Окисление монооксида углерода на гетерогенных катализаторах

Федеральное агентство по образованию
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
Кафедра
Химии и технологии
основного
органического
синтеза
И.В. Ошанина, Д.Н. Титов
УДК:541.128.13
ББК 24.54
И.В. Ошанина, Д.Н. Титов. Методические указания по
выполнению лабораторной работы «Окисление монооксида
углерода на гетерогенных катализаторах», М. МИТХТ, 2009 36с.
Методическое пособие предназначено для магистров и
инженеров
(специалистов)
5-го
курса,
выполняющих
лабораторные работы по курсу «Методы исследования химикотехнологических процессов». Оно может быть полезно
студентам 4-6 года обучения, занимающихся выполнением
квалификационных работ бакалавра, дипломных проектов
(специалисты) и магистерских диссертации на кафедре ХТООС.
В пособии описаны методика приготовления нанесенных
металлокомплексных катализаторов для окисления монооксида
углерода, методики проверки их активности.
УДК:541.128.13
ББК 24.54
Методические указания по выполнению
лабораторной работы «Окисление монооксида
углерода на гетерогенных катализаторах»
Рецензент: доц. каф. ОХТ
А.Л.Шварц
Рекомендовано к изданию кафедрой Химии и
технологии основного органического синтеза (протокол
№ 2 от 7.09.2009)
Утверждено библиотечно-издательской комиссией
МИТХТ в качестве учебного-методического пособия.
Москва 2009
© МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2009 г.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Введение
4
Катализаторы окисления монооксида
углерода
2.
Экспериментальная часть
2.1 Методика приготовления катализаторов
окисления монооксида углерода
2.2 Методика проверки активности
катализаторов окисления монооксида
углерода
2.2.1 Определение содержания СО
с использованием газоанализатора
2.2.2 Определение содержания СО методом
газоадсорбционной хроматографии
2.2.3 Схема установки
2.2.4 Порядок выполнения работы
2.2.4.1 Проверка активности катализаторов при
содержании
СО в ГВС 100 мг/м3
2.2.4.2 Проверка активности катализаторов
при высоком содержании СО в ГВС
2.2.4.3 Работа на установке при постоянной
температуре
3.
Требования безопасности при работе на
установке для проверки активности
катализаторов окисления СО
веществ, загрязняющих воздушный бассейн. Этот газ образуется
в
1.
Список использованной литературы
Монооксид углерода (СО) – одно из самых опасных
основном
при
неполном
сгорании
углеродсодержащих
7
9
веществ. Различают природные и антропогенные источники
9
В естественных условиях CO образуется при неполном
образования монооксида углерода.
анаэробном
разложении
органических
соединений,
при
13
извержении вулканов, при горении лесов. Природные фоновые
15
уровни содержания оксида углерода в воздухе колеблются в
пределах от 0,01 до 0,23 мг/м3[1].
16
21
21
Основными
настоящее
время
антропогенными
являются
источниками
промышленные
CO
в
предприятия,
связанные со сжиганием топлива, и транспорт. В мегаполисах
около
автомагистралей
в
безветренную
погоду
средние
27
концентрации СО за 8 ч могут быть около 20 мг/м3, а пиковые
30
величины за 1 ч - до 60 мг/м3 [1]. В туннелях значения
концентрации
31
34
СО
могут
достигать
100-120
мг/м3
[2].
Значительные количества монооксида углерода образуются при
курении. Так, при сгорании одной сигареты, образуется 10-23 мг
СО [3]. Концентрация СО в местах для курящих (офисы и
рестораны), может достигать значений 25-45 мг/м3 [4].
Велика вероятность отравления монооксидом углерода
людей находящихся в зоне пожара. По данным, полученным в
результате измерения концентрации СО более чем на 200
реальных и учебных пожарах [5] в 90% случаях концентрация
3
4
СО была ниже 600 мг/м3. Но при этом в 3% случаев была
ПДКрз (предельно допустимая концентрация вредного
зафиксирована концентрация СО выше 1800 мг/м3, и в 1% -
вещества в воздухе рабочей зоны) – это такая концентрация
3
выше 3600 мг/м .
вредного вещества в воздухе, которая
Таблица 1
[CO],мг/м
3
Доля пожаров с
при ежедневном 8
часовом воздействии в течение всего рабочего стажа не
240
600
1200
1800
3600
55
90
94
97
99
вызывает каких-либо нарушений или заболеваний у работника.
