5.2.Определение влияния св сахарных растворов на характер изотермы адсорбции их красящих веществ
Введение
Сорбируемость вещества на адсорбенте характеризуется графиком, называемым изотермой адсорбции. Изотерма адсорбции устанавливает зависимость между концентрацией адсорбируемого вещества в растворе и на адсорбенте при установившемся равновесии в системе.
Графическая зависимость адсорбции от равновесной концентрации адсорбтива при постоянной температуре описывается уравнением Фрейндлиха
А = С1/n ,
где А – масса вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента;
и 1/n – константы адсорбции, характерные для данного процесса, их значения находят по эмпирическим данным или определяются из графика, построенного в логарифмической форме уравнения
Lg А = lg + 1/n lg C.
На ординате прямой данного графика отсекается отрезок lg , а тангенс угла наклона прямой к абсциссе дает величину 1/n.
С – равновесная концентрация вещества, установившаяся после адсорбции.
При небольших концентрациях масса адсорбированного вещества пропорциональна его концентрации в растворе, что выражается начальной частью изотермы адсорбции. А в концентрированных растворах, когда поверхность адсорбента насыщается адсорбированным веществом (конец изотермы адсорбции), наступает предел адсорбции и дальнейшее увеличение его концентрации в поверхностном слое становится невозможным. Поэтому начало и конец изотермы адсорбции близки к прямой линии и здесь уравнение Фрейндлиха не всегда применимо.
Присутствие сахарозы будет оказывать влияние на сорбируемость красящих веществ на активном угле.
Цель анализа - определить характер влияния концентрации сахарозы на сорбируемость красящих веществ активным углем.
Приборы и материалы:
- фотоколориметр или цветомер;
- рН-метр;
- водяная баня, снабженная встряхивателем;
- колбы вместимостью 250 см3 с обратным холодильником;
- вата хлопчатобумажная;
- перлит;
- активный уголь;
- свеклосахарная меласса.
Ход определения
Приготовление растворов. При проведении опытов для каждого значения СВ необходимо приготовить ряд растворов с последовательно уменьшающейся оптической плотностью от максимально- до минимально- возможной. Их готовят путем последовательного разбавления наиболее окрашенного исходного раствора. Для его получения свеклосахарную мелассу разбавляют горячей дистиллированной водой до нужного значения СВ (объем раствора не менее 300 см3). Затем раствор фильтруют через слой перлита (как проводили в разделе 5.1.). Из полученного объема отбирают 200 см3, добавляют 100 см3 дистиллированной воды и, вводя в раствор мелассы сахар-рафинад, доводят его СВ до нужного значения по рефрактометру (ориентировочное количество сахара-рафинада рассчитывают по формуле, приведенной в разделе 5.1.).
Таким же образом получают остальные растворы (всего 4-5 шт.). В растворах измеряют оптическую плотность, которую записывают в табл. 5.2.
Ход определения
Предварительно отвешивают на фильтрованной бумаге (лучше фольге) около 1 г активного угля с известной влажностью. Количество таких навесок должно соответствовать количеству приготовленных проб сахарсодержащих растворов с различной оптической плотностью. Массу навесок активного угля записывают в табл. 5.2 с точностью до 0,01 г. Приготовленные растворы объемом 100 см3переводят в колбы вместимостью 250 см3, которые затем закрывают пробками с обратными холодильниками и помещают в водяную баню температурой 80 - 85 ºС. По истечении 10 мин в колбы вносят навески активного угля и снова помещают в водяную баню на время, достаточное для достижения состояния адсорбционного равновесия. Данное время зависит от СВ раствора и определяется кинетикой адсорбции их красящих веществ (см. раздел 5.1.). По истечении данного времени колбы извлекают из водяной бани и измеряют объем их раствора. Если за счет испарения объем раствора уменьшился, то его доводят дистиллированной водой до 100 см3и фильтруют. Фильтрат охлаждают до 20 ºС и затем на фотоэлектроколориметре или цветомере замеряют его оптическую плотность.
Расчеты:
Величину адсорбции (а) рассчитывают по формуле
,
где Dн, Dк - начальная и конечная оптическая плотность сахарного раствора, ед. опт. плотности;
mс - навеска активного угля в пересчете на сухой, г.
Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 5.2.
