МИНОБРНАУКИ РОССИИ
______________________________________
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
___________________________________________________________
Образовательная программа повышения квалификации
для специалистов предприятий
наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области
автоматизированных производственных нанотехнологий
Кафедра химической технологии материалов и изделий сорбционной техники
, ,
ПОЛУЧЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФУЛЛЕРЕНАМИ АДСОРБЕНТОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СОРБЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Методические указания
Санкт-Петербург
2011
УДК 661.183
Самонин модифицированных фуллеренами адсорбентов и изучение их сорбционных характеристик: метод. указания / , , - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2011.- 20 с.
В методических указаниях представлены лабораторная работа по получению модифицированных фуллеренами адсорбентов и изучению их сорбционных характеристик, основные теоретические и научно-технические положения модифицирования фуллеренами сорбентов различной химической природы и строения.
Методические указания предназначены для слушателей, обучающихся по программе повышения квалификации для специалистов предприятий наноиндустрии химического и биотехнологического профиля в области автоматизированных производственных нанотехнологий, проходящих обучение в рамках модуля 4 вариативной части образовательной программы в области наноструктурированных сорбционных материалов и с освоением слушателями следующих профессиональных компетенций:
-производственно-технологическая деятельность в области автоматизированной обработки информации о характеристиках и качестве нанопродукции различного функционального назначения и нарушениях технологического процесса – ПК-1
-производственно-технологическая деятельность в области сертификации и стандартизации качества нанопродукции различного функционального назначения - ПК-3
-производственно-технологическая деятельность в области производственных химических технологий наноматериалов и бионанотехнологий – ПК-4
-научно-исследовательская деятельность в области производственных химических технологий наноматериалов и бионанотехнологий – ПК-6
Рецензенты:
, проф., д-р. техн. наук,
Декан инженерно-технологического факультета
Заведующий кафедрой
«Химической энергетики» СПбГТИ(ТУ)
Утверждены на заседании учебно-методической комиссии инженерно-технологического факультета 14 ноября 2011 года
Рекомендованы к изданию РИСо СПбГТИ (ТУ).
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ | 4 | |
1. | НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СОРБЕНТОВ ФУЛЛЕРЕНАМИ | 5 |
1.1. | Некоторые виды промышленных сорбентов | 5 |
1.2. | Получение раствора модификатора-фуллерита | 11 |
1.3. | Модифицирование фуллеренами сорбентов | 13 |
2. | ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА | 13 |
2.1. | Цель работы | 13 |
2.2. | Материалы и реактивы, необходимые для проведения работы | 14 |
2.3. | Приборы и химическая посуда, необходимая для проведения анализа. | 14 |
2.4. | Описание работы | 14 |
2.5. | Оформление результатов работы | 17 |
2.6. | Контрольные вопросы | 18 |
ЛИТЕРАТУРА | 19 |
ВВЕДЕНИЕ
Конечной задачей модифицирования является повышение механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов, а также получаемых из них изделий и конструкций. Для этого используют различные физико-химические методы. Вещество, способствующее изменению свойств материала, называют модификатором, а саму операцию - модифицированием.
Примером такого решения является модифицирование и упрочнение материалов для авиакосмической техники малыми количествами материалов различной природы, такими, как углерод, оксиды, карбиды и др., в виде наноразмерных частиц, нанотрубок, нановолокон и квазикристаллов. Это приводит к повышению механических, физико-химических свойств, способствует приданию материалам специальных функциональных характеристик и повышению ресурса за счет совершенствования состава и структуры конструкционных радиопоглощающих, тепло - и огнезащитных композиционных материалов, термопластов, органических стекол и покрытий, эластомеров, клеев, герметиков, лакокрасочных покрытий композитов с керамическими и металлическими матрицами.
Наноструктуры обеспечивают в формирование в материалах упорядоченной структуры, плотную упаковку молекул, высокую прочность связи по поверхности раздела, релаксацию остаточных напряжений, залечивание дефектов структуры, торможение движения микротрещин и дислокаций.
