POLITECHNIKA ŁÓDZKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ
I OCHRONY ŚRODOWISKA

Laboratorium
Technologii uzdatniania wody

Ćwiczenie nr 1
__________________________

Temat: Adsorpcyjne usuwanie zanieczyszczeń na węglu aktywnym

Imię i nazwisko: Mateusz Ewiak
kierunek: Inżynieria Środowiska
termin zajęć: piątek, 16:15-20:15

Wprowadzenie

Proces adsorpcji polega na wiązaniu rozpuszczonych w roztworze substancji na powierzchni porowatego ciała stałego. Adsorbatem nazywamy substancję zaadsorbowaną, adsorbentem ciało stałego, na którego powierzchni zachodzą zjawiska sorpcji, zaś rzeczywistą powierzchnię adsorbentu, biorącą udział w procesie wymianie masy , przypadającą na jednostkę masy, nazywamy powierzchnią właściwą.

Mechanizm owego procesu ma charakter niejednorodny, a jego charakter określają szczególne właściwości obszaru powierzchniowego w porównaniu z zewnętrznymi częściami kontaktujących się faz. Ze względu na naturę oddziaływań powierzchniowych wyróżnia się:

• adsorpcję fizyczną: która zachodzi dzięki wykorzystaniu dość słabych sił międzycząsteczkowych (van den Waalsa). Proces adsorpcji fizycznej ma charakter odwracalny, a cząsteczki adsorbatu nie są umiejscowione w centrach aktywnych adsorbentu na stałe, lecz znajdując się w obszarze oddziaływań powierzchni adsorbentu mogą się po niej swobodnie przemieszczać. Ten typ adsorpcji przebiega z wydzieleniem małej ilości ciepła, zbliżonej do ciepła skraplania bądź krystalizacji.

• adsorpcję chemiczną: zachodzi na skutek działania sił kowalencyjnych z udziałem sił jonowych między cząsteczką pochodzącą z roztworu a centrum aktywnym powierzchni adsorbentu. Chemisorpcję cechuje nieodwracalność, zlokalizowany charakter, zaś wytworzenie wiązań chemicznych niszczy indywidualność adsorbatu i adsorbentu. Procesowi adsorpcji chemicznej towarzyszy stosunkowo wysoki efekt cieplny, który możemy porównać z ciepłem reakcji chemicznej.

Adsorpcja z roztworów wodnych na węglu aktywnym jest procesem jednokierunkowego dyfuzyjnego transportu masy. Układ adsorpcyjny dąży do osiągnięcia stanu równowagi dynamicznej, podczas którego zrównuje się szybkość procesów adsorpcji i desorpcji.

Zastosowany w niniejszym ćwiczeniu węgiel aktywny, w procesach technologicznych stosowany jest w celu usunięcia prekursorów ubocznych produktów utleniania i dezynfekcji, usunięcia produktów ozonowania oraz zmniejszenia wymaganych dawek dezynfektantów. W takich przypadkach główną funkcją procesu staje się usunięcie z wody rozpuszczonych w niej substancji organicznych o bardzo małym stężeniu.
W przypadku związków gorzej adsorbowalnych skuteczność ich usuwania zwiększa się dodatkowo przez wstępne utlenienie ozonem.

W wykonywanym ćwiczeniu proces sorpcji zastosowano w celu odbarwienia wodnych roztworów barwnika spożywczego przy użyciu granulowego węgla aktywnego ( zastosowano handlowy węgiel aktywny AG-5 produkcji Zakładu Produkcyjnego GRYFSKAND w Hojnówce; ma strukturę mikroporowatą ze znaczącym udziałem makroporów ;otrzymywany z węgla kamiennego).

Zakres wykonywanego ćwiczenia obejmuje:

• doświadczalne wyznaczenie przebiegu izotermy adsorbcji barwnika z roztworu wodnego na węglu aktywnym,

• doświadczalne wyznaczenie krzywej kinetycznej adsorpcji barwnika z roztworu wodnego na węglu aktywnym.

Celem przeprowadzanego ćwiczenia jest:

• ukazanie możliwości płynących z wykorzystania procesu sorpcji na węglach aktywnych w technologii uzdatniania i odnowy wody,

• opisanie wyznaczonej krzywej równowagi adsorpcji za pomocą równań izotermy Freundlicha i Langmuira,

• określenie wpływu dawki węgla aktywnego na skuteczność odbarwiania roztworów wodnych, określenie wpływu czasu kontaktu roztworu z węglem aktywnym na skuteczność odbarwiania roztworów wodnych.

