научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНОГО ЗАХВАТА NO2 НА ПОКРЫТИИ ИЗ МЕТАНОВОЙ САЖИ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНОГО ЗАХВАТА NO2 НА ПОКРЫТИИ ИЗ МЕТАНОВОЙ САЖИ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 3, с. 87-96

^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 544.43; 544.723.2; 543.51

ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛЬНОГО ЗАХВАТА NO2 НА ПОКРЫТИИ ИЗ МЕТАНОВОЙ САЖИ

© 2015 г. В. В. Зеленов*1, Е. В. Апарина1, С. А. Каштанов2, Э. В. Шардакова1

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук, Черноголовка 2Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка

*Е-таИ: zelenov@binep.ac.ru Поступила в редакцию 25.12.2013

С использованием термостатированного проточного реактора с подвижной вставкой с нанесенной на нее сажей, сопряженного с масс-спектрометром высокого разрешения и ионизацией низковольтными электронами исследован захват газа-реагента М02 при вариации концентрации последнего ([N0;,] = 1 • 1012—2 • 1013 см-3) и влажности ([Н20] = 5 • 1012-1.8 • 1015 см-3). С использованием метода ВЕТ (Вгиппаиег—ЕшшеИ—ТеНег) определена удельная поверхность сажевого покрытия, равная (40 ± 10 (2ст)) м2/г. Зарегистрирована серия времязависимых коэффициентов захвата N02 на свежих сажевых покрытиях в указанном диапазоне концентраций газа-реагента. Из анализа совокупности экспериментальных данных установлен закон временного изменения коэффициента захвата 1/у(0 = 1 /у0 + с^ и определены зависимости его параметров у0 и С1 от концентрации N02: 1/у0 = с2 + + с3^02], сх = к^02] с константами с2 = (6.5 ± 1.3) ■ 103, с3 = (5.6 ± 1.3) ■ 10-10 см3 ■ молекул-1, к = = (2.4 ± 0.2) ■ 10-10 см3 ■ молекул-1 • с-1. В качестве газофазных продуктов захвата N02 на саже зарегистрированы N0 и H0N0. При этом продукт N0 количественно соответствует половине израсходованного реагента N0^ Экспериментально установлено, что при повышении влажности не изменяется как коэффициент захвата, так и состав и соотношение его продуктов. Предложено описание начального захвата N02 на метановой саже с использованием лэнгмюровской модели адсорбции, в которой захват рассматривается как последовательность элементарных стадий, включающих обратимую адсорбцию, образование поверхностного комплекса и его последующий мономолекулярный распад с образованием продуктов. Из модельного описания экспериментальной зависимости у0 =

=/([N0^) определена константа Лэнгмюра Кь = (8.6 ± 2.6) ■ 10-14 см3 ■ молекул-1 для пары N02/ме-тановая сажа, а также оценены константа скорости ка = (530 ± 160) с-1 десорбции N02 на саже и константа скорости кг = (8.2 ± 2.5) ■ 10-2 с-1 мономолекулярного распада поверхностного комплекса.

Ключевые слова: химия тропосферы, органический аэрозоль, двуокись азота, метановая сажа, коэффициент захвата, коэффициент Лэнгмюра, газофазные продукты захвата.

Б01: 10.7868/80207401X15030140

ВВЕДЕНИЕ

Гетерогенные процессы на поверхности аэрозолей наряду с реакциями в газовой фазе вносят существенный вклад в изменение химического состава тропосферы. Сажевые частицы (черный углерод) антропогенного и естественного происхождения являются одними из основных представителей общего аэрозольного бюджета [1]. Они образуются при горения биомасс и эмиссии технических устройств, использующих горение различных видов топлива, и возникают в условиях неполного сгорания при недостатке кислорода для полной конверсии топлива в конечные продукты сгорания - СО2 и Н2О. Содержание черного

углерода над промышленными городами северного полушария составляет 200-800 нг/м3, над океанами 5-20 нг/м3 и над полюсами около 1 нг/м3 [2]. Глобальная эмиссия сажевого аэрозоля оценивается как 12.6-24 Тг в год [3]. Сажевые аэрозоли оказывают значительное влияние на излучатель-ный баланс планеты [1]. Кроме того, на них могут протекать гетерогенные реакции с газовыми компонентами атмосферы, такими как N0^, Н2804, ОН, 03 и др. [4, 5]. Продуктами таких взаимодействий оказываются различные вредные соединения, которые в виде осадков возвращаются на землю [6]. В тропосфере загрязненные воздушные массы характеризуются высоким содержани-

ем окисленных азотных соединений, которые вовлекаются в образование фотохимического смога и образование озона [7]. Ключевым фактором здесь являются радикалы ОН, которые образуются при фотолизе ИОМО [8]. Средние ночные концентрации ИОМО составляют 1—15 ррЬ над городами и 0.1—1 ррЬ над сельскими регионами [9]. Газофазные реакции с выходом ИОМО медленные [10], поэтому остается не до конца выясненным вопрос об источнике ИОМО — предположительно это могут быть гетерогенные реакции МОХ с сажевыми частицами [11, 12].

