В лаборатории физико-химических процессов в энергетике Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН во время изучения окисления расплавов свинца и висмута водокислородным флюидом впервые зафиксировали аномально высокую скорость окисления свинца при конкретных температурах и составах флюида. Исследователи также прояснили механизмы этого процесса.
Полученные данные важны для безопасной эксплуатации энергетических установок.
Исследование окисления свинца и висмута актуально из-за их применения в электронике, электротехнике и атомной энергетике в качестве теплоносителя. Химическая активность свинца по отношению к воде и кислороду при рабочих температурах и давлениях является проблемой его использования.
Образование оксидных примесей при взаимодействии воды и кислорода с теплоносителем ухудшает теплоотвод из активной зоны, сокращая срок работы установок.
В ходе выполнения государственного задания исследовано окисление расплавов свинца и висмута высокоплотным водокислородным флюидом при изменении температуры и мольного отношения H. 2O/O2Выявлена ненаблюдаемая связь скорости окисления свинца с температурой и составом флюида. Установлено, что при конкретных значениях температуры и молярного отношения H 2O/O2 Свинец окисляется без активации, формируя однородный пористый оксидный слой из полиэдрических кристаллов Pb. 3O4Предполагается, что повышенная скорость окисления свинца связана с реализацией эстафетного механизма перескока протонов. 2O/O2 Процесс окисления свинца ограничен внутренней диффузией и приводит к образованию плотного слоя окиси. Изменение режимов окисления зависит от скорости формирования зародышей оксида, которая возрастает при повышении температуры в области существования PbO. 2… и наличие слоя молекул водорода, прикрепленных к поверхности. 2O, истощающегося с ростом температуры. Молекулы H2Ускоряют окисление свинца, обеспечивая быстрый перенос заряда (в виде протонов и электронов) к активным центрам, – рассказывает руководитель работ, главный научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в энергетике ИТ СО РАН, доктор химических наук, профессор РАН Оксана Николаевна Федяева.
Одновременно повышение температуры ускоряет окисление расплавов висмута, которое происходит под влиянием внутренней диффузии. В составе образовавшихся при этом веществ присутствует Bi. 2O3 и Bi(OH)3 Различной кристаллической структуры и формы, обусловленной температурой синтеза. Молекулы H 2Продукты окисления выступают в качестве разрыхляющего агента при окислении висмута за счет образования гидроксидов. Отличия в кинетике и механизмах окисления свинца и висмута обусловлены различием их электронной структуры (возможностью перехода Pb). 4+ + 2ē « Pb2+…и структуру кристаллов получаемых оксидов (с высокой проводностью) PbO. 2 и его способностью образовывать гидратированные комплексы PbO2×xH2Необходимо особо отметить, что за теорию переноса электрона в химических системах Рудольф Маркус получил Нобелевскую премию в 1992 году. Нобелевской премии по химииНаличие режима окисления расплавленного свинца высокоплотным водородокислородным флюидом без активации, достигаемое путем образования гидратированных комплексов PbO. 2×xH2«О переносе протонов и электронов было впервые экспериментально доказано нашим научным коллективом», – отмечает Оксана Николаевна.
Результаты исследования обогащают понимание основных процессов окисления металлов и превращения их оксидов в водородосодержащем флюиде, а также могут быть полезны при конструировании и обеспечении безопасности работы энергоблоков, а также при определении устойчивости катализаторов на основе переходных металлов в этом же флюиде.
Статья «Влияние воды на окисление свинца и висмута высококонцентрированным кислородсодержащим раствором. Статья сотрудников Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Оксаны Николаевны Федяевой, Александра Павловича Гребенникова и Анатолия Алексеевича Вострикова опубликована в журнале The Journal of Supercritical Fluids.
Источник информации: ИТ СО РАН
Рисунок предоставлен исследователями – авторами статьи