Wyznaczanie izotermy adsorpcji jodu na węglu aktywnym |
|
|
Marcin Górski |
Data: |
|
Mirosław Dziergowski |
Zaliczenie: |
|
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest:
wyznaczenie izotermy adsorpcji jodu wodnych roztworów jodku potasowego na węglu aktywnym
obliczenie wspólczynnika równania Langmuira dla tego układu
oszacowanie powierzchni właściwej adsorbentu.
Zasada pomiaru.
Korzystając z wyjściowego roztworu zawierającego ok. 0,04 mol J2/litr i dokładnie 0,1 mol KJ/litr sporządzić w kolbkach miarowych o poj. 100 ml, przez kolejne rozcieńczeniem roztworem KJ sześć roztworów o stężeniach 0,04; 0,03; 0,02; 0,01; 0,007; 0,005.
W sześciu kolbkach ze szlifem odważyć po ok. 0,1g węgla aktywnego (z dokładnością do 0,0001g) i do każdej z nich odmierzyć odpowiednio po 50 ml przygotowanych roztworów jodu. Mieszać zawartość kolbek na wytrząsarce w ciągu 1 godziny.
Pozostałe roztwory w kolbkach miarowych wykorzystuje się do oznaczenia stężenia początkowego jodu. Z każdej kolbki miarowej pobrać 10 ml roztworu i miareczkować 0,01 M tiosiarczanem sodo-wym wobec skrobi jako wskaźnika.
Po zakończeniu wytrząsania pobrać po 10 ml roztworów i oznaczyć końcowe stężenie jodu przez zmiareczkowanie 0,01 M tiosiarczanem sodowym.
Wyniki pomiarów.
Numer próbki |
Masa adsorbentu m [g] |
Stężenie pocz. c0 [mol/litr] |
Stężenie końc. c [mol/litr] |
[mol/g] |
|
1 |
0,1002 |
0,0177 |
0,00975 |
0,003967 |
2,4577 |
2 |
0,1037 |
0,0133 |
0,0057 |
0,003664 |
1,5555 |
3 |
0,10035 |
0,0089 |
0,0022 |
0,003338 |
0,6590 |
4 |
0,09805 |
0,0044 |
0,0004 |
0,002040 |
0,1961 |
5 |
0,1086 |
0,0030 |
0,000125 |
0,001324 |
0,0944 |
6 |
0,11385 |
0,0022 |
0,00005 |
0,000944 |
0,0529 |
Wyniki podczas miareczkowania 0,01M Na2S2O3.
Nr próbki |
[ml] Na2S2O3 bez adsorbentu |
[ml] Na2S2O3 z adsorbentem |
1 |
35,4 |
19,5 |
2 |
26,6 |
11,4 |
3 |
17,8 |
4,4 |
4 |
8,8 |
0,4 |
5 |
6,0 |
0,25 |
6 |
4,4 |
0,1 |
|
|
|
Przykładow obliczenia.
Obliczenie stężeń jodu na początku i na końcu za pomocą miareczkowania tiosiarczanem.
mając stężenie tiosiarczanu 0,01M, oraz znaną objętość przy jakiej redukuje on jony J3- na 10 ml roztworu jodu można obliczyć stężenie jodu na początku i na końcu.
Przykładowe obliczenie dla próby 1:
C [Na2S2O3] = 0,01M
V [Na2S2O3] = 35,4 ml
V [KJ3] = 10 ml
z reakcji wynika, że na 2 mole tiosiarczanu przypada 1 mol KJ3
czyli na 0,01⋅0,0354 mola tiosiarczanu przypada x moli KJ3
⇒ x = 0,000177 mola KJ3
to C = x / 0,01 = 0,0177 [mol/litr].
Analogiczne obliczenia wykonujemy dla ustalenia pozostałych stężeń.
2. Obliczenie adsorpcji pozornej (nadmiarowej) wg zależności:
dla próbki nr 1:
dla próbki nr 6:
Obliczenie współczynników równania Langmuira z równania linii prostej.
gdzie c - stężenie równowagowe
a - adsorpcja nadmiarowa
am- całkowita powierzchnia pokryta jednocząsteczkową warstwą adsorbatu
Współczynniki i obliczamy metodą najmniejszych kwadratów:
Dane:
x = c |
y = c/a
|
0,00975 |
2,4577 |
0,0057 |
1,5555 |
0,0022 |
0,6590 |
0,0004 |
0,1961 |
0,000125 |
0,0944 |
0,00005 |
0,0529 |
247,657
0,0845
ponieważ:
A = 1/am ⇒ am = 1/247,657 = 0,004038 [mol/g].
B = 1/amb ⇒ b = 1/(0,0845⋅0,004038) = 2930,73
Szacowanie powierzchni właściwej węgla aktywnego.
Korzystając ze wzoru:
gdzie:
S - powierzchnia właściwa,
ω0 - powierzchnia siadania [Α2] (równa 0,3 nm2)
NA - liczba Avogadro (równa 6,023⋅1023)
= 729,62
Wnioski.
Z równania Langmuira wyznaczyliśmy izotermę adsorpcji jodu. Z przebiegu tej izotermy można wyw-nioskować, że przy wzroście stężenia roztworu jodu rośnie ilość adsorbowanego jodu na adsorbencie jakim jest węgiel aktywny. Jak widać z wykresu, krzywa zbliża się asymptotycznie do pewnej granicy, w której następuje stan nasycenia i zakończenie procesu adsorpcji.
Ten punkt obrazujący stan nasycenia obliczony na podstawie równania linii postej równania Langmuira wynosi 0,004038 [mol/g], czyli jest to maksymalne pokrycie powierzchni adsorbenta jednocząsteczko-wą warstwą adsorbatu.
Węgiel aktywny jest adsorbentem, którego cechą charakterystyczną jest duża porowatość, a co za tym idzie duża powierzchnia właściwa. Powierzchnia węgli aktywnych waha się w granicach 400-900 [m2/g]
Z naszych oszacowań wynika, że powierzchnia właściwa węgla aktywnego (czyli iloczyn liczby cząste-czek, która znajduje się w 1g adsorbentu i powierzchni siadania) wynosi 729,62 [m2/1g węgla], można więc z naszego wyniku potwierdzić fakt, że w rzeczywistości ten adsorbent posiada tak dobrze rozwi-niętą powierzchnię właściwą.