inetics of the process of oxidation of carbon monoxide on a zeolite-based manganese oxide catalyst

Authors

  • О.І. Іваненко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна Author
  • А.І. Трипольський Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України, Київ, Україна Author
  • М.Д. Гомеля Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна Author
  • В.М. Радовенчик Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна Author
  • Т.А. Оверченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна Author

DOI:

https://doi.org/10.33271/crpnmu/62.126

Keywords:

carbon monoxide, catalyst, oxidation, manganese dioxide, zeolite, clinoptilolite, kinetics

Abstract

Purpose. Investigation of the kinetics of the process of catalytic oxidation of carbon monoxide with atmospheric oxygen and determination of its limiting stage. The methods. An experimental study of the oxidation reaction of carbon monoxide using metal oxide catalysts with molecular oxygen was carried out in a created flow-through unit at atmospheric pressure. The catalytic activity of the samples in the oxidation of carbon monoxide was characterized by the conversion of CO to CO2 and the specific rate of the reaction. Findings. It was found that when carbon monoxide is oxidized by molecular oxygen at atmospheric pressure in the temperature range 200-500 °C, the kinetics of the oxidation process is described by a first-order equation, and the reaction on a manganese oxide catalyst proceeds in an intra-diffusion mode. The kinetic parameters of the process, the effective and true rate constants, activation energies and overexposure factor have been calculated, which can be used for further calculation of the catalytic reactor. It was shown that the transport of carbon monoxide molecules inside the catalyst granules proceeds in the Knudsen mode, and the reaction is not limited by the diffusion of carbon monoxide from the gas flow to the outer surface of the catalyst. The originality. It consists in obtaining a kinetic description of the catalytic oxidation of carbon monoxide with atmospheric oxygen on a manganese oxide catalyst based on zeolite. Practical implication. Calculated kinetic parameters of the specified process make it possible to calculate the catalytic reactor for oxidation of CO. The above technical solution will create conditions for the transfer of the obtained technology to environmentally hazardous critical infrastructure facilities, for example, metallurgical enterprises.

References

Петров, А. Ю., & Синицин, С. А. (2014). Каталитическая детоксикация дымовых газов в нефтеперерабатывающей промышленности. Технология нефти и газа, 2(91), 18–23

Karvatskii, A., Lazariev, T., Leleka, S., Mikulionok, I., & Ivanenko, O. (2020). Determination of parameters of the carbon-containing materials gasification processin the rotary kiln cooler drum . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies , 4/8(106), 65–76. http://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210767

Лелека, С. В., Панов, Є. М., Карвацький, А. Я., Васильченко, Г. М., Мікульонок, І. О., Борщик, С. О., & Вагін, А. В. (2020). Розробка енергоефективних та екологічно безпечних футерівок і теплоізоляції печей електродного виробництва. Энерготехнологии и ресурсосбережение , (3), 21–34. https://doi.org/10.33070/etars.3.2020.02

Курсов, С. В. (2015). Монооксид углерода: физиологическое значение и токсикология. Медицина неотложных состояний , 6(69), 9–16

Пармон, В. Н. (2000). Каталитические технологии будущего для возобновляемой и нетрадиционной енергетики. Химия в интересах устойчивого развития , 8(4), 555–565

Patel, D. M., Kodgire, P., & Dwivedi, A. H. (2020). Low temperature oxidation of carbon monoxide for heat recuperation: A green approach for energy production and a catalytic review. Journal of Cleaner Production , 245 , 118838. http://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118838

Nishihata, Y., Mizuki, J., Akao, T., Tanaka , H., Uenishi , M., Kimura , M., Okamoto , T., & Hamada , N. (2002). Self-regeneration of a Pd-perovskite catalyst for automotive emissions control. Nature . (418). 164–167. https://doi.org/10.1038/nature00893

Schubert, M. M., Hackenberg, S., Van Veen, A. C., Muhler, M., Plzak, V., &Behm, J. (2001). CO oxidation over supported gold catalysts – “Inert” and “active” support materials and their role for the oxygen supply during reaction. Journal of Catalysis , (1). 113–122. https://doi.org/10.1006/jcat.2000.3069

Panov, Ye., Gomelia, N., Ivanenko, O., Vahin, A., &Leleka, S. (2019). Estimation of the еffect of temperature, the concentration of oxygen and catalysts on the oxidation of the thermoanthracite carbon material. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies , 2/6(98),43–50. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.162474

