ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О.В. БОГАТСЬКОГО

НАН УКРАЇНИ

РАСКОЛА ЛЮДМИЛА АНАТОЛІЇВНА

УДК 542.924:541.127:546.26

РЕАКЦІЇ РОЗКЛАДУ ОЗОНУ

ЗАКРІПЛЕНИМИ НА ПОРИСТИХ НОСІЯХ

КОМПЛЕКСАМИ Со(II), Cu(II) і Mn(II)

02.00.01 – неорганічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Одеса – 2005

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі неорганічної хімії та хімічної екології Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова; в Фізико-хімічному інституті захисту навколишнього середовища і людини МОН і НАН України

Науковий керівник: | доктор хімічних наук, професор

Ракитська Тетяна Леонідівна,

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова

завідувач кафедри неорганічної хімії

та хімічної екології

Офіційні опоненти: | доктор хімічних наук

Мешкова Світлана Борисівна

Фізико-хімічний інститут ім. О.В. Богатського

НАН України

провідний науковий співробітник

кандидат хімічних наук, доцент

Чеботарьов Олександр Миколайович

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова

завідувач кафедри аналітичної хімії

Провідна установа: Київський національний університет

ім. Тараса Шевченка, кафедра неорганічної хімії

Захист відбудеться „ 27 ” січня 2005 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.219.01 в Фізико-хімічному інституті ім. О.В.
Богатського НАН України за адресою: 65080, м. Одеса, Люстдорфська дорога, 86

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України (65080, м. Одеса, Люстдорфська дорога, 86)

Автореферат розіслано “ 17 ” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.х.н. Безлуцька І.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Озон - термодинамічно нестабільна сполука, сильний двохелектронний окисник, який взаємодіє практично з усіма сполуками неорганічного та органічного походження; за санітарно-хімічними і токсикологічними нормами – речовина першого класу небезпеки (ГДКO3 = 0,1 мг/м3). Актуальними є дослідження реакцій озону з координаційними сполуками та оксидами металів змінної валентності (Mn, Cu, Co), які більше за все використовуються в якості каталізаторів окиснення органічних сполук озоном і низькотемпературного розкладу залишкового озону від різних джерел його виділення з метою захисту навколишнього середовища і людини. Незважаючи на численні дані про кінетику окиснення в розчині озоном координаційних сполук, дискусійними є питання про вплив природи Меn+ і лігандів, а також числа лігандів у координаційній сфері на активність комплексів, через що ускладнюється трактування механізмів розкладу озону і прогнозування реакційної здатності закріплених на різних носіях (SiО2, Al2O3, АВ та ін.) металокомплексних сполук, які з урахуванням доступності матеріалів і способів синтезу можуть бути перспективними каталізаторами розкладу озону. Обмежені дані про склад поверхневих комплексів і кінетику розкладу озону в їхній присутності, а також про вплив фізико-хімічних і структурно-адсорбційних властивостей носія, як на склад поверхневих комплексів, так і на реакційну здатність озону зумовило проведення такого дослідження, актуальність якого полягає в розробці нових підходів для прогнозування властивостей закріплених металокомплексних сполук (ЗМКС) у реакції з озоном.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі неорганічної хімії та хімічної екології Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова, а також у Фізико-хімічному інституті захисту навколишнього середовища і людини МОН і НАН України в рамках держбюджетних тем „Теоретичне обґрунтування розробки імпрегнованих та іммобілізованих металокомплексних каталізаторів низькотемпературного розкладу озону на основі органічних і оксидних носіїв” (№ ДР 0100U001880); „Фізико-хімічні основи розробки низькотемпературних антиозонантів на базі закріплених металокомплексних сполук” (№ ДР 0102U001632).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення звязку між складом закріплених на оксидному носії комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II) та їхньою реакційною здатністю при низькотемпературному розкладі озону.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- встановити вплив природи іона металу (Me2+ = Со2+, Cu2+, Mn2+), ацидолігандів (Х?= NO3?, Cl-) і співвідношення [Me2+]/[O3] на кінетичні і стехіометричні параметри реакції розкладу озону металокомплексами, закріпленими на силікагелі;

- визначити механізм формування, склад і активність іммобілізованих та імпрегнованих MeXj2-j/SiO2-комплексів;

- зіставити отримані результати з рядом активності в реакції розкладу озону іммобілізованих на кремнеземі комплексів МеL2 (L – саліцилальдімін);

- обґрунтувати застосування закріплених на активованому вугіллі (АВ) металокомплексів в засобах захисту навколишнього середовища і людини.

Об'єкт дослідження – озон у реакціях його низькотемпературного розкладу закріпленими на пористих носіях комплексами Co(II), Cu(II) і Mn(II).

Предмет дослідження – кінетика розкладу озону закріпленими на SiO2 і АВ комплексами Co(II), Cu(II) і Mn(II); оптимізація складу, способу синтезу закріплених металокомплексних сполук і умов застосування їх у засобах захисту навколишнього середовища і людини.

Методи дослідження – кінетичний, адсорбційний, спектральні (ЕПР, електрона спектроскопія дифузного відбиття (ЕСДВ)).

