Научно-исследовательская работа "Адсорбционная способность активированного угля"

XXXVI городская научно-практическая конференция

Магнитогорского научного общества учащихся

«Искатели, мыслители ХХI века»

Направление: Естествознание, химия

«Адсорбционные свойства

активированного угля»

Магнитогорск, 2016 г.

Сожержание

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………..……..….….3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Общие сведения об активированном угле……………………………...….4

1.2. Адсорбционные свойства активированного угля…………………...……6

1.3Применение адсорбирующих свойств активированного угля ……..….…8

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика проводимого исследования, результаты и рекомендации …………………………………………………………………………………….10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………17

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………...……………..18

ВВЕДЕНИЕ

При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение активированного угля в качестве адсорбента.

Актуальность работы заключается в высокой значимости явления адсорбции в связи с решением не только экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ, но и проблем здоровья человека.

Новизна выбранной темы заключается в незначительном исследовании причин адсорбции среди школьников.

Объект исследования: активированный уголь.

Предмет исследования: адсорбция активированного угля.

Цель: исследовать адсорбционную способность активированного угля.

Задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу.

2. Выяснить чем обусловлена высокая адсорбционная способность активированного угля.

3. Предложить ряд рекомендаций по использованию адсорбционной способности активированного угля в быту.

4. Определить экспериментальным путем адсорбционную способность активированного угля.

Методы исследования:

1. Изучение литературы.

2. Наблюдение.

3. Опрос.

4. Эксперимент.

5. Аналитическая деятельность.

Гипотеза: активированный уголь адсорбирует вещества вредные для здоровья.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Общие сведения об активированном угле

Активированный уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля , каменноугольного кокса , нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. В зависимости от технологии изготовления, 1 грамм активированного угля может иметь поверхность от 500 до 1500 м². Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ. (1)

Для получения активированного угля необходимо использовать (активировать) скелет углерода - антрацит, древесный уголь и др.

Отдельные атомы углерода отщепляются от кристаллической решетки, то есть процесс активации скелета углерода в некоторой мере зависит от продолжительности пребывания атомов углерода в решетчатой связи. Теперь атом углерода находится на поверхности, и продолжительность его пребывания в связи меньше, чем в случае нахождения внутри объема. Для получения больших пор необходимо, однако, отщепить атомы, которые находятся под поверхностью и благодаря этому пребывают в связи более продолжительное время. Вероятность получения пор с определенным радиусом зависит от продолжительности пребывания последнего атома, который необходимо удалить из решетчатой связи для того, чтобы создать поры.

Существует зависимость параметра удельной поверхности 3-мм формовочного активированного угля от температуры активации. С повышением температуры формируется все большее количество микропор, а уже имеющиеся расширяются. Благодаря этому увеличивается удельная поверхность. Если выбрать слишком высокую температуру, то микропоры объединяются в большие поры, причем большие поры имеют меньшую поверхность, чем большое количество маленьких пор. Чем больше внутренняя поверхность активированного угля, тем больший потенциал адсорбции он имеет, так как группировка активированного угля основывается на изотерме азота. Очень большие поверхности лишь указывают на большую адсорбционную емкость сравнительно маленьких молекул. На основании этого нельзя сделать выводы об адсорбционной способности больших молекул. (4)

Химические свойства и модифицирование.

Обычный активированный уголь является довольно реакционноспособным соединением, способным к окислению кислородом воздуха и кислородной плазмой, водяным паром, а также углекислым газом и озоном. Окисление в жидкой фазе проводят целым рядом реагентов (HNO₃, H₂O₂, KMnO₄). За счёт образования большого количества основных и кислотных групп на поверхности окисленного угля его сорбционные и другие свойства могут существенно отличаться от неокисленного. Модифицированный азотом уголь получают либо исходя из азотсодержащих природных веществ, либо полимеров, либо обработкой угля азотсодержащими реагентами . Также уголь способен взаимодействовать с хлором бромом и фтором. Важное значение имеет серосодержащий уголь, который синтезируют разными путями. В последнее время химические свойства угля принято объяснять наличием на его поверхности активной двойной связи. Химически модифицированный уголь находит применение в качестве катализаторов, носителей для катализаторов, селективных адсорбентов, в получении особо чистых веществ, в качестве электродов литиевых аккумуляторов. (1).

1. Адсорбционные свойства активированного угля

Адсорбция это процесс, происходящий на границе раздела фаз. Он затрагивает только поверхностные слои, взаимодействующих фаз, и не распространяется на глубинные слои этих фаз. (2)

Адсорбцией называют явление накопления одного вещества на поверхности другого. В общем случае, адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. (2)

Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция понижается с понижением температуры. Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтивом, поглощённое — адсорбатом. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбентом. Адсорбция представляет собой обратимый процесс. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Удаление адсорбированных веществ с адсорбентов при помощи растворителей называют элюцией. (2)

Механизмы действия.

