Международная научно-практическая конференция с участием государств-участников СНГ «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕНДЕНЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, РАЦИОНАЛЬНОЙ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА» Новые каталитические системы на основе углеродных волокон для низкотемпературного окисления СО в воздухе; преимущества и перспективы использования Радкевич В.З., Хаминец С.Г., Сенько Т.Л., Егиазаров Ю.Г. ГНУ «Институт физико-органической химии НАН Беларуси» Минск, 220072, ул. Сурганова 13, т. (+375 17) 284 20 45, radkevich_vz@ifoch.bas-net.by Монооксид углерода (СО): токсикологические свойства и источники поступления в окружающую среду Современные технологии привели не только к росту научно-технического прогресса, но и к резкому увеличению числа опасных для здоровья людей химических веществ, которые активно применяются в производстве и в быту. Согласно статистике, более 80% людей, попадая в зону действия техногенной аварии или пожара, теряют жизнь и здоровье от вдыхания токсичных веществ. Монооксид углерода (угарный газ, СО, предельно допустимая концентрация, ПДК, - 20 мг/м3 или 0,0016 об. %) – широкораспостраненный токсикант, в основе биологического действия которого лежит связывание гемоглобина крови человека. Особая опасность СО состоит в невозможности его органолептического обнаружения. • • • • • • • Сотни миллионов тонн CO поступают в атмосферу ежегодно в результате деятельности человека: автотранспорт, железнодорожный и морской транспорт; неисправность газопроводов и газоаппаратуры; металлургия, химическая индустрия : крекинг- процесс, производство формалина, углеводородов, аммиака, соды, фосгена, метилового спирта, муравьиной и щавелевой кислот, метана и др. производство и переработка синтетических волокон), угледобывающая промышленность; производство табака, хлеба; светокопирование; переработка отходов; сжигание топлива в быту. Во время пожара концентрация СО в воздухе может достигать 0,3-0,5 об. % и представлять непосредственную угрозу жизни человека. Единственный эффективный способ удаления монооксида углерода из воздуха при температурах окружающей среды – каталитическое окисление СО кислородом. Катализаторы окисления СО, активные в температурном диапазоне от 15 до 35 оС и используемые в целях экологической безопасности и охраны окружающей среды Катализатор Содержание активного компонента Недостатки катализаторов, ограничивающие их применение в СИЗОД Гопкалит смесь оксидов меди и марганца Золотонанесённые катализаторы на основе 0.5-1.5 масс. % Au Дезактивация в присутствии влаги и необходимость сочетания с сильным осушающим агентом. оксидов переходных металлов Металнанесенные 5-7 масс. % Pt или Pd Высокая стоимость хлориды платиновых металлов (0.5-1.5 масс.% в расчете на металл) и соли металлов переменной валентности (Cu, Fe и др.) Гранулированный носитель создает высокое сопротивление очищаемому газовому потоку (платина- и палладийсодержащие) катализаторы на основе неорганических носителей Металлокомплексные катализаторы на основе твердых носителей, типа угля, оксида алюминия, силикагеля О возможности изготовления легкого респиратора на основе гранулированного катализатора Попытка изготовить эффективный лёгкий респиратор на основе катализатора в гранулированной форме (Патент № 2 399 391. Россия. 2010, катализатор на основе оксида алюминия) путем его измельчения и размещения в виде тонкого порошка между двумя тканевыми фильтрами оказалась малоуспешной. Со временем и при наличии вибраций (например, при транспортировке) активный компонент мигрирует к одной из сторон фильтроматериала, увеличивая и без того большую вероятность проскока (вследствие неравномерности нанесения и худшей проницаемости частиц оксида алюминия) монооксида углерода. Преимущества углеродных материалов волокнистой структуры - относительная простота регулирования физико-химических свойств поверхности носителя с целью создания оптимального для данной реакции взаимодействия активный компонент – носитель - малый диаметр волокна (5-10 мкм) способствует интенсификации массообменных процессов за счет снижения диффузионных затруднений, и, как следствие, повышению активности и селективности каталитической системы - важным преимуществом углеродных носителей в отличие от неорганических является наличие восстановительных свойств поверхности, позволяющих стабилизировать металлы в низкой степени окисления - волокнистая структура углеродных материалов позволяет изготовить требуемую форму каталитического фильтра с малым сопротивлением потоку очищаемого воздуха. Таблица 1. Физико-химические свойства активированных углеродных волокнистых материалов: нетканого материала карбопон и ткани бусофит производства РУП «СПО «Химволокно» (г. Светлогорск, Беларусь) Наименование углеродного материала Sуд., м2/г Карбопон-В aктив 853 Бусофит Т-055 Бусофит Т-055 ЭХО Влагопоглощение, гН2О/ гносителя Адсорбционная активность по Пред.