Опыты с активированным углем фильтрование окрашенных жидкостей. Удивительные свойства активированного угля

Приведенные ниже простые опыты по химии связаны с изучением программного материа­ла школьного курса химии.

Необходимо иметь батарейку для карманного фонаря, тонкую медную проволоку длиной 15-20 см с эмалированной изоляцией, стержни простых каран­дашей, активированный уголь в ви­де черных таблеток под названием «карболен» (продается в аптеках), по 1 г трех-четырех образцов удоб­рений, спринцовку и некоторые другие вещи, которые всегда най­дутся дома. Какие вещества и обо­рудование необходимо брать для проведения опыта, видно из описа­ния самих опытов, а также по ри­сункам.

1. Скорость реакции зависит от концентрации электролита

В две пробирки опустить кусочки яичной скорлупы, например по 6 штук, одинаковые по площади. В первую пробирку налить 0,5-1 мл уксусной кислоты, во вторую - столько же кислоты, но разбавленной в 5-6 раз водой. Вставить в пробирки газоотводные трубки, свободные концы которых опустить в банки с водой. Обе пробирки закрепить в держал­ках. Установить по числу выделяю­щихся пузырьков, в которой из про­бирок скорость реакции большая. Этот опыт наглядно демонстрирует, что с уменьшением концентрации электролита - в данном случае при разбавлении водой кислоты - увеличивается число ионов (рас­павшихся молекул) и скорость реакции.

2. Гидролиз солей

В четыре флакона налить по 3-4 мл воды. В один добавить древесную золу (карбонат калия), в другой-3-4 капли силикатного клея (силикаты натрия и калия), в третий - крошки мыла (мыла-это соли высших жирных кислот), в четвертый - поваренную соль (хлорид натрия). Через 2-3 мин после растворения веществ растворы разлить на две части для испытания индикаторами - лакмусом и фенолфталеином. Хорошо, если школьник заполнит таблицу, указав в ней не только окраску индикатора (и, следовательно, сделав вывод о характере раствора - кислом или щелочном), но и уравнения гидролиза.

3. Электролиз раствора хлорида натрия

Присоединить провода к батарейке от карманного фонаря. Провод-анод (плюс) вставить в свежий срез клубня картофеля (среда, в которой распределяется раствор соли). Провод-катод (ми­нус) с укрепленным на нем гвоз­диком также вставить в срез кар­тофеля (на расстоянии 1,5-2 см от первого электрода). На срез кар­тофеля нанести 3-4 капли раство­ра поваренной соли. У гвоздика поместить измельченный кусочек пургена. В таком положении ос­тавьте установку на 15-20 мин. Какие изменения происходят на срезе картофеля и чем их объяснить? (Точно так же можно провести опыт с электролизом раствора поварен­ной соли, взяв вместо клубня кар­тофеля срез соленого огурца)

4. Электролиз раствора хлорида натрия с применением бумажной диафрагмы

В стаканчик налить раствор поваренной соли и разгородить сосуд бумажной перегородкой. Опустить в раствор стержни от карандаша - в разные отделения, верхние концы стержней соединить проводами с батарейкой. В катодное пространство опустить кусочек пургена (фенолфталеин) и наблюдать за происходящими изменениями. Как изменяется окраска жидкости в катодном пространстве? Какой газ выделяется на поверхности катода? Определить по запаху выделяющийся у анода газ.

5. Распознавание важнейших удобрений

Девятиклассники изучают пятую группу периодической системы элементов, подробно знакомясь с физическими и химическими свойствами азота и фосфора. Предлагаемые опыты не требуют каких-либо специальных реактивов. Практически для распознавания многих удобрений вполне достаточно воспользоваться лишь тлеющим угольком, стальным пером и пламенем.

Предполагается, что в трех бу­мажных пакетиках имеются образ­цы удобрений из следующих воз­можных: селитры (калийная, нат­риевая, кальциевая, аммиачная), сульфат аммония, карбамид, хлорид калия.

Ознакомиться с физическими свойствами образца удобрения (цвет, кристалличность, раствори­мость в воде и др.) и кратко описать их. В ходе анализа необходимо использовать бесцветное пламя го­рящего одеколона, газа, тлеющий уголек. (При анализе образца тлею­щим угольком держать его - на стальном пере - над блюдцем или тарелкой с водой!) Появление плот­ного «дыма», плавление кристаллов и запах аммиака укажут на нали­чие карбамида.

