Практикум_KX_2004

5.Какой вид имеют дифференциальные кривые распределения числа частиц и удельной поверхности полидисперсной системы?

6.Что является мерой кинетической устойчивости дисперсных систем

кседиментации?

7.Что такое "коагулянты" и "флокулянты", есть ли между ними разли-

чия?

8.Можно ли повысить кинетическую устойчивость эмульсий и суспензий, каким образом?

9.Какой вид имеют кривые "объем осадка − время осаждения" для аг- регативно-устойчивых и неустойчивых систем?

10.Что является мерой термодинамической седиментационной устойчивости дисперсных систем?

11.Что такое "седиментационно-диффузионное равновесие"?

12.Какое выражение и физический смысл имеет константа скорости седиментации?

13.Как найти по дифференциальной кривой распределения процентное содержание частиц с размерами от r1 до r2 ?

14.Как определяют размеры частиц в условиях диффузионно-седимен- тационного равновесия?

15.Какие методы седиментационного анализа известны, в чем их преимущества или недостатки?

16.Возможно ли существование кинетически устойчивых эмульсий?

17.Как определить удельную поверхность порошка (поверхность единицы объема), если частицы имеют форму куба?

18.Как определить кривую распределения по размерам капель для эму-

льсий?

19.Что характеризует разность уровней жидкостей в приборе ВигнераРебиндера?

20.Какой вид имеют уравнения Стокса для скорости седиментации в гравитационном и центробежном поле?

21.Почему в суспензиях глины в воде пузырьки воздуха могут долго не всплывать?

21

22.Какой вид имеют дифференциальные кривые распределения частиц глины в пробах речной воды, взятых соответственно у истоков и в устье реки?

23.Как определить радиус самых крупных частиц в суспензии rmax ?

24.Как проводят определение гранулометрического состава порошка?

25.Как определить размер частиц суспензии, осевших к моменту вре-

мени t1 ?

26.Какой вид имеют интегральные кривые распределения для монодисперсных, бидисперсных и полидисперсных систем?

27.Каковы особенности седиментационного анализа по методу Н.Н. Цюрюпы?

28.Можно ли изменить скорость оседания частиц суспензий?

29.Как определить удельную поверхность (поверхность единицы массы) порошка, если частицы имеют форму шара?

30.Что произойдет, если в присутствии глины взболтать равные объемы H2O и C6H6, а затем оставить в покое?

31.Как визуально определить, является данная суспензия моноили полидисперсной?

32.Почему речная вода мутна, а морская − прозрачна?

33.Как определить число частиц для данного интервала размеров по

кривым распределения?

34.Какой вид имеет кривая осаждения агрегативно-нестабильной сус-

пензии?

35.Можно ли приготовить монодисперсную суспензию, эмульсию?

36.Как определить радиус самых мелких частиц суспензии?

37.Можно ли с помощью ультрацентрифуги различить монодисперсные системы и полидисперсные?

38.Почему для предохранения ранних всходов и цветущих садов от заморозков используют дымовые завесы?

39.Почему в устьях многих рек, впадающих в моря и океаны, имеются песчаные и глинистые отложения?

40.Какой вид имеет уравнение Одена, когда оно выполняется?

22

41. Что такое "псевдоожиженный слой", каковы его свойства и назначе-

ние?

42.Какие существуют способы очистки воздуха от пыли, на чем они основаны?

43.Как определяется наиболее вероятный эквивалентный радиус частиц суспензий?

44.Каковы причины и последствия пылевых бурь? Назвать способы борьбы с пылевыми бурями.

45.Как определить минимальную скорость осаждения частиц суспен-

зии?

46.Какой вид имеют кривые "масса осадка − время осаждения" для аг- регативно-устойчивых и неустойчивых систем?

47.Что произойдет, если смесь мела и угля поместить в сосуд, налить по 200 см3 H2O и CCl4, встряхнуть несколько раз и оставить в покое?

48.Что такое "флотация", какие виды ее существуют?

49.Какие существуют способы образования аэрозолей в технике и природе и способы их быстрого разрушения?

50.Каковы условия, ограничивающие применимость седиментационного анализа?

51.Как определить степень полидисперсности данного порошка?

52.Как влияет на скорость седиментации температура?

53.Каковы условия соблюдения закона Стокса при седиментации?

54.Как изменяется удельная поверхность суспензии с ростом концентрации электролита?

