I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

УГЛЕРОДНЫЕ СОРБЕНТЫ: НАЗВАНИЕ ОДНО, СВОЙСТВА РАЗНЫЕ

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Киселёв А.С. 1Степанов А.И. 1

---

1Государственное бюджетное образовательное учреждение средняя образовательная школа № 77 с углубленным изучением химии Петроградского района г. Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

200.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьника

ВВЕДЕНИЕ

В прошлом году мы впервые попробовали свои силы в качестве исследователей. Работа исследователя нас заинтересовала, и мы с нетерпением ждали начала новой экспериментальной работы.

В качестве объекта исследования мы снова выбрали углеродные сорбенты, т.е. такие твердые вещества, которые могут поглощать жидкости и газы. Анализируя сведения об углеродных сорбентах (или по-другому активированных углях) мы узнали, что они имеют очень широкий круг применения: для очистки воздуха и воды на заводах и фабриках, для ликвидации нефтяных пятен в морях и океанах, в противогазах и системах жизнеобеспечения, для дополнительной очистки водопроводной воды и во многих других сферах [1, 3, 4, 6].

В связи с этим, нам захотелось узнать, одинаковыми ли свойствами обладают сорбенты, которые используются в различных областях, ведь в основе их одно и то же вещество – углерод.

Целью данного исследования стало изучение свойств углеродных сорбентов, применяемых в различных областях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• узнать, что такое плотность и как ее измеряют у активированных углей;

• изучить, как получают углеродные сорбенты;

• провести измерение пикнометрической и гравиметрической плотности сорбентов, применяемых в различных областях.

Основная часть

1. Плотность углеродных сорбентов

Одной из важных характеристик сорбентов, которые определяют их свойства и области применения, является плотность. Зная плотность пористого материала можно судить о его прочности, пористости – важных показателях, которые обуславливают пригодность материала к использованию вообще[5].

Плотность вещества показывает, сколько весит единица его объёма (т.е. 1см³, 1дм³, 1м³ и т.д.). Чтобы вычислить плотность надо массу тела m разделить на его объём V.

Измеряется плотность в г/см³, кг/м³.

Помимо этого мы имеем дело не со сплошным материалом, а с пористым. Поэтому для того, чтобы получить значения плотности сорбентов необходимо проводить специальные исследования.

Для углеродных сорбентов принято измерять

• истинную,

• пикнометрическую,

• кажущуюся и

• гравиметрическую плотности.

В совокупности они позволяют наиболее полно оценить сорбент. С их помощью определяют, какой объем пор содержит исследуемый образец.

Для определения истинной плотности необходимо сложное оборудование, включающее в себя рентгеновскую установку. На данном этапе провести такое исследование мы не можем. Поэтому в своей исследовательской работе мы будем определять пикнометрическую, кажущуюся и гравиметрическую плотности, а также суммарный объем пор. А при измерении кажущейся плотности используются вещества, с которыми детям работать запрещено, поэтому эту характеристику мы так же оставим без рассмотрения. Таким образом, в работе мы исследуем пикнометрическую плотность образцов, которая характеризует само пористое тело. И гравиметрическую плотность, являющуюся характеристикой слоя сорбента.

Согласно литературным данным, пористость, плотность, внешний вид и другие свойства, а, следовательно, и области применения углеродных сорбентов зависят от исходного сырья, из которого они получены, и от способа их получения.

2. Способы получения углеродных сорбентов

Производство углеродных сорбентов – очень сложный и длительный процесс. Известно, что активированные угли производят из различного растительного и ископаемого сырья, богатого углеродом. К растительному сырью относят древесину, торф и косточки таких плодовых деревьев как кокос, персик, абрикос. Ископаемым сырьем служит каменный уголь [1].

Процесс производства активированных углей проходит в несколько основных стадий: измельчение исходного сырья, формирование гранул и активация. На последней стадии в углеродном материале образуются поры, которые и придают сорбентам их уникальные свойства. Особенности получения активированных углей из различного сырья показаны на схеме на рисунке 3.

Исходное сырье

Дробление растительного сырья

Дробление каменного угля

Активация водяным паром при 850⁰С

Отбор гранул определенного размера

Дробление торфа

Смешение с химическими реагентами

Смешение со смолой

Гранулирование

Гранулирование

Измельчение

Измельчение

Нагрев в печи при 850⁰С

Активация водяным паром при 850⁰С

Рисунок 3. – Схема производства активированных углей из различного сырья

Так при производстве углеродных сорбентов из ископаемого сырья каменный уголь размалывают, смешивают полученную пыль со смолой и пропускают полученную смесь через устройство похожее на огромную мясорубку. Таким образом получают гранулы по форме напоминающие цилиндр. Они получаются довольно длинными, поэтому их измельчают до длины 2 – 4 мм. После этого гранулы отправляют в печь, где на них воздействуют водяным паром.

В случае использования растительного сырья пористая структура образуется двумя способами:

Под воздействием химических реагентов;

При действии водяного пара.

В первом случае сырье – торф – измельчают и подвергают воздействию химического активатора. Потом смесь гранулируют, отправляют в печь и выдерживают при 850^оС.

Если же в качестве сырья используют древесину, то ее дробят, отбирают частички определенного размера и подвергают воздействию водяного пара при температуре 800 – 900^оС.

В качестве объектов исследования были выбраны активированные угли, полученные из древесины и скорлупы кокосового ореха, используемые для удаления вредных и опасных веществ из жидких сред.

3.Приборы и материалы

В качестве объектов исследования (рис. 4) были выбраны активированный уголь – лекарственный препарат (а), уголь из фильтра для дополнительной очистки водопроводной воды (б) и два образца, используемые в установках для очистки сточных вод (в,г).