Наукова новизна роботи. Встановлені аналогії властивостей закріплених на силікагелі і розчинених металокомплексів у реакції розкладу озону, а також кореляції між стійкістю і реакційною здатністю імпрегнованих MeClj2-j/SiО2-комплексів. Показано, що отримані методами адсорбції та імпрегнування MeХj2-j/SiО2-комплекси при визначених співвідношеннях [Me2+]/[O3] і [Me2+]/[Х-] виконують роль каталізаторів низькотемпературного розкладу озону. У випадку імпрегнованих MnХj2-j/SiО2-комплексів зі збільшенням співвідношення [Mn2+]/[O3] змінюється стехіометрія реакції. Запропоновано механізми розкладу озону іммобілізованими та імпрегнованими MeХj2-j/SiО2-комплексами, що включають стадії внутрішньосферного окиснення Ме(II) озоном, розвитку радикально-ланцюгової реакції за участю ОН-радикала і відновлення окиснених комплексних форм. Запропоновано кінетичні рівняння, які описують початкові стадії окиснення Ме(II) озоном.

Показано, що активоване вугілля, яке генерує ОН-радикали при взаємодії з озоном, поліпшує каталітичні властивості МеCl2/АВ-комплексів; їх активність у розкладі озону зростає в ряді CoCl2CuCl2MnCl2.

Практичне значення отриманих результатів. Можливість використання виявлених закономірностей розкладу озону і розроблених методів прогнозування характеру впливу природи Меn+, активності лігандів і води, а також природи носія на склад і реакційну здатність комплексів Со(II), Cu(II) і Mn(II) при підборі ефективних закріплених металокомплексних каталізаторів редокс-реакцій за участю озону. Отримані величини послідовних констант стійкості і парціальних кінетичних констант іммобілізованих та імпрегнованих MeXj2-j/SiO2-комплексів можна використовувати як довідкові. Розраховані діаграми розподілу закріплених на SiO2 хлоридних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II) можна застосовувати для ідентифікації складу цих комплексів на інших оксидних носіях. Розроблено каталізатор складу MnCl2/АВ для спорядження легких патронних респіраторів і установок санітарної очистки повітря. Результати досліджень використовуються при читанні спецкурсу „Екологічний каталіз” у розділі „Фізико-хімічні основи очистки повітря від озону”.

Особистий внесок здобувача. Основний обсяг експериментальних досліджень, обробка і попередня інтерпретація отриманих результатів автор зробив особисто. Розробка теоретичних положень прогнозування реакційної здатності закріплених на оксидних носіях металокомплексних сполук у реакції розкладу озону, формулювання мети і задач дослідження, а також заключний аналіз отриманих результатів здійснені разом з науковим керівником. Спектральні дослідження (ЕПР, ЕСДВ) зразків закріплених на SiO2 металокомплексів до і після реакції з озоном виконані з професором О.А. Голубом (Київський національний університет ім. Тараса Шевченка).

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на наступних конгресах і конференціях: Silica-98” (Mulhous, France, 1998); 4th European Congress on Catalysis (Rimini, Italy, 1999); 12th International Congress on Catalysis (Granada, Spain, 2000); XXXVth International Conference on Coordination Chemestry (Heidelberg, Germany, 2002), XXI Международная Чугаевская конференция по химии координационных соединений (Киев, 2003); 13th International Congress on Catalysis (Paris, France, 2004); XVI Українська конференція з неорганічної хімії (Ужгород, 2004), а також на II конференції молодих вчених Південного регіону України (Одеса, 1999) і науково-практичних конференціях: II Українська науково-технічна конференція по каталізу (Северодонецьк, 2000); „Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве” (Одесса, 2002).

Публікації. Основний зміст дисертації викладений у 8 статтях і 9 тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних у роботі літературних джерел (191 найменування) і додатків. Робота викладена на 221 сторінках, містить 40 малюнків, 39 таблиць і 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі представлено огляд літературних даних про фізико-хімічні властивості і реакції озону в розчині з металокомплексними сполуками МеХjn-aj
(Men+ = Ag+, Pd2+, Fe2+, Co2+, Mn2+, Mn3+, Ce3+ и др.; X = H2O, Cl-, I-, Br-, NO3?, CH3COO-, SO42-). Зроблено висновок, що прогнозування реакційної здатності закріплених на оксидних носіях металокомплексів може здійснюватися на основі загальних закономірностей окиснювання озоном розчинених аква- і ацидокомплексів, а також даних про вплив природи носіїв на механізми формування і склад поверхневих комплексів

У другому розділі описані методики і техніка лабораторних досліджень. Носії - силікагель марки КСМГ (Sпит = 360 м2/г, Vмі = 0,36, Vме = 0,20 см3/г) і АВ марки КАД-йодний (Sпит = 340 м2/г, Vмі = 0,34, Vме = 0,15 см3/г) спочатку фракціонували (= 0,75 мм) і сушили до постійної маси. Іммобілізовані комплекси МеХj2-j/SiO2 (Ме2+ = Co2+, Cu2+, Mn2+, Ni2+; X?= Cl?, NO3?) одержували адсорбцією з водних розчинів відповідних солей у режимі інтенсивного струшування (2 години); далі зразки промивали дистильованою водою і сушили при 110оС. Імпрегновані МеХj2-j/SiO2 і МеCl2/АВ-комплекси одержували методом імпрегнування підготовлених носіїв розчином, що містив відповідні солі МеХ2 і при необхідності додатково Cl--іони. Рихлі зразки сушили до постійної маси в повітряному середовищі при 110°C, а потім витримували в ексикаторі над розчином Н2SO4 (30 – 35 мас%) протягом години, щоб вміст води в зразку склав 0,1 г/г (VH2O = 110-3 л). Кінетику розкладу озону іммобілізованими та імпрегнованими комплексами вивчали в проточній по газу термостатованій (20 оС) установці, за умови (розміри реактора, лінійна швидкість (U = 3,2 см/с) озоноповітряної суміші (ОПС), фракційний склад зразків), коли впливом макрокінетичних факторів на швидкість реакції можна зневажити. Швидкість реакції розраховували за формулою

