научная статья по теме НЕПРЯМОЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЕСТРУКТИВНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА Химия

Текст научной статьи на тему «НЕПРЯМОЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЕСТРУКТИВНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2007, том 43, № 11, с. 1311-1316

УДК 541.135+547.0

НЕПРЯМОЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДЕСТРУКТИВНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА1

© 2007 г. В. Л. Корниенко2, Н. В. Чаенко, Г. В. Корниенко

Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск, Россия Поступила в редакцию 11.01.2007 г.

Изучено непрямое деструктивное электрохимическое окисление бензола, фенола, N-метил-и-ами-нофенола активными формами кислорода, генерированными in situ из 02, Н202 и Н20 в водных растворах с различным рН с использованием различных схем электролиза с анодами из платины, диоксида свинца и ОРТА. Установлено, что непрямое окисление ароматических соединений позволяет минерализовать их до С02 и Н20 или перевести в простые моно- и дикарбоновые кислоты, которые могут быть утилизированы микроорганизмами в ходе дальнейшей биологической очистки.

Ключевые слова: непрямое окисление, пероксид водорода, кислород, газодиффузионный катод, бензол, фенол, М-метил-и-аминофенол.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы возрастает интерес к технологиям, направленным на очистку промышленных сточных вод с помощью экологически безопасных реагентов - химически связанных активных форм кислорода. Известно, что электрохимические методы позволяют сравнительно просто генерировать in situ активные формы кислорода из 02,

Н202 и Н20 в виде интермедиатов: НO , НO2, Н O2, различающихся по окислительной способности на 5-6 порядков [1-3].

Ароматические соединения являются типичными трудно утилизируемыми экотоксикантами гидросферы и содержатся в сточных водах различного происхождения. Известно, что непрямое деструктивное окисление трудно биоразрушае-мой ароматики с помощью электрохимически генерированного реактива Фентона (рН 2.8-3; Н202, в присутствии солей Fe2+) - электро-Фен-тон, фото-электро-Фентон и пероксикоагуля-ция - протекает с минерализацией до С02, Н20 и неорганических соединений [1-6]. Трудности, возникающие при разрушении устойчивых карбок-силатных комплексов железа, решаются с помощью УФ-облучения (фото-электро-Фентон).

Известно, что использование в качестве анодов оксидов металлов переменной валентности

1 Статья публикуется по материалам 16 Всероссийского совещания по электрохимии органических соединений, г. Новочеркасск (ЭХОС-2006).

2 Адрес автора для переписки: kvl@icct.ru (В.Л. Корниенко).

(оксиды титана, свинца, рутения, никеля, марганца и т.д.) позволяет генерировать при анодном

окислении воды Н O -радикалы, обладающие наиболее высокой окислительной способностью в реакциях деструктивного окисления и минерализации органических соединений [7, 8].

0дним из трудно окисляемых соединений из ароматических субстратов является бензол. Устойчивость бензола к реакциям гемолитического окисления пероксидом водорода обусловлена его строением. В отличие от других углеводородов он не образует гидропероксидов, способных распадаться на свободные радикалы и инициировать дальнейший ход цепной реакции. Из литературы известна реакция гидроксилирования бензола в фенол реактивом Фентона [9, 10], а в топливном элементе - с помощью системы Cu+ + H2O2 [11]. 0кисление при этом происходит в одну стадию. Известна реакция окисления бензола на платиновом аноде до С02, бензохинона и ^-ненасыщенных эфиров в кислой среде [12]. В щелочной среде анодное окисление идет с разрывом ароматического кольца с образованием С02 и солей карбо-новых кислот [12, 13]. Электрохимическое окисление бензола на аноде из стеклоуглерода в кислой среде происходит с образованием бензохинона и гидрохинона [14].

В настоящей статье представлены результаты наших исследований по непрямому деструктивному электрохимическому окислению бензола, фенола и N-метил-и-аминофенола (метола) активными формами кислорода, in situ генерированными

из 02, Н20, Н202 в ячейках с мембраной и без мембраны с различными анодными материалами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Опыты проводили в двух типах электрохимических ячеек (2- и 3-камерные) с использованием газодиффузионного катода, генерирующего Н202 из O2, и в стандартной электрохимической ячейке с фильтрующей диафрагмой.

Для получения Н202 и проведения электролиза с его участием in situ использовали термостати-руемые ячейки с неразделенными (2-камерная) и разделенными ионообменной мембраной МК-40 (3-камерная) катодным и анодным пространствами. Газодиффузионный катод представлял собой плоский диск с общей пористостью 65-70% и толщиной 0.8-0.9 мм из смеси сажи А 437-Э (60 мас. %) и ФП-4Д (40 мас. %). Конструкция подобной ячейки была приведена в работе [15]. Анодом служила платиновая пластинка (4 х 25 мм). Потенциал электрода контролировали на фронтальной стороне газодиффузионного катода относительно хлоридсеребряного электрода. Плотность тока рассчитывали на единицу видимой фронтальной поверхности, составляющей 5 см2, объем электролитной камеры - 20 мл.

Для электролизов с графитовым катодом использовали стандартную электрохимическую ячейку со стеклянной фильтрующей диафрагмой с анодами из 0РТА (50 х 58 мм), диоксида свинца (10 х 58 мм) и платины. Слой PbO2 на поверхности свинцового анода формировали по методике [16].

Концентрацию Н202 определяли пермангана-тометрически по известной методике [17], концентрацию фенола - по методике [18], изменение ХПК (химическое потребление кислорода) контролировали по методике [19]. Состав продуктов окисления во всех экспериментах анализировали методом УФ-спектроскопии.

