ВВЕДЕНИЕ 3
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Методы и катализаторы для очистки газовых выбросов 7
1.2. Современные методы и катализаторы для водоочистки 19
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 25
2.1. Аналитические методы 25
2.2. Методики испытаний образцов катализаторов в реакциях глубокого каталитического окисления метанола и монооксида углерода 31
2.3. Катализаторы, испытанные в реакции глубокого окисления метанола и монооксида углерода 39
2.4. Методики испытаний образцов катализаторов в реакциях глубокого каталитического окисления этиленгликоля в воде 41
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 46
3.1. Результаты испытаний катализаторов в реакциях глубокого газофазного окисления метанола и угарного газа 46
3.2. Результаты испытаний катализаторов в реакции глубокого каталитического окисления этиленгликоля в присутствии озона 54
ВЫВОДЫ 85
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 86
Актуальность. На многих промышленных предприятиях, в результате проведения технологического процесса, происходит выброс в атмосферу и в воду большого количества вредных веществ. Очистка промышленных газообразных выбросов и сточных вод, содержащих токсичные вещества, является непременным требованием во всех производствах.
Следует отметить, что каких-либо универсальных рецептов, радикально решающих проблему борьбы с загрязнением окружающей среды, пока, к сожалению, не существует. По различным научным источникам наиболее эффективными считаются - абсорбция жидкостями, адсорбция твердыми поглотителями и каталитическая очистка. Каталитические методы очистки основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, то есть на закономерностях гетерогенного катализа.
В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, то есть в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо в газовых сбросах, либо соединения, легко удаляемые из газового потока.
Сточные воды химически загрязненных территорий (НПЗ, предприятия химии и нефтехимии, АЗС, нефтебазы и др.) содержат большое количество токсичных органических загрязнителей, в том числе трудно окисляемых. Среди эффективных методов очистки природных и сточных вод от вредных примесей весьма перспективно каталитическое окисление токсичных ингредиентов. Катализаторы значительно интенсифицируют процесс жидкофазного окисления, а также позволяют избежать недостатков традиционных технологий и обеспечить существенные преимущества при незначительной реконструкции сооружений.
Цель и задачи исследования. Цель работы - получение данных о каталитической активности и практической применимости нанокатализаторов на основе неблагородных металлов в реакциях глубокого окисления загрязнителей в газовой и жидкой фазах.
В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести испытания образцов нанокатализаторов в реакциях глубокого окисления загрязнителей в газовой фазе, а именно паров метанола и угарного газа;
2. Провести испытания образцов нанокатализаторов в реакциях глубокого окисления загрязнителей в жидкой фазе, а именно этиленгликоля в воде;
3. Оценить возможность применения нанокатализаторов на основе неблагородных металлов для очистки выбросов;
4. Разработать на основании полученных данных принципиальную технологическую схему очистки сточной воды, содержащей этиленгликоль.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются нанокатализаторы на основе неблагородных металлов: медь, оксид меди (II), никель, оксид хрома (III), цинк, нанесённые на сетчатый носитель из нержавеющей стали.
Каждый из образцов нанокатализаторов был получен путём электрохимического осаждения металла на металлический носитель из раствора соответствующей соли. Образцы на основе оксидов металлов получены отжигом образцов с нанесёнными металлами в кислородсодержащей среде.
Образцы исследовались в реакциях глубокого каталитического окисления некоторых выбранных загрязнителей для получения данных о их каталитической активности применительно к данным реакциям, а также об их устойчивости и стабильности для оценки их применимости в реальных условиях.
Методы проведения исследования. При выполнении работы провели изучение и анализ литературных данных, провели лабораторные испытания образцов катализаторов, для анализа состава исходных смесей и продуктов реакций использовали метод газовой хроматографии, для исследования поверхности катализаторов применяли метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Научная новизна. В работе впервые исследовалась каталитическая активность нанокатализаторов на сетчатом носителе в реакциях глубокого окисления. Получены зависимости «степень очистки - температура» для газофазных реакций, «степень очистки - время реакции» для газо- и жидкофазных реакций.
Разработана принципиальная технологическая схема каталитической очистки сточной воды, содержащей этиленгликоль, с применением нанокатализатора на основе меди.
Практическая значимость полученных результатов. Исследовано поведение нанокатализаторов на основе неблагородных металлов в реакциях глубокого окисления, и из доступных образцов выбраны наиболее перспективные для потенциального применения в установках каталитической очистки газовых выбросов и сточных вод.
Научная обоснованность и достоверность определяются согласованностью полученных результатов с теоретическими предпосылками. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных методов лабораторного анализа.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Четвёртой Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» и опубликованы в Материалах конференции; на XX менделеевском съезде по общей и прикладной химии и опубликованы в тезисах докладов; в конкурсе «Теплоэнергетика будущего» в рамках Международной научно-практической конференции УгольЭко-2016.
Личный вклад диссертанта.
Обобщен и проанализирован материал по теме диссертации. Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или совместно с соавторами опубликованных работ. При этом автор принимал непосредственное участие в лабораторных экспериментах, расчётах и анализе полученных результатов и формулировке выводов.
Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту
1. Результаты лабораторных испытаний нанокатализаторов в реакции глубокого окисления паров метаноли или угарного газа;
2. Результаты лабораторных испытаний нанокатализаторов в реакции глубокого окисления этиленгликоля в водном растворе;
3. Оценка применимости нанокатализаторов для очистки газовых выбросов и сточных вод;
4. Технологическая схема очистки сточной воды, содержащей этиленгликоль.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 93 страницах, содержит 61 рисунок, 5 таблиц, библиографию из 63 наименований.
1. Показано, что нановискеры CuO обладают наибольшей каталитической активностью в реакции глубокого окисления метанола и угарного газа;
2. Наибольшей каталитической активностью для разложения этиленгликоля в воде обладает смешанный катализатор Cu/Zn.
3. Методом ГХ-МС было показано, что этиленгликоль окисляется полностью углекислого газа и воды без образования полупродуктов окисления;
4. На основании полученных экспериментальных данных была произведена разработка технологической схемы очистки сточной воды, содержащей этиленгликоль.