Одно из перспективных направлений применения фуллереновых материалов заключается во введении или нанесении микроколичеств фуллеренов на традиционные сорбенты, с целью увеличения их сорбционной активности по тому или иному компоненту, что определяет возможную область применения таких материалов.
По своей структуре фуллерены могут рассматриваться как трехмерные аналоги ароматических соединений. Все связи ненасыщенны, молекула имеет мощную π-электронную систему, электроотрицательна, гидрофобна. Как следствие, она способна к сильному π-π взаимодействию с адсорбатами ароматической природы и тем лучше взаимодействует с адсорбатом, чем более он гидрофобен и менее отрицательно заряжен.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СОРБЕНТОВ ФУЛЛЕРЕНАМИ
Одно из направлений применения фуллеренсодержащих материалов в сорбционной технике является модифицирование адсорбентов для повышения их эффективности. Введение фуллеренов в количестве (5-20)Ч10–3 % в адсорбенты приводит к значительному улучшению их сорбционных свойств. Модифицированию подлежит широкий ряд пористых адсорбентов, таких как активные угли, цеолиты, силикагели, ионообменные смолы (рис. 1.).
Рис. 1. Общая схема модифицирования сорбентов (АУ – активный уголь, СГ – силикагель, Ц – цеолты, ИС – ионообменная смола)
Некоторые виды промышленных сорбентов
Активный уголь
Современные активные угли являются пористыми углеродными адсорбентами. активный уголь примерно на 2/3 состоит из упорядоченного углерода и на 1/3 неупорядоченного. Упорядоченный углерод представлен графитоподобными молекулами циклически полимеризованного углерода, параллельно уложенными, но беспорядочно ориентированными друг относительно друга. Относительно высокая степень упорядоченности углерода в таких образованиях, возможность оценки их геометрических размеров методом РСА позволяет их классифицировать как элементы кристаллической структуры активного угля обозначаемые "кристаллитами". Макромолекулы имеют однородную внутренную структуру и соединены между собой боковыми радикалами различной формы. В долю неупорядоченной структуры карбонизованных веществ наряду с углеродом входят кислород и азот, атомные факторы которых близки к атомным факторам углерода.
Таким образом, уголь может быть отнесен к высокополимерам, структурные элементы которого представляют собой плоские слои ароматического углерода (макромолекулы) с боковыми радикалами различной химической природы. Полимерный каркас углеродного вещества образован в основном углеродными и кислородными связями между радикалами. Атомы, входящие в состав углеродных слоев и боковых радикалов, различаются по своему валентному состоянию.
Соотношение между структурными составляющими в макромолекуле угля - углеродом, заключенным в ароматические слои, и неупорядоченным углеродом, расположенным в боковых радикалах, определяет физико-химические свойства углей, в том числе реакционную способность и механическую прочность. Линейные размеры и параметры первичной структуры активного углерода определяются молекулярным строением и элементарным составом исходного органического материала, первичной механической и химической обработкой, методом и способом термообработки и активирования.
Активность и прочность активных углей зависят не только от размеров исходных кристаллитов, но и от их взаимного расположения друг относительно друга, характера связи кристаллитов между собой в частице угля, взаимного расположения этих частиц, образующих вторичную пористость.
Силикагель
Одним из наиболее распространенных в промышленной практике минеральных адсорбентов является силикагель, который обладает хорошо развитой пористостью.
По внешнему виду силикагель представляет собой твердые зерна: прозрачные или матовые, бесцветные или светло-коричневые. Выпускается силикагель в виде шариков, таблеток или кусочков неправильной формы, с зернами размером в пределах 0,1 – 7,0 мм. В зависимости от аппаратурного оформления процессов сорбционной осушки, рекомендуется следующий гранулометрический состав силикагеля:
0,10 – 0,25 мм – для процессов с кипящим слоем адсорбента;
0,5 – 2,0 мм – для жидкофазных процессов и процессов с движущимся слоем адсорбента;
2,0 – 7,0 мм – для процессов в газовой фазе со стационарным слоем адсорбента.
Силикагели получают на основе диоксида кремния, который, как известно, существует в кристаллической (кварц, тридимит, кристобалит) и аморфной форме.
