научная статья по теме МЕХАНИЗМЫ ГАЗОФАЗНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЗМЫ ГАЗОФАЗНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2010, том 44, № 1, с. 3-7

РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ

УДК 541.15

МЕХАНИЗМЫ ГАЗОФАЗНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2010 г. Г. Я. Герасимов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова 119192, Москва, Мичуринский просп., 1 E-mail: gerasimov@imec.msu.ru Поступила в редакцию 02.07.2009 г.

На основании анализа литературных данных построена наиболее полная кинетическая модель газофазного радиационно-химического разложения полициклических ароматических углеводородов, учитывающая как радикальный, так и ионно-молекулярный механизмы процесса. Верификация модели проведена на основе сравнения результатов расчета с экспериментальными данными. Показано, что в сухих газовых смесях, где основную роль в разрушении ароматических молекул играет ионно-молекулярный механизм, эффективность процесса значительно ниже, чем во влажных смесях, где преобладающим является радикальный механизм.

Применение физико-химических методов для очистки промышленных газов от вредных веществ — одно из перспективных направлений при решении экологических проблем. Наиболее эффективным и разработанным из них является метод радиационной обработки газа электронным пучком (ББЭ8-процесс), находящийся на стадии промышленного внедрения [1]. В основе метода лежит получение в газе небольших количеств активных компонентов (ионов, атомов и радикалов), которые реагируют с вредными примесями, превращая их в безвредные вещества или вещества, улавливаемые фильтрами. Активные компоненты образуются при воздействии излучения на макрокомпоненты газа (N2, 02, С02 и Н20).

Среди токсичных компонентов промышленных газов особое место занимают полициклические ароматические углеводороды (РА№), многие из которых имеют высокую канцерогенную и мутагенную активность. Поведение РАН в ББЭ8-процессе имеет сложный характер. Как показывают экспериментальные данные, взаимодействие ароматических молекул с активными компонентами ведет к их разложению [2]. С другой стороны, в некоторых случаях наблюдается увеличение концентрации соединений с большим числом ароматических колец [3, 4]. Для корректного количественного описания процесса требуется более детальное изучение кинетических механизмов преобразования РАН под действием ионизирующего излучения.

Теоретическое исследование поведения РАН в газе под действием электронного пучка проведено в [5], где рассмотрены основные пути образования и разрушения данных соединений. Детальная кинетическая модель газофазного окисления аромати-

ческих соединений, основанная на радикальном механизме, предложена в [6]. С помощью модели сделана оценка концентраций основных продуктов окисления нафталина при типичных условиях проведения ББЭ8-процесса. В настоящей работе предпринята попытка построения наиболее полной кинетической модели разложения РАН молекул, учитывающей как радикальный, так и ион-но-молекулярный механизмы. Верификация модели проведена на основе сравнения результатов расчета с экспериментальными данными по радиа-ционно-химическому разложению нафталина и аценафтена в различных газовых смесях [7].

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

Основную инициирующую роль в преобразовании ароматических соединений во влажной газовой смеси играет взаимодействие РАН молекул с радикалами 0Н, образующимися в газе под действием ионизирующего излучения [5]. Результатом взаимодействия является образование нестабильного ароматического ОН-аддукта с последующим его разложением в реакциях с молекулярным кислоро-дам и оксидом азота [8]. Процесс протекает в направлении уменьшения числа ароматических колец в РАН молекуле, что наблюдается в экспериментах по электронно-лучевой очистке промышленных газов от вредных примесей [2]. Дополнительным каналом преобразования ОН-аддукта является его реакция с N0^ ведущая к нитрованию ароматических соединений [6].

В сухой газовой смеси, когда концентрация радикалов 0Н в газе незначительна, доминирующим становится ионно-молекулярный механизм преоб-

4

ГЕРАСИМОВ

Кинетическая модель разложения полициклических ароматических углеводородов под действием ионизирующего излучения

№ Реакция k, см3/(моль с) Литература

1 NL + OH —продукты 1.43 x 1013 [14]

2 AC + OH —► продукты 3.81 x 1013 [14]

3 PAH + O —»- продукты 1.25 x 1012 [15]

4 PAH + N+ — PAH+ + N2 1.20 x 1015 [9]

5 PAH + O+ — PAH+ + O2 1.08 x 1015 [9]

6 PAH + N+ — PAH+ + N 1.75 x 1015 [9]

7 PAH + O+ — PAH+ + O 1.45 x 1015 [9]

8 PAH + H3O+ — PAH+ + + H2O + H 7.83 x 1014 [16]

9 PAH+ + H —продукты 1.14 x 1014 [10]

10 PAH+ + O —- продукты 6.02 x 1013 [10]

11 PAH+ + N —»- продукты 1.39 x 1013 [10]

12 PAH+ + e- — PAH 1.56 x 1016 [16]

13 PAH+ + O- —- PAH + O2 2.16 x 1017 [12]

разования РАН молекул. Данный механизм содержит: 1) группу реакций перезарядки положительных ионов, образующихся при воздействии ионизирующего излучения на макрокомпоненты газа, на РАН молекулах с образованием ароматических катионов РАН+; 2) группу реакций разложения РАН+ под действием активных компонентов, включая расщепление кольца и дробление иона; 3) реакции нейтрализации РАН+ при их рекомбинации с отрицательными ионами. Константа скорости перезарядки катионов (К+, 0+, № и 0+ для сухого воздуха) на РАН молекулах составляет величину порядка 1015 см3/(моль с) [9]. Разложение ароматических катионов происходит в основном при их взаимодействии с атомами О и N что ведет к отщеплению С или НС от РАН+ с образованием СО или НСМ и раскрытием кольца [10].