Таблица 5.2
-
СВ, %
Объем раствора, см3
Масса адсорбента mс, г
Оптическая плотность
Величина адсорбции,
а
Начальная
Dн
Конечная
Dк
1
2
3
4
5
6
Рекомендуемые значения сухих веществ: 40; 45; 50; 55; 60; 65%.
По полученным данным для каждого значения СВ строят графики изотермы адсорбции a=ƒ(Dк).
Пользуясь методом наименьших квадратов с помощью ЭВМ по данным Dк и а получают уравнение изотермы адсорбции вида а = К Dnк ,
где k, n - эмпирические коэффициенты.
По расчетным данным строят графики.
Далее строят графики зависимостей коэффициентов k, n от СВ сахарных растворов: k=ƒ(CB); n=ƒ(CB) и методом наименьших квадратов рассчитывают соответствующие уравнения этих зависимостей.
Контрольные вопросы
1. Какие адсорбенты используют в сахарном и крахмалопаточном производствах?
2. С какой целью используют адсорбенты в сахарном и крахмалопаточном производствах?
3. На каком принципе основано удаление несахаров из сахарсодержащих растворов с использованием адсорбентов?
4. Чем обусловлена сорбционная способность углеродсодержащих адсорбентов?
5. Какими стадиями обуславливается скорость процесса адсорбции?
6. Что такое кинетика адсорбции и что она определяет?
7. Что такое состояние равновесия в системе «адсорбент - адсорбат»?
8. От чего зависит активность адсорбента?
9. Что такое степень завершения процесса адсорбции и как ее рассчитывают?
10. Что такое изотерма адсорбции и для чего ее следует определять?
11. Каким уравнением описывают изотерму адсорбции и что характеризуют его константы?
12. Почему для каждой концентрации СВ сахарного раствора следует строить графики изотермы адсорбции?
Лабораторная работа № 6
Определение обменной емкости ионитов, применяемых для очистки сахарных растворов
Введение
Ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: в обмен на каждый эквивалент одного иона, поглощенного из раствора, ионообменная смола отдает в раствор один эквивалент другого иона с зарядом того же знака. Ионный обмен является обратимым химическим процессом и осуществляется с помощью ионообменных смол. Ионообменные смолы представляют собой адсорбенты, в которых к матрице органического полимера привиты ионообменивающие группы. Их поверхность может иметь отрицательный или положительный заряд. В первом случае иониты адсорбируют только катионы с заменой любого из них на ион водорода. Они имеют кислый характер и называются катионитами. Другие иониты, имеющие основной характер, называются анионитами.
В зависимости от химического состава и степени диссоциации катиониты делятся на сильнокислые и слабокислые, а аниониты на сильноосновные и слабоосновные. Кроме того, существуют амфотерные иониты, способные осуществлять одновременно катионный и анионный обмен.
В сахарной промышленности ионообменные смолы применяют для деионизации, обесцвечивания соков и сиропов с клеровкой перед кристаллизацией. В производственных условиях ионный обмен проводится в динамическом режиме путем пропускания сиропа через реактор, заполненный ионообменной смолой.
В инструкции по химико-техническому контролю и учету сахарного производства рекомендуется методика определения неучтенных потерь сахара на диффузионной установке ускоренным методом ВНИИСП на основе использования колонок с катионообменными смолами.
К основным показателям ионитов для очистки сахарсодержащих растворов относят их обменную емкость, влагоемкость, константы ионизации и селективности, набухание, механическую прочность и термическую устойчивость.
Обменная емкость ионитов – величина непостоянная и зависит от условий их эксплуатации и метода расчета. Различают статическую, динамическую и полную (общую) емкость ионитов.
Статическая обменная емкость характеризуется количеством ионов, поглощенных ионитом в условиях равновесия. Динамическая (рабочая) обменная емкость определяется пропусканием раствора определенной концентрации с постоянной скоростью через колонку с ионитом. При этом определяют ту часть обменных ионов, которая в данных конкретных условиях принимает участие в ионном обмене. Полная обменная емкость (Е) определяет содержание в ионите всех активных групп, при которых имеются обменные ионы. Она не зависит от природы этих групп и природы обменных ионов. Величина Е является постоянной и выражается в мг-экв на 1 г сухого ионита.