Krystian Rasak Biotechnologia

Ćwiczenie nr 1.2 24.11.2011

Tytuł: Adsorpcja kwasów karboksylowych na węglu aktywnym.

Literatura:

J. Ceynowa, M. Litowska, R. Nowakowski, J. Ostrowska - Czubenko: „Podręcznik do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej” UMK, 1999, str. 136-145

Wstęp teoretyczny:

Adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia.

Najczęściej terminem adsorpcja określa się proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub też proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej. Może mieć charakter chemiczny lub fizyczny. Adsorpcja ma charakter powierzchniowy, czym różni się od absorpcji polegającej na pochłanianiu w całej objętości.

Adsorbat - to substancja, która może być adsorbowana na powierzchni adsorbentu w procesie adsorpcji.

Adsorbent - to ciało o bardzo rozwiniętej powierzchni, na której zachodzi proces polegający na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek płynu (cieczy lub gazu) przez cząsteczki ciała stałego. Powoduje to zatężanie substancji rozcieńczonej (adsorbatu). Adsorbenty możemy podzielić według różnych cech: dyspersji, rodzaju adsorpcji, rozmiaru porów.

Izoterma Langmuira to podstawowa izoterma adsorpcji.

Ta teoria kinetyczna zakłada, że adsorbat może tworzyć na powierzchni adsorbentu tzw. monowarstwę cząsteczek oddziaływujących z miejscami adsorpcyjnymi a nie oddziaływującymi (albo słabo oddziaływającymi) ze sobą. Cząsteczki adsorbatu obecne w fazie gazowej uderzają w powierzchnię - prawdopodobieństwo zaadsorbowania rośnie wraz z dostępną wolną powierzchnią. Zaadsorbowane cząsteczki charakteryzuje pewne prawdopodobieństwo desorpcji (proces przeciwny do adsorpcji). Oba prawdopodobieństwa zależą od temperatury i wielkości energii adsorpcji. Wraz z ciśnieniem rośnie częstość uderzeń cząsteczek w powierzchnię, a wraz z ilością zaadsorbowanych cząsteczek maleje dostępna powierzchnia.

Równanie izotermy Langmuira:

gdzie: a - adsorpcja rzeczywista, a_m - wielkość adsorpcji odpowiadająca zapełnieniu monowarstwy, K - stała równowagi adsorpcji, p - ciśnienie adsorbatu

Izoterma Freundlicha to równanie o charakterze eksperymentalnym opisujące dobrze adsorpcję na powierzchniach heterogenicznych (energetycznie niejednorodnych) oraz na adsorbentach mikroporowatych.

Równanie to stosuje się szczególnie do adsorpcji na mikroporowatych węglach aktywnych z rozcieńczonych roztworów wodnych związków organicznych - w powyższych równaniach należy zastąpić ciśnienie stężeniem:

• a = kc^{1 / n}

• a = a_m(Kc)^m

• a = a_m(c / c_s)^m

gdzie: a - adsorpcja rzeczywista, a_m - wielkość adsorpcji odpowiadająca zapełnieniu warstwy adsorpcyjnej lub zapełnieniu mikroporów, k - stała, K - stała równowagi adsorpcji, c - stężenie adsorbatu, n,m - empirycznie określone tzw. parametry heterogeniczności.

Wyniki:

Cel ćwiczenia: Wykazanie zależności pomiędzy stężeniem roztworu a liczbą moli zaadsorbowanego kwasu przypadającą na jednostkę masy adsorbentu oraz wyznaczenie wartości stałych charakteryzujących izotermę adsorpcji Freundlicha.

Stężenie wyjściowe kwasu propionowego: C H COOH ~0,5 mol/dm

Waga	Techniczna	Analityczna
krokodylka	17,14	17,058
Węgla aktywnego
1	0,98	0,96765
2	0,98	0,9721
3	0,96	0,95855
4	1,00	0,99405
5	0,99	0,98165

Stężenie wyjściowe NaOH: 0,2012 mol/dm

Roztwór wyjściowy	Ilość NaOH [ml]
1	5,6
2	5,7
3	5,7

Miareczkowanie roztworów kwasu roztworem NaOH w obecności fenoloftaleiny:

próbka	1 (5cm )	2 (5cm )	3 (10cm )	4 (10cm )	5 (10cm )
1	5,7	2,5	2,4	1,0	0,4
2	5,7	2,4	2,4	1,1	0,5
3 Średnia	5,7 5,7	2,5 2,47	2,4 2,4	1,1 1,07	0,4 0,43

Opracowanie wyników:

Sposób obliczenia stężenia roztworu kwasu wyjściowego:

Sposób obliczenia stężenia roztworów kwasów przed adsorpcją:

Sposób obliczenia stężenia roztworów kwasów po adsorpcji:

Sposób obliczenia liczby moli kwasu karboksylowego, która została zaadsorbowana przez jednostkę masy wegla (1kg):

Wyznaczenie wartości stałych charakteryzujących izotermę adsorpcji Freundlicha:

Tabela wyników:

Roztwór	m [g]	c [mol/m ]	c [mol/m ]	log c	x/m	log (x/m)	c/(x/m)
1	0,96765	285,2	229,37	2,36	2,884824	0,460119	79,50918
2	0,9721	136,9	99,26	2,00	1,936015	0,286909	51,27027
3	0,95855	68,4	48,28	1,68	1,049502	0,020983	46,00278
4	0,99405	34,2	21,5	1,33	0,638801	-0,19463	33,65681
5	0,98165	17,1	8,7	0,94	0,427851	-0,36871	20,33418

Wnioski:

Izoterma Freundlicha jest równaniem stosowanym do przedstawienia zjawiska adsorpcji na mikroporowatych węglach aktywnych z rozcieńczonych roztworów wodnych związków organicznych. W ćwiczeniu została wykazana zależność pomiędzy stężeniem kwasu po adsorpcji a liczbą moli kwasu propionowego zaadsorbowaną przez jednostkę masy węgla, która jest zgodna z przebiegiem funkcji logarytmicznej, a zatem z izotermą Freundlicha.

---