Восстановление диоксида углерода в водных растворах в присутствии соединений железа
Связь эффекта глобального изменения климата с ростом концентрации диоксида углерода в атмосфере при использовании традиционных природных энергоносителей. Способы решения проблемы сокращения выбросов СО2, процесс его восстановления до муравьиной кислоты.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.04.2022 |
| Размер файла | 296,1 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 присутствии соединений железа
Шестерикова Р.Е., доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология» Северо-Кавказский Федеральный Университет
Россия, г. Ставрополь
Аннотация
диоксид углерода выброс восстановление
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 СО 2 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.
1 - емкость для газовой смеси; 2 - зажим; 3 - реакционная склянка (абсорбер); 4 - электроды; 5 - магнитная мешалка с электроподогревом; 6 - рН-метр
Рисунок 1 - Схема лабораторной установки
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.
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- NH4CI- Fe+2- H2O] является диоксид углерода. Опытным путем необходимо было изучить влияние разных факторов на процесс поглощения СО2 раствором хлорида аммония с добавками соединений железа. Результаты исследований приводятся на рисунке 2 и в таблице 1. Объем раствора - 150 мл; концентрация NH4Cl-260 г/л; концентрация Fe+2- 3,5 г/л.
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
?Go298= 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++ HCO3- «Н+ + СО3-2
Далее в присутствии катиона Fe+2бикарбонат-ион вступает в химическое взаимодействие
Fe+2+ 2HCО3-= FeCО3 + H2CO3.
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+2активирует 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+3сопровождается снижением рН раствора от 5,4 до 4,3, окислительно - восстановительный потенциал раствора при этом возрастает от +75 мВ до +220 мВ. Обращает на себя внимание тот факт, что рН раствора стабилизируется, хотя происходит дальнейшее растворение диоксида углерода. Постоянство показателя рН указывает на то, что в результате взаимодействия диоксида углерода с компонентами раствора образуются соединения, обладающие щелочными свойствами.
Результаты исследований, приведенные на рисунке 3, указывают на постоянство окислительно-восстановительного потенциала в системе при поглощении СО2 раствором, содержащим катионы железа в обеих формах.
Объем поглощенного СО2, мл
1 - CNH4C1= 160 г/л;Сре+э= 0,5 г/л;Сре+2= 0,5 г/л;
2 - Cnh4ci= 160 г/л;Сре+э= 1,0 г/л;Сре+2= 0,0 г/л;
3 - Cnh4ci= 160 г/л;Сре+э= 0,0 г/л;Сре+2= 1,0 г/л.
Рисунок 3 - Изменение величины окислительно-восстановительного потенциала при поглощении диоксида углерода растворами различного состава
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 - Ре+2 - Ре+э - H2Oпри 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 СО2 и не дают количественной оценки их по поглотительной способности. Для этого были проведены опыты, результаты которых приводятся в таблице 2.
Таблица 2Результаты 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 |
FCходног 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 СО2 составляет 63 кг/м3.
В таблице 3 приводятся результаты экспериментов по определению поглотительной емкости исследуемого раствора по сероводороду и диоксиду углерода.
Таблица 3Поглотительная 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
диоксид углерода выброс восстановление
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 / / Журнал 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. СигэруОаэ, Химия органических соединений серы/ Пер.сяпон. под редакцией Е.Н. Прилежаевой. - М.: Химия, 1975. - 512 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Содержание в атмосфере газовых составляющих. Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект. Конвенция об изменении климата. Регулирование антропогенных выбросов и стоков парниковых газов.
реферат [18,6 K], добавлен 25.10.2006Сущность парникового эффекта. Пути исследования изменения климата. Влияние диоксида углерода на интенсивность парникового эффекта. Глобальное потепление. Последствия парникового эффекта. Факторы изменения климата.
реферат [20,6 K], добавлен 09.01.2004Изучение механизма и видов воздействия на окружающую среду и биосферные процессы парникового эффекта. Анализ показателей усиления парникового эффекта в индустриальную эпоху, связанного с возрастанием содержания в атмосфере техногенного диоксида углерода.
реферат [29,6 K], добавлен 01.06.2010Источники и резервы углерода на Земле. Влияние круговорота углерода на глобальный климат. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Парниковый эффект и климат. Концентрация углерода в системе литосфера - гидросфера - атмосфера.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.06.2011Расчет выбросов твердых частиц, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота. Определение концентраций, обусловленных выбросами одиночного источника. Опасная скорость ветра. Вычисление предельно допустимого выброса вредных веществ в атмосферу.
