Адсорбция ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и определение его удельной поверхности

Адсорбция ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и определение его удельной поверхности

Лабораторная работа

Тема:

Изучение адсорбции ПАВ из растворов на твердом адсорбенте и определение его удельной поверхности. Применение уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра для описания адсорбции органических кислот на активированном угле

Цель работы:

Получение изотерм поверхностного натяжения растворов ПАВ на границе с воздухом; определение предельной адсорбции ПАВ из водного раствора на угле; вычисление удельной поверхности адсорбента

С ростом концентрации раствора число молекул ПАВ в адсорбционном слое увеличивается. При некоторой концентрации раствора может образоваться предельно насыщенный адсорбционный слой, так называемый “частокол Ленгмюра”. При введении адсорбентов в водные растворы ПАВ молекулы ПАВ адсорбируются на границе вода - твердая поверхность.

Согласно правилу Ребиндера при адсорбции ПАВ разность полярностей между адсорбентом и растворителем уменьшается. Все полярные гидрофильные поверхности адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей. Неполярные сорбенты, такие, как уголь или некоторые полимерные материалы, наоборот, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей. На адсорбцию ПАВ из растворов существенное влияние оказывает и пористость сорбента. Влияние пористости определяется соотношением размеров пор и молекул ПАВ. С уменьшением размеров пор адсорбция небольших молекул ПАВ, как правило, возрастает. Однако это наблюдается, только если молекулы ПАВ имеют размеры, позволяющие проникнуть в поры адсорбента. По истечении определенного времени в системе адсорбент - водный раствор ПАВ устанавливается равновесие между количеством А молекул ПАВ, перешедших на поверхность сорбента, и их объемной равновесной концентрацией С.

Это равновесие может быть описано уравнением Ленгмюра, при этом емкость монослоя А отвечает предельной адсорбции. Для более точного определения величины А предпочтительнее использовать уравнение Ленгмюра в линейной форме:

/А = 1/А_ + (1/ (А_ К)) ^. (1/С) А = х / m (I)

Графически зависимость

/А = f (1/С)

выражается прямой, пересекающей ось ординат.

Отрезок, отсекаемый от оси ординат, определяет величину, обратную емкости монослоя. Тангенс угла наклона прямой позволяет найти константу адсорбционного равновесия К.

Процесс адсорбции протекает обычно с очень большой скоростью. Однако диффузия растворенного вещества в растворах, посредством которой восполняется убыль концентрации у поверхности адсорбента, происходит весьма медленно, что замедляет установление адсорбционного равновесия. Для более быстрого установления равновесия рекомендуется перемешивать или встряхивать растворы с адсорбентом. В большинстве случаев равновесие достигается в течение нескольких минут, только при мелкопористых сорбентах и больших молекулах адсорбированного вещества процесс длится несколько суток. Исследование адсорбции из растворов твердыми сорбентами ведут при определенной температуре, учитывая изменение концентрации раствора после сорбции. Поэтому всегда необходимо оперировать с растворами определенного объема и известной концентрации.

Экспериментальная часть

Прежде всего определяют концентрацию данной для опыта кислоты посредством титрования раствором NaОН.

Результаты титрования записываются в таблицу 1.

Таблица 1

Концентрацию уксусной кислоты С_{кислоты} вычисляют по известному закону эквивалентов:

V_а С (1/1CH₃COOH) = V_NaOH С (1/1NaOH)

С (1/1NaOH) - молярная концентрация эквивалента раствора NaOH в моль/дм³.

С кислоты = 0,4*15/6 =1,0 моль/дм³

Готовим растворы уксусной кислоты с заданной концентрации:0,8; 0,6; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1 моль/дм³ объемом 50 см³

Таблица 2

Приготовление исходных растворов пропионовой кислоты (C_o) =1 моль/дм³

Для каждого полученного раствора добавляют по 1,00 г адсорбента (активированного угля). Встряхивают в течение 1 часа до установления адсорбционного равновесия. После чего фильтруют растворы, отбрасывая первые порции фильтрата. Остальное употребляют для определения равновесной концентрации уксусной кислоты методом кислотно-основного титрования гидроксидом натрия с фенолфталеином. Результаты титрования рассчитывают по закону эквивалентов.

адсорбция кислота активированный уголь

Таблица 3

Результаты анализа растворов уксусной кислоты после адсорбции

С кислоты = V ср. (NaOH)* C(NaOH) / Vа

С кислоты = 14,6*0,4 / 8 =0,7300

Величину адсорбции рассчитывают по уравнению

Г = (С₀ - Ср) * V/ m, результаты записывают в таблицу.

Таблица 4

Результаты исследования адсорбции уксусной кислоты на угле

Эти данные используют также для построения изотермы адсорбции, подобной изображенной на рис. 2, откладывая по оси абсцисс значения равновесной концентрации, а по оси ординат - молярную концентрацию уксусной кислоты после адсорбции.

Графическое определение констант К и 1/n в уравнении Фрейндлиха

Уравнение прямой:

lg( x/m ) = 0,2963х + 0,5073

Lg K = 0,5073=> K= 10 ^0,5073 = 3,216 л/моль

/n =0,2963

Графическое определение емкости монослоя Г͚ в соответствии с линейной формой уравнения Ленгмюра

/Г = 1/Г͚ +(1/Г͚ * К) * 1/с

/Г = 0,0281х + 0,3289

/Г͚ = 0,3289=>Г͚ = 1/0,3289= 3,0404 ммоль/г

/Г͚ * К =0,0281 = > К = 1/0,281*1/3,0404 = 11,705 Л/МОЛЬ

Вычислим удельную поверхность( S_уд.) адсорбента

S_уд = Г͚ * N_А * S₀ = 2.89 ммоль/г * 10 ^-3 * 6,022 * 10 ²³ 1/моль * 0,25* 10 ^-18

м²/молекула ⁼435,09 м²/г

Вывод: Изучили адсорбцию ПАВ из раствора уксусной кислоты на твердом адсорбенте; получили изотерму адсорбции; определили предельную адсорбцию уксусной кислоты из водного раствора на угле Г͚ = 2,89 ммоль/г. Вычислили удельную поверхность адсорбента S_{уд =} 435,09 м²/г

Уравнение Ленгмюра

/Г = 0,3458 + 0,0171 * 1/С

Уравнение Фрейндлиха

lg( x/m ) = 0,5416 + 0,2757*lg C

Уравнение Ленгмюра

Г_с =2,89 * ( 59,17 * с )/( 1+ 59,17 * с )