Статья: Экспериментальное исследование механизма сорбции фенола на угольном сорбенте

Экспериментальное исследование механизма сорбциИ фенола на угольно-минеральном сорбенте
Чухрина Виктория Вадимовна,
студент 4 курса, химический факультет
ФГБОУ ВПО «Астраханский Государственный Университет» г.Астрахань
E-mail: chukhrina@rambler.ru
Золотарева Наталья Валерьевна,
научный руководитель, к.т.н., доцент кафедры аналитической и физической химии, ФГБОУ ВПО АГУ г.Астрахань
Алыков Нариман Мирзаевич
научный руководитель, д.х.н., профессор ФГБОУ ВПО АГУ г.Астрахань

В настоящее время общедоступным и сравнительно дешевым сырьем для получения сорбентов являются растительные отходы агропромышленного комплекса. В частности, существуют различные способы модификации поверхности сорбентов: усиление ионообменных и окислительно-восстановительных свойств, фиксация на поверхности разнополярных функциональных групп, введение в углеродную матрицу комплексообразователей, или напротив, удаление с поверхности углеродного сорбента структурообразующей матрицы оксида кремния и многое другое.
Возрастает интерес к природным сорбентам, используемым в настоящее время как в медицине для детоксикации биологических жидкостей, так и в промышленности для очистки сточных промышленных вод. Наибольшее распространение получили активные угли из ореховой скорлупы [1, 2], из древесных опилок [3].
Нами была изучена адсорбционная способность угля, полученного из тростника и медицинского угля, используемого в качестве сорбента – сравнения по отношению к фенолу.
В основе количественного определения фенола лежит фотометрическое определение с использованием реакции азосочетания. В 10 пробирок ёмкостью 10 см3 вносят 0; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,4; 1,6; 2,0 см3 10-3 М раствора исследуемого фенола и добавляют воду до 8 см3, по 2 см3 раствора свежеприготовленного диазосоединения и по 2,1 см3 1% раствора гидроксида натрия, поддерживая температуру на уровне 5°С Смесь тщательно перемешивают и через 5 мин измеряют оптические плотности при
·=430 нм в кювете толщиной 0,1 см относительно воды.
Во вторую серию – в 10 пробирок ёмкостью 10 см3 вносят 0; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,4; 1,6; 2,0 см3 10-3М раствора исследуемого фенола и добавляют воду до 10 см3. Добавляют по 0,2 г сорбента, встряхивают в течение 10 мин и центрифугируют в течение 15 мин при 1500 об/мин. Переливают в отдельные пробирки с добавлением 2 см3 раствора диазосоединения и по 2,1 см3 1% раствора гидроксида натрия, поддерживая низкую температуру. Смесь тщательно перемешивают и через 5 мин. измеряют оптические плотности при
·=430 нм в кювете толщиной 0,1 см относительно воды.
На рис. 1 приведены статистически обработанные прямые зависимости «сорбция – равновесная концентрация» при различных температурах.


Рис. 1. Зависимость сорбции фенола на активном угле из тростника от равновесной концентрации вещества 1 – при температуре 278 К; 2 – при температуре 300 К; 3 - при температуре 323 К

Сорбцию (Г, г/г) рассчитывали по формуле:
13EMBED Equation.DSMT41415
(1)

где С0 и [C] – исходная и равновесная концентрации, моль/дм3; V = 10 см3 – объем рабочего раствора; m – масса сорбента, г., М – молярная масса исследуемого соединения

Для трех температур были найдены константы сорбции, рассчитаны изменение энтальпии ((Н), изобарно-изотермический потенциал ((G) и изменение энтропии ((S) сорбционного процесса.
13EMBED Equation.DSMT41415
(2)

13EMBED Equation.DSMT41415
(3)

13EMBED Equation.DSMT41415
(4)

Расчет площади поверхности занимаемой молекулой фенола на сорбенте осуществляется по формуле:
13EMBED Equation.DSMT4141513EMBED Equation.DSMT41415
(5)

В таблице 1 приведены результаты расчетов по сорбции фенола на поверхности активного угля, полученного из тростника.

Таблица 1. Термодинамические показатели сорбции фенола на активном угле из тростника.
Т, К
К·10-3
-(G, кДж/моль
(S, Дж/(моль
·К)
-(Н, кДж/моль
Г
·, г/г
S0·10-20
м2

300
2,721
19,71
172,13
31,93
1,47
1,03

278
2,008
17,57
178,06

1,662
0,969

323
13,125
25,45
177,65

1,000
1,25


На основании полученных результатов, можно судить о том, что процесс протекает самопроизвольно, экзотермичность процесса можно наблюдать во всем интервале температур. О полноте протекания процесса адсорбции можно судить по величине энергии Гиббса и константе адсорбции. С увеличением температуры увеличивается интенсивность адсорбционного процесса. Величина предельной адсорбции фенола из мономолекулярного слоя варьируется в результате разнородности состава поверхности угля, наличия макро – и микропор, о чем свидетельствует вид, полученных изотерм (рис.1). Предположительно, процесс протекает с образованием водородных связей между молекулой фенола и поверхностным адсорбционным слоем угля.