Изучение адсорбции уксусной кислоты из водного раствора на активированном угле.

Цель работы: экспериментальное определение изотермы адсорбции одноосновной карбоновой кислоты из водного раствора на активированном угле. Использование уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания хода изотермы адсорбции. Вычисление удельной поверхности адсорбента.

В результате выполнения данной работы студент должен:

– знать теоретические основы процесса адсорбции из водных растворов на твердом адсорбенте;

– уметь провести обработку экспериментальных данных на основании уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха;

– получить изотерму адсорбции, рассчитать параметры изотермы адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха.

 

Оборудование и реактивы: конические колбы (250 см³) с пробками, конические колбы (100 см³), пипетки, бюретки, весы технические ВЛТЭ – 500, воронки, фарфоровая ступка и пестик, фильтровальная бумага (синяя лента), шейкер (встряхиватель) типа S3, водный раствор уксусной кислоты (c (CH₃COOH) = 1,0 моль/дм³), водный раствор пропионовой кислоты (c (C₂H₅COOH) = 1,0 моль/дм³), водный раствор гидроксида натрия (c (NaOH) = 0,1 и 0,4 моль/дм³), твердый адсорбент – активированный уголь.

 

Порядок выполнения работы.

По заданию преподавателя в колбах вместимостью 250 см³ приготовить из рабочего раствора ПАВ шесть растворов объемом 50 см³ с различной молярной концентрацией карбоновой кислоты. Требуемые объемы рабочего раствора карбоновой кислоты и дистиллированной воды занести в таблицу 1. Для приготовления растворов использовать две бюретки вместимостью 50 см³.

Таблица 1 – Приготовление серии растворов уксусной кислоты для изучения адсорбции на активированном угле (рабочий раствор с (………) = 1,0 моль/дм³)

№	Молярная концентрация уксусной кислоты, c, моль/дм^3	Аликвотная часть рабочего раствора, VA, см^3	Объем воды, V (H2O), см^3

 

1. Активированный уголь (таблетки) измельчить в фарфоровой ступке и с использованием технохимических весов взять шесть навесок адсорбента по 1,00 г с точностью ± 0,01 г.

2. В колбы с приготовленными растворами внести навески 1,00 г активированного угля, закрыть их пробками и установить на встряхиватель. По достижении адсорбционного равновесия в системе (встряхивание 1–1,5 ч.) растворы ПАВ отделить от адсорбента фильтрованием (фильтр – синяя лента), отбрасывая первые порции фильтрата ≈ 7 – 10 см³ (почему?). Остальной объем фильтрата использовать для определения равновесной концентрации ПАВ титрованием раствором щелочи в присутствии фенолфталеина. Провести 2–3 параллельных титрования каждого раствора. Целочисленные значения аликвот и концентрацию титранта подобрать, ориентируясь на начальную концентрацию карбоновой кислоты, так, чтобы на титрование пошло 10 – 20 см³ титранта. Полученные результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты определения равновесной концентрации уксусной кислоты после адсорбции (титрант – раствор гидроксида натрия)

№	Молярная концентрация карбоновой кислоты до адсорбции, co, моль/дм^3	Молярная концентрация титранта, с т, моль/дм^3	Аликвотная часть фильтрата, VA,см^3	Объем титранта, VT, см^3	Молярная концентрация карбоновой кислоты после адсорбции, сравн, моль/дм^3

 

3. Используя формулу (10.2), рассчитать гиббсовскую адсорбцию (в ммоль/г), полученные данные занести в таблицу 3. Далее построить изотерму адсорбции, откладывая по оси абсцисс значения равновесной концентрации кислоты после адсорбции, а по оси ординат – гиббсовскую адсорбцию (рисунок 1).

 

Таблица 3 – Сводные экспериментальные и расчетные данные для построения изотермы адсорбции уксусной кислоты из ее водных растворов на активированном угле (объем раствора ПАВ 50 см³)

№	Молярная концентрация уксусной кислоты до адсорбции, c0, моль/дм^3	Молярная концентрация уксусной кислоты после адсорбции, ср, моль/дм^3	Масса угля, m, г	Гиббсовская адсорбция, Г, ммоль/г	1/ с р	1/ Г	lg с р	lg Г

 

4. Для нахождения параметров уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха построить графики зависимости 1/ Г от 1/ с_р и lg Г от lg c_р, обрабатывая полученные прямые по МНК (рисунки 2 и 4). Записать явный вид обоих уравнений, заменяя буквенные обозначения параметров их числовыми значениями, и на одном графике сопоставить ход экспериментально определенной изотермы адсорбции с расчетным ходом изотерм в соответствии с найденными уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха.

