Перекись водорода с водой это озон

научная статья по теме РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА ПО ОТНОШЕНИЮ К ОЗОНУ Химия

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА ПО ОТНОШЕНИЮ К ОЗОНУ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 10, с. 54-56

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, КАТАЛИЗ

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА ПО ОТНОШЕНИЮ К ОЗОНУ

© 2011 г. С. Д. Разумовский1*, Т. В. Гриневич2, Г. В. Коровина2

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, Москва 2 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва *E-mail: razum@sky.chph.ras.ru Поступила в редакцию 27.04.2011

Исследовано разложение озона в чистой воде, водном растворе Н2О2 и в воде с примесью этанола. Найдено, что в присутствии Н2О2 озон разрушается значительно быстрее, чем в чистой воде, благодаря его взаимодействию с Н2О2. Определено численное значение эффективной константы скорости (k = (0.023 ± 0.002) л/моль • с), которая много больше брутто-константы разложения озона в воде, но много меньше удельной скорости разложения озона в воде в присутствии типичных органических примесей (фульвовые кислоты, этанол). Сделан вывод, что при совместном использовании О3 и Н2О2 для разрушения органических примесей в воде доля их взаимодействия друг с другом невелика.

Ключевые слова: перекись водорода, озон, реакционная способность.

Перекись водорода (Н2О2) — активный окислитель, который играет важную роль в природных процессах [1] и широко используется в технике [2, 3]. В водных растворах Н2О2 часто присутствует совместно с растворенным озоном [4]. При этом окислительная способность системы, по разным сообщениям, заметно возрастает. Этот эффект лежит в основе активно рекламируемых процессов, так называемых «Advanced Oxidation» [5, 6]. Спонтанное разложение озона в воде и физиологическом растворе сопровождается образованием Н2О2 [7], которое необходимо учитывать, поскольку озон используется для обеззараживания питьевой воды, а озонированный физиологический раствор — для внутривенных инъекций [8, 9]. Совместное присутствие озона и Н2О2 в водных растворах должно сопровождаться их взаимодействием. Однако до сих пор непонятно, какая доля каждого из реагентов расходуется друг на друга, а какая может быть эффективно использована по целевому назначению. Для ответа на этот вопрос была проведена оценка скорости реакции Н2О2 с озоном в водном растворе.

В опытах использовали воду высокой степени чистоты (бидистиллят с промежуточной обработкой KMnO4 и последующей ионообменной очисткой, до сопротивления >10 МОм). Озон синтезировали в

электрическом разряде из кислорода (объем газа — 50 мл/мин, [О3] = 1.5 • 10-5 моль/л). В качестве исходного субстрата использовали 3%-ный раствор Н2О2 (аптечная форма), которую разбавляли до нужных концентраций чистой водой. Перед опытом через раствор Н2О2 пропускали озонированный кислород в течение 10—15 мин для разрушения стабилизатора. Динамику реакции изучали в статических условиях: раствором Н2О2 подходящей концентрации заполняли кварцевую кювету (I = 1 см), помещали в оптическую камеру спектрофотометра и в течение 2—3 мин через раствор пропускали струю О2 + + О3, затем кювету закрывали и измеряли изменение оптической плотности раствора при 254 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что стабильность растворов озона в воде довольно сильно зависит от наличия в ней микропримесей органической и неорганической природы

[10]. Будучи растворенным в обычной водопроводной или даже в дистиллированной воде, озон разрушается с заметной скоростью (т1/2 « 30 мин), в то время как в хорошо очищенной воде скорость его распада существенно меньше (т1//2 « 1000—1500 мин)

Предварительные опыты показали, что озон хорошо растворяется в водных растворах Н2О2 и скорость разложения растворенного в них озона довольно сильно отличается от скорости его распада в

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА

1ОБ(СУСо) 1.1 Г 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0 200 400 600 800 1000 1200

Динамика разложения озона в чистой воде (1), в растворах Н2О2 (3, 4) и С2Н5ОН (4) при 20°С ([С2Н5ОН • 10-4 моль/л);.

[Н2О2] = 0 (1), 1.5 • 10-5 (2, 4), 3 ■ 10-5 моль/л (3); Со — исходная и С/ — текущая концентрация О3.

дистиллированной воде. В связи с тем, что озон способен спонтанно разлагаться в воде, а вода в своих диссоциированных формах может реагировать с озоном [12, 13], в работе были приняты меры для учета этих слагаемых скорости распада озона и исключения их из общей динамики разложения. Для этого порцию раствора перекиси (100 мл) прогрели при 95°С в течение 24 ч (проба на содержание активного кислорода показала его отсутствие). В последующих опытах эту воду использовали, добавляя к воде высокой очистки в случаях, когда было необходимо учитывать вклад водной составляющей раствора Н2О2. Исходные растворы Н2О2 обладали заметной кислой реакцией (рН

6.2), которая исчезала после прогрева раствора. Кислотность раствора могла повлиять на цепную слагаемую разложения. Поэтому при проведении сравнительных опытов с чистой водой ее подкисляли до требуемых рН хлорной кислотой, инертность которой к протекающим в растворе процессам подтверждена рядом авторов [14].

