1. Адсорбція

Перед тим, як виконувати лабораторну роботу, необхiдно засвоїти основнi поняття (адсорбент, адсорбат, iзотерма адсобцiї), ознайомитися з кiлькiсним описом залежностi величини адсобцiї на твердому адсорбентi вiд концентрацiї адсорбата (рiвняння Фрейндлiха та Ленгмюра). Слiд звернути особливу увагу на одиницi вимiрювання та методику розрахунку величини адсорбцiї, а також на розрахунок iзотерми адсорбцiї.

[ I, c. 81-93, 137-146; 2, c. 108-112, 114-118]

Короткi теоретичнi вiдомостi

Пiд адсорбцiєю в широкому розумiннi цього слова розумiють довiльну змiну концентрацiї одного з компонентiв гетерогенної системи на межi подiлу фаз. Твердi тiла, що стикаються з розчином, здатнi поглинати деяку кiлькiсть розчиненої речовини, накопичуючи її на своїй поверхнi. Аналогiчнi явища спостерiгаються i при контактi твердих тiл з газами. Тверде тiло, або та фаза гетерогенної системи, на поверхнi якої відбувається адсорбцiя, називається адсорбентом, речовина, що адсорбується - адсорбатом. Причиною адсорбцiї є те, що поверхневi молекули адсорбента енергетично ненасиченi. Адсорбент має вiльну поверхневу енергiю та поглинає молекули адсорбата з оточуючого його газу або розчину. При цьому зменшується величина його вiльної поверхневої енергiї і, отже, даний процес протiкає самочинно.

Адсорбцiя залежить вiд площi поверхнi адсорбента, природи адсорбента та адсорбата, температури, концентрацiї розчину (а при адсорбцiї газiв та парiв - вiд їхнього парцiального тиску). На адсорбцiю з розчинiв впливає також природа розчинника. При пiдвищеннi концентрацiї розчину адсорбцiя збiльшується. Залежнiсть адсорбцiї (при постiйнiй температурi) вiд рiвноважної концентрацiї адсорбата виражаться рiвнянням, що називаться iзотермою адсорбцiї.

Н а рис. 1.1 графiчно наведено типову iзотерму адсорбцiї, яка описує залежнiсть кiлькостi адсорбата (кмоль), поглиненого одним кiлограмом адсор-бента (a = x/m), вiд рiвноважної концентрацiї адсорбата (с). При малих рiвноважних концентрацiях адсорбцiя збiльшується пропорційно концентрації, що знаходить своє відображення у прямолінійному ході ізотерми на відрізку bd. Горизонтальна ділянка ef означає, що незважаючи на по-дальше збільшення концентраціі, зростання адсорбції не відбувається внаслідок наси-чення поверхні адсорбента молекулами речовини,

що адсорбується, Рис.1.1. Ізотерма адсорбції

тобто досягається граничне значення питомої адсорбцiї (скорочено - гранична адсорбцiя, a_ ).

Найбiльш розповсюдженим є емпiричне рiвняння iзотерми адсорбцiї Фрейндлiха

де а - величина адсорбцiї, кмоль/кг; x - кiлькiсть адсорбованої речовини, кмоль, m - маса адсорбента, кг; c - рiвноважна концентрацiя адсорбата, кмоль/м³ ; k та 1/n - емпiричнi константи.

Константа k чисельно дорiвнює кiлькостi адсорбата, поглиненого 1 кг адсорбента при рiвноважнiй концентрацiї, що дорiвнює одиницi. Рiвняння Фрейндлiха графiчно має вигляд кривої та застосовується при середнiх зна-ченнях рiвноважної концентрацiї, яка вiдповiдає областi dе (див. рис. 1.1).

У найпростiшому випадку iзотерма адсорбцiї з розчину добре описується рiвнянням Ленгмюра у широкому дiапазонi рiвноважної концентрацiї адсор-бата:

(1.2)

де а - величина адсорбцiї (кмоль/кг) при рiвноважнiй концентрацiї адсорбата,

c (кмоль/м³); a _ - гранична адсорбцiя (кмоль/кг); К - константа рiвняння Ленгмюра, м³ /кмоль.

Робота 1.1. Адсорбцiя органiчної кислоти вугiллям.

Вихiдним розчином є водний розчин одноосновної карбонової кислоти (мурашиної, оцтової, пропiонової або масляної). Маючи в розпорядженнi п'ять пронумерованих колб з пробками, готують по 60 см³ розчинiв кислоти (вибiр кислоти за вказiвкою викладача) рiзної концентрацiї. Для цього у колби вiдмiрюють з бюреток позначенi в Табл. 1.1 об’єми вихiдного розчину кислоти (V_{кислоти}) та дистильованої води (V_вод).

