Определение характеристик сорбции магния фосфатным сорбентом методом фронтальной хроматографии Приборы и материалы
Сорбент на основе фосфата циркония (диаметр гранул 0,2-0,4 мм, с 7% содержанием Zr,просушен при 100оС), аналитические весы, стакан на 50 мл, хроматографическая колонка с Ǿ 54 мм с хроматографической системой, зажимом и штативом, 1 л примерно 0,02 МMgSO4, 1 л аммиачно-буферного раствора, микробюретка на 5 или 10 мл, 0,01н Трилон Б, 10 пронумерованных пузырьков на 50 мл, 2 пипетки на 10 мл, пипетка на 5 мл, груша, дистиллированная вода, сухая индикаторная смесь эриохрома черного Т, проволока, ножик или пластмассовая ложечка, 2 колбочки для титрования на 100 мл, стекловата, цилиндр на 25 мл, рН-метр-иономер с ионоселективными электродами на магний, к нему фильтровальная бумага и пластмассовые стаканы на 50 мл не менее 5 шт, промывалка.
Ход работы
Рис.1 Лабораторная установка
1-Колба с исходным раствором соли щелочноземельного металла
2-Хроматографическая система
3-Хроматографическая колонка
4-Слой раствора
5-Слой загрузки сорбента, в самом низу колонки-стекловата
6-Зажим
7-Штатив с держателем
8-Колба с элюатом (фильтратом)
1.Взвешиваем на аналитических весах точно 1,900 г сорбента (mс), помещаем в стаканчик, добавляем 30 мл дистиллированной воды с предварительно измеренным рНо, после 30 мин измеряем рН30и помещаем сорбент в колонку. Следим за тем, чтобы сорбент ровно разместился по колонке, используя проволоку. Отмечаем высоту загрузки ι. К раствору магния добавляем 0,01 г сухого гидроксида натрия. Тщательно размешиваем не менее 5 минут. Измеряем рН получившегося исходного раствора. Измеряем концентрацию исходного раствора соли прямым титрованием. Исходные данные заносим в табл.1
2.Готовим раствор 0,02 МMgSO4из 0,05. Для этого берем 500 мл раствора, помещаем их в мерную колбу на 1 л и доводим дистиллированной водой до метки. Аккуратно перемешиваем. Подсоединяем колонку к хроматографической системе (рис.1) и пропускаем раствор соли магния со скоростью не более 1 мл/мин (15 капель/мин ), регулируя скорость протекания с помощью зажима. Скорость поддерживаем постоянной, для этого ослабляем или усиливаем кольцо зажима.
Элюат отбираем фракциями по 25 мл в цилиндр на 25 мл. Фильтрат переливаем в пузырек №1 и т.д. Время начала отбора и конец отбора записываем в табл.2. В элюате измеряем сначала рН раствора (в чистых сухих стаканчиках у рН-метра), затем концентрацию магния с помощью прямого титрования. Делаем по 2 параллели и рассчитываем среднюю концентрацию, а оставшиеся 5 мл раствора остаются в пузырьке для возможного переделывания результата. Хроматографирование проводим до равенства концентрации магния в исходном растворе и фильтрате.
Табл.1 Исходные данные
|
Масса сорбента mс, г |
1,900 |
|
Диаметр колонки d, см |
0,55 см |
|
Номер колонки |
2 |
|
рНоводы |
7,73 |
|
рН30воды |
7,73 |
|
Высота загрузки ι, см |
10,3 |
|
Объем загрузки Vз= π*d2* ι /4, см3 |
2,1863 |
|
Площадь загрузки Sл= π*d2*/4, см2 |
0,21226 |
|
Величина рН исходного раствора |
5,94 |
|
Объем, пошедший на титрование холостой пробы, Vх, мл |
10 |
|
Концентрация исходного раствора Со, ммоль/мл и Со, мг/мл по титрованию |
0,01; 0,24 |
|
Объем, пошедший на титрование исходного раствора Vи, мл (два значение и среднее) |
20,5;20,0; среднее20,25 |
3. Величину рН измеряем на рН-метре, используя промывалки для промывки электродов после измерений и салфетки для обсушивания электродов после промывки. Электроды на рН после измерения не оставляем на воздухе, а опускаем в пластмассовый стаканчик с дистиллированной водой.
4. Измерение концентрации магния методом прямого титрования:
В качестве индикатора при определении магния берут индикаторную смесь эриохрома черного Т. К 5 мл аммиачно-буферного раствора, добавляют индикаторную смесь на кончике ложечки (цвет образовавшегося раствора должен стать сиреневым), прилить 10 мл пробы и титровать 0,01 н раствором Трилона Б с помощью бюретки до перехода красноватой окраски раствора в сиреневую, но не синюю, иначе произойдет перетитрование. Титрование повторяют 2 раза.
Если после добавления пробы в колбочку с индикатором и буферным раствором цвет остался сиреневым (не перешел в красноватый), следовательно, данная концентрация металла лежит за пределами чувствительности метода, в таблице записывается С=0.
Концентрация магния равна: 0,01 н
Нормальная концентрация: СN=Cтр*Vтр/Vпр, ммоль-экв/мл
Молярная концентрация: С=0,5*СN, ммоль/мл,
Массовая концентрация для магния: Ср=24,305*С, мг/мл
где:
Стр,Vтр,Vпрсоответственно нормальная концентрация Трилона Б, ммоль-экв/мл, объем Трилона Б, пошедший на титрование (средний из двух титрований), мл и объем пробы, мл.
Все результаты заносятся в табл.2.
Табл.2. Данные опыта:
Время начала фильтрования фракции - 1, мин
Время окончания фильтрования фракции - 2, мин
Время фильтрования фракции - ∆, мин
Объем фракции - Vi, мл (берем по 25 мл)
Общий объем фракций, или объем пропущенного раствора – V=ΣVi, мл
Объемная скорость - U, мл/мин (U=Vi/∆)
Линейная скорость, см/мин - W=U/Sл, гдеSл- площадь загрузки сорбента
рН- показатель концентрации ионов водорода, измеренный на приборе
|
№ |
1 |
2 |
∆ |
Vi |
ΣVi |
U |
рН |
Данные титрования |
W | |||||
|
V1 |
V2 |
Vср |
СN |
C, ммоль/мл |
Ср, мг/мл | |||||||||
|
1 |
11.00 |
11,05 |
5,10 |
25 |
25 |
4,90 |
2,12 |
9,9 |
10,2 |
10,05 |
0,010 |
0,005 |
0,12 |
23,1 |
|
2 |
11,06 |
11,11 |
5,06 |
25 |
50 |
4,94 |
2,24 |
13,0 |
13,2 |
13,10 |
0,013 |
0,006 |
0,15 |
23,3 |
|
3 |
11,12 |
11,17 |
5,04 |
25 |
75 |
4,96 |
2,37 |
14,5 |
14,5 |
14,50 |
0,014 |
0,007 |
0,17 |
23,3 |
|
4 |
11,18 |
11,23 |
5,00 |
25 |
100 |
5,00 |
2,44 |
15,3 |
15,2 |
15,25 |
0,015 |
0,007 |
0,18 |
23,5 |
|
5 |
11,24 |
11,28 |
4,53 |
25 |
125 |
5,52 |
2,53 |
15,8 |
15,8 |
15,8 |
0,015 |
0,007 |
0,19 |
26,0 |
|
6 |
11,29 |
11,34 |
4,55 |
25 |
150 |
5,49 |
2,60 |
16,2 |
16,6 |
16,40 |
0,016 |
0,008 |
0,19 |
25,9 |
|
7 |
11,35 |
11,39 |
4,55 |
25 |
175 |
5,49 |
2,41 |
16,9 |
16,9 |
16,90 |
0,016 |
0,008 |
0,20 |
25,9 |
|
8 |
11,40 |
11,45 |
4,50 |
25 |
200 |
5,56 |
2,72 |
17,1 |
17,0 |
17,05 |
0,017 |
0,008 |
0,20 |
26,2 |
|
9 |
11,46 |
11,50 |
4,40 |
25 |
225 |
5,68 |
2,75 |
17,2 |
17,5 |
17,35 |
0,017 |
0,008 |
0,21 |
26,8 |
|
10 |
11,51 |
11,55 |
4,48 |
25 |
250 |
5,58 |
2,79 |
17,8 |
17,5 |
17,65 |
0,017 |
0,008 |
0,21 |
26,3 |
|
11 |
11,56 |
12,00 |
4,45 |
25 |
275 |
5,62 |
2,86 |
17,8 |
17,8 |
17,80 |
0,017 |
0,008 |
0,21 |
26,4 |
|
12 |
12,01 |
12,05 |
4,35 |
25 |
300 |
5,75 |
2,88 |
18,0 |
18,0 |
18,00 |
0,018 |
0,009 |
0,21 |
27,1 |
|
13 |
12,06 |
12,10 |
4,28 |
25 |
325 |
5,84 |
2,94 |
18,3 |
18,3 |
18,30 |
0,018 |
0,009 |
0,22 |
27,5 |
|
14 |
12,11 |
12,17 |
6,55 |
25 |
350 |
3,82 |
2,91 |
18,7 |
18,9 |
18,80 |
0,018 |
0,009 |
0,22 |
18,0 |
|
15 |
12,18 |
12,28 |
10,2 |
25 |
375 |
2,44 |
2,93 |
19,0 |
19,0 |
19,00 |
0,019 |
0,009 |
0,23 |
11,5 |
|
16 |
12,29 |
12,40 |
10,5 |
25 |
400 |
2,38 |
2,90 |
19,5 |
19,8 |
19,65 |
0,019 |
0,009 |
0,23 |
11,2 |
|
17 |
12,41 |
12,52 |
11,0 |
25 |
425 |
2,27 |
2,93 |
19,9 |
20,0 |
19,95 |
0,020 |
0,010 |
0,24 |
10,7 |
В табл.3 проводим результаты расчетов характеристик сорбции по формулам:
Концентрация магния в твердой фазе Стх=(Со-Ср)*V/mс,
степень сорбции Si=(Cо-Cр)/Со,
степень проскока П=Ср/Со.