Силикагель по своей химической природе является гидратированным аморфным кремнеземом (SiO2 . nH2O). Гидратированный аморфный кремнезем – реакционно-способное соединение переменного состава, его получение протекает по механизму поликонденсации:
nSi(ОH)4 → SinO2n-m + (2n – m) . H2O
Процесс поликонденсации приводит к образованию частиц коллоидных размеров, причем эти частицы имеют форму, близкую к сферической, и размер в пределах 2 – 20 нм. При специальных методах обработки могут быть получены частицы и значительно больших размеров.
При высушивании гидрогеля кремневой кислоты структурная сетка из связанных между собой сферических частиц сохраняется. В результате увеличения числа частиц и возникновения прочных связей между ними образуется жесткий, кремнекислородный каркас. Поры этого каркаса рассматриваются как зазоры между частицами. Основные характеристики пористой структуры определяются размером частиц и плотностью их упаковки. На химические и адсорбционные свойства силикагеля в значительной мере оказывает влияние наличие силанольной группы ≡Si–ОН. –ОН-группы занимают в основном вершины тетраэдров, выходящие на поверхность скелета силикагеля.
Силикагели имеют корпускулярное строение, а их поры образованы промежутками между элементарными частицами. Эти частицы в силикагеле имеют сферическую форму – форму глобул.
Поверхность этих частиц покрыта гидроксильными группами, сохранившимися при конденсации ортокремневой кислоты. Наличие на поверхности силикагеля гидроксилов, связанных с атомами кремния, было обосновано (Carman P. C.), который предложил строение коллоидной кремнекислоты исходя из реальных структур кремнезема, состоящих из сетки тетраэдров SiО4 и соответствующих по составу SiO2. Сохранение структурных единиц SiO2 в этом случае предполагает наличие на пограничной поверхности коллоидной кремнекислоты незавершенных тетраэдров. Стремление поверхностных атомов кремния к завершению тетраэдрической координации с кислородом обусловливает при контакте с влагой гидратацию поверхности кремнезема с образованием ОН-группы. Упаковка кремнекислородных тетраэдров внутри частиц золя и геля кремнекислоты отличается от их упаковки в кристалле и близка к таковой в стекле. Аморфное строение частиц золя в дальнейшем было подтверждено электронно-графическими данными. Можно считать установленным, что частицы силикогидрозоля шаровидны, состоят из неправильно упакованных кремнекислородных тетраэдров, поверхностный слой которых заканчивается гидроксилами. Схематически строение такой частицы изображено на рис. 3.
Свойства глобулярных структур определяются размером их частиц и средним числом касаний, приходящихся на каждую частицу. На рис. 4. представлены модели глобулярных систем, составленных мелкими и крупными частицами с разной плотностью упаковки (числом касаний). Мелкие частицы при плотной упаковке образуют структуру мелкопористых силикагелей, крупные частицы при рыхлой упаковке – структуру крупнопористых силикагелей.
В связи с этим косвенной характеристикой структуры силикагелей является насыпная плотность: у крупнопористых силикагелей она равна 0,4 – 0,5 г/см3, у мелкопористых 0,7 – 0,8 г/см3.
Мелкопористая структура механически более прочная, чем крупнопористая. Показатель порочности, определенный по устойчивости к истиранию во вращающемся барабане со стальными мелющими телами, для крупнопористых силикагелей находится в пределах 60 – 85 %, а для мелкопористых 85 – 95 %.
Рис. 3. Схематическое строение глобул скелета силикагеля.
а б
а - модель мелкопористой структуры (малые частицы упакованы с числом касаний 6);
б – модель крупнопористой структуры (большие частицы упакованы с числом касаний 3).
Рис. 4. Модели глобулярных систем
Цеолит
Цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, отличающиеся строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды.
Общая химическая формула цеолитов:
Ме2/nO·A12O3·xSiO2·yH2O,
где Ме – катион щелочного металла, а n – его валентность.
Данный тип промышленных адсорбентов – цеолитов, может быть разделен на две категории: природные цеолиты и синтетические цеолиты.
