Исследование зависимости эффективности адсорбции ионов меди (II) из водных растворов активированным углем от времени адсорбции и массы адсорбента

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование зависимости эффективности адсорбции ионов меди (II) из водных растворов активированным углем от времени адсорбции и массы адсорбента

Власов И.А. 1Лобанов Е.С. 1
1МБОУ "СОШ №90"
Пыкин А.Л. 1
1МБОУ "СОШ №90"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Очистка природных объектов от ионов тяжелых металлов является важной и актуальной экологической задачей современности, которая осложняется тем, что применяемые в настоящее время осадительные и другие реагентные методы (например, с использованием известкового молока) не позволяют снизить концентрацию нежелательных примесей в загрязненных растворах до нормативных значений.

Ионы тяжелых металлов являются токсичными для организма, они способны легко аккумулироваться живыми организмами, вызывая даже в небольших количествах нарушения их функционирования. Основными источниками загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами являются сточные воды гальванических и металлургических предприятий.

Одним из эффективных методов очистки признаны адсорбционные методы с использованием сорбентов, например, активированного угля. Активные угли, благодаря своей универсальности, занимают ведущее место среди адсорбентов. [1]

Цель работы –исследование зависимости времени адсорбции, массы активированного угля на эффективность адсорбции ионов меди (II) из водных растворов активированным углем

Задачи работы:

1) работа с литературными источниками по теме проекта;

2) получить данные по количеству адсорбированных ионов Cu2+от времени адсорбции и от массы адсорбента;

3) провести статистическую обработку данных, получить регрессионное уравнение зависимости эффективности адсорбции от массы адсорбента и времени адсорбции.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Явление адсорбции. Основные определения, виды и практическое

применение адсорбции

Адсорбция – это поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости. Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое — адсорбат.

Адсорбция бывает 2-х видов: химическая и физическая.

Химическая адсорбция (так называемая хемосорбция). Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80 – 125 кДж/моль. Взаимодействие кислорода с металлами (окисление). При химической адсорбции молекула адсорбированного вещества реагирует химическими связями на поверхности адсорбента.

Физической адсорбции адсорбированные молекулы остаются стабильными, сохраняя свою индивидуальность. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (~ 40 кДж/моль). Процесс физической адсорбции обратим, относится к не активируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбента окажутся на поверхности твердого или жидкого тела.

Адсорбционные процессы широко используются в различных сферах жизни и в настоящее время области применения адсорбции непрерывно расширяются, возникают новые технологические операции, основанные на адсорбции.

При помощи различных твёрдых адсорбентов производится улавливание ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахаров, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.

Адсорбцией извлекают малые количества веществ, растворенных в больших объёмах жидкости. Используются при крашении волокон, при обогащении полезных ископаемых. Ионообменная адсорбция нашла широкое применение в пищевой промышленности.

Адсорбцию из жидких растворов широко используют как метод очистки сточных вод для обезвреживания их от веществ, растворенных как в виде молекул, так и в виде ионов: красителей, пестицидов, гербицидов, фенолов, кислот, щелочей, солей, ПАВ и многих других.

Адсорбционные явления лежат в основе процессов крашения, стирки, хроматографии, гетерогенного катализа.

Использование различных адсорбентов при промышленном производстве пищевых продуктов позволяет осветлять растительные масла, вина, пиво; отбеливать сахарный сок.

В медицине − при лечении желудочных заболеваний, различного рода токсических отравлениях также активно протекают десорбционные процессы. Вкусовые ощущения человека связаны с адсорбцией пищевых веществ на определенных участках языка.

При помощи ионообменной адсорбции питаются растения, восстанавливается плодородие почв вносимыми удобрениями, умягчается и опресняется соленая вода, формируются вторичные рудные месторождения [2].

1.2 Активированный уголь: его структура и применение

Активированный уголь — пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения:  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.

Основная химическая структура очень близка к структуре чистого графита. Кристалл графита состоит из слоев сплавленных шестиугольников, удерживаемых слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Слои удерживаются углерод-углеродными связями.

Активированный уголь – это неорганизованная форма графита, что и дает ему такую высокую пористую структуру. Как следствие активированный уголь обладает сорбционной способностью. Пористая структура адсорбента варьируется и во многом зависит от исходного материала и способа производства. Структура пор в сочетании с силами притяжения – это то, что позволяет осуществлять адсорбции.

Рис. 1. Структура активированного угля. Изображение сканирующего электронного микроскопа (увеличение в 500 раз)

Области применения активированного угля: очистка воды, сорбция нефтепродуктов, очистка сточных вод, лечебные мероприятия [3].

