Ленинградская область Выборгский район п. Первомайское

МБОУ «Первомайский центр образования»

Исследовательская работа

Исследование свойств адсорбционной способности активированного угля

Секция – химия

Выполнили ученицы 9 А класса

Антимоник Александра и Шаяхметова Алсу

Руководитель Жамалова Любовь Александровна

Учитель химии и биологии

2015 Содержание

Раздел

Страница

1

Введение

3

2

Теоретическая часть

2.1 Адсорбция как явление

5

2.2 Историческая справка

6

2.3 Способы получения

7

2.4 Области применения активированных углей

8

3

Практическая часть

3.1 Исследования в школьной лаборатории

11

3.2 Исследования в домашних условиях

13

4

Вывод

14

5

Используемая литература

15

6

Приложение (презентация)

-

Введение

На уроке химии мы познакомились с таким свойством углерода, как адсорбция. Важное значение адсорбции, как в промышленности, так и в быту подтолкнуло нас на исследование явления адсорбция в школьной лаборатории и дома на примере активированного угля. Нам захотелось узнать, все ли вещества он может адсорбировать.

Актуальность работы :

значимость адсорбции в связи с решением экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ.

привлечение школьников к изучению химии с практической стороны и применения полученных знаний в быту.

развитие интереса у школьников к получению теоретических и практических навыков по химии: работа в лаборатории, работа с Интернетом для поиска и передачи информации.

Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.

Целью данной работы является изучение адсорбционной способности активированного угля

Задачи, поставленные для достижения цели :

найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни человека.

изучить адсорбционную способность активированного угля;

понаблюдать и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля.

Для исследования мы ознакомились с такими научными источниками, как техническая литература, интернет ресурсы, энциклопедия и выявили, что явление адсорбции широко представлено и хорошо изученное явление. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. В теоретической части мы использовали материалы технической и исторической литературы, а для эксперимента мы воспользовались учебником для студентов Аналитическая химия. Лабораторный практикум.

Методы исследования, которые использовались в работе :

Изучение и подбор материала;

Наблюдение и анализ явлений адсорбции;

Эксперимент.

Планируемые результаты:

Понаблюдать, и проанализировать явление адсорбции, на примере активированного угля;

Изучить адсорбционную способность активированного угля;

- найти примеры практического применения адсорбционной способности активированного угля в профессиональной деятельности и в жизни.

Теоретическая часть

Адсорбция как явление.

Одежда маляра пахнет скипидаром и краской, кондитера – орехом мускатным, шофера – бензином. Причина этого вызвана адсорбцией молекул газов на одежде, ткань которой является дисперсной системой. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. Очистка растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания масел, осуществляется с помощью глинистых пород, выполняющих роль адсорбента.
На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. Адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях. Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.

Адсорбция (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю), поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела.

Одним из адсорбентов является активированный уголь (активный, карболен) (от лат. carbo activatus) - вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными, из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь.

С точки зрения химии активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.

Историческая справка

Примечательная способность древесного угля поглощать (адсорбировать) разнообразные пары, газы, пахучие и красящие вещества из растворов впервые была обнаружена в конце 18 века. В 1773 году известный химик Карл Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле. С точностью до дня (5 июня 1785 г.) датируется обнаружение Тобиасом Ловицем адсорбции (поглощения) из растворов веществ древесным углем. Ловиц применял древесный уголь для очистки самых различных продуктов (лекарств, питьевой воды, хлебной водки, мёда и других сахаристых веществ, селитры и т.п.) . А в 1794 г. активный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии.

В 19 столетие исследования адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. В первую мировую войну Н.Д. Зелинский разработал противогазы на основе древесного активного угля. Это изобретение спасло тысячи жизней и послужило толчком к дальнейшему исследованию способности углей поглощать различные пары и газообразные вещества, что привело к расширению областей применения активных углей.

Способы получения

Для получения активных углей может использоваться разнообразное органическое сырьё (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, древесный материал). Угли, отличающиеся высокой механической прочность и адсорбционной способностью, получают из скорлупы кокосовых орехов. Упрощённо процесс производства активного угля можно свести к двум стадиям: карбонизация и активация. На первой стадии производства активного угля исходный материал подвергается термической обработке без доступа кислорода, в результате которой из него удаляются летучие (влага и частично смолы), он уплотняется, приобретает прочность. Структура полученного материала крупнопористая, обладающая незначительной внутренней поверхностью, вследствие чего он не может быть использован как промышленный адсорбент. Задача получения развитой микропористой структуры решается на стадии активации. Активация проводится двумя способами: окисление газом или паром и обработка химическими реагентами. Для активирования газами используются кислород (воздух), водяной пар и диоксид углерода.

