Експериментальна частина. 6 Лабораторна робота: Визначення питомої поверхні каталізатора

Висновки

Результати

6 Лабораторна робота:
Визначення питомої поверхні каталізатора

Мета роботи: вивчити методи експериментального визначення поверхні каталізатора

6.5 Короткі теоретичні відомості

Адсорбція (від лат. ad-на, при й sorbeo-поглинаю), зміна (зазвичай підвищення) концентрації речовини поблизу поверхні розділу фаз. В загальному випадку причина адсорбції – некомпенсованість міжмолекулярних сил поблизу поверхні, тобто наявність адсорбційного силового поля. Тіло, що створює таке поле, називають адсорбентом, речовини молекули яких можуть адсорбуватися – адсорбтивом, речовини, що вже адсорбовані – адсорбатом. Процес зворотній до адсорбції називають десорбцією.

Природа адсорбційних сил може бути досить різної. Якщо це ван-дер-ваальсові сили, то адсорбція вважається фізичною, якщо валентні (тобто адсорбція супроводжується утворенням поверхневих хімічних сполук), - хімічною, або хемосорбцією. Риси, що відрізняють хемосорбцію - незворотність, високі теплові ефекти (сотні кДж/моль), активований характер. Між фізичною і хімічною адсорбцією існує безліч проміжних випадків (наприклад, адсорбція, обумовлена утворенням водневих зв'язків). Можливі також різноманітні типи фізичної адсорбції, найбільш універсальним є прояв дисперсійних міжмолекулярних сил притяжіння, тому що вони приблизно постійні для адсорбентів з поверхнею будь-якої хімічної природи (так звана неспецифічна адсорбція). Фізична адсорбція може бути викликана електростатичними силами (взаємодія між іонами, диполями); при цьому адсорбція визначається хімічною природою молекул адсорбтива (так звана специфічна адсорбція.). Велику роль при адсорбції відіграє геометрія поверхні розділу: у випадку пласкої поверхні мова йде про адсорбцію на відкритій поверхні, у випадку слабко або сильно скривленої поверхні - про адсорбцію у порах адсорбенту.

Теорія полімолекулярної адсорбції була розглянута в роботах Брунауера, Еммета й Теллера (БЕТ). В основі цієї теорії лежить перенесення узагальнених понять локалізованої моношарової адсорбції на полішарову адсорбцію. У теорії БЕТ використовується припущення, що молекули кожного попереднього адсорбційного шару виступають активними центрами при утворенні наступних шарів. Це означає, що ємність кожного шару однакова. Вважається, що силами взаємодії між молекулами у кожному адсорбційному шарі можна знехтувати (відсутність латеральних взаємодій), а молекули кожного адсорбційного шару локалізовані. Припускається, що адсорбційний потенціал у першому адсорбційному шарі значно вище, ніж в інших шарах, а починаючи із другого адсорбційного шару він близький до енергії конденсації або однаковий для всіх шарів.

Обмеженням даної теорії є використання її при високих значеннях р/рs, оскільки йде капілярна конденсація

Капілярна конденсація, зрідження пари в капілярах, щілинах або порах твердих тіл. Відбувається за умови змочування рідиною поверхні конденсації і внаслідок зниженого тиску насиченої пари р над увігнутим меніском у порівнянні з тиском насиченої пари р_s над пласкою поверхнею рідини при однаковій температурі Т. Кількість рідини що утримується капілярними силами залежить від радіуса кривизни r поверхні розділу рідина - пара згідно з рівнянням Кельвіна:

(6.1)
де σ - поверхневий (міжфазний) натяг, - молярний об'єм рідини, R - газова постійна. Гранична кількість рідини досягається при р = p_s, що відповідає пласкій поверхні розділу (заповнення всіх пор рідиною). Капілярній конденсації передує адсорбція пари на поверхні конденсації. Капілярна конденсація починається при такому значенні рівноважної кількості речовини, що адсорбувалась, при якій утворюється меніск рідини з радіусом кривизни r₀ більший за 2-3 діаметри молекули. Згідно з рівнянням Кельвіна, при цьому p/ps ≥ 0,2-0,3. У вузьких порах на величину r₀ впливає наявність адсорбційних плівок, розбіжність з табличними значеннями, а також перекручування форми меніска полем поверхневих сил. Для мікропор (r₀ ≤ 1 нм) рівняння Кельвіна не застосовується. Складність конфігурації простору пор може бути причиною капілярного гістерезису, що проявляється в тім, що кількість рідини, що утримується залежить не тільки від значення p/p_s, але й від того, чи досягнутий даний стан у ході конденсації пари або ж у ході випаровування рідини.

