Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az ózon kémiája. Az ózon bomlása és tárolása Általában az előállítás helyén használják fel. Termikus (lassú) bomlás mellett könnyen beindulhat a robbanásszerű.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Az ózon kémiája. Az ózon bomlása és tárolása Általában az előállítás helyén használják fel. Termikus (lassú) bomlás mellett könnyen beindulhat a robbanásszerű."— Előadás másolata:

1 Az ózon kémiája

2 Az ózon bomlása és tárolása Általában az előállítás helyén használják fel. Termikus (lassú) bomlás mellett könnyen beindulhat a robbanásszerű bomlása is, ezért óvatosan kell vele bánni és körültekintően tárolni. A termikus (spontán) bomlás exoterm  hőfejlődét eredményez, ami további bomláshoz vezet  robbanás Termikus bomlásának sebessége elsősorban a hőmérséklettől függ, de katalitikus hatások (sőt az edény fala is!) erősen felgyorsíthatják. Falhatás: M + O 3  M + O 2 + O O + O 3  2 O 2 93 kcal Nagy felület estén az inaktív anyagok is felgyorsíthatják a bomlást. d[O 3 ]/dt = 2,04×10 20 ×e /RT [O 3 ] 2 d[O 3 ]/dt = 5,89×10 13 / [O 2 ]×T 1/2 ×e /RT [O 3 ] 2

3 Szennyeződésmentes, inert edényben az ózon felezési ideje h. Hőmérséklet hatása: szárazjég hőmérsékletén (-78 °C) az ózon bomlása elhanyagolható (felezési idő: 3000 h). Hirtelen nyomásváltozás (ütés), vagy bizonyos hullámhosszúságú fénnyel történő megvilágítás hatására az ózon robbanásszerűen bomlik. Az ózon bimolekuláris bomlása: O 3 + O 3  3O 2 E = 69 kcal/mol E akt = kcal/mold(ln k) = E akt /R×d(1/T) O 2 + O 3  2 O 2 + O (M=O 2 ) O  2 + O 3  2 O 2 + O O  2 + M  2 O 2 + O Az ózon bomlása és tárolása

4 Fény hatására a detonáció 30tf% ózon koncentráció felett indul meg. Nagy nyomáson, réz edényben 15tf% ózon koncentrációnál is beindul a bomlás. Schumacher: az ózon gáz fázisú robbanását tanulmányozta 11 cm átmérőjű gömb, izzó platinaszál gyújtó Iniciáló hatásra beinduló robbanás: 9 mol % A robbanás az edény teljes térfogatában beindul: mol % A robbanás lökéshullámainak sebessége közel háromszorosa a hangsebességnek. Cook: az ózon folyadékfázisú robbanását tanulmányozta Ózon-oxigén elegy –183 °C Elektródok: szikra Alsó robbanási határ 20 mol % 40 mol % felett már heves robbanás Az ózon bomlása és tárolása

5 Az ózon előállítása Az ózon természetes előfordulása és képződése A: Fotolízis Helyileg: sztratoszférában keletkezik (15-50 km) Oxigén fotolízise O 2 + h  2  O   242,5 nm  O  + O 2 + M  O 3 + M Ózon fotolízise O 3 + h  O 2 +  O  *  308 nm O 3 + h  O 2 +  O  > 308 nm O 3 + O 2  2 O 2 +  O  O 3 + O 3  3 O 2 Dinamikus egyensúly alakul ki, melyben a légköri vízgőzből keletkező aktív hidrogénvegyületek is részt vesznek.

