次甲基蓝在活性炭上的吸附比表面积测定

次甲基蓝在活性炭上的吸附比表面积测定  

一、目的要求

  1. 用溶液吸附法测定活性炭的比表面。

  2. 了解溶液吸附法测定比表面的基本原理及测定方法。

二、实验原理

比表面是指单位质量(或单位体积)的物质所具有的表面积，其数值与分散粒子大小有关。

测定固体比表面的方法很多，常用的有BET低温吸附法、电子显微镜法和气相色谱法，但它们都需要复杂的仪器装置或较长的实验时间。而溶液吸附法则仪器简单，操作方便。本实验用次甲基蓝水溶液吸附法测定活性炭的比表面。此法虽然误差较大，但比较实用。

活性炭对次甲基蓝的吸附，在一定的浓度范围内是单分子层吸附，符合朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式。根据朗格缪尔单分子层吸附理论，当次甲基蓝与活性炭达到吸附饱和后，吸附与脱附处于动态平衡，这时次甲基蓝分子铺满整个活性炭粒子表面而不留下空位。此时吸附剂活性炭的比表面可按下式计算：

                           (1)

式中，S₀为比表面(m²?kg^-1)；C₀为原始溶液的浓度；C为平衡溶液的浓度；G为溶液的加入量(kg)；W为吸附剂试样质量(kg)；2.45×10⁶是1kg次甲基蓝可覆盖活性炭样品的面积(m²?kg^-1)。

本实验溶液浓度的测量是借助于分光光度计来完成的，根据光吸收定律，当入射光为一定波长的单色光时，某溶液的吸光度与溶液中有色物质的浓度及溶液的厚度成正比，即：

A=KCL。

式中，A为吸光度；K为常数；C为溶液浓度；L为液层厚度。

实验首先测定一系列已知浓度的次甲基蓝溶液的吸光度，绘出A—C工作曲线，然后测定次甲基蓝原始溶液及平衡溶液的吸光度，再在A—C曲线上查得对应的浓度值，代入(1)式计算比表面。

三、预习要求

  1. 认真预习实验讲义，写出预习报告；

  2. 姓名、学号、班级、同组姓名；

  3. 预习报告完整、整洁、编页码；

  4. 简要的实验目的、原理、主要仪器设备、药品、装置图、实验步骤；

  5. 原始数据记录表（设计合理，用直尺划表格）；

  6. 提问（原理、方法、提示和思考问题等）。

四、仪器试剂

分光光度计1套；振荡器1台；分析天平1台；离心机1台；台秤(0.1g)1台；三角烧瓶(100mL，3只)；容量瓶(500mL，4只、100mL，5只)。

次甲基蓝原始溶液(2g?dm^-3)；次甲基蓝标准溶液(0.1g?dm^-3) ；颗粒活性炭。

五、实验步骤

  1. 活化样品  将活性炭置于瓷坩埚中放入500℃马福炉中活化1h(或在真空箱中300℃活化1h)，然后置于干燥器中备用。

  2. 溶液吸附  取100mL三角烧瓶3只，分别放入准确称取活化过的活性炭约0.1g，再加入40g浓度为2g?dm^-3的次甲基蓝原始溶液，塞上橡皮塞，然后放在振荡器上振荡3h。

  3. 配制次甲基蓝标准溶液  用台称分别称取4g、6g、8g、10g、12g浓度为0.1g?dm^-3的标准次甲基蓝溶液于100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，即得浓度分别为4mg?dm^-3、6mg?dm^-3、8mg?dm^-3、10mg?dm^-3、12mg?dm^-3的标准溶液。

  4. 原始溶液的稀释  为了准确测定原始溶液的浓度，在台称上称取浓度为2g?dm^-3的原始溶液2.5g放入500mL容量瓶中，稀释至刻度。

  5. 平衡液处理  样品振荡3h后，取平衡溶液5mL放入离心管中，用离心机旋转10min，得到澄清的上层溶液。取2.5g澄清液放入500mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释到刻度。

  6. 选择工作波长  用6mg?dm^-3的标准溶液和0.5cm的比色皿，以蒸馏水为空白液，在500～700nm波长范围内测量吸光度，以最大吸收时的波长作为工作波长。

  7. 测量吸光度  在工作波长下，依次分别测定4mg?dm^-3、6mg?dm^-3、8mg?dm^-3、10mg?dm^-3、12mg?dm^-3的标准溶液的吸光度，以及稀释以后的原始溶液及平衡溶液的吸光度。

【注意事项】

— 标准溶液的浓度要准确配制。

— 活性炭颗粒要均匀并干燥，且三份称重应尽量接近。

— 振荡时间要充足，以达到吸附饱和，一般不应小于3h。

【思考题】

  1. 比表面的测定与温度、吸附质的浓度、吸附剂颗粒、吸附时间等有什么关系？

  2. 用分光光度计测定次甲基蓝水溶液的浓度时，为什么还要将溶液再稀释到mg?dm^-3级浓度才进行测量？

  3. 固体在稀溶液中对溶质分子的吸附与固体在气相中对气体分子的吸附有何共同点和有何区别？

  4. 溶液产生吸附时，如何判断其达到平衡？

【讨论】

  1. 测定固体比表面时所用溶液中溶质的浓度要选择适当，即初始溶液的浓度以及吸附平衡后的浓度都选择在合适的范围内。既要防止初始浓度过高导致出现多分子层吸附，又要避免平衡后的浓度过低使吸附达不到饱和。如次甲基蓝在活性炭上的吸附实验中原始溶液的浓度为2g?dm^-3左右，平衡溶液的浓度不小于1mg?dm^-3。

  2. 按朗格谬尔吸附等温线的要求，溶液吸附必须在等温条件下进行，使盛有样品的三角瓶置于恒温器中振荡，使之达到平衡。本实验是在空气浴中将盛有样品的三角瓶置于振荡器上振荡。实验过程中温度会有变化，这样会影响测定结果。

六、数据处理

  1. 作A-C工作曲线。

  2. 求次甲基蓝原始溶液的浓度C₀和平衡溶液的浓度C。从A-C工作曲线上查得对应的浓度，然后乘以稀释倍数200，即得C₀和C。

  3. 计算比表面，求平均值。

七、参考文献

  1. 上官荣昌，物理化学实验(第2版)，高等教育出版社，2003

  2. 陈龙武，邓希贤，朱长缨，吴子生，臧威成，金虬. 物理化学实验基本技术. 华东师范大学出版, 1986.