Есть два основных механизма, которыми активизированный углерод удаляет загрязнители: адсорбция и каталитическое окисление. Органические соединения удаляются адсорбцией, а окислители, такие, как хлор и хлорамин, удаляются каталитическим окислением. (1)

Размер пор.

Согласно стандарту ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии) поры диаметром меньше 0,4 нм называют субмикропорами, поры размером от 0,4 до 2 нм микропорами, поры размером от 2 до 50 нм мезопорами и поры диаметром более 50 нм - макропорами (1 нм = 1/1000000 мм).

Активированные угли на основе скорлупы кокосов характеризуются большей долей микропор (пор диаметром до 2 нм), на основе каменного угля — большей долей мезопор (2—50 нм). Большая доля макропор (более 50 нм) характерна для активированных углей на основе древесины.

Рис.2 Структура пор активированного угля

Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул. (3)

Хороший активированный уголь характеризуется долей микропор в количестве как минимум 0,3 мл/г, мезопор - минимум 0,2 мл/г и долей макропор в количестве как минимум 0,35 мл/г.

Гранулометрический состав.

Чем меньше размер частицы активированного угля, тем лучше доступ к поверхности и быстрее происходит адсорбция. В системах фазы пара это нужно учитывать при снижении давления, которое затронет затраты энергии. Внимательное рассмотрение гранулометрического состава может обеспечить существенную операционную выгоду.(3)

1. Применение адсорбирующих свойств активированного угля

Классический пример использования активированного угля связан с использованием его в средствах индивидуальной защиты органов дыхания. Противогаз, разработанный Н.Д.Зелинским, спас множество жизней солдат в первой мировой войне после применения кайзеровской Германией боевых отравляющих веществ. К 1916 году он был принят на вооружение почти во всех европейских армиях.

Первоначально для очистки сахарного сиропа от красящих веществ при сахароварении использовалась костная мука. Однако этот сахар не следовало употреблять в пост, как имеющий животное происхождение. Сахарозаводчики начали выпускать «постный сахар», который либо не очищался и имел вид цветных помадок, либо чистился через древесный уголь.

Активированный уголь применяется в медицине, химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Активированный уголь адсорбирует на своей поверхности газы, всевозможные токсины растительного и животного происхождения и патогенных возбудителей инфекции.

Фильтры, содержащие активированный уголь, используются во многих современных моделях устройств для очистки питьевой воды.

Адсорбция органических соединений из растворов, адсорбция паров и газов органических веществ, гемосорбент для медицинской промышленности, извлечение драгоценных металлов, в том числе из цианистых пульп и других растворов, изготовление электродов, ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов, носитель БАВ, обесцвечивание и очистка сахарных сиропов, ксилита, ксилитана, осветление и дезодорация пищевых масел и жиров, очистка минеральных масел, основа катализатора для синтеза винилхлорида, основа при изготовлении катализаторов, в том числе палладиевого, очистка паров, вентвыбросов и воздуха от вредных и промышленных газов, очистка и отделка растительного и животного масла и жиров, очистка крахмалопаточных растворов, глюкозы, глюкозо-галактозных сиропов. Очистка ликероводочных изделий, слабоалкогольных и газированных напитков, очистка сточных, оборотных вод, в том числе на ГРЭС, АЭС и т.п. Очистка органических кислот, очистка парового конденсата и котловых вод, очистка растворов при производстве медпрепаратов. Очистка растворов, паров, газов при переработке нефти, очистка электролитов, гальванопроизводство, подготовка питьевой воды. Производство антибиотиков, производство гепарина, производство глюконата кальция, хлористого натрия, производство карамели, производство кровезаменителей, производство и очистка лимонной, молочной, пропионовой и др. органических кислот, производство минеральных масел, химреактивов и лакокрасочных изделий, производство синтетического каучука и поливинилхлоридных смол, производство стекловидного тела. Производство таблеток "Аллохол", производство угольных таблеток. Сероочистка и очистка технологических растворов при добыче и переработке газа. Снаряжение фильтров доочистки питьевой воды. Флотация руд полезных ископаемых.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика проводимого исследования

В качестве метода исследования был использован лабораторный эксперимент. Все опыты проводились на базе кабинета химии МОУ «СОШ №25 при МаГК».

В качестве объекта исследования был выбран активированный уголь. Актуальность данного выбора была продиктована опросом, проведенного среди обучающихся 9-11 классов. Во время опроса, ученикам предлагалось ответить на следующие вопросы (да/нет):

1) Активированный уголь применяется в противогазах?

