ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ ИОНОВ МАРГАНЦА, ИНИЦИИРУЕМЫЕ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ, В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Аннотация
В статье анализируются результаты экспериментальных исследований кинетики окисления-восстановления ионов Mn7+(MnO4-) в водных растворах, инициируемых действием разряда постоянного тока атмосферного давления в воздухе. Раствор перманганата калия служил катодом разряда. Диапазон начальных концентраций раствора по ионам Mn7+ составлял (0,44-2,5) ммоль/л, а токов разряда (20-60) мА. Обнаружено, что действие разряда приводит к восстановлению ионов Mn7+ и обесцвечиванию раствора. Одновременно происходит образование частиц темного цвета размером от 100 нм до 20 мкм. Рентгеноструктурный анализ показал, что частицы являются аморфными, а энергодисперсионный рентгеновский анализ показал, что порошок есть оксид марганца (IV). Измерена кинетика восстановления-окисления ионов Mn7+. Предложено формально-кинетическое описание кинетических кривых. Показано, что полученные данные по кинетике восстановления ионов Mn7+ наилучшим образом (коэффициент детерминации R2 ≈ 0,99) могут быть описаны схемой X↔Y↔Z, где Х – исходное вещество, а Y и Z – продукты реакций. Обработкой кинетических кривых на основе этой схемы найдены эффективные константы скоростей соответствующих стадий. Обнаружено, что эффективные константы скоростей зависят от начальной концентрации раствора. При токе разряда 20 мА увеличение концентрации от 0,44 до 2,5 моль/л приводило к уменьшению константы скорости восстановления ионов Mn7+ от (2,48 ± 0,5)·10-2 до (7,2 ± 1,5)·10-3 с-1 соответственно. Обсуждаются возможные механизмы процессов. Предполагается, что основными частицами, участвующими в реакциях окисления восстановления ионов марганца, являются Н2О2, НО2, ОН и сольватированные электроны, которые образуются в растворе под действием разряда.
Для цитирования:
Шутов Д.А., Сунгурова А.В., Смирнова К.В., Манукян А.С., Рыбкин В.В. Окислительно-восстановительные процессы с участием ионов марганца, инициируемые тлеющим разрядом, в водном растворе. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 9-10. С. 23-29
Литература
Jiang B., Zheng J., Qiu S., Wu M., Zhang Q., Yan Z., Xue Q. Review on electrical discharge plasma technology for wastewater remediation. Chem. Eng. J. 2014. V. 236. P. 348-368.
Locke B.R., Mededovic Thagard S.M. Streamer-Like Electrical Discharges in Water: Part II. Environmental Applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2013. V. 33. N 1. P. 17-49.
Bobkova E.S., Grinevich V.I. Isakina A.A., Rybkin V.V. Decomposition of organic compounds in aqueous solutions under action of electrical discharges of atmospheric pressure. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. Т. 54. N 6. С. 3-17.
Choukourov A., Manukyan A.S., Shutov D.A., Rybkin V.V. Physico-chemical properties of dc current discharge plasma with liquid cathode. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2016. V. 59. N 12. P. 4-16.
Shutov D.A., Sungurova A.V., Choukourov A., Rybkin V.V. Kinetics and mechanism of Cr(VI) reduction in a water cathode induced by atmospheric pressure DC discharge in air. Plasma Chem. Plasma Process. 2016.V. 36. N 5. P. 1253-1269.
Ke Z., Huang Q., Zhang H., Yu Z. Reduction and removal of aqueous Cr(VI) by glow discharge plasma at the gas-solution interface. Environ. Sci. Technol. 2011. V. 45. N 18. P. 7841–7847.
Shutov D.A., Sungurova A.V., Smirnova K.V., Rybkin V.V. Kinetic features of chromium(VI) reduction and phenol degradation in aqueous solution by treatment in atmospheric pressure air direct-current discharge. High Energy Chemistry. 2018. V. 52. N 1. P. 95–98.
Rybkin V.V., Shutov D.A. Atmospheric-pressure electric discharge as an instrument of chemical activation of water solutions. Plasma Physics Reports. 2017. V.43. N 11. P. 1089–1113.
Tsaplev Yu.B., Vasil’ev R.F., Trofimov A.V. Role of chemiexcited particles in permanganate reduction by citric acid: investigation with spectrophotometric and chemiluminescence methods. High Energy Chemistry. 2014. V. 48. N 6. P. 371-375.
Bobkova E.S., Krasnov D.S., Sungurova A.V., Rybkin V.V., Choi H.-S. Phenol decomposition in water cathode of DC atmospheric pressure discharge in air. Korean J. Chem. Eng. 2016. V. 33. N 5. P. 1620-1628.
Anderson C.E.., Cha N.R., Lindsay A.D., Clark D.S., Graves D.B. The role of interfacial reactions in determining plasma–liquid chemistry. Plasma Chem. Plasma Process. 2016.V. 36. N 6. P. 1393-1415.
Locke B.R., Shih K.-Y. Review of the methods to form hydrogen peroxide in electrical discharge plasma with liquid water. Plasma Sources Sci. Technol. 2011. V. 20. N 3. P. 034006 (12 pp).
Bobkova E.S., Shikova T.G., Grinevich V.I., Rybkin V.V. Mechanism of hydrogen peroxide formation in electrolytic-cathode atmospheric-pressure direct-current discharge. High Energy Chemistry. 2012. V. 46. N 1. P. 56-59.
Simoyi R.H., Kepper P., Epstein I.R., Kustin K. Reaction between permanganate ion and hydrogen peroxide: kinetics and mechanism of the initial phase of the reaction. Inorganic Chemistry. 1986. V. 25. N. 4. P. 538-542.
Morrow J.I., Perlman S. A kinetic study of the permanganate-manganous ion reaction to form manganic ion in sulfuric acid media. Inorganic Chemistry. 1973. V. 12, N 10. P. 2453-2455.
Pick-Kaplan M., Rabani J. Pulse radiolytic studies of aqueous Mn(CIO4)2 solutions. J. Phys. Chem. 1976. V. 80. N 17. P. 1840-1843.
Bobkova E.S., Smirnov S.A., Zalipaeva Y.V., Rybkin V.V. Modeling chemical composition for an atmospheric pressure DC discharge in air with water cathode. Plasma Chem. Plasma Process. 2014. V. 34. N 4. P. 721-743.
Bobkova E.S., Smirnov S.A., Zalipaeva Y.V., Rybkin V.V. Chemical composition, physical properties and populating mechanism of some O(I) states for a DC discharge in oxygen with water cathode. Plasma Chem. Plasma Process. 2016. V. 36. N 2. P. 415-436.
Elliot A.J., McCracken D.R., Buxton G.V., Wood N.D. Estimation of rate constants for near-diffusion-controlled reactions in water at high temperatures. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1990. V. 86. P. 1539 – 1547.
Ebert M., Keene J.L., Swallow A.J., Baxendale J.H. Pulse Radiolysis. 1965. Academic Press, New York. P. 107-115.