На рисунке приведены результаты исследования кинетики начальных стадий разложения озона в водном растворе, свободном от Н2О2, в растворах Н2О2 двух разных концентраций и в растворе этанола. Видно, что разложение озона в растворе Н2О2 происходит заметно быстрее, чем в чистой воде. Сравнение полученных результатов с данными о скоростях разложения озона в водных растворах обычных примесей, присутствующих в воде, таких как этанол, фенол или простые углеводороды, показало, что при сопоставимых концентрациях Н2О2 разрушает озон заметно медленнее, чем фенол [15] или спирт, и примерно одинаково с углеводородами [16].

Судя по наклонам начальных отрезков кривых 2 и 3 на рисунке можно заключить, что скорости раз-

ложения О3 изменялись пропорционально изменению исходных концентраций Н2О2 и удовлетворительно подчинялись уравнению первого порядка реакции по озону. Полученные экспериментальные данные позволили рассчитать эффективную константу скорости взаимодействия Н2О2 с озоном, используя уравнение простой бимолекулярной реакции:

В условиях наших опытов (20°С; [Н2О2] = = 1 моль/л, [О3] =1.5 • 10-5 моль/л) численное значение константы скорости оказалось равным к = = (0.023 ± 0.002) л/моль • с.

Найденное значение к заметно больше, чем эффективная константа спонтанного разложения озона в воде (&Оз,НгО = 0.69/т^ = 4.6 • 10-4 [11]). Поэтому в чистой воде совместное присутствие О3 и Н2О2 заметно ускоряет разрушение обоих соединений. В то же время сопоставление найденной величины с эффективными константами скорости для соединений, часто присутствующих в воде, показывает, что оно близко по порядку величины к реакциям озона с С-Н-связью в углеводородах (0.02 л/моль • с для циклогексана [15]) и заметно меньше, чем скорость реакции с фенолом [16], фульвовыми кислотами [17] и другими типичными примесями в природных водах. Это позволяет думать, что при наличии в воде примесей озон будет главным образом расходоваться на их разрушение, а его затраты на реакцию с

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 30 № 10 2011

Н2О2 компенсируются активностью продуктов этой реакции — радикалов НО* и HO*.

1. Скурлатов Ю.И. // Успехи химии. 1991. Т. 60. № 3. С. 575.

2. Озон и другие экологические чистые окислители. Наука и технологии. Матер. 30-го Всерос. сем. М.: МАКС Пресс, 2008.

3. Петренев В.А. // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1996. № 1-2 С. 14.

4. Card T.R., Purdom R.L. // Ozone World Congr. «Ozone in Wastewater Treatment». N.Y., 1989. Papers. V 2. P. 281.

5. Reynolds G., Graham N, Perry A., Rice R.G.. // Ozone Sci & Eng. 1989. V. 11. № 4. P. 339.

6. Glaze W.H, Kang J.-W. // Ind. Eng. Chem. Res. 1989. V. 28. P. 1573.

7. Разумовский С.Д. // Журн. физ. химии. 1996. Т. 70. № 7. С. 1325.

8. Озон и методы эфферентной терапии в медицине. Сб. докл. // Новости науки и техники. Сер. «Медицина». М.: ВИНИТИ, 2000.

9. Щербатюк Т.Г. Дис. . канд. мед. наук. Н. Новгород: НМА, 1997.

10. Разумовский С.Д., Константинова М.Л., Зайцев В.Я. // Биомедицинская химия. 2010. Т. 56. № 3. С. 380.

11. Разумовский С.Д., Константинова М.Л., Гриневич Т.В., Коровина Г.В. // Кинетика и катализ. 2010. Т. 51. № 4. С. 517.

12. Ершов Б.Г., Морозов П.А. // Журн. физ. химии. 2009. Т. 83. № 8. С. 1457.

13. von Gutten U. // Water Res. 2003. V. 37. P. 1443.

14. Sehested K., Gorfitzen H., Holcman J., Fischer H., Hart E.J. // Environ Sci. Res. 1991. V. 25. № 9. Р. 1589.

15. Констанинова М.Л., Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. // Изв. АН. Сер. хим. 1992. № 6. С. 1443.

16. Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М.: Наука, 1974. C. 214.

17. Разумовский С.Д., Константинова М.Л., Подмастерьев В.В. // Изв. АН. Сер. хим. 1996. № 1. С. 60.

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 30 № 10 2011

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.

Пoхожие научные работы по теме «Химия»

ГРИНЕВИЧ Т.В., КОРОВИНА Г.В., РАЗУМОВСКИЙ С.Д. — 2010 г.

МАКАЛЬСКИЙ Л.М., ПРОНИН Б.В., ХУСАИНОВ Ш.Г. — 2014 г.

ГРИНЕВИЧ Т.В., ТАГАНОВ Н.Г., ФЕДОТОВ В.Г. — 2010 г.

КСЕНОФОНТОВА М.М., ЛУНИН В.В., МАМЛЕЕВА Н.А., МИТРОФАНОВА А.Н. — 2007 г.

