گزارش کار شیمی فیزیک.جذب سطحی
گزارش کار شیمی فیزیک.جذب سطحی
جذب سطحی اسید استیک روی زغال فعال
زغال فعال شده چیست؟
اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.
زغال فعال شده دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:
- تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم
- رنگزدایی از قند و شکر
- بازیافت طلا
- بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها
- استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و ...
- ....
تولید زغال فعال شده
اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعال شده وجود دارد که به 3 اصل بستگی دارد:
- نوع ماده اولیه
- مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
- مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف
شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:
فعال سازی شیمیایی،فعال سازی توسط بخار
فعال سازی شیمیایی:
این شیوه بیشتر برای مواردی است که مواد اولیه آن چوب و یا زغال سنگ نارس(Peat) می باشد. مواد اولیه را با یک عامل آبگیر مانند اسید فسفریک P2O5 یا کلرید زنیک
۲ ZnCl
آغشته می کنند تا ماده ای خمیری حاصل شود. این ماده را در بازه دمایی 500 - 800 درجه سانتیگراد حرارت میدهند تا کربن فعال شود.
زغال فعال شده حاصل را بعد از شستشو خشک و به پودر تبدیل می کنند.
زغال فعال شده بدست آمده توسط این روش , دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ بسیار مناسبند.
فعال سازی توسط بخار:
این روش بیشتر برای موادهای اولیه ای چون چوب نیم سوخته, زغال سنگ و پوست نارگیل که زغالی شده اند به کار می رود. فعال سازی در بازه دمایی 800 – 1100 درجه سانتیگراد و در حضور بخار انجام می شود.
در آغاز مواد زغالی با بخار به گاز تبدیل می شوند که به واکنش water-gaz معروف است:
(C + H2o → CO + H2 – 175.440 KJ/(KgMol
این واکنش گرماگیر است و گرمای مورد نیاز توسط سوختن ناقص CO و H2 بصورت زیر تامین می شود:
(2CO + O2 → 2CO2 + 393.790 KJ/(KgMol
(2H2 + O2 → 2H2O + 396.650 KJ/(KgMol
در ضمن هوا به مقدار مورد نیاز وارد واکنش می شود تا زغال نسوزد.
زغال های فعال شده ی تولید شده توسط این روش معمولا دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسبند.
ویژگی های جذبی و فیزیکی
گونه های مختلفی از زغال های فعال شده با ویژگی های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آنها بستگی به مواد اولیه و فنون به کا ر رفته در تولید آنها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده, برای بهبود بخشیدن به فرایندها, نیاز به شناخت دقیق ویژگی های فیزیکی و جذبی مواد داریم.
ویژگی های جذبی:
(1 سطح: با استفاده از N2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می گیرند.هر چه سطح زغال فعال شده بیشنر باشد, قسمتهای جاذب نیز بیشترند.
2) اندازه منافذ: تعیین اندازه های یک زغال فعال شده میتواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد.که در IUPAC منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی شده اند:
Micropores r<1nm
Mesopores r 1-25nm
Micropores r>25
که mesopore ها برای جا به جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند.
3) تخلخل: یکی از راههای اندازه گیری میزان تخلخل در توده ای از زغال فعال شده , استفاده از میزان جذب CCl4 خالص در حالت گازی می باشد.
- ویژگیهای فیزیکی:
1) سختی و مقاومت در برابر حررت و فشار : زغال های فعال شده دارای سختی های متفاوتی هستند که مربوز به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می باشد. بنا به درجه سختی, هر یک از آنها کاربردهای متفاوتی دارند.
2) چگالی
3) اندازه ذرات: هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچکتر باشد, سرعت جذب بیشتر است.
***زغال فعال شده را به سه شکل دانه ای , پودر و استوانه ای میسازند.***
زغال فعال شده چگونه کار می کند؟
زغال فعال شده مواد اورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند , که عمل انتقال آلاینده از فاز مایع ( آب) به فاز جامد ( کربن) صورت می گیرد.نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یک پیوند بین آلاینده و کربن و چسبیدن آنها به هم می شود.
علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی زغال فعال شده می چسبند و بخشی از آلاینده ها را جذب و مصرف می کنند.
