Автореферат Разумная Н. А. Образование реагентов для обеззараживания воды

4. Текущие и планируемые исследования и их результаты.

Обеззараживание воды является обязательной стадией обработки воды, наиболее распространённым обеззараживающим агентом является газообразный хлор. К его достоинствам как окислителя относятся доступность, надежность, дешевизна. Как ранее установлено, газообразный хлор можно получать в ходе самораспространяющегося взаимодействия в системе пероксидные соединения натрия – соль, содержащая хлор. Ряд кислородсодержащих соединений натрия, например, пероксид, хлорат способны взаимодействовать с солями тяжелых металлов, при этом возможно протекание реакции в режиме самораспространения с выделением большого количества тепла, и в результате таких реакций происходит выделение кислорода. Однако если исследуемая соль содержит ионы хлора, то одним из газообразных продуктов может быть свободный хлор. Особый интерес представляет изучение взаимодействия в трехкомпонентных системах, в которых каждое из исходных веществ может реагировать друг с другом и два из которых содержат хлор.Также интресны реакции с участием перхлоратных соединений щелочных металлов, , которые характеризуются высокой реакционной способностью, а самораспространяющиеся реакции с их участием могут иметь не только теоретическое, но и практическое значение

Целью данного исследования является изучение экзотермических процессов взаимодействия в системе CoCl2 – NaClO3 – NaO2 с выделением в качестве газообразной фазы – хлора, который в последующем может быть использован. Однако,осуществление цели невозможно без выполнения поставленных задач, а именно:

а) составить новые пероксидно-солевые системы, способные реагировать в режиме самораспространяющейся реакции;

Б) изучить механизм самораспространяющихся реакций;

в) определить теплофизические и кинетические параметры взаимодействия и влияние на них различных факторов;

г) определить точный мольный состав пероксиднос – солевой системы при котором достигается максимальное извлечение газообразного хлора;

Поскольку СРВ в тройных системах только недавно начало изучаться, то система CoCl2 – NaClO3 – NaO2 была выбрана как наиболее простая модель для его изучения, так как в результате взаимодействия предполагается выделение газообразного хлора. В силу того, что проводимая работа является одной из немногих, посвященной изучению СРВ в тройных системах, можно говорить о ее научной новизне, которая состоит в дальнейшем развитии нового направления – химии самораспространяющихся реакций на основе неорганических пероксидно–солевых систем с последующим выделением газообразных продуктов и их дальнейшим использованием[4].

Изучение сложных реакций, протекающих в режиме самораспространяющегося взаимодействия (СРВ) или синтеза (СРВ) начались не так давно. В 30-е годы ХХ века были заложены основы теории горения в фундаментальных исследованиях Н.Н.Семенова, Я.Б.Зельдовича и Д.А.Франк-Каменецкого. Экзотермические реакции в гертерогенных системах (смеси разных сортов, способных к химическому взаимодействию) во многих случаях могут протекать в режиме распространения зоны горения. Наиболее широко изучался механизм горения смесевых порохов – гетерогенных систем, в зоне горения которых вследствие химических реакций или фазовых переходов происходит газификация вещества. Горение порохов является сложным стадийным процессом, и обычно значительная часть зоны горения имеет среднюю плотность, близкую к плотности газа ( дымогазовые и газовые зоны)

А.Г.Мержанов и группа ученых предложили методику термодинамического расчета адиабатических температур СРВ-реакций для случая полного превращения реагентов в зоне горения. Проведены конкретные расчеты для реакции синтеза боридов металлов IV-VI групп, образования карбидов и силицидов. Установлена связь между температурой горения и положением реагирующих компонентов в периодической системе элементов, пределы горения смесей, корреляция между температурами и скоростями горения [4].

Анализ литератры свидетельствует о том, что несмотря на то, что проводится достаточно много работ по исследованию экзотермических химических реакций, протекающих в режиме СВС, достаточно детально изучены процессы только в двухкомпонентных системах. При этом большинство исследованных систем характеризуются высокими температурами и скоростями. Между тем системы, состоящие из сложных веществ и способных реагировать в режиме горения при более низких температурах, остаются практически неисследованными.

В результате поиска в Интернет было найдено всего несколько информационных источников о самораспространяющемся взаимодействии в пероксидно-солевых системах преимущественно на английском языке, а также из электронной библиотеки ДонНТУ 2004г. авторефераты Касьянчук О.А. и Шибико М. М. Все это указывает на очень малый объем исследований, проводимых в данной области. Поэтому, остается большое количество систем, которые еще не исследовались, и широкое поле для дальнейшей деятельности в этом направлении.

4. Текущие и планируемые исследования и их результаты

Практические исследования по данной теме начались с изучения экзотермических процессов взаимодействия хлората натрия с сульфатами некоторых тяжелых металлов (Co(II), Cu(II),Cd(II)) с помощью дифференциально-термического анализа (ДТА). Термические методы анализа, к числу которых относится ДТА, являются одними из основных при исследовании процессов в конденсированных системах. Экспериментально получаемые кривые ДТА используются для получения первичной информации о температурном интервале взаимодействия веществ, температуре начала заметного взаимодействия и наиболее интенсивного взаимодействия, а также фазовых превращениях исходных и образующихся веществ. В результате анализа было получено, что реакция взаимодействия сульфатов с хлоратом натрия сопровождается выделением газа, а затраты тепла на предварительное плавление хлората натрия компенсируются теплом последующего химического взаимодействия об этом свидетельствуют полученные кривые ДТА.

