Определение удельной поверхности адсорбента

Определение удельной поверхности адсорбента.

В последнее время все более широкое применение в медици­не находят методы экстракорпоральной детоксикации организма, исп­ользуемые при многих патологических состояниях организма. Такие методы обработки биологических жидкостей (крови, плазмы, лимфы) основаны на способности многих веществ адсорбироваться на поверхности раздела фаз.

Адсорбция - процесс самопроизвольного концентрирования поверхностно активных веществ в поверхностном слое в результате перехода его из объема фазы.

Поверхностно активные вещества обладают двойственной ди­фильной природой. Молекулы их состоят из полярной части, хорошо взаимодействующей с водой - это группы -COOH, -COO , -OH , -SO₃H, -NH₂, и т.д. (гидрофильная часть молекулы), и неполярного углеводородного радикала (гидрофобная часть).

Поверхность раздела фаз характеризуется особым энергети­ческим состоянием атомов и молекул, находящихся на границе раз­дела. Это энергетическое состояние характеризуется избытком сво­бодной поверхностной энергии.

Граница раздела жидкость - газ характеризуется поверх­ностным натяжением. Его можно определить как частную производную любой характеристической функции по площади раздела фаз при со­ответствующих постоянных:

Все функции и параметры относятся к системе в целом.

Из данного определения следует, что

Граница раздела фаз жидкость - жидкость характеризуется межфазным натяжением, твердое - газ кристаллоповерхностным дав­лением.

Адсорбция поверхностноактивных веществ (ПАВ) приводит к снижению избытка свободной поверхностной энергии - переходу сис­темы в состояние с меньшей поверхностной энергией.

Для адсорбции наиболее часто используют твердые адсорбен­ты, и самой важной характеристикой их является удельная поверх­ность - величина поверхности раздела фаз, приходящаяся на едини­цу массы или объема адсорбента.

м²/кг или м²/м³

Наиболее распространенными методами определения удельной поверхности являются адсорбционные методы. Используя их, величи­ну поверхности, приходящуюся на единицу массы материала, вычис­ляют по количеству поглощенных этой поверхностью веществ из рас­твора или газовой фазы. Правильный расчет удельной поверхности возможен, если известно строение адсорбционных слоев.

Известны два типа адсорбции: мономолекулярная и полимо­лекулярная. В первом случае поглощаемое вещество распределяется по поверхности адсорбента, образуя слой, толщина которого не превышает размеров одной молекулы. Адсорбция по второму типу при­водит к образованию на поверхности раздела нескольких слоев ад­сорбированного вещества.

Расчет удельной поверхности по данным мономолекулярной адсорбции достаточно прост. При этом используется формула

где: - максимально возможное число моль вещества, поглощенное 1 г адсорбента;

N_а - число Авогадро;

S₀ - площадь, занимаемая одной молекулой адсорбированного вещества при максимальной упаковке молекул в адсорбционном слое.

Обычно величина S₀ приводится в справочниках.

Для нахождения величины m используют уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции, предложенное И.Ленгмюром:

где: m - количество адсорбированного вещества при данной конце­нтрации С;

b - постоянная.

Задача эксперимента сводится к определению конкретного вида зависимости адсорбции от концентрации. Если эта зависимость установлена, то константы уравнения находят, представляя изотер­му в координатах (1/m , 1/С).Как видно из рисунка 2 в этих координатах изотерма представляет собой прямую, уравнение которой:

m 1/m

1/m_∞

C 1/C

Рис.1 Изотерма Ленгмюра Рис.2 Спрямленная изотерма

Ленгмюра.

Для вычисления адсорбции необходимо измерить концентрацию до адсорбции С₁ и после достижения адсорбционного равновесия С₂.

Расчет производят по формуле:

где: V - обьем раствора;

а - навеска адсорбента.

Способ определения концентраций С₁ и С₂ зависит от свойств адсорбируемого вещества. Например, если адсорбируются карбоновые кислоты, то наиболее просто установить их концентрацию титрованием щелочью. В случае применения радиоактивных веществ, концентрация последних устанавливается измерением радиоактивности.

Если в качестве адсорбируемого соединения используется низкомолекулярные ПАВ - спирты или карбоновые кислоты, в водных растворах которых адсорбционное равновесие устанавливается дос­таточно быстро, можно использовать для определения концентрации ПАВ измерение поверхностного натяжения.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации для большинства ПАВ описывается уравнением Б. Шишковского:

где: - поверхностное натяжение раствора ПАВ концентрации С;

- поверхностное натяжение чистой воды;

а, b - постоянные уравнения.

Зависимость адсорбции от поверхностного натяжения и концентрации дается уравнением Гиббса:

В данной работе удельную поверхность определяют по адсорбции уксусной кислоты активированным углем.