جذب منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل زغال فعال شده می گردد , جایی که یک واکنش شیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازن O3
در قسمتی که جذب می شود , قسمتی از زغال فعال شده را اکسید میکند, و 3O به O2 تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمی شود.
جذب در زغال فعال شده دارای 3 مرحله است:
1- تماس ذرات آلاینده محلول در مایع ( آب) با ذرات زغال فعال شده
2- پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعال شده
3- جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و بوجود آمدن یک پبوند برگشت ناپذیر
***این 3 مرحله همزمان رخ می دهند***
بازیافت زغال فعال شده
به مرور زمان و استفاده از زغال فعال شده , سطح آن از مواد آلاینده اشباع می شود. زغال فعال شده یک محصول گران است و در عین حال میتواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت زغال فعال شده , هزینه کمی نسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.
زغال فعال شده و مهندسی شیمی
در تولید زغال فعال شده : مهندس شیمی, می تواند درطراحی فرآیندهای تولید و بازیافت زغال فعال شده متناسب با کاربرد و ویژگی های مورد نظر, طراحی راکتورهای مورد نیاز, کنترل کیفیت محصولات و بهسازی آنها بعالیت داشته باشد.
در فروش زغال فعال شده: مهندس شیمی , به خاطر داشتن اطلاعات لازم از محصول و آشنایی با مصارف آن می تواند در بخش بروش و بازار یابی نیز بعالیت داشته باشد.
در مصرف زغال فعال شده: مهندس شیمی , می تواند در صنایعی که نیاز به استفاده از زغال فعال شده دارند, با تعیین نوع و میزان و شیوه استفاده از زغال فعال شده و کنترل آن ایفای نقش کند.
مواد و وسایل مورد نیاز آزمایش:
1-ارلن
2-بالن حجمی
3-بورت
4-قیف شیشه ای ساده
5-کاغذ صافی
6-فنل فتالئین
6-محلول سود
7-محلول اسید استیک
8-زغال فعال
http://blackwearing.blogfa.com/cat-1.aspx
مقدمه :
در عمليات جذب سطحي انتقال يك جز از فاز گاز يا مايع به سطح جامد صورت مي
گيرد از كاربردهاي اين فرايند مي توان به رنگبري شربت قند و تصفيه روغنهاي صنعتي يا
خوراكي و حذف مواد آلاينده از هوا يا مخلوط گازهاي ديگر اشاره كرد.
واژه جذب سطحي براي تشريح اين حقيقت به كار مي رود كه غلظت مولكولهاي جذب
شده در سطح تماس جامد بيشتر از فازگاز يا محلول است .جذب روي يك سطح جامد
به علت نيروي جاذبه اتم ها يا مولكولها در سطح آن جامد است در عمل جذب سطحي
نيروهاي مختلفي اعم از فيزيكي و شيميايي موثرند و مقدار آن بستگي به طبيعت ماده
جذب شده وجسم جاذب دارد و به اين دليل مي توان مثلا ماده اي را كه در يك مخلوط
وجود دارد را جدا نمود
چند مثال که در ادامه بيان شده است نمايانگر طبيعت عمومي جداسازي ها خواهد بود و
کاربرد هاي اصلي آن را نشان مي دهد .
در حالت جداسازي هاي گازي از فرآيند جذب ، در رطوبت زدائي ها هوای خشک و
ديگر گازها ،بوزدائي و جداسازي ناخاليصيها از گازهاي صنعتي مثل دي اکسيد کربن ،
بازيابي حلالهاي پرارزش از مخلوط رقيق آنها با هوا يا گازهاي ديگر، و جداسازي
مخلوطي از هيدروکربن هاي گازي مانند مخلوطي از متان ، اتيلن ، اتان ، پروپيلن و
پروپان استفاده مي شود. از فرآيندهاي جداسازي مايع مي توان رطوبت زدائي بنزين، رنگ
زدائي محصولات نفتي و محلولهاي آبکي قندي، بوزدائي و طعم زدائي آب، و جداسازي
هيدروکربن هاي آروماتيکي و پارافيني ، را نام برد . که هرکدام از اين موارد در صنعت
کاربرد وسيعی داشته و بنا به مورد و شرايط محدوده کاری از آن استفاده می شود
اين عمليات ها همه از اين جهت مشابه هستند که در آنها مخلوطي که بايد تفکيک شود با
يک فاز نامحلول ديگر تماس حاصل مي نمايد( مانند جاذب جامد) و پخش نامساوي
مواد اوليه بين فاز جذب شده ر وي سطح جامد و توده سيال موجب جداسازي مي شود .