3. Используя найденное значение предельной адсорбции Γ_∞, рассчитать по формуле (10.5) удельную поверхность активированного угля.

 

Вопросы и задачи для самостоятельного решения

1. Условия конкурентной и избирательной адсорбции из растворов на твердых адсорбентах. Правило уравнивания полярностей. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Расчет избыточной адсорбции ПАВ из экспериментальных данных и его теоретическое обоснование.

2. Признаки изотермы адсорбции ленгмюровского типа. Модельные и эмпирические уравнения, описывающие изотерму избирательной адсорбции ПАВ из раствора на твердом адсорбенте. Расчет параметров уравнений из экспериментальных данных.

3. Определение величины удельной поверхности адсорбента.

4. Полимолекулярная адсорбция, вид ее изотермы и расчет величины удельной поверхности адсорбента по теории БЭТ.

5. Сколько литров аммиака при 273 К и 1 атм может адсорбироваться на поверхности 25 г активированного угля, если образуется мономолекулярный слой. Поверхность 1 г угля примите равной 950 м³. Диаметр молекулы 3 Å. Ответ: 12,62 дм³

6. Вычислить площадь поверхности катализатора, 1 г которого при образовании монослоя адсорбирует при н.у. 83 cм³ азота. Примите, что эффективная площадь, занятая молекулой азота равна 16,2·10^-20 м². Ответ: 361,5 м².

7. Найдите степень заполнения поверхности^* аэросила при адсорбции натриевой слои бензилпенициллина из раствора концентрации 0,004; 0,0075; 0,011 моль/дм³, если адсорбция описывается уравнением Ленгмюра с константой адсорбционного равновесия 790 дм³/моль. Ответ: 0,760; 0,856; 0,897.

^* Степень заполнения поверхности адсорбента θ = Г/Г_∞.

Вопросы и задачи приложить к отчету.

11. Тема 9. Физикохимия дисперсных систем. Классификация дисперсных систем. Лиофобные коллоидные системы (золи), их получение, свойства. Коагуляция золей электролитами. Правило Шульце-Гарди.

 

Теоретические аспекты:

Коллоидные растворы (золи) – это гетерогенные системы, обладающие большой свободной энергией поверхности, т.е. они термодинамически неустойчивы. Различают кинетическую и агрегативную устойчивость золей. Кинетическая устойчивость золей обеспечивается броуновским движением частиц дисперсной фазы, которое противодействует оседанию частиц под действием силы тяжести. Причиной агрегативной устойчивости золей является наличие у частиц одноименных зарядов и сольватных оболочек, которые препятствуют слипанию частиц.

Коагуляция золей – процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты вследствие потери агрегативной устойчивости. Процесс коагуляции могут вызвать различные факторы: изменение температуры, механическое воздействие, облучение, добавление растворов электролитов. Наиболее изучена и имеет практическое наибольшее практическое значение коагуляция золей электролитами.

Сильные электролиты вызывают коагуляцию золей, при достижении (электролитов) концентрации их в растворе некоторого значения, называемого порогом коагуляции.

Порог коагуляции (с _к) – минимальное количество электролита (в молях), которое надо добавить к 1 л золя, чтобы вызвать начало коагуляции за определенный промежуток времени. Порог коагуляции рассчитывается по формуле:

[моль]

Коагулирующее действие электролитов подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагуляцию вызывают ионы с зарядом, противоположном заряду гранулы, а коагулирующая способность тем выше, чем выше заряд коагулирующего иона.

Таким образом, лучшим коагулятором является тот электролит, который имеет наименьший порог коагуляции для данного золя.

Дерягин и Ландау с помощью теоретических расчетов показали, что значения порогов коагуляции для коагулирующих ионов различного заряда относятся как с _к⁽⁺¹⁾: с _к⁽⁺²⁾: с _к⁽⁺³⁾ ~ : : , т.е. коагулирующее действие ионов растет пропорционально обратному значению шестой степени величины заряда иона.

Лабораторная работа №8.