Адсорбция как метод очистки химических отходов

в Северо-Западном федеральном округе РФ

XII Региональная научная и инженерная выставка молодых исследователей «Будущее Севера»
Направление: Естественные науки и современный мир

Секция: химия

АДСОРБЦИЯ КАК МЕТОД ОЧИСТКИ ХИМИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Автор: Анищенко ИринаЭдуардовна

ученица 9 А класса

МОУ лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска.

Научный руководитель:

Семичева Валентина Фирсовна

Учитель химии I квалификационной категории

МОУ лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска

2009 г.

Ирина Анищенко

Муниципальное общеобразовательное учреждение

лицей имени В.Г. Сизова г. Мончегорска Мурманской области

Научная статья.

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………4

Основная часть…………………………………………………………………….….6

1.Теоретическое исследование………………………………………………………6

1.1.Что такое адсорбция?..............................................................................................6

1.2.Зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента ………………..7

1.3.Опыт №1. ………………………………………………………………………....7

1.4.Адсорбция газов………………………………………………………………….7

1.5.Опыт №2………………………………………………………………………….7

1.6.Адсорбция из растворов………………………………………………………....8

1.7.Опыт№3………………………………………………………………………..…9

1.8.Выводы теоретического исследования…………………………………….…..9

2Исследование…………………………………………………………………….…9

2.1. Опыт№1- адсорбция глины и наполнителя из мела…………………………..9

2.2.Опыт №2- улучшение свойств адсорбции глины…………………………….10

2.3.Опыт №3- адсорбция разливов кислоты и щелочи……………………….…..11

2.4.Выводы исследования……………………………………………………….…12

3Общие выводы…………………………………………………………………….13

Заключение………………………………………………………………………….14

Источники информации……………………………………………………………15

Адсорбция.

План исследования.

2.Изучить другие адсорбенты: глину, наполнитель из мела.

3.Сравнить адсорбенты, выявить преимущества.

4. Создать универсальный адсорбент для химической лаборатории.

5.Оформить результаты.

6.Представить результаты на конференции.

действием на определенные вещества, то в химической лаборатории необходим адсорбент широкого спектра действия.

Введение.

Инициатива использования отравляющих веществ в качестве оружия массового уничтожения принадлежит германскому империализму. Хлор был впервые применен 22 апреля 1915 года на Западном фронте недалеко от бельгийского города Ипра против англо-французских войск. Вдыхание хлора вызывает удушье, тяжелое воспаление дыхательных путей, отек легких и смерть. Было выпущено 180 т хлора в течении 5 мин из 6 тысяч баллонов на фронте шириной 6 км. Первая атака хлором лишила боеспособности целую дивизию, оборонявшую участок. 15 тыс. человек было выведено из строя, из них 5 тыс. навсегда. Почти через месяц газовая атака была повторена на Восточном фронте против русских войск у местечка Воля Шидловска, в Польше. На участке фронта в 12 км при ветре, дувшем в сторону русских позиций, было

выпущено из 12 тысяч баллонов более 150 т ядовитого газа. Внезапность нападения и полная беззащитность против ядовитого действия газа вызвали массовые и тяжелые поражения. «Газы» в эту ночь вывели из строя целую дивизию. Передовые линии, представляющие собой сплошной лабиринт окопов и ходов сообщения, были завалены трупами и умирающими людьми. Из строя выбыло 9 тыс. человек. Начавшаяся химическая война готовила человечеству неисчислимые жертвы и страдания . От этих жертв человечество спас древесный уголь. Профессор, Н. Д. Зелинский, выдающийся химик и ученый, изобрел, провел испытания и в 1915 г. предложил противогаз, действующий на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через противогаз целиком освобождало воздух от ядовитых примесей и защищало солдат

от действия отравляющих веществ. Способность некоторых материалов поглощать другие вещества , иногда ядовитые, используют и по сей день. Происходят разливы нефти при ее транспортировке. Можно эту нефть собрать другими веществами-поглотителями. Происходят разливы кислот при их транспортировке. Можно нейтрализовать эти разливы кислот и собрать продукты адсорбентами.

Вопрос утилизации некоторых веществ, очистки веществ от примесей актуален до сих пор. Цель: изучить явление адсорбции, приготовить универсальный адсорбент для кабинета химии.

