6.2.3. Работа а-3. Изучение адсорбции паров воды на твёрдом адсорбенте
Для снятия изотермы полимолекулярной адсорбции статическим методом обычно используется вакуумная установка. Образец охлаждаемый жидким азотом сначала откачивают, а затем выдерживают в атмосфере газообразного азота при определённом давлении до установления равновесия. Величину адсорбции измеряют либо по увеличению массы образца, либо по убыли давления в установке. Проводят несколько опытов при различных равновесных давлениях азота. Однако такая методика достаточно трудоёмка и связана с работой на вакуумной установке.
Для изучения адсорбции паров воды можно прибегнуть к значительно более простому, хотя и более длительному, методу. Сущность его заключается в том, что берут серию идентичных образцов, и набор эксикаторов, в каждом из которых поддерживается своё давление паров воды. Образцы на несколько дней помещают в эксикаторы, а затем определяют величину адсорбции исходя из изменения массы образца.
Эта методика позволяет снять как адсорбционную, так и десорбционную ветви изотермы. Для получения адсорбционной ветви берётся хорошо высушенный образец, для десорбционной – насыщенный водой. Сравнение адсорбционной и десорбционной ветвей позволяет определить область капиллярно-конденсационного гистерезиса и оценить удельную поверхность образца.
Цель работы: получение изотермы полимолекулярной адсорбции паров воды на твёрдом адсорбенте. Определение удельной поверхности адсорбента.
Необходимое оборудование, посуда и реактивы
Для выполнения лабораторной работы необходимы:
– пористый адсорбент (уголь, силикагель и т. д.);
– эксикаторы (n шт, в простейшем случае n = 7);
– пробирки Эппендорфа (2n–1 шт);
– набор неорганических солей;
– дистиллированная вода;
– сушильный шкаф;
– аналитические весы.
Итогом работы может являться:
а) получение десорбционной ветки изотермы (используют n пробирок; выполняют операции 1–5, 7–9, 11–15)
б) получение и адсорбционной и десорбционной ветвей (используют 2n-1 пробирок; выполняют операции 1–15).
Порядок выполнения работы:
Прокалить образец твёрдого адсорбента (активированный уголь, силикагель, оксид алюминия) при температуре 200–250 оС в течение 2–3 часов.
Подготовить n–1 эксикатор с насыщенными растворами солей, обеспечивающими относительную влажность в диапазоне 5–90% и один эксикатор с дистиллированной водой.
Взвесить на аналитических весах пробирки Эппендорфа (далее – пробирки). Маркировать пробирки. Рекомендуемые варианты маркировки показаны в таблице 6.3. Результаты взвешивания занести в таблицы 6.4 и 6.5.
Прокалённый образец с помощью воронки поместить в пробирки. Заполнить сорбентом 2/3 объёма пробирки и закрыть сразу после заполнения. Охладить адсорбент до комнатной температуры.
Взвесить пробирки с образцами, результаты занести в таблицы 6.4 и 6.5.
Успех или неудача работы зависят от аккуратности выполнения следующих операций. Пробирки адсорбционной серии (n–1 шт) поочерёдно открыть и поместить в эксикаторы с насыщенными растворами солей. При охлаждении в пробирках понижается давление, поэтому открывать их следует осторожно. Постучать пальцем по колпачку, убедиться, что на колпачке нет частичек сорбента, открывать очень медленно, иначе образец частично вылетит из пробирки и навеску придётся брать снова .
Пробирки десорбционной серии (n шт) поочередно осторожно открыть и поместить в эксикатор с дистиллированной водой.
Оставить образцы на неделю в защищённом от перепадов температуры месте.
Поочерёдно открыть эксикаторы, сразу после открывания очередного эксикатора закрывать находящиеся в нём пробирки. Взвесить все пробирки, результаты занести в табл. 6.4 и 6.5.
После взвешивания пробирок адсорбционной серии нужно вновь их открыть и поместить в те же эксикаторы.
Пробирки десорбционной серии после взвешивания открыть и поместить в эксикаторы с насыщенными растворами солей. При этом в первом эксикаторе должны оказаться пробирки СА-1 и СД-1, во втором – пробирки СА-2 и СД-2 и т.д. Важно не перепутать пробирки, поэтому ещё раз обратите внимание на маркировку – она должны быть нанесена крупно и четко.
Оставить эксикаторы с образцами ещё на неделю. Через неделю открыть эксикаторы, закрыть пробирки и взвесить их.
Повторное взвешивание образцов адсорбционной серии необходимо для корректного сопоставления с данными десорбционной серии. Иначе данные этих серий с большой вероятностью будут относиться к различным температурам, поскольку термостатирование эксикаторов не используется для упрощения методики и опыт делается при комнатной температуре.
