Исследовательская работа Тюлегенова Ануарбека.doc - Исследовательская работа «Как «работает» активированный уголь?» Направление: познание мира. Исследовательская работа на тему "исследование свойств адсорбционной способности активированного угля"

Получается, что у многих из нас организм хронически отравлен и ему нужна генеральная уборка изнутри. Как и при остром отравлении хороших и быстрых результатов можно добиться с помощью адсорбентов. Как действуют эти вещества в организме? Представить процесс адсорбции поможет отрывок из книги Олега Ольгина «Опыты без взрывов».

Как только вы сажаете чернильную кляксу на бумагу или, что гораздо хуже, на одежду, так сразу и знакомитесь с этим явлением. Когда поверхность одного вещества (бумаги, ткани и т. д.) поглощает частицы другого вещества (чернил и проч.), это и есть адсорбция.

Очень хороший адсорбент — уголь. Причем не каменный, а древесный, и не просто древесный, а активный (активированный). Такой уголь продают в аптеках, обычно в виде таблеток. С него и начнем опыты по адсорбции.

Приготовьте бледный раствор чернил любого цвета и налейте в пробирку, но не доверху. Положите в пробирку таблетку активного угля, лучше растолченного, закройте пальцем и встряхните как следует.

Раствор посветлеет на глазах. Поменяйте раствор на какой-либо другой, но тоже окрашенный — пусть это будет разбавленная гуашь или акварель. Эффект окажется таким же. А если взять просто кусочки древесного угля, то они будут поглощать краситель значительно слабее.

В этом нет ничего странного: активный уголь отличается от обычного тем, что у него гораздо большая поверхность. Его частицы буквально пронизаны порами (для этого уголь особым способом обрабатывают и удаляют из него примеси). А коль скоро адсорбция — это поглощение поверхностью, то ясно: чем больше поверхность, тем и поглощение лучше.

Адсорбенты способны поглощать вещества не только из растворов. Возьмите пол-литровую стеклянную банку и капните на дно одну каплю одеколона или любого другого пахучего вещества. Обхватите банку ладонями и подержите ее так с полминуты, чтобы немного нагреть пахучую жидкость — тогда она будет быстрее испаряться и сильнее пахнуть.

А теперь положите в склянку немного активного угля, закройте ее плотно крышкой и оставьте на несколько минут. Снимите крышку и вновь направьте воздух к себе взмахами ладони. Запах исчез. Он поглотился адсорбентом, или, точнее, поглотились молекулы летучего вещества, которое вы поместили в банку.

Не обязательно брать для этих опытов активный уголь. Есть много других веществ, которые могут служить адсорбентами: туф, сухая размолотая глина, мел, промокательная бумага. Словом, самые разные вещества, но обязательно с развитой поверхностью. В том числе и некоторые пищевые продукты — вы, наверное, знаете, как легко хлеб впитывает посторонние запахи. Недаром пшеничный хлеб не советуют держать в одной упаковке с ржаным — их запахи смешиваются, и каждый теряет свой особый, только ему присущий аромат.

Очень хороший адсорбент — воздушная кукуруза, или кукурузные палочки, столь любимые многими из нас. Предыдущий опыт с пахучими веществами повторите в присутствии кукурузных палочек — и запах совершенно исчезнет. Конечно, после опыта есть палочки уже нельзя.

Сейчас на кухнях над газовыми плитами ставят устройства для очистки воздуха от чада и дыма. В таких устройствах есть патрон с каким-либо адсорбентом, через который прогоняют загрязненный воздух. Что при этом происходит, вы теперь знаете.

Надпись на упаковке: «Ваш уголь не активирован. Для активации отправьте SMS-сообщение на номер 111» (Анекдот)

Наверное, сложно встретить человека, который бы не слышал об активированном угле. Всем известны его медицинские свойства, его используют в фильтровальных элементах, дамы пытаются с его помощью похудеть, а некоторые джентльмены используют его при изготовлении… э-э-э… скажем так, самодельных спиртных напитков. Но не все знают, что же он собой представляет и почему же его называют активированным. Разобраться в вопросе нам поможет небольшой эксперимент, который очень просто реализовать в домашних условиях.

Для опыта нам понадобятся:

Собственно, активированный уголь в таблетках, которым без труда можно разжиться в любой аптеке;
Йод, который на аптечной полке стоит где-то неподалеку от активированного угля;
Две прозрачные емкости – стаканы, колбы, баночки – то, что имеется у вас под рукой;
Немного воды.

Для начала растолчем штук десять таблеток активированного угля. Растолочь их будет проще, если добавить несколько капелек воды.

После этого добавляем примерно чайную ложку йода.

А затем пару столовых ложек воды.

Хорошенько все это дело размешаем.

В таблетки с углем добавляют крахмал, поэтому наша взвесь наряду с черным приобретает синий оттенок – это характерная реакция йода на присутствие крахмала.

Теперь оставляем наш раствор на некоторое время. Для того чтобы, как говорится, почувствовать разницу, во второй стакан также нальем йод и немного воды, но активированного угля добавлять не будем.

По прошествии пары часов видим, что контрольный стакан по-прежнему содержит бурый раствор йода. А вода в стакане с активированным углем очистилась и стала прозрачной. Ну, или почти прозрачной — у меня еще не весь уголь осел на дно, поэтому вода выглядит немного мутноватой. Но это вопрос времени — если бы я подождал еще, то вода стала бы совсем чистая.

Так активированный уголь любезно продемонстрировал нам свои адсорбционные, т.е. поглощающие свойства. Ровно таким же образом активированный уголь действует при отравлениях или в фильтрующих элементах.

Почему же эта небольшая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества? И почему аналогичными свойствами не обладает сердечник от простого карандаша или, скажем даже, алмаз – ведь они все состоят из углерода.

Весь фокус кроется в особом производстве активированного угля. Производство активированного угля состоит из двух этапов. Первый этап – это получение древесного угля. Он образуется при нагревании древесины без доступа кислорода. Однако полученный таким образом древесный уголь не способен выполнять функцию адсорбента – поры и микроканальцы в нем есть, но их довольно мало и они закрыты. Тогда древесный уголь подвергают активации – это второй этап, в процессе которого уголь либо нагревают, предварительно пропитав его специальными химическими соединениями, либо обрабатывают перегретым водяным паром. В обоих случаях процесс протекает без доступа кислорода, чтобы уголь не загорелся.

В результате этих операций получается особая углеродная структура, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000 м 2 !

Удачных вам экспериментов!

Белоусов К.С.
Минькова А.А.
Генералова К.Н.
Олонцев В.Ф.

Ключевые слова

АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ / ACTIVE CARBON / МЕЛАССА / MOLASSES / ОСВЕТЛЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ / АДСОРБЦИЯ / ADSORPTION / ПОРИСТОСТЬ / POROSITY / DEPOLARIZATION CAPABILITY

Аннотация научной статьи по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.

Одним из выдающихся достижений науки в XIII веке стало открытие российским академиком Т.Е. Ловицем явления адсорбции активированным углем. Практическое применение этого рода адсорбента предоставляет ценные результаты, необходимые для дальнейшего развития промышленности. В настоящее время нет ни одной отрасли, где не нашли бы применения активированные угли. Их уникальность основывается на пористой структуре, от которой напрямую зависят адсорбционные характеристики, и, соответственно, качество активированного угля. Использование активированных углей обеспечивает возможность создания принципиально новых, экологически чистых технологических процессов и разнообразных изделий сорбционной техники. Активность угля может быть определена путем испытания его адсорбционной способности по отношению к различным растворам, органическим красителям. Активность является как свойством поверхности, так и свойством пространственного строения углерода. Адсорбционная активность углеродных сорбентов, в данном случае углей, может быть определена по органическим жидкостям специальным маркерам. Рассмотрены две методики определения осветляющей способности активированных углей по мелассе : французская (фирма «СЕСА») и российская. Приведен полный алгоритм эксперимента, включающий основные формулы, расчет экспериментальных навесок и базовые требования к мелассам для обеих методик. На основании литературных данных проведен сравнительный анализ меласс , установлено их сходство. Проведены исследования для эталонных углей России и Франции: ОУ-А, СР, СХV. На основании экспериментальных данных и содержания методик проводится их сравнительный анализ, вследствие чего делается вывод о более точном применении французской методики.

