Изучение красителей находящихся в газированной воде

По химическому составу  все адсорбенты можно разделить  на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели , цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие  из множества беспорядочно расположенных  микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ  в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти  адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточех плодов и др.). После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850-900^о С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.)

Качество активированных углей зависит от свойств исходных углеродсодержащих материалов и  от условий активации. Характеристикой степени активации активированного угля является обгар, т. е. сгоревшая часть угля, выраженная в процентах от количества исходного материала.

Активированный уголь  применяется при адсорбции либо в виде зерен величиной от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Зерна и  порошок получают путем измельчения  и классификации. Удельная активная поверхность активных углей выражается величиной от 600 до 1700 м² на один грамм. Применяются активированные угли главным образом для поглощения паров органических жидкостей, находящихся в газовых смесях, и для очистки различных растворов от примесей.

Серьезным недостатком  этих углей является горючесть, и  применять их можно при температурах не выше 200°. Для уменьшения горючести  к ним подмешивают силикагель, однако такая добавка приводит к  понижению активности адсорбента, поэтому активированные угли с добавкой к ним силикагеля практически применяют сравнительно редко.

Силикагелем называют продукт обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемого действием серной или соляной кислот или растворов кислых солей на раствор силиката натрия. Выпавший гель кремневой кислоты после промывки высушивается при температуре 115-130° до влажности 5-7%.

Силикагель отличается однородностью пор как по величине, так и распределению. Применяется  силикагель в виде зерен диаметром  от 0,2 до 7 мм главным образом для поглощения паров воды, т. е. для сушки газов. Удельная активная поверхность силикагеля выражается величиной порядка  600 м² на один грамм.

К достоинствам силикагелей  относятся их негорючесть и большая  механическая прочность. Недостатком относится резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги.

По сорбционным свойствам  к силикагелю близко примыкают алюмагели, получаемые термической обработкой гидроксида алюминия при температурах 600-1000^оС.  Поры полученного сорбента имеют диаметр 1-3 нм,  удельную поверхность

2·10 ⁵ - 4·10 ⁵ м²/кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 кг/м³. Алюмагели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами  определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Для разделения газовых  смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты  используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей  от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0 ÷1,5)·10⁵ м²/кг.

 

1.  3. Изотерма  адсорбции

 

Каковы бы ни были взгляды  на природу адсорбционных сил, под действием которых частицы газа скапливаются на поверхности твердого тела, бесспорным является то, что между частицами газа, находящимися в газовой фазе, и частицами его, находящимися на поверхности адсорбента, в момент полного насыщения наступает равновесие, т. е. в единицу времени адсорбируется столько частиц, сколько удаляется с   поверхности.

Количество поглощенного вещества, соответствующее равновесному состоянию, зависит от концентрации поглощаемого компонента в газовой  смеси или в растворе или, что то же самое, от парциального давления поглощаемого   компонента в смеси и может быть   выражено    уравнением (1.3.1)

 

a=f(p)       (1.3.1)

 

    где a - количество вещества, поглощаемого весовой или объемной единицей   адсорбента    при достижении фазового равновесия, в кгс/кгс или  в  кгс/м³;

  р - парциальное   давление поглощаемого компонента в газовой фазе в мм pm.  cm.

 

Кривая, выражающая эту  функциональную зависимость при  достижении  состояния равновесия, называется изотермой  адсорбции. Типичные  кривые зависимости между количеством поглощаемого компонента и его  давлением   приведены на рис. 1.3.1

 

 

Рис. 1.3.1  Кривые абсорбции.

 

2. Закономерности  процесса адсорбции

 

2. 1. Теории  адсорбции

 

Единой теории, которая  достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется; рассмотрим поэтому некоторые наиболее распространенные теории адсорбции, описывающие отдельные виды адсорбции на поверхности раздела твердое тело – газ или твердое тело – раствор.

 

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

 

Теория мономолекулярной адсорбции, которую разработал американский химик И. Ленгмюр, основывается на следующих положениях.

1)  Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.

2)  Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н. свободных валентностей. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.

3)  Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

4)  Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.  

 

Рис. 2.1.1  Изотерма мономолекулярной адсорбции. 
 

В состоянии равновесия скорость адсорбции  равна скорости десорбции. Скорость десорбции прямо пропорциональна  доле занятых активных центров (х), а  скорость адсорбции прямо пропорциональна произведению концентрации адсорбата на долю свободных активных центров (1 – х): 

                       (2.1.1)

            (2.1.2) 

                (2.1.3)

Отсюда находим х:

                  (2.1.4)

Разделив числитель и знаменатель  правой части уравнения (2.1.4) на k_A, получим:

                (2.1.5)

Максимально возможная величина адсорбции  Г_о достигается при условии, что все активные центры заняты молекулами адсорбата, т.е. х = 1. Отсюда следует, что х = Г / Г_о. Подставив это в уравнение (2.1.5), получаем:

                      (2.1.6)

                      (2.1.7)

Уравнение (2.1.7) есть изотерма мономолекулярной адсорбции, связывающая величину адсорбции Г с концентрацией адсорбата С. Здесь b – некоторая постоянная для данной пары адсорбент-адсорбат величина (отношение констант скоростей десорбции и адсорбции), численно равная концентрации адсорбата, при которой занята половина активных центров. График изотермы адсорбции Ленгмюра приведен на рис. 2.1.1. Константу b можно определить графически, проведя касательную к изотерме адсорбции в точке С = 0.

При описании процесса адсорбции  газов в уравнении (2.1.7) концентрация может быть заменена пропорциональной величиной парциального давления газа:

                      (2.1.8)

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра применима для описания некоторых процессов адсорбции газов и растворенных веществ при небольших давлениях (концентрациях) адсорбата.

 

Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

 

На практике часто (особенно при адсорбции паров) встречаются т.н. S-образные изотермы адсорбции (рис. 2.1.2), форма которых свидетельствует о возможном, начиная с некоторой величины давления, взаимодействии адсорбированных молекул с адсорбатом. 
 

 

Рис. 2.1.2  Изотерма полимолекулярной адсорбции. 
 

Для описания таких изотерм адсорбции М. Поляни предложил теорию полимолекулярной адсорбции, основанную на следующих основных положениях:

1. Адсорбция вызвана  чисто физическими силами.

2. Поверхность адсорбента однородна, т.е. на ней нет активных центров; адсорбционные силы образуют непрерывное силовое поле вблизи поверхности адсорбента.

3. Адсорбционные силы  действуют на расстоянии, большем  размера молекулы адсорбата. Иначе  говоря, у поверхности адсорбента  существует некоторый адсорбционный объём, который при адсорбции заполняется молекулами адсорбата.

4. Притяжение молекулы  адсорбата поверхностью адсорбента  не зависит от наличия в  адсорбционном объеме других  молекул, вследствие чего возможна полимолекулярная адсорбция.

5. Адсорбционные силы не зависят от температуры и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не меняется.

 

Уравнение  Фрейндлиха

 

Теоретические представления, развитые Ленгмюром и Поляни, в  значительной степени идеализируют и упрощают истинную картину адсорбции. На самом деле поверхность адсорбента неоднородна, между адсорбированными частицами имеет место взаимодействие, активные центры не являются полностью независимыми друг от друга и т.д. Все это усложняет вид уравнения изотермы. Г. Фрейндлих показал, что при постоянной температуре число молей адсорбированного газа или растворенного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента (т.н. удельная адсорбция x/m), пропорционально равновесному давлению (для газа) или равновесной концентрации (для веществ, адсорбируемых из раствора) адсорбента, возведенным в некоторую степень, которая всегда меньше единицы:

                           (2.1.9)

                           (2.1.10)

(а)

(б)

Рис. 2.1.3  Изотерма адсорбции Фрейндлиха в обычных (а) и логарифмических координатах (б).

Показатель степени n и коэффициент  пропорциональности а в уравнении Фрейндлиха определяются экспериментально. Логарифмируя уравнения (2.1.9 – 2.1.10), получаем:

                    (2.1.11)

                    (2.1.12)

Т.о., зависимость логарифма удельной адсорбции от логарифма концентрации (давления) графически выражается прямой линией, отсекающей на оси ординат отрезок, равный lga, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен по величине показателю степени при давлении или концентрации (рис. 2.1.3):

                         (2.1.13)

 

2. 2.  Адсорбция на  границе раствор – пар

В жидких растворах поверхностное  натяжение σ является функцией от концентрации растворенного вещества. На рис. 2.1 представлены три возможных  зависимости поверхностного натяжения  от концентрации раствора (т.н. изотермы поверхностного натяжения). Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение – поверхностно-инактивными (ПИАВ).

 
 

  

Рис. 2.2.1  Изотермы поверхностного           Рис. 2.2.2  Изотерма

                                                                                           адсорбции 
        натяжения растворов ПАВ (1, 2) и               ПАВ  на границе  раствор-пар 
        ПИАВ (3)