твердыми веществами, образуя озониды. Выделены озониды щелочных металлов, щелочноземельных металлов: стронция, бария, причем температура их стабилизации растет в указанном ряду; Са(O3) 2 стабилен при 238 К, Ва(O3) 2 при 273 К. Озониды разлагаются с образованием надперекиси, например NaO3 —> NaO2 + 1/2O2. Различные озониды образуются также при реакциях озона с органическими соединениями. Озон окисляет многочисленные органические вещества, насыщенные, ненасыщенные и циклические углеводороды. Опубликовано много работ по исследованию состава продуктов реакции озона с различными ароматическими углеводородами: бензолом, ксилолами, нафталином, фенантреном, антраценом, бензантраценом, дифениламином, хинолином, акриловой кислотой и др. Он обесцвечивает индиго и многие другие органические красители, благодаря чему им пользуются даже для отбелки тканей. Скорость реакции озона с двойной связью С=С в 100 000 раз выше, чем скорость реакции озона с одинарной связью С-С. Поэтому от озона в первую очередь страдают каучуки и резины. Озон реагирует с двойной связью с образованием промежуточного комплекса: Эта реакция идет достаточно быстро уже при температурах ниже 0°С. В случае предельных соединении озон является инициатором обычной реакции окисления: Интересно взаимодействие озона с некоторыми органическими красителями, которые сильно флюоресцируют при наличии озона в воздухе. Таковы, например, эйхрозин, рибофлавин и люминол (триаминофталгидразид), и особенно, родамин-В и, сходный с ним родамин-С. Высокие окислительные свойства озона, разрушающие органические вещества и окисляющие металлы (в особенности железо) до нерастворимой формы, способность разлагать растворимые в воде газообразные соединения, насыщать водные растворы кислородом, низкая стойкость озона в воде и самоликвидация его опасных для человека свойств — все это в совокупности делает озон наиболее привлекательным веществом для подготовки хозяйственной воды и обработки различных стоков. Синтез озона Озон образуется в газовой среде, содержащей кислород, если возникнут условия, при которых кислород диссоциирует на атомы. Это возможно во всех формах электрического разряда: тлеющем, дуговом, искровом, коронном, поверхностном, барьерном, безэлектродном и т.п. Основной причиной диссоциации является столкновение молекулярного кислорода с электронами, ускоренными в электрическом поле. Кроме разряда диссоциацию кислорода вызывают УФ-излучение с диной волны менее 240 нм и различные частицы высокой энергии: альфа-, бета-, гамма — частицы, рентгеновские лучи и т.п. Озон получают также при электролизе воды. Практически во всех источниках образования озона существует группа реакций, в результате которых озон разлагается. Они мешают образованию озона, но реально существуют, и их необходимо учитывать. Сюда входит термическое разложение в объеме и на стенках реактора, его реакции с радикалами и возбужденными частицами, реакции с добавками и примесями, которые могут контактировать с кислородом и озоном. Полный механизм состоит из значительного числа реакций. Реальные установки, на каком бы принципе они ни работали, показывают высокие энергетические затраты на выработку озона. КПД генератора озона зависит от того, на какую – полную или активную – мощность рассчитывается единица массы образовавшегося озона. Барьерный разряд Под барьерным разрядом понимают разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом. Из-за того, что электрическая цепь разорвана диэлектриком, питание осуществляется только переменным током. Впервые озонатор, близкий к современным, был предложен в 1897 г. Сименсом. При небольших мощностях озонатор можно не охлаждать, так как выделяющееся тепло уносится с потоком кислорода и озона. В промышленных производствах озон также синтезируют в дуговых озонаторах (плазмотроны), в генераторах озона тлеющего (лазеры) и поверхностного разряда. Фотохимический способ Основная доля произведенного на Земле озона в природе образуется фотохимическим способом. В практической деятельности человека фотохимические методы синтеза играют меньшую роль, чем синтезы в барьерном разряде. Главная область их использования — получение средних и малых концентраций озона. Такие концентрации озона требуются, например, при испытании резинотехнических изделий на устойчивость к растрескиванию под действием атмосферного озона. На практике для производства озона данным методом применяются ртутные и эксимерные ксеноновые лампы. Электролитический метод синтеза Первое упоминание об образовании озона в электролитических процессах относится к 1907 г. Однако до настоящего времени механизм его образования остается неясным. Обычно в качестве электролита применяют водные растворы хлорной или серной кислоты, электроды изготовляют из платины. Использование кислот, меченных О18, показало, что они не отдают своего кислорода при образовании озона. Поэтому брутто-схема должна учитывать только разложение воды: Н2О + O2 —> O3 + 2Н+ + e- с возможным промежуточным образованием ионов или радикалов. Образование озона под действием ионизирующего излучения Озон образуется в ряде процессов, сопровождающихся возбуждением