Восстановление диоксида углерода в водных растворах в присутсвии соединений железа

Рассмотрен способ улавливания СО2 хемосорбцией при нормальных условиях с получением низкомолекулярных органических соединений. Приводятся результаты исследований влияния разных факторов на процесс восстановления диоксида углерода до муравьиной кислоты.

Рубрика Химия
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 07.12.2024
Размер файла 660,7 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Восстановление диоксида углерода в водных растворах в присутсвии соединений железа

Шестерикова Р.Е.

Аннотация

Эффект глобального изменения климата эксперты связывают с ростом концентрации диоксида углерода в атмосфере, который связан с применением традиционных природных энергоносителей. Решение проблемы сокращения выбросов СО2 заключается в перестройке экономики и энергетических систем - это использование низкоуглеродных технологий.

В данной статье рассматривается способ улавливания СО2 хемосорбцией при нормальных условиях с получением низкомолекулярных органических соединений. Приводятся результаты исследований влияния разных факторов на процесс восстановления диоксида углерода до муравьиной кислоты.

Ключевые слова: диоксид углерода, газовая смесь, окислительно-восстановительная реакция, соединения железа.

Annotation

Experts associate the effect of global climate change with an increase in the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, which is associated with the use of traditional natural energy sources. The solution to the problem of reducing CO2 emissions lies in restructuring the economy and energy systems - this is the use of low-carbon technologies.

This article discusses a method for capturing CO2 by chemisorption under normal conditions to obtain low molecular weight organic compounds. The results of studies of the influence of various factors on the process of reduction of carbon dioxide to formic acid are presented.

Key words: carbon dioxide, gas mixture, redox reaction, iron compounds.

В связи с быстрым истощением запасов нефти, развитием нефтехимических и газодобывающих производств синтез органических соединений на основе диоксида углерода приобретает важное значение. На основе СО2 могут быть синтезированы продукты, для производства которых в настоящее время используется нефть. Такие утверждения основаны на современных представлениях термодинамики, экспериментальной физики и физической химии. За последние годы интерес к химии диоксида углерода, запасы которого в природе практически неисчерпаемы, возрос. Наиболее перспективными из природных источников являются природные газы.

Успехи, достигнутые в области металлокомплексного катализа и, прежде всего, в области активации инертных молекул, позволяют утверждать о возможности осуществления каталитических процессов с участием углекислого газа.

Анализ патентной и технической литературы показал, что известны процессы синтеза органических соединений на основе диоксида углерода. Продуктами восстановления диоксида углерода являются муравьиная, уксусная и щавелевая кислоты [1,3,4,5]. Известно также восстановление диоксида углерода в водных растворах в присутствии соединений переходных металлов с образованием карбоновых и оксикарбоновых кислот [2]. В литературе описаны процессы синтеза органических кислот из сероводорода и диоксида углерода с участием хемосинтетических бактерий, получающих энергию при окислении сульфидов при рН=3-4 [6].

Для экспериментальных исследований восстановления диоксида углерода до низкомолекулярных органических соединений использовалась лабораторная установка, схема которой приводится на рисунке 1.

Методика проведения лабораторных исследований заключается в следующем: газовая смесь, содержащая диоксид углерода (и сероводород) из емкости 1 подается в реактор-абсорбер 3, предварительно заполненный исследуемым поглотительным раствором. В поглотительный раствор помещаются электроды 4 для контроля за величиной рН и окислительно - восстановительным потенциалом абсорбента. Для улучшения массобмена предусматривается перемешивание поглотительного раствора с помощью магнитной мешалки 5, предусмотрен также электроподогрев. Подача газовой смеси регулируется зажимом 2. В процессе абсорбции кислых газов из газовой смеси фиксируются следующие параметры: рН поглотительного раствора, окислительно-восстановительный потенциал, температура, количество поглощенной газовой смеси.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

1- емкость для газовой смеси; 2 - зажим; 3 - реакционная склянка (абсорбер); 4 - электроды; 5 - магнитная мешалка с электроподогревом; 6 - рН-метр

диоксид углерод раствор железо

Результаты экспериментов показывают, что при обработке газовой смеси, содержащей диоксид углерода, водным раствором хлорида аммония в присутствии солей железа II и железа III при нормальных условиях происходят окислительно-восстановительные реакции между соединениями железа и диоксидом углерода. Продуктами этих реакций являются низкомолекулярные органические соединения. Экспериментально установлено, что окислителем в системе [CO2 - NH4Cl - Fe+2 - H2O] является диоксид углерода. Опытным путем необходимо было изучить влияние разных факторов на процесс поглощения СО 2 раствором хлорида аммония с добавками соединений железа. Результаты исследований приводятся на рисунке 2 и в таблице 1.

Рисунок 2 - Изменение рН и величины окислительно восстановительного потенциала при насыщении раствора диоксидом углерода.

