Кінетичні параметри процесу очищення димових газів від монооксиду вуглецю на оксидно-марганцевому каталізаторі на основі цеоліту

Автор(и)

  • Olena Ivanenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-6838-5400
  • Andrii Trypolskyi Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України пр. Науки, 31, м. Київ, Україна, 03028, Україна https://orcid.org/0000-0003-1682-0241
  • Oleksandr Khokhotva Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-2607-9242
  • Peter Strizhak Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України пр. Науки, 31, м. Київ, Україна, 03028, Україна https://orcid.org/0000-0003-0280-8719
  • Serhii Leleka Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-4372-9454
  • Ihor Mikulionok Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-8268-7229

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217119

Ключові слова:

монооксид вуглецю, кінетика окислення, структурні параметри, діоксид марганцю, цеоліт, кліноптилоліт

Анотація

Одержано модифікований MnO2 кліноптилоліт шляхом використання доступної цеолітової породи Сокирницького родовища (Хустський район Закарпатської області, Україна) при застосуванні простої методики змішування розчинів, що містять окремо Mn2+ та MnO4–. Визначено, що загальний вміст марганцю в повітряно-сухому модифікованому термонеобробленому кліноптилоліті склав 11,42 мг/г, що в перерахунку на MnO2 становить 1,8 %.

Досліджено структурні характеристики, а саме, розподіл пор за розміром та питому поверхню як основну базову характеристику каталізатора, які були отримані з ізотерм низькотемпературної адсобції-десорбції азоту. Вказані дослідження необхідні для визначення лімітуючої стадії окислення СО.

Визначено, що кінетика процесу окислення описується рівнянням першого порядку. На основі отриманих характеристик каталізатора було розраховано кінетичні параметри процесу, а саме, ефективну та істинну константи швидкості та енергія активації, що становить 31 кДж/моль.  Доведено, що реакція окислення монооксиду вуглецю на оксидно-марганцевому каталізаторі перебігає у внутрішньо-дифузійному режимі. Це дозволяє, використовуючи критеріальні залежності, а саме, критерій Карберрі, що становить менше 0,05, стверджувати, що реакція не лімітується дифузією СО з газового потоку до зовнішньої поверхні каталізатора. Показано, що транспорт молекул монооксиду вуглецю всередині гранул каталізатора протікає в Кнудсеновському режимі.

Одержаний науковий результат у вигляді отримання кінетичного опису процесу каталітичного окислення монооксиду вуглецю киснем повітря на оксидно-марганцевому каталізаторі на основі цеоліту є цікавим з теоретичної точки зору. З практичної точки зору розраховані кінетичні параметри вказаного процесу дозволяють провести розрахунок каталітичого реактора окислення СО

Біографії авторів

Olena Ivanenko, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра екології та технології рослинних полімерів

Andrii Trypolskyi, Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України пр. Науки, 31, м. Київ, Україна, 03028

Доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

Відділ каталітичних синтезів на основі одновуглецевих молекул

Oleksandr Khokhotva, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра екології та технології рослинних полімерів

Peter Strizhak, Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України пр. Науки, 31, м. Київ, Україна, 03028

Доктор хімічних наук, професор

Відділ каталітичних синтезів на основі одновуглецевих молекул

Serhii Leleka, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Ihor Mikulionok, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор технічних наук, професор, старший науковий співробітник

Кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Посилання

  1. Petrov, A. Yu., Sinitsin, S. A. (2014). Flue gas catalytic detoxication in oil refining industry. Tehnologii nefti i gaza, 2 (91), 18–23.
  2. Karvatskii, A., Lazariev, T., Leleka, S., Mikulionok, I., Ivanenko, O. (2020). Determination of parameters of the carbon­containing materials gasification process in the rotary kiln cooler drum. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (8 (106)), 65–76. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210767
  3. Leleka, S. V., Panov, Y. M., Karvatskii, A. Y., Vasylchemko, G. M., Mikulionok, I. O., Borshchik, S. O., Vahin, A. V. (2020). Development of energy-efficient and environmentally friendly linings and thermal insulation of electrode production furnaces. Energy Technologies & Resource Saving, 3, 21–34. doi: https://doi.org/10.33070/etars.3.2020.02
  4. Kursov, S. V. (2015). Monooksid ugleroda: fiziologicheskoe znachenie i toksikologiya. Meditsina neotlozhnyh sostoyaniy, 6 (69), 9–16.
  5. Parmon, V. N. (2000). Kataliticheskie tehnologii budushchego dlya vozobnovlyaemoy i netraditsionnoy energetiki. Himiya v interesah ustoychivogo razvitiya, 8 (4), 555–565.
  6. Vykydy zabrudniuiuchykh rechovyn i parnykovykh haziv u atmosferne povitria vid statsionarnykh dzherel zabrudnennia. Available at: http://www.ukrstat.gov.ua/operativ/operativ2018/ns/vzap/arch_vzrap_u.htm
  7. Ivanenko, O. (2020). Implementation of risk assessment for critical infrastructure protection with the use of risk matrix. ScienceRise, 2, 26–38. doi: https://doi.org/10.21303/2313-8416.2020.001340
  8. Ekolohichnyi pasport Zaporizkoi oblasti za 2019 rik (2020). Available at: https://mepr.gov.ua/files/docs/eco_passport/2019/%D0%97%D0%B0%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%96%D0%B7%D1%8C%D0%BA%D0%B0.pdf
  9. Patel, D. M., Kodgire, P., Dwivedi, A. H. (2020). Low temperature oxidation of carbon monoxide for heat recuperation: A green approach for energy production and a catalytic review. Journal of Cleaner Production, 245, 118838. doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118838
  10. Nishihata, Y., Mizuki, J., Akao, T., Tanaka, H., Uenishi, M., Kimura, M. et. al. (2002). Self-regeneration of a Pd-perovskite catalyst for automotive emissions control. Nature, 418 (6894), 164–167. doi: https://doi.org/10.1038/nature00893
  11. Schubert, M. M., Hackenberg, S., van Veen, A. C., Muhler, M., Plzak, V., Behm, R. J. (2001). CO Oxidation over Supported Gold Catalysts—“Inert” and “Active” Support Materials and Their Role for the Oxygen Supply during Reaction. Journal of Catalysis, 197 (1), 113–122. doi: https://doi.org/10.1006/jcat.2000.3069
  12. Panov, Y., Gomelia, N., Ivanenko, O., Vahin, A., Leleka, S. (2019). Estimation of the effect of temperature, the concentration of oxygen and catalysts on the oxidation of the thermoanthracite carbon material. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (98)), 43–50. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.162474
  13. Choi, K.-H., Lee, D.-H., Kim, H.-S., Yoon, Y.-C., Park, C.-S., Kim, Y. H. (2016). Reaction Characteristics of Precious-Metal-Free Ternary Mn–Cu–M (M = Ce, Co, Cr, and Fe) Oxide Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55 (16), 4443–4450. doi: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b04985
  14. Rakitskaya, T. L., Kiose, T. A., Vasylechko, V. O., Volkova, V. Y., Gryshchouk, G. V. (2011). Adsorption-desorption properties of clinoptilolites and the catalytic activity of surface Cu(II)–Pd(II) complexes in the reaction of carbon monoxide oxidation with oxygen. Chemistry of Metals and Alloys, 4 (3/4), 213–218. doi: https://doi.org/10.30970/cma4.0186
  15. Korablev, V. V., Chechevichkin, A. V., Boricheva, I. K., Samonin, V. V. (2017). Structure and morphological properties of clinoptilolite modified by manganese dioxide. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, 3 (1), 63–70. doi: https://doi.org/10.1016/j.spjpm.2017.03.001
  16. Krylov, O. V. (1976). Kataliz nemetallami. Leningrad: Himiya, 240.
  17. Golodets, G. I. (1977). Geterogenno-kataliticheskie reaktsii s uchastiem molekulyarnogo kisloroda. Kyiv: Naukova dumka, 360.
  18. Ivanenko, O., Gomelya, N., Panov, Y., Overchenko, T. (2020). Тechnical solutions for reducing emissions of carbon monoxide with flue gases of furnaces for baking electrodes. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: New Solutions in Modern Technology, 3 (5), 45–52. doi: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.01.07
  19. Zaki, M. I., Hasan, M. A., Pasupulety, L., Kumari, K. (1997). Thermochemistry of manganese oxides in reactive gas atmospheres: Probing redox compositions in the decomposition course MnO2 → MnO. Thermochimica Acta, 303 (2), 171–181. doi: https://doi.org/10.1016/s0040-6031(97)00258-x