молекулы кислорода либо светом, либо электрическим полем. При облучении кислорода ионизирующей радиацией также могут возникать возбужденные молекулы, и наблюдается образование озона. Образование озона под действием ионизирующего излучения до настоящего времени не было использовано для синтеза озона. Образование озона в СВЧ-поле При пропускании струи кислорода через СВЧ-поле наблюдалось образование озона. Этот процесс мало изучен, хотя генераторы, основанные на этом явлении, часто используются в лабораторной практике. Применение озона в быту и влияние его на человека Озонирование воды, воздуха и других веществ Озонированная вода не содержит токсичных галогенметанов — типичных примесей стерилизации воды хлором. Процесс озонирования проводят в барботажных ваннах или смесителях, в которых очищенная от взвесей вода смешивается с озонированным воздухом или кислородом. Недостаток процесса — быстрое разрушение О3 в воде (период полураспада 15-30 минут). Озонирование применяют также в пищевой промышленности для стерилизации холодильников, складов, устранения неприятного запаха; в медицинской практике — для обеззараживания открытых ран и лечения некоторых хронических заболеваний (трофические язвы, грибковые заболевания), озонирования венозной крови, физиологических растворов. Современные озонаторы, в которых озон получают с помощью электрического разряда в воздухе или в кислороде, состоят из генераторов озона и источников питания и являются составной частью озонаторных установок, включающих в себя, кроме озонаторов, вспомогательные устройства. В настоящее время озон является газом, используемым в так называемых озоновых технологиях: очистка и подготовка питьевой воды, очистка сточных вод (бытовых и промышленных стоков), отходов газов и др. В зависимости от технологии использования озона производительность озонатора может составлять от долей грамма до десятков килограмм озона в час. Специальные озонаторы применяются для газовой стерилизации медицинского инструментария и мелкого оборудования. Стерилизация осуществляется в искусственно увлажненной озонокислородной среде, заполняющей стерилизационную камеру. Цикл стерилизации состоит из стадии замещения воздуха в стерилизационной камере увлажненной озонокислородной смесью, стадии стерилизационной выдержки и стадии замещения озонокислородной смеси в камере микробиологически очищенным воздухом. Озонаторы, применяемые в медицине для озонотерапии, имеют широкий диапазон регулирования концентрации озонокислородной смеси. Гарантированная точность вырабатываемой концентрации озонокислородной смеси контролируется системой автоматики озонатора и автоматически поддерживается. Биологическое действие озона Биологическое действие озона зависит от способа его применения, дозы и концентрации. Многие из его эффектов в разных диапазонах концентраций проявляются в различной степени. В основе лечебного действия озонотерапии лежит применение озонокислородных смесей. Высокий окислительно-восстановительный потенциал озона обуславливает его системное (восстановление кислородного гомеостаза) и локальное (выраженное дезинфицирующее) лечебное действие. Впервые озон как антисептическое средство был использован А. Wolff в 1915 г. для лечения инфицированных ран. В последние годы озонотерапию успешно применяют практически во всех областях медицины: в неотложной и гнойной хирургии, общей и инфекционной терапии, гинекологии, урологии, гастроэнтерологии, дерматологии, косметологии и др. Использование озона обусловлено его уникальным спектром воздействия на организм, в т.ч. иммуномодулирующим, противовоспалительным, бактерицидным, противовирусным, фунгицидным и др. Однако нельзя и отрицать, что методы использования озона в медицине, несмотря на явные преимущества по многим биологическим показателям, до сих пор широкого применения не получили. Согласно литературным данным высокие концентрации озона являются абсолютно бактерицидными практически для всех штаммов микроорганизмов. Поэтому озон используется в клинической практике как универсальный антисептик при санации инфекционно-воспалительных очагов различной этиологии и локализации. В литературе встречаются данные о повышенной эффективности антисептических препаратов после их озонирования при лечении острых гнойных хирургических заболеваний. Выводы относительно бытового использования озона Прежде всего, нужно безоговорочно подтвердить факт применение озона в практике врачевания во многих областях медицины, как терапевтического и обеззараживающего средства, однако говорить о широком его применении пока не приходится. Озон воспринимается человеком с наименьшими побочными аллергическими проявлениями. И даже если в литературе можно найти упоминание об индивидуальной непереносимости O3, то эти случаи никак не могут быть сопоставимы, например, с хлорсодержащими и прочими галогенопроизводными антибактериальными препаратами. Озон — трёхатомный кислород и наиболее экологичен. Кому не знаком его запах “свежести” – в летние жаркие дни после грозы?! Постоянное присутствие его в земной атмосфере испытывает на себе любой живой организм. Источник: https://xenozone.ru