دو مكانيزم اصلي براي جذب سطحي وجود دارد:
۱.جذب فيزيكي
۲.جذب شيميايي
جاذبها :
جامدي كه بر روي سطح آن جذب اتفاق مي افتد جاذب يا سوسترا مي نامند مايع جذب
شده را مجذوب مي نامند .جذب سطحي بر روي سطح مشترك جامد مايع به وقوع مي
پيوندد .
جامدهاي جاذب معمولا به شکل گرانول ( ذرات کروی شکل با قطر چند ميلی متر)
مصرف مي شوند و اندازه آنها از ۱۲ ميليمتر قطر تا ۵۰ ميکرومتر متغير است. جامدها بايد
بر اساس کاربرد و موقعيت مصرف داراي بعضي خواص مهندسي باشند. براي مثال اگر از
آنها در يک بستر ثابت با جريان گاز يا مايع استفاده مي شود، نبايد اختلاف فشار زيادي
ايجاد کنند و همچنين نبايد توسط جريان سيال به خارج حمل شوند. آنها بايد از مقاومت
و سختي خوبي برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين در اثر وزن خود در بستر
خرد نشوند. در صورتيکه بخواهيم آنها را از ظروف نگهداري به داخل و خارج انتقال
دهيم، بايد به راحتي جريان پيدا کنند. اينها خواصي هستند که به راحتي شناخته مي شوند.
خاصيت جذب جامدها يک مسئله ديگر است. جذب يک پديده عمومي است و تمام
جامدها، گازها و بخارات را مقداري جذب مي کنند. ولي در اهداف صنعتي تنها بعضي
جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. پس جامداتي که داراي خاصيت جذب بسيار ويژه
اي هستند و به مقدار زياد جذب انجام مي دهند، طبيعت شيميايي آنها با خواص جذب
رابطه دارد. ولي صرف شناسايي شيميايي، براي مفيد بودن آن کافي نيست. براي مثال
استخراج، تمام نمونه هاي خالص بوتيل استات که اسيد استيک را از آب استخراج مي
نمايند داراي قدرت يکسان هستند. اين حالت براي خواص جذبي سيليکاژل نسبت به
بخار آب صادق نيست. اين خواص جذبي بيشتر بستگي به روش ساخت ماده و سابقه
جذب و دفع مواد روي آن دارد.
ذغال هاي رنگ بر
اين مواد به شکل هاي مختلف ساخته مي شود:
۱) مخلوط کردن مواد گياهي با مواد معدني مانند کلريد کلسيم، کربنيزه کردن، و
شست شوي مواد معدني
۲) مخلوط کزدن موادآلي مانند خاک اره با مواد متخلخل مثل سنگ آتشفشاني(سنگ
پا) و حرارت دادن و کربنيزه کردن تا زماني که مواد کربني در سطح مواد متخلخل
رسوب نمايند
۳) کربينزه کردن چوب، خاک اره، و مشابه آن وفعال سازي با هواي داغ يا بخار،
ازليگنيت و ذغال بيتومينوس به عنوان مواد اوليه استفاده مي شود. از اين مواد براي
اهداف زيادي مانند رنگ زدائي محلولهاي شکر، مواد شيميايي صنعتي، داروها و
مايعات خشک شوئي، تصفيه آي، تصفيه روغنهاي گياهي و حيواني، و در بازيابي
طلا و نقره از محلولهاي سيانور حاصل از شستشوي سنگ معدن، استفاده مي شود.