Задачи:1. Изучить явление адсорбции на примере активированного угля, используя методы качественного и количественного анализа.

4

2.Изучить другие адсорбенты: глину, наполнитель из мела.

4.Создать универсальный адсорбент для кабинета химии.

5.Оформить результаты исследования.

6.Представить результаты исследования на конференции.

Объект исследования: явление адсорбции.

Предмет исследования: свойства различных адсорбентов.

Гипотеза: если есть адсорбенты, обладающие определенными поглотительными свойствами; действием на определенные вещества, то в химической лаборатории необходим универсальный адсорбент, широкого спектра действия.

5

Основная часть.

Методы: анализ, обобщение, химический эксперимент.

1.1.Открытие явления адсорбции.

Явление адсорбции было открыто в 1785 г. русским ученым Ловицем. Изучая свойства угля, Ловиц обнаружил, что это вещество обладает замечательной способностью поглощать (адсорбировать) различные вещества( газы, растворенные в воде краски). Ловиц указал на возможность использования этих свойств угля для практических целей. Например, для очистки питьевой воды на кораблях.

Адсорбция(лат.ad-на; при; sorbeo-поглощаю )-процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела. В более узком смысле под адсорбцией понимают поглощение примесей из газа или жидкости твердым веществом-адсорбентом. Адсорбционная способность угля объясняется особыми условиями, в которых находятся частицы на их поверхности.

Если внутри вещества все силы, действующие между частицами, уравновешены, то на поверхности в равновесии находятся только те силы, которые направлены внутрь вещества.

Вследствие этого у поверхности адсорбента создается силовое поле, благодаря которому и притягиваются частицы газа или раствора к поглотителю.

Процесс идет самопроизвольно.

1.2.Зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента.

Адсорбционные свойства определяются величиной поверхности адсорбента.

Адсорбент способен поглощать тем большее количество вещества, чем больше его поверхность. Поверхность зависит от степени измельчения адсорбента.

1.3.Опыт№1. 6

Цель: установить зависимость адсорбции от площади поверхности адсорбента.

Задачи:

-вести наблюдение за адсорбцией хлора;

-наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод.

Методика: ( опыт проводим в вытяжном шкафу)

Колбы №1,№2 заполняются хлором. Это газ желто-зеленого цвета. В колбу№1 помещаем 2 таблетки активированного угля, колбу закрываем пробкой, встряхиваем, засекаем время, за которое происходит поглощение хлора углем. Газ поглотился за 30 сек.

В колбу№2 помещаем измельченные 2 таблетки активированного угля. Колбу закрываем пробкой, встряхиваем, засекаем время, за которое происходит поглощение хлора углем. Газ поглотился за 5 сек.

Вывод: с увеличением площади поверхности адсорбента скорость адсорбции увеличивается, значит, увеличивается и количество поглощаемого вещества. Следовательно, хорошими адсорбентами могут быть такие материалы, которые обладают сильно развитой поверхностью, что свойственно веществам, имеющим пористую, губчатую структуру.

1.4.Адсорбция газов.

Газы неодинаково адсорбируются активированным углем. Существует зависимость адсорбции газа от его температуры кипения. Трудно адсорбируются газы, которые трудно сжижаются(О₂). Хорошо адсорбируются газы, которые легко сжижаются (SO₂ , Cl_{2 ,} NH₃ ).

1.5.Опыт №2

Цель: установить зависимость адсорбции газов от их температуры кипения.

Задачи:- провести адсорбцию хлора, аммиака, кислорода активированным углем;

- вести наблюдения за химическим экспериментом;

- наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод.

Методика: (опыты проводим в вытяжном шкафу) 7

Колба №1 заполняется хлором. Это газ желто-зеленого цвета. Температура кипения- -34,1 ⁰ С. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля. Колбу закрываем пробкой, встряхиваем. Через 5 секунд желто-зеленый цвет исчез. Хлор поглотился активированным углем.

Колба №2 заполняется аммиаком. Это бесцветный газ. Температура кипения аммиака - 35⁰С. Газ доказываем влажной полоской универсального индикатора. Полоска приобретает насыщенный синий цвет у отверстия колбы. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля, закрываем пробкой, встряхиваем.Через сутки проверяем наличие аммиака у отверстия колбы. Влажная полоска универсального индикатора приобретает слабый синий цвет.