6 Az ózon előállítása Az ózon „természetes” előfordulása és képződése Los Angeles szmog NO 2 + h  NO +  O   O  + O 2 + M  O 3 + M NO 2 jelenlétében leginkább a telítetlen szénhidrogének, aldehidek, alkoholok segítik az ózonképződést. Biacetil h

7 Az ózon előállítása Az ózon előállításának elvi lehetőségei Minden esetben atomos oxigén, vagy oxigéntartalmú szabad gyökök, esetleg gerjesztett állapotú oxigén jelenléte szükséges az ózon előállításához. Az ózon előállítása atomos oxigén gyök intermerdieren keresztül megy végbe, amely reagál az oxigén molekulával. A molekuláris oxigénből kiindulva, az O( 3 P) gyök képződése 493,3 kJ/mol energiát igényel az O( 1 D) pedig 682,8 kJ/mol.  O  + O 2 + M  O 3 + M exoterm reakció egyensúlyi állandója alacsony hőmérsékleten nagy 3 O 2  2 O 3 Endoterm reakció egyensúlya a hőmérséklet növekedésével az ózonképződés felé tolódik el, de az egyensúlyi állandó értéke még több ezer fokon is nagyon kicsi.

8 1840-ben Schöbein fedezte fel és elektrolízissel állította elő ben, von Siemens fejlesztette ki az elsõ ipari ózon generátort, amely korona kisülés elvén mûködött nm-es UV fény hatására oxigénből 1900 Lenard nm-es UV fény hatására oxigénből Az ózon előállítása Termikus módszer Termikus disszociációval állítunk elő oxigén atomokat, majd a reakciót befagyasztjuk.  O  + O 2 + M  O 3 + M + 25 kcal/molhőm. függése gyenge  O  +  O  + M  O 2 + M +118,2 kcal/molerősen függ a hőmérséklettől Hőmérséklet csökkentésével a képződött ózon stabilizálható.

9 Az ózon előállítása Termikus módszer He plazmaáram – folyékony oxigén Cseppfolyós oxigénbe vagy levegőbe hidrogén-, acetilén-, vagy szénhidrogén- lángot merítünk. Gyakorlatilag nem nagyon hasznosítható: nagy energia felhasználás mellett, max 2% ózon koncentráció állítható elő

10 Az ózon előállítása Fotokémiai módszer Megfelelő fényforrás kell, amely képes az O 2 molekulában lévő kettős kötés felbontásához:  240 nm Az esetek többségében itt is egyensúly áll be az ózon fotokémiai keletkezése és bomlása között.Fényforrások: intenzitása 10-szer nagyobb 254 nm-en (O 3 fotolízis), mint 185 nm-en (O 3 képződés). Kisnyomású higanygőz lámpa 254 és 185 nm-en sugároz csak kis kapacitású termelés esetén jön számításba

11 - higanyatomok közvetlen ionizációja:Hg + e -  Hg e - - töltőgáz (argon) gerjesztése:Ar + e -  Ar* +e - - higanyatomok közvetett ionizációja:Hg + Ar*  Hg + + Ar + e - - higanyionok semlegesítődése: Hg + + e -  Hg - fénykibocsátással járó lépések: Hg** (gerjesztett állapot)  Hg (alapállapot) Hg** (gerjesztett állapot)  Hg* (alacsonyabb energiájú gerjesztett állapot) Kisnyomású higanygőz lámpa A kisnyomású higanygőzlámpában a higany részleges nyomása kb. 1 Pa, ami a folyékony higany 40 °C-on mért gőznyomásának felel meg. A töltőgáz mintegy szoros feleslegben van jelen. Az elektromos kisülésben lejátszódó fontosabb folyamatok a következők Az ózon előállítása

12 UV lámpa: a lámpatest közönséges kvarcból készült, ami nem engedi át a 185 nm-es fényt UV/VUV lámpa: a lámpatest SUPRASIL kvarcból készült, ami átengedi a 185 nm-es fényt Relatív intenzitások: 254 nm: nm: 8 Hullámhosszúság (nm) Relatív intenzitás 184,98 248,20,01 253, ,70,2 312,6-313,20,6 365,0-366,30,54 405,5-407,80,04 A kisnyomású higanygőzlámpa emissziós spektruma Az ózon előállítása