Области применения активированных углей

На сегодняшний день активные угли выпускаются в большом количестве и ассортименте и нашли применение в следующих областях: очистка питьевой и сточных вод; очистка оборотных вод на предприятиях; осветление сахарных сиропов; очистка газов и рекуперация паров; получение медикаментов; очистка спиртоводных растворов и вин; использование в качестве катализаторов и носителей катализаторов; в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из рабочих растворов.

Подготовка питьевой воды

Уникальность свойств активированных углей и определило разнообразие областей применения данного продукта. Проблема наличия чистых источников питьевой воды, а также длительного хранения её запасов всегда остро стояло перед человеком. С увеличением народонаселения нашей планеты, а также с бурным развитием промышленности, масштабы загрязнения пресных водоёмов значительно возросли, что заставило искать эффективные методы очистки вод. Универсального метода очистки вод от нежелательных примесей не существует, но использование некоторых из них одновременно позволяет достигнуть необходимую степень очистки. Основной задачей при очистке вод является улучшение их вкусовых качеств (дезодорация воды). Наиболее эффективным методом удаления из воды ряда органических и неорганических примесей признан сорбционный метод очистки на активном угле. Этот способ применяется на станциях водоподготовки с первой половины XX века.

Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция , когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли. Но, как считают ученые-гигиенисты, постоянное употребление такой воды нежелательно, т.к. может привести к нарушению солевого баланса.

Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.

Б ольшое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. Фильтрующий элемент картриджа содержит активированный уголь и гранулы ионообменной смолы.

Активированные угли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом.

Применение активных углей в золотодобывающей промышленности.

При прокачивании раствора цианида золота через тонкопористый активный уголь происходит восстановление золота и адсорбция его на угле.

Помимо золота активные угли широко используются для извлечения других металлов. Ряд селективности имеет следующий вид:

Au > Ag > Fe > Cu > Ni > Co > Zn

То есть, из раствора лучше будет адсорбироваться золото, по сравнению с металлами, стоящими правее в ряду селективности.

Очистка воздуха и газов

Активные угли широко используются для очистки воздушных сред. Примером является рекуперация паров растворителей посредством адсорбции на активном угле. Типичные растворители, которые можно рекуперировать на активном угле – диэтиловый эфир, ацетон, спирты, бензин, толуол, гексан, бензол, фторсодержащие углеводороды, трихлорэтан, а также сероводород и др.

Активированный уголь в медицине

Уже около 1550 г. до н.э., в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине.

Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. Считается, что его следует применять на протяжении двух часов с момента отравления. За это время уголь в состоянии связать большую часть токсинов в желудочно-кишечном тракте.

Главным образом, активированный уголь используется при разных отравлениях и диарее. Тем не менее, несмотря на то, что уголь адсорбирует много разных токсинов, действует он не на все токсины.

Уголь также адсорбирует токсины, вырабатываемые бактериями. О его использовании во время лечения антибиотиками нужно проконсультироваться с врачом, потому что кроме токсинов уголь может адсорбировать и лекарства.

Уголь не следует применять в случае отравления сильными кислотами, непищевыми спиртами, растворителями и тяжелыми металлами. Уголь также не адсорбирует некоторые пестициды.

Активированный уголь адсорбирует все вещества и не имеет селективности. Кроме часто заявляемых производителем токсинов и вредных веществ, уголь также адсорбирует полезные и нужные организму вещества. Поэтому уголь нужно разносить по времени с применением других веществ минимум на 2 часа, иначе все лекарства и полезные добавки будут адсорбированы углём. Применять уголь разумно только когда это действительно необходимо, т.е. в случае отравления .

Практическая часть

Исследование

Адсорбционная способность активированного угля.

Цель работы: изучить адсорбционную способность активированного угля.

Задачи:

Проверить адсорбционную способность активированного угля в лаборатории и дома;

Выявить влияние природы растворителя на адсорбцию;

Качественно проследить адсорбционную способность для слабоокрашенных растворов.

Исследования в школьной лаборатории.

Исследование №1. Адсорбция активированным углем различных веществ из растворов.

Цель работы : изучили адсорбцию активированным углем различных веществ из растворов.

Ход работы. В химический стакан, мерным цилиндром отмерили по 5 мл 0,01% -х растворов – фуксина, малахитового зеленого, сульфата меди, йода, дихромата калия. В каждый стакан внесли по 0,25г растертого активированного угля. После взбалтывания через 5-10 минут смеси фильтруют через обычные фильтры (9.00 hm ).

Наблюдение : фуксин – обесцветился;

малахитовый зеленый – обесцветился;

йод – желтый, прозрачный;

сульфат меди – голубой;

дихромат калия – ярко желтый, прозрачный.

Вывод : чем прозрачнее и светлее жидкость, тем лучше произошла адсорбция, т.е. фуксин и малахитовый зеленый адсорбируют лучше всего.

Исследование №2. Адсорбция ионов свинца активированным углем.

Цель работы : изучили адсорбцию активированным углем ионов свинца.
Ход работы. В два химических стакана, мерным цилиндром отмерили по 5 мл. 0,05%-го раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавили 2 капли раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов Pb 2+ в растворе.
В другую пробирку добавили 0,2 г древесного угля и взбалтывали в течение 5 мин. Отфильтровали раствор и проверили присутствие ионов Pb 2+ реакцией с йодистым калием.
Наблюдение : в первой пробирке образовался осадок, а во второй нет.

Вывод: ионы свинца адсорбируются активированным углем.

Исследование №3. Влияние природы вещества на адсорбцию.

Цель работы : изучили влияние природы растворителя на адсорбцию активированным углем.
Ход работы. В один химический стакан налили 5 мл.0,01% водного раствора фуксина, в другой стакан такое же кол-во, спиртового раствора фуксина. В оба стакана внесли по 0,2 г. угольного порошка и взбалтывали 5 мин. Отфильтровали растворы.

Наблюдение : спиртовой раствор фуксина остался без изменений, а водный раствор фуксина обесцветился.

Вывод: Фуксин плохо растворим в воде и хорошо - в спирте. Соответственно, из воды он будет как бы выталкиваться на границу раздела, как плохо сольватированное вещество. Адсорбция на угле будет высокая. А из спирта он адсорбироваться будет плохо, потому что хорошо им сольватирован, и ему не слишком выгодно уходить на границу раздела. Кроме того, если сравнивать с водой, то сам спирт можно считать ПАВ. Поэтому он до некоторой степени будет вытеснять фуксин с поверхности угля и сам занимать эту поверхность.

Исследования в домашних условиях.

Исследование № 4. Адсорбция кувшином «Аквафор» холодной воды из крана.

Цель работы: изучили адсорбционные способности фильтра-кувшина АКВАФОР

Ход работы. Для опыта мы взяли:

Глубокую миску белого цвета, воду из крана, фильтр-кувшин с картриджем «Аквафор»

В белую чистую миску, налили холодную воду из крана. Вода прозрачная но с примесью ржавчины. Перелили часть воды в кувшин с картриджем, а часть оставили как контрольный образец. После того как, вода была отфильтрована кувшином «Аквафор», перелили воду в чистую белую миску и сравнили полученный образец из фильтра с начальным образцом из крана.

Наблюдение : образец из фильтра прозрачный, без видимых загрязнений.

Вывод : активированный уголь, находящийся в фильтре справился со своей задачей по очистке воды от видимых загрязнений, т.е. ржавчины.

Исследование № 5. Адсорбция активированным углем брусничного сиропа.

Цель работы : изучили поглотительную способность активированного угля частиц красящего органического вещества из сиропа.

Ход работы. Для опыта мы взяли:

Два прозрачных стакана; 5 таблеток активированного угля в таблетках; брусничный сироп.

В один стакан с сиропом добавили толченный активированный уголь. Оставили наш исследуемый раствор на некоторое время. Во второй, контрольный, стакан также налили брусничный сироп, но активированного угля не добавили.

Наблюдение: контрольный стакан по-прежнему содержит брусничный раствор, а в исследуемом стакане с активированным углем раствор поменял окраску на светло-коричневую, и стал прозрачным.

Вывод: активированный уголь адсорбировал или поглотил частички органического красителя из его раствора.

Вывод:

Активированный уголь продемонстрировал нам свои адсорбционные способности, т.е. поглощающие свойства.

Почему же, эта маленькая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества?

Все дело в особой углеродной структуре, 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 2000м 2 !

Мы сделали вывод своими исследованиями, что не все вещества полностью адсорбируются активированным углем.

Одной из причин того, что эти вещества остались в растворе, и окраска не изменилась, может быть то, что размеры молекул этих веществ больше чем размеры пор адсорбента. А так же, между молекулами вещества и поверхность пор активированного вещества не возникли силы притяжения ://

Литература

Аликберова Л.Ю. Полезная химия: задачи и истории/Л.Ю. Аликберова, Н.С. Рукк. – 3-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2008. – 187 с.

Астафуров В. И. Основы химического анализа. М.: Просвещение, 1982.

Васильев В.П. Аналитическая химия Физико-химические методы анализа / В.П.Васильев. - 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2007. – 383 с.

Васильев В.П. Аналитическая химия Лабораторный практикум / В.П.Васильев, Р.П. Морозова; под ред. В.П. Васильева – 3-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2006. – 414 с.

Мир химии. СПб, М.: М-Экспресс, 1995г

Главная > Исследование

IV Соревнование молодых исследователей программы «Шаг в будущее»

в Северо-Западном федеральном округе РФ

XII Региональная научная и инженерная выставка молодых исследователей «Будущее Севера»

Направление: Естественные науки и современный мир

Секция: химия

АДСОРБЦИЯ КАК МЕТОД ОЧИСТКИ ХИМИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

ученица 9 А класса

МОУ лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска.