ОКИСЛЕНИЕ БЕНЗОЛА

Электролиз с использованием

газодиффузионного кислородного катода

При работе ячейки на газодиффузионном катоде протекает реакция 2-электронного восстановления кислорода до пергидроксид-иона [20]:

O2 + 2е + Н20 —- HO2 + 0Н-. (1)

На аноде протекает реакция окисления воды с образованием в качестве интермедиатов Н O -радикалов [21]:

2H2O — 2Н O .адс) + 2Н+ + 2e. (2)

Эффективность работы газодиффузионного кислородного электрода определяли по кривым накопления Н202 в 2- и 3-камерных ячейках. Нарабатываемые концентрации Н202 в стационарном режиме в 0.5 М №ОН при плотности тока 20 мА/см2 составили 11.6 г/л через 3.5 ч и 1.1 г/л через 1 ч соответственно.

Более низкие концентрации Н202 в ячейке с неразделенным пространством обусловлены протеканием реакций [21]:

Н2О2 Н О2 + Н+ + е, (3)

НО2 —- О2 + Н+ + е, (4)

Н2О2 + НО' —- НО. + Н2О. (5)

Результаты гидроксилирования бензола в фенол в 2-камерной ячейке, где основными гидрок-силирующими агентами выступают интермедиа-

ты НО(адс), НО2 [20, 21], и в катодной камере 3-секционной ячейки (в гидроксилировании участвуют Н О2 -радикалы [10], образующиеся при катодном восстановлении 02) свидетельствуют о низкой эффективности электролиза в области потенциалов восстановления 02 до Н2О2. Содержание фенола в 3-секционной ячейке составило 3.8 х 10-6 - 8.9 х 10-6 М (сбенз = 0.57 М) при плотности тока 10-15 мА/см2. В 2-камерной ячейке содержание фенола составило при тех же условиях 4.8 х 10-6-7.2 х 10-6 М. С увеличением концентрации бензола до 1.4 М концентрация фенола возросла до 1.78 х 10-5 М. Столь низкие выходы фенола (Сфен = 105-106 М) связаны прежде всего с низкой активностью катода, обусловленной, вероятно, пассивацией его поверхности за счет адсорбции бензола и продуктов его окисления на углеродной поверхности, что приводит к блокировке активных центров, участвующих в реакции восстановления 02. Этот вывод был сделан на основании снятых поляризационных кривых, свидетельствующих о резком снижении активности газодиффузионных электродов при добавлении бензола. Кроме того, низкий выход связан, возможно, и со способностью образующегося фенола к дальнейшему окислению. 0кисление фенола (Сфен = 1.06 х 10-3 М) [22] в щелочной среде при плотности тока 100 мА/см2 в 2-камерной ячейке привело к снижению концентрации последнего на 85% в течение первого часа работы. Низкие характеристики процесса гидроксилирования бензола, реализуемые при электролизе, и явление пассивации делают процесс с использованием газодиффузионного кислородного катода, находящегося в непосредственном контакте с бензолом, в данном случае малоэффективным.

Таблица 1. Результаты минерализации бензола и продуктов его окисления на различных анодных материалах

Материал Электролит ХПКисх = 120 мг/л, 0 = 8640 Кл ХПКисх = 1250 мг/л, 0 = 11880 Кл

анода ХПКост, мг/л эффект. окисл., % ХПКост, мг/л эффект. окисл., %

0РТА №ОН, 0.1 М 0 100 122.0 90.2

№28О4 + Н28О4, pH 2.8 15.4 87.7 96.3 92.3

Pt №ОН, 0.1 М 29.4 75.5 195 84.4

№28О4 + Н28О4 + Fe2+, pH 2.8 72.3 42.16 456.4 63.5

Pb/PbO2 №28О4 + Н28О4, pH 2 15.4 87.7 65.2 94.8

№ОН, 0.1 М 15 88.0 131.3 89.5

Электролиз с добавлением пероксида водорода

Для нивелирования малопродуктивной работы катода деструктивное окисление бензола проводили в ячейке с фильтрующей диафрагмой, изолирующей графитовый катод. Процесс окисления в данном случае протекает в анодной камере электролизера, куда для увеличения концентрации высокореакционных радикалов (уравнения (3)-(5)) добавляли Н202. Электролиз проводили при силе тока 600 мА на анодах из платины, 0РТА и Pb/PbO2. В качестве основного параметра определения эффективности окисления использовали показатель ХПК. Данные приведены в табл. 1.

При введении ионов Fe2+ реализуется электро-Фентон схема, увеличивающая окислительную способность Н202:

Н2О2 + Fe2+

Fe3+ + 0Н- + Н О

(6)

ми окисления бензола на всех маршрутах являются С02 и Н20 по результирующему уравнению реакции:

С6Н6 + 30Н О'

6С02 + 18Н20.

(7)

0днако, ионы Fe3+ образуют трудноокисляе-мые оксалатные комплексы [23], что приводит к снижению эффективности окисления бензола в ячейке с Pt-анодом в кислой среде. Их присутствие подтверждается качественной реакцией на оксалаты и спектрами УФ-спектроскопии, которые были записаны через 1 ч (0 = 2160 Кл) и через 4 ч (0 = 8640 Кл) работы ячейки. Наряду с изменением величины ХПК менялось и соотношение полученных продуктов электролиза. При окислении бензола на платине в щелочной среде через 1 ч наблюдали отсутствие линий поглощения, относящихся к бензолу. Среди продуктов зафиксированы фенол и хинон. При дальнейшем окис

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