55.Какой вид имеют дифференциальные кривые распределения для монодисперсных, бидисперсных и полидисперсных систем?

56.Как влияют на скорость седиментации суспензий поверхностно-ак- тивные вещества и электролиты?

57.Как определить удельную поверхность порошка (поверхность единицы объема), если частицы имеют форму бруска?

58.Как зависит скорость диффузии золя от размера частиц?

23

59.Как влияет на устойчивость суспензии форма частиц?

60.Как изменяется степень полидисперсности данного порошка со временем при работе коллоидной мельницы?

Литература: [l, с.220−239; 2, с.68−80; 3, с.34−38; 4, с.141−149; 5, c.81−93]

Работа 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ АДСОРБЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОЕ ТЕЛО – РАСТВОР

Цель работы − количественное определение адсорбции органической кислоты на углях различных сортов, определение констант в уравнении Бе- деккера-Фрейндлиха.

Теоретические сведения

Адсорбенты – высокодисперсные искусственные и природные тела с большой наружной (непористые) или внутренней (пористые) поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из газов или растворов.

Адсорбционные свойства адсорбентов определяются природой твердого тела, химическим составом и состоянием поверхности, степенью ее химической и геометрической неоднородности, величиной удельной поверхности, размерами и характером пор. Чаще всего на практике применяют пористые адсорбенты, которые получают:

а) активированием грубодисперсных твердых материалов путем воздействия на них химически активных сред (перегретых паров H2O, CO2 с образованием активированных углей);

б) путем выращивания частиц золей, образованием из них гелей с рыхлой упаковкой частиц, затем высушиванием, в результате чего получаются адсорбенты с большим числом пор (ксерогели).

Адсорбенты подразделяют на следующие группы:

1) непористые, на поверхности которых с ростом давления пара или концентрации вещества в растворе свободно происходит мономолекулярная или полимолекулярная адсорбция;

24

2)широкопористые, размеры пор которых близки друг к другу и составляют более 5 10–9 м, причем первичный адсорбционный процесс в этих порах близок к таковому на непористых адсорбентах той же природы, но при достаточно больших давлениях пара он сопровождается капиллярной конденсацией, приводящей к заполнению пор жидкостью;

3)узкокопористые, с размерами пор менее 5 10–9 м; сильно адсорбирующиеся вещества заполняют эти поры уже при малых давлениях, причем поры полностью или частично ведут себя как молекулярные сита;

4)неоднороднопористые, с размытым распределением объема пор по размерам; при адсорбции проявляются черты, характерные как для второго, так и для третьего типов адсорбентов.

В процессе получения адсорбентов и при их эксплуатации в результате термической обработки происходит спекание: поверхность адсорбента становится более однородной, увеличиваются размеры образующих скелет адсорбента частиц, сокращается удельная поверхность, расширяются поры, увеличивается их объем. Очевидно, все это существенно изменяет адсорбционные свойства твердых адсорбентов.

Активированные угли сильно адсорбируют органические вещества – углеводороды и многие их производные, слабее – низшие спирты, аммиак и особенно плохо – воду. Обычно активированные угли обладают неоднород-

ной поверхностью и пористостью. Различают микропоры размерами 1 − 2 нм с сильно развитой удельной поверхностью Sуд ≈103 м2/г, поры переходных

размеров 5 − 50 нм с Sуд ≈102 м2/г и макропоры с размерами более 100 нм и

Sуд ≈1 м2/г. Очевидно, что такие активированные угли обладают различными

изотермами адсорбции.

Изучив адсорбцию конкретного образца активированного угля, его можно наиболее эффективно использовать: для улавливания и возвращения в производство паров ценных органических растворителей; для разделения газовых смесей; в противогазовой технике как адсорбенты и как основу для каталитических и хемосорбционно-активных добавок; в газовой хроматографии для разделения газов и низших углеводородов; для очистки растворов в воде и других сильно полярных жидкостях от примесей органических веще-

25

ств; в медицине для поглощения газов и ядовитых веществ при желудочнокишечных заболеваниях; для гемодиализа.

Адсорбция на границе твердое тело – раствор в общих чертах похожа на адсорбцию газов и паров на твердой поверхности, однако она сильно усложнена наличием третьего компонента – растворителя (среды), молекулы которого также могут адсорбироваться на поверхности адсорбента, являясь конкурентами молекул адсорбтива. Кроме того, необходимо всегда принимать во внимание наличие взаимодействия между молекулами адсорбтива и молекулами среды, причем адсорбтив может быть как электролитом, так и неэлектролитом.

