FIZYKOCHEMIA ŚRODOWISKA

Ćwiczenie nr 31

Temat : Oznaczanie liczby adsorpcji jodu dla węgli aktywnych

Wykonali:

Agnieszka Gośka

Agnieszka Jakubiak

Ochrona Środowiska rok IV

WSTĘP TEORETYCZNY

Procesy adsorpcji zachodzą w środowisku samorzutnie. Przykładem może być adsorpcja kadmu, czy innych metali ciężkich w glebie. Proces ten jest powszechną metodą usuwania zanieczyszczeń środowiskowych.

Zjawisko występujące na granicy dwóch faz, polegające na powstaniu różnic pomiędzy przeciętnym składem wnętrza faz, a składem warst przylegajacych do powierzchni rozdziału nazywamy adsorpcją. Zachodzi ono prawie zawsze w przypadku zetknięcia się gazów lub cieczy (adsorbat) z fazą stałą. W wyniku procesu adsorpcji cząsteczki adsorbatu na powierzchni ciała stałego zwanego adsorbentem tracą swobodę ruchu. Oznacza to jednocześnie, że entropia cząsteczek adsorbatu maleje. Maleje również energia swobodna Gibbsa, tzn. ΔG<0. Ze związku ΔG=ΔH-TΔS wynika, że entalpia musi mieć znak ujemny ΔH<0 czyli że wszystkie procesy adsorpcji sa egzotermiczne. Między cząsteczkami znajdującymi się w fazie objętościowej (gazie lub cieczy) i cząsteczkami w stanie zaadsorbowanym ustala się stan równowagi dynamicznej, który zostanie osiagnięty, gdy liczba cząsteczek zaadsorbowanych zrówna się z liczbą cząsteczek ulegających desorpcji.

Równanie opisujące stan równowagi procesu adsorpcji:

Równowaga termodynamiczna będzie osiągnięta, gdy potencjał chemiczny substancji A w stanie zaadsorbowannym będzie równy potencjałowi tej samej substancji w fazie objętościowej, ale musi być spełniony warunek:

Wartość potencjału chemicznego substancji zależy od aktywności substancji A, powyższe równanie można zapisać następująco:

gdzie: - potencjał chemiczny substancji A w fazie objętościowej, - potencjał chemiczny substancji A w stanie zaadsorbowanym, - aktywność substancji A w fazie objętościowej, - aktywność substancji A w stanie zaadsorbowanym, R – stała gazowa, T – temperatura.

Po przekształceniu prowadzi do wzoru:

Powyższe równanie opisuje liniową zależność pomiędzy aktywnością powierzchniową a_A,ads i aktywnością w fazie objętościowej a_A. Dla niskich stężeń możemy zamiast aktywności wprowadzić do równania stężenie i otrzymamy:

Gdzie: - stężenie w warstwie przypowierzchniowej, - stała równowagi procesu adsorpcji, - stężenie w fazie objętościowej.

Powyższe równanie zwane jest równaniem izotermy adsorpcji Henry’ego. Jest ono spełnione dla niskich ciśnień (poniżej jednej atmosfery) lub dla małych stężeń oraz wyższych temperatur.

W zależności od sił działajacych na cząsteczki fazy ciekłej lub gazowej w warstwie przylegającej do adsorbentu, adsorpcja może mnieć charakter fizyczny lub chemiczny.

Adsorpcja fizyczna jest wynikiem oddziaływań międzycząsteczkowych typu van der Waalsa między cząsteczkami adsorbatu i powierzchniowymi cząsteczkami adsorbentu. Jest ona procesem odwracalnym i cechuje ją niewielki efekt cieplny.

Adsorpcja chemiczna jest wynikiem tworzenia się wiązań chemicznych między cząsteczkami adsorbatu i cząsteczkami powierzchniowymi adsorbentu. Wymaga ona energii aktywacji i charakteryzuje ją z reguły jednocząsteczkowe pokrycie powierzchni adsorbentu.

Proces adsorpcji kończy się wraz z ustaleniem stanu równowagi dynamicznej, natomiast w praktyce równowagę adsorpcji bada się przy ustaleniu jednego z parametrów (temperatury, ilości substancji zaadsorbowanej oraz stężenia adsorbatu w fazie ciekłej lub gazowej) najczęściej temperatury. Zależność ilości substancji zaadsorbowanej od stężenia równowagowego fazy ciekłej lub gazowej w stałej temperaturze przedstawia się w postaci równania lub graficznie i nazywna jest izotermą adsorpcji.

Oprócz izoterm adsorpcji znane są izobary adsorpcji i izostery adsorpcji a odpowiednie równania wyprowadza się z ogólnego równania ƒ(α_A,p,T)=0, określając stan równowagi. Mamy zatem nastepujące funkcje:

• Izoterma adsorpcji T=const

α_A =ƒ(p)_T

• Izobara adsorpcji p=const

α_A=ƒ(T)_p

• Izostera adsorpcji α_A=const

P=ƒ(T)α_A

Teoria Langimura

Założenia teorii:

1. Powierzchnia adsorbentu posiada określoną liczbę miejsc aktywnych, zwanych centrami aktywnymi.

2. Na jednym miejscu aktywnym może zaadsorbować się tylko jedna cząsteczka adsorbatu.

3. Wiązanie się cząsteczek adsorbatu z miejscami aktywnymi może być fizyczne lub chemiczne.

4. Zaadsorbowane cząsteczki tworzą warstwę monomolekularną i nie wystepują między nimi żadne wzajemne oddziaływanie.

5. Cząsteczki nie wykazują ruchu translacyjnego w płaszczyźnie powierzchni adsorbatu.

6. Energia adsorpcji jest stała i nie zależy od stopnia pokrycia powierzchni.

7. Gdy p,T=const ustala się równowaga między cząsteczkami zaadsorbowanymi na powierzchni a cząsteczkami fazy objętosciowej, tzn. że w stanie równowagi liczba cząsteczek adsorbujących się w jednostce czasu równa się liczbie cząsteczek ulegających desorpcji.