Текст научной работы на тему «Методы испытания осветляющей способности активированных углей по мелассе»

_ВЕСТНИК ПНИПУ_

2014 Химическая технология и биотехнология № 4

УДК 661.183.2

К.С. Белоусов, А. А. Минькова, К.Н. Генералова, В.Ф. Олонцев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ОСВЕТЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ ПО МЕЛАССЕ

Активность угля может быть определена путем испытания его адсорбционной способности по отношению к различным растворам, органическим красителям. Активность является как свойством поверхности, так и свойством пространственного строения углерода. Адсорбционная активность углеродных сорбентов, в данном случае углей, может быть определена по органическим жидкостям - специальным маркерам.

Рассмотрены две методики определения осветляющей способности активированных углей по мелассе: французская (фирма «СЕСА») и российская. Приведен полный алгоритм эксперимента, включающий основные формулы, расчет экспериментальных навесок и базовые требования к мелассам для обеих методик. На основании литературных данных проведен сравнительный анализ меласс, установлено их сходство. Проведены исследования для эталонных углей России и Франции: ОУ-А, СР, СХУ. На основании экспериментальных данных и содержания методик проводится их

сравнительный анализ, вследствие чего делается вывод о более точном применении французской методики.

Ключевые слова: активированный уголь, меласса, осветляющая способность, адсорбция, пористость.

K.S. Belousov, A.A. Minkova, K.N. Generalova, V.F. Olontsev

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

METHODS OF TESTING OF DECOLORIZATION ABILITY OF ACTIVE CARBONS

Active charcoal can be determined by testing its adsorptive capacity with respect to different solutions, organic dyes. Activity is a property of the surface and the property of the spatial structure of carbon. Adsorption activity of carbon sorbents, in this case coal, can be determined by organic liquids - special markers.

This article describes two methods of decolorize capability on molasses index of active carbon by the French (firm «CECA») and Russian procedure is considered. The full scheme of experiment is given; it consists of basic analytic expressions, the calculation of experimental weights of active carbon and the base claims for molasses for both procedures. Based on the literature data, the comparative test for molasses is made, the analogy is found out. The experiments for the etalon carbons from Russia and French are made: OU-A, CP, CXV. On the authority of experimental data and content of both procedures, their comparative analysis is given; in consequence of this the conclusion about accuracy of French procedure is made.

Keywords: active carbon, molasses, depolarization capability, adsorption, porosity.

Угли относятся к группе промышленных адсорбентов. В качестве сырья для получения активированных углей применяются углерод-содержащие материалы различной природы: ископаемые торф и уголь, полимеры и смолы, растительное сырье (древесина, кора, скорлупа и т.д.) . Промышленные адсорбенты имеют высокоразвитую поверхность. Активированные угли как промышленные адсорбенты имеют ряд особенностей, определяемых характером их поверхности и пористой структуры. К таким особенностям относятся адсорбционные свойства . Адсорбция - поглощение газов, паров или жидкостей на поверхности раздела вещество - адсорбент .

Физическая адсорбция органических веществ из водных растворов наиболее сильно проявляется при использовании в качестве адсорбентов углеродных материалов, поскольку энергия вандерваальсового взаимодействия молекул воды с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, намного меньше энергии дисперсионного взаимодействия этих атомов с атомами углеродного скелета органических молекул . В настоящее время увеличивается потребность в углеродных сорбентах для очистки питьевой, хозяйственно-бытовой и сточных вод, промышленных выбросов .

В аналитической химии методы научного исследования углей применяют для изучения состава, строения и свойств углей. В истории известно, что некоторые из подобных методов со временем становились стандартами для испытаний .

Одним из известных и надежных методов определения адсорбционной активности является использование раствора мелассы. Меласса - темно-коричневая органическая жидкость. Ее осветление является важным аналитическим методом в производстве углей . Она относится к органическим жидкостям, размер молекул которой около 3 нм (рис. 1). Некоторые виды активированных углей, имеющие развитую систему макро- (более 50 нм) и мезопор (от 2 до 50 нм), обладают способностью к адсорбированию больших молекул, подобных молекулам мелассы. Число мелассы, или ее эффективность - мера мезопор содержания активированного угля (больше, чем 20 А, или больше, чем 2 нм). Ее высокое число указывает на высокую адсорбцию больших молекул. Об эффективности мелассы говорит как процент, так и число мелассы. Существуют различные методики использования ее в качестве адсорбтива, но все они, по сути, схожи . Общие черты этих методик заключаются в следующем:

Мелассовое число активированного угля (ЕВРО) по европейской методике определяется как количество активированного угля в милиграммах, обладающее таким же обесцвечивающим эффектом, как и 350 мг (по сухому весу) стандартного порошкового угля А8100 при обесцвечивании стандартного раствора мелассы по стандартной методике. Чем меньше мелассовое число (ЕВРО), тем лучше уголь удаляет высокомолекулярные органические вещества из мелассы ;

Мелассовое число активированного угля по методике США выражает обесцвечивающую способность угля в относительных единицах к стандартному углю В-45. Исходя из этого чем больше мелассовое число (США), тем лучше уголь удаляет органические вещества из мелассы ;

Эффективность обесцвечивания мелассы выражается в процентах и показывает способность угля убирать 90 % цвета стандартного раствора мелассы. При этом способность стандартного порошкового угля В-45 (в граммах на единицу цветности) принята за 100 % .

Минимальный диаметр пор 3 нм (30 А) 1,5 нм (15 А) 0,5 нм (5 А)

Рис. 1. Сравнение размеров пор молекул для мелассы, метиленового

голубого и йода

Мелассовое число и эффективность адсорбции по мелласе являются наиболее эффективными стандартными методами, показывающими способность углей к удалению загрязнений из аминов и других растворов. Меласса содержит вещества, которые по своим размерам схожи с размерами загрязнений, вызывающих вспенивание абсорбционных растворов. Меласса - отход сахарного производства, сиропообразная жидкость темно-бурого цвета со специфическим запахом. Содержит 20-25 % воды, 50-60 % глюкозы, фруктозы, сахарозы, около 10 % растворенных высокомолекулярных природных красителей, азо-

тистых соединений (преимущественно амидов), свободных и связанных кислот, около 8 % золы .

На рассмотрение предоставляются две методики: французская, разработанная фирмой «СЕСА», и российский стандарт ГОСТ4453-74.

Мелласное число (фирма «СЕСА»)

Основная часть

Масса m активного угля измеряется в суспензии раствора мелассы. С учетом появившегося обесцвечивания раствора выявляется деко-лоризационная способность.

Масса Р - масса эталона угля, определение которой проводят при тех же технических условиях для получения той же обесцвеченности.

IMS - константа, характеризующая деколоризационную способность вышеназванного угля. Тогда мелассное число активного угля определяется как

Численное значение IMS обычно устанавливается и предоставляется в соответствии с мелассным числом сухого активного угля, использованного выше.

Общая схема метода

Построение изотермы деколоризации

Деколоризация D раствора мелассы может быть определена в соответствии с уравнением

D =ÇD)Mûf.1()o, (1)

где (D0f и (D0)b - оптическая плотность раствора мелассы после деколоризации и «холостого опыта» соответственно («холостой опыт» -это раствор, полученный без активного угля).

Связь между массой m используемого активного угля и получившейся деколоризацией D может быть записана в соответствии с изотермой сорбции Фрейндлиха:

K (100 - D)a, m

в которой К и а могут быть определены как константы для конкретного угля, определенной мелассы, конкретных технических условий и так далее, в соответствии с тем, что интервал деколоризации составляет от 60 до 90 %.