По результатам расчетов строим графики: "рН-V", "S-V", "П-V", "Cт-Cр", "Cт-V", "lgCт-lgCр".
Табл.3. Результаты расчетов
|
№ |
Стх, мг/г |
Ст, мг/г |
Si |
Кdi, мл/г |
П |
Д,мг/г |
ПДОЕ, мг/г |
Кочi |
Ккi |
Kdi |
|
1 |
0,623 |
0,620 |
0,49 |
45,84 |
0,5 |
0,5 |
5,0 |
1,97 |
6,46 |
45,84 |
|
2 |
0,557 |
1,177 |
0,34 |
24,11 |
0,7 |
1,51 |
4,43 |
24,11 | ||
|
3 |
0,487 |
1,664 |
0,27 |
17,20 |
0,7 |
1,36 |
3,50 |
17,20 | ||
|
4 |
0,439 |
2,103 |
0,23 |
14,01 |
0,8 |
1,30 |
3,00 |
14,01 | ||
|
5 |
0,397 |
2,500 |
0,20 |
11,78 |
0,8 |
1,25 |
2,61 |
11,78 | ||
|
6 |
0,351 |
2,851 |
0,17 |
9,70 |
0,8 |
1,20 |
2,23 |
9,70 | ||
|
7 |
0,308 |
3,159 |
0,14 |
8,01 |
0,9 |
1,17 |
1,90 |
8,01 | ||
|
8 |
0,294 |
3,454 |
0,14 |
7,52 |
0,9 |
1,16 |
1,80 |
7,52 | ||
|
9 |
0,266 |
3,720 |
0,12 |
6,57 |
0,9 |
1,14 |
1,60 |
6,57 | ||
|
10 |
0,237 |
3,957 |
0,11 |
5,65 |
0,9 |
1,12 |
1,40 |
5,65 | ||
|
11 |
0,222 |
4,179 |
0,10 |
5,20 |
0,9 |
1,11 |
1,30 |
5,20 | ||
|
12 |
0,201 |
4,380 |
0,09 |
4,62 |
0,9 |
1,10 |
1,17 |
4,62 | ||
|
13 |
0,170 |
4,550 |
0,07 |
3,76 |
0,9 |
1,08 |
0,97 |
3,76 | ||
|
14 |
0,114 |
4,664 |
0,05 |
2,40 |
1,0 |
1,05 |
0,63 |
2,40 | ||
|
15 |
0,091 |
4,755 |
0,04 |
1,87 |
1,0 |
1,04 |
0,50 |
1,87 | ||
|
16 |
0,012 |
4,767 |
0,01 |
0,24 |
1,0 |
1,01 |
0,07 |
0,24 | ||
|
17 |
0,006 |
4,773 |
0,00 |
0,11 |
1,0 |
1,00 |
0,03 |
0,11 | ||
|
Стmax=4,773 |
|
|
|
|
|
|
|
| ||
Графическое отображение результатов эксперимента:
Рис.2 Рис.3
Рис.4 Рис.5
Рис.6 Рис.7
Рис.2 График зависимости величины рН раствора от объема пропущенного раствора
Рис.3 График зависимости степени извлечения магния от объема пропущенного раствора
Рис.4 График зависимости степени проскока от объема раствора
Рис.5 График зависимости концентрации магния в твердой фазе от равновесной концентрации магния в растворе
Рис.6 График зависимости концентрации магния я в твердой фазе от объема пропущенного раствора
Рис.7 График зависимости логарифма концентрации магния в твердой фазе от логарифма равновесной концентрации магния в растворе
Находим удерживаемый объем Vmrиз графика"П-Vx"
при П=0,5, примерную динамическую емкость
Д из графика "Cт-Cр",
полную динамическую емкость
ПДОЕ=10-3*Σ(Vi*Si)*С0/mc,
рассчитываем коэффициент очистки воды
по металлу Кочi=1/(1-Si),
коэффициент концентрирования металла
в сорбенте Ккi
=∑(Si*Vi)/mc,
мл/г, коэффициент распределенияKdi=
.