ПДКсс (среднесуточная) – это концентрация вредного
вещества в воздухе населенных мест, которая не должна
[COизм]<[CO],%
оказывать на человека прямого или косвенного вредного
Опасность монооксида углерода связана с его высокой
воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.
токсичностью. Монооксид углерода, так же как и кислород,
Максимальная разовая ПДКмм – эта концентрация
связывается гемоглобином крови. Но константа равновесия
вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не
реакции связывания СО гемоглобином крови в 200-250 раз
должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека
больше константы равновесия реакции связывания О2[4].
при вдыхании воздуха в течение 20-30 мин.
Поэтому вдыхание воздуха, содержащего монооксид углерода,
В литературе приводятся разные данные для ПДК
приводит к кислородному голоданию. Монооксид углерода
монооксида углерода. Например, «Мосэкономмониторинг» для
относят к 4 классу опасности. Время, в течение которого человек
оценки загрязнения воздуха СО в городе использует значения
может находиться в зоне с высоким содержанием СО без
максимальной разовой ПДК – 5 мг/м3 и среднесуточной ПДК – 3
серьезных последствий для здоровья, зависит от концентрации
мг/м3[1]. В ряде западных стран требования к содержанию СО в
СО. Так, в помещении с концентрацией СО 100 мг/м3 человек
жилой зоне выше, и, соответственно, значения среднесуточной и
может находиться 30 мин, 200 мг/м – 15 мин[6]. Всемирная
максимальной разовой предельно-допустимых концентраций
организация
ниже. Значение ПДК для промышленной зоны – 20 мг/м3 [7].
3
здравоохранения
использует
более
жесткие
Наиболее эффективным способом защиты от монооксида
нормативы [2].
Для санитарной оценки воздушной среды используют
понятие предельно-допустимой концентрации (ПДК). Разные
углерода является использование средств защиты на основе
катализаторов окисления СО кислородом воздуха.
значения ПДК используют для характеристики состояния
воздуха в промышленной и жилой зонах.
5
6
1. Катализаторы окисления монооксида углерода
Существует ряд катализаторов, позволяющих проводить
реакцию окисления монооксида углерода при комнатной
температуре:
СО + 1/2О2 = СО2
По
форме
-
нанесенные металлокомплексные катализаторы (те
же соли наносят на уголь, оксид алюминия или
другие носители) [8].
Для окисления монооксида углерода в средствах защиты
органов дыхания
используют разные типы гетерогенных
катализаторов.
данной
В
работе
рассмотрены
методы
приготовления и тестирования нанесенных металлокомплексных
нахождения
активного
компонента
катализаторы низкотемпературного окисления СО делят на пять
групп:
катализаторов.
Катализаторы
этой
группы
имеют
ряд
преимуществ. Их использование позволяет очищать воздух при
разной степени его загрязнения монооксидом углерода (от 100
-
катализаторы оксидного типа (гопкалиты - СuO,
до 12000 мг/м3). Эти катализаторы достаточно активны при
MnO2, Ag2O);
температуре 200С
нанесенные металлические катализаторы (в основном
влажности при нагрузке на катализатор до 12000 час-1. Они не
и могут работать в широком диапазоне
металлы платиновой групп - Pt, Pd, Au, нанесенные
отравляются при наличии в очищаемом воздухе углеводородов и
на пористые носители Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, АУ
серосодержащих газов.
или углеродные волокна);
-
оксидно-металлические катализаторы (смесь оксидов
переходных металлов Mn, Ni, Cr, Co, Fe, Cu, Mg, Zn и
металлов Pt-группы);
-
растворенные
металлокомплексные
катализаторы
(растворы солей Pd(II) и обратимо действующего
окислителя
–
солей
меди(II),
железа(III),
гетерополикислот);
7
8
Стадия
2. Экспериментальная часть
носителя нужного размера. Для приготовления катализаторов
монооксида углерода
марки активированных углей или оксида алюминия.
катализаторы
готовят
путем
Процесс
приготовления катализатора включает следующие стадии:
подготовка
носителя
отсеивание
при
(измельчение
помощи
сит
носителя
нужной
и
фракции
носителя);
приготовление водного раствора солей палладия и
меди;
-
нанесение солей палладия и меди на носитель -
Измельчение катализатора проводят в фарфоровой
ступке при помощи фарфорового пестика. Измельченный
носитель
просеивают
через
сита
с
отверстиями
соответствующими максимальному и минимальному размеру
частиц катализатора (например, 2 и 1 мм). Для приготовления
катализатора берут фракцию, оставшуюся между ситами (рис.1).
