Выявление фосгена в атмосфере

Фосген, также известный как карбонил-хлорид, представляет собой высокотоксичный газ, который используется в различных промышленных процессах. Хотя его использование запрещено во многих странах, в некоторых частях мира он все еще используется, и случайное воздействие фосгена может иметь серьезные и потенциально фатальные последствия. Фосген - бесцветный газ с резким запахом, похожим на запах свежескошенного сена. Он может легко реагировать с другими химическими веществами в окружающей среде с образованием других вредных веществ. Воздействие фосгена может происходить при вдыхании, проглатывании или контакте с кожей, а симптомы могут варьироваться в зависимости от количества и продолжительности воздействия. Обнаружение фосгена в атмосфере имеет решающее значение для защиты здоровья населения и окружающей среды [1-2].

Существует несколько методов определения наличия фосгена в воздухе, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Одним из наиболее распространенных методов обнаружения фосгена в атмосфере является использование колориметрических трубок. Другой метод обнаружения фосгена в атмосфере — газовая хроматография. Газовая хроматография разделяет различные компоненты пробы газа и измеряет их концентрации. Этот метод более чувствителен, чем колориметрические трубки, и может обнаруживать более низкие концентрации фосгена. В последние годы возрос интерес к использованию инфракрасной спектроскопии для обнаружения фосгена в атмосфере. Пропускается инфракрасный свет через образец газа и измеряется поглощение света. Фосген обладает уникальным инфракрасным спектром, который можно использовать для определения его присутствия в воздухе.

В настоящее время идет поиск новых способов и материалов для определения вредных выбросов в атмосферу. Был рассмотрен процесс адсорбции молекулы фосгена на монослой ППАН [3-6]. Исследовано два положения молекулы фосгена относительно монослоя полимера:

• 1)    атомом кислорода;

• 2)    атомами хлора (рис. 1).

  

  Рис. 1 Ориентация молекулы фосгена относительно монослояППАН

  
  

Процесс адсорбции моделировался пошаговым приближением молекулы фосгена к атомам поверхности слоя вдоль прямой, проведенной через выбранные атомы полимера и атомом углерода молекулы фосгена. Выполненные расчеты позволили построить профили поверхности потенциальной энергии процессов адсорбции. Анализ энергетических кривых установил, что молекула фосгена не адсорбируется на поверхности ППАН, что подтверждается отсутствием минимума на энергетических кривых.

Далее было проведено исследование на монослое пористого пиролизованного полиакрилонитрила, который моделировался молекулярным кластером с вакансионным дефектом. Молекула фосгена приближалась к центру поры атомом кислорода и атомами хлора. Механизм взаимодействия молекулы фосгена с пористым полимером моделировался поэтапным приближением молекулы к слою ППАН с шагом 0,1 Å. В результате этого была построена зависимость – значение энергии от расстояния (рис. 2).

Рис. 2. Энергия взаимодействия молекулы фосгена с пористым ППАН

Изучение данной зависимости и анализ геометрических параметров структуры позволили установить, что молекула фосгена адсорбируется на пористом полимере. Приближение фосгена атомом кислорода к центру поры приводит к тому, что атом кислорода встраивается в матрица поли- мера, образуя связи с атомами углерода. При ориентации молекулы атомами хлора также наблюдается образование химической связи между атомом углерода полимера и атомом хлора молекулы фосгена (рис. 3).

Рис. 3. Адсорбция молекулы фосгена на пористом ППАН

Далее был исследован механизм внедрения молекулы фосгена через боковую поверхность структуры двухслойного ППАН. Рассматривалось два способа внедрения молекулы фосгена в межплоскостное пространство полимера: 1 – параллельная ориентация, молекула параллельна плоскости слоя и внедрение проис- ходит атомом кислорода; 2 – параллельная ориентация, молекула параллельна плоскости слоя и внедрение происходит атомами хлора. Процесс внедрения моделировался пошаговым приближением (шаг 0.1 Å) молекулы СОCl2 к фиктивному атому, расположенному между слоями. Расчеты внедрения молекулы СОCl2 при внедрении атомом кислорода обнаружили наличие потенциального барьера высотой 0.74 эВ, который преодолевает молекула при проникновении в межслоевое пространство. Пик барьера находится на границе слоя. Попав в межплоскостное пространство, на расстоянии 1.9 Å от границы кластера молекула адсорбируется на одной из поверхностей монослоя ППАН. Для проникновения молекулы СОCl2 в ППАН при ее ориентации атомами хлора молекуле необходимо преодолеть потенциальный барьер величиной 0.79эВ. Пик барьера сдвинут от края слоя на 0.7 Å. На расстоянии 1.4 Å от границы кластера имеется энергетический минимум, который соответствует полному внедрению молекулы в межслоевое пространство. Оптимизация структуры в этом положении показывает, что молекула СОCl2 адсорбируется на поверхности ППАН. Атомы хлора молекулы фосгена адсорбируются на разных слоях полимера (рис. 4).

Рис. 4. Адсорбционный комплекс «ППАН – СОCl 2 »

Сравнение результатов адсорбционных комплексов «ППАН – СОCl 2 » с характеристиками «чистого» полимера показали следующее. Значения энергии нижней вакантной орбитали практически не зависят от наличия адсорбированной молекулы . Следует отметить некоторое увеличение значения энергии высшей заполненной молекулярной орбитали при присутствии фосгена в структуре, что приводит к увеличению запрещенной щели.

Заключение: Выполненные квантово- кулы СОСl2 к поверхности ППАН позволили установить, возможность получения адсорбционного комплекса «ППАН-молекула фосгена». Было установлено что наличие молекулы фосгена позволяет изменять физические свойства исследуемого материала, происходит увеличение ширины запрещенной зоны. Данное свойство позволяет нам рассматривать ППАН в качестве сенсора на обнаружения фосгена в атмосфере.

химические расчеты присоединения моле