Количество рассматриваемого активированного угля, называемого стандартной пробой или эталоном, необходимое для данной деколоризации

Масса Р эталона, показывающего ту же деколоризацию, что и у испытуемого образца, записывается и определяется уравнением (1). Экспонента а является мнимой и содержится в каждой опытной серии по определению эталона; каждая серия содержит парные величины (р0, Д0), позволяющие исключить константу К. Уравнение записывается следующим образом:

Величина экспоненты а

Величину а определяют через линейную регрессию начиная с уравнения (1), записывая в логарифмической форме с использованием минимум 10 значений (ри Д), в установленном порядке распределяют по всей величине деколоризационного интервала - от 60 до 90 %.

Подобный анализ должен проделываться каждый раз, когда эталон или меласса заменяются. Это целесообразно и желательно, однако на практике необходимо заново осуществлять подобный анализ каждые три месяца для выявления возможного изменения в химическом составе мелассы.

Величина а всегда округляется до второго знака после запятой. Если изменение между новой величиной а и раннее использованной составляет величину, большую или равную ±0,02, необходимо сделать повторное подтверждение перед принятием нового значения а. Величина а, соответствующая текущим условиям:

Влажный эталон

Для использования постоянного материала эталон должен всегда находиться в пределах одних условий влаги. Для практической цели рассматривается и принимается во внимание 0 % влаги.

Таким образом, необходимо следующее:

Всякий раз высушивать используемый уголь перед использованием;

Или использовать его в том состоянии, в каком он находится, но сразу после его использования определять влагосодержание угля и включать этот недочет в общий подсчет.

Как правило, если И - это влагосодержание эталона, выраженное в процентах, то формула (2) принимает следующий вид:

Образцы активного угля

Поскольку необходимо удерживать значение деколоризации в требуемом интервале 60-90 %, следует разделять различные качества углей на 4 группы. Каждая группа характеризуется массой т¿, полученной путем серии измерений. Группы французских углей, используемых для осветления, следующие:

Группа 1: включает типы СХУ, СР; т1 = 125 мг;

Группа 2: включает угли 4Б, 3Б, 2Б и их эквивалентные заменители, в равной степени окисленные или обработанные кислотой: +СХА, СХ, 3 ББ 2, СЯ, БА 1703; т2 = 250 мг;

Группа 3: включает типы БМ, Б и их соответствующие окисленные или обработанные кислотой типы +20 и Б45; т3 = 500 мг;

Группа 4: О, ТК, 25 в; т4 = 1,000 мг (однако очень важно для этого типа, что взамен предложенного значения массы может быть использована цифра т = 1,500 мг).

В случае, если две большие разницы между активностью испытуемого угля не позволяют Б находится в интервале от 60 до 90 %, необходимо провести эксперимент, используя новую пробу и выбирая более подходящее значение величины тг-.

Как правило, для определения массы тг-, которая использовалась бы в соответствии с активностью выбранного активного угля, группа которого известна, предварительный эксперимент следует провести с использованием массы т2. Полученное таким образом значение деколоризации Б определяет активную группу и, следовательно, более подходящее значение тг-, которое приведет значение деколоризации между 60 и 90 %.

Деколоризация, % Группа

90 > 0 > 60 II

60 > 0 > 35 III

Метод контроля

Оборудование:

Пипетка на 100 мл с одной отметкой или автоматическая;

Стеклянная колба на 1 л;

Складчатый фильтр (фильтровальная бумага), тип 4В;

N 111 фильтры - с диаметром голубого слоя 150 мм;

Лабораторные сосуды;

Горелка или плитка;

Термостатическая баня;

Спектрофотометр;

Воронки;

Аналитические весы.

Реагенты:

Раствор мелассы;

Ортофосфорная кислота (Н3РО4) - раствор, 52 или 60 по шкале

Формальдегид (муравьиный альдегид) 30 %.

Подготовка раствора мелассы

Раствор мелассы объемом n0 из сахарного тростника взвешивается и вводится в круглую колбу объемом 1 л.

Добавляется 500 мл дистиллированной воды с последующим добавлением х мл чистого раствора Н3РО4 (аналитической степени чистоты); опытно выбирается с целью исключения ошибки с рН среды, равным 2,6 в конечном растворе мелассы. В основном от 2 до 3 мл достаточно на 60 кислоты по Боме:

x(H3PO4) = " = 1,71.

3 144,3 - 60 84,3

Для обеспечения надлежащего (правильного) раствора мелассы раствор нагревается и поддерживается в течение 5 мин при кипячении. Необходимо быстро охладить проточной водой до температуры окружающей среды. Добавить дистиллированной воды для достижения 1 л на 5 г раствора. Фильтровальный материал Clarcel DIC и дополнитель-

ный фильтрующий слой складываются над фильтром типа Дюрье 4В, раствор проходит через всю комплектацию дважды.

Для увеличения времени хранения раствора мелассы, который должен храниться в холодильнике, обычно добавляют 1 мл 30%-ного раствора муравьиного альдегида. Таким образом, раствор может храниться 2 или 3 дня максимум.

Оптическая плотность раствора мелассы, приготовленного таким образом, измеряется с помощью спектрофотометра при длине волны 450 нм, чтобы в результате получить обесцвечивание с массой эталона, равной Р0 = т2:

= (Б0)Ь0 - (Б0)/0 = 68 ± 20%. 0 (ЗД

Раствор мелассы готов к использованию.

Порядок работы

Обесцвечивание мелассы с использованием активного угля

В мензурку объемом 150 мл вводится т мг порошкообразного угля после того, как уголь взвесили с точностью до +0,1 мг, влажность его <10 %.

Масса образца т определяется с уровнем активности испытанного углерода в соответствии с пунктом «Образцы активного угля».

100 мл раствора мелассы, приготовленного, как описано в пункте «Подготовка раствора мелассы», измеряют (набирают) с помощью пипетки, добавляют к активированному углю, помешивая при помощи стеклянной мешалки. Мензурку помещают в термостатическую ванну при 92±2 °С. Необходимо достичь температуры 70 °С при перемешивании раствора время от времени. Химический стакан затем вынимают из ванны и раствор фильтруют через фильтр Дюрье с синей полосой 150 мм. Первые несколько миллилитров раствора необходимо повторно профильтровать (1-2 раза), чтобы получить совершенно чистый фильтрат.

Обесцвечивание в случае с эталоном и «холостым опытом»

В каждую серию опытов входят следующие два испытания:

Два измерения с эталоном, выполнением при одинаковых условиях, таких же как для исследуемого угля, начиная с массы Р = 250 мг сухого эталона (или с известным уровнем влажности И);

Один «холостой опыт»; другими словами, раствор мелассы, не содержащий активированный уголь, рассматривающийся в рамках тех же условий, что и другие растворы, для которых окончательный цветовой уровень будет использован как основной при расчете обесцвечивания.

Измерение оптических плотностей

Оптическую плотность (Д0)Ь «холостого опыта» и (Д0)/ углерода обесцвеченного раствора мелассы и аналогичный эксперимент с эталоном измеряют на спектрофотометре при длине волны 450 нм.

Подсчет мелассного числа

1. Расчет выполняется на основе измерения оптических плотностей. Обесцвечивание определяются с помощью уравнения (1).

Иными словами, Д(%) - для испытуемого активированного угля (масса т) и Д0(%) - для эталона (масса Р0 = т2). Д0 - это среднее из двух значений, соответствующих двум экспериментам с эталоном.

2. С помощью уравнения (2) определяется масса Р эталона, необходимая для получения обесцвечивания Д, влажность к эталона известна. В нынешних условиях значение показателя а = 0,26.

3. Мелассное число испытуемого активированного угля /М получают, исходя из соотношения, в котором 1Мз - индекс мелассы для сухого эталона.

В настоящее время используются стандартные значения /М^: М = 168.