Научный руководитель:

Семичева Валентина Фирсовна

Учитель химии I квалификационной категории

МОУ лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска

Ирина Анищенко

АДСОРБЦИЯ КАК МЕТОД ОЧИСТКИ ХИМИЧЕСКИХОТХОДОВ

Муниципальное общеобразовательное учреждение

лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска Мурманской области

Научная статья.

Введение………………………………………………………………………………4 Основная часть…………………………………………………………………….….6 1.Теоретическое исследование………………………………………………………6 1.1.Что такое адсорбция?..............................................................................................6 1.2.Зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента ………………..7 1.3.Опыт №1. ………………………………………………………………………....7 1.4.Адсорбция газов………………………………………………………………….7 1.5.Опыт №2………………………………………………………………………….7 1.6.Адсорбция из растворов………………………………………………………....8 1.7.Опыт№3………………………………………………………………………..…9 1.8.Выводы теоретического исследования…………………………………….…..9 2Исследование…………………………………………………………………….…9 2.1. Опыт№1- адсорбция глины и наполнителя из мела…………………………..9 2.2.Опыт №2- улучшение свойств адсорбции глины…………………………….10 2.3.Опыт №3- адсорбция разливов кислоты и щелочи……………………….…..11 2.4.Выводы исследования……………………………………………………….…12 3Общие выводы…………………………………………………………………….13 Заключение………………………………………………………………………….14 Источники информации……………………………………………………………15

Адсорбция.

План исследования.

Цель: изучить явление адсорбции, приготовить универсальный адсорбент для химической лаборатории. Задачи: 1.Изучить явление адсорбции на примере активированного угля, используя методы качественного и количественного анализа. 2.Изучить другие адсорбенты: глину, наполнитель из мела. 3.Сравнить адсорбенты, выявить преимущества. 4. Создать универсальный адсорбент для химической лаборатории. 5.Оформить результаты. 6.Представить результаты на конференции. Объект исследования: явление адсорбции. Предмет исследования : свойства различных адсорбентов. Гипотеза: если есть адсорбенты, обладающие определенными свойствами; действием на определенные вещества, то в химической лаборатории необходим адсорбент широкого спектра действия.

Введение.

Инициатива использования отравляющих веществ в качестве оружия массового уничтожения принадлежит германскому империализму. Хлор был впервые применен 22 апреля 1915 года на Западном фронте недалеко от бельгийского города Ипра против англо-французских войск. Вдыхание хлора вызывает удушье, тяжелое воспаление дыхательных путей, отек легких и смерть. Было выпущено 180 т хлора в течении 5 мин из 6 тысяч баллонов на фронте шириной 6 км. Первая атака хлором лишила боеспособности целую дивизию, оборонявшую участок. 15 тыс. человек было выведено из строя, из них 5 тыс. навсегда. Почти через месяц газовая атака была повторена на Восточном фронте против русских войск у местечка Воля Шидловска, в Польше. На участке фронта в 12 км при ветре, дувшем в сторону русских позиций, было выпущено из 12 тысяч баллонов более 150 т ядовитого газа. Внезапность нападения и полная беззащитность против ядовитого действия газа вызвали массовые и тяжелые поражения. «Газы» в эту ночь вывели из строя целую дивизию. Передовые линии, представляющие собой сплошной лабиринт окопов и ходов сообщения, были завалены трупами и умирающими людьми. Из строя выбыло 9 тыс. человек. Начавшаяся химическая война готовила человечеству неисчислимые жертвы и страдания. От этих жертв человечество спас древесный уголь. Профессор, Н. Д. Зелинский, выдающийся химик и ученый, изобрел, провел испытания и в 1915 г. предложил противогаз, действующий на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через противогаз целиком освобождало воздух от ядовитых примесей и защищало солдат от действия отравляющих веществ. Способность некоторых материалов поглощать другие вещества, иногда ядовитые, используют и по сей день. Происходят разливы нефти при ее транспортировке. Можно эту нефть собрать другими веществами-поглотителями. Происходят разливы кислот при их транспортировке. Можно нейтрализовать эти разливы кислот и собрать продукты адсорбентами. Вопрос утилизации некоторых веществ, очистки веществ от примесей актуален до сих пор. Цель: изучить явление адсорбции, приготовить универсальный адсорбент для кабинета химии. Задачи:1. Изучить явление адсорбции на примере активированного угля, используя методы качественного и количественного анализа.

2.Изучить другие адсорбенты: глину, наполнитель из мела. 3.Сравнить адсорбенты, выявить преимущества. 4.Создать универсальный адсорбент для кабинета химии. 5.Оформить результаты исследования. 6.Представить результаты исследования на конференции. Объект исследования: явление адсорбции. Предмет исследования: свойства различных адсорбентов. Гипотеза: если есть адсорбенты, обладающие определенными поглотительными свойствами; действием на определенные вещества, то в химической лаборатории необходим универсальный адсорбент, широкого спектра действия.