W = щ(С– С)/mk моль/(гс)

де = 1,6610-2 л/с, обємна витрата ОПС; С, С– початкова та кінцева концентрації озону, моль/л; mк – маса зразка, г.

У третьому розділі вивчено вплив способу закріплення на SiO2 комплексних сполук Co(II), Cu(II), Mn(II) і Ni(II) на їхній склад і активність у реакції розкладу озону. Шляхом вивчення адсорбції Ме(II) з водних розчинів Me(NO3)2 і MeCl2, а також з урахуванням кислотно-основних рівноваг і реакцій комплексоутворення у водних розчинах нітратів і хлоридів Со(II), Cu(II), Mn(II) і Ni(II) показано, що в результаті іонообмінних реакцій з розчинів Ме(NO3)2 на поверхні SiO2 формуються іммобілізовані комплекси за реакцією (3.1), а з розчинів MeCl2 – за реакціями (3.1) і (3.2) (табл. 3.1), внесок яких визначається співвідношенням часток комплексних форм Me2+aq і MeCl+aq у розчині.

Для розрахунку константи стійкості поверхневого комплексу K1s використовували рівняння:

, (3.3)

де Kд = 5,810-6 – константа дисоціації SiOH-групи силікагелю марки КСМГ.

Для комплексів складу SiO-Ме+aq і SiO-MеClaq константи стійкості зростають у рядах: Mn2+Cu2+Co2+; CuCl+MnCl+CoCl+ NiCl+.

У разі імпрегнування силікагелю розчином, що містить відповідну сіль МеХ2 і хлорид калію, формуються комплекси складу SiOH(H2O)x-jMeXj2-j. У цьому випадку комплексоутворення на поверхні SiО2 перебігає за аналогією в розчині:

SiOH(H2O)xMe2+aq + jХ? SiOH(H2O)x-jMeХj2-j + jН2O . (3.4)

Положення рівноваги (3.4) залежить від активностей лігандів (аX-) і адсорбованої
води (аH2O). Активність води визначали із ізотерми сорбції пари води носієм. Склад імпрегнованих хлоридних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II) визначали кінетичним методом (див. розд. 5).

Таблиця 3.1

Константи іонного обміну і стійкості іммобілізованих МеХj2-j/SiO2-комплексів

Вихідна сіль

МеХ2 | Рівновага | KH+/Me2+ | K1s

по (3.3)

Cu(NO3)2 | SiOH + Cu2+aq - SiOCu+aq + H+ | (3.1) | 3,0 | 5,1105

CuCl2 | SiOH+CuCl+(Cl?)aq - SiOCuClaq + HCl | (3.2) | 3,8 | 6,6105

Co(NO3)2 | SiOH+Co2+aq - SiOCo+aq + H+ | (3.1) | 4,4 | 7,6105

CoCl2 | SiOH+CoCl+(Cl?)aq - SiOCoClaq+ HCl | (3.2) | 8,0 | 1,4106

Mn(NO3)2 | SiOH + Mn2+aq - SiOMn+aq + H+ | (3.1) | 2,8 | 4,8105

MnCl2 | SiOH + MnCl+(Cl?)aq - SiOMnClaq+ HCl | (3.2) | 4,3 | 7,4105

NiCl2 | SiOH + NiCl+(Cl?)aq - SiONiClaq+ HCl | (3.2) | 17,0 | 2,9106

Значення KH+/Me2+ отримані Гранатюк І.В.

Виконано спектральні дослідження (ЕСДВ, ЕПР) закріплених на SiО2 металокомплексів в області СMe(II), що відповідають моноіонному заповненню поверхні носія. Встановлено, що електронні спектри, як вихідних так і після реакції з озоном MeХ2/SiО2-комплексів (Ме2+= Со2+, Сu2+; X- = NO3?, Cl?) мало відрізняються. Так Сu(II), Со(II) знаходяться в викривленооктаедричному аква- або аквахлоро-оточенні (максимуми поглинання при 12800 см-1 та 19600, 21500 см-1, відповідно). У випадку MnХ2/SiО2-комплексів (X- = NO3?, Cl-) у вихідних спектрах в області від 12000 см-1 до 30000 см-1 інтенсивність поглинання мінімальна і тільки після реакції з озоном для MnCl2/SiО2-комплексів відзначена широка смуга з максимумом близько 26000 см-1, характерна для оксидної форми MnО2.

Дані ЕПР-спектроскопії підтверджують аксіальновикривлене октаедричне оточення Cu(II) (gII = 2,386; g=2,07; А=14910-4 см-1) у вихідних і після реакції з озоном CuХ2/SiO2-комплексах; практично повне зникнення сигналу від іонів Mn(II) у MnCl2/SiО2-комплексах після обробки озоном.