Определение адсорбционной активности по мелассе (ГОСТ 4453-76)1

Общая часть

Раствор мелассы готовят следующим образом: около 50 г мелассы разбавляют 800 см3 дистиллированной воды и затем водой или мелассой доводят оптическую плотность раствора до 0,6-0,7 опт. ед. при замере в кювете с расстоянием между рабочими гранями 5 мм и до 1,21,4 опт. ед. при замере в кювете с расстоянием между рабочими гранями 10 мм, затем добавляют 1 г кизельгура или силикагеля, растертого в порошок с частицами размером не более 1 мм, и взбалтывают. Раствор фильтруют через складчатый бумажный фильтр.

1 ГОСТ 4453-76. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный.

С поправками и изменениями. Технические условия. Введ. 01.01.93. М.: Изд-во стан-

дартов, 1993. 23 с.

Оптическую плотность полученного раствора мелассы замеряют на фотоэлектроколориметре при синем светофильтре с длиной волны 40 нм. В качестве контрольного раствора применяют дистиллированную воду.

Оборудование:

Фотоэлектроколориметр типа ФЭК-М;

Колба мерная по ГОСТ 1770-74 вместимостью 250 см3;

Баня водяная;

Кизельгур или силикагель марки КСК по ГОСТ 3956-76;

Уголь осветляющий - образец;

Вода дистиллированная;

Бумага фильтровальная.

Проведение анализа

По 0,5 г анализируемого и образцового угля взвешивают, с погрешностью не более 0,01 г, помещают в плоскодонные колбы и добавляют по 100 см3 раствора мелассы. Содержимое колб нагревают на бане до 80 °С при непрерывном взбалтывании и выдерживают при этой температуре в течение 5 мин, не прекращая взбалтывать. После взбалтывания растворы сразу же фильтруют через бумажный фильтр, отбрасывая первые порции фильтрата. Растворы после фильтрации должны быть совершенно прозрачными.

Раствор охлаждают до температуры окружающей среды и определяют их оптическую плотность по отношению к дистиллированной воде при условиях, соответствующих определению оптической плотности исходного раствора мелассы.

Обработка результатов

Адсорбционную активность анализируемого угля по мелассе (Х1) в процентах вычисляют по формуле

где й - оптическая плотность исходного раствора мелассы; й1 - оптическая плотность раствора, обработанного образцовым углем; й2 - оптическая плотность раствора, обработанного анализируемым углем.

За результат принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, допускаемое расхождение между которыми не должно превышать 5 абс. %2.

2 ГОСТ 4453-76. Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный.

С поправками и изменениями. Технические условия. Введ. 01.01.93. М.: Изд-во стандартов, 1993. 23 с.

Меласса является универсальным модельным веществом для оценки качества активных осветляющих порошкообразных углей, использующихся соответственно в тех отраслях, где проводится очистка (или осветление) высокомолекулярных технологических продуктов и полупродуктов. Различают 4 типа мелассы: рафинадная, тростниковая, сырцовая и свекловичная. Меласса фирмы «СЕСА» является тростниковой. Меласса, которую используют при анализе российских АУ по ГОСТ 4453-74, является свекловичной.

Естественно, что различное происхождение меласс объективно вызывает некоторые непринципиальные различия, которые выявляются при спектроскопическом исследовании в ИК-области. В целом ИК-спектры двух меласс идентичны (рис. 2), за исключением низкочастотной области (1300-650 см-1), известной как область «отпечатков пальцев», где каждое соединение в этом интервале имеет свою специфическую спектральную кривую. Ниже (табл. 1) приводятся данные по обеим мелассам при характерных частотах.

Таблица 1

Характеристики мелассы

№ п/п Французская меласса, см 1 Заводская меласса, см 1

1 1000 1000 (плечо)

2 930 (сил. инт.) 930 (плечо)

3 850-870 (шир.) 910 (шир.)

4 835 870 (уз.)

5 780 (плечо) 780

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 см"1

Рис. 2. ИК-спектры двух меласс : - отечественная свекольная меласса; - французская тростниковая меласса

Спектры двух меласс, снятые в УФ- и видимой областях (рис. 3), показывают, что абсорбционные кривые их схожи между собой. В ультрафиолете (<320 нм) красящие вещества меласс (по литературным данным) обладают селективным поглощением, различаясь лишь конфигурацией кривых. Это позволило применить спектроабсорбци-онный метод для количественного определения отдельных групп красящих веществ в мелассах и установить, что основная окраска их и, соответственно, состав обусловлены наличием следующих (табл. 2) групп красящих веществ в процентном отношении (приближенная оценка).

Таблица 2

Красящие вещества Французская меласса Заводская меласса

Продукты щелочного распада инвертных сахаров, % 70-75 70

Меланоидины, % 20-25 25-30

Карамели, % 5 0-5

200 210 220 230 240 250 260 2Ю 280 290 300 350 400 нм

Рис. 3. Спектры двух меласс в УФ - и видимой областях : - отечественная свекольная меласса; - французская тростниковая меласса

Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными сотрудниками МТИПП, которые исследовали все типы меласс методом гельфильтрационного разделения.

В прикладном плане визуальное сравнение двух меласс позволило заметить следующее:

Некоторое запаздывание по скорости растворения в воде французской мелассы;

Исходная (сиропообразная) меласса фирмы «СЕСА» в несколько раз концентрированнее российской.

Применение меласс в качестве адсорбтива является классическим, общеизвестным способом, но объективная оценка всех известных нам методик, использующих природные мелассы, неизбежно приводит к выявлению одного главного существенного недостатка, присущего всем мелассам. Это то, что они в значительной степени подвержены изменениям качественного и количественного характера, что обусловливается, в свою очередь, различными природно-климатическими условиями происхождения сырья-основы. Иными словами, нестабильность состава адсорбтива-красителя (мелассы) является одинаково отрицательным моментом как для российской методики по ГОСТ 4453-74, так и для методики фирмы «СЕСА». Что касается первого метода, то вывод подтверждается многолетним опытом работы российских лабораторий, а второго - литературными данными аналогичных исследований.

Следует отметить также еще один, по нашему мнению, отрицательный момент в методике по ГОСТ 4453-74 и в методике фирмы «СЕСА». Это необходимость применения эталонного угля. Кроме трудностей подбора эталонного угля со строго определенными характеристиками, использование его как единого стандарта сравнения для контроля качества промышленных активных осветляющих углей, природа поверхности которых неодинакова (щелочные, кислые), считаем принципиально неверным.

В практическом плане освоение методики определения мелас-сного числа, используемой фирмой «СЕСА», позволило выявить следующее: французская методика находится на уровне качественно более высоком, чем российская, хотя суть методов, основной ход операций совпадают. Уровень французской методики определяется особой детальностью разработки, тщательным многоступенчатым подготовительным периодом перед непосредственным анализом, насыщенностью лабораторным оборудованием и приборами. Алгоритм выполнения расчетов по проведенным измерениям включает несколько ступеней, что, естественно, усложняет их. Показатель осветляющей способности в отличие от стандартной российской методики является безразмерной величиной (мелассное число), включающей в себя ряд относительных величин и констант.

В целом выполнение методики требует высокой квалификации лаборанта.

Полное воспроизведение методики фирмы «СЕСА» в наших условиях не представилось возможным, так как не все условия мы смогли соблюсти. Например:

Реактив Clarcel DIC по предполагаемой аналогии заменили известным нам кизельгуром;

Из лабораторного оборудования фирмы «СЕСА» мы не располагаем гофрированными фильтрами Дюрье (они были заменены складчатыми бумажными фильтрами) и не использовали вакуумные колбы с тиглями для фильтрования.

С учетом ряда приближений и допущений результаты проанализированных в процессе освоения методики фирмы «СЕСА» образцов выглядят следующим образом (табл. 3).

