CC BY
21
УДК 531
ИЗОТЕРМА И КИНЕТИКА АДСОРБЦИИ ГЕКСАНА В БИНАРНОЙ СИСТЕМЕ БЕНЗОЛ - ГЕКСАН
© 2008 г И.Г. Шебзухова, А.М. Апеков
Кабардино-Балкарский государственный университет, Kabardino-Balkarskiy State University.
360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, 360004, Nalchik, Chernishevsky St., 173,
[email protected] [email protected]
Приведены результаты экспериментального измерения адсорбции и кинетики адсорбции гексана в бинарной органической системе бензол - гексан. Измерения проводились капельным методом для всего концентрационного интервала. Определено время установления адсорбционного равновесия.
Ключевые слова: адсорбция, кинетика адсорбции, изотерма адсорбции, гексан, бензол, капельный метод измерения адсорбции.
The results of experimental study of hexane adsorbed and of the kinetics of hexane adsorption in binary organic system benzene - hex-ane are given. The measurements were carried out in all concentration area using the drop method. The time of establishing the adsorption equilibrium is defined.
Keywords adsorption, absorption kinetics, adsorption isotherm, hexane, benzene, the drop method of measuring the adsorption.
Процесс адсорбции имеет широкое применение в различных областях практики: очистка сточных вод, жидкостей, газа, сбора нефти и нефтепродуктов, получение кислорода и других газов, получение пленок на поверхности требуемой толщины, разделения смесей, получение чистых и сверхчистых веществ и т.д. [1-8]. Для того чтобы располагать точными данными, характеризующими эти процессы, важно изучение кинетики самих процессов.
В данной работе приводятся результаты нашего исследования кинетики адсорбции гексана в органической бинарной системе бензол - гексан для десяти значений концентрации во всем концентрационном интервале при температуре 289 К. Для определения адсорбции использовался капельный метод [9]. Он состоит в том, что берут две пробы одинакового объема из раствора заданной концентрации: первую пробу - одним приемом, вторую - формируют малыми каплями. При формировании малых капель и образовании из них отдельной пробы в ней (во второй пробе) увеличивается концентрация компонента с положительной адсорбцией по сравнению с концентрацией его в первой пробе. Определяя различие состава раствора в этих двух пробах, можно рассчитать адсорбцию поверхностно-активного компонента. Для
определения состава проб нами использовался хрома-тографический метод.
Пусть с(0) и сФ - соответственно весовые концентрации I -го компонента в двух пробах раствора: взятой одним приемом из раствора и приготовленной малыми каплями. Отношения этих концентраций можно определить из хроматограмм, полученных для каждой пробы, как отношение относительных площадей пиков, соответствующих г-му компоненту:
(*) /2А
=-—Г-= Ф (1)
с(0) 5<оур(о) " ^
где и в-1 - площади пиков г-го компонента на хроматограммах пробы, взятой одним приемом, и пробы, полученной малыми каплями. Избыток концентрации ; -го компонента в капельной пробе
Ас,=с^-с^ -С (2)
а избыточное число частиц I -го компонента можно найти как
т, = Ц(л°4лг2г, (3)
где г - радиус капли; у - число капель, из которых образуется вторая проба объемом V. С другой стороны,
ш, N1(0) = Щ(0) ф, - Г. (4)
Исходя из соотношений (1) - (4), после некоторых преобразований получим
ГГ , (5)
где р - плотность раствора данной концентрации; ИА - число Авогадро; и. - молекулярная масса / -го компонента.
Как видно из формулы (5), для определения адсорбции необходимо экспериментально измерить весовые концентрации двух проб раствора с(0) и с(я-1, плотность раствора р и число капель у в пробе объемом V.
Предварительно готовился раствор известной концентрации. Из этого раствора брали пробы и вводили их в хроматограф ЛХМ-8МД, снимали хроматограм-мы. На них появляются два пика, соответствующие каждому компоненту раствора. Затем из приготовленного раствора с помощью тонкого капилляра формировали капли, готовили вторую пробу общим объемом 0,25^0,5 мкл и числом капель ~ 40^80, которую вводили в хроматограф. Для предотвращения заметного испарения компонентов раствора вторые пробы готовили в закрытом сосуде, в котором имело место равновесие раствор-пар. Хроматограммы второй пробы также имеют два пика, соответствующие каждому компоненту раствора, причем объем проб и условия, при которых вводится каждая проба (температура, ток детектора, давление газа носителя, скорость перемещения диаграммной ленты), совершено одинаковы. Определяя площади пиков на хроматограммах, соответствующих каждому компоненту раствора, вычисляли разность весовых концентраций компонентов в каждой пробе Дс, . Число капель подсчитывали при получении второй пробы каплями. Плотность раствора определяли пикнометрическим способом (таблица). Используя эти данные, по формуле (5) вычисляли адсорбцию гексана в системе бензол - гексан.