  20. Han, Y.-F., Chen, F., Zhong, Z., Ramesh, K., Chen, L., Widjaja, E. (2006). Controlled Synthesis, Characterization, and Catalytic Properties of Mn2O3 and Mn3O4 Nanoparticles Supported on Mesoporous Silica SBA-15. The Journal of Physical Chemistry B, 110 (48), 24450–24456. doi: https://doi.org/10.1021/jp064941v
  21. Iablokov, V., Frey, K., Geszti, O., Kruse, N. (2009). High Catalytic Activity in CO Oxidation over MnO x Nanocrystals. Catalysis Letters, 134 (3-4), 210–216. doi: https://doi.org/10.1007/s10562-009-0244-0
  22. Ramesh, K., Chen, L., Chen, F., Liu, Y., Wang, Z., Han, Y.-F. (2008). Re-investigating the CO oxidation mechanism over unsupported MnO, Mn2O3 and MnO2 catalysts. Catalysis Today, 131 (1-4), 477–482. doi: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2007.10.061
  23. Wang, L.-C., Liu, Q., Huang, X.-S., Liu, Y.-M., Cao, Y., Fan, K.-N. (2009). Gold nanoparticles supported on manganese oxides for low-temperature CO oxidation. Applied Catalysis B: Environmental, 88 (1-2), 204–212. doi: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.09.031
  24. Stobbe, E. R., de Boer, B. A., Geus, J. W. (1999). The reduction and oxidation behaviour of manganese oxides. Catalysis Today, 47 (1-4), 161–167. doi: https://doi.org/10.1016/s0920-5861(98)00296-x
  25. Ivanenko, O. I., Krysenko, D. A., Krysenko, T. V., Tobilko, V. Yu. (2020). Use of natural zeolite of sokyrnytsа deposit for obtaining oxide-manganese catalyst for carbon monoxide oxidation. Visnik of Kherson National Technical University, 3 (74), 26–37. doi: https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2020.3.3
  26. Tarasevich, Y. I., Polyakov, V. E., Ivanova, Z. G., Krysenko, D. A. (2008). Obtaining and properties of clinoptilolite modified by manganese dioxide. Journal of Water Chemistry and Technology, 30 (2), 85–91. doi: https://doi.org/10.3103/s1063455x08020045
  27. Greg, S., Sing, K. (1984). Adsorbtsiya, udel'naya poverhnost', poristost'. Moscow: Mir, 310.
  28. Kolesnikova, L. G., Lankin, S. V., Yurkov, V. V. (2007). Ionniy perenos v klinoptilolite. Blagoveshchensk: Izdatel'stvo Blagoveshchenskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta, 113.
  29. Lopatkin, A. A. (1983). Teoreticheskie osnovy fizicheskoy adsorbtsii. Moscow: Moskovskiy gosudarstvenniy universitet, 344.
  30. Karnauhov, A. P. (1999). Adsorbtsiya. Tekstura dispersnyh i poristyh materialov. Novosibirsk: Nauka, 470.
  31. Merkle, A. B., Slaughter, M. (1968). Determination and refinement of the structure of heulandite. The Аmerican mineralogist, 53 (7), 1120–1138.
  32. Sargsyan, A. O., Sargsyan, O. A., Harutyunyan, L. R., Badalyan, G. G., Petrosyan, I. A., Harutyunyan, R. S. et. al. (2016). Phase transformations of natural zeolites under acid and alkali treatments. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series, 2, 37–44.
  33. Itzel-Herna'ndez, G., Herna'ndez, M. A., Portillo, R., Petranovskii, V. P., Pestryakov, A. N., Rubio, E. (2018). Hierarchical structure of nanoporosity of mexican natural zeolites of clinoptilolite type. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 329 (10), 107–117.
  34. Belchinskaya, L. I., Strelnikova, O. Yu., Khodosova, N. A., Ressner, F. (2013). Adsorption-structural, ion exchange and catalytic characteristics of natural and modified sorbent of Sokyrnytsky deposit, 4 (4), 420–426.
  35. Boreskov, G. K. (1988). Geterogenniy kataliz. Moscow: Nauka, 304.
  36. Centi, G., Arena, G. E., Perathoner, S. (2003). Nanostructured catalysts for NOx storage–reduction and N2O decomposition. Journal of Catalysis, 216 (1-2), 443–454. doi: https://doi.org/10.1016/s0021-9517(02)00072-6
  37. Wang, K., Zhong, P. (2010). A kinetic study of Co oxidation over the perovskite-like oxide LaSrNio4. Journal of the Serbian Chemical Society, 75 (2), 249–258. doi: https://doi.org/10.2298/jsc1002249w
  38. Savel'ev, I. V. (1970). Kurs obshchey fiziki. Vol. 1. Mehanika, kolebaniya i volny, molekulyarnaya fizika. Moscow: Izdatel'stvo «Nauka», 511.
  39. Mikulonok, I. O. (2014). Mekhanichni, hidromekhanichni i masoobminni protsesy ta obladnannia khimichnoi tekhnolohiyi. Kyiv: NTUU «KPI», 340.
  40. Ivanenko, O., Gomelya, N., Panov, Y. (2020). Evaluation of the influence of the catalysts application on the level of emissions of carbon monoxide in the manufacture of electrodes. Technology Audit and Production Reserves, 4 (3 (54)), 4–11. doi: https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.207483

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-31

Як цитувати

Ivanenko, O., Trypolskyi, A., Khokhotva, O., Strizhak, P., Leleka, S., & Mikulionok, I. (2020). Кінетичні параметри процесу очищення димових газів від монооксиду вуглецю на оксидно-марганцевому каталізаторі на основі цеоліту. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6 (108), 50–58. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217119

Номер

Том 6 № 6 (108) (2020): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Olena Ivanenko, Andrii Trypolskyi, Oleksandr Khokhotva, Peter Strizhak, Serhii Leleka, Ihor Mikulionok

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.