Более мелкую фракцию, просеявшуюся через мелкое сито, и
собранную в поддон утилизируют
или
используют для
приготовления катализатора с меньшим размером частиц.
холодная пропитка носителя;
Защитная крышка
фильтрация – стадия отделения катализатора от
Крупное сито
маточного раствора;
Мелкое сито
-
сушка катализатора;
-
анализ состава маточного раствора и его утилизация.
Для
проведения
исследования
готовят
10-20
Поддон
мл
катализатора. Состав катализатора (какие соли палладия и меди,
и какой носитель нужно использовать для приготовления) и
количественное содержание различных компонентов в нем, а
также
в
окисления СО в качестве носителя обычно используют разные
нанесения солей палладия и меди на носитель.
-
заключается
металлокомплексных катализаторов окисления
Металлокомплексные
-
носителя
измельчении носителя и отсеивании при помощи сит фракции
2.1 Методика приготовления нанесенных
-
подготовки
размер
частиц
носителя
необходимо
уточнить
у
Рисунок 1. Порядок размещения сит для отсеивания
фракции носителя нужного размера.
преподавателя перед приготовлением катализатора.
9
10
Фракцию, не прошедшую через крупное сито, повторно
Бюхнера
с
использованием
бумажного
фильтра.
После
измельчают. После завершения работы сита очищают путем
отделения маточного раствора
продувания их потоком воздуха или азота.
фильтре в токе воздуха, создаваемого водоструйным насосом в
Указанные выше операции необходимо проводить с
использованием
средств
защиты
органов
дыхания
катализатор подсушивают на
течение 15 мин.
–
Сушку катализатора проводят при температуре 100
±50С в течение 1 часа 45 мин. После высушивания готовый
защищающих от пыли респираторов или масок.
Для приготовления катализатора отмеряют заданный
объем носителя, определяют его массу. Полученные данные
катализатор взвешивают.
Маточный раствор в зависимости от используемого
используют для расчета навесок солей палладия и меди,
носителя
может
необходимых для приготовления катализатора.
палладия
и
содержать
меди.
некоторые
Точное
количества
количество
солей
адсорбированных
В ходе приготовления водного раствора солей палладия
носителем солей палладия и меди рассчитывают на основании
и меди (PdCl2 и CuCl2⋅2Н2О) взвешивают навески реактивов и
данных об их исходном и конечном содержании в пропиточном
растворяют их
и маточном растворе. Анализ содержания палладия в маточном
в воде. Процесс растворения ведут в
плоскодонной колбе, соединенной с обратным холодильником.
растворе
Содержимое колбы перемешивают при помощи магнитной
(измерение интенсивности поглощения комплекса палладия).
мешалки,
колбу
термостатируют
при
температуре
700С.
проводят
Определение
методом
содержания
электронной
меди
спектроскопии
проводят
Длительность процесса растворения – 20 минут. Полученный
фотоколориметрическим методом по интенсивности окраски
прозрачный раствор темно-красного цвета, охлаждают до
комплекса
комнатной температуры и используют для пропитки носителя.
проведения анализа маточный раствор утилизируют (сливают в
На стадии холодной пропитки, в емкость (колба или
бюкс) с пропиточным раствором засыпают носитель. Емкость
меди
с
диэтилдикарбаматом
После
емкость для сбора растворов, содержащих соли палладия и
меди).
закрывают и в течение суток раствор с носителем выдерживают
при комнатной температуре.
Через сутки катализатор отделяют от маточного раствора
путем фильтрации. Процесс фильтрации ведут на воронке
11
натрия.
12
2.2
Методика
проверки
активности
катализаторов окисления монооксида углерода
также для очистки воздуха в помещениях, расположенных около
крупных автострад и в тоннелях. Для разработки средств
индивидуальной
защиты
органов
дыхания
(СИЗОД),
Активность катализаторов проверяют при постоянных
используемых при эвакуации людей из зоны пожара, нужны
параметрах: скорости подачи газовоздушной смеси (ГВС),
катализаторы, позволяющие значительно снизить содержание
концентрации монооксида углерода, влажности ГВС. В ходе
СО при содержании последнего в ГВС до 1% (~12000 мг/м3).
