Изучение кинетических параметров гетерогенной реакции Фентона на железосодержащих цеолитах

Теоретическая часть (реакция Фентона). Экспериментальная часть (Изучение кинетических параметров гетерогенной реакции Фентона на железосодержащих цеолитах). Результаты и обсуждения (Экспериментальные данные в виде таблиц и графиков, обсуждение полученных результатов).
Защита - НГУ, 2013 год, оценка отлично. ...

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что принципиальный механизм разложения H2O2 в системе Fe(III)/H2O2 в кислой среде (pH≤2) ― радикально-цепной [4]. Впервые схема такого механизма предложена Габером и Вейсом (таблица 1) [5].
_______________________
Существуют различные гетерогенные системы, по механизму действия аналогичные гомогенной системе Фентона, представляющие собой различные соединения железа в составе пористых носителей. Использование гетерогенных систем позволяет легко отделять и многократно использовать катализатор, расширить диапазон рабочих pH. К тому же ионы железа, находящиеся в составе носителя не подвергаются комплексообразованию. В Институте катализа СО РАН разработаны гетерогенные катализаторы Фентона на основе цеолита FeZSM-5 [6, 7, 8].

Железопероксидные системы применяются в различных областях, например при разработке кинетических методов определения микроколичеств железа, при осуществлении промышленно важных реакций окисления органических субстратов. Таким образом, установление общих закономерностей протекания окислительно-восстановительных процессов, катализируемых соединениями железа, условий проведения опытов, представляют несомненный научный и практический интерес.

Экспериментальная частьОпределение порядка реакции по пероксиду водорода и максимальной скорости разложения пероксида водорода для гомогенного катализатора (аква-ионы Fe3+) и для двух гетерогенных катализаторов: c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5. Приготовили растворы пероксида водорода с разными концентрациями ([H2O2] = 0,25M; 0,5M; 1M; 2M; 3M). В колбе на 50 мл приготовили 1,25 М водный раствор соли железа (III) (масса навески Fe(NO3)3∙9H2O - 3,5 г). В стеклянную кювету поместили 100 мкл раствора гомогенного катализатора, добавили 2,6 мл раствора пероксида водорода ([H2O2] = 0,25 M). Далее при перемешивании на магнитной мешалке при комнатной температуре (25 oС) с помощью волюметрической установки измеряли объем выделяющегося кислорода в зависимости от времени. Аналогичный опыт проделали для остальныхконцентраций раствора пероксида водорода (0,5 M; 1 M; 2 M; 3 M).(см. Приложение 1).Далее таким же образом определили объем выделившегося кислорода для гетерогенных катализаторов c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5, только в кювету поместили навеску катализатора (m=0,05 г).(см. Приложение 1).Определение энергии активации реакции разложения H2O2 для гетерогенных катализаторов c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5.В стеклянную термостатируемую кювету поместили навеску катализатора (m=0,05 г), добавили 2,6 мл раствора пероксида водорода ([H2O2]=1M). Далее при перемешивании на магнитной мешалке с помощью волюметрической установки измеряли объем выделяющегося кислорода в зависимости от времени при различных температурах (25, 45, 65, 85 oС).(см. Приложение 1).Результаты и обсуждениеОпределение порядка реакции по пероксиду водорода и максимальной скорости разложения пероксида водорода для гомогенного катализатора (ионы Fe3+) и для двух гетерогенных катализаторов: c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5. По полученным данным построили кинетические кривые в координатах V(O2), мл t, мин. По наклону прямолинейного участка кривой определили максимальную скорость реакции разложения пероксида водорода при разных начальных концентрациях и порядок реакции по пероксиду водорода. Таблица 2. Гомогенное железоНачальная концентрация H2O2, M Максимальная скорость реакции, мл/мин0,250,68±0,020,51,45±0,0312,77±0,03220,1±0,7324,1±0,5Таблица 3.c-FeZSM-5Начальная концентрация H2O2, M Максимальная скорость реакции, мл/мин0,250,202±0,0070,50,193±0,00310,488±0,00521,07±0,0331,81±0,04Таблица 4.h-FeZSM-5Начальная концентрация H2O2, M Максимальная скорость реакции, мл/мин1(5,5±0,3)*10-32 (1,32±0,04)*10-23(1,12±0,03)*10-2Определение энергии активации реакции разложения H202 для гетерогенных катализаторов c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5.По полученным данным построили кинетические кривые в координатах V(O2), мл – t, мин. По наклону прямолинейного участка кривой определили максимальные скорости реакции разложения пероксида водорода при разных температурах и порядок реакции по пероксиду водорода. Таблица 5.c-FeZSM-5T, 0C Максимальная скорость реакции, мл/мин250,488±0,005451,89±0,05657,0±0,1857,0±0,1Таблица 6.h-FeZSM-5T, 0CМаксимальная скорость реакции, мл/мин25(5,5±0,3)*10-345(6,0±0,6) *10-2650,16±0,01850,32±0,02По полученным значениям констант скоростей построили график в координатах ln(Wmax)–1000/T. По наклону кривой определили энергию активации реакции. Ea=55, 7±1,5 КДж/моль Ea=59, 2±10,2 КДж/мольВыводыПолучены максимальные скорости реакции разложения пероксида водорода при разных начальных концентрациях для трех катализаторов: гомогенного (аква-ионы Fe3+), гетерогенных FeZSM-5 (обычный и иерархический).(см. Таблицы 2,3,4).Установлено, что порядок реакции по пероксиду водорода равен единице.Определена энергия активации реакции для гетерогенных катализаторов FeZSM-5 (Ea=55, 7±1,5 и 59, 2±10,2 КДж/моль для c-FeZSM-5 и h-FeZSM-5, соответственно).Приложение 1.