объём сорб. пространства по парам бензола, см3/г 0,34 метиленовому голубому, мг/г 316 иоду, % 124 1096 0,47 537,2 147,9 0,62 1102 0,51 538,1 147,5 0,64 ЭМ снимок карбопона 0,52 ЭМ снимок бусофита Синтез каталитических систем на основе углеволокнистых материалов и определение их активности в окислении СО Катализаторы получали пропиткой углеродного волокна водным раствором солей (хлоридов, ацетатов, бромидов и нитратов) палладия, меди и железа с последующими стадиями сушки и активации. Активность синтезированных катализаторов определяли в специально сконструированном разборном лабораторном проточном реакторе, имитирующем респираторное устройство (рис. 1). Рисунок 1. Схема лабораторного реактора для определения активности в окислении СО катализаторов на основе углеволокнистого материала 1 - Фиксирующие сетки; 2 - Слой катализатора (в виде пластин); 3 - Уплотнительное кольцо; 4 - Резиновые прокладки. Условия проведения каталитических опытов: Т - 15-30оС. Расход очищаемого воздуха – 46 л/ч/г кт, Vo -13000ч-1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Установлено [1, 2], что каталитическая система на основе углеволокнистого материала карбопон, полученная нанесением активного компонента (хлориды палладия и железа, ацетат и бромид меди) в три этапа с промежуточными стадиями активации, обладает высокой эффективностью в окислении СО. При его содержании в воздухе 0,03 об. % в условиях респираторного режима обеспечивается остаточное содержание СО в воздухе ниже ПДК. Однако данный катализатор не пригоден для эффективного окисления СО при его высоком содержании в газовой смеси вследствие быстрой дезактивации в ходе каталитического опыта [3]. Каталитическая система, эффективно удаляющая СО как при его малом (0,03 об %), так и высоком (0,5 об. %) содержании в воздухе, получена нами при использовании в качестве носителя активированной сорбирующей ткани бусофит, обладающей лучшими сорбционными свойствами по сравнению с карбопоном [4, 5]. 1. Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Хаминец С.Г., Вильсон K., Егиазаров Ю.Г. // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. № 4. С. 570-576. 2. Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Хаминец С.Г., Вильсон K., Егиазаров Ю.Г. // Катализ в промышленности. 2009. № 5. С. 43-50. 3. Хаминец С.Г., Радкевич В.З., Сенько Т.Л., Потапова Л.Л., Егиазаров Ю.Г. // Сборник докл. VI Межд. научно-практ. конф. «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация». Минск, 2011. С. 332-339. 4. Патент 16370 РБ. Катализатор для очистки воздуха от монооксида углерода и способ его получения. 5. Заявка на выдачу патента РБ на изобретение № а20121103 от 20.07.2012. Катализатор для очистки воздуха от монооксида углерода и способ его получения Рис. 2. Влияние ЭХО: силы тока (А) и скорости подачи углеродной ткани (м/ч) - на активность и стабильность каталитической системы. Содержание металла в катализаторе, масс. %: Pd- 1.41, Cu -9.3, Fe -0.56. Условия активации системы - 170оС, 4 ч. Расход очищаемой смеси (0,5 об. % СО в воздухе) - 46 л/ч/г кт, Vo -13000ч-1. Температура и влажность очищаемого воздуха: 20оС и 85%. Рисунок 3. Влияние условий обработки и режима испытания на активность каталитической системы, приготовленной на основе бусофита ЭХО (скорость -20 м/ч, сила тока – 20А). Содержание металла в катализаторе, масс. %: Pd- 1.41, Cu -9.3, Fe -0.56. Температура и продолжительность обработки системы: а: 1- 50оС, 1 ч; 2- 170оС, 4 ч; 3 -170оС, 6 ч; 4-180оС, 4 ч; б, в - 170оС, 4 ч. Преимущества и перспективы использования катализаторов на основе углеродных волокнистых материалов Полученный углеволокнистый каталитический материал отличается однородным распределением активного компонента с преимущественной локализацией в приповерхностном слое волокна, обладает малым сопротивлением потоку очищаемого воздуха, устойчив к механическим нагрузкам: активная фаза не мигрирует и не выносится газовым потоком. Разработанные каталитические системы на основе углеродных волокнистых материалов перспективны для создания на их основе респираторных устройств для защиты органов дыхания человека от СО: - это готовая композиция для применения в качестве каталитического материала для удаления СО при его высоком содержании в воздухе (0,2-0,5 об.%, время защитного действия не менее 2ч) в фильтрующее-сорбирующем элементе самоспасателя. - при соответствующей гидрофобизации углеволокнистая каталитическая система может быть успешно использована в качестве фильтрокаталитического материала для изготовления респиратора с защитой от СО в диапазоне 5-25 ПДК. Работа в области разработки материалов и их использования для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания проводится совместно с разработчиками и производителями СИЗОД в СНГ - Физико-химическим Институтом защиты окружающей среды и человека, г. Одесса (Украина) и ОАО «Кимрская фабрика им. Горького» (Россия). СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!