опыта измеряют содержание СО в газовоздушной смеси до и
Значения степени превращения СО в присутствии одного и того
после катализатора. Полученные данные используют для
же образца при разном содержании СО могут быть различными.
расчета степени превращения СО:
Существенным
фактором,
определяющим
активность
α= ([COвх]-[COвых]) ⋅100/[COвх], %
катализаторов при очистке ГВС с высоким содержанием СО,
Скорость подачи ГВС определяют в зависимости от
является разогрев катализатора за счет тепла реакции окисления
заданной нагрузки и количества загруженного в реактор
СО.
Существенное
катализатора
влияние
на
работу
катализаторов
Vгаза =W⋅Vкат-ра,
окисления СО оказывают температура ГВС и содержание влаги
где W – нагрузка по ГВС [(л/(ч⋅лкат-ра)]
в ней. Испытания активности катализаторов обычно проводят
Обычно испытания активности катализаторов проводят
поддерживают постоянное абсолютное содержание влаги в ГВС.
при
комнатной
температуре.
В
ходе
исследования
при нагрузке 12000 ч-1. Эта цифра рассчитана исходя из объема
В случае необходимости проведения серии экспериментов при
катализатора, загружаемого в коробку респиратора (150 мл) и
постоянной
средней скорости дыхания человека (30 л/мин).
термостатируемую установку.
Содержание СО в ГВС выбирают в
предполагаемых
температуре
для
зависимости от
условий эксплуатации катализатора.
Так,
катализаторы, обеспечивающие высокие степени превращения
СО при его содержании 100 мг/м3 необходимы для очистки
воздуха на предприятиях, связанных с образованием СО
(авторемонтные мастерские, гаражи, сварочные производства), а
13
14
исследования
используют
2.2.1 Определение содержания СО при помощи
2.2.2
Определение
содержания
СО
методом
газоанализатора
газоадсорбционной хроматографии
Для определения содержания СО в газовоздушной смеси
Для определения высоких концентраций СО используют
используют электрохимический газоанализатор ПКГ-4-СО-МК-С
метод
(ТУ 4215-004-29359805-03). Датчик прибора вмонтирован в
проводят на хроматографе ЛХМ – 8МД (детектор – катарометр).
проточную металлическую камеру, которую подключают к
Разделение газов происходит на стальной колонке, заполненной
установке
Разные
цеолитом 13А (фракция 0,25-0,5 мм); длина колонки составляет
модификации прибора позволяют определять содержание СО в
3м при диаметре 3мм. Температура разделения 500С, ток
диапазоне от 0 до 500 мг/м3 и от 0 до 3000 мг/м3. Точность
детектора – 70 мА, газ-носитель – аргон, скорость газа – 1,56л/ч.
определения
Этот метод используется для
при
помощи
резиновых
содержания
СО
–
шлангов.
10%.
Время
отклика
газоанализатора - 30 секунд.
режим не менее 6 часов. Поэтому при проведении исследований
прибора
Электрохимический
должно
датчик
после
быть
непрерывным.
завершения
каждого
эксперимента должен быть отсоединен от газовых линий,
содержащих монооксид углерода, то есть, отсоединен от
установки.
Перед
необходимо
подключением
проверить
расхода
(ГАХ).
Анализ
определения концентрации
прибора
соответствие
к
через пробоотборники с резиновой мембраной при помощи
газового шприца.
Расчет содержания СО в ГВС проводят в соответствии с
методом внутренней нормализации по формуле:
[CO`] =
установке
анализируемого
газа.
Датчик
,%
,,KCO MCO HCO+ MN2H N2 + KO2 MO2 HO2
относительно азота (коэффициент для азот принят
равным 1) ,
прибора
Нi – высоты пиков, соответствующих газов,
необходимо защищать от попадания конденсата при работе с
влажной ГВС.
KCO MCO HCO
где Ki – калибровочные коэффициенты газов
экспериментальной
скорости пропускания ГВС и рекомендуемого для данного
прибора
хроматографии
монооксида углерода выше 0,2 об%. Пробы ГВС отбирают
Время выхода электрохимического газоанализатора на
электропитание
газоадсорбционной
Мi – рабочий масштаб прибора.
Значения калибровочных коэффициентов приведены в
таблице 2.