Оскiльки позначена на склянцi концентрацiя вихiдного розчину кислоти вi-дома лише приблизно, необхiдно вiдтитрувати 5 мл вихiдного розчину 0.1 н розчином лугу (у випадку розчину лугу н=M=кмоль/м³).

Таблиця 1.1.

Значення початкових концентрацiй............кислоти, С₀

Номер колби	1	2	3	4	5
Vкислоти , см3	50	35	20	10	6
Vводи , см3	10	25	40	50	54
С0 , кмоль/м3

Титрування проводиться 2-3 рази, iндикатор - фенолфталеїн. Визначивши точне значення концентрації вихiдного розчину кислоти C, розраховують концентрацiю всiх розчинiв, якi були приготованi C₀, кмоль/м³ :

, (1.3)

де V- об’єм вихiдного розчину кислоти, взятого для приготування проби (див. Табл. 1.1), см³.

В кожну колбу засипають заздалегiдь приготовану наважку активованого вугiлля. Наважку вугiлля зважують на технiчних терезах з точнiстю 0.01 г, причому маса наважки залежить вiд марки вугiлля та вказуться викладачем. Вмiст колб час вiд часу збовтують протягом 20 хв., пiсля чого фiльтрують у пронумерованi чистi колби крiзь складанi паперовi фiльтри. Фiльтри водою не змочують, щоби не змiнювати концентрацiю фiльтрата, а перші 5…7 см³ фільт-рата виливають, тому що в перших порцiях фiльтрата концентрацiя кислоти зни-жена внаслiдок адсорбцiї фiльтрувальним папером.

Потiм визначають рiвноважнi концентрацiї кислоти пiсля встановлення адсорбційної рівноваги. Для аналiзу рекомендується вiдбирати з кожної колби зазначенi в Табл.1.2 об’єми проби , яку аналiзують, V_проби .

Таблиця 1.2.

Результати аналiзу рiвноважних розчинiв…............................ кислоти

Номер колби	1	2	3	4	5
Vпроби , см3	5	5	10	20	20
VNaOH , см3
С , кмоль/м3

Титрування, як i в попереднiх випадках проводиться 0.1 н розчином лугу 2-3 рази до одержання результатiв, що спiвпадають мiж собою. Рiвноважна концентрацiя кислоти C, кмоль/м³, визначається за формулою :

(1.4)

де C_NaOH - концентрацiя лугу, який застосовувався для титрування кислоти, кмоль/м³ ; V_NaOH - об’єм розчину лугу, який пiшов на титрування V_проби об’єму кислоти, см³ . Всi експериментальнi данi та значення заносять у Табл. 1.2.

На пiдставi даних дослiду розраховують питому адсорбцiю, кмоль/кг:

, (1.5)

де C_o - початкова концентрацiя кислоти, кмоль/м³ (див. табл.1.1); C - рiв-новажна концентрацiя кислоти пiсля адсорбцiї, кмоль/м³ , (див. табл 1.1);

V - об’єм розчину кислоти (в нашому випадку V= 60см³ = 60·10^-6 м³ );

m - наважка вугiлля, кг.

Експериментально знайденi значення величини адсорбцiї апроксимуються за допомогою рiвняння Фрейндлiха (1.1), логарифмiчна форма якого

я вляє собою рiвняння в координатах lgа - lgc (рис. 1.2). Значення lgk з графiка беруть в масштабi осi ординат, а при знаходженнi tg треба враховувати масштаби на обох осях.

Рис. 1.2. Ізотерма адсорбції Рис. 1.3. Графік для визначення

в логаріфмічних координатах граничної адсорбції

Визначивши значення констант k та 1/n та пiдставивши їх у рiвняння Фрейндлiха (1.1), для всiх шести значень рiвноважної концентрацiї обчислюють апроксимованi значення вiдповiдних величин адсорбцiї a_апр .

Для визначення граничного значення питомої адсорбцiї a_ користуються рiвнянням Ленгмюра (1.2), перетворюючи його у лінійну форму

(1.7)

Побудувавши прямолiнiйну залежнiсть в координатах c/a- c (рис.1.3), зна-ходять значення a_ та константу в рiвняннi Ленгмюра K (при графiчному

знаходженнi цих величин необхiдно враховувати масштаби вiдповiдних осей).

Всi експериментальнi данi та результати обчислень записують в Таблицю 1.3.

Tаблиця 1.3.

Експериментальнi та розрахунковi данi з адсорбцiї на вугiллi

.................. кислоти.

Номер колби	С0, кмоль/м3	С, кмоль/м3	аексп , кмоль/кг	lg aексп	lg C	аапр , кмоль/кг	С/аапр

Форма звiту

Графiки lga - lgс; a_апр - С; С/a_апр- С.

Значення констант в рiвняннi Фрейндлiха k=..... (м³ /кг) та 1/n = .....

Гранична адсорбцiя a_ (кмоль/кг) та константа в рiвняннi Ленгмюра K (м³/кмоль).