Важную роль в разрушении ароматических молекул в сухой кислородсодержащей смеси играет их взаимодействие с атомарным кислородом. Радиационное воздействие на 02 приводит к образованию атомов О в основном 0(3Р) и возбужденном 0(1Э) состояниях с примерно равными радиационными выходами [11]. Тем не менее, быстрое тушение возбуждения на макрокомпонентах газа дает в итоге относительно низкую концентрацию атомов 0(1Э) в газе. С другой стороны, константы скорости реакций с участием 0(1Э) обычно на два-три порядка выше, чем соответствующие величины для 0(3Р) [12]. Оценочные расчеты показали, что роль воз-

бужденных атомов 0(1Э) в окислении ароматических молекул незначительна, и при рассмотрении данной группы реакций можно ограничиться реакциями с участием только атомов 0(3Р).

В окончательном виде принятая кинетическая модель процесса содержит как радикальный, так и ионно-молекулярный механизмы преобразования РАН молекул под действием ионизирующего излучения (таблица). В модель включены также механизмы образования активных компонентов (атомов, радикалов, молекулярных и атомарных ионов) и их взаимодействия с основными компонентами газа [11, 13]. Константы скоростей реакций выбраны на основании анализа имеющихся литературных данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Тестирование кинетической модели проведено на результатах экспериментального исследования [7] разложения РАН в смесях М2/02/Н20 (объемное содержание компонентов равно 84, 10 и 6% соответственно) и ^/Н20 (объемное содержание паров воды равно 10%). Опыты проводились с наиболее простыми представителями полициклических ароматических углеводородов: нафталином (N^1, состоящим из двух конденсированных ароматических колец, и аценафтеном (АС), состоящим из двух ароматических и одного пентациклического кольца. Поглощенная доза радиации менялась в пределах 0.5—8 кГр, температура процесса равнялась 100°С, среднее время нахождения смеси в реакционной камере составляло величину порядка 2.3 с.

На рис. 1 приведены рассчитанные и измеренные концентрации нафталина и аценафтена в облучаемой смеси ^/02/Н20, в которой основным механизмом, инициирующим разложение ароматических молекул, является их взаимодействие с радикалами 0Н. Видно, что в рассматриваемых условиях снижение концентраций NL и АС на порядок достигается при дозе облучения Б = 4 кГр. Более высокая степень разложения наблюдается для аценафтена, у которого соответствующая константа скорости реакции в 2.7 раза выше, чем у нафталина (см. таблицу). Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных говорит о достаточной точности принятой кинетической модели при ее использовании для описания разложения рассматриваемых ароматических соединений во влажных газовых смесях.

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных по радиационно-химическому преобразованию аценафтена в различных смесях приведены на рис. 2. Анализ рисунка показывает, что в чистом молекулярном азоте, где основную роль в разрушении ароматических молекул играет ионно-молекулярный механизм, эффективность процесса значительно ниже, чем во влажных газовых смесях, где преобладающим является радикаль-

МЕХАНИЗМЫ ГАЗОФАЗНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ

5

Х/Х10

Б, кГр

Рис. 1. Зависимости концентраций нафталина (1, О) и аценафтена (2, А) от поглощенной дозы в смеси ^/02/И20 при АС0 = = 10 дм3/м3. Кривые - результаты численного моделирования, точки — экспериментальные данные [7].

ный механизм. Небольшое различие в поведении аценафтена в смесях М2/02/И20 и М2/И20 можно объяснить тем, что в первой смеси образуется значительное количество ионов О—, что снижает эффективность ионно-молекулярного механизма за счет более высокой скорости нейтрализации ионов

РАИ+ на О— (см. таблицу). Таким образом, как в экспериментальных, так и в расчетных данных наблюдается увеличение степени конверсии АС при изменении состава смеси в направлении N —► ^N/02/^0^ N/^0.

Сравнительный анализ разложения полициклических ароматических углеводородов в смесях М2/02/И20 и М2/02 показывает, что скорость процесса во влажной смеси более высокая. Это проиллюстрировано на рис. 3, где расчетные кривые х^ = х^(Б) для нафталина сравниваются с результатами измерений. Следует отметить, что ведущая роль радикалов 0И в разрушении ароматических молекул связана как с их более высокой концентрацией в облучаемой газовой смеси, так и с достаточно большим значением константы скорости реакции с РАИ молекулами.

Результаты варьирования начальной концентрации аценафтена во влажной смеси М2/02/И20 приведены на рис. 4. Видно, что небольшая примесь

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