1.3 Влияние ионов меди (II) на организм человека

Как и большинство поливалентных металлов медь играет важную роль в метаболизме животных.

а. Процессы кроветворения.

Медь стимулирует созревание ретикулоцитов (молодых эритроцитов) превращая поступающее с пищей железо в органически связанную форму.

б. Гормоны гипофиза.

Медь стимулирует выработку гормонов гипофиза, тем самым нормализируя работу эндокринной системы организма.

в. Ферменты.

Медь входит в большинство окислительных ферментов, усиливающих энергию дыхания, влияющих на белковый и углеводный обмен. Одним из самых важных считается цитохромоксидаза — фермент катализирующий финальный этап тканевого дыхания, осуществляющий перенос электронов цитохрома на кислород. Этот металл является важнейшим компонентом белка церулоплазмин, который ускоряет окисление полиаминов в плазме крови человека.

г. Защита организма.

Воздействуя вместе с аскорбиновой кислотой медь мешает проникновению в организм воспалителей и микробов. Во время инфекционных заболеваний, а также при особых формах цирроза печени наблюдается резкое увеличение медьсодержащих соединений в сыворотке крови.

д. Психологическое состояние.

После продолжительных исследований организма человека ученые сделали вывод, что медь оказывает влияние не только на физиологическое, но и на психологическое состояние человека. У людей склонных к агрессии в волосах содержится гораздо больше этого металла, чем у спокойных, сдержанных.

Но избыток меди может негативно влиять на организм человека, являясь тяжелым металлом и вызвать интоксикацию. Избыток Cu2+ в организме может привести негативным последствиям [4].

 

Глава 2. Экспериментальная часть

Для определения эффективности адсобции ионов меди активированным углем к раствору Cu2+ (в качестве источника ионов меди был использован пятиводный сульфат меди CuSO4*5H2O) добавляли навеску измельченного активированного угля. Оставшееся количество Cu2+ в растворе определяли методом титрования.

Титрование – это метод количественного анализа, процесс определения концентрации вещества, при котором к нему постепенно добавляют небольшие порции реагирующего с ним другого вещества до того момента, пока все определяемое вещество не вступит в реакцию.

Определение меди титрованием основано на следующих реакциях:

2CuSO4 + 4KI = 2CuI + I2 + 2K2SO4

I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6

К раствору сульфата меди добавляют избыток иодида калия, в результате выделившийся йод, соответствующий содержанию Cu2+ титруют раствором тиосульфата натрия. Конец реакции между йодом и тиосульфатом натрия устанавливают по изменению окраски раствора крахмала, который добавляют в раствор.

Для выполнения экспериментальной части требуется следующее оборудование и реактивы:

  • Бюретка для титрования;

  • Пипетка Мора объемом 10 мл;

  • Капельная пипетка;

  • Мерные колбы объемом 100 мл;

  • Колба для титрования;

  • Мерный цилиндр;

  • Ступка с пестиком;

  • Бумажные фильтры;

  • Стандартный раствор тиосульфата натрия Na2S2O3 с концентрацией 0,05 моль/л;

  • 10% раствор иодида калия KI;

  • Раствор сульфата меди CuSO4 с концентрацией 0,02 моль/л;

  • 1% раствор крахмала - индикатор;

  • дистиллированная вода;

  • активированный уголь

10% раствор иодида калия готовили растворением 10 г навески в 90 г воды. 0,02 М раствор сульфата меди готовили растворением 10 г соли в 200 мл воды, затем последующим разбавлением приготовленного раствора в 10 раз, раствор тиосульфата натрия с концентрацией 0,05 моль/л готовили из фиксанала.

Ход анализа:

1. В фарфоровой ступке растереть в порошок несколько таблеток активированного угля;

2. В мерных колбах на 100 мл приготовить 4 раствора сульфата меди с концентрацией 0,02 моль/л;

3. В плоскодонные колбы поместить навеску активированного угля, добавить раствор сульфата меди;

4. Затем полученную смесь отфильтровать на бумажном фильтре;

5. В чистую коническую колбу перенести 10 мл фильтрата, добавить 10 мл 10% раствора иодида калия, накрыть колбу часовым стеклом, оставить смесь в темноте на 3-5 минут;

6. После этого титруем раствором тиосульфата натрия до перехода бурой окраски в светло-желтую, затем прибавляем 20 капель раствора крахмала и продолжаем титрование до исчезновения синей окраски титруемого раствора от одной капли раствора тиосульфата натрия [5];

7. Титрование проводим не менее 3х раз

Глава 3. Результаты эксперимента

3.1 Изучение зависимости количества поглощенных ионов Cu2+ от

времени адсорбции

В ходе работы было проведен анализ 4 растворов, содержащие ионы Cu2+ после обработки активированным углем в течение 5, 15, 30, 60 минут соответственно.

Рис.2. Фильтрование раствора от активированного угля

Рис.3. Смесь после реакции сульфата меди с йодидом калия

Рис.4. Смесь окрасилась в темно-синий цвет после добавления крахмала

Рис.5. Точка эквивалентности – раствор обесцветился

Результаты титрования растворов тиосульфатом натрия (с=0,05 моль/л) представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты титрования

t, мин

V1(Na2S2O3), мл

V2(Na2S2O3), мл

V3(Na2S2O3), мл

Vcp(Na2S2O3), мл

5

3,9

3,8

3,7

3,8

15

3,7

3,8

3,7

3,73

30

3,6

3,8

3,7

3,7

60

3,6

3,7

3,6

3,63

Расчет содержания Cu2+ проводили по уравнениям реакции:

2CuSO4 + 4KI = 2CuI + I2 + 2K2SO4

I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6

n(I2) = 0,5n(Na2S2O3) → n(CuSO4) = 2n(I2) → n(CuSO4) = n(Na2S2O3)

n(CuSO4) = n(Na2S2O3) = c(Na2S2O3) * V(Na2S2O3)

Подробные расчеты содержания ионов меди (II) в растворе приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчеты содержания Cu2+ в растворе

t = 5 минут

V(Na2S2O3) = 3,8 мл

n(Na2S2О3) = 0,05 моль/л × 3,8 мл = 0,19 ммоль = n(CuSO4)

0,19 ммоль в 10 мл раствора

19 ммоль в 1000 мл раствора

с(Сu2+) = 0,019 моль/л

t = 15 минут

V(Na2S2O3) = 3,73 мл

n(Na2S2О3) = 0,05 моль/л × 3,73 мл = 0,1865 ммоль = n(CuSO4)

0,1865 ммоль в 10 мл раствора

18,65 ммоль в 1000 мл раствора

с(Сu2+) = 0,01865 моль/л

t = 30 минут

V(Na2S2O3) = 3,7 мл

n(Na2S2О3) = 0,05 моль/л × 3,7 мл = 0,185 ммоль = n(CuSO4)

0,185 ммоль в 10 мл раствора

18,5 ммоль в 1000 мл раствора

с(Сu2+) = 0,0185 моль/л

t = 60 минут

V(Na2S2O3) = 3,63 мл

n(Na2S2О3) = 0,05 моль/л × 3,63 мл = 0,1815 ммоль = n(CuSO4)

0,1815 ммоль в 10 мл раствора

18,15 ммоль в 1000 мл раствора

с(Сu2+) = 0,01815 моль/л

По результатам титриметрического анализа растворов определили количество поглощенной меди из раствора (таблица 3)

Таблица 3. Определение % поглощенных ионов Cu2+

t, мин

С0u2+), моль/л

С(Сu2+), моль/л

Кол-во поглощенной Cu2+, моль

%

5

0,02

0,019

0,001

5

15

0,02

0,01865

0,00135

6,75

30

0,02

0,0185

0,0015

7,5

60

0,02

0,01815

0,00185

9,25

По результатам анализа с увеличением времени адсорбции количество поглощенных ионов Cu2+ увеличивается. График зависимости представлен на рис.6

Рис.6. График зависимости доли поглощенных ионов Cu2+ от времени адсорбции

3.2 Изучение зависимости количества поглощенных ионов Cu2+ от массы

адсорбента

Для изучения зависимости количества поглощенных ионов Cu2+ от массы адсорбента были приготовлены растворы сульфата меди с концентрацией 0,02 моль/л. В 4 конические колбы, содержащие 100 мл 0,02М раствора сульфата меди, добавляли 0,1; 0,25; 1; 2 г активированного угля соответственно. Через 30 минут адсорбции проводили анализ растворов на содержание ионов Cu2+ по методике из главы 2. Результаты титрования представлены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты титрования

m(акт.угля),

г

V1(Na2S2O3), мл

V2(Na2S2O3), мл

V3(Na2S2O3), мл

Vcp(Na2S2O3), мл

0,1

3,9

3,8

3,9

3,87

0,25

3,6

3,8

3,7

3,7

1

3,7

3,6

3,6

3,63

2

3,5

3,5

3,5

3,5

Количество поглощенных ионов Cu2+ после обработки 0,1; 0,25; 1; 2 г адсорбента

Таблица 5. Определение % поглощенных ионов Cu2+

m(акт.