Основная часть.

1.Теоретическое исследование Методы: анализ, обобщение, химический эксперимент. 1.1.Открытие явления адсорбции. Явление адсорбции было открыто в 1785 г. русским ученым Ловицем. Изучая свойства угля, Ловиц обнаружил, что это вещество обладает замечательной способностью поглощать (адсорбировать) различные вещества(газы, растворенные в воде краски). Ловиц указал на возможность использования этих свойств угля для практических целей. Например, для очистки питьевой воды на кораблях. Адсорбция(лат.ad-на; при; sorbeo-поглощаю)-процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела. В более узком смысле под адсорбцией понимают поглощение примесей из газа или жидкости твердым веществом-адсорбентом. Адсорбционная способность угля объясняется особыми условиями, в которых находятся частицы на их поверхности.

Если внутри вещества все силы, действующие между частицами, уравновешены, то на поверхности в равновесии находятся только те силы, которые направлены внутрь вещества. Вследствие этого у поверхности адсорбента создается силовое поле, благодаря которому и притягиваются частицы газа или раствора к поглотителю. Процесс идет самопроизвольно. 1.2.Зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента. Адсорбционные свойства определяются величиной поверхности адсорбента. Адсорбент способен поглощать тем большее количество вещества, чем больше его поверхность. Поверхность зависит от степени измельчения адсорбента. 1.3.Опыт№1. 6 Цель: установить зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента. Задачи: -провести хим. эксперимент адсорбции хлора активированным углем с разной площадью адсорбента; -вести наблюдение за адсорбцией хлора; -наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод. Методика: (опыт проводим в вытяжном шкафу) Колбы №1,№2 заполняются хлором. Это газ желто-зеленого цвета. В колбу№1 помещаем 2 таблетки активированного угля, колбу закрываем пробкой, встряхиваем, засекаем время, за которое происходит поглощение хлора углем. Газ поглотился за 30 сек. В колбу№2 помещаем измельченные 2 таблетки активированного угля. Колбу закрываем пробкой, встряхиваем, засекаем время, за которое происходит поглощение хлора углем. Газ поглотился за 5 сек. Вывод: с увеличением площади поверхности адсорбента скорость адсорбции увеличивается, значит, увеличивается и количество поглощаемого вещества. Следовательно, хорошими адсорбентами могут быть такие материалы, которые обладают сильно развитой поверхностью, что свойственно веществам, имеющим пористую, губчатую структуру. 1.4.Адсорбция газов. Газы неодинаково адсорбируются активированным углем. Существует зависимость адсорбции газа от его температуры кипения. Трудно адсорбируются газы, которые трудно сжижаются(О 2). Хорошо адсорбируются газы, которые легко сжижаются (SO 2 , Cl 2 , NH 3). 1.5.Опыт №2 Цель: установить зависимость адсорбции газов от их температуры кипения. Задачи:- провести адсорбцию хлора, аммиака, кислорода активированным углем; - вести наблюдения за химическим экспериментом; - наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод. Методика: (опыты проводим в вытяжном шкафу) 7 Колба №1 заполняется хлором. Это газ желто-зеленого цвета. Температура кипения- -34,1 0 С. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля. Колбу закрываем пробкой, встряхиваем. Через 5 секунд желто-зеленый цвет исчез. Хлор поглотился активированным углем. Колба №2 заполняется аммиаком. Это бесцветный газ. Температура кипения аммиака - 35 0 С. Газ доказываем влажной полоской универсального индикатора. Полоска приобретает насыщенный синий цвет у отверстия колбы. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля, закрываем пробкой, встряхиваем.Через сутки проверяем наличие аммиака у отверстия колбы. Влажная полоска универсального индикатора приобретает слабый синий цвет. Большая часть газа поглотилась активированным углем. Колба №3 заполняется кислородом. Это бесцветный газ. Температура кипения кислорода- -183 0 С. Газ доказываем тлеющей лучинкой. Лучинка ярко загорается. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля, закрываем пробкой, встряхиваем. Через сутки проверяем газ тлеющей лучинкой у отверстия колбы. Лучинка ярко вспыхивает. Газ почти не поглотился активированным углем. Вывод: данный химический эксперимент подтвердил закономерность: с уменьшением температуры кипения газа понижается его адсорбция. 1.6. Адсорбция из растворов. Активированный уголь адсорбирует не только газы, адсорбирует и растворенные вещества. Существует зависимость величины адсорбции от концентрации растворенного вещества. 1.7.Опыт №3. Цель: установить зависимость адсорбции растворенного вещества от концентрации растворенного вещества. Задачи: - провести адсорбцию ненасыщенного и насыщенного растворов фуксина активированным углем; -вести наблюдение за химическим экспериментом; -наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод. Методика: 8 Колба №1 наполовину заполняется ненасыщенным раствором фуксина (раствор имеет розоватый цвет). В раствор помещаем 3 таблетки измельченного активированного угля. Оставляем на сутки. Колба №2 наполовину заполняется насыщенным раствором фуксина (раствор имеет насыщенный розовый цвет). Через сутки наблюдаем следующее. Раствор фуксина в колбе №1,№2 прозрачный, т. е. краситель из раствора поглотился. Вывод: с увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается. Выводы теоретического исследования. 1.Адсорбция – процесс самопроизвольный. 2.С увеличением площади поверхности адсорбента адсорбция увеличивается. 3.Адсорбенты поглощают газы, растворенные вещества. 4.С уменьшением температуры кипения газа адсорбция уменьшается. 5.С увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается. 6.Адсорбция- процесс обратимый.