Таблица 1

Поглощение диоксида углерода растворами разного состава

Объем раствора, мл

Состав раствора, г/л

Поглотилос ь СО2, мл

Емкость раствора по

СО2, мл/мл

NH4CI

Fe+3

Fe+2

135

160

0,5

0,5

683

5,06

135

160

1,0

0

249

1,84

110

160

0

1,0

146

1,33

100

0

0,5

0,5

75

0,75

150

200

0

0

120

0,80

Из данных таблицы 1 следует, что процесс поглощения диоксида углерода исследуемым раствором протекает только в условиях, когда в растворе одновременно присутствуют хлористый аммоний, железо-III и железо-II. Отсутствие же в растворе какого-либо из этих компонентов приводит либо к замедлению процесса, либо вообще к его прекращению. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что процесс поглощения диоксида углерода водным раствором, содержащим хлорид аммония и соединения железа в окислительной и восстановительной формах, сопровождается химическими реакциями между компонентами раствора и диоксидом углерода. Какие реакции могут привести к активации молекулы диоксида углерода?

Растворение диоксида углерода

СО2+ Н2О = Н2СО3.

Потенциал Гиббса AGo298 = 0,04 кДж.

Константа равновесия Кр = 0,98.

Низкая константа равновесия данного процесса указывает на то, что исследуемый процесс протекает медленно. В растворе происходит диссоциация угольной кислоты

H2CO3 ^ H+ + НСОз- ^ Н+ + СОз-2

Далее в присутствии катиона Fe+2 бикарбонат-ион вступает в химическое взаимодействие

Fe+2 + 2НСОз- = FeCO3 + Н2СО3.

Термодинамическая вероятность данного процесса высока, т.к. потенциал Гиббса составляет AGo298 = -31,27 кДж, константа равновесия Кр = 3,06.105.

Уравнение взаимодействия железа с бикарбонат-ионом показывает, что в протонной среде (рН = 4,7) катион Fe+2 активирует молекулу диоксида углерода, другого источника активации молекулы СО2 в данной системе нет. Экспериментально установлено, что процесс поглощения СО2 раствором хлорида аммония и соединениями железа сопровождается образованием низкомолекулярной органики, в продуктах реакции выделена муравьиная кислота, процесс протекает в среде при рН = 4,5 ^ 4,7.

Анализ данных рисунка 1 свидетельствует, что процесс поглощения диоксида углерода водным раствором хлорида аммония с добавками катиона Fe+3 сопровождается снижением рН раствора от 5,4 до 4,3, окислительно - восстановительный потенциал раствора при этом возрастает от +75 мВ до +2 20 мВ. Обращает на себя внимание тот факт, что рН раствора стабилизируется, хотя происходит дальнейшее растворение диоксида углеродаю. Постоянство показателя рН указывает на то, что в результате взаимодействия диоксида углерода с компонентами раствора образуются соединения, обладающие щелочными свойствами.

Рисунок 3 - Изменение величины окислительно-восстановительного потенциала при поглощении диоксида углерода растворами различного состава

Результаты исследований, приведенные на рисунке 3, указывают на постоянство окислительно-восстановительного потенциала в системе при поглощении СО2 раствором, содержащим катионы железа в обеих формах.

Во всех других случаях, когда отсутствует в поглотительном растворе какой-либо катион железа, наблюдается резкое снижение рН и рост окислительно-восстановительного потенциала. Рост величины окислительно - восстановительного потенциала системы NH4C1 - Fe+2 - Fe+3 - H2O при поглощении диоксида углерода указывает на то, что в системе возрастает концентрация окислителя или снижается концентрация восстановителя.

Рисунок 4 - Изменение рН при поглощении диоксида углерода растворами различного состава

Результаты исследований, приведенные на рисунке 3 и 4 показывают только изменение физико-химических характеристик поглотительных растворов в процессе их насыщения CO2 и не дают количественной оценки их по поглотительной способности. Для этого были проведены опыты, результаты которых приводятся в таблице 2.

Таблица 2

Результаты определения поглотительной способности системы [NH4CI - Fe+2 - Fe+3 - H2O] при насыщении диоксидом углерода

Объем абсорбе нта, мл

Состав абсорбента, г/л

Показатель рН

абсорбента

Объем поглощен ного СО2,

мл

Емкость абсорбент а, кг/м3

NH4C l

e+2

e+3

исходног о

отработанн ого

320

160

,5

,5

5,3

4,4

18579

164

Примечание - Отработанный абсорбент имел Еок/вос= +169 мВ, полного насыщения достичь не удалось. Для сравнения: поглотительная емкость 20 % раствора поташа по CO2 составляет 63 кг/м3.

В таблице 3 приводятся результаты экспериментов по определению поглотительной емкости исследуемого раствора по сероводороду и диоксиду углерода.