Установлено, что частица сажи состоит из нерастворимого в воде аморфного углерода и растворимой органической фракции частично окисленных углеводородов, либо связанных с ядром, либо образующих адсорбированный слой на поверхности частицы. Эта органическая фракция может играть значительную роль в химии сажи. Первой стадией образования сажи считается формирование частиц размером 5—10 нм [13, 14] вследствие реактивной коагуляции молекул полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). В частности, все системы горения производят значительные количества ПАУ, которые оказывают канцерогенное, мутагенное и нейротоксиче-ское воздействия на человека. По определению, ПАУ состоят из двух и более бензольных колец, содержащих только С и Н в линейной, угловой или кластерной конфигурациях. Эволюция атмосферных ПАУ происходит в физико-химических процессах их взаимодействия с активными газовыми компонентами, при этом возможно образование еще более токсичных продуктов — нитро-ПАУ [6].

Условия горения и состав топлив оказывают влияние на свойства сажи, образующейся в этих процессах. Исследования показали, что сажа представляет собой цепноподобные агрегаты первичных частиц, которые в свою очередь состоят из возмущенных графитовых слоев, расположенных концентрически, наподобие чешуек луковицы [14]. Подтверждено наличие функциональных групп на поверхности сажевых частиц, включая алканы, алкены, алкины, ароматические (С—Н), карбонильные (С=О) и эфирные (С—О) группы, а также полициклические ароматические углеводороды [15, 16].

Химическая модификация поверхности изменяет поглощательную или рассеивающую способность органического аэрозоля. Для лучшего понимания и возможности количественного описания протекающих в атмосфере процессов необходимы определенные лабораторные исследования. В частности, нужны значения коэффициентов захвата различных газов на частицах органических аэрозолей, одним из представителей которых является сажа, а также кинетические характеристи-

ки начальной стадии взаимодействия газ/поверхность [17].

В лабораторных исследованиях использовались образцы сажи различного происхождения, включая сажу над пламенем, электроискровую сажу и сажу выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Множество работ было посвящено захвату на сажах реагента NO2 как основного продукта горения [14, 18—21]. При использовании различных лабораторных методик полученные величины коэффициентов захвата NO2 на саже различаются на 7 порядков: у = 10—1—10-8. Такой большой разброс величин обусловлен рядом причин: это степень "свежести" сажи, отношение топливо/воздух при горении, тип топлива, различные размеры частичек сажи, различная удельная поверхность исследуемых образцов, различный состав функциональных групп и ПАУ на их поверхности и, следовательно, различная реакционная способность. Существенным является и то, что подразумевается под коэффициентом захвата: либо это его начальное значение, либо величина, усредненная за некоторый промежуток времени. Одна из основных причин в различии величины коэффициента захвата — это размер поверхности, на которую производится расчет захвата: либо это истинная (удельная) поверхность, рассчитанная по методу ВЕТ (Brunnauer—Emmett—Teller), либо это геометрическая площадь поверхности сажевого образца, помещаемого в реакционную зону. Учет истинной поверхности существенно уменьшает разницу между значениями коэффициентов захвата, измеренными разными методами, сводя их к диапазону 5 • 10—6—1.7 • 10-4 (см. работу [18] и ссылки в ней).

В большинстве работ изучали твердые продукты захвата путем обработки прореагировавшей сажи различными растворителями с последующим хромато-масс-анализом. Среди газофазных продуктов обнаружены только HONO и NO в различных соотношениях (HONO/NO от 100% до 0%), в зависимости от типа топлива и соотношения топливо/воздух при горении [12, 19, 22, 23]. Степень конверсии NO2 в HONO при ее захвате на саже, а также механизм образования HONO вызывают, пожалуй, основной интерес к этой реакционной системе. В ряде работ [11, 18, 24, 25] было показано, что выход продукта HONO не зависит от относительной влажности (RH) при RH = 0.5—60% и происходит, по-видимому, по схеме NO2 + RH ^ HONO + R, где RH - поверхностная функциональная группа. В других работах [26-29] зависимость выхода HONO от RH обнаружена, и рассматриваются механизмы образования HONO в присутствии молекул H2O на поверхности сажи: 2NO2 + H2O ^ HONO + + HNO3. Исходя из этого механизма, сажа не расходуется в процессе захвата, а обеспечивает поверхностные центры для протекания реакции.

Плотность активных центров на поверхности составляет Z0 = 2.2 • 1014 см-2 [30] для электроискровой и гексановой сажи и Z0 = 2 • 1014 см-2 [18] для н-гексановой сажи и оценена по расходу NO2 и по физсорбции HNO3 соответсвенно.

В данной работе основное внимание было уделено кинетическому аспекту исследования этой реакции. Цель работы заключалась в получении количественной информации об адсорбцион-но/десорбционных свойствах этой системы, а также ее начальной реакционной способности. Эти данные представляют интерес при рассмотрении захвата на саже в реальных условиях многокомпонентной газовой смеси. В условиях конкурентной адсорбции доля общей поверхности, доступной для отдельного газового компонента, определяется его объемной концентрацией и коэффициентом Лэнгмюра. При создании моделей захвата с учетом интерфазного обмена и анализа соотношения каналов реакции и массопереноса также полезным оказывается знание о константе скорости реакции, происходящей на поверхности образца. В представленной работе получены экспериментальные данные по зависимо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком