Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование сорбции смесей жидкостей в нанопористых материалах. Лабораторная работа
.pdf
21
сигнала (п. 2.2). Поэтому рекомендуется выходить из данного
режима после измерения спектров всех исследуемых растворов.
2.5. Для записи данных на внешний накопитель в главном меню
войти в раздел «Вызов данных», и выбрать режим «Спектральный
анализ». В открывшемся списке последовательно выбрать
требуемый спектр (рис. 14), раздел «Настройки» и, далее,
«Компьютер и принтер». Выбранный спектр будет сохранен на
внешнем накопителе в автоматически созданной папке WLData.
Рис. 13. Вид экрана спектрофотометра при проведении измерений
Рис. 14. Извлечение данных и запись на внешний носитель
22
Рефрактометр Abbemat PC
2.6. Открыть крышку измерительной области рефрактометра
(см. рис. 7), пипеткой поместить каплю исследуемого раствора на
призму и плотно закрыть крышку.
2.7. В диалоговом окне программы Abbemat PC нажать START.
Записать измеренное значение коэффициента преломления (рис. 15)
в таблицу:
Номер образца
Показатель
преломления
Концентрация этанола,
%
Состав смеси определить по литературным данным.
Рис. 15. Рабочее окно программы измерений рефрактометра AbbematPC:
1 – дата; 2 – измеренный коэффицент преломления; 3 – режим, в котором
проводится измерение; 4 – температура; 5 – области ввода комментариев
23
3. Измерение сорбционных характеристик
нанопористого материала
Расчет условий проведения эксперимента
3.1. Для расчета необходимой массы раствора в исследовании
процессов сорбции получить у преподавателя характеристики
образцов нанопористого материла (пористость, площадь
поверхности, плостность и т.д.) и требуемый состав раствора.
3.2. Концентрация этанола в растворе
, где m
1
– масса
растворенного вещества (этанола); m
2
– масса растворителя (воды).
Концентрация этанола после сорбции в пористый материал:
, (7)
где ; m/ – масса этанола, сорбировавшегося в
исследуемый материал (предполагается, что происходит сорбция
только этанола). Преобразуя (7), массу сорбированного вещества
можно выразить через разность концентраций растворов до и
после сорбции:
. (8)
3.3. Изменение концентрации определяется как
массой раствора , так и массой сорбированного вещества .
Поэтому для соблюдения условия квазистационарности процесса
сорбции необходимо, чтобы изменение концентрации раствора не
превышало пороговое значение, выраженное через коэффициент В –
максимальное изменения состава раствора (в долях). При этом
нужно, чтобы изменение концентрации было достаточным для
измерения с заданной точностью. Используя (8), получим:
. (9)
Здесь чувствительность приборов определяет коэффициент А –
минимальное измеряемое изменение концентрации (в долях). Для
образца материала массой М с пористостью ɛ и плотностью
исходный объем пор, доступный для жидкости,
. Если
предположить, что плотность растворенного в порах вещества,
то масса сорбированного вещества равна
и из (9)
24
можно определить необходимую массу материала для заданной
массы раствора при начальной концентрации второго
компонента (воды):
. (10)
Или для известной массы нанопористого материала из (10) можно
рассчитать необходимую массу раствора с заданной концентрацией.
3.4. Взвесить полученный образец нанопористого материала и
емкость для раствора. Рассчитать массу раствора, необходимую для
измерения сорбции в образце пористого материала, выданном
преподавателем. Приготовить необходимое количество раствора и
измерить оптические харатеристики раствора, спектр поглощения и
коэффициент преломления (см. пп. 2.3–2.7). Записать полученные
данные в таблицу:
Параметры полимера
(М, ε, ρ)
Параметры
раствора
«до» (
с
1
, ρ)
Коэффициент
B
Коэффициент
А
Масса
раствора
Коэффициент
преломления, до,
после
Коэффициент
поглощ
ения
при
λ =___
нм, до, после
Параметры
раствора
«после
» (с
1
, ρ)
Масса
сорбата, мг
3.5. Взвесить емкость с раствором, поместить в раствор образец,
и плотно закрыть емкость. Дождаться установление равновесия
(~ 1 ч), перемешать раствор. Достать образец пористого материала
из раствора, удалить раствор с внешней поверхности и взвесить
образец. Измерить оптические характеристики раствора после
сорбции (см. пп. 2.2–2.7), и определить состав исследуемого
раствора после сорбции. Внести данные в таблицу.
25
4. Обработка результатов измерений
4.1. В рассмотренной выше модели предполагается, что
сорбируется одна компонента раствора, и масса сорбированного
вещества
. (11)
Для известного объема пор образца можно расчитать плотность
сорбированного вещества
. Провести расчет плотности
сорбированного вещества, и внести данные в таблицу:
Масса сорбата, мг Параметры раствора
«до» (
с
1
, ρ)
Параметры раствора
«после» (
с
1
, ρ)
Плотность сорбата,
г/см
3
Плотность сорбата с
учетом набухания
SD, г/см
3
Масса сорбата, г Концентрация
спирта в мембране
4.2. Если материал набухает в исследуемом растворе, то
необходимо учесть изменение свободного объема, и пористость
после сорбции будет
где SD – коэффициент набухания
[17]. Рассчитать плотность сорбированного вещества с учетом
структурных изменений (набухания) материала.
