XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Адсорбцией называют процесс самопроизвольного снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз при растворении в системе поверхностно активных веществ. Вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз происходит самопроизвольное увеличение концентрации растворенного вещества. Любая высокомолекулярная система в результате адсорбции стремится к устойчивому равновесному состоянию.

Адсорбция обусловлена, прежде всего, физическими взаимодействиями (Ван-дер-Ваальсовы силы), но на поверхности раздела двух фаз также может идти химическая реакция. Данный процесс называется хемосорбцией.

Адсорбция отличается от хемосорбции по тепловому эффекту, поскольку тепловой эффект физической адсорбции чаще всего равен 8-10 кДж/моль, а тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме этого, хемосорбция в большинстве случаев является локализованной и необратимой.

Выделяемое при адсорбции тепло разделяется на интегральное и дифференциальное. Дифференциальным называют количество теплоты, приходящееся на единицу массы адсорбтива (Дж/моль). Интегральное – количество тепла, выделившегося при заполнении адсорбтивом единицы площади поверхности или массы адсорбента (Дж/м² или Дж/кг). С точки зрения термодинамики адсорбция – процесс выравнивания химического потенциала вещества в глубине объема и межфазном слое.

Таким образом, адсорбция – это явление самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой, следствием которого является снижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Количественной характеристикой адсорбции является величина адсорбции:

Абсолютная (удельная) адсорбция А (моль/кг) – количество вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента;

Избыточная (гиббсовская) адсорбция Г (моль/м²) – избыток/недостаток растворенного вещества в поверхностном слое, отнесенный к единице поверхности;

Способ выражения величины адсорбции выбирается и используется в зависимости от агрегатного состояния адсорбтива и адсорбента, а также от удельной поверхности адсорбента. Существует множество факторов, влияющих на величину адсорбции: давление, объем системы, температура, концентрация растворенного вещества и т.д.

Изотерма адсорбции является самым распространенным способом изображения процесса адсорбции. Так, изотерма адсорбция – это функция количества адсорбируемого вещества от равновесной концентрации (C) для различных растворов или равновесного давления (p) для газовой фазы адсорбтива при постоянной температуре (T=const). На рисунке 1 представлен простейший вид изотермы адсорбции.

Рисунок 1 – Простейшая изотерма адсорбции

Данную изотерму можно описать математически. Для этого используют уравнение: Фрейндлиха

А = К  С^{1 / n},

А = К  р^{1 / n},

где А – величина адсорбции при равновесной концентрации (давлении газа)

К, n – эмпирические константы уравнения.

Данные эмпирические константы находятся графическим способом (рисунок 2). Для этого его приводят к уравнению прямой путем логарифмирования:

ln А = ln К + (1/n) ln р,

ln А = ln К + (1/n) ln С.

Рисунок 2 – Нахождение констант уравнения Фрейндлиха графическим путем

Поскольку во всех адсорбционных уравнениях используется равновесная величина адсорбции, следует учитывать кинематические закономерности при протекании адсорбции.

Различают следующие виды адсорбции в зависимости от агрегатного состояния фаз:

– из раствора на границе с газом;

– газа на твердом теле;

– из раствора на твердой поверхности.

Последний вид адсорбции наиболее распространен, ввиду того, что он является методом разделения смесей и очистки от них производственных растворов.

По сравнению с адсорбцией из газовой фазы, адсорбция из раствора намного сложнее, поскольку данный процесс осложняется наличием растворителя. Различают два вида адсорбции на твердом теле: молекулярная и ионная. Такое разделение основано на степени взаимодействия растворенного вещества с раствором.

Молекулярная адсорбция

При данном виде адсорбции ее величина может быть выражена следующим уравнением:

А= ((C_o – С) / m),

где С_о – начальная концентрация растворенного вещества,

С – конечная концентрация растворенного вещества,

m – масса адсорбента,

V – объем раствора из которого идет адсорбция.

Также при описании изотермы молекулярной адсорбции можно использовать как уравнение Фрейндлиха, так и уравнения Ленгмюра. В данном случае необходимо использовать равновесную концентрацию (С), вместо равновесного давления (р). На величину адсорбции влияют свойства среды, адсорбтива и адсорбента.

