Khử ozone dư bằng chất xúc tác

Trong phản ứng hóa học, xúc tác là các chất có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không tham gia vào sản phẩm của phản ứng tức là chất xúc tác không mất đi trong quá trình phản ứng.

Xem trường hợp phản ứng biến chất A thành chất P (tương tự trường hợp O₃--> O₂).

Khi không có xúc tác, có phản ứng A --> P. Tốc độ phản ứng
dA/dt =-k[A] (Trường hợp bậc phản ứng bằng 1, tốc độ phản ứng phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ A).

Khi có chất thứ ba (xúc tác), phản ứng gồm chất A và xúc tác C, sản phẩm là P và C, sơ đồ phản ứng A+C-->P+C, tốc độ phản ứng (phản ứng bậc 1):

dA_C/dt =-k[A] - k₁ [A].[C]

trong đó số hạng đầu và số hạng hai là tốc độ phản ứng không xúc tác và phản ứng có xúc tác, trong đó k₁>>k; bỏ qua số hạng đầu vì k nhỏ, khi đó có thể viết: dA_C/dt=-k₁ [A].[C] (tốc độ phản ứng nhanh hơn vì k₁ lớn) (theo Mark Tuckerman và Dr. Gary Kaiser).

Sự phân hủy ozone khi có xúc tác có thể viết dưới các sơ đồ sau:

Trong đó: X là chất thứ ba, là chất xúc tác.

Phân hủy ozone trong không khí có xúc tác: X là chất xúc tác OH, NO hay Cl. Phản ứng bên trái: O₃+O -->2O₂. Phản ứng bên phải: 2O₃-->3O₂. Chất xúc tác X tham gia phản ứng thành phần, nhưng trong phản ứng tổng thể, X không phản ứng với oxy. Trong phản ứng O₃-->O₂, năng lượng kích thích phản ứng E nhỏ hơn khi có xúc tác (hình 4.18).

2O₃ + E-->3O₂ ; 2O₃ + X+ E₁ --> 3O₂ + X. Trong đó E >E₁ (năng lượng kích thích phản ứng) (Crutzen & Smalcel, 1983).

Trong không khí, ozone có thể bị phân hủy thành oxy khi gặp các chất xúc tác như: hơi nước, các ion OH, NO hay Cl (Crutzen & Smalcel, 1983). (Trên tầng bình lưu ozone bị phân hủy nhanh khi gặp các hợp chất do sự phân hủy clo có nguồn gốc từ sản xuất công nghiệp trên
mặt đất).

Ozone bị phân hủy bới các xúc tác bề mặt là các kim loại và oxit. Độ mạnh xúc tác theo thứ tự:

Cu < Cu₂O <Ag; CuO; < Ag₂O <Ni; AgO; < Ni₂O₃; Fe < Fe₂O₃; < Au < Au₂O₃; Pt < colloid Pt; MnO₂ < Pt/ γ‐Al₂O₃

So sánh hai loại xúc tác MnO₂ và Pt / γ-Al₂O₃ (còn gọi là: Dash‐220): hiệu quả khử ozone đều cao ~99% (tại~ 60 ^oC). Tuy nhiên Dash‐220 được coi có hiệu quả cao hơn (C.Y. Chang, W.T. Tsai,L. Cheng, C.Y. Chiu, W.H. Huang, Y.H. Yu; Catalytic decomposition of ozone in air). Hỗn hợp CuO/MnO₂ cũng được nghiên cứu kỹ trong phản ứng phân hủy ozone (Jingjing Peia, Yi Lua, Xiaotong Yina).

Các chất xúc tác để phân hủy ozone thường dùng kết hợp với nhau và kết hợp với tác nhân nhiệt độ.

Mặc dù năng lượng chứa trong phân tử O₃ lớn hơn so với O₂, nhưng để phân hủy O₃ --> O₂ cần một năng lượng kích thích ban đầu. Năng lượng kích thích phản ứng giảm khi có xúc tác: E₁ < E.