Choi, K.-H., Lee, D.-H., Kim, H.-S., Yoon, Y.-C., Park, C.-S., &Kim, Y. H. (2016). Reaction Characteristics of Precious-Metal-Free Ternary Mn–Cu–M (M=Ce, Co, Cr, and Fe) Oxide Catalysts for Low-Temperature CO Oxidation. Industrial & Engineering Chemistry Research , 55(16), 4443–4450. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b04985

Rakitskaya, T. L., Kiose, T. A., Vasylechko, V. O., Volkova, V. Ya.,& Gryshchouk, G. V. (2011). Adsorption-desorption properties of clinoptilolites and the catalytic activity of surface Cu(II)–Pd(II) complexes in the reaction of carbon monoxide oxidation with oxygen. Chemistry of metals and alloys , 4(3–4), 213–218. https://doi.org/10.30970/cma4.0186

Korablev, V. V, Chechevichkin, A. V, Boricheva, I. K., & Samonin, V. V. (2017). Structure and morphological properties of clinoptilolite modified by manganese dioxide. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics , 3 (1), 63–70. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.spjpm.2017.03.001

Борщ, В. Н., Пугачева, Е. В., &Жук, С. Я.(2008).Многокомпонентные металлические катализаторы глубокого окисления СО и углеводородов. Доклады Академии Наук , 419 (6), 775–777

Golodet͡s, G. I. (1983). Heterogeneous catalytic reactions involving molecular oxygen. https://doi.org/10.1002/bbpc.19840880523

Крылов, О. В. (1976). Катализ неметаллами .Химия

Zaki,M. I.,Hasan,M. A.,Pasupulety,L.,&Kumari,K.(1997). Thermochemistry of manganese oxides in reactive gas atmospheres: Probing redox compositions in the decomposition course MnO 2 →MnO. Thermochimica Acta ,(2), 171–181. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(97)00258-X

Han,Y. F.,Chen,F.,Zhong,Z.,Ramesh,K.,Chen,L.,&Widjaja,E.(2006). Controlled Synthesis, Characterization, and Catalytic Properties of Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 Nanoparticles Supported on Mesoporous Silica SBA-15. Journal of Physical Chemistry B , 110 (48), 24450-24456. https://doi.org/10.1021/jp064941v

Iablokov, V., Frey, K., Geszti, O.,& Kruse, N. (2010). High Catalytic Activity in CO Oxidation over MnO x Nanocrystals. Catalysis Letters , 134(3-4), 210-216. https://doi.org/10.1007/s10562-009-0244-0

Ramesh, K., Chen, L., Chen, F., Liu, Y., Wang, Z.,& Han, Y. (2008). Re-investigating the CO oxidation mechanism over unsupported MnO, Mn 2 O 3 and MnO 2 catalysts. Catalysis Today, 131(1-4), 477-482. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2007.10.061

Wang,L.-C.,Liu,Q.,Huang,X.-S.,Liu,Y.-M.,Cao,Y.,& Fan,K.-N.(2009).Gold nanoparticles supported on manganese oxides for low-temperature CO oxidation. Applied Catalysis B: Environmental , 88(1-2), 204-212. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.09.031

Stobbe, E. R., De Boer, B. A., &Geus, J. W. (1999). The reduction and oxidation behaviour of manganese oxides. Catalysis Today , 47(1-4), 161-167. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(98)00296-X

Боресков, Г. К. (1988). Гетерогенный катализ . Наука

Centi, G., Arena, G. E., & Perathoner, S. (2003). Nanostructured catalysts for NO x storage-reduction and N 2 O decomposition. Journal of Catalysis, (216), 443–454. https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00072-6

Wang K., &Zhong P. A. (2010). Kinetic study of Co oxidation over the perovskite-like oxide LaSrNiО 4 . Journal of the Serbian Chemical Society , (2),249–258. https://doi.org/10.2298/JSC1002249W

Савельев, И. В.(1970). Курс общей физики. Том 1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. Издание 4-е, переработанное . Издательство «Наука»

Мікульонок, І. О. (2014). Механічні, гідромеханічні і масообмінні процеси та обладнання хімічної технології . НТУУ «КПІ»

Published

2020-01-01

Issue

Section

Статті