Концентрационная зависимость плотности раствора в системе бензол - гексан
Концентрация гексана, атомные доли Плотность, кг/м3
0,05 867,0742
0,1 837,575
0,2 823,169
0,3 796,07
0,4 775,07
0,5 756,51
0,6 733,168
0,7 715,54
0,8 702,879
0,9 687,925
Капельный метод позволяет изучать также кинетику адсорбции. Используя капилляры разного диаметра, регулировали время формирования капель, т.е. время, в течение которого происходит процесс ад-
сорбции. Получали вторые пробы при 6 разных скоростях формирования капель для каждой концентрации и строили графики кинетики адсорбции.
Результаты измерений кинетики адсорбции для 10 составов в системе бензол - гексан при температуре 289 К приведены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Концентрационная зависимость кинетики адсорбции гексана в системе бензол - гексан. а) кривые 1 - 0,05; 2 - 0,1; 3 - 0,2; б) 4 - 0,3; 5 - 0,4; 6 - 0,5; 7 - 0,6; 8 - 0,7 атомных долей гексана
Рис. 2. Концентрационная зависимость кинетики адсорбции гексана в системе бензол - гексан. а) кривая 9 -0,8; б) кривая 10 - 0,9 атомных долей гексана
Как видно из графиков, со временем адсорбция выходит на насыщение: время выхода на насыщение в пределах 20 - 25 с, а для концентрации 0,9 гексана оно составляет около 15 с.
Беря равновесные значения адсорбции из графиков кинетики адсорбции гексана, строили изотерму адсорбции (рис. 3).
Как видно из изотермы, величина адсорбции имеет положительное значение при концентрациях гексана от 0 до 0,8 атомных долей и переходит в область отрицательных значении при дальнейшем увеличении содержания гексана. При малых концентрациях адсорбция резко увеличивается и достигает максимального значения при 0,2 атомных долей гексана, после чего идет плавное снижение значения адсорбции.
Рис. 3. Изотерма адсорбции гексана в системе бензол - гексан при 289 К Это снижение по-видимому связано с тем, что адсорбционный слой уже заполнен, а увеличение концентрации гексана приводит к уменьшению разности его концентраций в поверхностном слое и объеме раствора.
В данной системе при «малой» концентрации гек-сан поверхностноактивен в растворе, а в области малых концентрации бензола в гексане именно бензол выступает как поверхностно-активный компонент. Такой эффект взаимной поверхностной активности компонентов в бинарных системах бывает, когда
Поступила в редакцию_
о-, = <т0 (ПН компонентов близки). Причина связывается со строением поверхностного слоя раствора в области малых концентраций одного из компонентов.
Литература
1. Русанов А.И., Левичев С.А., Жаров В.Т. Поверхностное разделение веществ: Теория и методы. Л., 1981.
2. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Л., 1981.
3. Bajpai A.K., Rajpoot M. Adsorption techniques - a review // J. Sci. and Ind. Res 1999. Vol. 58. № 11. С. 844-860.
4. Abbasi R.A. Ground - water treatments gain ground // Civ. Eng. (USA). 1996. Vol. 66. № 2. Р. 53-55.
5. Пат. 5601634 США, МПК 6 В 01 D 53/04.
6. Сироткина Е.Е. и др. Адсорбенты для сбора нефти. Теория и практика.// Теор. основы сорбц. процессов: Материалы III Нац. симпозиума. М., 1997.
7. Пат. 5635246 США, МПК 6 В 05 D 3/10.
8. Кротов В.В., Русанов А.И. К кинетике адсорбции поверхностно-активных веществ в жидких растворах // Коллоидный журн. 1977. Т. 39. С. 48-56.
9. Шебзухова И.Г., Хоконов Х.Б. Адсорбция гексана и изо-пропилового спирта в системах этиловый спирт - гексан, о-ксилол - гексан, о-ксилол - изопропиловый спирт // Коллоидный журн. 1987. Т. 49. № 5. С. 1033-1036.
_21 января 2008 г.