Обсуждение метода разложения озона

Озон является сильным окислителем. Его обычно используют для очистки сточных вод и дезинфекции окружающей среды. Когда концентрация озона, выбрасываемого в окружающую среду, слишком высока, это вредно для организма человека и окружающей среды. Очистная обработка необходима для разложения озона и его последующего выброса.

Озон разлагается сам по себе при комнатной температуре, но очень медленно. Чтобы ускорить разложение озона, обычно используемые методы включают термическое разложение, электромагнитное разложение и каталитическое разложение.

Метод термического разложения ускоряет скорость разложения за счет нагрева озона. Чтобы сократить период полураспада озона до уровня миллисекунд, обычно необходимо нагреть озон выше 400°C. Способ прост по аппаратуре, но имеет недостатки: высокие энергозатраты и высокие эксплуатационные расходы.

В методе фотолиза используются ультрафиолетовые лучи или ближние инфракрасные лучи с длиной волны 1200–1300 нм для облучения озона с целью возбуждения молекул озона и ускорения их разложения. Этот метод имеет низкую стоимость, но низкую эффективность и обычно не используется в отраслях с требованиями к выбросам.

В методе каталитического разложения используются материалы катализатора, вызывающие разложение молекул озона на поверхности катализатора. Этот метод имеет относительно низкую стоимость и высокую эффективность разложения и является наиболее часто используемым методом разложения озона в промышленности.

Компания Hunan Minstrong Technology Co., Ltd. специализируется на производстве катализаторов разложения озона, которые могут эффективно разлагать озон при комнатной температуре и широко используются для очистки выхлопных газов озоном в водоочистке, дезинфекции и других отраслях промышленности, эффективно защищая организм человека и окружающая среда.

Инженеры-химики Minstrong Technology предоставляют клиентам профессиональные технические услуги, чтобы помочь им реализовать наиболее оптимизированную инженерную схему. Нажмите, чтобы просмотреть подробную информацию о катализаторе разложения озона: Катализатор разложения озона Minstrong .

ПРЕДЫДУЩИЙ: Как снизить затраты на ра. СЛЕДУЮЩИЙ: Применение катализатора р.

ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ

  • Применение чувствительного стронция и сильного катализатора разложения озона в машиностроении для озоновой дезинфекции. 2023-11-29
  • Применение катализатора Minstrong при очистке отходящих газов коронной промышленности 2023-08-30
  • Соты катализатора разложения озона Minstrong, применяемые в авиационном фильтре/фильтрации самолета/самолете 2023-08-18
  • Катализатор разложения озона Minstrong, используемый в очистителях озона на водоочистных станциях 2023-08-10
  • Применение катализатора разрушения озона в процессе озонового окисления на очистных сооружениях 2023-07-19

Свойства озона, его взаимодействие с различными веществами и области применения

Свойства озона, его взаимодействие с различными веществами и области применения

В обывательском представлении озон считается безопасным газом, придающим воздуху особый аромат, и образующимся в атмосфере после грозы. Это является верным только для небольшой доли его предельно допустимой концентрации. Озон является газом, токсичным для органов дыхательной и нервной системы человека настолько, что его ПДК его равняется 0,1 мг/м3. Еще одним опасным моментом является привыкание к запаху озона, что даже при его концентрации, составляющей десять допустимых норм, он перестает ощущаться человеком. Озон является взрывоопасным и легкоразлагающимся газом, что так же определяет особенности его использования.

Растворимость и расщепление озона в водной среде

Озон является газом, прекрасно растворяющимся в воде, причем этот показатель растет с понижением температуры. Его растворимость намного выше, чем у азота и кислорода, хотя и меньше, чем у хлора и его диоксида. При растворении озона в воде также идет и его разложение, протекающее с одновременным взаимодействием с загрязняющими веществами, имеющимися в воде. Реакции расщепления озона в водной среде связаны с его взаимодействием с молекулами воды и гидроксид-ионами. В результате этих реакций идет выделение молекул двухатомного кислорода, обладающего так же высокими окислительными свойствами, и образование ионов водорода и гидроксида, а так же перекиси водорода. При диссоциации перекись водорода образует ионы водорода и частицы свободных радикалов, ускоряющих процесс разложения озона, а так же приводящие к началу цепных реакций разложения примесей. К ним таким частицам относятся радикалы супер-кислорода, состоящие из двух атомов и имеющие отрицательный заряд. Тормозом процесса разложения являются ионы карбонатов и гидрокарбонатов, нейтрализующие при взаимодействии ионы гидроксида путем образования углекислого газа и воды. Таким образом, процессы, протекающие при растворении озона в водной среде, проходят одновременно по нескольким механизмам. По выводам из практики принимается, что при растворении в воде одна половина озона существует в виде молекул, а вторая распадается с образованием гидроксильных радикалов.

Свойства озона, его взаимодействие с различными веществами и области применения

Обратный звонок

Наш менеджер свяжется с вами в течение 10 минут чтобы ответить на все интересующие Вас вопросы.

  • НОВОЕ РЕШЕНИЕ В ОБЕЗЗАРАЖИВАНИИ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
  • СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ ДЛЯ ВОЗВРАТА В СИСТЕМУ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПОСЛЕ ЕЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
  • ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ СОКРАЩЕНИЯ СБРОСА СТОЧНОЙ ВОДЫ И ЕЕ ОЧИСТКИ

Взаимодействие озона с различными веществами и механизмы протекания этих процессов

Взаимодействие загрязняющих веществ с озоном происходит за счет прямой реакции с молекулами озона или же с радикалами, появляющимися в процессе его распада. Более активно озон взаимодействует с анионами, чем с нейтральными и катионными веществами.