15
16
Таблица 2. Значения калибровочных коэффициентов
Газ
СО
O2
Калибровочный коэффициент
2
0,56
Для
сопоставления
результатов,
полученных
схема установки в конеце пособия, стр. 37
с
использованием газовой хроматографии и газоанализатора,
содержание СО необходимо выразить в одних и тех же
единицах. Обычно объемное содержание монооксида углерода
пересчитывают в мг/м3 по формуле:
[CO]=[CO`]·273·Pлаб·28·104/(Тлаб+273)/760/22,4
где [CO] – концентрация СО, мг/м3,
[CO`] – концентрация СО, %,
Тлаб- температура воздуха в лаборатории, С,
Pлаб, давление в лаборатории, мм.рт.ст.,
28 –молекулярная масса СО,
104 – перевод единиц (м3 в л, г в мг, % в доли).
2.2.3 Схема установки
Установка для проверки активности катализаторов в
процессе окисления СО включает следующие блоки:
A.
блок подготовки и подачи газо- воздушной смеси
(компрессор, газометр, реометры, газосчетчик,
газоанализатор);
B.
блок регулировки влажности ГВС (сатуратор,
осушитель, прибор для измерения влажности)
17
18
C.
каталитический блок (реактор);
Блок А включает в себя устройство для подачи в
установку воздуха - компрессор(1). Скорость подачи воздуха
(или ГВС) измеряют при помощи газосчетчика (10), определяя
объем прошедшего через газосчетчик воздуха за определенный
интервал времени. Скорость подачи воздуха регулируют при
помощи игольчатого вентиля В-1.
Монооксид углерода подают из газометра (2). Скорость
подачи газовой смеси из газометра регулируют при помощи
игольчатого вентиля В-2 и устанавливают в зависимости от
содержания СО в ГВС, которое определяют при помощи
газоадсорбционной хроматографии (ГАХ) или при помощи
газоанализатора 6. Реометры 3 и 4 используют для контроля за
постоянством расхода воздуха и газа из газометра.
Влажность ГВС регулируют в блоке В. Влажность ГВС
на входе в блок В
совпадает с влажностью воздуха в
лаборатории. В том случае, если для проведения испытаний
нужна более высокая влажность, часть потока ГВС пропускают
через сатуратор, частично заполненный водой. Для получения
ГВС с низким содержанием влаги вместо сатуратора к установке
колонку,
подключают
заполненную
высушенными
молекулярными ситами.
Соотношение потоков ГВС,
прошедших
через
(осушитель)
регулируют
при
сатуратор
помощи
игольчатого
и
мимо
вентиля
него,
В-3
зависимости от показаний прибора для измерения влажности 8.
19
20
в
Для проверки активности катализатора газовоздушную смесь,
помощи кранов К-3 и К-4 должен быть подключен к линии
содержащую заданное количество
подачи СО (кран К-1 – закрыт, К-2 –открыт, рис.3).
монооксида углерода и
влаги, пропускают через реактор с катализатором. Содержание
Перед
началом
тестирования
катализатора
нужно
монооксида углерода после реактора определяют при помощи
установить требуемые скорости подачи воздуха и смеси,
газоанализатора 5.
содержащей монооксида углерода, отрегулировать влажность
ГВС.
2.2.4 Порядок выполнения работы
2.2.4.1 Проверка активности катализаторов при
содержании СО в ГВС 100 мг/м3
Для проведения испытаний собирают установку в
К-1
Линия входа
соответствии со схемой, приведенной на рис.2. В этом случае
содержание СО в исходной и очищенной ГВС определяют при
помощи
газоанализатора,
подключают
началом
датчик
которого
периодически
к линиям на входе и выходе реактора. Перед
работы
необходимо
проверить
5
К-4
К-3
герметичность
установки.
Газометр заполняют смесью воздуха и монооксида
углерода (1об.%).
В реактор загружают 5 мл катализатора. Катализатор
предварительно взвешивают.
К-2
Линия выхода
Рисунок 3. Положение кранов при подключении датчика
Перед включением установки необходимо проверить
правильность подключения датчика газоанализатора и реактора.
Реактор при помощи кранов К-5 и К-6 должен быть отключен от
линии подачи газовоздушной смеси (ГВС). Газоанализатор при
21
газоанализатора в линию входа.