Рисунок 4. Исследуемые образцы.

При проведении исследования нами использовались следующие приборы и посуда.

1. Цилиндры применялись для отбора заданного объема образца при определении гравиметрической плотности.

2. Пикнометры объемом 25 мл использовались для определения пикнометрической плотности.

3. Электроплитка.

4. Сушильный шкаф применяется для высушивания и прогревания веществ и посуды.

5. Совочки и лопаточки.

6. Аналитические весы .

7. Пипетки для дозирования малых объемов дистиллированной воды.

8. Промывалка для хранения небольших объемов дистиллированной воды на рабочем месте.

4. Определение пикнометрической плотности [5]

Определение пикнометрической плотности проводят в два этапа.

1. Определение постоянной пикнометра.

Постоянная пикнометра показывает сколько грамм воды помещается в пикнометр. Для этого сухой чистый пикнометр с пробкой взвесили на аналитических весах. Затем пикнометр заполнили водой до метки снова взвесили.

Постоянная пикнометра - это разность между массой пикнометра с водой и массой пустого пикнометра .

1. Определение пикнометрической плотности.

Для определения пикнометрической плотности в пикнометр поместили навеску образца, долили в пикнометр дистиллированной воды примерно на 2/3 шарика и кипятили на электроплитке в течение часа.

Пикнометры с образцами остудили до комнатной температуры и довели дистиллированной водой до метки. Взвесили пикнометры на аналитических весах.

Результаты всех измерений занесли в таблицу 1.

5. Определение гравиметрической плотности [5]

Для того, чтобы определить гравиметрическую плотность цилиндр объемом 25 мл взвесили на аналитических весах и заполнили предварительно высушенным образцом. Уплотнили его до постоянного объема и взвесили цилиндр с образцом (табл. 2).

6. Результаты эксперимента

После измерений были произведены расчеты пикнометрической (4) и гравиметрической (5) плотностей исследуемых образцов, используя измеренные массы.

– пикнометрическая плотность, см³/г; m– масса образца, г; К – постоянная пикнометра, г (1); m₄ – масса пикнометра с сорбентом и водой, г; m₃ – масса пикнометра с образцом, г.

– гравиметрическая плотность, см³/г; – масса пустого цилиндра, г; – масса цилиндра с образцом, г;

Все результаты измерений и рассчетов заносили в таблицы 1 и 2.

Поскольку мы уже умеем определять порядок действий при выполнении расчетов, но еще не знаем, как оперировать дробными числами, расчеты производили при помощи калькулятора.

Таблица 1. – Определение пикнометрической пллтности образцов.

Таблица 2. – Определение гравиметрической плотности образцов.

Анализ полученных данных показал, что несмотря на практически одинаковый состав (образцы содержат до 97% углерода) и общее название – активированый уголь, их свойства могут значительно отличаться друг от друга (таблица 1, 2).

Разница может составлять до 50%. Это еще раз подтверждает литературные данные, свидетельствующие о том, что свойства продукта сильно зависят от исходного сырья и способа получения, а не исключительно от состава продукта. Полученные данные также позволяют убедиться в том, что наличие пор в твердом теле существенно влияет на его характеристики.

А, поскольку величина плотности сорбентов характеризует их пористость, то можно утверждать, что и поглотительные свойства исследуемых образцов различаются.

Заключение

В прошлом году при проведении исследовательской работы мы начали знакомиться с большой группой веществ – сорбентами. При проведении настоящего исследования мы узнали много нового об этих веществах.

• Из анализа литературы мы выяснили , что для сорбентов одной из основных характеристик, которая используется для оценки их качества , служит их плотность. И для более полной оценки измеряют истиную, пикнометрическую , кажущуюся и гравиметрическую плотности.

• Мы выяснили, что для производства активированных углей применяется растительное и ископаемое сырье, богатое углеродом.

• Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что за названием активированный уголь скрываются твердые пористые вещества, сильно отличающиеся по своим свойствам..

• Проведя исследовательскую работу, мы выявили, что за одним названием – активированный уголь – может стоять множество продуктов, сильно отличающихся друг от друга по своим свойствам.

Список литературы

1. Кинле Х., . Активные угли и их промышленное применение/ Кинле Х, Бадер Э.. – Л.: Химия, 1984. – 125 с.

2. Колосенцев, С.Д. Методы исследования микропористой структуры высокодисперсных пористых тел: метод. указания./. Колосенцев С.Д, Черепов А.Г., Устинов Е.А.; ЛТИ им Ленсовета. Каф. сорбционной техники.- Л., 1986.- 24 с.

3. Колосенцев С.Д., Киселева В.Л. Федоров Н.Ф. Гидрофобность и электрохимическое состояние поверхности промышленных активированных углей // Современные естественно-научные основы в материаловедении и экологии. Сборник трудов. - С-Пб.: ПГУПС, 2000. - с. 115 – 119.

4. Николаев, В. Г. Энтеросорбция: состояние вопроса и перспективы на будущее / В. Г. Николаев [и др.] // Вісник проблем біології і медицини. — 2007. — Випуск 4. — С. 7-17.

5. Черепов, А.Г. Определение пикнометрической, кажущейся и гравиметрической плотностей высокодисперсных пористых тел: Метод. указания /Черепов А.Г., Юркевич А.А., Ворожбитова Л.Н., Севрюгов Л.Б.; ЛТИ им Ленсовета, каф. сорбционной техники.- Л., 1983.- 30 с.

6. https://ru.wikipedia.org/wiki