Озон, являясь активным окислителем, взаимодействует со многими органическими и неорганическими веществами. Из галогенов с озоном не реагирует фтор и практически не вступает во взаимодействие хлор. Бром окисляется озоном сначала до гипобромита, а затем и до броматных соединений. При этом образующийся бромид может параллельно взаимодействовать с веществами органического происхождения и аммиаком. Йод окисляется озоном очень быстро с образованием йодатов и йодноватистой кислоты. Соли галогеносодержащих кислот уже не поддаются озоновому окислению. Практически нейтральными к озону являются азот и его соединения, в том числе аммиак и ионы аммония, а так же нитраты, за исключением аминов, хорошо взаимодействующих с гидроксильными радикалами. Токсичные цианиды легко окисляются озоном в цианаты, дальнейшее окисление которых происходит очень медленно и ускоряется только в присутствии ионов меди, замедляясь при наличии в растворе ионов железа. Сера и сульфитные при взаимодействии с озоном окисляются до сульфатов. Что же касается реакций с металлами, то озон достаточно активно окисляет железо и марганец, кобальт и никель, образуя оксиды и гидроксиды, удаляемые из раствора при флокуляции или фильтрации. Практически пассивен в отношении озона хром, хотя при определенных условиях он может быть окислен им до максимальной степени окисления, шестивалентного хрома.

  • ВИДЫ ОСНОВНЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЗАГРУЗОК И КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТРОВ
  • ОСОБЕННОСТИ СОСТАВЛЕНИЯ ПРОГРАММЫ ОЧИСТКИ СТОКОВ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ СВОЙСТВ И УСЛОВИЙ ВОДООТВЕДЕНИЯ

При взаимодействии озона с органическими веществами реакции проходят по довольно сложному механизму, так как они могут проходить как с непосредственно с молекулами озона, так и со свободными радикалами, образующимися в процессе его разложения. Насыщенные углеводороды характеризуются медленной скоростью реакции с озоном, а основная часть соединений углеводородов с хлором реагируют только с гидроксильным радикалом, образующимся при разложении озона. Практически мгновенно озон реагирует с фенолом и его производными. Карбоновые и кетоновые кислоты не реагируют с озоном, так как относятся к конечным продуктами реакций его взаимодействия со спиртами. Меркаптаны окисляются озоном до сульфоновых кислот, активно взаимодействуют с озоном так же белки и аминокислоты, что объясняет его высокое обеззараживающее действие. Следует отметить активность озона в отношении нейтрализации пестицидов, содержащих эфиры фосфорной кислоты путем окисления до нитратов и углекислого газа.

Применении озона

Благодаря своим свойствам, озон широко используется для очищения воды от фенолов, нефти и нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, аминов, железа и марганца, растворенного сероводорода, а также многих других веществ органического и неорганического происхождения, которые не могут быть эффективно удалены при использовании других методов очистки водной среды. Кроме того, с помощью озонового окисления проводится полное обеззараживание воды даже при значительном бактериальном ее загрязнении, в том числе и от патогенных микроорганизмов, устойчивых к действию хлора и хлоросодержащих дезинфектантов.

Это определяет так же и области его применения, к которым относится очистка воды, применяемой в оборотном водоснабжении, в схемах очищения сточных вод как бытового, так и производственного характера, при очистке нефотесодержащих стоков и сточных вод пищевой промышленности, характеризуемых высоким содержанием органических веществ.

Свойства озона, его взаимодействие с различными веществами и области применения

Для получения более полной информации, надо обратиться к нашим специалистам по телефону
+7 (495) 268-0242, или почте info@nomitech.ru, они окажут помощь в подборе необходимого оборудования, которое будет соответствовать вашим требованиям как в части технических характеристик, так и в ценовом плане.

  • Пробковые или шаровые краны на абразивные среды
  • Преимущества полипропиленовых труб перед металлопластиковыми
  • Применение флокулянтов для предварительной обработки осадка перед обезвоживанием
  • Разновидности пластиковых труб и их применение. Технологии производства фитингов и трубопроводной арматуры
  • Виды трубопроводной арматуры по типу конструкции. Клапаны и их типы

научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И МЕДИ НА РАЗЛОЖЕНИЕ ОЗОНА В ВОДЕ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И МЕДИ НА РАЗЛОЖЕНИЕ ОЗОНА В ВОДЕ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2012, том 86, № 12, с. 1930-1934

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И МЕДИ НА РАЗЛОЖЕНИЕ ОЗОНА В ВОДЕ

© 2012 г. Б. Г. Ершов, П. А. Морозов, А. В. Гордеев

Российская академия наук, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, Москва

E-mail: ershov@ipc.rssi.ru; gordeev@ipc.rssi.ru Поступила в редакцию 24.10.2011 г.