Работу на установке начинают с включения компрессора
1, осуществляющего подачу воздуха. Нагрузка по ГВС 12000 ч-1
обеспечивается путем подачи в реактор ГВС со скоростью 60
22
л/час. Скорость подачи воздуха устанавливают при помощи
В момент начала опыта реактор 9 при помощи кранов
игольчатого крана В-1 и измеряют при помощи газового
К-5 и К-6 (поворачивают одновременно) подключают к линии
счетчика 10 и секундомера. После установления требуемой
подачи газовой смеси. Сразу после подключения реактора
скорости подачи воздуха необходимо измерить высоту столбика
необходимо проверить высоту столбиков реометров 3 и 4. В том
реометра 4. Показания приборов в ходе опыта записывают в
случае если показания реометров изменились необходимо при
таблицу. Образец заполнения таблицы приведен в приложении
помощи кранов В-1 и В-2 отрегулировать расходы воздуха и
на стр. 33.
СО. Через 1 минуту после начала опыта записывают показания
Для увлажнения (осушения) воздух пропускают через
сатуратор (осушитель) 11. Заданную влажность устанавливают
газосчетчика.
На пятой минуте
необходимо записать
следующие показания:
при помощи игольчатого крана В-3, регулируя соотношение
-
температура и влажность ГВС;
потоков увлажненного и неувлажненного воздуха в зависимости
-
содержание СО в исходной ГВС;
от показаний прибора для измерения влажности 8. После
-
показания газосчетчика (точно по секундомеру).
установления требуемой влажности повторно проверяют расход
Затем датчик газоанализатора переключают в линию на
выходе из реактора. Для этого открывают кран К-1, меняют
воздуха и показания реометра 4.
Для подачи в систему монооксида углерода необходимо
положение кранов К-3 и К-4 (одновременно), закрывают кран
открыть выпускной кран газометра и при помощи игольчатого
К-2 (рис.4). При переключении датчика необходимо следить за
крана В-2 установить необходимый расход газовой смеси из
постоянством показаний реометров 3 и 4. После переключения
газометра. Расход этой смеси устанавливается в зависимости от
датчика газоанализатора рассчитывают скорость подачи ГВС и
показаний
нагрузку на катализатор.
газоанализатора. После установления
концентрации СО – необходимо
требуемой
измерить высоту столбика
реометра 3.
После
Измерение содержания СО в очищенном воздухе
проводят
завершения
настройки
рабочих
параметров
необходимо в течение 15-20 минут убедиться в их постоянстве.
Если скорость подачи ГВС, содержание СО и влаги в ГВС не
меняются, то можно начинать тестирование катализатора.
23
через
5
мин
после
переключения
датчика
газоанализатора. Показания остальных приборов снимают через
10-15 мин.
Через
30
минут
после
начала
опыта
датчик
газоанализатора отключают от линии очищенного воздуха и
24
подключают к линии исходной ГВС. Для этого открывают кран
Опыт
проводят
в
течение
2
часов.
Полученные
К-2, меняют положение кранов К-3 и К-4 (одновременно),
результаты заносят в таблицу 3 и используют для расчета
закрывают кран К-1 (рис.3). В течение 5 минут после
конверсии СО (α).
переключения датчика измеряют содержание СО, температуру и
отключают от линии подачи ГВС, выключают подачу СО.
влажность ГВС, скорость подачи ГВС. При необходимости
Продувают систему воздухом для удаления из нее остатков СО.
корректируют скорости подачи СО и воздуха. Затем датчик
Катализатор выгружают из реактора и взвешивают.
переключают на линию выхода (рис.4).
После проведения эксперимента, реактор
Для сравнения результатов работы разных катализаторов
Переключения датчика газоанализатора повторяют в
течение всего опыта.
строят графические зависимости - изменение конверсии СО в
ходе опыта.
Рассмотренный выше вариант позволяет проверить и
сравнить активности разных катализаторов при использовании
одного
К-1
Линия входа
газоанализатора.
Для
уменьшения
погрешности
тестирования, связанной с переключением датчика прибора, и
для получения данных о периоде разработки катализатора
тестирование проводят с использованием двух газоанализаторов.
5
К-3
В этом случае датчик одного газоанализатора ставят на линию
К-4
входа (ГА-1), другого на линию выхода (ГА-2). Так как
показания двух приборов могут отличаться друг от друга (в
пределах погрешности работы приборов), то перед проведением
испытания показания двух приборов сравнивают, подключив их
параллельно
К-2
Линия выхода
к
линии
подачи
устанавливают по показаниям ГА-2.