Таблица 3

Испытания активированных углей

Образец Мелассное число (фирма «СЕСА») Адсорбционная активность, % (ГОСТ 4453-74)

СР (Франция) 363 174

ŒV (Франция) 335 169

ОУ-А (РФ) 150 109

Эталон (РФ) 136 100

Исходя из представленной таблицы, полученные результаты можно интерпретировать следующим образом: благодаря особому построению алгоритма измерений и расчетов во французской методике она оказывается более мобильной, более чувствительной в оценке качества углей. Разницу в активности между образцами углей, например СР и CXV, российская методика почти нивелирует, тогда как анализ по методике фирмы «СЕСА» фиксирует различное их качество. Достижение такой наглядности в отображении качества углей - результат глубокой научной проработки анализа с включением необходимой лабораторной техники.

Итак, проведенное исследование свидетельствует о том, что методика фирмы «СЕСА» является более чувствительной, чем отечественная, и позволяет более тонко отличать активные угли по их качеству. Эти особенности французской методики следует учесть при усовершенствовании отечественной стандартной методики.

Список литературы

1. Бакланова О.Н. Микропористые углеродные сорбенты на основе растительного сырья / Росийский химический журнал. - 2004. -№ 3. - С. 89-94.

2. Кингле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.

3. Когановский А.М., Левченко Т.М., Кириченко В. А. Адсорбция растворенных веществ. - Л.: Наукова думка, 1977. - 223 с.

4. Рощина Т. М. Адсорбционные явления и поверхность / Соро-совский образовательный журнал. - 1998. - № 2. - С. 89-94.

5. Шумяцкий Ю.И. Адсорбционные процессы: учеб. пособие. -М., 2005. - 164 с.

6. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.

7. Авгушевич И.В., Броновец Т.М. Стандартные методы испытания углей. Классификации углей. - М.: НТК «Трек», 2008. - 368 с.

8. Активированные угли Petrodarco - эффективные активированные угли для удаления высокомолекулярных соединений и частиц минеральных масел из абсорбционных растворов [Электронный ресурс] // Norit Digital Library. - 2011. - URL: http://tdtka.ru/wp-content/uploads/ 2012/10/3.2.-Aktivirovannyie-ugli-Petrodarco.pdf (дата обращения: 5.10.2014).

9. Силин М.П. Технология сахара. - М.: Книга по требованию, 1967. - 625 с.

1. Baklanova O.N. Mikroporistye uglerodnye adsorbenty na osnove rastitelnogo syrya . Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal, 2004, no. 3, pp. 89-94.

2. Kingle Kh., Bader E. Aktivnye ugli i ikh promyshlennoe prime-nenie . Moscow: Khimiya, 1984. 216 p.

3. Koganovskiy A.M., Levchenko T.M., Kirichenko T.A. Adsorbtsiya rastvorennykh veschestv . Leningrad: Naukova Dumka, 1977. 223 p.

4. Roschina T.M. Adsorbtsionnye yavleniya i poverkhnost . Sorosovskiy obrazovatelnyy zhurnal, 1998, no. 2, pp. 89-94.

5. Shumyatskiy Yu.I. Adsorbtsionnye protsessy . Moscow, 2005. 164 p.

6. Keltsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoy tekhniki . Moscow: Khimiya, 1984. 592 p.

7. Avgushevich I.V., Bronovets T.M. Standartnye metody ispytaniya ugley. Klassifikatsiya ugley . Moscow: NTK "Trek", 2008. 368 p.

8. Aktivirovannye ugli Petrodarco - effektivnye activirovannye ugli dlya udaleniya vysokomolekulyarnykh soedineniy i chastits mineralnykh masel iz adsorbtsionnykh rastvorov . Norit Digital Library, 2011, available at: http://tdtka.ru/wp-content/uploads/2012/10/3.2.-Aktivirovannyie-ugli-Petrodarco.pdf (accessed 5 October 2014).

9. Silin M.P. Tekhnologiya sakhara . Moscow: Kniga po trebovaniyu, 1967. 625 p.

Белоусов Константин Сергеевич (Пермь, Россия) - аспирант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).

Минькова Анфиса Андреевна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

Генералова Ксения Николаевна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

Олонцев Валентин Федорович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).

About the authors

Konstantin S. Belousov (Perm, Russian Federation) - graduate student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation, email: [email protected]).

Anfisa A. Minkova (Perm, Russian Federation) - master student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: [email protected]).

Kseniya N. Generalova (Perm, Russian Federation) - master student, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).

Valentin F. Olontsev (Perm, Russian Federation) - doctor of technical science, professor, department of powdered materials, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: [email protected]).

Тема: Исследование адсорбционной способности активированного угля

Научно-исследовательская работа

Выполнили:

Ермакова Ксения, Романчук Леонид, ученики 8А класса

Руководитель: Рыбакова Елена Николаевна,

учитель химии.

Цель : ознакомиться с адсорбционной способностью активированного угля

Задачи :

1. Изучить литературу по данному вопросу.
2. Провести эксперимент с активированным углем и сделать соответствующие выводы.
3. Изучить историю создания первого противогаза.

Объект исследования: адсорбция веществ.

Предмет исследования: адсорбция активированного угля.

Методы исследования: теоретические, эмпирические, экспериментальные

Гипотеза:

Мы хотим убедиться на практике в том, что активированный уголь действительно обладает необычными и интересными свойствами и способен поглощать и газообразные вещества, и вещества из растворов.

АКТИВИРОВАННЫЙ

Активированный уголь

УГОЛЬ

АКТИВИРОВАННЫЙ

УГОЛЬ ЭТО:

ПОРИСТОЕ ВЕЩЕСТВО, КОТОРОЕ ПОЛУЧАЮТ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ: ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ, КАМЕННОУГОЛЬНОГО КОКСА И НЕФТЕНОГО КОКСА.

СОДЕРЖИТ ОГРОМНОЕ КОЛИЧЕСТВО ПОР И ПОЭТОМУ ИМЕЕТ ОЧЕНЬ БОЛЬШУЮ УДЕЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ НА ЕДИНИЦУ МАССЫ, ВСЛЕДСТВИЕ ЧЕГО ОБЛАДАЕТ ВЫСОКОЙ СОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ. ПРИМЕНЯЮТ В МЕДИЦИНЕ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ.

Адсорбция – поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости

Наши исследования

Явление адсорбции мы

продемонстрируем на

следующих опытах.

Опыт №1

Нам необходимы:

2 плоскодонные колбы.
Спиртовка
Спички
2 ложки для сжигания вещества.
Цветы
Сера
Активированный уголь

В каждую плоскодонную колбу помещаем по цветку. В колбу №3 помещаем размельчённый активированный уголь. В каждую ложку для сжигания помещаем небольшое количество серы. Вносим ложечки в пламя спиртовки. Продолжаем нагревание до тех пор, пока сера не начнёт гореть. Теперь каждую ложку помещаем в колбу №2 и №3, плотно закрываем крышкой. Через некоторое время, в колбе №2 мы видим, что цветок обесцветился, а в колбе №3 цветок остался прежнего цвета.

Вывод по опыту № 1

В опыте №1 активированный уголь поглотил оксид серы и окраска цветка в колбе №3 осталась неизменной. В колбе №2 образовавшийся оксид серы(IV) изменил окраску цветка. Значит, активированный уголь является хорошим адсорбентом газов .

Опыт №2

Нам необходимы:

Бумажный фильтр
Мерный цилиндр
2 стакана
Активированный уголь
Вещество лакмус (р-р)

В стакан №1 и №2 наливаем лакмус. В стакан №2 добавляем измельчённый активированный уголь и перемешиваем. Затем этот раствор пропускаем через бумажный фильтр. После того, как раствор отфильтровался, мы его сравниваем с раствором в стакане №1. И видим, что отфильтрованный раствор обесцветился .

Выводы по опыту №2 и №3

В опыте №2 раствор обесцветился, в результате адсорбирования активированным углём растворенного окрашенного вещества.
Активированный уголь избирательно поглощает вещества из растворов, что связано с размерами молекул растворенных веществ .

