Кинетика, коэффициент адсорбции и изотерма адсорбции декана в бинарной системе бензол - декан Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.723: 544.4: 543.63

КИНЕТИКА, КОЭФФИЦИЕНТ АДСОРБЦИИ И ИЗОТЕРМА АДСОРБЦИИ ДЕКАНА

В БИНАРНОЙ СИСТЕМЕ БЕНЗОЛ - ДЕКАН

© 2010 г. И.Г. Шебзухова, А.М. Апеков, Х.Б. Хоконов

Кабардино-Балкарский государственный университет, ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, 360004, [email protected]. ru

Kabardino-Balkar State University, Chernishevsky St., 173, Nalchik, 360004, [email protected]

Изучена кинетика адсорбции декана в бинарной органической системе бензол — декан капельным методом. Определено время установления адсорбционного равновесия и построена равновесная изотерма адсорбции декана. Рассчитаны коэффициенты адсорбции и получена временная зависимость для каждой концентрации.

Ключевые слова: адсорбция, кинетика адсорбции, коэффициент адсорбции, бензол, декан.

The kinetics of adsorption ofdecane in binary organic system benzol — decane has been studied using the droplet method. The time needed for the adsorption equilibrium to be established has been determined and the equilibrium adsorption isotherm has been plotted. Adsorption coefficients have been calculated and the time-dependence has been found for each concentration.

Keywords: аdsorption, adsorption kinetic, coefficient of adsorption, benzol, decane.

При решении многих теоретических и практических задач важно знание величины адсорбции компонента [1, 2]. В связи с этим необходимо располагать данными, характеризующими процесс адсорбции компонентов системы, при этом наиболее информативным является изучение кинетики процессов.

В представленной работе приводятся результаты исследования кинетики адсорбции и вычисления коэффициента адсорбции декана в органической бинарной системе бензол - декан во всем концентрационном интервале при температуре 300 К.

Рассмотрим случай адсорбции декана в системе бензол - декан с учетом деформации поверхности

раствора (у = — ф 0 - относительная деформация

а А

поверхности; а - площадь поверхности), считая ки-

нетику процесса чисто адсорбционной. Тогда, согласно [1, 3], имеет место равенство

dT dt

= ß

1 -

Г_

Гт

со -[a + r(t)]Г ,

(1)

где р - коэффициент адсорбции; а - коэффициент десорбции; п = Пх (х - атомная концентрация поверхностно-активного компонента в объеме раствора; п -число молей в растворе; V- объем раствора); - значение адсорбции, соответствующее максимальной заполненности монослоя. Как видно из (1), деформация поверхности оказывает влияние на адсорбционный процесс только тогда, когда у({) сравнимо с величиной а , т.е. а достаточно мала.

Общее решение уравнения (1) при произвольных начальных условиях имеет вид

r(t )=

t

г(о)®(о)

г t го

+ — )a(t)eT" • dt

Ta 0

(2)

co(t )eT"

где г(о) и ю(о) - значения адсорбции и площади поверхности в начальный момент времени; Го - равновесное значение адсорбции, отвечающее концентрации со в глубине раствора; та - время адсорбционной релаксации, которая определяется формулой [3]

а +

ßco

V1

г

(3)

х у

ю(/) = ю(о)ехр ]>(/)сИ - (4)

о

площадь в момент времени /. При достаточно больших объемных концентрациях релаксационный процесс должен носить чисто адсорбционный характер и Го ^ Гда . Тогда (3) перепишется

_Го_ ßco

(3а)

В случае, когда первое слагаемое правой части (2) равно нулю, т.е. в начальный момент времени г(о) = о, имеем

r(t )-

t

Г0jC(t)eT" dt

0

(4)

та -rn(t)-ет"

Пусть деформация поверхности происходит с постоянной абсолютной скоростью | — dd^ = const > 0 |.

V® dt

Интегрирование в формуле (4) дает в этом случае

r(t )-Г

1 -Sl t

1 - e

(5)

v У_

Подставляя значения za из (3а), имеем

r(t )=Г

f

1 -

г

ßco t

1 - e

ßco Л

г0

V У.

Разлагая экспоненту в ряд

ßco t

г0 = 1 +...+ (-1)

г

ßco t

г

(6)

n • (7)

подставим (7) в (6) (ограничивая ряд первыми тремя членами). Тогда получим коэффициент адсорбции в виде

ß-2Г0

cot

(8)

Таким образом, зная г(/), можно вычислить динамические значения коэффициента адсорбции.

(9)

Для определения адсорбции использовался капельный метод [4-6], суть которого состоит в том, что из исходного раствора большого объема (~10 мл) заданной концентрации берут две пробы: первую - одним приемом, а вторую формируют медленно малыми каплями. При формировании малых капель и образовании из них отдельной пробы (объемом 0,3 ^ 0,5 мл) в ней (во второй пробе) увеличивается концентрация компонента с положительной адсорбцией по сравнению с концентрацией этого компонента в первой пробе. Определяя различие концентрации данного компонента в этих двух пробах можно рассчитать адсорбцию поверхностно-активного компонента. Для определения состава проб нами использовался хрома-тографический метод.