Загалом існують статичні та динамічні методи визначення питомої поверхні. В даній роботі буде використаний динамічний метод.

Схема лабораторної установки представлена на рисунку 6.1.

1. Підготовка “тренованого” протягом 1 години при температурі 423 К у вакуум-сушильній шафі зразка (виконується лаборантами);

2. Зняти з установки усі зажими, крім 2 (дивись на схемі), за для забезпечення проходження повітря;

3. Перевірити перед ввімкненням компресора герметичність сатуратору (10) (обов’язковою є відсутність парів бензолу, що мають характерний запах) і наявність відводу парів бензолу до витяжної шафи; ввімкнути витяжну шафу;

4. Ввімкнути компресор, перевірити герметичність установки;

1 – трійник; 2 – зажим; 3 – маностат; 4 – напірна склянка; 5 – колонка з активованим вугіллям; 6 – реометр; 7 – капіляр; 8 – колонка з силікагелем; 9 – термостат з водою; 10 – сатуратор; 11 – бензол; 12 – нагрівач; 13 – реле; 14 – контактний термометр; 15 – мішалка; 16 – трансформатор; 17 – пікнометр із зразком; 18 – контрольній термометр

Рисунок 6.1 – Схема установки для визначення питомої поверхні.

5. За заданим викладачем значенням V₁ (см³/хв) і значеннях p/p_s рівних 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 розрахувати витрати V₂ за формулою (см³/хв):

(6.2)

де p, p_s – тиск пари бензолу відповідно робочий і при насичені, мм.рт.ст.; p_А – атмосферний тиск, мм.рт.ст.

p_s за робочої температури розраховуємо за рівнянням Антуана:

де А=6,89745, В=1206,35, С=220,237

6. Ввімкнути нагрівач термостата в мережу;

7. Ввімкнути мішалку в мережу, проконтролювавши, щоб її лопаті не торкалися жодних об’єктів;

8. Ввімкнути компресор і встановити необхідні витрати V₁ та V₂ за допомогою напірних склянок (у разі виникнення проблем необхідно скористатися приміткою);

9. Перевірити чи встановилася температура експерименту (298 К інколи вона не встановлюється у зв’язку з низькою температурою у лабораторії, тоді дослід проводять через 10 хв після вмикання термостату);

10. Проводять зважування пікнометру з пробками пустого, а потім з наважкою зразка 1,5 – 1,8 г;

11. Пікнометр з наважкою без пробок насаджують на керн в сатураторі, закривають кришку сатуратору;

12. Через 10 хв (лише в перший раз, надалі через кожні 2 – 3 хв) витягніть пікнометр із сатуратору, закрийте пробками і зважте;

Пункти 15, 14 проводять до встановлення постійної маси (при зміні до 0,001 г дослід триває близько 70 хв для кожного співвідношення витрат)

13. Встановлюють нове співвідношення витрат (пункт 11) і повторюють все з 13 пункту. Аналогічно і інші співвідношення;

14. По закінчені роботи вимикають компресор, мішалку, термостат та використовуючи зажими перекривають доступ повітря з обох сторін до наступних пунктів схеми:10, 5, 8.

Примітка: у разі якщо розраховані витрати не встановлюються, то за тими значеннями, які можливо встановити визначають p/p_s, але воно повинно відрізнятись від попереднього експерименту (якщо це другий експеримент), а також мати значення менше 0,25, оскільки далі починається капілярна конденсація і отриманні значення будуть неадекватними. Розрахунки проводять за наступною формулою:

(6.3)

Дата добавления: 2014-12-25