Заключение

Мы убедились на практике, что активированный уголь действительно обладает необычными адсорбирующими свойствами. Именно, основываясь на знаниях об активированном угле, Н.Д.Зелинский изобрел противогаз. Гордимся тем, что наш соотечественник первым изобрел противогаз, тем самым спас много человеческих жизней.
Человечество постоянно совершенствуясь в различных сферах, имеет очень малый шанс найти более сильный поглотитель, чем активированный уголь. Таким образом, изучая химию, мы надеемся продолжить расширять свои знания и узнавать больше о свойствах составляющих предметов окружающего мира.

ИСТОРИЯ ПРОТИВОГАЗА

В 1915 ПРОФЕССОРОМ НИКОЛАЙ ДМИТРИЕВИЧ ЗЕЛЕНСКИЙ СЧИТАЛ САМЫМ ЭФФЕКТИВНЫМ АБСОРБЕНТОВ ЯДОВИТЫХ ВЕЩЕСТВ – ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ. ОН НАШЕЛ СПОСОБЫ ЕГО АКТИВИЗАЦИИ, Т.Е. ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ПОВЫШЕНИЯ ПОРИСТОСТИ. ОДИН ГРАММ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ С ЧРЕЗВЫЧАЙНО РАЗВИТОЙ КАПИЛЯРОСТЬЮ ИМЕЛ ПОГЛОЩАЮЩУЮ ПОВЕРХНОСТЬ В 15 КВАДРАТНЫХ МЕТРОВ.

Обзор материала

Введение

Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань млекопитающих подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции живой клетки связаны со свойствами их поверхности поглощать питательные вещества, поступающие извне. Даже такие наши чувства, как обоняние и вкус, зависят от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Ф. Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа.

Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли.

Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н.Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны .

Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Адсорбцию используют для очистки газов от примесей и вредных веществ, для извлечения из растворов ценных продуктов, например соединений редких металлов, для разделения различных химических веществ.

Исследования адсорбции, как процесса, происходящего на поверхности вещества, тесно связаны с развитием полупроводниковой техники, медицины, строительства и военного дела. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии защиты окружающей среды.

Цель исследования: поиск и изучение информации об адсорбции,постановка и описание опытов, демонстрирующих явление адсорбции.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Поиск и обобщение информации о явлении адсорбции.

2. Рассмотрение различных видов адсорбентов.

3. Постановка и описание опытов, демонстрирующих явление адсорбции.

4. Анализ результатов, полученных при проведении опытов по адсорбции.

5. Написание выводов и заключения о процессе изучения явления адсорбции.

6. Изготовление прототипов приборов, моделей.

7. Изучение всех возможностей такого процесса как адсорбция.

При написании работы были использованы следующие методы исследования: исторический метод, метод анализа литературы об адсорбции и её применении, экспериментальный метод.

Глава1

Адсорбция. Общие сведения

Адсорбция - поглощение газообразных или растворённых веществ поверхностью твёрдого вещества.

Обратный процесс - выделение этих поглощённых веществ - десорбция .

Адсорбция - всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между веществами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью (площадь поверхности 1 г адсорбента): пористый углерод (наиболее распространённая форма - активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом , а поглощаемое из газа или жидкости вещество - адсорбатом . В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на физическую адсорбцию и хемосорбцию . Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Величину адсорбции, то есть количество адсорбированного газа (или пара), выражают в разных единицах, но наиболее часто в молях адсорбированного вещества на 1 г адсорбента. Понятно, что величина адсорбции данного вещества тем выше, чем более доступная для этого вещества поверхность адсорбента. Поэтому в качестве характеристики твердых тел приводят величину удельной поверхности S.

Отдельные виды адсорбции (хемосорбция, адсорбция физическая, активированная адсорбция ) на практике часто протекают одновременно. Так весьма часто совмещаются физическая и активированная адсорбции, причем при низких температурах преимущественно протекает – первая, при высоких вторая. Несмотря на своеобразие рассмотренных явлений, не существует особых сил, обуславливающих адсорбцию. Здесь действуют лишь обычные силы взаимного притяжения между атомами и молекулами, в результате чего и возникают связи между поглощаемым веществом и поглотителем.

Так же этот процесс очень эффективен в улучшении экологи. Каждый день в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа, что вызывает парниковый эффект и изменение климата. Углекислый газ наносит болшой вред на здоровье человека. Повышенная концентрация углекислого газа влияет на здоровье человека, поскольку под его воздействием снижается рН крови, что ведет к ацидозу, минимальным эффектом последствием ацидоза является состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. По мере возрастания степени ацидоза появляется сонливость и состояние беспокойства. Одним из следствий этих изменений является уменьшение желания проявлять физическую активность и получать от этого удовольствия. Ученые выяснили, что углекислый газ даже в невысоких концентрациях негативно влияет на клеточную мембрану человека и может приводить к таким биохимическим изменениям в организме, как увеличение СО 2, увеличение концентрации ионов бикарбоната, ацидоз и др., По своему воздействию углекислый газ так же токсичен для человека, как двуокись азота (NО 2)

Глава2

ПОВЕРХНОСТЬ КРИСТАЛЛА

Во время первой мировой войныГермания первая из держав применила химические боевые вещества. Когда было известно об этом преступлении великий учёный Николай Дмитриевич Зелинский изобрел специальный прибор, который защищал людей от боевых химических веществ. Данный прибор называется- угольная противогазовая маска, которая спасла жизни десяткам тысяч невинных людей. Разработанная Зелинским маска является прототипом современного противогаза. Коробочка, заполненная угольным порошком – главная часть противогаза. Тогда попытаемся понять на чём основано действие такого порошка и каким образом он может защитить от действия ядовитых газов.

Маленькие, да удаленькие

Допустим, что в коробочке противогаза находится кусок угля той же массы вместо угольного порошка. Интересно, что будет если с таким противогазом попасть в зону газовой атаки? Сможет ли он защитить от ядовитых газов? Оказывается нет. Вся проблема в порошке из коробочки. Ну тогда что же отличает порошок от простого куска угля?В противогазе используютcя специально подготовленный уголь, который называют активированным. Такой уголь имеет гораздо большую поверхность на единицу массы, тем самым отличается от обычного . Он напоминает изъеденное червями дерево, так как его частицы пронизаны порами. Площадь поверхности активированного угля на единицу массы, называемая удельной поверхностью, оказывается в миллионы раз больше удельной поверхности сплошного куска. Один грамм активированного угля имеет поверхность, превышающую 1000 м 2 . Вы только подумайте: маленький кусочек, специально подготовленный и размолоты в порошок, приобретает огромную поверхность. В таком порошке не малая часть молекул и атомов оказывается на поверхности. И именно этот факт объясняет защитное действие противогаза: так как поверхностные атомы угля «задерживают» атомы ядовитых газов, которые проходят в дыхательную маску. Тогда почему поверхностные атомы могут поглощать ядовитый газ, а в объёме- нет? Будем разбираться.

Почему атому неудобно на поверхности?

Нам хорошо известно, что кристалл имеет упорядоченную и симметричную решётку, в которой каждый атом занимает строго определённое место. Атомы кристалла в свою очередь взаимодействуют друг с другом, и в результате у каждого атома образуются устойчивые «связи» с его соседями. Число ближайших соседей у атома в данной кристаллической решетке называется координационным числом и является характеристикой кристалла. В любом месте внутри кристалла у атома всегда будет количество соседей, равное координационному числу. А если атом находится на поверхности?

Представим себе кристалл, который находится в вакууме. У атомов находящихся на поверхности, соседи есть не со всех сторон- с одной стороны атомы вообще отсутствуют(рис.1). Тем самым мы можем сделать вывод, что у атома на поверхности иное координационное число, чем у атома внутри кристалла.