Metodyka badań

1. W celu poprawnego przeprowadzenia ćwiczenia należy do 16 kolbek stożkowych rozlać po 50ml przygotowanego roztworu barwnika (od razu zamykając kolby korkiem)

2. Notujemy czas zalania kolbki nr 16

3. Kolby umieszczamy w uchwytach wytrząsarki z łaźnią wodną, następnie ją włączamy

4. Po upływie czasu, przypisanego poszczególnym numerom kolbek, wyjmujemy je z wytrząsarki, po czym natychmiast zlewamy roztwór znad węgla aktywnego do przypisanej probówki

5. Wykonujemy pomiar stężenia barwnika w wodzie przed procesem i po jego zakończeniu, czyli po zlaniu roztworu znad węgla aktywnego
   (w celu określenia skuteczności odbarwiania)

6. Przygotowujemy rozcieńczenie w proporcji 1:100 wyjściowego barwnika

7. Mierzymy absorbancję tak rozcieńczonego roztworu

8. Mierzymy absorbancję roztworów znad węgla, stosując w razie potrzeby odpowiednie rozcieńczenie

9. Wyniki absorbancji dla badanych roztworów, wraz ze stosowanym rozcieńczeniem próbki, wpisujemy do tabeli 1 i 2.

Ciąg obliczeniowy - przykłady
Poniższe obliczenia są wykonywane na podstawie kolby nr 5

Stężenie barwnika (C_S) w badanej próbce

C_S =  a_s * A +  b_s , gdzie:

C_s - stężenie barwnika w wodzie z krzywej skalowania [g/dm³]
A - absorbancja roztworu odczytana na skali fotometru
a_s , b_s - stałe krzywej skalowania

C_S =  0, 008373 * 0, 382 +  0, 00045

Stężenie barwnika (C_K) w badanej próbie

C_K = C_S * R , gdzie:

C_K - końcowe stężenie barwnika w roztworze [g/dm³]
R - rozcieńczenie próbki (20)

C_K = 0, 0324 * 20

C_K = 0, 6487 [g/dm³]
_________________________________________

Chłonność adsorbentu q

$\mathbf{q = \ }\frac{V*(C_{p} - C_{k})}{m}$ , gdzie:

C_p- początkowe stężenie adsorbatu w roztworze [g/dm³]
V- objętość roztworu [dm³]
m- masa węgla aktywnego pozostającego w kontakcie z roztworem [g]
q- chłonność adsorbentu [g/g]

$$\mathbf{q = \ }\frac{0,05*(1,635 - 0,6487)}{0,4585}$$

q =  0, 1076 [g/g]

Skuteczność odbarwiania roztworu S

$S = \frac{C_{p} - \ C_{k}}{\text{Cp}}*100\%$ , gdzie:

S - skuteczność odbarwiania roztworu [%]
C_p- początkowe stężenie adsorbatu w roztworze [g/dm³]
C_K - końcowe stężenie barwnika w roztworze [g/dm³]

$S = \frac{1,635 - \ 0,6487}{1,635}*100\%$

S = 60, 33 [%]
______________________________________

Pomocnicze wykresy równowagi sorpcyjnej
(tabela 1)

Wyznaczenie współczynników równań linearyzacji i współczynników korelacji średniokwadratowej

log q	log C	C/q	C
-1,18	-1,56	0,41	0,0272
-1,11	-1,16	0,89	0,0687
-1,02	-1,10	0,82	0,0787
-1,00	-0,50	3,15	0,3171
-0,97	-0,19	6,03	0,6487
-0,92	-0,09	6,82	0,8195
-1,15	0,13	18,99	1,3504
-0,81	0,12	8,42	1,3152
-0,83	0,17	10,3	1,4843

Obliczenie współczynników równań Freundlicha i Langmuira- metodą
najmniejszych kwadratów (dla kolby nr 5)

Równanie Freundlicha

Numer kolby	xi	yi	xi^2	yi^2	xi*yi
1	-1,56	-1,18	2,433	1,392	1,841
2	-1,16	-1,11	1,346	1,232	1,288
3	-1,10	-1,02	1,210	1,040	1,122
4	-0,50	-1,00	0,250	1,000	0,500
5	-0,19	-0,97	0,036	0,941	0,184
6	-0,09	-0,92	0,008	0,846	0,083
7	0,13	-1,15	0,017	1,323	-0,149
8	0,12	-0,81	0,014	0,656	-0,097
9	0,17	-0,83	0,029	0,689	-0,141
SUMA	-4,18	-8,99	5,344	9,119	4,629

a=$\frac{9*62,643 - 55,83*6,1098}{9*6,961 - ({6,1098}^{2})} =$ 8,794396 ≈ 8,794

b=$\frac{6,961*55,83 - 6,1098*62,643}{9*6,961 - ({6,1098}^{2})} =$ 0,233111 ≈ 0,233

logq = logK + n * logC

tgα = n = a = 0, 134

logK = b = −0, 937

K = 10^{−0, 93687} = 0, 116

0, 134 * logC − 0, 937 = logq

q = K*Cⁿ

q = 0, 116 * C^0, 134

q = 0, 116 * 0, 6487^0, 134  ≈ 0,  1076 [g\g]

Równanie Langmuira

Numer kolby	xi	yi	xi^2	yi^2	xi*yi
1	0,0272	0,41	0,00074	0,1681	0,0112
2	0,0687	0,89	0,00472	0,7921	0,0611
3	0,0787	0,82	0,00619	0,6724	0,0645
4	0,3171	3,15	0,10055	9,9225	0,9989
5	0,6487	6,03	0,42081	36,361	3,9117
6	0,8195	6,82	0,67158	46,512	5,5889
7	1,3504	19,0	1,82358	360,620	25,644
8	1,3152	8,42	1,72975	70,896	11,0739
9	1,4843	10,3	2,20315	106,09	15,2883
SUMA	6,1098	55,83	6,96108	632,0345	62,643

a=$\frac{9*62,643 - 55,83*6,1098}{9*6,961 - ({6,1098}^{2})} =$ 8,794396=8,794

b=$\frac{6,961*55,83 - 6,1098*62,643}{9*6,961 - ({6,1098}^{2})} =$ 0,233111=0,233

$$tg\beta = \frac{1}{a} = 8,794$$

a = 0, 114

$$\frac{1}{a*b} = b = 0,233$$

b = 37, 742

$$\frac{\mathbf{c}}{\mathbf{q}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{a*b}}\mathbf{+}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{a}}\mathbf{*C}$$

$$\frac{c}{q} = 0,233 + 8,794*C$$

$$\mathbf{q =}\frac{\mathbf{a*b*C}}{\mathbf{1 + b*C}}$$

$$q = \frac{4,3*C}{1 + 37,742*C}$$

$q = \frac{4,3*0,6487}{1 + 37,742*0,6487}\ \approx 0,1076$ [g/g]

Graficzne przedstawienie wyników

1. Zmiana stężenia barwnika w roztworze względem czasu kontaktu z węglem według wyników tabeli 2

2. Zmiana chłonności węgla względem czasu kontaktu z roztworem według wyników
z tabeli 2

3. Skuteczność odbarwiania roztworu w funkcji dawki węgla aktywnego według wyników z tabeli 1

4. Skuteczność odbarwiania roztworu w funkcji czasu kontaktu roztworu z węglem według wyników z tabeli 2

5. Izoterma adsorpcji barwnika z naniesieniem punktów doświadczalnych wg danych z tabeli 1 oraz na tym samym wykresie - przedstawienie przebiegu wyznaczonych równań Freundlicha i Langmuira.

WNIOSKI

1. Wraz ze wzrostem masy dawki węgla aktywnego maleje stężenie roztworu
(dla probówek 1-9)
2. Wraz ze wzrostem masy dawki węgla aktywnego wzrasta skuteczność odbarwiania.
3. Na podstawie pomiarów możemy także zauważyć, że wraz ze wzrostem ilości węgla aktywnego maleje absorbancja. Jest to spowodowane adsorpcją barwnika przez substancję adsorbującą (czyli węgiel aktywny).
4. Uzyskane wartości współczynników n,k dla równania Freundlicha wydają się być niemiarodajne. Może to być efektem niedokładnych pomiarów absorbancji, niedokładnego zważenia odważek bądź zanieczyszczeń naczyń, które używamy w ćwiczeniu.