Таблица 3 Поглотительная емкость растворов NH4CI - Fe+2 - Fe+3 - H2O по сероводороду и диоксиду углерода

Объем раство ра, мл

Состав раствора, г/л

Газова я смесь H2S:C O2

Поглощено, мл

Емкость раствора, кг/м3

NH4CI

Fe+3

Fe+2

H2S

CO2

по H2S

по CO2

385

25,4

1,0

-

1:4

9902

23235

42,3

128,0

18

160

0,5

-

1:3,5

1613

7887

136,0

474,0

140

160

0,1

-

1:4

1500

6000

16,2

85,8

140

200

1,0

-

1:2,6

382

993

4,1

14,2

140

180

0,1

-

1:2

932

1868

10,2

26,6

500

160

0,1

-

1:9

2266

12488

6,7

50,0

Необходимо отметить, что в лабораторных условиях не удалось достичь полного насыщения поглотительного раствора как сероводородом, так и диоксидом углерода. Однако, полученные результаты проведенных экспериментов позволяют сделать вывод о высокой поглотительной способности системы NH4Cl - Fe+2 - Fe+3 - H2O, по сероводороду эта величина составила 136 кг/м3, превысив емкость растворов МЭА (88 кг/м3) в 2 раза. Водный раствор состава (NH4Cl - Fe+2 - Fe+3- H2O) извлекает из газа сероводород только при наличии диоксида углерода, т.е. извлекает из газа как сероводород, так и диоксид углерода.

Для получения результатов по максимальной величине удельной поглотительной емкости абсорбента опыты были продолжены в условиях газовых промыслов. Для насыщения растворов абсорбента использовались природные газы различного состава. Эксперименты были проведены на Оренбургском ГКМ, на месторождениях ООО «Кубаньгазпром» и Узбекистана. Полученные значения поглотительной емкости по сероводороду составили 190 кг/см3 по диоксиду углерода 2700 кг/м3 и полностью подтвердили высокую эффективность разработанного абсорбента.

Однако, из результатов проведенных лабораторных испытаний следует, что скорость реакции взаимодействия и сероводорода и диоксида углерода с абсорбентом низкая. При практической реализации процесса необходимо будет иметь массообменное оборудование больших размеров.

Выводы:

1. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о том, что между компонентами разработанного поглотительного раствора, сероводородом и диоксидом углерода при нормальных условиях протекают химические процессы, не описанные в соответствующей литературе. В продуктах реакции обнаружены органические соединения кислотного, основного характера и выделена муравьиная кислота. Однако, в продуктах реакции не обнаружено серы, сульфатов, полисульфидов, тиосульфатов.

2. Поглотительный раствор с высокой концентрацией образовавшихся органических соединений может служить дешевым сырьем для выделения товарных низкомолекулярных органических соединений.

Использованные источники:

1. Лапидус А.Л., Бин Ян Юн Органические синтезы на основе СО2. - Успехи химии, 1981. - вып. 1.

2. Реакция серы с органическими соединениями. - Новосибирск.: Наука, 1979. - 368 с.

3. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1981. - 476 с.

4. Лысяк Т.В., Конаш Е.А., Руднев А.В. и др. Радиолиз системы СО2 + Н2О в присутствии фосфомолибдата натрия / / Журнал неорганической химии. - 1983. - Вып. 6. - Т. 28. - С. 1603-1604.

5. Лысяк Т.В., Харитонов Ю.Я., Коломников И.С. Восстановление СО 2 в водных растворах в присутствии соединений переходных металлов / / Жур нал неорганической химии. - 1983. - Вып. 6. - Т. 28. - С. 2562-2563.

6. Бирштехер Э. Нефтяная микробиология. Введение в микробиологию нефтяной промышленности: Пер. с англ. - Л., 1957. - 251 с.

7. Сигэру Оаэ, Химия органических соединений серы/ Пер.с япон. под редакцией Е.Н. Прилежаевой. - М.: Химия, 1975. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Процесс производства аммиака. Очистка газа от двуокиси углерода. Метод низкотемпературной абсорбции метанолом. Равновесие основной реакции при различных температурах. Термодинамический анализ процесса очистки конвертированного газа от диоксида углерода.

    курсовая работа [374,1 K], добавлен 21.04.2015

  • Изучение понятия упругости диссоциации соединения - равновесного парциального давления газообразного продукта гетерогенных реакций. Взаимодействие углерода с кислородосодержащей газовой фазой. Восстановление оксида железа оксидом углерода и водородом.

    контрольная работа [355,6 K], добавлен 13.02.2012

  • Физико-химические основы процесса производства аммиака, особенности его технологии, основные этапы и назначение, объемы на современном этапе. Характеристика исходного сырья. Анализ и оценка технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.02.2012

  • Сущность процесса, особенности и стадии оксосинтеза, его катализаторы. Различные реакции с участием оксида углерода. Уравнение гидроформилирования. Механизм гидрокарбалкоксилирования ацетилена. Процессы карбонилирования метанола до уксусной кислоты.