Например, у атома изнутри кристалла с кубической решеткой (как на рис. 1) шесть соседей, а у атома на поверхности- лишь пять. Следовательно, часть возможных связей у поверхностного атомаостается незадействованной, и энергия такого атома больше, чем, атома, живущего внутри кристалла. Существование поверхности энергетически невыгодно, так как это увеличивает энергию кристалла в целом. Атомы поверхности стремятся уйти внутрь кристалла, окружить себя своими родными атомами, задействовать все возможные связи и тем самым уменьшить свою энергию. Однако любой реальный кристалл занимает ограниченную область пространства, поверхность существует, и кому-то надо на ней находится. Причем атомы оказываются на поверхности не за какие-либо «провинности», а случайно. Как в известной песне:»Пусть кому-то повезет, а кому-то нет».

Таким образом, мы видим, что образование поверхности связано с определенными энергетическими затратами, и основной характеристикой поверхности является поверхностная энергия - энергия, необходимая для создания поверхности единичной площади.

До сих пор мы говорили о кристалле в вакууме. Однако обычно веществанаходятся в реальной среде, и взаимодействие с окружающей средой начинается именно с поверхности.

Глава3

Виды адсорбентов

Адсорбенты делят нанепористые и пористые . Удельная поверхность непористых адсорбентов составляет от сотых долей до сотен м 2 /г. Можно оценить, как увеличивается поверхность кубика твердого тела с ребром в 1 см в результате раздробления на кубики одинакового размера с ребром 500 нм (1 нм=1×10 -9 м). Оказывается, поверхность маленьких кубиков возрастает в 20000 раз.

Пористые адсорбенты отличаются наличием системы пор (каналов), которые представляют собой полости в твердом теле, как правило соединенные между собой и имеющие различную форму и размеры. У большинства пористых тел внутренняя поверхность пор в десятки, сотни и даже тысячи раз больше, чем внешняя. Интересно, что 1 см 3 обычного пористого кремнезема обладает площадью поверхности около 90 м 2 .

Твердые тела или жидкости, имеющие большую удельную поверхность, применяемые для поглощения газов, паров или растворенных веществ. Активность адсорбентов характеризуется количеством вещества, поглощаемого единицей их массы или объема. Максимальная активность достигаемая к моменту равновесия при данных температуре и концентрации поглощаемого вещества в газовой фазе, есть равновесная статическая активность.

В качестве твердых поглотителей газов и паров могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма - активированный уголь), и минеральные адсорбенты: силикагель, алюмосиликагель, различные ионообменные смолы, цеолиты, а так же некоторые другие группы природных материалов и синтетических веществ.

3.1 Природные адсорбенты

Природные адсорбенты, получаемые из растительного или минерального сырья, также обладают развитой пористой структурой.

К природным адсорбентам относятся некоторые разновидности глин, трепелы, опоки, диатомиты,бокситы,серпентин, асканглина, крымский кил, натролит, каолин.

Хорошим природным адсорбентом являются донные осадки , особенно илистые. Они способны накапливать в себе повышенные концентрации загрязняющих веществ по сравнению с их содержанием в воде того же самого водоема.

Активированные угли - адсорбенты органического происхождения (из угля, торфа, древесных материалов, отходов бумажного производства, костей животных, скорлупы орехов, косточек плодов и т.д.).Активированными углями называются угли, специально обработанные для освобождения их пор от смолистых веществ и увеличения адсорбирующей поверхности. Очень часто углеродсодержащим материалом для получения активных углей служат вещества растительного происхождения. Поэтому название активированных углей часто связанно с названием исходного материала: древесный уголь, сахарный, кровяной, костяной.

Они обладают прекрасными адсорбирующими свойствами, благодаря своей пористой структуре, поглощают широкий спектр вредных веществ - яды, токсины, тяжёлые металлы, газы.

Активный оксидалюминия

Природные цеолиты (молекулярные сита) представляют собой кристаллы, для которых характерны поры строго определенных размеров,поэтому адсорбировать эти кристаллы могут лишь те молекулы, диаметр которых меньше или равен размерам поры применяемого адсорбента.Их применение весьма широко: от использования в качестве катализаторов многих процессов нефтехимии и нефтепереработки до наполнителя для кошачьего туалетаикормовых добавок для животных и птиц, восполняющих потребность в минералах и улучшающих обмен веществ за счет своих адсорбционных качеств.

Из природных цеолитов, в том числе высококремнистых кислотостойких форм известныклиноптилолит, морденит, эрионит. Содержание собственно цеолитов в некоторых месторождениях достигает 80-90%, а в отдельных случаях превосходит и эти величины. С разрабатываемых месторождений природные цеолиты поступают в виде образованных зернами неправильной формы фракций определенных размеров, получаемых дроблением и последующей классификацией соответствующих цеолитсодержащих пород. Однако присутствие в природных цеолитах различных примесей и сопутствующих пород, а также трудность обогащения сдерживают сколь-либо значительное их использование для решения задач очистки отходящих газов в промышленных условиях.

Силикагель представляет собой высушенный гель кремниевой кислоты. Силикагели получают обычно, действуя на жидкое стекло хлороводородной или серной кислотой. Производимые силикагели различают по размерам пор и частиц. Основное применение силикагели находят при осушке воздуха, углекислого газа, водорода, кислорода, азота, хлора и других промышленных газов.

3.2 Исскуственные адсорбенты

Алюмогели

Активный оксидалюминия получают из технического гидроксида алюминия обработкой его едким натром и осаждением азотной кислотой. Применяется в качестве осушителя в различных процессах химических, нефтехимических производств, в частности, при осушке природного газа и других углеводородных газов в сжиженном и газообразном состоянии.

Основные марки выпускаемого отечественной промышленностью активного оксида алюминия представляют собой цилиндрические гранулы диаметром 2,5-5,0 мм и длиной 3-7 мм, а также шариковые гранулы со средним диаметром 3-4 мм. Удельная поверхность алюмогелей составляет 170-220 м2/г, суммарный объем пор находится в пределах 0,6-1,0 см3/г, средний радиус пор и гравиметрическая плотность гранул цилиндрической и шариковой формы составляют соответственно (6-10)*10-9 и (3-4)*10-9 м и 500-700 и 600-900 кг/м3. В отличие от силикагелей алюмогели стойки к воздействию капельной влаги. Их используют для улавливания полярных органических соединений и осушки газов.

Цеолиты

Представляют собой алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов и характеризующиеся регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами молекул, что определило и другое их название - «молекулярные сита». Общая химическая формула цеолитов Ме2/nО*Аl2О3*xSiO2*yН2О, (где Ме-катион щелочного металла, n-его валентность). Кристаллическая структура (алюмосиликатный скелет) цеолитов образована тетраэдрами SiO4 и А1O4, их избыточный отрицательный заряд компенсирован положительным зарядом катионов соответствующих металлов. Катионы цеолитов в определенных условиях их обработки могут замещаться на соответствующие катионы контактируемых с ними растворов, что позволяет рассматривать цеолиты как катионообменники. Поглощение вещества происходит в основном в адсорбционных полостях цеолитов, соединяющихся друг с другом входными окнами строго определенных размеров. Проникать через окна могут лишь молекулы, критический диаметр которых (диаметр по наименьшей оси молекулы) меньше диаметра входного окна.

Цеолиты получают синтетическим путем и добывают при разработке природных месторождений. Среди многих десятков различных синтетических цеолитов в решении задач газоочистки в основном используют производимые в промышленных масштабах цеолиты общего назначения марок NаА, СаА, СаХ, МаХ, характеризующиеся диаметром входного окна. Синтетические цеолиты выпускаются промышленностью в виде цилиндрических и шарообразных гранул, диаметр которых обычно составляет 2-5 мм, производимых с применением связующего материала (10-20% глины) или без него (в последнем случае механическая прочность гранул выше).

Цеолиты обладают наибольшей адсорбционной способностью по парам полярных соединений я веществ с кратными связями в молекулах.

Цеолит NаА может адсорбировать большинство компонентов промышленных газов, критический диаметр молекул которых не превышает 4*10-9м.