Рисунок 4. Положение кранов при подключении датчика
газоанализатора в линию выхода.
25
ГВС
26
(рис.5).
Расход
СО
шприца отбирать газовые пробы. Такой же пробоотборник
ГА-1
ставят на линии выходящего газа. Газоанализатор при помощи
ГА-2
кранов К-3 и К-4 отключают от установки (рис.6).
В газометр набирают монооксид углерода.
Линия входа
Перед включением установки необходимо проверить
правильность подключения реактора. Реактор при помощи
К-4
К-3
К-2
Линия выхода
кранов К-5 и К-6 должен быть отключен от линии подачи
газовоздушной смеси (ГВС).
12
Линия входа
Рисунок 5. Схема подключения газоанализаторов при
5
установлении расхода СО.
2.2.4.2 Проверка активности катализаторов при
К-3
К-4
высоком содержании СО в ГВС
Если проверку активности катализатора проводят при
высоком содержании монооксида углерода, его содержание в
12
К-2
Линия выхода
исходной ГВС определяют хроматографически. Газоанализатор
используют для определения содержания СО в очищенном
Рисунок 6. Схема подключения газоанализатора
воздухе. В этом случае при сборке установки (рис. 2) вместо
работе с высоким содержанием СО (12- пробоотборники
крана К-1 ставят пробоотборник, позволяющий при помощи
газа).
27
28
при
Перед
началом
тестирования
катализатора
нужно
установить требуемые скорости подачи воздуха и монооксида
2.2.4.3 Работа на установке при постоянной
температуре
углерода, отрегулировать влажность ГВС. После установления
всех параметров реактор с катализатором при помощи кранов
начале
выходящем
из
газоадсорбционной
опыта
измерение
реактора
катализаторов
при
постоянной
в
установки такая же, как и описано выше (рис.2). Существенное
методом
отличие – наличие защитного кожуха. Для поддержания нужной
концентрации
воздухе
хроматографии.
тестирования
температуре используют термостатируемую установку. Схема
К-5 и К-6 подключают к линии ГВС.
В
Для
проводят
В
том
СО
случае
если
температуры в установке предусмотрен нагревательный элемент
содержание СО ниже верхнего предела чувствительности
(электролампа) и система охлаждения
газоанализатора, его подключают к установке (см. рис.4). В
Циркуляция воздуха в установке обеспечивается вентилятором.
противном случае, содержание СО анализируют методом ГАХ
Нагревательный элемент включается при помощи измерителя -
как в исходной, так и в очищенной ГВС в ходе всего опыта.
регулятора температуры. Температуру радиатора регулируют
Опыт
проводят
в
течение
результаты заносят в таблицу
2
часов.
Полученные
3 и используют для расчета
(водяной радиатор).
изменением скорости подачи охлаждающей воды.
Работу на термостатируемой установке начинают с
включения системы термостатирования. Для этого:
конверсии СО.
- включают подачу охлаждающей воды в радиатор,
После проведения эксперимента, реактор отключают от
- задают
линии подачи ГВС, выключают подачу СО. Продувают систему
нужную
температуру
на
измерителе-
регуляторе температуры,
воздухом для удаления из нее остатков СО. Катализатор
- включают электропитание нагревательного элемента,
выгружают из реактора и взвешивают.
- включают вентилятор.
Регулировку
помощи
регулятора
температуры
ГВС
температуры
и
осуществляют
скорости
при
подачи
охлаждающей воды. После достижения требуемой температуры
включают установку для проверки активности катализаторов
(см. выше). При этом доступ ко всем регулировочным узлам и
29
30
переключение
кранов
осуществляют
через
специальные
отверстия в защитном кожухе.
или резкое изменение уровня жидкости в реометрах при
После завершения работы выключают установку и
систему
показаниями газосчетчика и реометров. Остановка газосчетчика
термостатирования.
системы
нарушением
герметичности
термостатирования отключают электропитание нагревательного
необходимо
немедленно
элемента,
углерода, перекрыв выпускной кран газометра. В дальнейшем
задатчика
Для
выключения
стационарной работе установки могут быть обусловлены
температуры
и
вентилятора.
Затем
отключают подачу охлаждающей воды.
установки.
