Гопкали́т (англ. hopcalite), общее название каталитических систем на основе оксидов меди и марганца, в присутствии которых осуществляется окисление оксида углерода (СО) до диоксида углерода (CO₂) кислородом воздуха при комнатной температуре.

История

Оксид углерода, или угарный газ (СО), представляет большую угрозу для живых организмов. Сродство гемоглобина крови к СО в 200 раз выше, чем к кислороду, из-за чего даже небольшое количество угарного газа в атмосфере приводит к гипоксии вплоть до летального исхода. Нахождение человека в течение часа в атмосфере с содержанием угарного газа 0,1 % приводит к смерти. Во время Первой мировой войны во многих научных организациях США шли разработки по нейтрализации СО. В 1918 г. научные сотрудники двух американских университетов разработали катализатор окисления оксида углерода, который получил название гопкалит [англ. hopcalite, hop... от Johns Hopkins University (Университет Джонса Хопкинса) и ...cal... от University of California (Калифорнийский университет)].

Первый гопкалитовый катализатор «гопкалит I» состоял из смеси оксидов металлов (весовой %): MnO₂ (50 %), CuO (30 %), Co₂O₃ (15 %), Ag₂O (5 %). Он мог катализировать окисление СО в существенно менее опасный СО₂ при температуре 0 °С в сухом воздухе. Поэтому данный катализатор стал активно использоваться в качестве компонента в респираторных масках. Затем в университете Джонса Хопкинса был разработан усовершенствованный катализатор «гопкалит II», который представлял собой смесь оксидов CuO (40 %), MnO₂ (60 %) и был способен обеспечивать окисление угарного газа при –10 °C. В его составе не было серебра, вследствие чего он получил стремительное распространение в промышленности.

В то же время было обнаружено, что все подобные катализаторы быстро подвергаются полной дезактивации в присутствии паров воды. Для удаления воды в респираторных масках стали использоваться осушители и влагоотделяющие фильтры.

Получение и свойства

Гопкалит преимущественно получают методом соосаждения с возможным последующим прокаливанием. Метод отличается низкой трудоёмкостью и использованием доступных реактивов, вследствие чего получил широкое распространение.

«Гопкалит I» был получен следующим образом: оксиды марганца(IV), кобальта(III) и меди(II) были тщательно перемешаны; после чего в водном растворе на эту смесь оксидов был осаждён оксид серебра(I). Полученный осадок промывали и фильтровали. На завершающей стадии полученная смесь подвергалась сушке.

«Гопкалит II» получали осаждением карбоната меди(II) на оксид марганца(IV). Последующим прокаливанием полученной смеси, в ходе которого из карбоната меди(II) образуется оксид меди(II), получали целевой продукт. Приготовление гопкалита таким методом позволяет получать катализатор с развитой поверхностью и пористой структурой.

Количественный состав варьируется в зависимости от марки катализатора. Гопкалитовые катализаторы допируют различными соединениями (например, Ag₂O, Co₂O₃, ZnO, Ni₂O₃, ZrO₂ или Au) для улучшения окислительной активности. Российский «гопкалит ГФГ» представляет собой формованный продукт с добавлением глины.

Установление структуры катализатора является предметом дискуссии исследователей. По причине того, что гопкалит представляет собой аморфную высокодисперсную смесь оксидов, уточнение его фазового состава и структурных характеристик невозможно. Однозначное описание механизма каталитического действия затруднительно, из-за чего нельзя точно установить причину стремительной дезактивации в присутствии паров воды.

Применение

В настоящее время гопкалитовые катализаторы широко используются в виде дополнительного патрона для противогазов (ДП-1 и ДП-2) для военных, работников МЧС и пожарной службы, шахтёров и других, кто часто сталкивается с угарным газом, который является продуктом неполного сгорания угля и органических соединений (прежде всего топлива). Гопкалит используется в фотокаталитических системах очистки воздуха от летучих органических соединений, а также в системах обеспечения безопасности в закрытых помещениях, на подводных лодках и космических станциях.

Для стабильной работы гопкалитового катализатора в стационарных условиях необходимо использовать осушитель, т. к. в воздухе присутствуют пары воды, приводящие к дезактивации. Например, дополнительный патрон противогазов оснащается осушителем на основе силикагеля. Срок его службы определяет время защитного действия патрона. Принято считать патрон использованным, если его масса увеличилась на 20 г, т. е. осушитель поглотил близкое к предельному количество воды. В качестве индикатора работы патрона применяется оксид иода (I₂O₅), который, в случае если патрон перестал работать и начал пропускать угарный газ, вступает с ним в реакцию. В результате этого взаимодействия выделяется иод и в подмасочном пространстве появляются бурые пары с резким запахом. Использовать патрон можно в случае, если содержание СО в атмосфере не превышает 2 %. Окисление СО до углекислого газа является экзотермическим процессом, вследствие чего при высоких концентрациях угарного газа выделяется большое количество тепла в ходе работы катализатора. Это приводит к тому, что воздух существенно нагревается (до 70 °С и выше) и обжигает органы дыхания. Ощущение ожога оболочек респираторных органов также сигнализирует о невозможности использования патрона и необходимости проветрить помещение либо стремительно его покинуть.

Гопкалит применяется для разложения озона, который представляет большую опасность для здоровья человека. В замкнутых помещениях использование очистителей с гопкалитовым катализатором способствует разложению озона с образованием безопасного кислорода. На сегодняшний день в открытом доступе имеется множество марок таких катализаторов для очистки воздуха от угарного газа и озона.

Гопкалит является перспективной системой для окисления летучих органических соединений, в том числе ароматических (бензол, толуол, нафталин), являющихся опасными канцерогенами. Однако рабочие температуры в данном процессе начинаются от 150 °С.