Anita Mańkowska Marzena Pieczara Monika Chachlowska Hugues Mampangi	Ćwiczenie nr 1	4.11.2008r.
Gr. 31 Zespół 5	Wyznaczanie powierzchni właściwej adsorbenta metodą BET	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny.

Adsorpcja jest to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub na granicy faz, powstają lokalne zmiany stężenia. Wyróżniamy adsorpcję:

1. Fizyczną (fizysorpcja):

• adsorbowane cząsteczki wiążą się siłami van der Waalsa

• ilość wydzielonego ciepła jest mała

• niska energia aktywacji- szybko ustala się równowagę adsorpcyjną

• mogą powstać warstwy wielocząsteczkowe

2. chemiczną (chemisorpcja):

   • adsorbowane cząsteczki wiążą się siłami kulombowskimi

   • ilość ciepła wydzielanego jest duża (proces egzotermiczny)

   • wysoka energia aktywacji- wolno ustala się równowaga adsorpcji

   • powstaje monowarstwa

Adsorpcja może zachodzić na różnych granicach faz: ciecz-gaz, ciecz-ciecz, ciało stałe-ciecz,

ciało stałe-gaz.

Izoterma BET

Nazwa pochodzi od nazwisk trzech badaczy: Brunauera, Emmetta i Tellera.

Założenia:

- powierzchnia jest wielowarstwowa tzn. wytworzona w procesie adsorpcji, pierwsza warstwa monomolekularna składająca się z cząsteczek adsorbatu jest podłożem, na którym adsorbują się cząstki drugiej warstwy, a na niej trzeciej itd.

- dla każdej warstwy stosuje się równanie izotermy Langmuira

- energie poszczególnych warstw są od siebie różne

- wzajemne oddziaływania między zaadsorbowanymi cząsteczkami nie istnieją

- ilość zaadsorbowanych cząsteczek adsorbatu zależy od ciśnienia P jego par, wraz ze wzrostem tego

ciśnienia zmniejsza się ilość niezajętych miejsc na powierzchni adsorbentu, a jednocześnie tworzą

się podwójne, potrójne itd. kompleksy adsorpcyjne.

IZOTERMA ADSORBCJI BET MA POSTAĆ:

Zastosowanie:

Podstawowa metoda badania struktury ciał mikroporowatych i rozdrobnionych.

Dzięki niej można wyznaczyć powierzchnię właściwą, objętość i średnicę porów różnych materiałów mikroporowatych np. węgla drzewnego, sit molekularnych, membran, separatorów stosowanych w akumulatorach.

2. Wykonanie ćwiczenia.

Do zważonego pojemnika na adsorbent wsypujemy ok.1 cm³ węgla aktywnego i poddajemy odgazowaniu pod próżnią w podwyższonej temperaturze. Po ok. 20 minutach pojemnik z adsorbentem studzimy i ważymy. Podłączamy dozownik zawierający około 5,0 cm³ n-pentanu. Temperatura otoczenia wynosi 20⁰ C.

Otwieramy kran przy pojemniku z adsorbatem na czas potrzebny do odparowania odpowiedniej objętości n-pentanu. Następnie zamykamy kran.

Po ok. pięciu minutach otwieramy kran nad adsorbentem i odczytujemy ciśnienie z manometru, po czym zamykamy kran. Czynności powtarzamy zapisując ciśnienie równowagowe oraz objętość zaadsorbowanego adsorbatu.

3. Wyniki pomiarów.

Temperatura w której dokonano pomiarów: 20 C.

Prężność pary nasyconej n-pentanu w temperaturze 20 C wynosi 420,2[mmHg]

Gęstość n-pentanu w 20⁰ C wynosi  = 0,6219 [g/cm³]

Masa molowa n-pentanu: M = 72 [g/mol].

Powierzchnia siadania adsorbatu:  = 52,3  10^-20 [m²]

Wyniki pomiarów przedstawiamy w tabeli:

vi [cm^3]	pi [mmHg]
0,05	4
0,2	14
0,35	28
0,5	46
0,7	68
0,85	88
0,95	103
1,05	115
1,15	123
1,25	131

4. Opracowanie wyników.

Z uzyskanych danych sporządzamy wykres P_i = f(V_i).

Odcinek prostoliniowy, świadczący o zakończeniu procesu adsorpcji, opisuje równanie: y = 83x – 113,2.

