Quan una barra de calor de titani de grau 7 s'exposa a una solució de peròxid d'hidrogen al 0,2% a 60 graus, com canvia la taxa de descomposició catalítica de H₂O₂ a mesura que la superfície de pal·ladi es cobreix amb bombolles d'oxigen?

L'aliatge de titani de grau 7 conté un 0,12-0,25% de pal·ladi, que és un bon catalitzador per a la descomposició de peròxid d'hidrogen: 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 . La velocitat inicial de descomposició a 60 graus és alta, de manera que es produeixen bombolles d'oxigen i s'adhereixen a la superfície de pal·ladi. Les bombolles es desenvolupen i obstrueixen els llocs enzimàtics actius, donant lloc a una disminució del 50-80% de la taxa de descomposició en 24 hores. La passivació de la superfície de pal·ladi per bombolles d'oxigen és reversible després de la neteja. Aquest fenomen és rellevant en situacions en què es vol retenir peròxid d'hidrogen o on l'evolució d'oxigen pot provocar problemes de procés.

Mecanisme de descomposició i passivació de la bombolla catalitzada-pal·ladi

La descomposició del peròxid d'hidrogen és catalitzada per un procés radical a les superfícies de pal·ladi. La reacció produeix oxigen gasós, que es nuclea a la superfície per formar bombolles. Primer, les petites bombolles es desprenen fàcilment. La sobresaturació d'oxigen augmenta a mesura que avança el procés i les bombolles es fan més grans i s'adhereixen amb més força. Les bombolles enganxades dificulten l'accés de H$_2$O$_2$ a la superfície de Pd i alenteixen la velocitat de reacció. L'àrea coberta per la bombolla augmenta amb el temps segons una isoterma d'adsorció de Langmuir. La cobertura màxima és del 80-90% de la superfície.

Velocitat quantitativa de descomposició en funció del temps

Les proves controlades en 0,2% H₂O₂ a 60 graus en titani de grau 7 han mostrat les següents taxes d'evolució d'oxigen amb el temps. La velocitat d'evolució d'O2 és de 2-5 ml per cm2 per hora i l'activitat catalítica relativa és del 100% a 0,5 hores. A les 2 hores, la velocitat disminueix a 1,5–3 ml/cm2·h i l'activitat és del 70%. Després de 6 h la velocitat és d'1-2 mL/cm2.h i l'activitat és del 50%. Activitat 30% i taxa de 0,5 a 1,5 mL/cm^2·h a les 12 h. Activitat 20% 0,3-1 mL/cm2h a les 24 h 0,2-0,8 mL/cm2 h a les 48 h. L'activitat és del 15%. Després de 100 h, la velocitat baixa de 0,1 a 0,5 ml/cm²·h i l'activitat al 10%

Efecte de la concentració i la temperatura d'H2O2 en la desactivació.

La velocitat de desactivació està influenciada pel contingut d'H2O2 i la temperatura. La taxa inicial al 0,1% de H 2 O 2 i 60 graus és d'1-3 mL/cm 2 ·h, la velocitat després de 24 hores és de 0,2-0,6 mL/cm 2 ·h i el factor de desactivació és de 5. La velocitat inicial és de 2-5 mL/cm2·h al 0,2% d'H2O4-ho i la taxa és de 62% H2O4-ho. 0,3-1 mL/cm2·h i el factor de desactivació és 5. La velocitat inicial al 0,5% H₂O₂ i 60 graus és de 5-10 mL/cm²·h, la velocitat després de 24 h és de 0,8-2 mL/cm²·h i el factor és 5. La velocitat inicial és 1-2,2 cm²·h, 0,8-2 mL/cm²·h. mL/cm2 ·h i el factor és 5 al 0,2% H2O2 i 40 graus. La velocitat inicial al 0,2% H2O2 i 80 graus és de 5–10 mL/cm2·h, la velocitat de 24 h és d'1–2 mL/cm2·h i el factor és 5. El valor de 5× desactivació constant implica que la cobertura de bombolles és el mecanisme principal.

Directrius per a l'activitat catalítica de les solucions d'H₂O₂

A la taula 1 es resumeixen les recomanacions per a la gestió dels escalfadors de titani de grau 7 en solucions de peròxid d'hidrogen basades en l'estabilitat desitjada d'H 2 O 2.

H2O2 Estabilitat requerida Acció recomanada Activitat catalítica teòrica després de 24 h. Notes
Alt (descomposició més baixa) Utilitzeu grau 2 (sense Pd) 0% (sense Pd catalitzador)- Sense descomposició catalítica
Moderat (algun desglossament està bé) Grau 7: permet la desactivació natural del 20%, tret de la majoria d'usos
De vegades activitat alta. Superfície de l'escalfador - Netejar o esbandir. Restaura al màxim Necessita accés a l'escalfador
Alta activitat contínuament Afegiu estabilitzador d'àcid fosfòric (0,1%) 50% (inhibit) Redueix la descomposició en un 50%
Escalfador recobert de PTFE-d'alta estabilitat 0% Sense metall en contacte amb H2O2 més enllà de l'enginyeria de desactivació catalítica

Choosing the right grade of titanium is important. Grade 2 contains no palladium and is not a catalyst for H 2 O 2 breakdown . It is the recommended choice when H 2 O 2 stability is desired. H2O2 applications should not use Grade 7 unless catalytic activity is desired (e.g. for H2O2 destruction). The total breakdown rate is influenced by the surface area of the heater, with larger heaters generating more oxygen bubbles. Decomposition is pH-dependent; stability of H2O2 is enhanced at acidic pH 3–5 and accelerated at alkaline pH >8. L'addició d'àcid fosfòric al 0,1% o estannat de sodi disminueix la degradació catalítica en un 50%. La neteja mecànica o la neteja per ultrasons restauraran l'activitat catalítica del grau 7.

Creació d'especificacions informades

Ús de titani de grau 2 en lloc de grau 7 per a una solució de peròxid d'hidrogen al 0,2% a 60 graus on es desitgi l'estabilitat de l'H2O2. Si s'instal·la el grau 7 i hi ha un problema amb la descomposició, afegiu un 0,1% d'àcid fosfòric com a estabilitzador o utilitzeu el grau 2 en lloc de l'escalfador. Es dóna preferència al grau 7 per a situacions en què es desitgi la descomposició de l'H 2 O 2 (per exemple, tractament de residus). Quan es requereixi una activitat catalítica elevada a intervals, demaneu un escalfador de grau 7 amb dispositiu de neteja per eliminar les bombolles d'oxigen. L'enginyer sap com les bombolles d'oxigen destrueixen el catalitzador de pal·ladi i tria el grau de titani adequat per al servei d'H2O2.