Методом швидкого тестування зразків закріплених комплексів у реакції розкладу озону встановлено, що найбільшу реакційну здатність виявляють імпрегновані комплекси.

У четвертому розділі представлені результати дослідження кінетики розкладу озону іммобілізованими СоXj2-j/SiO2 та імпрегнованими MeXj2-j/SiO2-комплексами (Ме2+= Со2+, Сu2+, Mn2+; X- = NO3?, Сl?). Незалежно від методу синтезу закріплених комплексів, співвідношення [Ме2+]/[O3] суттєво впливає на кінетичні і стехіометричні параметри реакції. Наприклад, з даних рис. 4.1 і 4.2 видно, що зі збільшенням С в ОПС початкова швидкість реакції (Wп) зростає, однак зі зменшенням співвідношення [Cu2+]/[O3] у 100 разів за рахунок зниження концентрації хлориду купруму(II) стаціонарні ділянки на кінетичних кривих не виявляються (рис. 4.2).

Кількість озону, що вступила до реакції Qексп, визначали на підставі експериментальних функцій С– . Теоретично розраховану кількість озону QT знаходили у відповідності зі стехіометрією реакцій:

2Me2+ + O3 + 2H+ = 2Me3+ + O2 + H2O, (4.1) де Me2+ = Cu2+, Co2+

2Mn2++5O3+3H2O=2MnO4?+6H++5O2, (4.2) Mn2++O3+H2O=MnO2+2H++O2 . (4.3)

Виявлено (табл. 4.1), що на початковому етапі кінетика реакцій (4.1) – (4.3) підпорядковується рівнянню першого порядку по озону (k1= const), а на час його напівперетворення порядок реакції змінюється (k1 k1/2; k1/2 const), що викликано розвитком реакцій радикально-ланцюгового розкладу озону за участю, наприклад ОН-радикала, виявленого за допомогою тестової реакції з третбутанолом, крім тих випадків, коли Mn(II) переходить у MnО2. В області СMe(II), що відповідають моноіонному заповненню поверхні силікагелю, встановлений близький до першого порядок реакції по СCo(II), СCu(II), СMn(II). Як правило, Qексп у багато разів перевищує теоретично розраховане, що вказує на каталітичну природу процесу. Число каталітичних циклів n=Qексп/QТ збільшується з ростом С, (табл. 4.1) і зменшується зі зростанням ступеня заповнення поверхні силікагелю Ме2+-іонами. Останнє свідчить про те, що активними центрами є моноядерні комплекси кобальту(II), купруму(II) і мангану(II). Встановлено, що кінетичні і стехіометричні параметри реакції змінюються за умови спільної дії Ме2+ і Cl--іонів. Як приклад на рис. 4.3 представлені кінетичні криві зміни швидкості реакції за часом для систем KCl-SiО2 (1) і Mn(NO3)2-KCl-SiО2 (2-6).

Таблиця 4.1

Кінетичні і стехіометричні параметри реакції розкладу озону MeX2/SiO2-комплексами при різних С

С105, моль/л | k1103, c-1 | k1/2104, c-1 | n = Qексп/QT

Іммобілізовані CoCl2/SiO2-комплекси СCoCl2= 5,510-5 моль/г

0,52 | 1,4 | 1,5 | 1,4

1,05 | 1,3 | 1,9 | 2,8

1,58 | 1,3 | 2,9 | 2,9

2,60 | 1,6 | 1,9 | 3,5

3,15 | 1,3 | 16,4 | 7,0

Імпрегновані CoCl2/SiO2-комплекси СCoCl2=1,010-4 моль/г

0,25 | --- | 0,6 | 1,0

2,10 | --- | 0,7 | 6,4

3,15 | 7,0 | 1,3 | 6,1

4,10 | 6,8 | 1,4 | 7,5

Імпрегновані СuCl2/SiO2-комплекси СCuCl2= 1,210-6 моль/г

0,42 | 0,16 | 53,7 | 11,0

0,83 | 0,14 | 6,6 | 20,0

1,05 | 0,14 | 6,4 | 44,0

1,26 | 0,18 | 4,8 | 80,0

Імпрегновані MnCl2/SiO2-комплекси СMnCl2= 1,010-6 моль/г

0,10 | --- | 2,9 | 2,5

0,21 | --- | 5,2 | 3,5

0,42 | 7,1 | 10,0 | 4,0

0,63 | 7,3 | 26,0 | 4,4

Видно, що хлорид-іон і нітрат Mn(II) (криві 1, 2) самостійно взаємодіють з озоном, однак швидкість реакції зменшується в часі дуже різко. Для зразка (1) Qексп<QТ, QТ розраховували відповідно до рівняння Cl-+O3=ClО-+O2 (4.4); для зразка (2) Qексп/QТ не перевищує 4. При спільній присутності Mn2+ і Cl--іонів (криві 3-6) зростає Wп і на кінетичних кривих з'являються початкові стаціонарні ділянки. В усіх випадках Qексп>QТ; число каталітичних циклів, наприклад при СCl- = 210-4 моль/г, досягає для Сu(II) – 62, Mn(II) – 10 і Со(II) – 18. При СMn(II)1,010-5 моль/г переважно протікає реакція (4.3). У цьому випадку хлорид-іони мало впливають на швидкість реакції і число каталітичних циклів, що вказує на зміну механізму розкладу озону. Виявлено, що при СMn(II) 4,010-5 моль/г на поверхні SiО2 формується оксид Mn(IV), що забезпечує вторинний каталітичний ефект і стаціонарний розклад озону.