Величину адсорбции рассчитывали по формуле

гР ) = 1 ^ Г д.,,

3 ^4пу) л, где £ - плотность раствора данной концентрации; NЛ - число Авогадро; л - молекулярная масса 1-го компонента; V - число капель, из которых образуется вторая проба объемом V; Дс, - избыток концентрации 1-го компонента.

Как видно из формулы (9), для определения адсорбции необходимо экспериментально измерить весовые

концентрации двух проб раствора с(о) и с,8), плотность раствора £ и число капель V в пробе объемом V.

Предварительно готовился раствор бензол-декан известной концентрации. Из этого раствора брали пробы и вводили их в хроматограф ЛХМ-8МД; снимали хроматограммы. На них появляются два пика, соответствующие каждому компоненту раствора. Затем из приготовленного раствора с помощью тонкого капилляра формировали капли, готовили вторую пробу общим объемом 0,3 ^ 0,5 мл и числом капель ~ 40 ^ 70, которую вводили в хроматограф. Для предотвращения заметного испарения компонентов раствора вторые пробы готовили в закрытом сосуде, в котором имело место равновесие раствор-пар. Хро-матограммы 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 пикномет-рическим способом. Используя эти данные, по формуле (9) вычисляли адсорбцию декана в системе бензол - декан для десяти составов.

Для определения равновесных значений адсорбции изучена кинетика адсорбции декана. Используя капилляры разного диаметра, регулировали время формирования капель, т.е. скорость, в течение которого происходит процесс адсорбции. Получали вторые пробы при 5-6 разных скоростях формирования

Sa -

Sa -

t

г

a

n

e

капель для каждой концентрации и строили графики кинетики адсорбции.

На рис. 1 а, б показаны результаты изменения адсорбции декана в системе бензол - декан в процессе-установления адсорбционного равновесия. Как видно из

графиков, со временем адсорбция выходит на насыщение. Время выхода на насыщение в пределах 20 - 25 с.

По значениям Г(/) рассчитаны динамические значения коэффициента адсорбции по формуле (8) и построена зависимость р(/) (рис. 2 а, б).

16

Л

А О О

О

*

£ А □ п

□

*

&

ш ■ ■

■Л ■ А Mi хт ПДТН RJ0KMU

<4 Д. ■ 41. ПОЧНП^КШ!

* ■ Jk. ■ й.-га IT PÜJTHPPFSW:

fr ■ L3I 11 ■плл ЭСП1Ж1

| • ■ 0.W «г.

' 1 1 1 1 ■ 1 11 I 1 1 .... ! л ■ 1 ■ ■ .

t, c

t, c

Рис. 1. Кинетика адсорбции декана из раствора бензол-декан: а - 0,05; 0,10; 0,20; 0,30; 0,40; 0,50; б - 0,60; 0,70; 0,80; 0,90 атомных долей декана

t, c

t, c

Рис. 2. Зависимость коэффициента адсорбции от времени для концентраций: а - 0,05; 0,10; 0,20; 0,30; 0,40; 0,50; б - 0,60;

0,70; 0,80; 0,90 атомных долей декана

Как видно из рис. 2 а, б, коэффициент адсорбции со временем снижается, стремясь к равновесному значению, т.е. по мере заполнения адсорбционного слоя коэффициент адсорбции уменьшается.

Используя равновесные значения адсорбции из графиков (рис. 1), построена изотерма адсорбции (рис. 3).

Как видно из изотермы, величина адсорбции имеет положительное значение во всем концентрационном

интервале. При малых концентрациях адсорбция резко увеличивается и достигает максимального значения при 0,2 атомных долей декана, после чего идет плавное снижение. Это снижение, по-видимому, связано с тем, что адсорбционный слой уже заполнен, а увеличение концентрации декана приводит к снижению разности концентраций в поверхностном слое и в объеме.

Рис. 3. Изотерма адсорбции декана в системе бензол-декан

Литература

1. Русанов А.И., Левичев С.А., Жаров В.Т. Поверхностное

разделение веществ: Теория и методы. Л., 1981. 184 с.

2. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Л.,

1981. 304 с.

3. Кротов В.В., Русанов А.И. К кинетике адсорбции по-

верхностно-активных веществ в жидких растворах // Коллоидный журн. 1977. Т. 39. С. 48-56.

4. А. с. № 957064 СССР. 1982. МКл О 01 N 13/00. Способ

определения адсорбции компонентов жидких растворов в поверхностном слое / С.Н. Задумкин. Опубл. в Б.И. 1982. № 33. с. 194.

5. 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.

6. Шебзухова И.Г., Апеков А.М. Изотерма и кинетика ад-

сорбции гексана в бинарной системе бензол - гексан // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 4. С. 46-48.

Поступила в редакцию

11 декабря 2009 г.