Изучены особенности кинетики разложения озона в воде при рН 2 в зависимости от концентрации присутствующих ионов серебра и меди. Установлено существование «критической» концентрации ионов металлов (примерно (3—6) х 10-5 М), ниже которой ионы снижают скорость разложения озона, а выше нее, напротив, ускоряют процесс. Сделан вывод, что первая область обусловлена захватом ионами металлов гидроксильных и других радикалов, приводящим к ингибированию цепного процесса разложения озона в воде; при дальнейшем увеличении концентрации ионов начинает преобладать реакция их прямого взаимодействия с молекулами озона. Предложен механизм процесса и рассчитаны константы скорости скоростей реакций озона с ионами серебра и меди (0.033 и 0.06 М-1 с-1 соответственно).

Ключевые слова: озон, кинетика разложения, влияние ионов серебра и меди.

Озон — сильнейший окислитель, широко используемый для дезинфекции питьевой воды и очистки водных стоков [1—3]. Окисление растворенных соединений происходит по механизму «косвенного» и/или «прямого» действия [4—10]. «Косвенный» механизм предполагает окисление соединений гидроксильными радикалами или другими продуктами цепного разложения озона в воде. «Прямой» механизм связан с взаимодействием соединения непосредственно с молекулой озона. Константы скорости реакций окисления по указанным механизмам могут существенно отличаться. Поэтому a priory можно было предполагать наличие сложной зависимости скорости окисления озоном того или иного соединения от его концентрации.

В настоящей работе исследована концентрационная зависимость влияния ионов переходных металлов на примере серебра и меди на процесс разложения озона в воде.

Для приготовления растворов использовали HClO4, AgClO4 и Cu(ClO4)2 («ч.д.а.») и деионизо-ванную (15 МОм/см) воду. Воду перед использованием насыщали озоном в течение 1 ч для разложения возможно присутствующих органических соединений и использовали ее после обработки УФ-светом и нагревания до 80°C. Выбор в пользу перхлоратов обусловлен минимальной среди прочих неорганических анионов константой скорости взаимодействия ClO4 с гидроксильным радикалом [11] — основным интермедиатом цепного процесса распада озона в воде. Использован-

ные концентрации солей составляли 10 6—10 2 М, озона — 0.9-1.0 мМ.

Изучение разложения озона в растворах проводили в специальных кварцевых ячейках объемом 7-10 мл [12]. Образование при разложении О3 в кислых средах пероксида водорода и существенная роль его следовых количеств на этот процесс [13] диктуют необходимость насыщения раствора озоном за минимально короткое время. Ингибирование распада озона в кислых средах растворенным кислородом [10] обусловливает необходимость достижения максимальной его концентрации в растворе для получения воспроизводимых результатов. Для соблюдения этих требований приготовляемые растворы в течение 10 мин насыщали кислородом и затем озонировали в течение 3-5 мин. После насыщения, избыток раствора, находящийся на уровне шлифового соединения, удаляли и герметично закрывали ячейку. Отсутствие свободного объема, таким образом, исключало обмен между газовой и жидкой фазами. В промежутках между измерениями ячейки хранили в воздушном термостате.

