Изучение адсорбции из растворов на твердом адсорбенте

Обнинский Государственный Технический Университет

Атомной Энергетики 
 

Кафедра общей и специальной химии 
 
 
 
 
 
 
 
 

Изучение  адсорбции из растворов на твердом  адсорбенте 
 

 

 

      Цель работы: Количественное изучение адсорбции на активированном угле. 

       Краткие теоретические положения: Адсорбция на границе твердое тело-раствор представляет собой изменение концентрации растворенного вещества (т. е. количества вещества в единице объема) в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме жидкой фазы.

         Этот вид адсорбции является самым сложным, так как с одной стороны необходимо учитывать взаимодействие между молекулами растворителя и растворенного вещества, а с другой стороны — сложное строение поверхности твердого адсорбента.

         К числу наиболее распространенных пористых адсорбентов относят активированные угли,  получаемые из каменного угля, дерева, животных костей, ореховых косточек и др Адсорбирующее действие активированного угля обусловлено его большой удельной поверхностью, что позволяет использовать этот адсорбент для различных целей: извлечение из растворов посторонних веществ, поглощение газов, обесцвечивание жидкостей и т. д.

       Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом С_о и после наступления адсорбционного равновесия с. Количество адсорбированной кислоты рассчитывается по формуле:

где V — объем раствора, из которого идет адсорбция, дм³. Тогда удельная адсорбция:

где а  — количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента; т — масса адсорбента, г.

       В области средних концентраций растворенного вещества его адсорбция хорошо описывается уравнением Фрейндлиха:

где β  и 1/n — постоянные величины, значения которых находят из экспериментальных данных.

       Чтобы определить постоянные величины уравнения Фрейндлиха, его приводят к линейному виду логарифмированием:     lga = lg β + l/n*lgc.      

       Определив адсорбцию из серии растворов различной концентрации, можно построить график изотермы адсорбции в координатах «а-с». Изотерма адсорбции в виде прямой, построенная в координатах «lga-lgc», позволяет определить постоянные уравнения Фрейндлиха. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен угловому коэффициенту линейной функции, в нашем случае 1/n. Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, есть свободный член линейной функции и равен lg β. 

Изучение  адсорбции водных растворов  уксусной кислоты на активированном угле методом титрования 

      Приборы и реактивы.1. Технические весы. 2. Фарфоровая ступка. 3. Конические колбы на 100 см3 — 10 шт. 4. Мерные колбы на 50 см3 — 5 шт. 5. Бюретки для титрования на 50 см3. 6. Градуированные пипетки на 2, 5, 10 и 25 см3. 7. Водный раствор СН3СООН (0,5 моль/дм3). 8. Водный раствор NaОН (0,1 моль/дм3). 9. Фенолфталеин. 10. Фильтровальная бумага. 11. Активированный уголь.

     Порядок выполнения работы. Навеску около 6 г активированного угля измельчаем в фарфоровой ступке так, чтобы не было зерен крупнее 1 мм, и не образовывалась излишне тонкая пыль. На технических весах берем 5 навесок угля массой 1 г каждая. Каждую навеску всыпаем в отдельную коническую колбу на 100 см3.

       В 5 мерных колб на 50 см3 вливаем указанные в таблице 6 количества уксусной кислоты с=0,5 моль/дм3, доводим объем колб до метки дистиллированной водой и перемешиваем.

Каждый  из приготовленных растворов переносим в одну из конических колб с навеской угля и оставляем на 40 мин, взбалтывая содержимое колб через каждые 5 мин.

      Пока идет процесс адсорбции, уточняем концентрацию исходного раствора уксусной кислоты (с = 0,5 моль/дм3). Для этого в колбу для титрования отбираем аликвотную часть исходного раствора уксусной кислоты (2 см3), приливаем 10-20 см3 дистиллированной воды и титруем раствором NaОН с = 0,1 моль/дм3 в присутствии фенолфталеина.

     По истечении 40 мин адсорбции растворы уксусной кислоты фильтруем. Определяем концентрацию уксусной кислоты в растворах после адсорбции титрованием щелочью известной концентрации с использованием индикатора — фенолфталеина. На титрование берем объемы фильтрата, указанные в таблице 6. 

1)Приготовление  раствора  0,5 М   уксусной кислоты из 17,5М раствора  

Cисх∙Vисх=C1∙V1                17,5М∙xмл=0,5М∙100мл        х=2,9 мл 

2)Уточнение концентрации  NaOH 0,1 н раствором HCl

Vаликвоты NaOH=5 мл,    

 V1=4,9 мл         V2=5,1мл        V3=5 мл;          Vср=5 мл,     С(NaOH)=0,1 н 

Обработка экспериментальных данных.  

1. Рассчитываем точную концентрацию исходного раствора уксусной кислоты (с = 0,5 моль/дм3):

   

Cисх=Ckoн*Vэ/Vал.ч.    где Vэ — объем щелочи, затраченный на титрование, см3.

Vср=10,47мл- объем щелочи, затраченный на титрование

Cисх=0,1М∙10,47мл/2мл=0,524М 

2. Рассчитываем концентрацию пяти приготовленных растворов уксусной кислоты: 

Сo=Cисх*Vисх/Vм.к.    где Vисх — объем исходного раствора уксусной кислоты, указанный в таблице 6; Vм.к. — объем мерной колбы, см3. 

Сo1=0,524М ∙2мл/50мл=0,021М                                 Сo3=0,524М ∙ 10мл/50мл=0,105М

Сo2=0,524М ∙5мл/50мл = 0,052М                        Сo4= 0,524М ∙25 мл/50мл=0,262М

                                    Сo5=0,524М ∙50мл/50мл=0,524М

3. Рассчитываем концентрацию растворов уксусной кислоты после адсорбции:       C=Ckoн*Vэ/Vал.ч., где V3 — объем щелочи, затраченный на титрование, см3; Vал.ч. — объем раствора кислоты, взятый на титрование, см3    

C1=0,1М∙0,9мл/10мл=0,009М                                          C2=0,1М∙2,9мл/10мл=0,029М                                                        

C3=0,1М∙3,9мл/5мл=0,078М                                             C4=0,1М∙10,3мл/5мл=0,224 М                                                       

C5=0,1М∙9,4мл/2мл=0,470М                                                          

Исходные  данные и результаты эксперимента                                            Табл.№1

4.  Используя полученные данные о концентрации кислоты до Со и после С адсорбции, для всех пяти проб рассчитываем значение адсорбции и значения lga и lgc.

где а  — количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента; т — масса адсорбента, г.

 

a1=50мл∙(0,021М-0,009М)/1г=0,60 моль/г                         a2=50мл∙(0,052М-0,029М)/1г=1,17 моль/г

a3=50мл∙(0,105М-0,078М)/1г=1,34 моль/г                         a4=50мл∙(0,262М-0,224М)/1г=1,90 моль/г

a5=50мл∙(0,524М-0,470М)/1г=2,70 моль/г 

5.  По полученным  данным строим изотермы адсорбции в координатах «d-c» и «lga-lgc».

График №1 

График №2 

 
 

6.  Пользуясь  изотермой, построенной в координатах «lga-lgc», определяем графически константы уравнения  Фрейндлиха. 

lga = lg β + l/n*lgc.      

lg β=0,5351, откуда  β=3,43

1/n-это тангенс угла наклона        1/n==0,3516≈0,35 
 

Вывод: В результате проделанной работы мы ознакомились с изучением адсорбции из растворов уксусной кислоты на активированном угле. Определили графически экспериментальные константы уравнения Фрейндлиха: β=3,43; 1/n==0,35