контрольная работа [35,5 K], добавлен 23.04.2011Определение расхода природного газа в котельной. Расчет выбросов окиси углерода и диоксида азота. Исследование концентрации вредных веществ в отходящих газах. Алгоритм расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для холодных газов.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 14.03.2014Биогеохимические круговороты углерода: ландшафтный, малый и биосферный. Изучение изменения содержания химических элементов в атмосфере в разные геологические периоды. Парниковые газы, аэрозоли и климат. Глобальное потепление климата и протокол Киото.
курсовая работа [468,4 K], добавлен 16.06.2015Негативные изменения атмосферы Земли. Воздушная экологическая проблема истощения озонового слоя. Антропогенное загрязнение. Расчет выбросов угольной пыли, загрязняющих веществ топлива в котлоагрегатах, диоксида серы, оксида углерода, твердых частиц.
курсовая работа [37,4 K], добавлен 24.03.2009Методы очистки от пыли, их разновидности, отличительные особенности и степень эффективности. Принцип действия и устройство вихревых пылеуловителей. Виды промышленных волокнистых фильтров. Очистка газов от диоксида серы, сероводорода, оксидов углерода.
реферат [945,1 K], добавлен 08.08.2009Причины глобального изменения климата на Земле, меры противодействия данным явлениям, международные разработки в этой области. Механизмы снижения антропогенного воздействия глобального изменения климата в энергетике РФ. Мировой опыт углеродного рынка.
реферат [39,3 K], добавлен 21.06.2010Общая характеристика каталитических методов очистки. Каталитическая очистка газовых выбросов от оксидов азота и углерода. Существующие катализаторы и процессы нейтрализации оксидов азота и углерода. Перспективы каталитической очистки газовых выбросов.
контрольная работа [265,9 K], добавлен 26.10.2010Организация мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. Физические свойства диоксида серы, ее токсическое действие на организм человека. Анализ проб воздуха, отобранных на постах г. Екатеринбург на содержание диоксида серы, оценка ситуации в городе.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 19.11.2015Проблема изменения климата Земли как один из главных вопросов выживания человечества. Сущность и предпосылки глобального потепления, направления и перспективы разрешения связанных с ним проблем. Причины роста концентрации углекислого газа в атмосфере.
презентация [864,3 K], добавлен 06.04.2014Природа и количественное определение парникового эффекта. Парниковые газы. Решения проблемы изменения климата в разных странах. Причины и последствия парникового эффекта. Интенсивность солнечной радиации и инфракрасного излучения поверхности Земли.
курсовая работа [856,9 K], добавлен 21.04.2011Причины изменения климата. Комплексность климатической системы Земли. Понятие и сущность парникового эффекта. Глобальное потепление и воздействие на него человека. Последствия глобального потепления. Меры, необходимые для предотвращения потепления.
реферат [30,8 K], добавлен 10.09.2010Состояние атмосферного воздуха в городе Омске. Меры по предотвращению загрязнения воздуха Омского ТЭЦ-5. Снижение выбросов окислов азота и диоксида серы. Технологии очистки дымовых газов от золы. Сокращение выбросов в населенные пункты парниковых газов.
курсовая работа [359,0 K], добавлен 08.05.2014Формула оценки концентрации окиси углерода. Особенности определения коэффициента токсичности автомобилей. Исследование и расчет уровня загрязнения воздуха окисью углерода на магистральной улице с многоэтажной застройкой с двух сторон и уклоном 2°.
лабораторная работа [375,4 K], добавлен 26.10.2013Анализ основных причин глобального изменения климата. Понятие и особенности парникового эффекта. Рассмотрение отрицательных и положительных последствий глобального потепления, выводы специалистов. Характеристика проблем нового ледникового периода.
реферат [61,2 K], добавлен 19.10.2012Проблема парникового эффекта. Причины изменения климата. Основные принципы инвентаризации выбросов и стоков парниковых газов. Рамочная конвенция ООН по изменению климата. Киотский протокол - механизм торговли квотами. Проекты совместного осуществления.
дипломная работа [82,7 K], добавлен 13.06.2013Причины прогнозируемого на XXI век изменения климата Земли. Повышение средней температуры в атмосфере и в приземном слое, его неблагоприятное воздействие на природные экосистемы и человека. Механизм действия парникового эффекта, планетарное альбедо.
реферат [843,4 K], добавлен 15.12.2009
