X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Адсорбция – это самопроизвольное концентрирование (сгущение) молекул газообразного или растворенного вещества на поверхности конденсированного тела, приводящее к уменьшению поверхностного натяжения у более конденсированной фазы.

Адсорбцию вызывают прежде всего межмолекулярные вандерваальсовые силы притяжения, однако адсорбированные молекулы могут при соответствующих условиях вступать в химическое взаимодействие с поверхностью адсорбента. Поэтому различают физическую и химическую адсорбцию. Химическую адсорбцию называют хемосорбцией. Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты, при этом интегральная теплота физической адсорбции невелика (8–15 кДж/моль), а теплота хемосорбции близка к энергии химической реакции (80–400 кДж/моль). Адсорбция характеризуется величиной адсорбции, которая может быть выражена различными способами, наиболее распространенными из которых являются:

1)величина адсорбции Г (кмоль/м²) – это количество адсорбтива, приходящегося на единицу поверхности адсорбента;

2)величина адсорбции A (кмоль/кг)– это количество адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента;

3)величина адсорбции V (м³ /кг) – это объем адсорбированного вещества (обычно газа) на единицу массы адсорбента.

Каждый способ выражения величины адсорбции применяется в зависимости от агрегатного состояния фаз адсорбента и адсорбтива, от возможности определить удельную поверхность адсорбента. Величина адсорбции зависит от температуры, давления, объема системы, концентрации растворенного вещества, удельной поверхности, радиуса кривизны поверхности и т.д. С повышением температуры величина адсорбции уменьшается, так как усиливается обратный процесс – десорбция.

Процесс адсорбции можно представить различными способами, но самой распространенным является изотерма адсорбции - функция количества адсорбируемого вещества (Г, A или V) от равновесной концентрации (С) для растворов или равновесного давления (р) для газовой фазы адсорбтива при постоянной температуре, простейший вид которой показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Простейшая изотерма адсорбции

Для математического описания изотерм часто пользуются эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

A = K p 1/n , АС1/n ,

где A – величина адсорбции при равновесном давлении газа (p) или равновесной концентрации раствора (С);

K , n – эмпирические константы уравнения.

Входящие в уравнение константы находят графически (рис. 3), для чего путем логарифмирования его приводят к уравнению прямой:

ln A = ln K + (1/n) ln p,

ln A = ln K + (1/n) ln С

Кинетика адсорбции определяется двумя этапами: диффузией вещества к поверхности и собственно адсорбцией; адсорбционное равновесие для газов достигается быстро (даже в течение доли секунды), а для растворов – медленно (до нескольких часов).

Во всех адсорбционных уравнениях используется равновесная величина адсорбции, поэтому следует учитывать кинетические закономерности протекания адсорбции.

Рисунок 2 – Графическое нахождение констант уравнения Фрейндлиха

В зависимости от агрегатного состояния фаз различают адсорбцию:

а) из раствора на границе с газом;

б) из раствора на твердой поверхности;

в) газа на твердом теле

Адсорбция из раствора на твердом теле является практически наиболее распространенной, так как является основным методом разделения смесей и очистки производственных растворов от смесей. Адсорбция из раствора более сложна по сравнению с адсорбцией из газовой фазы тем, что здесь явление сильно усложняется наличием третьего компонента – растворителя, который является конкурентом при адсорбции растворенного вещества. В зависимости от степени взаимодействия растворенного вещества с растворителем различают молекулярную и ионную адсорбцию из раствора на твердом теле.

Молекулярная адсорбция

При молекулярной адсорбции величина адсорбции может быть определена по уравнению:

А=((С₀-С)/m),

где С₀, С – начальная и равновесная концентрации растворенного вещества;

m – масса адсорбента;

V – объем раствора, из которого идет адсорбция.

Кроме того, для описания изотермы молекулярной адсорбции могут быть использованы как уравнения Ленгмюра, так и уравнение Фрейндлиха. При этом вместо равновесного давления (Р) надо использовать равновесную концентрацию (С). На значение величины молекулярной адсорбции влияют свойства среды, адсорбента и адсорбтива.