5.Десорбция водой и 1 М азотной кислотой. После пропускания раствора последней фракции, систему осторожно снимаем, а колонку закрываем пробкой. Раствор магния выливаем обратно в бутыль, вместо бутыли с раствором сульфата магния ставим бутыль с водой и пропускаем 100 мл воды. Так же отбираем элюат в цилиндр поVх= 25 мл, измеряем рН и затем титруем пробы по 10 мл из фракции.
Затем проводим десорбцию кислотой: пропускаем фракции объемом Vхне по 25, а по 5 мл в цилиндры на 10 мл. Пробы на титрование берем по 2 мл соответствующими пипетками. В каждой фракции так же измеряем рН. Всего пропускаем по 100 мл кислоты.
Десорбцию считаем по формуле:
D% = (Vх *Ср)*100% / Стmax *mс ,
где Стmax - это максимальное количество магния, адсорбированного твердой фазой в эксперименте, мг/мл,
Vх- объем фракции,
Ср - равновесная концентрация магния в жидкой фазе, мг/мл.
По опытным данным заполняем таблицу 4. и строим графики рис. 8, рис.9: «Ср-V», «D%-V»
Табл.4. Данные десорбции
|
растворы |
№ |
рН |
Время фильтрования фракции t, мин |
Объем фракции Vх, мл |
Общий объем пропущенного раствора V, мл |
Объемная скорость U, мл/мин (U=V/t) |
Линейная скорость, см/мин (W=U/Sл) |
Данные титрования пробы из фракции и средняя равновесная концентрация во фракции |
D% | |
|
Vср,мл |
Ср, мг/мл | |||||||||
|
вода |
1 |
3,75 |
5 |
25 |
25 |
0,500 |
2,356 |
2,5 |
0,060 |
16,77 |
|
2 |
4,13 |
3 |
25 |
50 |
0,667 |
3,141 |
2,0 |
0,048 |
13,42 | |
|
3 |
3,20 |
5 |
25 |
75 |
0,260 |
1,225 |
1,3 |
0,031 |
8,72 | |
|
4 |
4,19 |
6 |
25 |
100 |
0,167 |
0,785 |
1,0 |
0,024 |
6,71 | |
|
азотная кислота |
1 |
1,20 |
2 |
10 |
110 |
6,000 |
28,267 |
12 |
0,583 |
64,40 |
|
2 |
0,80 |
3 |
10 |
120 |
3,333 |
15,704 |
10 |
0,486 |
53,67 | |
|
3 |
0,30 |
5 |
10 |
130 |
1,240 |
5,842 |
6,2 |
0,301 |
33,28 | |
|
4 |
0,30 |
5 |
10 |
140 |
0,960 |
4,523 |
4,8 |
0,233 |
25,76 | |
|
5 |
0,30 |
5 |
10 |
150 |
0,860 |
4,052 |
4,3 |
0,209 |
23,08 | |
|
6 |
1,00 |
4 |
10 |
160 |
0,750 |
3,533 |
3,0 |
0,145 |
16,10 | |
|
7 |
0,60 |
4 |
10 |
170 |
0,700 |
3,298 |
2,8 |
0,136 |
15,03 | |
|
8 |
0,40 |
4 |
10 |
180 |
0,500 |
2,356 |
2,0 |
0,097 |
10,73 | |
|
9 |
0,35 |
4 |
10 |
190 |
0,425 |
2,002 |
1,7 |
0,082 |
9,12 | |
|
10 |
0,50 |
3 |
10 |
200 |
0,433 |
2,042 |
1,3 |
0,063 |
6,98 | |
Рис. 8 Рис.9
Рис.8 График зависимости величины равновесной концентрации магния в жидкой фазе от объема пропущенного раствора
Рис.9 График зависимости десорбции от объема пропущенного раствора