Запах аммиака появляется и в случае, если мы имеем дело с кристаллами сульфа­та аммония или аммиачной селитры. Но кристаллы карбамида никогда не дают вспышек на тлеющем уголь­ке, а кристаллы сульфата аммония и аммиачной селитры не образуют интенсивного (плотного) «дыма».

Для обнаружения в составе удоб­рения солей натрия, калия или каль­ция окраску пламени можно сделать более наглядной: на конец лучинки намотать немного ваты, смочить ее одеколоном, поджечь и в пламя внести несколько кристаллов ис­следуемого образца удобрения на кончике пера, вставленного в ручку. Окраску кальциевой селитры можно спутать с фиолетовой окраской соли калия. Чтобы различить их, надо сделать дополнительный анализ: отфильтровать приготовленный раствор золы (пользоваться им как раствором карбоната калия) и при­лить к нему раствор исследуемого образца удобрения. Появление бе­лого осадка укажет на кальциевую селитру. (Почему?)

В такой же последовательности провести анализ других образцов удобрений. Рекомендуем заполнить таблицу, в которой указать физи­ческие свойства вещества, окраши­вание пламени, действие на тлею­щий уголек, взаимодействие с ра­створом золы, сделанный вывод и формулу образца.

6. Как адсорбирует активированный уголь

В трубочку на тонкий рыхлый слой ваты по­местить слой угля (растолочь таб­летку карболена; если ее нет, мож­но воспользоваться измельченным древесным углем липы, березы), потом - тонкий слой промытого речного песка, чтобы уголь не всплывал. Закрепить трубочку в вертикальном положении с помощью проволочки. Для собирания жид­кости, прошедшей через слой угля-адсорбента, можно воспользовать­ся флаконами, стаканами, а еще лучше узкой рюмкой. Капельницей в верхнюю часть трубочки налить 7-8 капель раствора чернил и на­блюдать за тем, что происходит.

7. Адсорбция углем газов

Два одинаковых флакона (в один из них предварительно насыпать на дно уголь - 2-3 измельченных таблет­ки) заполнить оксидом углерода (IV). Его можно получить, напри­мер, действием уксусной эссенции на яичную скорлупу. Вставить во флаконы газоотводные трубки, на­конечники которых опустить в банку с раствором чернил. Для большей устойчивости и удобства флаконы также опустить в стеклянные бан­ки. Наблюдать за происходящими изменениями. В каком из наконеч­ников раствор поднимается выше? Как это можно объяснить?

8. Адсорбционные свойства гли­ны.

Приготовить (по 2 мл) раство­ры: чернил, перманганата калия и сок столовой свеклы. Поставить три флакона, поместить в них вер­тикально трубки и на маленький ватный тампон насыпать предвари­тельно прокаленную и измельченную глину толщиной 1,5-2 см. Отфиль­тровать приготовленные растворы. Что получилось и почему?

9. Использование электролиза для «сверления» стального изделия.

При­готовить в блюдце насыщенный раствор поваренной соли. Соеди­нить проводом лезвие безопасной бритвы с положительным полюсом батарейки. Это лезвие будет ано­дом. Заточить карандаш, обломить заточенный кончик стержня, но так, чтобы на этом конце карандаша получилось углубление 0,5-1 мм. На 1,5-2 см выше обнажить стер­жень и намотать на него провод, присоединенный к отрицательному полюсу батарейки. Таким образом, стержень карандаша будет катодом.

Положить лезвие в блюдце с раствором соли и коснуться каранда­шом-катодом лезвия. Чтобы карандаш устойчиво находился в таком положении, закрепить его. Необхо­димо помнить, что если стержень заостренного конца карандаша бу­дет касаться металла, электролиз не произойдет. (Почему?)

Поста­вить установку на 20-30 мин и наблюдать за изменениями. Какой газ выделяется вокруг карандаша? Почему лезвие-анод в месте при­косновения карандаша будет раст­воряться и образуется отверстие? Как изменяется окраска жидкости в блюдце?

Из журнала «Семья и школа»

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

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.

Презентация

Приложения:

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

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

Для опыта нам понадобятся:

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

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

После этого добавляем примерно чайную ложку йода.

А затем пару столовых ложек воды.

Хорошенько все это дело размешаем.

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

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

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

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

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

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

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

Удачных вам экспериментов!