У табл. 4.2 зіставлені результати формального кінетичного аналізу констант першого (k1) і другого (k2=k1/CMe2+ ) порядків для початкового етапу розкладу озону металокомплексами, що відрізняються природою Ме2+ і лігандів, а також способом закріплення на оксидному носії. Іммобілізовані і імпрегновані комплекси зі структурними фрагментами SiO-Me+ (I), SiOH(H2O)xMe2+ (II), відповідно, утворюють наступний ряд активності: (імпрегновані)MnХ2CuХ2CoХ2 (іммобілізовані) CoХ2. Іммобілізовані на кремнеземі бісхелатні комплекси МеL2 з координаційним оточенням (N2O2) (III) (див. рис. 4.4) виявляють аналогічну закономірність MnL2 CuL2 CoL2 FeL2ZnL2VOL2.

При зіставленні рядів активності видно, що незалежно від лігандного оточення в комплексах (I), (II) і (III) молекула озону координується центральним атомом (Ме2+); подальші її перетворення в проміжному комплексі визначаються природою лігандів; хлорид-іони підвищують активність іммобілізованих (I) і імпрегнованих комплексів (II); найбільшу реакційну здатність виявляють імпрегновані МеСlj2-j/SiО2-комплекси.

У розділі 5 представлені результати ідентифікації кінетичним методом складу імпрегнованих хлоридних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II); запропоновані механізми реакції. Встановлено, що при розкладі озону імпрегнованими MeClj2-j/SiО2-комплексами константа швидкості реакції k1 зростає зі збільшенням СCl- , крім випадку, коли Mn(II) окиснюється переважно за реакцією (4.3).

Імпрегновані хлоридні комплекси Me(II) на поверхні SiО2 формуються відповідно до реакції (3.4). Носій не є інертним: він, подібно сильній кислоті в розчині, знижує активність адсорбованої води і зсуває рівновагу (3.4) праворуч. Такий підхід пояснює аналогію властивостей, що спостерігається для закріплених і розчинених галогенідних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II), а також виправдує використання відомих констант стійкості і діаграм розподілу розчинених комплексів для встановлення складу закріплених координаційних сполук. З урахуванням рівноваги (3.4) і виразу для функції закомплексованості (5.1) одержимо формулу (5.2) для розрахунку частки (j) комплексних хлоридних форм Co(II), Cu(II) і Mn(II):

= (5.1) , (5.2)

де СMe2+, [Ме2+] – загальна і рівноважна концентрації Ме2+, відповідно; N – число комплексних форм; j – загальні константи стійкості; 0=1, 1 = 1, 2 = 12, … , j = 12 …j (j – послідовні константи стійкості). На відміну від відомих, формула (5.2) враховує не тільки активність хлорид-іонів, але й активність води – в об'ємі для розчинених комплексів і адсорбованої носієм SiО2 для закріплених комплексів. Графічним методом розраховували послідовні константи стійкості хлоридних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II) та згідно з представленими у табл. 5.1 рівноваг, у кожному випадку конкретизували формулу (5.2) для розрахунку часток закріплених комплексів.

Для закріплених на SiО2 хлоридних комплексів Со(II), Cu(II) і Mn(II) розраховані діаграми розподілу (рис. 5.1 а-в), які можна використовувати не тільки при визначенні складу комплексів, відповідальних за розклад озону, але і при ідентифікації названих комплексів, що формуються на інших аналогічних носіях за реакцією (3.4).

Приймаючи до уваги спільність кінетичних закономірностей при розкладі озону комплексами СоХj2-j/SiO2, СuХj2-j/SiO2 (у всьому досліджуваному інтервалі концентрацій Co(II), Cu(II)) і MnХj2-j/SiО2 (СMn(II) = 110-6 моль/г), істотний вплив природи (X- = NO3? , Cl-) і числа лігандів (X- = Cl-) на активність комплексів, а також результати аналізу літературних даних про механізми розкладу озону розчиненими і закріпленими металокомплексами, нами зроблено висновок, що реакції розкладу озону MeХj2-j/SiО2-комплексами протікають по внутрішньосферному механізму. Ключовою стадією є формування проміжного комплексу, у якому перенесення електрона між молекулою озону і Ме2+ відбувається через містковий ліганд, а саме Н2О, якщо для синтезу закріплених комплексів як вихідну сіль використовували Ме(NO3)2, і Cl--іон – у випадку вихідної солі МеCl2 або Me(NO3)2 з добавками хлорид-іонів. У роботі представлено докладний кінетичний і термодинамічний аналіз найбільш ймовірних стадій розкладу озону у присутності аква- і хлорокомплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II). Наприклад, у присутності імпрегнованих МеCl2/SiО2-комплексів механізм включає такі стадії:

Можна виділити три основні блоки реакцій: 1) утворення проміжного комплексу між хлорокомплексом Ме(II) визначеного складу (записані стадії за участю комплексів складу МеCl2) і молекулою озону, а також внутрішньосферне окиснення Ме2+ озоном за участю місткового ліганду (Cl-) – стадії (5.3) і (5.4); 2) розвиток радикально-ланцюгових реакцій перетворення озонід-радикала – реакції (5.5) – (5.7) (представлені тільки ключові реакції); 3) відновлення Ме3+ або радикалом НО2 (5.8), або Н2О, або при високих СMeCl2 (1,010-4 моль/г) у результаті внутрішньосферного редокс-розпаду (5.9). Стаціонарний розклад озону буде визначатися в основному співвідношенням констант першого і третього блоків реакцій, оскільки реакції другого блоку, згідно з літературними даними, протікають з високими швидкостями і не

Таблиця 5.1

Склад, послідовні константи стійкості (j) імпрегнованих МеClj2-j/SiO2-комплексів та їх активність

в реакції розкладу озону

Рівновага | Склад комплексу | Послідовні

константи

стійкості, j | Кінетичні

константи,

Kj102, л/мольс

Система Co(NO3)2-KCl-SiO2

SiOH(H2O)xCo2+aq + Cl? - SiOH(H2O)xCoCl+aq + H2O | CoCl+aq | 1 = 505 | K1 = 0,500,05

SiOH(H2O)xCoCl+aq+ Cl? - SiOH(H2O)xCoCl2aq + H2O | CoCl2aq | 2 = 9,20,9 | K2 = 0,600,06

SiOH(H2O)xCoCl2aq+ Cl? - SiOH(H2O)xCoCl3aq + H2O | CoCl3?aq | 3 = 8,30,8 | K3 = 1,10,11

Система CoCl2-KCl-SiO2

SiOH(H2O)xCoCl2aq+ Cl? - SiOH(H2O)xCoCl3?aq + H2O | CoCl3?aq | 3 = 5,60,6 | K3 = 1,40,14

SiOH(H2O)xCoCl3aq + Cl? - SiOH(H2O)xCoCl42- + H2O | CoCl42- | 4 = 0,660,07 | K4 = 3,60,36

Система Cu(NO3)2-KCl-SiO2

SiOH(H2O)xCu2+aq + Cl? - SiOH(H2O)xCuCl+aq + H2O | CuCl+aq | 1 = 333 | K1 = 1,40,14

SiOH(H2O)xCuCl+aq + Cl? - SiOH(H2O)xCuCl2+aq + H2O | CuCl2aq | 2 = 2,00,2 | K2 = 6,00,6

Система CuCl2-KCl-SiO2

SiOH(H2O)xCu2+aq+ Cl? - SiOH(H2O)xCuCl+aq + H2O | CuCl+aq | 1 = 364 | K1 = 1,60,16

SiOH(H2O)xCuCl+aq + Cl?- SiOH(H2O)xCuCl2aq + H2O | CuCl2aq | 2 = 2,50,2 | K2 = 10,01

Система Mn(NO3)2-KCl-SiO2

SiOH(H2O)xMn2+aq + Cl? - SiOH(H2O)xMnCl+aq + H2O | MnCl+aq | 1 = 9,40,9 | K1 = 10,01

SiOH(H2O)xMnCl+aq + Cl? - SiOH(H2O)xMnCl2aq + H2O | MnCl2aq | 2 = 1,30,1 | K2 = 25,12

лімітують процес.

Очевидно, через складність кінетики і механізму розкладу озону MeClj2-j/SiО2-комплексами, одержати математичний опис цього процесу в повному обсязі не представляється можливим (як і для рідинофазних реакцій озону). Тому запропоновані кінетичні рівняння, як правило, обмежені певними умовами. При встановлених співвідношеннях [Me2+]/[O3] і СCl- на початковому етапі процесу реакціями (5.5) – (5.9) можна зневажити і взяти до уваги тільки стадії (5.3) і (5.4) окиснення озоном металокомплексів. З урахуванням лімітуючої стадії емпіричний закон швидкості в загальному виді запишеться так:

W = kj*[MeClj (O3)]2-j. (5.10)

Приймаючи до уваги отримані кінетичні закономірності і діаграми розподілу хлоридних комплексних форм Me(II) (рис. 5.1 а-в), перетворимо рівняння (5.10) до виду:

, (5.11)

де j – частки активних хлорокомплексів Me(II), розраховані за формулою (5.2); Kj = kjjj* – кінетичні константи, що характеризують парціальну реакційну здатність комплексів Me(II).

Враховуючи дані про склад хлоридних комплексів Co(II), Cu(II) і Mn(II) (табл. 5.1), рівняння (5.11) у кожному разі набуває конкретний вид. У системі Co(NO3)2-KCl-SiО2 в області значень lg(аH2O/аCl?) від 1,18 до -0,31 у розкладі озону беруть участь комплекси складу CoCl+ (1), CoCl2 (2), CoCl3? (3), тоді рівняння (5.11) запишеться так:

kеф = k1/СCo(II) = K11+ K22 + K33 . (5.12)

Однак уже при lg(аH2O/аCl?) = 0,40 внесок комплексів CoCl+ і CoCl2 у сумарну швидкість реакції стає мінімальним, а комплексу CoCl3? – визначальним. У системі СоСl2-KCl-SiО2 в області lg(аH2O/аCl?) від 0,27 до -0,59 внесок комплексів складу CoCl3? і CoCl42- у сумарну швидкість процесу – максимальний і кінетичне рівняння запишеться так:

kеф = k1/СCo(II) = K33+ K44 (5.13)

У випадку CuClj2-j/SiО2 і MnClj2-j/SiО2-комплексів активними є комплекси складу CuCl+ (1), CuCl2(2) і MnCl+ (1), MnCl2(2), відповідно. Тоді кінетичне рівняння приймає вид:

kеф = k1/СМе(II) = K11+ K22 , (5.14)

де СМе(II) – концентрація Cu(II) або Mn(II).