Многие синтетические цеолиты имеют строение и геометрическую структуру, аналогичные с природными цеолитами (рис. 5.).
Рис. 5. Структура синтетических цеолитов типа А (а) и Х (б)
Цеолиты типа А относятся к низкокремнистым формам. В них отношение SiO2 : Al2О3 не выше 2. Кислотостойкость цеолитов последовательно повышается с увеличением этого показателя. Вследствие этого цеолиты А разрушаются в кислой среде. В состав цеолита входят катионы, являющиеся адсорбционными центрами, которые определяют в ряде случаев форму изотермы и избирательность адсорбции. В цеолите NaA отношение Na2O : Al2O3 теоретически равно 1, а практически колеблется от 0,85 до 0,93. В одной элементарной ячейке находится 12 одновалентных катионов: восемь катионов натрия расположены в центре шестичленных кислородных колец, а четыре на гранях вблизи восьмичленных кислородных колец.
Цеолиты типа Х имеют в дегидратированном виде состав Nа2О·А12O3·xSiO2. Мольное отношение SiO2 : А12О3 может изменяться от 2,2 до 3,3. Каждая большая полость имеет четыре входа, образованных 12-членными кислородными кольцами диаметром 0,8 – 0,9 нм. Вследствие этого структура цеолитов такого типа более открыта и доступна для поглощаемых молекул.
Классификация цеолитов в США и ряде других стран, предусматривает указание определяющего размера цеолита (диаметра входного окна). Это соответствие соблюдается, однако только для цеолитов типа А. В табл.1. приведена характеристика цеолитов общего назначения:
Таблица 1. Классификация цеолитов
Классификация СССР | КА | NaA | СаА | CaX | NaX |
Классификация CШA | 3А | 4А | 5A | 10X | 13Х |
Диаметр входного окна, нм | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,8 | 0,9 |
Размер входных окон, определяющий молекулярно-ситовые свойства цеолитов, зависит от расположения кислородных колец цеолита и от числа атомов кислорода в кольце. Размер катиона, входящего в состав цеолита, и его расположение также оказывают влияние на размер окна. Катион, расположенный вблизи окна, блокирует вход молекул, При катионном обмене, в котором два катиона натрия замещаются одним катионом кальции, входное окно расширяется; вследствие этого цеолит NaA имеет размер входного окна 0,4 нм, а цеолит СаА – 0,5 нм. Аналогичный обмен в цеолите типа Х приводит к некоторому сужению окна.
В случае если критический диаметр молекулы близок к диаметру входного окна, процесс адсорбции происходит с большой энергией активации и адсорбируемая молекула должна обладать определенным запасом кинетической энергии для преодоления энергетического барьера. Кинетическая энергия молекул: повышается с ростом температуры. Одновременно повышение температуры приводит к усилению термической пульсации решетки цеолита, что облегчает проникание молекулы в адсорбционную полость. Таким образом, изменением температурного режима можно достигнуть такого рубежа, при котором молекулы адсорбтива начнут поглощаться цеолитом.
Ионообменная смола
Иониты представляют собой в основном твердые (зернистые, порошкообразные, волокнистые), механически прочные, химически устойчивые, нерастворимые вещества, содержащие в своем составе функциональные (ионогенные) группы, способные к ионизации и обмену ионами с электролитами.
При ионизации функциональных групп образуются две группы ионов:
1. Фиксированные ионы, расположенные на каркасе матрицы и неспособные ее покинуть и перейти в раствор.
2. Противоионы (обменные ионы) эквивалентно равные фиксированным ионам, противоположного знака, способные перейти в раствор, в обмен на обмениваемые ионы из раствора.
Ионит по функциональным признакам условно разделяется на три части:
- матрица;
- фиксированные ионы;
- противоионы.
По знаку заряда противоионов и природе противоионов иониты делятся на:
R катиониты - способные к обмену катионами:
- водородная форма (Н-форма)
- солевая форма (Na+, Ca2+);
R' аниониты - способные к обмену анионами:
- гидрооксидная форма (ОН-форма)
- солевая форма (Cl-, SO42-);
Амфолиты - способные к обмену катионами или анионами в зависимости от условий среды.