اين ماده گرانولي و سخت است و داراي تخلخل زيادي است و از ژل رسوب شده توسط
واکنش بين اسيد و محلول سيليکات سديم بدست مي آيد. مقدار رطوبت آن قبل ز
استفاده، از ۴ تا ۷ درصد متغير است و معمولا براي خشک کردن هوا و گازهاي ديگر، در
ماسکهاي ضد گاز، و براي تفکيک هيدروکربنها به کار مي رود. اين ماده با تبخير ترکيب
جذب شده براي مصرف مجدد آماده مي شود.
وقتي که يک جاذب جامد در داخل يک مايع خالص غوطه ور مي شود، ايجاد حرارت که
بنام حرارت خيس شدن معروف است، نشاندهنده جذب مايع است. اما غوطه ور سازي
راه موثري براي اندازه گيري مقدار جذب نيست. تغيير حجم قابل ملاحظه اي براي اندازه
گيري جذب شده رخ نمي دهد و بيرون آوردن و وزن کردن آن نيز تفاوت بين مايع
جذب شده و مايع که به صورت همراه آمده را به دست نمي دهد. اين مسئله در جذب
سطحي گازها وجود ندارد، و تغيير وزن جامد بر اثر جذب قابل اندازه گيري است.
شرح آزمايش:
در اين آزمايش ۶ نمونه ۱ گرمی ذغال فعال را به دقت وزن کرده و سپس ۶ محلول اسيد
استيک به غلظت هاي ۰.۵ مولار، ۰.۲۵ مولار، ۰.۱۲ مولار، ۰.۰۹ مولار ، ۰.۰۳ مولار و
۰.۰۱۵ مولار آماده مي نماييم.
از هر محلول فوق به اندازه ۱۰۰ سي سي در هر ارلن مي ريزيم. نمونه هاي يک گرمي
ذغال را همزمان با هم به ارلن هاي محتوي ۱۰۰ سي سي محلول اسيد استيک اضافه مي
کنيم.
درب آنها را بسته و به مدت يک ساعت روي همزن مغناطيسي قرار مي دهيم تا به طور
يکنواخت هم بخورد، البته در آزمايشگاه به دليل عدم وجود دستگاه و زمان کافي محلول
را يک روز در محيط آرام قرار مي دهيم.
پس از گذشت ۲۴ ساعت، يک ساعت محلول هيدروکسيد سديم ۰.۱ مولار را، وسيله
نرمال که معرف آن فنل فنالئين است تيتر مي کنيم. هر يک از KHP اگزاليک اسيد يا ۰.۱
محلول هاي عنوان شده در بالا از اسيد استيک را به وسيله سود تيتر مي کنيم. تا غلظت
هر کدام از آنها به دست آيد.
البته لازم به ياد آوري است که محلول ۰.۰۳ نرمال از اسيد استيک را که از ابتدا به دست
آمده بود را به عنوان مقايسه گرد توسط سود تيتر مي کنيم. ميزان سود مصرف شده در هر
ميزان غلظت اسيد ، N1V1=N2V مرحله را يادداشت مي کنيم. حال بر اساس رابطه 2
را بدست مي آوريم.
محاسبات :
M=N (n= چونکه اسيد استيک يک ظرفيتي است ( 1
M acet *V acet =M naoh*Vnaoh
Mw(acet)=60 g/mol
Vacet=10 cc
Mnaoh=0.1
M acet=(0.1*12)/10=0.12
جرم مولکولي* حجم نمونه (ليتر) * (Mo-Me)
x=(0.15-0.12)*60*0.1=0.1801
x/m= اسيد جذب شده به ازاي هر گرم جاذب 0.1501
Log x/m =log k+ t log Ce
اگر بهترين معادله خط را از بين داده هاي بالا عبور دهيم:
Log k=-0.51676 , k=0.3042
T=0.2983 , x/m=0.3042 Ce^0.2983
نتيجه گيري :
در فشارهاي متوسط و رو به پايين جذب معادله همدماي فروندليچ بهتر از معادله همدما
لانگ موير ميزان جذب را پيش بيني مي كند
در جرم جاذب ثابت تنها با افزايش اسيد ميزان جذب در فشار ثابت افزايش مي يابد .
منابع:
عمليات واحد مهندسی شيمی ‐ مک کيب ، اسميت ، هريوت
شيمي فيزيك ‐ اتكينز – پي – دبليو
شيمي فيزيك‐آلبرتي