прекратить
для
проверки
активности
катализаторов окисления СО
К работе на установке для тестирования катализаторов
допускаются лица, ознакомившиеся с правилами внутреннего
распорядка и прошедшие инструктаж по технике безопасности
на рабочем месте.
Потенциальные опасности, возникающие при работе,
обусловлены возможностью отравления угарным газом. Работа
на установке разрешается только при работающей вытяжной
вентиляции
в
лаборатории.
Сброс
газовоздушной
смеси,
выходящей из установки для должен осуществляться только в
вытяжной шкаф.
Работающий
не
должен
оставлять
включенную
установку без присмотра.
В
процессе
работы
необходимо
контролировать
герметичность установки. Для этого нужно постоянно следить за
31
подачу
этом
случае
монооксида
герметичность установки проверяют с использованием воздуха.
3. Требования безопасности при работе на
установке
В
32
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
30
*
..
40
35
*
*
*
25
*
*
*
20
*
*
*
15
33
Показания газовых часов производятся строго по секундомеру.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
5
0
*
10
*
*
ч
-1
0
*
*
*
*
*
Нвозд,
мм
Содержание3 влаги,
г/м
ТГВС,
С
W,
Время, [COвх], [COвых], α, %
мин
мг/м3
мг/м3
Показания
газосчетчика, л
mкат-ра , г (после опыта)
№ кат-ра
mкат-ра, г ( до опыта)
Рлаб , мм.рт.ст
Номер опыта
Vкат-ра, мл
Т лаб , С
Дата
Приложение
Таблица 3 . Пример заполнения таблицы для записи экспериментальных результатов
НСО, мм
Приме
чания
Список использованной литературы:
1. По
данным
ГПУ
«Мосэкомониторинг»
http://www.mosecom.ru/dic/#co
2. European Commission Directorate-General XI. Ambient
air pollution: carbon monoxide, 17 March, 1999,
http://ec.europa.eu/environment/air/pdf/pp_co.pdf
3. По данным сайта Викепедия http://ru.wikipedia.org/
4. Торшин
В.А.
Клинически
значимые
дисгемоглобины. Карбоксигемоглобин. Экология и
безопасность
в
техносфере:
Материалы
Всероссийской
научно-технической
интернетконференции
5. Матвиенко Н.Н., Поташников П.Ф., Федоров Н.П.,
Баюкин М.В., Матвиенко А.Н. Фильтрующие
самоспасатели и защита от монооксида углерода.
Пожаровзрывобезопасность, №5, 2006, с. 48-51.
6. Химическая энциклопедия под ред. Н.С. Зефирова,
изд. «Большая Российская Энциклопедия», Москва,
1998, т.5.с.27.
7. Тимонин
А.С.
Инженерно-экологический
справочник. Т. 1. – Калуга: Издательство
Н.Бочкаревой, 2003. -917 с.
8. Ракитская, Т.Л. Катализаторы низкотемпературного
окисления монооксида углерода / Т.Л. Ракитская,
А.А.
Эннан,
В.Я.
Панина.
–
М.
:
ЦИНТИхимнефтемаш, 1991 г. – 35с.
34
Издание учебное
И.В. Ошанина, Д.Н. Титов.
Методические указания по выполнению лабораторной
работы «Окисление монооксида углерода на гетерогенных
катализаторах»
Учебно-методическое пособие
Подписано в печать ____________Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Отпечатано на ризографе.Усл. печ. листов 2,3.
Тираж 50 экз. Заказ №_______
ГОУ ВПО «Московская государственная академия тонкой
химической технологии имени М.В.Ломоносова».
Издательско-полиграфический центр
119571, Москва, пр. Вернадского, 86.
35
36
А
В
6
1
С
8
В-1
К-1
4
5
К-3
В-2
7
Линия
входа
К-4
В-3
К-5
9
11
К-6
3
К-2
2
Линия выхода
0
10
4
3
1
2
В вытяжной
шкаф
Рисунок 2.
1–компрессор; 2- газометр; 3, 4- реометры; 5 и 6
газоанализатор СО и его датчик; В-1, В-2, В-3 –игольчатые
вентили; К-1, К-2 – одноходовые краны; К-3, К-4, К-5, К-6
–трехходовые краны;
18
8 – измеритель влажности и его датчик; 9 – реактор;
10- газосчетчик; 11-сатуратор.
Линии в обозначении газовых кранов показывают расположение внутр
каналов, т. е. кран К-1 –закрыт, К-2 - открыт
19