13 Az ózon abszorpciós együtthatója különböző hullámhossz tartományokban

14 Az ózon potenciális energia diagrammja

15 A tartózkodási idő növelésével az ózon koncentrációja egy telítési értékhez tart. Oxigén átáramoltatása során keletkezett ózon koncentrációja közel három- négyszerese a levegőben keletkezett ózon koncentrációjának. A labor levegőjének besugárzása során szignifikánsan kisebb a keletkezett ózon koncentrációja, mint szintetikus levegő esetében. Az ózon előállítása

16 Víz hatása az ózon fotokémiai keletkezésére:  O  + H 2 O  2  OH O 3 + H 2 O  2  OH +O 2 O 3 +  OH  O 2 + HO 2  Száraz és nedves gázban keletkezett ózon koncentrációjának különbsége a víz koncentrációjának függvényében A száraz és nedves gázáramban keletkezett ózon koncentrációjának különbsége egy telítési értékhez tart a páratartalom növekedésével. A kapott pontpárokra illesztett egyenesek meredekségének aránya megegyezik a használt gázok oxigén koncentrációjának arányával.

17 Az ózon előállítása Excimer (exited dimer) UV sugárforrások: monokromatikus fény előállítására alkalmasak ( nm), „cold lamp”, hosszú élettartam, kicsi a fényintenzitás ingadozása power supply Pt wire  internal electrode Xe gas  ~ Xe e- Xe*(()) e- h 172 nm Xe Xe* (()) + excited dimer Xe (()) +

18 Az ózon előállítása Excimer (exited dimer) UV sugárforrások Különböző nemesgáz, valamint nemesgáz és halogén keveréket tartalmazó excimer lámpák által kibocsátott fény hullámhosszúsága Az excimer lámpák napjainkban elsősorban laboratóriumi eszközök, de előnyös tulajdonságaik miatt a közeljövőben várhatóan a tudomány számos területén elterjednek. Az ózon előállítása szempontjából a kisnyomású Hg gőz lámpa használata esetén a hatékonyságnak határt szab a 254 nm fény jelenléte, hasonló tényezővel az excimer lámpák esetén nem kell számolni.

19  H 2 O 2 katalitikus bomlása (H 2 O 2  H 2 O + O)  Fluorgáz vízzel való reakciójával: O°C közelében 14% O 3 tartalmú elegy kapható! 2 H 2 O + F 2  H 2 O HF H 2 O + F 2  O + 2 HF Az ózon előállítása Kémiai módszerek  Sárga foszfor oxidációja (nedves levegőn 6-38 °C)  Instabil kén-oxidok bomlása S 2 O 7, S 3 O 11  Kristályos perjódsavak (H 2 IO 4, H 5 IO 6 ) bomlása  Klorátok, bromátok, jodátok és fém-oxid vagy fém-peroxid keverékének hevítése  peroxidok bontása savval (ált. H 2 O 2 képződik  H 2 O + O)  Na 2 SO 4, Na 2 HSO 4, K 2 SO 4, (NH 4 ) 2 HSO 4 vizes oldatából fluor bevezetésével  H 2 -O 2 1:9 arányú elegyéből °C után hirtelen lehűtéssel Ezek a módszerek csak laboratóriumi előállításra alkalmazhatók.

20 Alapreakciók savas oldatban: Az ózon előállítása Elektrolitikus ózongenerálás H 2 O = OH - + e - + H + E = 2,85 O 2 + H 2 O = O 3(aq) + 2 e H + E = 2,07 2 H 2 O = H 2 O e H + E = 1,77 3 H 2 O = O 3(aq) + 6 e H + E = 1,51 Cl - + H 2 O = HOCl + 2 e - + H + E = 1,49 2 H 2 O = O e H + E = 1,23 2 H e - = H 2 E = 0