Также нужно учесть еще тот факт, что сульфат кадмия и сульфат меди не влияют на процесс плавления хлората натрия, а катионы соли (Со2+) влияют на прохождение процесса плавления хлората.

Затем было изучено взаимодействие в системах NaClO3 – NaO2, CoCl2 – NaClO3, CoCl2 – NaO2, при этом хлор может быть одним из продуктов взаимодействия во второй и третьей системах в режиме СРВ. Самораспространяющееся взаимодействие(СРВ) с – сильно экзотермическое взаимодействие химических веществ в конденсированной фазе, протекающее в режиме горения, которое имеет ряд преимуществ: отсутствие необходимости в сложном оборудовании и в подводе энергии из вне[3].

(Рисунок содержит 5 кадров, задержка 50, 5 циклов повторений)

Соотношение Cl2:O2 в газообразных продуктах зависит от исходного состава смеси, теоретически оптимальным мольным соотношением хлорида кобальта к супероксиду натрия является 3:2. В этом случае возможно получение газообразной смеси с максимальным содержанием хлора в соответствии с уравнением реакции

Экспериментально установлено, что в результате самораспространяющегося взаимодействия в этой системе выделяется газообразный хлор, однако в очень незначительном количестве. Введение хлората натрия, предположительно, позволит увеличить выход газообразного хлора. Поэтому изучалось взаимодействие в смеси CoCl2 : NaO2 : NaClO3 при мольном соотношении исходных компонентов 3:2:х, где х изменялось от 1 моля до 6 моль. Масса смеси для экспериментов была постоянной и составляла 5г. Ход эксперимента был таков:

1) приготовление смеси из реагентов в определенных соотношениях,

3)сжигание полученной таблетки с одновременным сбором выделяющегося газа.

Определение хлора проводилось йодометрическим методом, для чего собранный газ прокачивали через подкисленный раствор иодида калия. Теоретически наибольшее количество хлора выделяется при мольном соотношении компонентов CoCl2:NaClO3:NaO2=3:2:2. В таком случае содержание хлора в газовой фазе после проведения реакции:

должно составлять 40%об. В результате проведенных экспериментов установлено, что в результате проведения СРВ при мольном соотношении компонентов CoCl2:NaClO3:NaO2=3:2:2 выделяется газовая смесь, содержащая 0,0568г хлора, что соответствует 3,24 % в газовой смеси. Это максимальное содержание хлора в газообразных продуктах реакции, которое удается получить в системе CoCl2:NaClO3:NaO2. При этом переводится в газовую фазу 2,85 % хлора, который содержался в исходной смеси в хлорид- и хлорат-ионах

Рисунок – Зависимость содержания хлора в газообразных продуктах от количества хлората натрия в исходной системе

Данные, приведенные в таблице ниже, свидетельствуют, что лишь незначительная часть хлора переводится в газовую фазу, основная же часть остается в виде продукта реакции: хлорида натрия.

Таблица - Количество хлора, выделяющегося при взаимодействии в системе CoCl2:NaClO3:NaO2 при различных соотношениях компонентов [2].

Подтвердить сделанные предположения можно с помощью рентгенофазового анализа смеси продуктов СРВ, который запланирован на будущее. Рентгенофазовый анализ смесей продуктов (образующихся в системе при различном соотношении исходных реагентов) должен быть проведен с целью идентификации веществ, находящихся в этих смесях. По идентифицированным продуктам взаимодействия можно сделать окончательный вывод о механизме процесса, протекающего в рассматриваемой системе.

Кроме рентгенофазового анализа, для максимально точного определения механизма СРВ в системе намечено и проведение спектрального анализа смеси продуктов взаимодействия, который по характерным полосам поглощения инфракрасных излучений позволяет идентифицировать находящиеся в этой смеси вещества. Большие возможности метода обьясняются тем, что ИК - спектры многих соединений являются характеристическими, поскольку поглощение ИК - излучения, проходящего через образец, происходит на частотах, соответствующих энергии перехода атомов в молекуле из основного состояния в возбужденное.В большинстке случаев ИК - спектр является "отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от такового других молекул. Таким образом, для идентификации неизвестного вещества достаточно сравнить его спектр со спектрами чистых известных веществ. имея специальный каталог таких спектров сравнения, можно достаточно надежно идентифицировать любое вещество.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают возможность получения хлора в результате самораспространяющегося взаимодействия в системе CoCl2 – NaClO3 – NaO2. Преимуществами такого метода получения являются:

1) отсутствие дополнительных энергетических затрат,

2) использование солей тяжелых металлов, которые являются отходами некоторых производств и не подлежат утилизации, и потому процессы, протекающие в изученной системе, могут быть положены в основу дальнейшей разработки компактных источников газообразных обеззараживающих агентов.

1. Н. А. Разумная, Ю. В. Мнускина "Взаимодействие хлората натрия с сульфатами Co(II),Cu(II),Cd(II)" Конференция ДонНТУ 2007г

2. Н. А. Разумная, Ю. В. Мнускина "Получение газообразных обеззараживающих компонентов при самораспространяющемся взаимодействии в системе CoCl2 – NaClO3 – NaO2" Конференция ДонНТУ 2008г

3. Шаповалов В.В., Мнускина Ю.В., Ванин В.И. "Влияние NаClO3 и перхлоратов некоторых металлов на разложение супероксида натрия" / Вопросы химии и химической технологии, 2003. – № 2 – С.15-21

4. Процессы горения в химической технологии и металлургии /Под ред. Мержанова А.Г. Ред.- изд.отдел ОИХФ АН СССР. г.Черноголовка. 1975г. – 289с

АВТОРЕФЕРАТ