Показано, що рівняння (5.12)–(5.14) адекватно описують кінетику окиснювання хлоридних комплексів Со(II), Cu(II) і Mn(II) озоном на початковому етапі реакції, що є одним із доказів запропонованого механізму.

Як приклад на рис. 5.2. зображені функції k1(j) = f(lgаH2O/аCl?), отримані за даними варіювання СCl- в системі Mn(NO3)2-KCl-SiО2. Видно, що комплекси складу MnCl+ і MnCl2 визначають швидкість розкладу озону на початковому етапі. Експериментальні (1) і розраховані (2) за рівнянням (5.14) значення k1 узгоджуються між собою.

У шостому розділі розглянуті деякі аспекти застосування ЗМКС. Оцінка можливості використання MeClj2-j/SiО2-комплексів як каталізаторів очистки повітря від озону при концентрації не вище 15 ГДК (1,5 мг/м3) (умови застосування полегшених засобів захисту органів дихання) показала, що для них час захисної дії (ГДК) складає не більше 24 годин. Поліпшення властивостей закріплених металокомплексних каталізаторів розкладу озону з урахуванням запропонованого механізму (участь ОН-радикалів у реакції), можна досягти шляхом підбора носія, який виявляє активність стосовно озону і генерує ОН-радикали. До таких носіїв відносяться АВ і вуглецеві волокнисті матеріали. Вивчено кінетику розкладу озону імпрегнованими MеCl2/АВ-комплексами. Показано, що при СCuCl2= 2,510-4, СCoCl2 = 5,010-4, СMnCl2 = 5,010-4 моль/г досягається максимальний ступінь розкладу озону та найбільшу активність виявляють МnCl2/АВ-комплекси, які були досліджені на час захисної дії від мікроконцентрацій озону. Встановлено, що при U = 6,2 см/с, mк = 1,0 г, С = 1,5 мг/м3 час захисної дії від озону складає 137 годин, що значно перевершує цей показник для відомих закордонних і вітчизняних аналогів; можливо повторне використання каталізатора. Каталізатор рекомендовано для спорядження касетних фільтрів у складі фільтровентиляційної установки ФВУ-СА-100 продуктивністю 100 м3/год, призначеної для комплексної очистки повітря в зоні роботи зварника, а також легких патронних респіраторів для захисту органів дихання працівників від озону.

ВИСНОВКИ

1. Реакційна здатність іммобілізованих та імпрегнованих МеХj2-j/SiО2-комплексів (Me2+ = Со2+, Cu2+, Mn2+; Х- = NO3?, Cl-) у низькотемпературному розкладі озону визначається природою Ме2+, лігандів та їхнім числом у внутрішній координаційній сфері. Окиснення комплексів на початковій стадії протікає за внутрішньосферним механізмом. Встановлено, що хлорид-іон є кращий містковий ліганд, ніж молекула води: він збільшує активність закріплених металокомплексних сполук і число каталітичних циклів розкладу озону.

2. Визначено роль не активного стосовно озону носія у формуванні імпрегнованих МеСlj2-j/SiО2-комплексів. Оксидний носій не є інертним: він, аналогічно сильній протонній кислоті в розчині, знижує активність адсорбованої води і тим самим впливає на положення рівноваги утворення поверхневих комплексів. Чим менше співвідношення аH2O/аCl?, тим більше насичені хлорид-іоном формуються на SiО2 комплекси Co(II), Cu(II) і Mn(II).

3. Вперше встановлені кореляції між стандартним редокс-потенціалом пари Ме3+/Ме2+, стійкістю і реакційною здатністю імпрегнованих МеClj2-j/SiО2-комплексів у реакції розкладу озону: із зменшенням послідовних констант стійкості комплексів складу СоClj2-j, CuClj2-j і MnClj2-j їхня парціальна активність зростає в рядах: СоCl+<СоCl2<СоCl3?<СоCl42- ; СuCl+<СuCl2; MnCl+< MnСl2; із зменшенням послідовних констант стійкості в ряді СоClj2-jCuClj2-jMnClj2-j парціальна активність однакових за складом закріплених комплексів зростає: СоCl+<СuCl+<MnCl+; СоCl2<СuCl2<MnСl2; із зростанням стандартного редокс-потенціалу пари Ме3+/Ме2+ активність однакових за складом хлоридних комплексів Ме(II) убуває.

4. Незалежно від лігандного оточення центрального атома зберігається послідовність у рядах активності закріплених металокомплексів: (імпрегновані) MnХ2/SiО2CuХ2/SiО2CoХ2/SiО2(іммобілізовані)CoХ2/SiО2; іммобілізовані на кремнеземі бісхелатні комплекси з основою Шифа MnL2CuL2CoL2FeL2ZnL2 VOL2 (L – саліцілальдімін), що свідчить про спільність механізму координації та активації молекули озону.