2. Исследование.

Методы: химический эксперимент, наблюдение, сравнение. Цель: приготовить универсальный адсорбент для кабинета химии. Задачи: - исследовать другие материалы на способность поглощать вещества: глину, наполнитель из мела; - сравнить адсорбционные свойства исследуемых веществ, выявить преимущества; - создать универсальный адсорбент для кабинета. Адсорбцией обладают многие вещества. 2.1. Опыт№1. Цель: исследовать адсорбционные свойства глины, наполнителя из мела. Задачи:- провести адсорбцию раствора перманганата калия глиной и наполнителем из мела;9 - вести наблюдение за химическим экспериментом; - наблюдения записать в дневник,проанализировав, сделать вывод. Методика: Воронка №1 заполняется наполовину измельченной глиной. Через слой глины пропустим 50 мл раствора перманганата калия (р-р фиолетового цвета). Наблюдаем, что из воронки выходит прозрачный фильтрат. Ионы марганцевой кислоты адсорбировались глиной. Адсорбция прошла за 30 мин. Глина приобрела вид пластичной массы, через которую трудно проходит раствор. Воронка №2 наполовину заполняется наполнителем из мела. Через слой наполнителя пропустили 50 мл раствора перманганата калия. Наблюдаем, что из воронки выходит фиолетовый фильтрат. Ионы марганцевой кислоты не адсорбировались наполнителем из мела. Вывод. 1. Глина-адсорбент. Адсорбция глиной идет медленно, т.к. частицы глины слипаются, образуя вязкую массу, затрудняющую прохождение раствора. 2.Наполнитель из мела не обладает свойствами адсорбента. 2.2.Опыт№2. Цель: улучшить адсорбционные свойства глины; Задачи:- провести адсорбцию раствора перманганата калия смесью из глины и песка; - провести адсорбцию раствора перманганата калия смесью из глины; песка; и наполнителя из мела; - вести наблюдение за химическим экспериментом; - наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод. Методика: Воронка №1 заполняется наполовину смесью: 1 ч. глины и 1 ч. песка. Через смесь пропустить 50 мл раствора перманганата калия. Наблюдаем, что из воронки выходит прозрачный фильтрат. Адсорбция прошла за 2 минуты. 10 Вывод. Песок улучшает адсорбцию глины. Песок- разрыхлитель, препятствует слипанию частиц глины, обеспечивает насыщаемость жидкостью по микрокапилярам всего слоя адсорбента. Воронка №2 наполовину наполняется смесью: 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя. Через смесь пропускаем 50 мл раствора перманганата калия. Наблюдаем, что из воронки выходит прозрачный фильтрат. Адсорбция прошла за 30 сек., поглотилось много жидкости. Вывод. 1.Песок вместе с наполнителем улучшили адсорбционные свойства глины. 2.Смесь, состоящую из 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя предлагаем использовать в химической лаборатории в качестве адсорбента. 2.3. Опыт№3 Цель: исследовать адсорбционные свойства смеси адсорбента на разлив кислоты и щелочи. Задачи: - провести адсорбцию разлива серной кислоты смесью адсорбента; - провести адсорбцию разлива щелочи смесью адсорбента; - вести наблюдение за химическим экспериментом; - наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод. Методика: Пластмассовый поддон №1. В нем делаем разлив 5 мл серной кислоты.(1:1). Смесь адсорбента насыпаем по периметру разлива, а затем в центр. Перемешиваем адсорбент стеклянной палочкой. Наблюдения: - слышим шипение, т. е. выделяется газ. Наполнитель из мела нейтрализует кислоту. Через 5 мин. индикаторная полоска не фиксирует наличие кислоты в смеси адсорбента. Адсорбент убрал кислоту. Сама смесь адсорбента не растекается, хорошо собирается в совок. Пластмассовый поддон №2. В нем сделали разлив 5 мл щелочи. Смесь адсорбента насыпаем по периметру, а затем в центр. Перемешиваем адсорбент стеклянной палочкой. 11 Наблюдения:- щелочь поглотилась адсорбентом, разлив убрали, но индикаторная полоска фиксирует наличие щелочи в адсорбенте. Щелочь не нейтрализуется. Адсорбент не растекается, хорошо собирается в совок. 2.4. Выводы исследования. 1.Глина обладает свойствами адсорбента. 2.Наполнитель из мела не обладает свойствами адсорбента. Наполнитель из мела - нейтрализатор. 3.Адсорбцию глины можно улучшить, добавив к ней песок и наполнитель из мела. 4.Смесь: 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела- хороший адсорбент. 5.Смесь- адсорбент хорошо убирает разливы кислот и щелочей. 6.Адсорбент, состоящий из 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела, можно рекомендовать для использования в химический лаборатории.