Большая часть газа поглотилась активированным углем.

Колба №3 заполняется кислородом. Это бесцветный газ. Температура кипения кислорода- -183⁰С. Газ доказываем тлеющей лучинкой. Лучинка ярко загорается. В колбу помещаем 2 таблетки активированного угля, закрываем пробкой, встряхиваем. Через сутки проверяем газ тлеющей лучинкой у отверстия колбы. Лучинка ярко вспыхивает. Газ почти не поглотился активированным углем.

Вывод: данный химический эксперимент подтвердил закономерность: с уменьшением температуры кипения газа понижается его адсорбция.

1.6. Адсорбция из растворов.

Активированный уголь адсорбирует не только газы, адсорбирует и растворенные вещества. Существует зависимость величины адсорбции от концентрации растворенного вещества.

1.7.Опыт №3.

Цель: установить зависимость адсорбции растворенного вещества от концентрации растворенного вещества.

Задачи: - провести адсорбцию ненасыщенного и насыщенного растворов фуксина активированным углем;

-вести наблюдение за химическим экспериментом;

-наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод.

Методика: 8

Колба №1 наполовину заполняется ненасыщенным раствором фуксина (раствор имеет розоватый цвет). В раствор помещаем 3 таблетки измельченного активированного угля. Оставляем на сутки.

Колба №2 наполовину заполняется насыщенным раствором фуксина (раствор имеет насыщенный розовый цвет). Через сутки наблюдаем следующее. Раствор фуксина в колбе №1,№2 прозрачный, т. е. краситель из раствора поглотился.

Вывод: с увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается.

Выводы теоретического исследования.

1.Адсорбция – процесс самопроизвольный.

2.С увеличением площади поверхности адсорбента адсорбция увеличивается.

3.Адсорбенты поглощают газы, растворенные вещества.

4.С уменьшением температуры кипения газа адсорбция уменьшается.

5.С увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается.

6.Адсорбция- процесс обратимый.

2. Исследование.

Методы: химический эксперимент, наблюдение, сравнение.

Цель: приготовить универсальный адсорбент для кабинета химии.

Задачи: - исследовать другие материалы на способность поглощать вещества: глину, наполнитель из мела;

- сравнить адсорбционные свойства исследуемых веществ, выявить преимущества;

- создать универсальный адсорбент для кабинета.

Адсорбцией обладают многие вещества.

2.1. Опыт№1.

Цель: исследовать адсорбционные свойства глины, наполнителя из мела.

Задачи:- провести адсорбцию раствора перманганата калия глиной и наполнителем из мела;9

- вести наблюдение за химическим экспериментом;

- наблюдения записать в дневник ,проанализировав, сделать вывод.

Методика:

Воронка №1 заполняется наполовину измельченной глиной. Через слой глины пропустим 50 мл раствора перманганата калия (р-р фиолетового цвета). Наблюдаем, что из воронки выходит прозрачный фильтрат. Ионы марганцевой кислоты адсорбировались глиной. Адсорбция прошла за 30 мин. Глина приобрела вид пластичной массы, через которую трудно проходит раствор.

Воронка №2 наполовину заполняется наполнителем из мела. Через слой наполнителя пропустили 50 мл раствора перманганата калия. Наблюдаем, что из воронки выходит фиолетовый фильтрат. Ионы марганцевой кислоты не адсорбировались наполнителем из мела.

Вывод.

2.Наполнитель из мела не обладает свойствами адсорбента.

2.2.Опыт№2.

Цель: улучшить адсорбционные свойства глины;

Задачи:- провести адсорбцию раствора перманганата калия смесью из глины и песка;

- провести адсорбцию раствора перманганата калия смесью из глины; песка; и наполнителя из мела;

- вести наблюдение за химическим экспериментом;

- наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод.

Методика:

Воронка №1 заполняется наполовину смесью: 1 ч. глины и 1 ч. песка. Через смесь пропустить 50 мл раствора перманганата калия. Наблюдаем, что из воронки выходит прозрачный фильтрат. Адсорбция прошла за 2 минуты. 10

Вывод.

Песок улучшает адсорбцию глины. Песок- разрыхлитель, препятствует слипанию частиц глины, обеспечивает насыщаемость жидкостью по микрокапилярам всего слоя адсорбента.

