4. Дослідження процесів адсорбційного очищення речовин

4.1 Мета роботи

Дослідити адсорбцію розчину оцтової кислоти активованим вугіллям.

За одержаними даними побудувати ізотерму адсорбції і знайти для рівняння Фрейндліха значення постійних величин і.

4.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Сорбцією ( від латинського “sorbeo” – поглинати, втягувати) називається будь-який процес поглинання однієї речовини (сорбтива) іншою (сорбентом) незалежно від механізму поглинання. За механізмом розрізняють адсорбцію; абсорбцію та хемосорбцію.

Адсорбцією називається зміна концентрації речовини на границі розділу фаз. Адсорбція відбувається на будь-яких міжфазних поверхнях, і адсорбуватися можуть будь-які речовини. Є випадки, коли поглинання однієї речовини іншою не обмежується поверхневим шаром, а відбувається в усьому

об’ємі сорбенту.

Таке поглинання називається абсорбцією. Прикладом процесу абсорбції є розчинення газів у рідинах. Поглинання однієї речовини іншою, що супроводжується хімічними реакціями, називається хемосорбцією.

Поверхневі явища, зокрема адсорбція, відіграють важливу роль у різних галузях техніки. Адсорбція змінює не тільки поверхневі, а й об’ємні властивості напівпровідникових матеріалів, впливає на роботу виходу електронів з поверхні твердих тіл. Процеси адсорбції та десорбції відбуваються при хімічному і електрохімічному травленні, поліруванні напівпровідників та металів, при очищенні поверхні твердих тіл від забруднення тощо. Адсорбція використо-

вується для очищення газів та рідин, виділення залишків газів з вакуумних приладів, розділення та аналізу сумішей, витягування цінних речовин з відходів виробництва і т.д.

Адсорбція називається позитивною, якщо вона призводить до підвищення концентрації речовини у граничному шарі, і негативною, якщо концентрація речовини зменшується. Позитивна адсорбція відбувається самостійно лише в тому випадку, коли при цьому процесі зменшується величина поверхневого натягу. Адсорбція речовин на поверхні твердих та рідких тіл відбувається завдяки неповній насиченості хімічних ван-дер-ваальсових сил у молекул і атомів (іонів), що знаходяться у поверхневих шарах, де кількість сусідніх часток завжди менша, ніж в об’ємі.

Адсорбція залежить від природи адсорбенту та адсорбтиву, від концентрації розчинів, температури і тиску газу. Кількість речовини, що поглинається твердим адсорбентом, залежить також від площі його поверхні. Тому для здійснення адсорбційних процесів дуже важливим є створення високопористих адсорбентів з розвиненою внутрішньою поверхнею, яку характеризує питома поверхня, тобто поверхня 1г сорбенту. Найважливішими пористими сорбентами є активоване вугілля та силікагель. Сучасне активоване вугілля має розвинену систему пор і поверхню до 1000 м²/г. Вугілля є гідрофобним адсорбентом, тобто речовиною, що погано змочується водою. Воно адсорбує речовини, розчинені у воді. Гідрофільні адсорбенти (добре змочуються водою) поглинають водяну пару і речовини, розчинені у неполярних розчинниках – вуглеводневих рідинах. До таких сорбентів відносять силікагель, деякі типи алюмосилікатів тощо.

Адсорбція зменшується з підвищенням температури. При постійній температурі залежність адсорбції від концентрації адсорбтиву описує рівняння Фрейндлиха:

X/m=a*C ⁿ, (4.1)

де Х – загальна кількість розчиненої речовини, що адсорбована адсорбентом масою m і знаходиться у рівновазі з розчином концентрації C;

а та n – константи даного процесу, причому n<1.

Ізотерма адсорбції має такий вигляд (рис. 4.1 а):

13

а б

Рисунок 4.1 – Ізотерми адсорбції

Рівняння (4.1) після логарифмування має вигляд:

lg X/m = lg a +n lg C . (4.2)

Це рівняння прямої (рис. 4.1 б).

4.3 Опис лабораторної установки

Для проведення дослідження адсорбції твердим адсорбентом розчиненої речовини треба мати 100-міліграмові ємності, технічні терези, рівноваги, бюретки на 25 мл, конічні колби на 250 мл, лійки, активоване вугілля, фарфорову ступку з товкачиком, механічний струшувач та допоміжні матеріали і реактиви.

4.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки до її виконання

Розбавлянням 2н розчину оцтової кислоти готують в шістьох колбах розчин:

Таблиця 4.1 – Концентрація вихідних розчинів

Кількість /мл/	150	100	100	100	100	200
Приблизна Концентрація	0,4	0,2	0,1	0,005	0,025	0,0125

Розчини готують так. В колбу №1 наливають 200 мл води, в інші по 100 мл. Потім в колбу 1 додають 50 мл початкового розчину кислоти, перемішують та відбирають 100 мл одержаного розчину приблизної концентрації 0,4 н в колбу №2. 100 мл одержаного розчину 0,2 н концентрації наливають в колбу №3 і одержують розчин 0,1 н і т.д. Поділ розчину виконують піпеткою. 50 мл кожного розчину переносять відповідно в склянки з пробками, при цьому номери склянок повинні відповідати номеру колби.

Точний склад оцтової кислоти визнають титруванням 0,1 н розчином (індикатор фенолфталеїн), при цьому із колб №1 та №2 піпеткою відбирають по 5 мл, із колб №3 та№ 4 по 10 мл, із колб № 5 та №6 по 20 мл розчину.

Титрування кожного розчину проводять два - три рази і з одержаних результатів обчислюють середнє значення.

Для проведення адсорбції в шість склянок, в яких міститься по 50 мл початкових розчинів, вносять по 2г активованого вугілля, зваженого на технічних терезах з точністю до сотих частин грама. Активоване вугілля треба спочатку розтерти у фарфоровій ступці товкачиком.

Склянки старанно збовтують протягом 20 хв. на механічному струшувачу для установки адсорбційної рівноваги, а потім фільтрують вміст кожної склянки в окремі сухі склянки.

Відібравши із фільтратів піпеткою проби в таких же кількостях, які були взяті для початкового титрування, визначають титрування кількість оцтової кислоти , поглинутої двома грамами вугілля з 50 мл розчину. Значеннядорівнює різниці між підсумками початкового та кінцевого титрування (після перерахунку на 50 мл).

Титрування розчину оцтової кислоти до додавання вугілля дає її початкову концентрацію , а титрування фільтрату – її концентрацію –. Після адсорбції Х =C- C₁.

Підсумки наносять на графік: по осі абсцис відкладають значення C, а по осі ординат – значення X/ m, де – вага вугілля (2 г). Отримана крива – це ізотерма адсорбції (рис. 4.1а). Для визначення постійних рівняння (4.2)і, як було показано вище, відкладають на осі абсцис значенняlg C , а на осі ординат - lg X/m . Вимірюють ухил прямої до осі абсцис, що дає величину ; відрізок на осі ординат дорівнює(рис. 4.1). Одержані дані занести до табл. 4.2.

Т а б л и ц я 4.2 – Результати вимірювань та розрахунків

Приблизна Концентрація					lg C

4.5 Контрольні запитання та завдання

1. Що таке адсорбція, абсорбція, сорбція, хемосорбція? Причини виникнення.

2. Що таке адсорбент, адсорбтив? Навести приклади.

3. Рівняння Фрейндліха та його аналіз.

4. В яких одиницях вимірюється адсорбція?

5. Напишіть рівняння Лангмюра, дайте його пояснення.

6. Напишіть рівняння Гіббса та поясніть його.

7. Значення адсорбції для електроніки.