В области средних концентраций для пористых адсорбентов выполняется эмпирическое уравнение изотермы адсорбции Бедеккера-Фрейндлиха:

где mx − удельная адсорбция, кмоль/кг;

C− равновесная концентрация раствора после адсорбции, кмоль/м3;

βи (1/ n) − эмпирические константы, зависящие от природы адсорбен-

та и адсорбата, температуры, наличия посторонних веществ, причем

(1/ n) <1.

Очевидно, что β представляет собой величину адсорбции при равновесной концентрации адсорбтива, равной 1 кмоль/м3, и изменяется в широких пределах. Показатель (1/ n) характеризует степень приближения изотермы к прямой линии. Для адсорбции из растворов он принимается постоянным в пределах 0,2 − 0,7 (рис. 2.1). С повышением температуры величина β убывает, а показатель (1/ n) возрастает.

Для нахождения констант уравнения Бедеккера-Фрейндлиха его преоб-

График зависимости lg mx = f (lgC) представляет собой прямую линию,

отсекающую на оси ординат отрезок, численно равный lgβ, а tgα = 1n = ba

(рис. 2.2).

Количество адсорбированного вещества находят по разности концен-

траций его до и после адсорбции. Удельная адсорбция mx , кмоль/кг,

где C0 − концентрация раствора до адсорбции, кмоль/м3;

C − равновесная концентрация после адсорбции, кмоль/м3; Q − объем раствора, из которого происходит адсорбция, м3; m − масса адсорбента, кг.

Определение концентрации раствора до адсорбции и после нее может быть выполнено любым методом количественного анализа.

Порядок выполнения работы

Адсорбцию органической кислоты из водного раствора на активированном угле определяют следующим образом. На аналитических весах взвешивают 5 проб угля – адсорбента, масса каждой по 2 10–3 кг. Заливают в каж-

27

дую колбу по 50 см3 раствора кислоты приготовленных заранее различных концентраций (концентрация каждого последующего раствора вдвое меньше предыдущего). В каждую колбу помещают навеску угля, закрывают пробками и тщательно взбалтывают в течение 30 мин. После этого растворы фильтруют через фильтровальную бумагу, отбрасывают первые (5 − 10) см3 фильтрата, поскольку вначале фильтровальная бумага поглощает часть кислоты, чем искажает результаты измерения.

Последующее фильтрование через бумагу, уже насыщенную кислотой, не вызывает заметных изменений концентрации раствора. Затем титруют каждую пробу кислоты раствором щелочи в присутствии индикатора (фенолфталеина) и определяют новую концентрацию раствора кислоты над углем после установления адсорбционного равновесия. По данным титрования производят вычисления и составляют табл. 2.1.

Строят изотерму адсорбции mx = f (C) , где C − равновесная концентра-

ция кислоты после адсорбции, кмоль/м3. Криволинейный участок изотермы описывается уравнением Бедеккера-Фрейндлиха.

Таблица 2.1 − Экспериментальные данные адсорбции на угле

T, К m = 2 10–3 кг Q = 5·10–5 м3 Сщ, кмоль/м3

V0 106, м3

Vi 106, м3 Vпр 106, м3

где Vпр − объем пробы, м3;

V0 и Vн − объемы щелочи, израсходованные на титрование пробы до и после адсорбции соответственно, м3;

m − масса адсорбента, кг;

Q − объем раствора, из которого происходит адсорбция, м3;

Cщ − концентрация щелочи, кмоль/м3;

T − температура, К.

28

Значение lgβ из графика берут в масштабе оси ординат, и при нахождении tgα следует учитывать масштабы по обеим осям. С помощью логарифмического графика можно определить пределы применимости эмпирического уравнения Бедеккера-Фрейндлиха, поскольку экспериментальные точки лежат на прямой линии только в области концентраций, где уравнение (2.1) выполняется.

2.1. Задания к лабораторной работе 2

Определить коэффициенты уравнения изотермы адсорбции БедеккераФрейндлиха по следующим данным:

29

Литературa: [l, c.140−141; 2, c.84−85; 3, c.136−137; 4, c.58−63; 5, c.40−43].

30