Общие выводы.

1.Адсорбция- процесс самопроизвольный. 2.С увеличением площади поверхности адсорбента адсорбция увеличивается. 3.Адсорбенты поглощают газы, растворенные вещества. 4.С уменьшением температуры кипения газа адсорбция уменьшается. 5.С увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается. 6.Адсорбция- процесс обратимый. 7.Глина обладает свойствами адсорбента. 8.Наполнитель не обладает свойствами адсорбента. 9.Адсорбционные свойства глины можно улучшить, добавив песок и наполнитель из мела. 10.Смесь: 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела- хороший адсорбент, который убирает разливы кислот и щелочей. Эту смесь можно рекомендовать для использования в химической лаборатории. Свойства компонентов в смеси: - глина- адсорбент; - наполнитель из мела – нейтрализатор; - песок – разрыхлитель

Заключение.

Адсорбция – всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей газа или жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый уголь, силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных материалов и синтетических веществ. Обработка воды адсорбентами позволяет удалить из воды вещества, которые придают ей привкусы и запахи. Очистка воды через угольные фильтры тоже решает вопрос чистоты питьевой воды. Люди используют фильтры для сигарет, которые задерживают частицы дыма и часть никотина и этим уменьшают вредные воздействия этого яда на организм. Один из новых подходов к утилизации вредных веществ – их переработка в адсорбенты, последующее использование которых ориентировано на решение экологических проблем промышленно-насыщенных регионов.

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

Активированный уголь далеко не такая простая вещь, как может показаться на первый взгляд. Нет, сам уголь вещь чрезвычайно простая, однако именно в этом и заключается его самая сильная сторона. Именно это позволяет использовать активированный уголь для самых разных целей и задач.

1. Поглотитель запахов в холодильнике

Неприятные запахи в холодильнике – распространенная проблема, с которой сталкиваются многие хозяйки. Найти причину и справиться с этой проблемой бывает непросто так, как некоторые «ароматы» не исчезают даже после разморозки и тщательного мытья холодильника. В таком случае следует воспользоваться активированным углем и серым хлебом. Разложите таблетки и кусочки хлеба на всех полках холодильника и через пол дня от запахов не останется и следа.

2. Плесень и грибок дома

В местах повышенной влажности со временем появляется плесень и грибок, справиться с которой бывает непросто. Однако, такую неприятность можно избежать, раскладывая таблетки угля в непроветриваемых местах с повышенной влажностью таких, как шкафчики ванной, подоконники, кладовка и санузел.

3. Фильтр для воды

Уголь прекрасно впитывает в себя промышленные отходы, пестициды и химикаты, содержащиеся в воде. Поэтому, таблетки активированного угля можно использовать для очистки воды. Для этого понадобятся два тканевых круга, соответствующих диаметру емкости, которую вы будете заполнять водой. Сшейте тканевые круги, оставив небольшое отверстие, выверните изделие наизнанку, заполните измельченным углем и закрепите на горлышке емкости с помощью тонкой проволоки или ниток.

4. Ароматизатор воздуха

Активированный уголь способен не только впитывать запахи, но и распространять их. Поэтому таблетки угля можно использовать в качестве бюджетных ароматизаторов воздуха. Просто смочите несколько таблеток угля в любимом эфирном масле и разложите их по дому.

5. Неприятный запах ног

Людям, чьи ноги сильно потеют и источают не лучший аромат, стоит задуматься об изготовлении специальных стелек с измельченным активированным углем. Такие стельки будут впитывать пот, неприятные запахи и сделают процесс носки закрытой обуви более комфортным.

6. Маска от черных точек

Оказывается, нашумевшую черную маску от угрей можно приготовить самостоятельно буквально за копейки. Для этого нужно измельчить 3 таблетки активированного угля, добавить столовую ложку желатина, залить смесь тремя столовыми ложками воды или желатина и тщательно размещать. Полученную субстанцию следует нанести на проблемные участки кожи, оставить на 15 минут, а после резким движением снять.