По изменению массы рассчитать адсорбцию в мг воды на г адсорбента и ммоль воды на г адсорбента. Построить кривую зависимости адсорбции выраженной в этих единицах от относительной влажности. На одном графике нужно построить адсорбционную и десорбционную ветви изотермы.
Определить область капиллярно-конденсационного гистерезиса.
Исходя из плотности жидкой воды, по формулам (6.10–6.12) рассчитать посадочную площадку молекулы воды. Аппроксимировать десорбционную ветвь изотермы уравнением БЭТ и определить удельную поверхность адсорбента.
Таблица 6.2
Относительная влажность над насыщенными водными растворами солей [11-14]
Соль |
Р/Р0 при 25оС, % |
Соль |
Р/Р0 при 25оС, % |
NaOH*H2O |
6,0 |
SrCl2*6H2O |
71,9 |
LiBr*2H2O |
6,9 |
NaClO3 |
75 |
ZnBr2*2H2O |
8,0 |
NaNO3 |
75,5 |
ZnCl2 |
10 |
NaCl |
75,4 |
KOH*2H2O |
10,0 |
NaOAc*3H2O |
76 |
LiCl*H2O |
11 – 15 |
H2C2O4*2H2O |
76 |
CaBr2*6H2O |
17,6 |
Na2S2O3*5H2O |
78 |
LiI*3H2O |
19,4 |
NH4Cl |
79,3 |
KOAc |
20 |
KBr |
81,9 |
CaCl2*6H2O |
31,0 |
(NH4)2SO4 |
81 |
MgCl2*6H2O |
32,9 |
KCl |
84 |
NaI*2H2O |
39,7 |
Sr(NO3)2*4H2O |
85,0 |
Zn(NO3)2 |
42 |
KHSO4 |
86 |
K2CO3*2H2O |
43,5 |
K2CrO4 |
88 |
KNO2 |
45 |
ZnSO4*7H2O |
90 |
KSCN |
47 |
BaCl2*2H2O |
90,4 |
NaHSO4*H2O |
52 |
CsI |
91,4 |
Na2Cr2O7*2H2O |
52 |
KNO3 |
93,2 |
Ca(NO3)2*4H2O |
53,8 |
Na2SO3*7H2O |
95 |
Mg(NO3)2*6H2O |
53,6 |
Na2HPO4*12H2O |
95 |
NaBr*2H2O |
58 |
K2SO4 |
97,4 |
NH4NO3 |
65 – 67 |
Pb(NO3)2 |
98 |
KI |
69,8 |
CuSO4*5H2O |
98 |
Таблица 6.3
Рекомендуемые варианты маркировки образцов
Маркировка |
Расшифровка |
СА-1 |
Силикагель–Адсорбция–эксикатор №1 |
СА-2 |
Силикагель–Адсорбция–эксикатор №2 |
… |
… |
СД-1 |
Силикагель–Десорбция–эксикатор №1 |
… |
… |
УА-1 |
Уголь–Адсорбция–эксикатор №1 |
УА-2 |
Уголь–Адсорбция–эксикатор №2 |
… |
… |
УД-1 |
Уголь–Десорбция–эксикатор №1 |
… |
… |
Таблица 6.4
Результаты взвешивания образцов при построении адсорбционной кривой
Образец |
1) Сухой образец Дата взвешивания “__”_______20__ |
2) После адсорбции 7 суток Дата “__”_______20__ |
3) После адсорбции 14 суток Дата “__”_______20__ |
||||
m0 |
m1 |
m2 = m1 – m0 |
m3, |
m4 = m3 – m1 |
m5 |
m6 = m5 – m1 |
|
Пробирка |
Пробирка +адсорбент |
Образец |
Пробирка +адсорбент +вода |
Вода |
Пробирка + адсорбент +вода |
Вода |
|
CA-1 |
|
|
|
|
|
|
|
CA-2 |
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.5
Результаты взвешивания образцов при построении десорбционной кривой
Образец |
1) Сухой образец Дата взвешивания “__”_______20__ |
2) После насыщения 7 суток Дата “__”_______20__ |
3) После десорбции 7 суток Дата “__”_______20__ |
||||
m0 |
m1 |
m2 = m1 – m0 |
m3, |
m4 = m3 – m1 |
m5 |
m6 = m5 – m1 |
|
Пробирка |
Пробирка +адсорбент |
Образец |
Пробирка +адсорбент +вода |
Вода |
Пробирка + адсорбент +вода |
Вода |
|
CД-1 |
|
|
|
|
|
|
|
CД-2 |
|
|
|
|
|
|
|