По своему строению ионит может рассматриваться как высококонцентрированный раствор соли, с ограничениями в обмене с раствором противоионов. Водородная форма катионитов и гидроксидная форма анионитов может рассматриваться как поликислота и полиоснование, способные аналогично кислотам и основаниям к диссоциации. Однако, как и солевые формы ионитов они с точки зрения термодинамики занимают промежуточное положение между растворимыми и нерастворимыми соединениями. В зависимости от Кдисс водородной формы катионита Ка и гидроксидной формы анионита Кв различают сильно-, средне-, слабо - и очень слабо ионизированные иониты. Катиониты классифицируются, например, как (слабо-)кислотные, а аниониты как (слабо-) основные.
Наибольшее распространение и практическую значимость имеют иониты на основе полимерных соединений - ионообменные смолы.
1.2 Получение раствора модификатора-фуллерита
Нерастворимость фуллерита в воде в настоящее время оправдывает использование органических растворителей, обеспечивающих максимальный выход фуллерена в раствор. Однако, использование органических растворителей (для фуллеренов, как правило, о-ксилол), в том числе, для модифицирования фуллеренами сорбирующих материалов затруднено, вследствие экологической не благополучности такого приема.
Известна возможность перевода фуллерена в водный раствор путем его диспергирования с применением агентов, удерживающих фуллерен в воде. Выделение фуллерена из фуллереновой сажи, являющейся сырьем для получения фуллеренов, в этом случае проводят с использованием водных систем «вода – органические соединения», где органические вещества играют роль «стабилизаторов» фуллеренов в воде. К ним относятся, например, четвертичная аммонийная соль - тетраметиламмоний бромистый или краун-эфир – 15-краун-5-эфир (КЭ).
Механизм получения водного раствора фуллеренов с использованием КЭ заключается во взаимодействии по типу «гость - хозяин». В зависимости от размера полости КЭ, возможно образование структуры, где на одну молекулу КЭ приходится 1-2 молекулы фуллерена или на одну молекулу фуллерена приходится 2 молекулы эфира. Образование соединения фуллерена с солями тетраалкиламмония происходит в результате электростатического взаимодействия. Структуры, образующиеся этими двумя способами, являются растворимыми в воде, и таким образом, фуллерены переходят в водный раствор.
Основные стадии процесса:
Смешение фуллерена (или фуллеренсодержащего материала, например, фуллереновой сажи) с водой и «стабилизаторами» → ультразвуковая обработка смеси (УЗ-обработка) → перемешивание → механическое разделение раствора фуллерена и углеродного остатка в случае выделения фуллеренов из нерастворимых в воде субстанций.
УЗ-обработка позволяет осуществить диспергирование фуллерена. Эффект интенсификации процесса экстракции основан на увеличении массообмена в порах твёрдой фазы под действием ультразвука при многократной деформации скелета частиц сырья.
Интенсивное перемешивание проводят с помощью магнитных мешалок.
1.3 Модифицирование фуллеренами сорбентов
Модифицирование различных адсорбентов фуллеренами проводится путем совмещения навески образца с раствором фуллеренов в условиях перемешивания и последующим удалением избытка растворителя по различным методикам.
Принципиальная схема получения модифицированных фуллеренами адсорбентов имеет вид замкнутого цикла, что дает возможность исключить выброс, используемых органических стабилизаторов в окружающую среду и является несомненным достоинством представленной схемы.
На первой стадии процесса получают водный раствор фуллеренов путем ультразвуковой обработки фуллеренов с водой в присутствии стабилизатора. Полученным раствором пропитывают пористый носитель, излишки раствора сливаются и возвращаются в цикл. Полученный материал подвергается сушке для закрепления фуллеренов на носителе. После чего проводится процесс регенерации материала водяным паром, перегретым до температуры 180 єС. Сконденсированные пары воды и стабилизатора также возвращаются в замкнутый цикл и используются в дальнейшем на стадии получения раствора фуллеренов.
