Estudio cinético de la descomposición catalizada de peróxido de hidrógeno sobre carbón activado

Abstract

Recebido em 23/5/08; aceito em 7/11/08; publicado na web em 26/2/06 KINETIC STUDY OF THE CATALYZED DECOMPOSITION OF HYDROGEN PEROXIDE ON ACTIVATED CARBON. The kinetic study of decomposition of hydrogen peroxide catalyzed by activated carbon was carried out. The effect of concentrations of reactants and temperature were experimentally studied. Kinetic data were evaluated using differential method of initial rates of reaction. When a typical kinetic law for reactions in homogeneous phase is used, first order of reaction is obtained for hydrogen peroxide and activated carbon, and activation energy of 27 kJ mol-1 for the reaction was estimated. Experimentally was observed that surface of activated carbon is chemically modified during decomposition of hydrogen peroxide, based on this result a scheme of reaction was proposed and evaluated. Experimental data fits very well to a Langmuir-Hinshelwood kinetic model and activation energy of 40 kJ mol-1 was estimated for reaction in heterogeneous phase. Keywords: decomposition of hydrogen peroxide; initial rate of reaction; kinetic law of Langmuir-Hinshelwood. introducción La descomposición catalizada del peróxido de hidrógeno (DCPH), tanto en fase homogénea como heterogénea, es una reacción ampliamente estudiada debido a la alta reactividad de la molécula y al poder oxidante de los productos intermediarios de reacción. 1,2 La DCPH en la superficie de sólidos ocurre selectivamente en sitios activos básicos o reductores o en sitios donde estén involucrados iones de metales tales como, hierro, cerio, manganeso, cobre, co-balto, vanadio, etc., los cuales pueden estar en diferentes estados de oxidación y/o formando complejos. 3-6 La selectividad para la DCPH en la superficie de un sólido es de utilidad para evaluar y comparar la actividad catalítica de sólidos modificados. 3,4 Esta evaluación se realiza asumiendo que la cinética de la DCPH obedece a una ley de pseudo-primer orden, Ecuación 1, a partir de la cual se calcula y se compara la constante de velocidad observada (k obs) (1) donde [H 2 O 2 ] 0 es para la concentración inicial de peróxido de hi-drógeno. Lin y Gurol en 1998 estudiaron la DCPH catalizada por oxido de hierro, 7 y Huang et al. en 2003 estudiaron la descomposición catalizada por carbones activados modificados, 8 encontrando que la tendencia de los datos experimentales se ajustan a una ley ciné-tica de tipo Langmuir-Hinshelwood, como la que se muestra en la Ecuación 2, (2) donde k vel y k h se interpretan como la constante cinética de reacción y la de formación de reactivos a partir de intermediarios, respectivamente; CAT es la relación masa/volumen de carbón activado y [H 2 O 2 ] 0 es la concentración inicial de peróxido de hidrógeno. Sin embargo estos estudios no se realizaron de manera sistemática, esto es, se llevaron a cabo a una sola temperatura y una sola relación masa-volumen de catalizador y además se realizaron pocos experimentos en un pequeño intervalo de concentraciones iniciales de peróxido de hidrógeno (1,8x10-3 a 4,0x10-2 mol L-1). En los trabajos publicados hasta el momento a cerca del estudio cinético de la descomposición del peróxido de hidrógeno, no se ha encontrado un estudio sistemático del efecto de las concentraciones iniciales de reactivos en un intervalo amplio, ni del efecto de la tempe-ratura; lo cual se constituye en el objetivo principal de este trabajo. partE ExpErimEntal reactivos Peróxido de hidrógeno Panreac 30%. Carbón activado J.T. Baker (CAS No. 7440-44-0) de origen vegetal y lavado ácido, con área superficial de microporo determinada por el método de Dubinnin-Raduskevich de 1154 m 2 /g. Al carbón se le realizo la siguiente carac-terización: número de yodo de 1035, índice de azul de metileno de 21,35 y caracterización de los grupos funcionales por el método de Bohem, con el siguiente resultado: grupos carboxílicos 1,22x10-1 meq g-1 , lactonas 2,44x10-1 meq g-1 , fenoles 1,51x10-1 meq g-1 , carbonilos 1,24x10-2 meq g-1 y grupos básicos totales 1,12 meq g-1. metodología Las reacciones de DCPH se llevaron a cabo en una celda de vidrio con doble pared para control de temperatura. La reacción se siguió mediante medida barométrica con un sensor diferencial de presión (Motorola MPX 2010 de 10,0 kPa). Para calcular la cantidad de oxígeno molecular producido en función del tiempo los datos de presión se corrigieron para tener en cuenta la presión de vapor de agua, la solubilidad del oxígeno y la constante de Henry del gas en función de la temperatura. La mezcla de reacción se mantuvo siempre en 50 mL. La reac-ción de DPCH se inicia con la adición de la solución de peróxido de hidrógeno, a la misma temperatura a la que se encuentra la mezcla