Концентрацию озона измеряли по оптическому поглощению озона (s = 2950 л моль-1 см-1, X = = 260 нм [14]) с использованием спектрофотометра фирмы Varian «Cary 50 Scan». Данный метод наиболее распространен для прямого количественного определения озона. Однако под действием анализирующего пучка УФ-света в спектрофотометре неизбежно происходит фотодиссоциация О3, пероксида водорода и продуктов их взаимодействия с растворенными соединениями [15]. Этот эффект, зависящий от диаметра светового пучка, мощности лампы и установлен-

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СЕРЕБРА И МЕДИ НА РАЗЛОЖЕНИЕ ОЗОНА

Рис. 1. Кинетика разложения озона в 0.01 М НСЮ4 в присутствии ионов серебра (моль/л): 1 — 0, 2 — 1 х 10-5, 3 — 1 х 10-4 и 4- 2.5 х 10-4. Температура 23°С. [03]0 = = 0.80 ± 0.05 мМ. Точки — эксперимент, кривые — расчет.

Рис. 2. Зависимости константы скорости реакции разложения озона в воде по первому порядку от концентрации перхлоратов серебра (1) и меди (2). Условия как на рис. 1

нои ширины спектральной полосы, может упускаться из внимания при исследовании кинетики разложения озона в случаях, когда анализируемой пробой по существу является сам «реактор», в котором осуществляется химический процесс. При продолжительном действии УФ-облучения возможны отклонения от истинной кинетики процесса. Поэтому измерения проводились за минимально короткое суммарное время экспозиции, практически исключавшее влияние зондирующего света. В промежутках между измерениями ячейку с раствором хранили в воздушном термостате при 23°С в изоляции от воздействия света.

Известно [4—10], что разложение озона в воде катализируется ионами ОН-. Чем выше значение рН, тем с большей скоростью происходит распад озона. Для более четкого установления эффекта влияния ионов переходных металлов на процесс разложения озона мы использовали кислые водные растворы. На рис. 1 приведены кинетические кривые разложения озона в воде и в растворах Л§СЮ4 при рН 2. Видно, что увеличение содержания серебра сложным образом влияет на скорость разложения. Внесение «малых» добавок (до ~2 х х 10-5 М) приводит к снижению скорости, а увеличение концентрации, напротив, сопровождается заметным ускорением процесса. Кинетика разложения озона в присутствии ионов серебра достаточно хорошо описывается уравнением реакции первого порядка.

На рис. 2 показана концентрационная зависимость эффективной константы скорости разложения озона по первому порядку от концентрации ионов Л§+. Она наглядно иллюстрирует двойственный характер влияния ионов серебра на процесс распада озона — снижение скорости при «малых» и увеличение при «больших» концентрациях. Аналогичная зависимость установлена также и для ионов Си2+ (рис. 2). По-видимому, в основе механизма лежит акцептирование гидрок-сильных радикалов на фоне разложения озона, катализируемого катионами переходных металлов. Опираясь на литературные данные, мы использовали следующую схему реакций с известными значениями констант скоростей [11, 16, 17], описывающую разложение озона в воде:

03 + ОН- ^ Н02 + 0-, 70 М-1 с-1, (1) 03 + Н20 ^ , 0 (

03 + 0- ^ 0- + 02, 1.6 х 109 М-1 с-1, (3) 03 + Н02 ^ 0Н + 202, 1.2 х 106 М-1 с-1, (4) 03 + Н0- ^ 0Н- + 202, 5.5 х 106 М-1 с-1, (5) 03 + Н202 ^ Н20 + 202, 6.5 х 10-3 М-1 с-1, (6) 03 + 0Н ^ Н02 + 02, 1.1 х 108 М-1 с-1, (7) Н03 ^ Н+ + 0-, рК 8.4 М, (8)

Н03 ^ 0Н + 02, 1.1 х 105 с-1, (9)

Н03 + 0Н ^ Н202 + 02, 5.0 х 109 М-1 с-1, (10) •0Н + 0Н ^ Н202 5.3 х 109 М-1 с-1, (11) •0Н + Н02 ^ 02 + Н20, 7.1 х 109 М-1 с-1, (12) •0Н + 0- ^ 02 + 0Н-, 9.96 х 109 М-1 с-1, (13)