2) Активированный уголь применяется в промышленности?

3) Активированный уголь применяется при очистке воды?

4) Активированный уголь применяется в косметологии?

5) В какой области чаще всего активированный уголь применяете вы?

В итоге были получены следующие результаты: около 98% респондентов ответили, что применяют активированный уголь в медицинских целях; около 90% не знали об использовании активированного угля в противогазах и при очистке воды, которые и определили наш объект исследования.

Для исследования адсорбирующих свойств активированного угля были проведены следующие опыты.

Цель: выявить способность активированного угля адсорбировать газообразные вещества.

Опыт №1

1. В колбу поместили несколько таблеток активированного угля.

1. С помощью горящей лучины наполнили емкость дымом, закрыли пробкой.

1. Примерно через 50-60 секунд таблетки полностью поглотили дым в колбе.

Опыт №2

1. В колбу поместили порошок активированного угля.

1. Емкость наполнили дымом от горящей лучины и закрыли пробкой.

1. Порошок полностью впитал дым через 3-5 секунд.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• Активированный уголь обладает адсорбционной способностью впитывать в себя газообразные вещества;

• Использование угля, имеющего маленькие размеры частиц, является причиной более быстрой адсорбции, так как адсорбируемые молекулы получают прямой доступ к микропорам.

Рекомендации: данное свойство активированного угля можно использовать в помещениях с повышенной задымленностью или неприятными запахами, например как комнаты для курения, в промышленных зонах, в помещениях, где проводятся лакокрасочные работы. В быту – активированный уголь будет хорошо впитывать неприятные запахи в холодильнике, в шкафу, где хранятся моющие и чистящие средства.

Цель: выявить способность активированного угля адсорбировать жидкие вещества.

Опыт №3

1. Порошок активированного угля нагрели и добавили в газированный напиток «Coсa-Cola».

1. При этом наблюдали выделение большого количества газа.

CO₂+C=CO

1. Полученную смесь нагрели и оставили отстаиваться.

Через 4 дня получили темную, тягучую смесь.

Опыт №4

1. В пробирке смешали 2-3 капли раствора соляной кислоты, 3 мл молочного коктейля, 3 мл газированного напитка.

1. Наблюдали образование белого осадка.

1. Добавили порошок активированного угля.

1. Через несколько часов наблюдали, как активированный уголь впитал вещества из раствора, образуя при этом тягучий черный осадок.

Следовательно, можно сделать следующий вывод: активированный уголь обладает большой адсорбционной способностью впитывать не только жидкие, но и твердые вещества, адсорбция зависит от температуры.

Рекомендации: В ходе эксперимента выяснили, что происходит в организме человека при одновременном употреблении молочного коктейля и газированного напитка. Поэтому рекомендуется использовать активированный уголь как медицинский препарат улучшающий работу ЖКТ.

Эффективность активированного угля обратно пропорциональна времени, прошедшему после приема токсина, и сильно зависит от скорости всасывания последнего. Как можно более раннее назначение препарата особенно важно при отравлении быстро всасывающимися веществами. В этом случае лекарство быстро адсорбирует и тем самым предотвращает всасывание принятого внутрь вещества. Если же токсичное вещество уже всосалось, лекарство может ускорить его выведение, предотвратить всасывание вещества, повторно поступившего в ЖКТ из крови. Для этого применяют многократное введение препарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Активированный уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля, каменноугольного кокса, нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью.

Адсорбцией называют явление накопления одного вещества на поверхности другого.

Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция повышается с повышением температуры.

Адсорбция происходит в основном через микропоры. Размалывание активированного угля не влияет на адсорбционную емкость, потому что в результате этого не увеличивается внутренняя поверхность. В случае меньших размеров зерен скорость адсорбции все же выше, потому что существует лучший доступ к микропорам. С одной стороны, активированный уголь по-разному хорошо задерживает различные составные элементы-воды, с другой стороны, различные типы угля по-разному хорошо адсорбируют субстанцию. Фактором влияния является, например, растворимость в воде: чем хуже растворимость субстанции в воде, тем лучше показатели адсорбции при нормальных условиях.

В ходе исследовательской работы мы подтвердили свою гипотезу: активированный уголь адсорбирует вещества вредные для здоровья. И предложили ряд рекомендаций по использованию адсорбирующих свойств в повседневной жизни.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. http://xn----7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/theory/chemistry/colloid-chemistry/adsorption.html

2. http://fb.ru/article/180312/uglerod---eto-atom-ugleroda-massa-ugleroda

3. http://www.stroybas.ru/tech-info/tech-info_3.htm

18