Методы переменных концентраций и переменных объёмов

Оба метода заключаются в определении разности концентраций элементов (или веществ) в исходном и равновесном растворах [15].

При использовании  метода  переменных концентраций несколько колб (5-7) с навесками подготовленного сорбента заливают растворами с различной концентрацией определяемого компонента при соотношении Т:Ж=(1-4):100 и встряхивают. После достижения состояния равновесия растворы отделяют от сорбента и определяют в них концентрацию вещества.

При использовании метода переменных объёмов одинаковые навески сорбента встряхивают с различными объёмами раствора с постоянной концентрацией исследуемого вещества.  Этот метод используют для изучения сорбции из промышленных растворов, так как получить промышленные растворы с различной концентрацией извлекаемого вещества трудно.

Изотермы строят в виде зависимости между равновесным содержанием вещества в сорбенте и в растворе, т.е. количеством поглощенного вещества единицей массы сорбента (ммоль/г) и равновесной концентрацией его в растворе (ммоль/л).

2.2. Методы определения удельной поверхности твердых тел

Удельная поверхность, под которой понимают поверхность единицы массы (или единицы объема) твёрдого тела, является важнейшей характеристикой катализатора или адсорбента, чаще всего она измеряется в м²/г. Полная поверхность веществ складывается из двух составляющих: внешней поверхности и внутренней поверхности пор. Нанодисперсные системы имеют удельную поверхность выше 100 м²/г, причём её величина обусловлена внешней поверхностью непористых частиц малого размера (порядка нескольких нанометров). Удельная поверхность промышленных адсорбентов достигает 1000 м²/г и более. В данном случае основной вклад в величину удельной поверхности вносит поверхность пор, а размер частиц может достигать нескольких мм.

Существует обширный набор методов и приборов для измерения удельной поверхности веществ [1, 9-13]. Внешнюю удельную поверхность сыпучих материалов без учёта поверхности, заключённой в микротрещинах и порах, определяют по перепаду давления воздуха при его протекании через слой вещества. Измерения можно проводить при постоянной скорости протекания воздуха через слой порошка, а также при пропускании определённого объёма воздуха под переменным давлением. Внешнюю удельную поверхность рассчитывают по следующей формуле:

                ,                                             (2.1)

где t – продолжительность прохождения воздуха, с; m – навеска вещества, г;    К – коэффициент, определяющий объём пропущенного воздуха; М – гидравлический коэффициент, рассчитываемый по формуле:

                 ,                        (2.2)

где Н – высота слоя порошка; h – вязкость воздуха, соответствующая его температуре.

Среди существующих методов определения величины удельной поверхности пористых веществ наиболее достоверные данные дают адсорбционные методы. Кроме прямых методов измерения адсорбции, известны также многочисленные косвенные методы. Они основаны, например, на корреляциях между адсорбцией и электропроводностью адсорбента, его электрической ёмкостью, теплотой смачивания, степенью изотопного обмена, изменением работы выхода электрона, результатами различных спектроскопических методов, по цвету индикатора и т.д.

Например, для исследования физической адсорбции используется калориметрический метод измерения теплоты смачивания пористого тела жидкостью. Погружение твердого тела в химически инертную смачивающую его жидкость сопровождается самопроизвольным падением поверхностной энергии и выделением теплоты в системе. Тепловыделение D Н при смачивании близко к интегральной теплоте адсорбции при образовании монослойного покрытия, которая пропорциональна поверхности адсорбента S _уди равна:

                                          D Н = h S _уд,                                                                                 (2.3)

где h – теплота смачивания единицы поверхности.

В сопоставимых условиях контакта свойства единицы поверхности раздела твердое тело–жидкость для каждой определённой системы являются постоянными, т.е. h = const.