Вывод.

2.Смесь, состоящую из 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя предлагаем использовать в химической лаборатории в качестве адсорбента.

2.3. Опыт№3

Цель: исследовать адсорбционные свойства смеси адсорбента на разлив кислоты и щелочи.

Задачи: - провести адсорбцию разлива серной кислоты смесью адсорбента;

- провести адсорбцию разлива щелочи смесью адсорбента;

- вести наблюдение за химическим экспериментом;

- наблюдения записать в дневник, проанализировав, сделать вывод.

Методика:

Пластмассовый поддон №1. В нем делаем разлив 5 мл серной кислоты.(1 :1). Смесь адсорбента насыпаем по периметру разлива, а затем в центр. Перемешиваем адсорбент стеклянной палочкой.

Наблюдения: - слышим шипение, т. е. выделяется газ. Наполнитель из мела нейтрализует кислоту. Через 5 мин. индикаторная полоска не фиксирует наличие кислоты в смеси адсорбента. Адсорбент убрал кислоту. Сама смесь адсорбента не растекается, хорошо собирается в совок.

Пластмассовый поддон №2. В нем сделали разлив 5 мл щелочи. Смесь адсорбента насыпаем по периметру, а затем в центр. Перемешиваем адсорбент стеклянной палочкой. 11

Наблюдения:- щелочь поглотилась адсорбентом, разлив убрали, но индикаторная полоска фиксирует наличие щелочи в адсорбенте. Щелочь не нейтрализуется. Адсорбент не растекается, хорошо собирается в совок.

2.4. Выводы исследования.

1.Глина обладает свойствами адсорбента.

2.Наполнитель из мела не обладает свойствами адсорбента. Наполнитель из мела - нейтрализатор.

3.Адсорбцию глины можно улучшить, добавив к ней песок и наполнитель из мела.

4.Смесь: 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела- хороший адсорбент.

5.Смесь- адсорбент хорошо убирает разливы кислот и щелочей.

6.Адсорбент, состоящий из 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела, можно рекомендовать для использования в химический лаборатории.

12

Общие выводы.

2.С увеличением площади поверхности адсорбента адсорбция увеличивается.

3.Адсорбенты поглощают газы, растворенные вещества.

4.С уменьшением температуры кипения газа адсорбция уменьшается.

5.С увеличением концентрации растворенного вещества адсорбция увеличивается.

6.Адсорбция- процесс обратимый.

7.Глина обладает свойствами адсорбента.

8.Наполнитель не обладает свойствами адсорбента.

9.Адсорбционные свойства глины можно улучшить, добавив песок и наполнитель из мела.

10.Смесь: 1 ч. глины, 1 ч. песка, 1 ч. наполнителя из мела- хороший адсорбент, который убирает разливы кислот и щелочей. Эту смесь можно рекомендовать для использования в химической лаборатории.

Свойства компонентов в смеси:

- глина- адсорбент;

- наполнитель из мела – нейтрализатор;

- песок – разрыхлитель

13

Заключение.

1. 
   Адсорбция – всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей газа или жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый уголь, силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных материалов и синтетических веществ.
   
2. 
   Обработка воды адсорбентами позволяет удалить из воды вещества, которые придают ей привкусы и запахи. Очистка воды через угольные фильтры тоже решает вопрос чистоты питьевой воды.
   
3. 
   Люди используют фильтры для сигарет, которые задерживают частицы дыма и часть никотина и этим уменьшают вредные воздействия этого яда на организм.
   
4. 
   Один из новых подходов к утилизации вредных веществ – их переработка в адсорбенты, последующее использование которых ориентировано на решение экологических проблем промышленно-насыщенных регионов.
   

14

Источники информации

1. 
   Таубе П.Р., Руденко Е.Н. От водорода до…? Москва: Издательство «Высшая школа»
   
2. 
   Петров М.М. Михилёв Л.А., Кукушкин Ю.Н. Неорганическая химия – Ленинград Издательство «Химия», 1967
   
3. 
   Киреев В.А. Краткий курс физической химии. Москва Издательство «Химия» 1969.
   
4. 
   Химия в школе. Научно – методический журнал. №4 2003 стр. 59