5. Вперше показано, що з урахуванням запропонованого механізму розкладу озону, можна цілеспрямовано здійснювати вибір носія, що поліпшує каталітичні властивості комплексів Со(II), Cu(II) і Mn(II). Встановлено, що активовані вугільні матеріали, які самостійно розкладають озон і генерують ОН-радикали, підвищують каталітичну активність і захисні властивості імпрегнованих МеСl2/АВ-комплексів.

6. За результатами лабораторних іспитів показано, що каталізатор складу (мас%) MnCl2- 5,6-11,2; АВ(КАД-йодний) – решта до 100 забезпечує максимальний час (137 годин) захисної дії від озону при його концентрації від 0,2 до 1,5 мг/м3 і може бути застосований у засобах захисту навколишнього середовища і людини.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

АНОТАЦІЯ

Раскола Л.А. Реакції розкладу озону закріпленими на пористих носіях комплексами Co(II), Cu(II) і Mn(II). Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.01 – неорганічна хімія. – Фізико-хімічний інститут ім. О.В.Богатського НАН України, Одеса, 2005.

Проведено систематичні дослідження і встановлені закономірності реакцій низькотемпературного розкладу озону іммобілізованими та імпрегнованими
MeХj2-j/SiО2-комплексами при різних співвідношеннях [Me2+]/[O3] і [Me2+]/[X-], де Ме2+ = Co2+, Cu2+, Mn2+; X-= Cl-, NO3?.

Встановлено, що реакційна здатність іммобілізованих та імпрегнованих на силікагелі комплексів МеХj2-j (Ме = Со2+, Cu2+, Mn2+; Х = NO3?, Cl-) в низькотемпературному розкладі озону визначається природою йона метала, лігандів та їх числом у внутрішній координаційній сфері. Окиснення комплексів на початковій стадії реакції відбувається за внутрішньосферним механізмом, хлорид-іон є кращим містковим лігандом. Виявлено, що формування імпрегнованих на SiO2 комплексів МеClj2-j відбувається за механізмом, що аналогічний такому в концентрованих розчинах. Чим менше співвідношення аH2O/аCl? на поверхні, тим більш насичені хлорид-іоном комплекси Со(II) Cu(II) та Mn(II) формуються на SiO2. Вперше встановлено кореляції між стійкістю та реакційною здатністю імпрегнованих МеClj2-j/SiO2-комплексів: з убуванням послідовних констант стійкості комплексів їх парціальна активність в реакції розкладу озону зростає. Показано, що незалежно від лігандного оточення центрального атома, зберігається послідовність в рядах активності закріплених металокомплексів, що може свідчити про однаковий механізм координації та активації молекули озону.

Встановлено, що активоване вугілля (АВ) підвищує каталітичну активність імпрегнованих MeCl2/АВ-комплексів.Розроблено каталізатор MnCl2/АВ, що забезпечує максимальний час (137 годин) захисної дії від озону (за умови його концентрації від 0,2 до 1,5 мг/м3) та може бути застосован в засобах захисту навколишнього середовища та людини.

Ключові слова: озон; низькотемпературний розклад; закріплені комплекси перехідних металів; склад закріплених металокомплексів; застосування в засобах захисту навколишнього середовища та людини.

АННОТАЦИЯ

Раскола Л.А. Реакции разложения озона закрепленными на пористых носителях комплексами Co(II), Cu(II) и Mn(II). Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.01 – неорганическая химия. – Физико-химический институт им. А.В.Богатского НАН Украины, Одесса, 2005.

Проведены систематические исследования и установлены закономерности реакций низкотемпературного разложения озона иммобилизованными и импрегнированными MeХj2-j/SiО2-комплексами при разных соотношениях [Me2+]/[O3] и [Me2+]/[X-], где Ме2+ = Co2+, Cu2+, Mn2+; X-= Cl-, NO3?. Разработаны методики синтеза иммобилизованных и импрегнированных на SiО2 ацидокомплексов Ме(II) с хорошо воспроизводимыми свойствами в реакции разложения озона; кинетический метод применен для определения последовательных констант устойчивости поверхностных комплексов и их парциальной кинетической активности в реакциях с озоном; методы ЭСДО и ЭПР-спектроскопии использованы для контроля координационного состояния Co(II), Cu(II) и Mn(II) в исходных комплексах и после обработки их озоном.

Установлено, что реакционная способность закрепленных на силикагеле комплексов МеХj2-j при разложении озона определяется природой иона метала, лигандов и их числом во внутренней координационной сфере. Окисление комплексов на начальной стадии реакции осуществляется по внутрисферному механизму, хлорид-ион является лучшим мостиковым лигандом. Показано, что формирование импрегнированных МеClj2-j/SiО2-комплексов осуществляется по аналогии в концентрированном растворе. Чем меньше соотношение аH2O/аCl? на поверхности, тем более насыщенные по хлорид-иону комплексы Со(II), Cu(II) и Mn(II) формируются на SiО2. Впервые установлены корреляции между устойчивостью и реакционной способностью импрегнированных МеClj2-j/SiО2-комплексов: с уменьшением последовательных констант устойчивости комплексов их парциальная активность в реакции разложения озона возрастает. Показано, что независимо от лигандного окружения центрального атома, сохраняется последовательность в рядах активности закрепленных металлокомплексов,