К таким веществам относятся Н2S, СS2, СО2, NН3, низшие диеновые и ацетиленовые углеводороды, этан, этилен, пропилен, органические соединения, содержащие в молекуле одну метильную группу, а при низких температурах сорбции также СН4, Nе, Аr, Кr, Хе, О2, N2, СО. Пропан и органические соединения с числом атомов углерода в молекуле более трех этим цеолитом не адсорбируются.

Цеолит СаА характеризуется повышенной стойкостью в слабокислой среде, что предопределяет возможность его использования в процессах декарбонизации и сероочистки газов. Этот цеолит способен адсорбировать углеводороды и спирты нормального строения.

Цеолиты типа Х адсорбируют все типы углеводородов, органические сернистые, азотистые и кислородные соединения, галоидозамещенные углеводороды, пента - и декаборан. При полном замещении катиона натрия на катион кальция цеолит СаХ в отличие от цеолита NaХ не адсорбирует ароматические углеводороды и их производные с разветвленными радикалами.

Цеолиты, так же, как силикагели и активный оксид алюминия, характеризуются значительной сорбционной способностью по парам воды. Наряду с этим цеолиты отличаются сохранением достаточно высокой активности по соответствующим целевым компонентам при относительно высоких (до 150- 250 °С) температурах. Однако по сравнению с другими типами промышленных адсорбентов они имеют относительно небольшой объем адсорбционных полостей, вследствие чего характеризуются сравнительно небольшими предельными величинами адсорбции. Гравиметрическая плотность синтетических цеолитов составляет 600-900 кг/м3.

Иониты

Иониты - высокомолекулярные соединения - пока еще не нашли широкого применения для очистки отходящих газов промышленности. Однако проводятся исследования по; извлечению из газов кислых компонентов (оксидов серы и азота, галогенов и т. п.) на анионитах и щелочных - на катионитах .

Глава 4

Собственные исследования адсорбционных свойств различных адсорбентов

ОПИСАНИЕ ОПЫТА №1(использование активированного угля)

Очень хороший адсорбент - уголь. Причем не каменный, а древесный, и не просто древесный, а активный (активированный). Такой уголь продают в аптеках, обычно в виде таблеток. С него и начнем опыты по адсорбции.

Приготовить бледный раствор чернил любого цвета и налить в пробирку, но не доверху. Положить в пробирку таблетку активного угля, лучше растолченного, закрыть пальцем и встряхнуть как следует. Раствор посветлеет на глазах. Поменяли раствор на другой, тоже окрашенный - разбавленная гуашь. Эффект окажется таким же. А если взять просто кусочки древесного угля, то они будут поглощать краситель значительно слабее.

В этом нет ничего странного: активный уголь отличается от обычного тем, что у него гораздо большая поверхность. Его частицы буквально пронизаны порами (для этого уголь особым способом обрабатывают и удаляют из пего примеси). А коль скоро адсорбция - это поглощение поверхностью, то ясно: чем больше поверхность, тем и поглощение лучше.

Результаты опыта представлены в (приложении 2)

ОПИСАНИЕ ОПЫТА №2 (использование активированного угля, кукурузных палочек)

1.Адсорбенты способны поглощать вещества не только из растворов. Взять стеклянную колбу, капнуть на дно одну каплю одеколона или любого другого пахучего вещества. Поставить колбу на спиртовку, чтобы немного нагреть пахучую жидкость - тогда она будет быстрее испаряться и сильнее пахнуть. Легкими взмахами руки направить к носу воздух вместе с парами вещества.

Запах чувствуется явственно. Теперь положим в склянку немного активированного угля, закрыть ее плотно крышкой и оставьте на несколько минут. Снять крышку и вновь направить воздух к себе взмахами ладони. Запах исчез. Он поглотился адсорбентом, или, точнее, поглотились молекулы летучего вещества, которое поместили в банку.

2.Очень хороший адсорбент - воздушная кукуруза, или кукурузные палочки, столь любимые многими из нас. Конечно, тратить на опыт пакет или даже четверть пакета нет смысла, но несколько штук... Предыдущий опыт с пахучими веществами повторить в присутствии кукурузных палочек - и запах совершенно исчезнет. Конечно, после опыта есть палочки уже нельзя.

Результаты опыта представлены в (приложении 1)

Глава 5

АДСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

Адсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСI, HF, H2SO4), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители).

Адсорбционный метод реализует процессы, происходящие между молекулами газов и жидкостей. Если отсутствует взаимодействие между распыливающейся жидкостью и орошаемым газом, то эффективность поглощения компонентов из паровоздушной смеси определяется только равновесием пар-жидкость.

Скорость поглощения газа жидкостью зависит от:

а) диффузии поглощаемых веществ из газового потока к поверхности соприкосновения с поглощающей жидкостью;

б) перехода газовой частицы к поверхности жидкости;

в) диффузии абсорбированных веществ в промывной жидкости, где устанавливается равновесие;

г) химической реакции (если она имеет место).

Абсорбционная очистка применяется как для извлечения ценных компонентов из газового потока и возврата их снова в технологический процесс для повторного использования, так и для поглощения из выбросных газов вредных веществ с целью санитарной очистки газов. Обычно рационально использовать абсорбционную очистку, когда концентрация примесей в газовом потоке превышает 1%(об). В этом случае над раствором существует определенное равновесное давление поглощаемого компонента, и поглощение происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления его над раствором. Полнота извлечения компонента из газа при этом достигается только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего извлекаемого вещества.

5.1 Применение адсорбционной очистки

Адсорбционная очистка - непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. Применение абсорбционного метода очистки обусловлено высокой интенсивностью абсорбционных процессов, позволяющей создавать высокопроизводительные газоочистные установки, возможностью применения метода для очистки газов, содержащих и вредные газы, и пыль, и, наконец, наличием огромного опыта эксплуатации абсорбционного оборудования в различных технологических процессах и в первую очередь в химической технологии .

5.2 Недостатки и преимущества адсорбционного метода очистки газов

Адсорбционный метод очистки газов не свободен от определенных недостатков, связанных, прежде всего, с громоздкостью оборудования. Этот метод достаточно капризен в эксплуатации и связан с большими затратами. К недостаткам абсорбционного метода следует отнести также образование твердых осадков, что затрудняет работу оборудования, и коррозионную активность многих жидких сред. Однако, не смотря на эти недостатки, абсорбционный метод еще широко применяется в практике газоочистки, так как он позволяет улавливать наряду с газами и твердые частицы, отличается простотой оборудования и открывает возможности для утилизации улавливаемых примесей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения научной работы было изучено большое количество литературного материала по адсорбции паров пористых углеродных материалов, полученных из различного углеродсодержащего сырья. Так же мной были сделаны прототипы приборов и модели, которые явно показывают эффективность адсорбции.

Современное мировое производство пористых углеродных материалов приближается к одному миллиону тонн в год. На данный момент перспективным направлением является получение сорбентов из различных отходов деревопереработки и не древесного растительного сырья. Такое использование отходов различных производств позволяет одновременно решать экологическую проблему их утилизации и расширить перечень сорбентов, пригодных для использования в различных областях. В настоящее время из древесины производят около 36% углеродных сорбентов, из каменных углей - 28, из бурых углей - 14, из торфа - 10, из скорлупы кокосовых орехов - около 10%.

Масштаб использования сорбентов для решения экологических задач лимитируется их стоимостью. Привлечение дешевых сырьевых источников и разработка эффективных технологических решений их переработки позволяет существенно снизить стоимость товарного продукта.

Важнейшим сырьем для получения активных углей является древесина (в виде опилок), древесный уголь, торф, торфяной кокс, некоторые каменные и бурые угли, а также полукокс бурых углей.

Приложения

Презентация

Приложения:

Скачать материал

Аннотация научной статьи по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.

Похожие темы научных работ по экономике и экономическим наукам, автор научной работы - Белоусов К.С., Минькова А.А., Генералова К.Н., Олонцев В.Ф.,

Текст научной работы на тему «Методы испытания осветляющей способности активированных углей по мелассе»

Презентация