7. Средство от похмелья

Наверняка, многим знакомы неприятные ощущения, которые проявляются утром после веселой вечеринки. Предотвратить тошноту, головную боль и слабость поможет доза активированного угля, принятая перед вечеринкой.

8. Косметический лед

Кубики льда с активированным углем – прекрасное средство, которое позволит освежить и омолодить кожу, а также нормализовать работу сальных желез. Для приготовления такого льда, измельченные таблетки угля нужно смешать с водой (1 таблетка на 100 грамм воды), залить в форму и использовать для утреннего умывания.

9. Чистота волос

Адсорбирующие свойства активированного угля прекрасно очищают фолликулы волос и кожу головы. Просто смешайте измельченную таблетку угля с порцией шампуня и помойте полученной смесью голову. Такая процедура позволит устранит жирный блеск и продлить эффект чистых волос.

10. Скраб для тела

Активированный уголь прекрасно средство для очищения кожи. Измельчите упаковку таблеток, смешайте получившийся порошок с жидким медом и используйте в качестве скраба для очищения тела. Такое средство лучше всего наносить на распаренную кожу и использовать не чаще одного раза в неделю.

11. Тушь для ресниц

На основе активированного угля можно приготовить тушь для ресниц, которая придется по душе любительницам натуральной косметики или здорово выручить в случае если обычной туши нету под рукой. Для изготовления туши измельченные таблетки угля нужно смешать с несколькими каплями масла жажоба или соком алоэ, тщательно перемещать, перелить в подходящую емкость и использовать, как обычную тушь.

Видео-бонус:

12. Средство для умывания

Благодаря своим адсорбирующим свойствам, активированный уголь прекрасно очищает поры, убирает излишки кожного сала, способствует заживлению прыщей и разглаживанию морщин. Поэтому измельченные в порошок таблетки угля можно использовать для ежедневного умывания.

13. Детокс эффект

Холестерин, пестициды, гормоны роста, химикаты и прочие вредные вещества, которые мы ежедневно поглощаем вместе с продуктами питания, негативно влияют на наш организм, внешний вид и общее самочувствие. Вывести из организма негативные вещества, поможет активированный уголь. Для этого в течении десяти дней перед едой нужно выпивать по 10 таблеток угля, распределяя их на три части (завтрак, обед и ужин). К концу курса вы почувствуете легкость и прилив сил.

Видео-бонус:

В продолжение темы , которые могут пригодиться.

С физико-химическим явлением, о котором сейчас пойдет речь, знаком, наверное, каждый, хотя, может быть, не все знают, что оно называется адсорбцией. Если даже вы и не проходили адсорбцию на уроках, наблюдали вы ее неоднократно. 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 поллитровую стеклянную банку и капните на дно одну каплю одеколона или любого другого пахучего вещества. Обхватите банку ладонями и подержите её так с полминуты, чтобы немного нагреть пахучую жидкость - тогда она будет быстрее испаряться и сильнее пахнуть. Как принято в химии, не нюхайте вещество прямо из склянки, а легкими взмахами руки направьте к носу воздух вместе с парами вещества; не всегда ведь известно, хорошо ли пахнет то вещество, которое в склянке.

Каким бы ни был запах, вы его, конечно, почувствуете явственно. 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. Конечно, тратить на опыт пакет или даже четверть пакета нет смысла, но несколько штук... Попробуем. Предыдущий опыт с пахучими веществами повторите в присутствии кукурузных палочек - и запах совершенно исчезнет. Конечно, после опыта есть палочки уже нельзя.

Вернемся к опыту с получением диоксида углерода (углекислого газа) . Заполните этим газом две пробирки, причем в одну положите кукурузные палочки и встряхните несколько раз. Далее, как и прежде, проделайте опыт с известковой водой (можно просто «наливать» в нее газ из пробирок - он тяжелее воздуха). Будет ли разница в поведении известковой воды? Да, будет. Жидкость станет мутной только в том стакане, в который «вылили» газ, не обработанный адсорбентом. А из другой пробирки, той, где были кукурузные палочки, диоксида углерода не извлечь: его поглотил адсорбент.

Если вы работаете в химическом кружке и уже научились получать и собирать такие окрашенные газы, как хлор и оксид азота (дома с ними дела иметь нельзя, тут требуется хорошая тяга), то можете испытать на них действие угля и кукурузных палочек. В сосуд с окрашенным газом поместите адсорбент, встряхните несколько раз - и окраска, если не исчезнет совсем, то заметно ослабеет.

Сейчас на многих кухнях над газовыми плитами ставят разнообразные устройства для очистки воздуха от чада и дыма. В таких устройствах, помимо прочего, есть патрон с каким-либо адсорбентом, через который прогоняют загрязненный воздух. Что при этом происходит, вы теперь знаете. А когда вся поверхность будет занята посторонними, «впитанными» из воздуха частицами, патрон заменяют свежим.

О. Ольгин. "Опыты без взрывов"
М., "Химия", 1986