21 ·kisfeszültségű egyenáram alkalmazása ·nincs szükség betáplálógáz előállítására ·kicsiny méretű berendezés ·lehetséges tiszta ózon előállítása nagy koncentrációban (10% felett) ·az előállítás vízben történik, tehát nincs szükség ózon - víz kontaktorra. Elektrolitikus ózongenerálás Elektrolitikus ózongenerálás előnyei: Elektrolitikus ózongenerálás Elektrolitikus ózongenerálás hátrányai: · az elektródok korróziója és eróziója · termikus túlterhelés a nagy áramsűrűség és az anódos túlfeszültség miatt · speciális elektrolitokra vagy kicsiny vezetőképességű vízre van szükség · helyszinen történő generálás esetén bevonatok képződnek az elektródon, és szabad klór keletkezik ha klorid-ion van jelen az elektrolitban. Az ózon előállítása

22 Radiokémiai generálás ,  és neutronforrások (magfúziós termékek) ill. 137 Cs, 60 Co és 90 Sr izotópok alkalmazásával, cseppfolyós oxigénben. Az ózon előállítása Probléma: a hasadási termékek eltávolítása Hatásfoka jobb (5-8%), mint az elterjedt, elektromos kisülésen alapuló módszereké (2-3%)

23 Ózon generálása elektromos kisüléssel Az ózon előállítása Az elektromos kisülés bármely típusánál érvényesülnek termikus-, fotokémiai- és elektronhatások. Az elektródok közti térben lévő gázban az elektronok, ionok felgyorsulnak, rugalmatlan ütközés során további ionokat, elektronokat hoznak létre. Kellő mennyiségű töltés felhalmozódása következtében létrejön a kisülés: a gáz vezetővé válik, áram folyik az elektródok között. Az áramsűrűség növekedésével megkülönböztetünk:  világító csendes kisülés  koronakisülés: gázionok nemcsak molekulákkal, már egymással is ütköznek sugárzás kibocsátás mellett (közvetlenül az elektród mellett)  szikrakisülés: az egész elektródköz ionizáló, végül vezető lesz  ívkisülés: nagy áramerősségű, folytonos kisülés, magas hőm., az áramot szinte teljes mérékben elektronok vezetik  sötét kisülés: kis elektronsebesség

24 A kisülési típusok létrejötte az alábbi paraméterek függvénye: Az ózon előállítása  Az alkalmazott feszültség fajtája  Feszültség nagysága  Feszültség frekvenciája  Elektródok távolsága  Elektródok kialakítása, anyaga  Elektródközben lévő gáz/gázkeverék anyagi minősége  Gáz állapota (hőmérséklet, nyomás) Az ózon generálására a nagyfeszültségű csendes elektromos kisülés a legalkalmasabb, ebben az esetben a leghidegebb a kisülési tér.

25 Berendezés = henger- vagy lemezkondenzátor Nagyfeszültségű (6-15 kV) váltakozó áramot kapcsolunk a kondenzátor fegyverzeteire. Az elektródok közötti térben lévő gáz ionizálódik és amikor kellő mennyiségű töltés halmozódik fel létrejön a kisülés. Az ózon előállítása

26 r e és r i a külső és belső koncentrikus elektród sugara d az elektródok közötti távolság L az elektród hossza e o abszolút dielektromos állandó (8,854 x f/m) e r relatív dielektromos állandó (6 üvegre és 1 levegőre vagy oxigénre) C kapacitás, C = Q/U Az ózon előállítása A kondenzátor kapacitása U1U1 t Uá0Uá0

27 Az ózon előállítása Az ózonképződés mechanizmusa csendes elektromos kisülésben A gázkisülésben az ózont oxigén atomokból állítjuk elő, amelyek Oxigén molekulák disszociációja során jönnek létre az elektronokkal (5,1 eV) való rugalmatlan ütközés következtében. Mellékfolyamatok E e- <5,1 eV e - + O 2   O  + O - + e - e - + O 2  O e - O O 2  O 3 + O 2 - e - + O 2 + M  O M e O 2  O 3 + O - O 3 + O -  2 O 2 + O 2 - e - + O 3  O 2 + O - Fő képződési és bomlási folyamatok E e- >5,1 eV e - + O 2  2  O  + e -  O  + O 2 + M  O 3 + M  O  + O 3  2 O 2 e - + O 3  O 2 +  O  + e -