Мы ставили своей целью рассчитать предельную адсорбцию кислоты по изотерме адсорбции при очистке подкисленной воды с помощью активированного угля. Для этого брали несколько растворов подкисленной воды разных концентраций.

Таблица 1 – Результаты эксперимента и рассчитанные величины

Экспериментальные данные						Расчетные данные
Номер пробирки	Масса угля	Объем взятой пробы для титрования	Объем 0,1 Н щелочи, пошедшей на титрование пробы		Конц-ция к-ты до адсорбции		Кон-ция к-ты после адсорбции	Величина адсорбции
			До адсорбции	После адсорбции
№	m, г	V, мл	V исх, мл	V равн, мл	C₀, моль/л		C, моль/л	А, моль/г
1	2	100	25	0,57	0,02		0,00285	0,1715
2	2	100	25	22,1	0,1		0,1105	0,235
3	2	100	25	3,55	0,37		0,101775	3,5825
4	2	100	25	10,2	0,75		0,051	6,99
5	2	100	25	19,2	1,24		0,099	11,41
6	2	100	50	28,7	1,6		0,1435	14,565

Рассчитали точные концентрации кислот после титрования из равенства:

Cк*Vк=Cщ*Vщ, (1); отсюда Cк=(Сщ*Vщ)/Vк, (2)

X1=0,02 моль/л

Х2=0,1 моль/л

Х3=0,37 моль/л

Х4=0,75 моль/л

Х5=1,24 моль/л

Х6=1,6 моль/л

Установили концентрации кислот после адсорбции по формуле 1:

Х1=0,00285 моль/л

Х2=0,1105 моль/л

Х3=0,101775 моль/л

Х4=0,051 моль/л

Х5=0,099 моль/л

Х6=0,1435 моль/л

Определили величины адсорбции по формуле:

A=(C0-C)*V/m, (3)

А1=0,1715 моль/г

А2=0,235 моль/г

А3=3,5825 моль/г

А4=6.99 моль/г

А5=11,41 моль/г

А6=14,565 моль/г

Нашли величины обратной адсорбции:

1/A1=5,831 г/моль

1/A2=4,25 г/моль

1/A3=0,279 г/моль

1/A4=0,143 г/моль

1/A5=0,088 г/моль

1/A6=0,069 г/моль

Нашли равновесные концентрации по формуле:

Cравн=С1-С2, (4)

Сравн1=3,38-0,57=2,81

Сравн2=26,8-22,1=4,7

Сравн3=7,39-3,55=3,84

Сравн4=15,05-10,2=4,85

Сравн5=24,8-19,8=5

Сравн6=32,55-28,7=3,85

Определили величины обратных равновесных концентраций:

1/Cравн1=0,356

1/Cравн2=0,213

1/Cравн3=0,260

1/Cравн4=0,206

1/Cравн5=0,2

1/Cравн6=0,026

График 1 –Нахождение предельного значения величины адсорбции

График 2 – Изотерма адсорбции

Из графика 1 установили предельное значение величины адсорбции:

A∞=0,32 моль/г

1/ A∞=1/0,32; из графика нашли, что Tan1/A∞*K = Tanα = 1,98. Рассчитали константу равновесия адсорбции:

Tanα = 1/A∞*K;

1,98 = 1/0,32*K, отсюда K=1,59

Нашли молекулярную адсорбцию по уравнению Ленгмюра:

A=A∞*(K*C)/(K*C+1), (5)

A1=0,262

А2=0,282

А3=0,275

А4=0,283

А5=0,284

А6=0,275

Определили удельную поверхность адсорбента по формуле:

Sуд=A∞*Na*S₀, (6)

Sуд=0,32*1/10³(моль/кг)*6,02*10²³(1/моль)*22*1/10¹⁰(м²) = 423,808*10³(м²/кг)

Список использованной литературы

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

Хмельницкий А.И. Физическая и коллоидная химия. М.: ООО «Издательский дом Альянс», 2009 – 400с.

Сумм. Б. Д. Основы коллоидной химии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2009.- 240 с.

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

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш. шк., 1992. 414 с.

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

Код для цитирования: Скопировать