Несомненными преимуществами использования данной схемы получения модифицированных фуллеренами материалов являются:
Использование замкнутого цикла – позволяет минимизировать или полностью исключить выброс органических соединений в окружающую среду. Все стадии процесса проводятся при атмосферном давлении и температуре не выше 180 0С, что позволяет использовать стандартное оборудование.При получении модифицированного фуллеренами адсорбента на пористой поверхности материала образуется прочный комплекс: фуллерен – стабилизатор или растворитель - пористая поверхность. Для удаления из данной системы стабилизатора или растворителя, который может мешать эффективной адсорбции необходимо провести процесс регенерации. Причем чтобы разрушить образовавшийся комплекс необходимо затратить большое количество энергии, поэтому ни термическая, ни вакуум-термическая регенерация в данном случае не позволяют получить необходимый результат. Следовательно, для эффективного проведения процесса регенерации в данной методике используется парогазовая регенерация, которая проводится по следующей методике: водяной пар (ВП) перегретый до температуры 150 – 180 0С пропускается через слой адсорбента, конденсируясь на выходе в виде водно-органической смеси, которая возвращается обратно в цикл на стадию получения водного раствора фуллеренов.
2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.
2.1 Цель работы
Получить сорбент, модифицированный фуллереном из водного раствора, и сравнить его сорбционную активность с исходным материалом.
2.2 Материалы и реактивы, необходимые для проведения работы
Сорбенты, различной природы (активные угли, силикагели, цеолиты, ионообменные смолы и др.). Фуллерит, представляющий собой смесь фуллеренов С60, С70 и высших фуллеренов. 15-краун-5-эфир. Дистиллированная вода.2.3 Приборы и химическая посуда, необходимая для проведения анализа
УЗ-диспергатор; Магнитная мешалка с якорем. Установка для проведения регенерации сорбента. Эксикаторы с заданными относительными давлениями паров воды – не менее 5 шт. Иономер с соответствующими ионселективными электродами и электродами сравнения. Колбы стеклянные на 100 см3 – 2 шт. Стакан стеклянный на 100 см3 – 2 шт. Мерный цилиндр на 100 см3. Стаканчики для взвешивания с крышками – не менее 8 шт.2.4 Описание работы
Ход выполнения данной лабораторной работы можно представить в виде схемы на рисунке 6.
Рис. 6 – Схема проведения лабораторной работы.
Как видно из рисунка 6 данную работу можно разделить на три этапа:
получение водного раствора фуллерена заданной концентрации; модифицирование сорбента; исследование сорбционных свойств модифицированных сорбентов.Получение водного раствора фуллерена.
Производится взвешивание на аналитических весах навески фуллеренов массой 0,0008 г с точностью ± 0,00005 г. Навеска помещается в стеклянную колбу вместимостью 100 см3. В колбу добавляют 200 мг краун-эфира и 100 мл дистиллированной воды. Полученную смесь подвергают УЗ обработке на УЗ-диспергаторе 3 раза в течение 5 мин с перерывами по 5 мин между обработками. Далее полученную смесь ставят на магнитную мешалку и проводят интенсивное перемешивание в течение 2-8 часов до полного растворения фуллеренов.
Взвешивают навеску сорбента (активный уголь, силикагель, цеолит или ионообменные смолы – по заданию преподавателя) массой 20 ± 0,1 г, которую помещают в стеклянную колбу вместимостью 100 см3 и заливают приготовленным раствором фуллеренов в количестве, необходимом для получения адсорбента с заданной концентрацией фуллеренов (по заданию преподавателя). Сорбент, залитый раствором фуллеренов, перемешивают на магнитной мешалке в течение 2 часов, после чего излишки раствора удаляют.
Полученный сорбент сушат в сушильном шкафу при температуре 100 – 110 0С в течение 1 часа, для удаления излишков влаги. Далее проводится регенерация адсорбентов перегретым водяным паром – условия проведении процесса регенерации задает преподаватель.
3) Исследование сорбционных свойств модифицированных сорбентов.