Z prostej równoległej przechodzącej przez początek układu współrzędnych (o równaniu y = 83x) wyznaczamy P_i⁰ (ciśnienie, jakie panowałoby w aparaturze, gdyby nie zachodziła adsorpcja) dla zmierzonych objętości równowagowych.

Obliczamy P_i = P_i⁰ – P_i i dla tych wartości P_i odczytujemy skorygowaną wielkość V_i^*_ads (z równania prostej przechodzącej przez początek układu).

lp.	vi [cm^3]	pi [mmHg]	P^o [mmHg]	Pi = Pi^0-Pi. [mmHg]	Vi,ads [cm^3]	p^o-pi [mmHg]	pi/vi,ads(p^o-pi)
1	0,05	4	34,5	32,5	0,19	418,2	0,025
2	0,2	14	51,7	48,7	0,28	417,2	0,026
3	0,35	28	68,9	64,9	0,38	416,2	0,025
4	0,5	46	103,4	98,4	0,57	415,2	0,021
5	0,7	68	137,8	132,8	0,77	414,2	0,019
6	0,85	88	172,3	150,3	0,82	398,2	0,067
7	0,95	103	189,6	156,6	0,90	387,2	0,095
8	1,05	115	206,8	150,8	0,89	364,2	0,173
9	1,15	123	240,0	172,0	0,99	352,2	0,195
10	1,25	131	241,3	155,3	0,90	334,2	0,286

Wykres zależności P_i = f(V_i).

Sporządzamy wykres zależności P od P/V(P-P):

Z równania BET:

.

Dla stycznej o równaniu y = ax + b poprowadzonej wzdłuż najbardziej prostoliniowego odcinka:

stąd:

.

Z równania stycznej: a = 0,070 i b = – 0,826.

Obliczamy V_m:

Obliczamy liczbę moli n-pentanu potrzebną do pokrycia powierzchni adsorbenta jedną warstwą.

Powierzchnia zajmowana przez adsorbat wynosi:

Powierzchnia właściwa adsorbenta wynosi:

5. Wnioski

• Początkowo po dodawaniu kolejnych porcji adsorbatu ciśnienie równowagowe odczytane z manometru wzrastało nieznacznie (lub w ogóle nie wzrastało). Świadczy to o tym, że prawie cała ilość adsorbatu odparowanego z pojemnika została zaadsorbowana. Po dodaniu około 1,4 cm³
  n- pentanu ciśnienie zaczęło gwałtownie rosnąć. Możemy więc wnioskować, iż proces adsorpcji został zahamowany, a ciśnienie rosło z powodu coraz większej ilości adsorbatu pozostającej w przestrzeni nad adsorbentem. Zmiany te można zaobserwować także analizując wykres 1.

• Podczas początkowych pomiarów ciśnienie równowagowe wzrastało nieznacznie po odparowywaniu kolejnych porcji adsorbatu. Jako że mogliśmy odczytać je ze skali manometru z ograniczoną dokładnością (wynikającą z podziałki oraz niedoskonałością oka ludzkiego) dla najmniejszych wartości ciśnienia błędy pomiaru mają największy wpływ na wyniki. Można to zaobserwować szczególnie wyraźnie w początkowej części wykresu 2.

• Z powodu niedokładności odczytu ciśnienia dla dwóch pierwszych pomiarów odczytaliśmy tą samą wartość (różnica była zbyt mała aby można ją zaobserwować przy pomocy dostępnej aparatury), w związku z czym ta część wykresu nie ma sensu w ujęciu matematycznym.

• Obliczona powierzchnia właściwa dla węgla aktywnego wyniosła ok. 520 m²/g. Dzięki temu mogliśmy się przekonać

Wykres 3 (którego jeszcze nie ma):

• Analizując wykres zależności zagęszczonego adsorbatu od ciśnienia, możemy go zaliczyć do dwóch z pięciu typów izoterm adsorpcji wg BET. Najbardziej przypomina on typ trzeci, jednak dalej wykonywane pomiary mogły wykazać wystąpienie zjawiska kondensacji, czego dowodem byłoby charakterystyczne zakrzywienie na wykresie.

• Ponieważ wykres ten zaczyna się od niskich wartości, można wywnioskować, że adsorpcja fizyczna nie wystąpiła tu znacząco,