Magdalena Ciekańska (Potfur)

Technologia Chemiczna

IBIR

Sem VIII

PODSTAWY SONOCHEMII I TECHNIK MIKROFALOWYCH

LABORATORIUM

Ćwiczenie 10

Badanie sonochemicznych reakcji pirolizy - spalanie substancji w wodzie

Data wykonania ćwiczenia: 11.05.2010

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia:

• wykazanie, że substancje organiczne rozpuszczone w wodzie ulegają reakcjom pirolizy pod wpływem ultradźwięków

• określenie wydajności sonochemicznej generowania tlenku węgla

• określenie, jakie cechy substancji organicznych wpływają na ich podatność na pirolizę sonochemiczną.

WSTĘP TEORETYCZNY

Piroliza (inaczej destylacja rozkładowa) to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Jest procesem wysokotemperaturowym, bezkatalitycznym.

Piroliza sono chemiczna zachodzi z wykorzystaniem ultradźwięków.

Zwykle w trakcie pirolizy bardziej złożone związki chemiczne wchodzące w skład rozkładanej substancji, ulegają rozkładowi do prostszych związków o mniejszej masie cząsteczkowej. W niektórych przypadkach jednak na skutek pirolizy powstają spieki, będące prostymi chemicznie, ale tworzącymi sieć przestrzenną materiałami o wielu interesujących własnościach fizycznych. Mechanizm przemian chemicznych zachodzących w trakcie pirolizy jest często bardzo złożony, a ze względu na naturę tego procesu trudno jest je dokładnie badać.

Głównym produktem pirolizy sono chemicznej jest tlenek węgla.

Zastosowanie pirolizy w przemyśle:

• odzyskiwanie monomerów z polimerów w ramach recyklingu

• produkcja materiałów ceramicznych

• produkcja kompozytów o osnowie ceramicznej lub węglowej wzmacnianych włóknami (np. C-C, SiC-C, (Si-C-N)-SiC)

• produkcja materiałów szczególnie odpornych termicznie.

• jeden z etapów procesu otrzymywania węgla drzewnego

• pierwszy proces podczas utylizacji odpadów przemysłowych lub komunalnych

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Włączenie termostatu i ustawienie zadanej temperatury 20 st C.

2. Napełnienie reaktora 500 ml oczyszczonej wody

3. Uruchomienie generatora i ustawienie parametrów (355 kHz, 50 W)

4. Włączenie układu do detekcji tlenku węgla.

5. Odmierzenie 10 ml roztworu PAA o pH 10 do naczynka reakcyjnego.

6. Nasycenie roztworu argonem przez 15 min i szczelne zamknięcie naczynka.

7. Zamocowanie naczynka w reaktorze i uruchomienie układu obracającego naczynko.

8. Poddanie próbki działaniu ultradźwięków przez 5 min.

9. Zatrzymanie obrotów i podłączenie naczynka do układu detekcyjnego.

10. Uruchomienie rejestratora i pompy perystaltycznej.

11. Obserwacja wskazań detektora i rejestratora.

12. Odczytanie wskazania detektora w momencie osiągnięcia położenia równowagi przez układ.

13. Zatrzymanie pompy i rejestratora, rozmontowanie układu i kilkukrotne przepłukanie naczynka wodą oczyszczoną.

14. Wykonanie analogicznych czynności jak w punktach 5 - 13 dla roztworów PAA ph 3 i PEG, przy czym czasy sonikowania wynoszą odpowiednio 5 i 1 min.

15. Przepłukanie naczynka i reaktora oczyszczoną wodą po zakończeniu pomiarów.

WYNIKI POMIARÓW

Próbka	Ilość CO [ppm]
PAA pH10	83
PAA pH3	167
PEG	229

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wzory chemiczne badanych substancji i analiza ich właściwości hydrofobowo - hydrofilowych.

PAA - poli(kwas akrylowy) - właściwości zarówno hydrofobowe jak i hydrofilowe, zależnie od wartości pH jakim się znajduje:

• Forma uprotonowana - właściwości hydrofobowe

• Forma anionowa (ładunek ujemny na grupie karboksylowej) - właściwości hydrofilowe

PEG - poliglikol etylenowy - różnorodne właściwości ze względu na budowę oddziaływanie grup polarnych

2. Obliczenie dawki ultradźwięków dla sonikowanej próbki (w oparciu o wynik ćwiczenia 1 i założenie, że moc dawki jest jednakowa w naczyniu i w całym reaktorze), na podstawie zależności:

Gdzie:

D - dawka ultradźwięków dla sonikowanej próbki

Sp - sprawność przetwornika

t - czas sonikowania [s]

m - masa sonikowanego roztworu [kg]

m = 0,51 [kg]

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

t = 5 min = 300 s (PAA)

t = 1 min = 60 s (PEG)

3. Określenie ilości wytworzonego CO i jego stężenia, na podstawie równania stanu gazu doskonałego.

p = 101325 [Pa]

T = 25 [st C]

R - stała gazowa

Stężenie z proporcji:

Mieszanka kalibrująca CO/Ar zawierająca 5% objętościowych CO (0,965nmol) - 143 ppm

Nasza próbka - odpowiednia wartość

PAA pH 10 (83 ppm) 0,560 nmol c = 0,056

PAA pH 3 (167 ppm) 1,13 μmol c = 0,113

PEG (229 ppm) 1,55 μmol c = 0,155

4. Obliczenie wydajności sonochemicznej procesu, podstawie zależności:

c (s) - stężenie CO

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

KOŃCOWE ZESTAWIENIE WYNIKÓW

Próbka	Czas sonikowania [s]	Dawka ultradźwięków	Wskazanie detektora CO [ppm]	Ilość CO [μmol]	Stężenie CO	Wydajność sonochemiczna procesu
PAA pH 10	300	365,14	83	0,56	0,056	1,53
PAA pH 3	300	365,14	167	1,13	0,113	3,09
PEG	60	7,30	229	1,55	0,155	212,33

WNIOSKI

• Udało nam się zrealizować cel ćwiczenia, jakim było wykazanie, że substancje organiczne rozpuszczone w wodzie ulegają reakcjom pirolizy pod wpływem ultradźwięków. Udało nam tego się dokonać dzięki pomiarom ilości CO - głównego produktu rozkładu pirolizy związków organicznych.

• Innym celem ćwiczenia było określenie wydajności sonochemicznej generowania tlenku węgla. Dokonywaliśmy tego rozpatrując dwa czynniki:

• Wpływ pH - roztwory PAA o pH 3 i pH 10 - wydajność pirolizy jest większa dla pH 3

• Rodzaj substancji PAA i PEG - wydajność pirolizy jest większa dla PEG.

Różnice w wydajności wynikają z form hydrofilowo - hydrofobowych polimeru w roztworach o odpowiednim pH(aspekt I) oraz z różnic w budowie chemicznej polimerów (aspekt II)

• Naszym zadaniem było także określenie jakie w cechy substancji organicznych wpływają na ich podatność na pirolizę sono chemiczną. Zgodnie z wynikami naszego doświadczenia są to przede wszystkim właściwości hydrofilowo - hydrofobowe badanych substancji, wynikające głównie z ich budowy wewnętrznej. W przypadku poliglikolu etylenowego PEG wydajność sonochemiczna procesu pirolizy jest większa niż dla poli (kwasu akrylowego), co wynika bezpośrednio z oddziaływań wodorowych jakie występują w PAA, które wiążąc cząsteczkę ograniczają jej podatność na rozpad.

• określenie

• określenie, jakie

---