28 Az ózon előállítása Az ózonképződés mechanizmusa glimm kisülésben A pozitív ionok hatása jelentős, semleges atomoknak és gerjesztett molekuláknak nincs szerepük O O 2  (2 O 3 ) + Gázfázisban: (2 O 3 ) + + O 2 -  2 O 3 + O 2 Falon:2 O 3 + e -  2 O 3 Ezen kívülO O 2  ( O 4 ) + O O 2 -  2 O 3 Katód közelében: O 2  O + + O - O + + O 2  O 3 + O - + O 2  O 3 - O O 3 -  2 O 3 O O -  2 O 2 O O +  2 O 2 Thorp: cseppfolyós nitrogénnel hűtve a készüléket az ózon kondenzálódik, lecsorog a gyűjtőbe, innen lassan elpárologtatható. (50%)

29 Az ózon előállítása Körülmények hatása az ózonképződésre előállított ózon (g/h) K e = technológiai folyamatok teljesítményszükséglete, kW Az energiahasznosítás változása a végtermék ózonkoncentrációjának függvényében Nitrogén koncentráció hatása 1: 10 kV, t= 7 min 2: 15 kV, t= 5 min 3: 15 kV, t= 34 min Ózonkoncentráció a nitrogén koncentráció függvényében

30 Az ózon előállítása Nitrogén koncentráció hatása K O2 = 174 g/kWh K lev = 74 g/kWh K lev(argon) = 130 g/kWh Optimális körülmények között maximum 3 - 5g salétromsav keletkezik /kilogram ózon, ha levegőt használunk az ózon előállításához.

31 Az ózon előállítása Hígítógázok és szennyeződések hatása Hígítógáz: vagy már eleve benne volt a gázban, vagy a robbanásveszély miatt tették bele.

32 Az ózon előállítása H 2 O hatása Ha több nedvesség van jelen, nagyobb mennyiségű nitrogén oxid keletkezik. Hidroxil gyökök is keletkeznek, amelyek az oxigén gyökökkel és az ózonnal is reagálnak. Mindkét reakció csökkenti az ózontermelés hatékonyságát.

33 Szerves szennyezők hatása 1 százaléknál nagyobb szénhidrogéntartalom esetén gyakorlatilag nem képződik ózon. Fontos a gáz tisztasága, szárazsága, nyomása, hőmérséklete és a tartózkodási ideje. Optimális elrendezéssel (O 2 -ből, stb) %-os áramkihasználás érhető el. Az ózon előállítása Az előállítási módszerek energiahasznosításának összehasonlítása módszerenergiaigényenergia hasznosítás elektromos kisülés100 g/kWh8% fotokémiai16-27 g/kWh1,8% elektrolízis12,5-25 g/kWh1-2% radiokémiai g/kWh8-12%

34 Az ózon előállítása Az ózon dúsítása Parciális kondenzáció Az ózon az oxigénben korlátlanul oldódik, folyadék fázisban. Megfelelő nyomáson hűtés hatására az ózon kondenzálódik, ezt elvezetik. Abszorpciós módszerek Általában a kemonukleáris előállítás esetén alkalmazzák. Freon-11, freon-12 az abszorbens Adszorpciós módszerek Szerves vagy oxidálható adszorbens kizárva!! Szilikagél adszorbens. Levegővel deszorbeáltatják az ózont.


Letölteni ppt "Az ózon kémiája. Az ózon bomlása és tárolása Általában az előállítás helyén használják fel. Termikus (lassú) bomlás mellett könnyen beindulhat a robbanásszerű."

Hasonló előadás


Google Hirdetések