Целью данной работы являлось определение удельной поверхности адсорбента. В качестве адсорбента использовался активированный уголь, в качестве адсорбтива – уксусная кислота. Результаты эксперимента, а также расчетные величины приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные

Экспериментальные данные						Расчетные данные
Номер пробирки	Масса угля	Объем пробы, взятой для титрования	Объем 0,1 Н щелочи, пошедшей на титрование			Концентрация к-ты до адсорбции		Концентрация к-ты после адсорбции		Величина адсорбции
			До адсорбции	После адсорбции
№	m, г	V, мл	V, мл	V, мл	Co, моль/л		С, моль/л		А, моль/г
1	2	2	1,3	1,0	0,065		0,15		6,67
2	2	2	0,7	0,6	0,035		0,05		20
3	2	2	17,0	2,6	0,85		7,2		0,139
4	2	2	7,9	6,7	0,395		0,1		10
5	2	2	3,7	2,5	0,185		0,6		1,67
6	2	2	22,5	19,7	1,125		1,4		0,71
7	2	2	31,2	29,0	1,56		1,1		0,91

Из приведенного ниже равенства были рассчитаны точные концентрации кислот после титрования:

Cк Vк = Cщ  Vщ (1), откуда Ск = (СщVщ)/Vк;

1) C_o = 0,065 моль/л;

2) C_o = 0,035 моль/л;

3) C_o = 0,85 моль/л;

4) C_o = 0,395 моль/л;

5) C_o = 0,185 моль/л;

6) C_o = 1,125 моль/л;

7) C_o = 1,56 моль/л.

Затем были установлены концентрации кислот после адсорбции при помощи равенства 1:

1) С = 0,05 моль/л;

2) С = 0,03 моль/л;

3) С = 0,13 моль/л;

4) С = 0,335 моль/л;

5) С = 0,125 моль/л;

6) С = 0,985 моль/л;

7) С = 1,45 моль/л.

Величина адсорбции определялась по формуле:

А = (C_o – С)  V / m;

1) А = 0,015 моль/г;

2) А = 0,005 моль/г;

3) А = 0,72 моль/г;

4) А = 0,06 моль/г;

5) А = 0,06 моль/г;

6) А = 0,14 моль/г;

7) А = 0,11 моль/г.

Найдены величины обратной адсорбции:

1) 1/A = 66,7 г/моль;

2) 1/А = 200 г/моль;

3) 1/А = 1,4 г/моль;

4) 1/A = 16,7 г/моль;

5) 1/A = 16,7 г/моль;

6) 1/A = 7,1 г/моль;

7) 1/A = 9,0 г/моль.

Также были определены величины обратных равновесных концентраций:

1) 1/С = 20,0 л/моль;

2) 1/С =33,3 л/моль;

3) 1/С =7,7 л/моль;

4) 1/С =2,9 л/моль;

5) 1/С =4 л/моль;

6) 1/С =1,0 л/моль;

7) 1/С =0,7 л/моль.

По рассчитанным данным был построен график для нахождения предельного значения величины адсорбции (рисунок 3).

Рисунок 3 – Нахождение предельного значения величины адсорбции.

Также была построена изотерма адсорбции (рисунок 4).

Рисунок 4 – Изотерма адсорбции.

Из графика, представленного на рисунке 3, было установлено предельное значение величины адсорбции:

А_∞ = 0,45 моль/г;

1/А_∞ = 1/0,45 = 2,2 г/моль.

Также из данного графика было найдено значение tgα1/А_∞K:

tgα1/А_∞K = tgα = 1,25.

Tgα = 1/А_∞K;

1,25 = 1/0,45  K

K = 1/(1,25  0,45) = 1,78.

По уравнению Ленгмюра найдена молекулярная адсорбция:

A = A_∞  (K  C) / (K  C+1);

1) А = 0,037 моль/г;

2) А =0,023 моль/г;

3) А =0,085 моль/г;

4) А =0,168 моль/г;

5) А =0,082 моль/г;

6) А =0,287 моль/г;

7)А = 0,324 моль/г.

Итогом данной работы является нахождение удельной поверхности адсорбента по следующей формуле:

S_уд = А_∞  Na  S₀;

S_уд = 0,45  0,001  6,02  10²³ 22 / 10¹⁰ = 595,98  10³ (м²/кг).

Из результата видно, что удельная поверхность активированного угля достаточно высока.

Список использованной литературы:

Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010.

Электронный учебник физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н., Шурай П.Е., Боровская Л.В.Краснодар, 2010.

Электрокоагуляционная очистка воды от коллоидных ПАВ. Боровская Л.В., Доценко С.П.//Современные наукоемкие технологии. 2010. № 4. С. 76-78.

Способ очистки подмыльных щелоков. Данилин В.Н., Доценко С.П., Косачев В.С., Боровская Л.В. Патент на изобретение RUS 2103339 29.12.2008

Прогнозирование фазовых равновесий бинарных систем насыщенных жирных кислот. Данилин В.Н., Доценко С.П., Боровская Л.В., Марцинковский А.В.Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2000. № 1 (254). С. 55-58.

Использование адсорбционных методов очистки нефти от примесей различной природы. Боровская Л.В., Деркач Е.Ю.В сборнике: студенческий научный форум - 2018 2018.

Биоразложение пав и расчет удельной адсорбции. Рогожева И.И., Шадрина Д.С., Боровская Л.В.Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем. 2009. № 7.

Код для цитирования: Скопировать