Угля), г

С0u2+), моль/л

С(Сu2+), моль/л

Кол-во поглощенной Cu2+, моль

%

0,1

0,02

0,01935

0,00065

3,25

0,25

0,02

0,0185

0,0015

7,5

1

0,02

0,01815

0,00185

9,25

2

0,02

0,0175

0,0025

12,5

По результатам титриметрического анализа установлено, что с увеличением массы активированного угля возрастает доля адсорбированных ионов Cu2+. График зависимости доли поглощенных ионов от массы адсорбента представлен на рис. 7.

Рис. 7. График зависимости поглощенных ионов Cu2+ от массы активированного угля

Глава 4. Построение регрессионной модели эффективности адсорбции

ионов меди (II) из водных растворов активированным углем

Регрессионный анализ - это аналитический статистический метод, позволяющий вычислить предполагаемые отношения между зависимой переменной и одной или несколькими независимыми переменными. Используя регрессионный анализ, появляется возможность моделировать отношения между выбранными переменными, а также спрогнозировать значения на основе модели.

Для построения регрессионный модели определяли эффективность адсорбции из 0,02М раствора сульфата меди при разной массе активированного угля и времени адсорбции по методике, представленной в главе 2. Полученные результаты представлены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты определения эффективности адсорбции

m угля/время

5 минут

15 минут

30 минут

60 минут

0,1 г

1,5%

2,75%

3,25%

4,55%

0,25 г

5%

6,75%

7,5%

9,25%

1 г

6,15%

7,85%

9,25%

12,25%

2 г

7,5%

10,5%

12,5%

14,25%

Полученный массив данных был обработан с помощью программного обеспечения СТАТИСТИКА. В результате статистической обработки был получен трехмерный график зависимости желательности от массы угля и от времени адсорбции (рис.8)

Рис. 8. Трехмерный график зависимости желательности параметров от времени адсорбции и массы активированного угля

По результатам обработки массива данных было получено регрессионное уравнение, отражающее зависимость эффективности адсорбции от массы угля и времени адсорбции из 0,02М раствора сульфата меди.

W = 1,11 + 7,02·m – 2,05·m2 + 0,14·t – 0,001·t2 + 0,03·m·t

(R2 = 0,89)

Где W – эффективность адсорбции (%),

m – масса активированного угля (г),

t – время адсорбции (мин).

Выводы

1. Изучена литература по теме проекта;

2. Освоен один из методов количественного анализа – титриметрический;

3. Изучен процесс адсорбции ионов Cu2+ активированным углем. Установлено, что с увеличением времени адсорбции и массы используемого активированного угля увеличивается доля адсорбированных ионов.

4. Активированный уголь можно использовать для понижения концентрации ионов меди в растворе.

5. Проведена статистическая обработка данных, получено регрессионное уравнение при R2 = 0,89

Список литературы

1. Linnikov, O. D., Rodina, I. V., Baklanova, I. V., & Suntsov, A. Y. (2018). Сорбция ионов меди активированным углём марки БАУ-А. Сорбционные и хроматографические процессы18(4), 554-562. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2018.18/563

2. Шумяцкий, Ю.И. Адсорбционное процессы: учебное пособие / Ю.И. Шумяцкий. – Москва: Изд-во РХТУ, 2005. – 164 с.

3. Струнина А.В., Белозовский А.Б., Савельева И.Ф., Каплан Л.К., Голубев В.Н., Старицина Г.И. Очистка природного газа от меркаптанов активированными углями // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности / Деменева Э.М., Сукманова К.Г. (ред). — Пермь: Ленинградский технологический институт, 1969. — Т. (выпуск 2). — С. 51-59. — 149 с. — 600 экз.]

4. Влияние меди на организм человека [Электронный ресурс] https://zctc.ru/sections/vliyaniye_medi_na_organizm_cheloveka_1 (дата обращения 15.01.2023)

5. Шрайбман, Г.Н. Количественный химический анализ: учебно-методическое пособие для студентов 2 курса химического факультета / ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»; сост. Г.Н. Шрайбман, О.Н. Булгакова, Н.В. Иванова. - Кемерово, 2012. - 80 с.

6. Регрессионный анализ [Электронный ресурс] https://doc.arcgis.com/ru/insights/latest/analyze/regression-analysis.htm (дата обращения 07.02.2024)

Просмотров работы: 21