臭氧的自分解及催化分解研究

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本文主要研究了臭氧在气态和水溶液中的自分解规律以及金属氧化物对气态臭氧的催化分解作用。 实验结果表明:臭氧在气态条件下,分解速度随温度升高而迅速加快,以空气为气源产生的臭氧,20℃时,分解的半衰期为86min,30℃、40℃、50℃、60℃、70℃分解的半衰期分别为62min、48min、31min、24min、17min,其80℃时分解的半衰期为12min;而以氧气为气源产生的臭氧在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃时分解的半衰期分别为187min、151min、101min、77min、61min、44min和34min。 因此,以氧气为气源产生的臭氧在同样的温度条件下,较以空气为气源产生的臭氧分解的半衰期长。以氧气为气源产生的臭氧的在20℃~80℃这个温度范围内的分解反应基本属于一级反应,我们得到了气态条件下臭氧分解的阿仑尼乌斯方程(以氧气为气源):k=1.6×10e-2.61×104/RT臭氧在水溶液中,其分解速度随温度升高而加快,以pH=3为例,20℃时,分解的半衰期为301min,30℃时分解的半衰期为158min,50℃分解的半衰期为31min,60℃时,分解的半衰期为10min;同时还发现,在pH值小于2时,其分解速度随pH值升高而减慢,以50℃为例,分解的半衰期从10min(pH=0.5)增至18min(pH=2),pH=0.5、1、2时的半衰期分别为10、13、18min;pH值在3~6之间时,其分解速度随pH值升高而加快,以50℃为例,分解的半衰期从31min(pH=3)减至7min(pH=6),pH=3、4、5、6的分解半衰期为31、26、15、7min;pH值大于6时,其分解速度极快。 因此,pH值为2-4是臭氧水溶液相对稳定的区间。 金属氧化物对气态臭氧的催化分解作用的研究包括单组分和双组分金属氧化物对臭氧催化分解活性的研究。 实验结果表明:在已研究的金属氧化物范围内,单组分催化剂的催化分解活性次序大体为:Co>Mn>Ni≈Cr>Fe>Zn>Mg>Cu。 在本实验条件下:钻氧化物具有极高的催化活性。当臭氧的初始浓度为1000mg/m3时,空速为15000h-1时,Co(NO3)2.6H2O的浓度为0.0005g/L时,其催化分解率已经达到98.6%。 同时实验还表明,锰氧化物的催化活性也很高,负载0.0005g/LMn(NO3)2.6H2O的催化剂在臭氧初始浓度为2350mg/m3时,空速为15000h-1时,其催化分解率为71.3%。 实验结果还表明:催化剂的催化分解活性与制备催化剂时的焙烧温度和焙烧时间有关,采用硝酸盐时比较合理的焙烧条件为:400℃,4小时。 总体说来,负载金属氧化物的量越多,催化剂的分解能力就越高,这个规律无论对单组分还是双组分催化剂都适用。 实验还表明,双组分催化剂的催化分解活性主要由较高活性的金属氧化物所决定,并与两组分的相对比例有关。 此外,本文还对臭氧在气态和水溶液中的自分解规律以及金属氧化物对气态臭氧的催化分解机理分别进行了初步的探讨。
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