•ОН + Н202 — Н02 + Н20, 3.82 X 107 М-1 с-1,(14) •ОН + НО- — Н02 + ОН-, 5.0 х 109, М-1 с1, (15) Н02 + Н02 — 02 + Н202, 8.1 X 105 М-1 с-1, (16) Н02 + 0- — 02 + Н0-, 9.5 X 107 М-1 с-1, (17)

Н02 ^ Н+ + 0-, рК = 4.8 М, (18)

Н202 + 0Н- ^ Н20 + Н0-, К = 1.1 х 104, (19) Н20 ^ Н+ + 0Н-, рК = 15.7 М, (20)

Н02 + Н202 — 02 + -0Н + Н20, 3.7 М-1 с-1,(21) 0- + 0Н — Н02 + 0-, 6.0 X 109 М-1 с-1, (22) 0- + 0Н — 03 + 0Н-, 2.5 х 109 М-1 с-1, (23)

Н03 + 0Н — Н202 + 02, 5.0 х 109 М-1 с-1. (24)

Влияние ионов Л§+ на разложение озона вызвано, по-видимому, их окислением по двум механизмам — «косвенному» (при взаимодействии с радикалом ОН, что тормозит развитие цепного процесса распада озона):

Л§+ + 0Н — Л§0Н+, 9.7 х 109 М-1 с-1, (25) Л§0Н+ + Н+ — Л§2+ + Н20 8.9 х 109 М-1 с-1 [7](26) и «прямому», при непосредственном взаимодействии с молекулой озона 03:

Л§+ + 03 — Л§0+ + 02, 0.033 М-1 с-1. (27) Возникающее в результате протекания реакции (25) в растворе двухвалентное серебро Л§2+ взаимодействует с другими промежуточными продуктами цепного разложения озона:

Л§2+ + Н02 — Л§+ + Н+ + 02, 1.7 х 108 М-1 с-1,(28)

Л§2+ + Н202—Л§+ + Н02 + Н+, 4.5 х 107 М-1 с-1.(29) Таким образом, радикалы ОН и Н02, а также пе-роксид водорода, образовавшиеся на этапе инициализации разложения озона в воде, захватываются серебром в реакциях (25), (28) и (29). Это приводит к подавлению цепного процесса разложения озона в воде, т.е. к снижению скорости его исчезновения.

Реакция «прямого» взаимодействия озона с ионом серебра (27), напротив, приводит к повышению скорости его разложения. В растворе возникает трехвалентное серебро в виде Л§0+. Эта форма неустойчива, и на основании данных по накоплению двухвалентного серебра при озоно-лизе кислых водных растворов, сделано предположение о том, что Л§0+ быстро реагирует с Л§+ с образованием двухвалентного серебра [5-7]: Л§0+ + Л§+ — 2Л§2+ + 20Н-, 7.1 х 107 М-1 с-1.(30)

При изучении гибели ионов Л§2+ в азотнокислых растворах предполагалось, что они исчезают в реакции диспропорционирования [6]: Л§2+ + Л§2+ — Л§3+ + Л§+

Л§3+ + 2Н20 — Л§+ + Н202 + 2Н+.

Однако образование Л§3+ весьма сомнительно в слабокислых средах, как в нашем случае при рН 2. Эти ионы могут существовать в растворах только в застабилизированном виде с различными ли-

гандами, в частности, N0-, Р0^-, и др. [5, 6]. Поэтому при моделировании разложения озона в воде в присутствии ионов серебра мы предполагали, что Л§3+ существует в виде Л§0+. Реакция диспро-порционирования в этом случае будет иметь вид:

Аё2+ + Аё2+ ^ Аё0+ + + 2Н+,

Л§0+ + Н20 ^ + Н202. 7.1 х 105 М-1 с-1.(32)

Суммарно реакции (28), (29) и (31), (32) дают стехиометрическое уравнение реакции:

4Л§2+ + 2Н20 = 4Л§+ + 02 + Н20,

которое было зафиксировано при изучении кинетики разложения двухвалентн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *