Magdalena Ciekawska

Technologia Chemiczna

IBIR

Sem VIII

PODSTAWY SONOCHEMII I TECHNIK MIKROFALOWYCH

LABORATORIUM

Ćwiczenie 6

Ultradźwięki w ochronie środowiska -

- sonochemiczny rozkład barwników

Data wykonania ćwiczenia: 13.04.201

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia było zbadanie, czy za pomocą ultradźwięków można dokonać rozkładu wybranego prostego, typowego barwnika alkacymetrycznego rozpuszczalnego w wodzie oraz wyznaczenie wydajności sonochemicznej tego procesu.

WSTĘP TEORETYCZNY

Znanych jest kilka sposobów oczyszczania ścieków z barwników. Do najbardziej rozpowszechnionych należy sposób koagulowania ścieków z produkcji barwników za pomocą znanych koagulantów, jak wodorotlenek wapnia, siarczan żelazawy lub siarczan glinowy. Wadą tego sposobu jest jednak uzyskiwanie zadowalających wyników tylko w przypadku ścieków niektórych grup barwników. Oprócz tego sposób ten charakteryzuje duże zużycie chemikaliów oraz konieczność utylizacji, powstających odpadów.

Innym znanym sposobem jest biologiczne oczyszczanie ścieków, którego zastosowanie jest raczej ograniczone ze względu na toksyczność większości występujących w przemyśle barwników produktów i półproduktów.

Istnieje również sposób dwustopniowego oczyszczania przez koagulację i utlenianie lub biologiczne oczyszczanie, jednak ma on ograniczone zastosowanie.

Najbardziej uniwersalnym sposobem jest adsorpcja na węglach aktywnych, jednak jest on rzadko stosowany ze względu na znaczny koszt adsorbenta.

Znany również jest sposób elektrolitycznej redukcji zanieczyszczeń organicznych w ściekach z produkcji barwników przy użyciu regenerowanego siarczanu sodowego, jako elektrolitu. Wadą tego sposobu jest kilkunastogodzinny czas prowadzenia procesu oraz ograniczenie zastosowania do określonego rodzaju ścieków.

Wśród metod nowoczesnych rozkładu barwników wyróżnić należy sposoby radiacyjne - zastosowanie promieniowania jonizującego oraz sonochemiczne - zastosowanie ultradźwięków. Są to niewątpliwie metody najmniej szkodliwe dla środowiska i pozytywnie rokujące na przyszłość

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Odmierzenie pipetą 10 ml wodnego roztworu wybranego barwnika do naczynia reakcyjnego.

2. Nasycanie roztworu przez 15 minut argonem.

3. Napełnienie reaktora sonochemicznego 500 ml wody i zamontowanie w nim naczynia reakcyjnego .

4. Poddanie roztworu sonikowaniu przez 20 minut przy ustawieniu odpowiednich parametrów (355 kHz, 100 W, 20 st C) i pobranie próbki roztworu do naczynka scyntylacyjnego.

5. Odmierzenie do kuwet spektrofotometru po 1 ml buforu o pH = 1 i 2 ml wody.

6. Wykonanie zerowania spektrofotometru w przyjętym zakresie 300 - 750 nm.

7. Napełnienie kuwety pomiarowej 1 ml buforu o pH = 1 i 2ml wyjściowego roztworu barwnika i zarejestrowanie widma absorpcyjnego.

8. Napełnienie kuwety pomiarowej 1 ml buforu o pH = 1 i 2ml sonikowanego roztworu barwnika i zarejestrowanie widma absorpcyjnego.

9. Porównanie uzyskanych widm oraz ustalenie na ich podstawie czasu sonikowania.

10. Przeprowadzenie sonikowania kolejnej próbki i analogiczna jak wyżej rejestracja jego widma.

11. Odmierzenie do kuwet spektrofotometru po 1 ml buforu o pH = 10 i 2 ml wody.

12. Wykonanie zerowania spektrofotometru w przyjętym zakresie 300 - 750 nm.

13. Napełnienie kuwety pomiarowej 1 ml buforu o pH = 10 i 2ml wyjściowego roztworu barwnika i zarejestrowanie widma absorpcyjnego.

14. Analogiczne jak wyżej rejestrowanie widm dla próbek sonikowanych przy użyciu buforu o pH = 10.

15. Zapianie wszystkich otrzymanych widm w postaci pliku ASCII.

16. Uporządkowanie stanowiska doświadczalnego.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Scharakteryzowanie badanego barwnika - błękit tymolowy

• wzór strukturalny

• wzór sumaryczny

C₂₇H₃₀O₅S

• ciężar cząsteczkowy

466,59 g/mol

• podstawowe właściwości

• chemiczny wskaźnik pH

• przybiera barwę od czerwonej do żółtej w zakresie pH 1,2 - 2,8 i od żółtej do niebieskiej w zakresie pH 8,0 - 9,6 - zakresy zmiany barwy tego wskaźnika związane są z dwoma etapami jego dysocjacji

• występuje w postaci zielonych kryształków

2. Zestawienie uzyskanych widm na jednym rysunku.

3. Wyznaczenie dla próbek wyjściowej i sonikowanych, na podstawie odpowiednio zestawionych widm:

• położenia maksimum i wartości absorbancji dla pH = 1

• położenia maksimum i wartości absorbancji dla pH = 10

• położenia punktu izozbestycznego

Skład próbki	λmax [nm]	Amax [-]	Punkt izosbestyczny λ [nm]
Roztwór wyjściowy pH = 1	545	0,32472	555
Roztwór wyjściowy pH = 10	596	0,45129
Roztwór sonikowany 10 min pH = 1	545	0,17448		470
Roztwór sonikowany 10 min pH = 10	595	0,28935
Roztwór sonikowany 20 min pH = 1	545	0,12445		549
Roztwór sonikowany 20 min pH = 10	596	0,19384

4. Porównanie ze sobą kształtów widm i położenia punktu izozbestycznego dla próbek sonikowanych i niesonikowanch.

• Dla próbki wyjściowej i wszystkich sonikowanych roztworów położenie maksimum absorbancji jest identyczne - odpowiada długości fali ok. 600 nm.

• Wielkość maksimum absorbancji maleje wraz ze wzrostem czasu sonikowania próbki - maleje bowiem stężenie barwnika.

• Na wielkość absorbancji wpływa pH roztworu - ze wzrostem pH rośnie wartość absorbancji.

• Analizując kształt poszczególnych widm roztworów poddawanych sonikowaniu, przy różnych wartościach pH, zauważyć można wyraźne proporcje w ich wyglądzie - maksima absorbancji znajdują się przy porównywalnych wartościach długości fali. Widmo roztworu wyjściowego jest przy tym najbardziej wyraźne, podczas gdy widma próbek sonikowanych odpowiednio 10 i 20 min wykazują pewne rozmycie - poszerzenie u dołu najbardziej charakterystycznego piku.

• Położenie punktu izobestycznego zmieniało się dla sonikowanych roztworów - punkt przesunięty jest w lewą stronę.

5. Obliczenie molowych współczynników ekstynkcji barwnika w próbce wyjściowej, dla obu wartości pH, na podstawie absorbancji w maksimum dla próbki wyjściowej, zgodnie z zależnością:

A - absorbancja w maksimum

ε - molowy współczynnik ekstynkcji

l - długość drogi optycznej = grubość kuwety pomiarowej (1cm)

Stężenie molowe roztworu barwnika c:

6. Wykonanie wykresu zależności stężenia barwnika od dawki ultradźwięków.

D - dawka ultradźwięków dla sonikowanej próbki

t - czas sonikowania

m - masa sonikowanego roztworu [kg]

P_U - moc ultradźwięków (wyliczona na podstawie wyników pierwszego ćwiczenia dla mocy elektrycznej 100W) [W]

P_U = 75,70 [W]

Skład próbki	Stężenie barwnika
Roztwór wyjściowy pH = 1	4,29
Roztwór wyjściowy pH = 10	4,29
Roztwór sonikowany 10 min pH = 1	2,31
Roztwór sonikowany 10 min pH = 10	2,75
Roztwór sonikowany 20 min pH = 1	1,64
Roztwór sonikowany 20 min pH = 10	1,84

7. Obliczenie wydajności sonochemicznej rozkładu barwnika, dla każdej wartości pH i na podstawie zmian absorbancji w maksimum.

ρ - gęstość roztworu
roztwór wodny, zatem zakłada się gęstość jednostkową

- początkowe stężenie barwnika

- końcowe stężenie barwnika

Sonikowany roztwór	Wydajność sonochemiczna rozkładu
Roztwór sonikowany 10 min pH = 1	8,74
Roztwór sonikowany 10 min pH = 10	6,78
Roztwór sonikowany 20 min pH = 1	5,83
Roztwór sonikowany 20 min pH = 10	5,39

ANALIZA UZYSKANYCH WYNIKÓW

• Udało nam się zrealizować cel ćwiczenia, jakim było zbadanie zjawiska rozkładu barwnika w wyniku poddania jego roztworu działaniom ultradźwięków.

• Analizując stężenia barwnika w próbce roztworu wyjściowego oraz w próbkach sonikowanych zauważyć można, że stężenie barwnika malało w miarę wzrostu czasu sonikowania - w związku z tym wnioskować możemy o pomyślności rozkładu barwnika przy zastosowaniu ultradźwięków.

• Badaliśmy także wpływ pH roztworu na przebieg rozkładu barwnika - barwnik rozkłada się szybciej w pH niższym.

• Analiza wartości stężenia w stosunku do dawki ultradźwięków wskazuje, że zwiększenie dawki ultradźwięków powoduje obniżenie stężenia barwnika w roztworze - wzrost wartości dawki zwiększa skuteczność rozkładu barwnika.

• Naszym zadaniem było także określenie wydajności sonochemicznego rozkładu barwnika. Zgodnie z naszymi pomiarami wydajność rozkładu jest rzędu
  , co w przypadku badanego przez nas barwnika jest wartością dość wysoką ze względu na dużą wartość jego masy cząsteczkowej. Na wielkość wydajności degradacji barwnika wpływa czas sonikowania próbki oraz pH sonikowanego roztworu - proces jest bardziej wydajny dla krótszego czasu sonikowania oraz dla niższych wartości pH.

WNIOSKI KOŃCOWE

• Sonochemiczna metoda rozkładu barwnika jest skutecznym sposobem na jego usuwanie z roztworów.

• Metoda jest przyjazna dla środowiska naturalnego, gdyż nie uwalnia do niego ani szkodliwego i trudnego do przetworzenia barwnika ani jakichkolwiek toksycznych produktów jego rozkładu. Może ona stanowić zatem perspektywiczną alternatywę do stosowanych współcześnie metod przemysłowego unieszkodliwiania barwników.

*Punkt izozbestyczny (izozbastyczny) - charakterystyczna długość fali, przy której różne formy spektralne związku chemicznego, występujące przy różnym pH, wykazują taką samą absorbancję.

3.

Wykres zależności stężenia barwnika oddawki ultradżwięków dla pH 1.0

Analizując wykres wyraźnie widać, że im większa dawka ultradźwięków tym mniejsze stężenie barwnika w roztworze poddawanemu sonikowaniu.

---