Источник

WEDECO MiPRO™

для обеспечения контроля за любыми

Предприятия водоснабжения сообщают о росте во всём мире интереса к прооблемам микрозагрязнителей обнаруживаемых в исходной воде. Следы органическихи неорганических загрязнителей, таких какNDMA (N-нитросодиметиламин),MTBE (Метил-трет-бутиловый эфир),1.4 Dioxan (Диэтилендиоксид), EDC (1,2-дихлорэтан), и других, очень часто обнаруживаются в грунтовых и поверхностных водах.

Источниками роста степени загрязнения являются процессы индустриализации, интенсивное сельское хозяйство, а также всевозможные фармацевтические и химические производства. После того, как эти микро-загрязнители попадают в пищевую цепь человека через питьевую воду, создаётся угроза здоровью человека.

Однако, большей опасностью микрозагрязнителей является их способность негативно влиять на генетический материал людей и животных. Традиционных методов обработки воды уже недостаточно для гарантии полного удаления подобных загрязнений. Из-за климатических изменений и демографи- ческого роста, многие водоканалы ожидают дальнейшего загрязнения источников питьевой воды в самом ближайшем будущем. Как следствие, появится дефицит питьевой воды, это повлечёт за собой увеличение спроса на прямое или косвенное повторное использование сточных вод для производства питьевой воды.

Выбор наиболее эффективной технологии глубокого окисления

Процесс глубокого окисления является лучшим подходом к новому виду загрязнителей воды. Процесс глубокого окисления представляет собой сочетание двух или более технологических ступеней, в ходе которых в воде образу-ются гидроксильные радикалы (радикалы ОН), либо увели-чивается их количество. Радикалы ОН способствуют оки-слению нежелательных веществ. По сравнению с другими окислителями, радикал ОН обладает значительно более высоким окислительным потенциалом.

Как только гидроксильные радикалы образуются в воде, они немедленно вступают в реакцию практически со всеми существующими окисляемыми веществами. Высокая скорость разложения и кинетика реакций этого процесса — слагаемые успеха, если речь идет об уничтожении много-численных устойчивых загрязнителей. Существует 20 различных технологий, приводящих к обра-зованию в воде радикалов. Наиболее распространены и изучены технологии, сочетающие:

Озон + Перекись водорода
В присутствии перекиси водорода (H 2 O 2 ), озон (O 3
) вступает в реакцию с анионом перекиси водорода (HO 2 -), в результате чего образуются гидроксильные радикалы. Эта реакция проходит быстрее и эффективнее, чем реакция озона с водой.

УФ + Перекись водорода
В ходе этой технологии растворенная в воде перекись водорода абсорбирует электромагнитное (УФ) излучение. Теоретически, этот процесс ведет к образованию двух радикалов OH из одной молекулы H2O 2 .

Индивидуальные технические решения

Концепция ITT WEDECO MiPRO™ базируется на трех базовых технологиях: озонирование, окисление перекисью водорода и УФ-обеззараживание. Совместное использование этих технологий даётрезультат. При выборе подходящей технологии всегда учитываются: характер загрязняющего вещества и местные условия, такие, как опорная поверхность, скорость потока и затраты на электроэнергию. Философия WEDECO MIPRO ™ заключается в выборе технологии в качестве идеального дополнения к уже существующему процессу. Общая цель: обеспечить максимально эффективное удаление загрязняющих веществ.

Ваш выбор: передовая доступная технология

В идеале, очистку загрязненной воды лучше проводить с использованием наиболее эффективных технологий. Аналогично этому, процесс глубокого окисления на станциях водоподготовки всегда должен начинаться с правильного выбора оптимальной технологии. ITT оказывает поддержку своим заказчикам в поиске правильного решения. Мы располагаем многолетним опытом реализации процесса глубокого окисления и его основных компонентов. Ультрафиолетовые и озоновые технологии WEDECO лежат в основе полностью развитых систем водообработки, которые задают стандарты более трех десятилетий.

Диаграмма слева сравнивает объемы затрат и потребления (электроэнергии, озона, H2O2) на кубический метр воды. Целью обработки воды, в данном случае, является сокращение количества пестицидов и продуктов фармакологии при скорости потока воды 2,000 м³/ч. Расходы включают в себя капитальные затраты, стоимость кислорода, электро- энергии, мероприятий по охране окружа-ющей среды, H2O2 и техобслуживания.

В дополнение к нашему профессиональному опыту, мы располагаем собственными лабораториями и исследовательскими центрами обработки воды, в которых проводится изучение и поиск решений для нестандартных объектов наших заказчиков.

Наши специалисты выбирают соответствующую ситуации заказчика схему прямо на объекте с помощью мобильных станций выбора технологии углубленного окисления. Это касается не только новых систем очистки воды — они также могут быть использованы в целях оптимизации существующих процессов. За короткое время можно протестировать различные схемы, взяв за основу конкретные параметры объекта заказчика. Практический опыт, в конце концов, дает результаты, которые являются более ощутимыми и более перспективным, чем теоретические подходы.

Источник