Даниловская Л. П. / Лекция 10. Использование адсорбации газов

Лекция 10 КХ21.

Тема лекции 10: « Практическое использование адсорбции газов»

Содержание темы: «Очистка аэрозолей - «отходящих» газов промышленности.

Абсорбция газов водными растворами и твердыми адсорбентами. Устройство и принцип действия каталитического дожигателя выхлопных газов автомобилей. Примеры использования адсорбции газов».

Очистка «отходящих» газов промышленности

«Отходящие» газы промышленности поставляют в атмосферу множество токсичных веществ, состав которых зависит от источника загрязнения: предприятия химической промышленности, металлургические заводы, ТЭЦ, автомобили (их выхлопные газы содержат около двухсот токсичных веществ) и др.

«Отходящие» газы – это аэрозоли, т. е. в воздухе взвешены:

- твердые частички пыли, диаметр 5- 50 мкм;

- твердые частички дыма, диаметр 0,1 – 5 мкм;

- жидкие капельки тумана, диаметр 0,3 – 5 мкм, а также газообразные и парообразные примеси.

Очистка «Отходящих» газов – это отделение и удаление токсичных компонентов или превращение их в безвредное состояние.

Примеси газов и паров, в частности, оксиды азота, SO₂, CO, CO₂, H₂S, Cl₂ и др. удаляют методом абсорбции их водой или водными щелочными растворами. В процессе барботажа отходящего газа пузырьки газа, поднимаясь со дна емкости к поверхности воды, растворяются в ней.

Барботаж (от фр. barbotage — «перемешивание»), или барботирование, — это процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Газ продавливается через слой жидкости с помощью труб с мелкими отверстиями (3-6 мм), называемых барботёрами. Барботаж атмосферного воздуха с помощью компрессора осуществляется в домашних условиях в аквариумах. Цель – насытить воду кислородом.

Те же самые газы, а также пары ртути, углеводородов могут поглощаться твердыми пористыми адсорбентами. Однако из запыленного воздуха такой способ удаления токсичных газов не всегда эффективен.

Рассмотрим принцип действия устройства под названием:

Каталитический дожигатель выхлопных газов.

Каталитический преобразователь (дожигатель) — это устройство в выхлопной системе автомобиля, позволяющее резко снизить количество токсичных выбросов в атмосферу. Происходит это путем восстановления оксидов азота до азота и кислорода, а также дожига угарного газа и несгоревших углеводородов. Токсичные выбросы образуются в результате сжигания топлива в двигателе автомобиля.

В химии катализатор — это вещество, ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом не расходующееся. Такими веществами – катализаторами являются мелкодисперсные медь, никель, золото, палладий, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлических элементов.

Принцип работы автомобильного каталитического дожигателя основан на способности веществ-катализаторов к ускорению химических реакций. Чаще всего устройство с катализатором расположено сразу после приемной трубы, однако иногда его устанавливают прямо на приемной трубе. Делают это для более быстрого прогрева, так как катализатор эффективно работает только при температурах свыше 300-400С.

Основные вещества, присутствующие в выхлопных газах автомобиля, являются безвредными:

- азот (N₂) - вода (H₂ O) - углекислый газ (CO₂).

Однако процесс горения не совершенен и помимо безвредных веществ,  при работе двигателя выделяются крайне токсичные, канцерогенные и довольно вредные для людей вещества:

- углеводороды (CH_х) - оксиды азота (NO_х) - окись углерода (CO).

Современные трехкомпонентные устройства – каталитические дожигатели - представляют собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором находится "сотовая" керамическая или металлическая пористая конструкция с весьма развитой поверхностью. Она покрыта тончайшим слоем катализаторов, обычно это платина, родий, палладий или золото. Так обеспечивается оптимальный контакт между выхлопными газами и поверхностью катализатора.

На активных центрах поверхности катализаторов происходит адсорбция молекул кислорода (из атмосферного воздуха) и токсичных газов. В результате адсорбции молекул кислорода О₂ связь О—О между атомами в молекулах ослабляется. Это приводит к появлению атомов кислорода, способных очень быстро реагировать с молекулами токсичных веществ. При окислении углеводородов исходной стадией также является их адсобция, но она сопровождается разрывом связи С—Н. Поэтому реакции на поверхности катализатора протекают очень быстро, т.е. мгновенно.

В каталитических преобразователях используются два вида катализаторов: восстанавливающий и окислительный.

Восстанавливающий катализатор использует платину и родий, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота. Когда молекула оксида или двуокиси азота встречается с молекулами катализатора, от нее отделяется атом азота, высвобождая кислород. Атом азота же связывается с другим атомом азота, образуя газообразный азот N₂. Окислительный катализатор уменьшает количество несгоревшего топлива СН_х и окиси углерода СО путем их сжигания (окисления) с помощью платины и палладия. Этот катализатор также помогает оксиду углерода вступить в реакцию с несгоревшим кислородом, образуя углекислый газ.

В упрощенном виде эти схематические химические реакции выглядят следующим образом:

NO + CO > N₂ + CO₂;

CH_х + O₂ > CO₂ + H₂ O;

CO + ½ O₂ > CO₂ ; Вследствие этих реакций токсичные, вредные вещества:

оксид углерода - CO, несгоревшие углеводороды - CHx и оксиды азота - NOx очень быстро восстанавливаются или окисляются

в безвредную воду H₂ O, азот N₂ и углекислый газ CO₂.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АДСОРБЦИИ ГАЗОВ

Адсорбция газов на твердых адсорбентах применяет­ся для:

- извлечения отдельных компонентов из газовых сме­сей и для полного разделения смесей;

- поглощения отравляющих газов;

-рекуперации (восстановления) растворителей: ацето­на, бензола, ксилола, хлороформа, сероуглерода и др.;

- улавливания различных промышленных выбросов;

- очистки воздуха от агрессивных газов;

- осушки газов в различных целях: повышения тепло­творной способности природного газа, предотвраще­ния образования ледяных «пробок» в трубопроводах, обеспечения сухой атмосферы в производствах и т. д;

-осуществления разнообразных гетерогенных реакций на границах раздела фаз. Огромную роль адсорбция играет в гетерогенном ка­тализе, когда на поверхности катализатора происходит концентрирование реагентов, определенное ориентиро­вание молекул, поляризация и переход в наиболее ак­тивное состояние, способствующее ускорению процесса.

Питание растений углекислым газом из воздуха свя­зано с предварительной адсорбцией газа на листьях.

Дыхание животных и человека протекает в результа­те предварительной адсорбции кислорода на поверхно­сти легких.

«Вопросы 1 – 6 для самоконтроля к лекции 10 КХ на тему: « Использование адсорбции газов»

1. Под термином - очистка - «отходящих» газов подразумевают … (приведите два фактора). Из каких частиц состоит дисперсная фаза аэрозолей – отходящих газов?

2. Назовите токсичные газообразные компоненты «отходящих» газов промышленности и объясните, какими методами их можно удалить.

3. С какой целью используют каталитический преобразователь (дожигатель) выхлопных газов автомобилей?

4. Какую роль играют катализаторы и адсорбционные процессы на них при работе каталитических преобразователей?

5. Укажите формулы и приведите схематичные уравнения реакций, в результате которых токсичные выхлопные газы превращаются в безвредные газы, попадающие в атмосферу после очистки.

6. Перечислите не менее трех технологических или природных процессов, связанных с применением адсорбции газов и паров. Примеры, ранее рассмотренные в лекциях, не приводить.