RAFAŁ AUKSEL

ANNA RAKIEL

Inżynieria chemiczna rok II .

ĆWICZENIE 24 : WYZNACZANIE POWIERZCHNI WŁAŚCIWEJ WĘGLA AKTYWNEGO

WSTĘP.

Zjawisko występujące na granicy dwóch faz , polegające na powstawaniu różnic pomiędzy przeciętnym składem wnętrza faz , a składem warstw przylegających 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 adsorbentu na powierzchni ciała stałego zwanego adsorbentem tracą swobodę ruchu.

W zależności od sił działających na cząsteczki fazy ciekłej lub gazowej w warstwie przylegającej do adsorbentu , adsorpcja może mieć 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 (kilkadziesiąt kJ/mol). Cząsteczki substancji zaadsorbowanej mogą tworzyć w tym przypadku warstwę o grubości odpowiadającej kilku średnicom cząsteczek adsorbatu.

Adsorpcja chemiczna jest wynikiem tworzenia się wiązań chemicznych między cząsteczkami adsorbatu i cząsteczkami powierzchniowymi adsorbentu. Wymaga ono energii aktywacji i charakteryzuje ją z reguły jednocząsteczkowe pokrycie powierzchni adsorbenta energia towarzysząca chemisorpcji jest porównywalna z energią reakcji chemicznych i wynosi ok. 10² kJ/mol. W zależności od rodzaju adsorbatu wiązania chemisorpcyjne mogą być jonowe lub koordynacyjne.

Według modelu adsorpcji Langmuira szybkość procesu adsorpcji można wyrazić następująco

(1)

a szybkość desorpcji

(2)

Z równania (1) wynika , że szybkość adsorpcji zależy od niepokrytej (wolnej) powierzchni (1-Θ) i od ciśnienia gazu p (lub stężenia). W stanie równowagi następuje zrównanie się szybkości v_a = v_d , czyli że

(3)

a stąd po przekształceniu

(4)

gdzie K = k_a/k_d jest określany jako współczynnik adsorpcji.

Wyrażenie (4) jest równaniem izotermy adsorpcji Langmuira. W przypadku adsorpcji z roztworu równanie izotermy Langmuira przyjmuje postać:

(5)

Równanie izotermy adsorpcji Langmuira można sprowadzić do postaci liniowej

(6)

Jeżeli stopień pokrycia wyrazimy ilością moli adsorbatu odniesioną do 1 g adsorbentu

(7)

to równanie izotermy adsorpcji przyjmie postać

(8)

lub po przekształceniu

(9)

Zależność (9) jest równaniem prostej o parametrach 1/n_w,maks i 1/(n_w,maksK). Za pomocą tego równania można wyznaczyć stałe K i n_w,maks ze współczynnika kierunkowego prostej 1/n_w,maks i z rzędnej 1/(n_w,maksK). Znając wartość n_w,maks możemy wyliczyć powierzchnię właściwą przypadającą na określoną ilość adsorbenta A , jeżeli znana jest powierzchnia S zajmowana przez cząsteczką w monowarstwie

(10)

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Zestawienie danych doświadczalnych :

L.P.	Stężenie 50 cm^3 kw. octowego przed adsorpcją [mol/dm^3]	Objętość 0,1 molowego NaOH zużytego do miareczkowania [cm^3]
1.	0,15	33,5
2.	0,12	27,2
3.	0,09	15,9
4.	0,06	10,1
5.	0,03	4,9
6.	0,015	2,5

Do obliczenia liczby moli kw. octowego zawartych w 50 cm³ roztworu przed adsorpcją korzysta się z zależności :

n₁ = c_{kw. octowego} V_{kw. octowego}

Do obliczenia liczby moli kw. octowego zawartych w 50 cm³ roztworu po adsorpcji korzysta się z zależności :

n₂ = c_NaOH V_NaOH

zestawienie wyników obliczeń w tabeli :

Ilość moli kw. octowego w 50 cm^3 r-ru przed adsorpcją n1[mol]	Ilość gramów użytego węgla aktywnego m[g]	Ilość moli kw. octowego w 50 cm^3 r-ru po adsorpcji n2[mol]	Stężenie równowagowe kw. octowego c[mol/dm^3]	Całkowita ilość moli kw. octowego która uległa zaadsorbowaniu n=n1-n2[mol]	Ilość moli kw. octowego która została zaadsorbowana na 1g węgla aktywnego nw=n/m[mol/g]
0,0075	1,0002	0,006675	0,1335	0,000825	0,000825
0,006	1,0003	0,005225	0,1045	0,000775	0,000775
0,0045	0,9838	0,00382	0,0764	0,00068	0,000691
0,003	1,0117	0,0025	0,05	0,0005	0,000494
0,0015	0,9886	0,0012	0,024	0,0003	0,000303
0,00075	1,0003	0,00058	0,0116	0,00017	0,00017

2. Wykreślenie krzywej izotermy adsorpcji :

3. Na podstawie równania (9) wykreślono zależność c/n_w = f(c)

i obliczono liczbę moli kw. octowego potrzebną do pokrycia powierzchni 1 g węgla aktywnego monomolekularną warstewką ( n_w,maks). Wyznaczenie tej wartości sprowadza się do wyznaczenia współczynnika kierunkowego wykreślonej uprzednio prostej b = 1 / n_w,maks

a) metoda graficzna

korzystamy z wyznaczonego już na wykresie współczynnika kierunkowego b = 735.08

n_w,maks = 1 / 735.08 = 0,00136 [mol/g]

b) metoda najmniejszych kwadratów

c/nw	c·(c/nw)	c	c^2
161,8505	21,60705	0,1335	0,017822
134,8792	14,09487	0,1045	0,01092
110,5328	8,444708	0,0764	0,005837
101,17	5,0585	0,052	0,0025
79,088	1,898112	0,024	0,000576
68,25576	0,791767	0,0116	0,000135
655,7763	51,89501	0,4	0,03779

suma
(∑c_i)² = 0,16

liczba pomiarów m = 6

[mol/g]

4. Zakładając , że S = 21·10^-20 obliczamy za pomocą równania (10) powierzchnię właściwą węgla aktywnego A :

A = n_w,maksN_AS = 0,00136·6,025·10²³·21·10^-20 = 172,074 [m²/g]

---