Для исследования влияния модифицирующей добавки фуллеренов на поглотительные свойства традиционных адсорбентов в данной работе проводится определение адсорбционной емкости исходных и модифицированных материалов по отношению к парам воды при различных относительных давлениях эксикаторным методом. Для этого 5 навесок исходного и 5 навесок модифицированного адсорбента массой 0,10±0,01 г в бюксах помещаются в 5 эксикаторов с различным относительным давлением (по заданию преподавателя) паров воды. Проводится периодическое измерение массы навесок. После того как масса материала перестает изменяться, производят определение сорбционной емкости материалов по парам воды при различных относительных давлениях по формуле:
А = (m2 – m1)/m1,
Где m1 – масса навески материала, г;
m2 – масса навески материала после сорбции паров воды, г.
Результаты представляют в виде двух зависимостей адсорбционной емкости материалов от относительных давлений паров воды для исходного и модифицированного адсорбента.
Далее проводится определение поглотительной способности исходных и модифицированных адсорбентов по отношению к ионам металлов из водной среды. Для этого берется соль соответствующего металла (по заданию преподавателя) в количестве необходимом для получения определенной концентрации (по заданию преподавателя) ионов металлов в растворе. Навески исходного и модифицированного адсорбента в количестве 0,10 ± 0,01 г, помещаются в колбы вместимостью 100 см3 и заливаются 100 см3 раствора соли с известной концентрацией ионов металла. Далее растворы с навесками подвергаются интенсивному перемешиванию на магнитной мешалке в течение 2 часов, после чего определяется концентрация ионов металла в каждой колбе с помощью типового иономера и набора ионселективных и стеклянных электродов, в соответствии с прилагаемой к нему инструкцией. Поглотительная емкость адсорбентов вычисляется по формуле
А = (С0-Ск)·V/m,
Где С0 – начальная концентрация ионов металлов в растворе, мг/дм3;
Ск – конечная концентрация ионов металлов в растворе (концентрация ионов через 2 часа интенсивного перемешивания навески сорбента в растворе), мг/л;
V – объем раствора соли, дм3
m – масса навески адсорбента, г
Полученные результаты оформляются в виде таблицы.
2.5 Оформление результатов работы
Результаты работы оформляются в виде отчета, который должен содержать следующие пункты:
ФИО, номер группы. Наименование работы. Цель работы. Краткое описание методики экспериментов. Состав полученного модифицированного сорбента. Результаты исследования полученных материалов, представленные в виде таблицы. Выводы по работе.
2.6 Контрольные вопросы
Что такое модифицирование? Фуллерены, структура и основные свойства. Основные виды сорбентов. В чем их принципиальное отличие? Какой механизм получения водных растворов фуллеренов? Основные стадии модифицирования сорбентов фуллеренами. Что такое регенерация. С какой целью она производится? Основные характеристики сорбентов. Методы их определения.ЛИТЕРАТУРА
, , и др. Фуллерены. М.: Экзамен, 2005. – 688 с. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. I, спб: АНО НПО «Мир и семья», АНО НПО «Профессионал», 2002. 988 с. , , Клушин угли России. - М.: Металлургия, 2000. - 352 с. Стайлз и нанесенные катализаторы: теория и практика. - М.: Химия, 1991. - 232 с. Неймарк минеральные адсорбенты и носители катализаторов. - Киев: Наукова Думка, 1982. 216 с. еолитные молекулярные сита. М.: Мир, 1976. 781с. , , Даванков ионообменные материалы. – М.: Химия, 1978.
Кафедра химической технологии материалов и изделий сорбционной техники
ПОЛУЧЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФУЛЛЕРЕНАМИ АДСОРБЕНТОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СОРБЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Методические указания
Вячеслав Викторович Самонин
Михаил Львович Подвязников
Елена Анатольевна Спиридонова
Вера Юрьевна Никонова
Елена Дмитриевна Хрылова
Елена Ивановна Мартынова
Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90 1/16
Печ. л. 1,2. Тираж 50 экз.
Заказ № 000 от 000
Типография СПбГТИ(ТУ),
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