Stopień pokrycia – jest to stosunek ilości moli zaadsorbowanych na centrach – n do ilości moli odpowiadających obsadzeniu wszystkich centrów aktywnych:

Z tego równania wynika, że =1 jeśli wszystkie centra aktywne zostaną pokryte.

Według Langumira szybkość procesu adsoprpcji można wyrazić następująco

Szybkość adsorpcji zależy od niepokrytej powierzchni i od ciśnienia gazu.

Szybkość desorpcji:

Szybkość desorpcji jest proporcjonalna do wielkości pokrytej powierzchni . Stałe i są stałymi szybkości odpowiedniego procesu adsorpcji i desorpcji, natomiast w stanie równowagi następuje zrównanie się tych dwóch szybkości , czyli że

a po przekształceniu równania otrzymamy rówanie które jest rówaniem izotermy adsorpcji Langumira:

K=k_α/k_d określane jest jako współczynnik adsorpcji.

Natomiast w przypadku izotermy adsorpcji z roztworu rówanie izotermy Langumira przymuje postać:

C- oznacza stężenie równowagowe substancji adsorbowanej w fazie objętościowej

Postać liniowa:

Jeśli stopień pokrycia wyrazimy ilością moli adsorbatu odniesioną do 1 grama adsorbatu:

-ilość moli substancji zaadsorbowanej na 1 gram adsorbatu

- maksymalna ilość moli adsorbatu, która może być zaadsorbowana na 1 gram adsorbentu a wtedy równanie izotermy adsorpcji można zapisać następująco:

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest oznaczenie liczby adsorpcji jodu dla węgli aktywnych.

Zakres stosowania metody. Metodę stosuje się do oceny jakości pyłowych węgli aktywnych przeznaczonych do adsorpcji z roztworów rozpuszczonych substancji.

Określenie. Liczba adsorpcji jodu (LJ) jest to ilość mg jodu zaadsorbowana przez 1g badanego węgla aktywnego z roztworu jodu o stężeniu w określonych warunkach.

Metoda oznaczania. Zasada metody polega na odmiareczkowaniu niezaadsorbowanego przez węgiel jodu i obliczeniu wartości liczy adsorpcji jodu.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Sprawdzenie stężenia roztworu jodu. Stężenie jodu w przygotowanym roztworze sprawdziliśmy w następujący sposób: do kolby stożkowej o pojemności 200 ml wlaliśmy 10 ml przygotowanego roztworu jodu i rozcieńczyliśmy 20 ml wody. Zawartość kolby miareczkowaliśmy 0,1 molowym roztworem tiosiarczanu sodowego do słomkowego zabarwienia, następnie dodaliśmy 3 krople skrobi i miareczkowaliśmy w dalszym ciągu do całkowitego odbarwienia się roztworu.

Stężenie jodu obliczyliśmy wg wzoru:

gdzie:

V – objętość 0,1 molowego roztworu tiosiarczanu sodowego zużytego do miareczkowania [ml]

- stężenie tiosiarczanu sodowego [mol/l]

10 – objętość próbki roztworu jodu pobranej do oznaczania stężenia [ml]

Po podstawieniu wartości do wzoru otrzymaliśmy:

1. Wykonanie oznaczenia. Z przygotowanych próbek węgli aktywnych odważyliśmy po dwie próbki o masie 0,2 g z dokładnością do 0,0002 g każdego z badanych węgli ( sypki oraz miałki ) i przenieśliśmy ich zawartość do kolb stożkowych. Następnie dodaliśmy 4 ml 5% roztworu kwasu solnego i 10 ml roztworu jodu o stężeniu 0,2 mol/l. Każdą kolbę zamknęliśmy korkiem i wytrząsaliśmy w ciągu 4 min w warunkach dobrego mieszania. Po tym czasie zawartość każdej kolby przesączyliśmy przez miękki sączek ilościowy i przepłukaliśmy 50 ml wody destylowanej w celu zmniejszenia pozostałości jodu na sączku. Objętość całego uzyskanego roztworu zmiareczkowaliśmy mianowanym roztworem tiosiarczanu sodowego o stężeniu 0,1 mol/l w obecności skrobi jako wskaźnika. Równolegle wykonaliśmy ślepą próbę stosując ściśle te same ilości użytych odczynników roztworów.

2. Obliczanie wyniku oznaczania. Liczbę adsorpcji jodu (LJ) w miligramach na gram wegla oblicza się wg wzoru:

gdzie:

- objętość roztworu tiosiarczanu sodowego użytego do miareczkowania ślepej próby [ml]

-objętość roztworu tiosiarczanu sodowego użytego do miareczkowania próbki właściwej [ml]

126,92 - masa 1 gramorównoważnika (1/2 I₂) jodu [g/mol]

m_c - masa próbki węgla pobranej do oznaczania [g]

f - współczynnik przeliczeniowy rzeczywistego stężenia roztworu jodu na stężenie

Po podstawieniu do wzoru na liczbę adsorpcji jodu dla węgla aktywnego w formie mikrogranulek otrzymamy:

Po podstawieniu do wzoru na liczbę adsorpcji jodu dla węgla aktywnego w formie miału otrzymamy:

WNIOSKI

Otrzymane wartości liczb adsorpcyjnych jodu dla węgli aktywnych występujących w formie mikrogranulek oraz miału są sobie różne.