    реферат [73,4 K], добавлен 28.01.2009

  • Технология производства диоксида титана, области применения. Получение диоксида титана из сфенового концентрата. Сернокислотный метод производства диоксида титана из ильменита и титановых шлаков. Производство диоксида титана сульфатным и хлорный методом.

    курсовая работа [595,9 K], добавлен 11.10.2010

  • Жизнь как непрерывный физико-химический процесс. Общая характеристика природных соединений. Классификация низкомолекулярных природных соединений. Основные критерии классификации органических соединений. Виды и свойства связей, взаимное влияние атомов.

    презентация [594,7 K], добавлен 03.02.2014

  • Сведения об углероде, восходящие к древности и распространение его в природе. Наличие углерода в земной коре. Физические и химические свойства углерода. Получение и применение углерода и его соединений. Адсорбционная способность активированного угля.

    реферат [18,0 K], добавлен 03.05.2009

  • Составление формул соединений кальция с водородом, фтором и азотом. Определение степени окисления атома углерода и его валентности. Термохимические уравнения реакций, теплота образования. Вычисление молярной концентрации эквивалента раствора кислоты.

    контрольная работа [46,9 K], добавлен 01.11.2009

  • Углерод: положение в таблице Менделеева, нахождение в природе, свободный углерод. Атомы углерода в графите. Фуллерены как класс химических соединений, молекулы которых состоят из углерода. Первый способ получения твердого кристаллического фуллерена.

    доклад [11,9 K], добавлен 14.12.2010

  • Многообразие соединений углерода, их распространение в природе и применение. Аллотропные модификации. Физические свойства и строение атома свободного углерода. Химические свойства углерода. Карбонаты и гидрокарбонаты. Структура алмаза и графита.

    реферат [209,8 K], добавлен 23.03.2009

  • Физические свойства элементов VIIIB группы и их соединений, в частности, соединений железа. Анализ комплексных соединений железа (II) и железа (III) с различными лигандами с точки зрения теории кристаллического поля. Строение цианидных комплексов железа.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 24.02.2011

  • Изомерия как явление существования соединений, одинаковых по составу, но разных по строению и свойствам. Межклассовая изомерия, определяемая природой функциональной группы. Виды пространственной изомерии. Типы номенклатуры органических соединений.

    презентация [990,3 K], добавлен 12.03.2017

  • Фотохромные соединения, сферы их применения. Биологическая активность фотохромных соединений, их использование как лекарственных средств защиты против паразитов. Особенности синтеза 4-нитро-2Н-бензимидазол-1,3-диоксида и изучение его фотохромных свойств.

    курсовая работа [10,9 M], добавлен 27.05.2014

  • Особенности получения наночастиц серебра методом химического восстановления в растворах. Принцип радиационно-химического восстановления ионов металлов в водных растворах. Образование золей металла. Изучение влияния рН на величину плазмонного пика.

    курсовая работа [270,7 K], добавлен 11.12.2008

  • Технология получения серной кислоты контактным методом. Разработка технологической схемы включающей, сжигания серы, окисления диоксида серы и его абсорбции с получением товарной серной кислоты. Выбор и расчет основного аппарата – контактного аппарата.

    дипломная работа [551,2 K], добавлен 06.02.2013

  • Процесс устранения нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов. Каталитические и адсорбционные методы очистки. Окисление токсичных органических соединений и оксида углерода. Термические методы обезвреживания газовых выбросов.

    реферат [831,3 K], добавлен 25.02.2011

  • Окислительная димеризация метана. Механизм каталитической активации метана. Получение органических соединений окислительным метилированием. Окислительные превращения органических соединений, содержащих метильную группу, в присутствии катализатора.

    диссертация [990,2 K], добавлен 11.10.2013

  • Равновесие в насыщенных растворах малорастворимых соединений. Расчет растворимости осадков с учетом одновременного влияния различных факторов. Влияние комплексообразования на растворимость солей и определение ее зависимость от ионной силы раствора.

    контрольная работа [1,2 M], добавлен 10.11.2014

  • Запасы железных руд России. История получения железа. Основные физические и химические свойства железа. Способы обнаружения в растворе соединений железа. Применение железа, его сплавов и соединений. Сплавы железа с углеродом. Роль железа в организме.

    реферат [19,6 K], добавлен 02.11.2009

  • Основные операции при работе в лаборатории органической химии. Важнейшие физические константы. Методы установления строения органических соединений. Основы строения, свойства и идентификация органических соединений. Синтезы органических соединений.

    методичка [2,1 M], добавлен 24.06.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.