4.3. Исследовать возможность многокомпонентной сорбции из
раствора. Если предположить, что сорбируются оба компонента
раствора, то концентрация растворенного вещества (этанола) после
сорбции будет:
(12)
Здесь масса сорбированного вещества
, где
и
– массы сорбированных компонент 1 и 2;
– концентрация этанола в сорбированном в мембрану
растворе. По аналогии с (8), массу сорбированного вещества можно
рассчитать, как
26
. (13)
Используя экспериментально измеренные изменения концентрации
исследуемого раствора до и после сорбции, рассчитать возможные
массу и состав сорбированного вещества, внести данные в таблицу
(см. п. 4.1).
4.4. Проанализировать спектры поглощения растворов до и после
сорбции. Определить основные виды химических соединений в
растворе. Оценить объемную и поверхностную плотности сорбата,
и предложить модель сорбции данного раствора в исследуемый
материал.
5. Завершение работы
5.1. Выключить спектрофотометр кнопкой на задней панели, и
накрыть прибор чехлом. Для завершения работы с рефрактометром
в диалоговом окне программы Abbemat PC нажать кнопку
MENU → Quit. После чего отключить питание прибора.
5.2. Оформить отчет.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Опишите основные модели сорбции низкомолекулярных
веществ в нанопористые материалы.
2. Какие основные принципы измерения сорбции газов и
жидкостей в нанопористых матералах?
3. Как связаны параметры сорбции и структурные изенения
полимерных матералов?
4. Что такое оптическая плотность вещества?
5. Какие параметры раствора определяют коэффициент
преломления?
6. Какие спектры поглощения характерны для газов, жидкостей и
твердых тел?
7. Какие энергии возбуждения соответствуют основным типам
хромофоров?
8. Опишите возможные варианты сорбции водно-спиртовых
смесей в полимерный материал.
27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир,
1999.
2. Loeb S., Sourirajan S. High flow porous membranes for separating
water from saline solutions // US Patent. 1964. 3. 133. 132.
3. Huang R.Y.M., Lin V.J.C. Separation of liquid mixtures by using
polymer membranes. I. Permeation of binary organic liquid mixtures
through polyethylene // J. Appl. Polym. Sci. 1968. V. 12. P. 2615.
4. Beaton N.C. Cooper A.R. Ultrafiltration Membranes and
Applications. // Polym. Sci. Technol. 1980. V. 13. P. 373–404.
5. Flory P.J. Principles of polymer chemistry // Cornell Univ. Ithaca:
Press, 1953.
6. Грег С., Синг К. Адсорбция. Удельная поверхность.
Пористость. М.: Мир, 1984.
7. Плотность и свободный объем сплошных мембран из
политриметилсилилпропина, используемых для концентрирования
этанола методом органофильной первапорации / В.В. Волков,
В.С. Хотимский, М.Б. Гокжаев, Е.Г. Литвинова, А.Г. Фадеев,
С.С. Келли // Ж. физ. хим. 1997. Т. 71. 1556–1559.
8. Ulutan S. and Nakagawa T. Separability of ethanol and water
mixtures through PTMSP-silica membranes in pervaporation // J. Membr.
Sci. 1998. V. 143. P. 275–284.
9. Doghieri F., Biavati D. and Sarti G.C. Solubility and Diffusivity of
Ethanol in PTMSP: Effects of Activity and of Polymer Aging // Ind. Eng.
Chem. Res. 1996. V. 35. P. 2420–2430.
10. Малахов А.О., Волков В.В. Уравнение полимолекулярной
сорбции: приложение к системе спирт политриметилсилилпропин //
Высокомолекулярные соединения 2000. Т. 42 А. С. 1721–1729.
11. Исследование половолоконных полипропиленовых Pdсодержащих мембран методом динамической десорбционной
порометрии / Д.Е. Виткина, Е.И. Школьников, И.В. Петрова,
В.И. Лебедева, В.В. Волков // Труды МФТИ. 2009. T. 1. № 1. C. 30–
35.
12. Савельев И.В. Курс общей физики Т. 3. М.: Наука, 1978.
13. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы в химии.
Ленинград: Химия, 1983.
28
14. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования
в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия:
Учебник. М.: Высшая школа, 1987. 366 с.
15. Руководство пользователя HACH LANGE DR 5000, HACH
LANGE 2008.
16. Равдель А.А., Пономарев А.М. Краткий справочник физикохимических величин. СПб.: Издательство «Иван Федоров», 2003.
C. 15.
17. Сорбция паров метанола, этанола и пропанола в
политриметилсилилпропине и набухание полимера / А.В. Волков,
В.Е. Федоров, А.О. Малахов, В.В. Волков // Высокомолекулярное
соединение. Серия Б. 2002. Т. 44. № 6. С. 1064–1068.
_____________
Редактор М.В. Макарова
Оригинал-макет подготовлен Ю.С. Ереминым
Подписано в печать 18.03.2025. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд.л. 1,75. Печ.л. 1,75. Изд. № 006-1.
Тираж 100 экз.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
Типография НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]