Кинетика и термодинамика процесса сорбции органических кислот сорбентом на основе поливинилхлорида

Kinetics and thermodynamics of the process of sorption organic acid by sorbent on the basis of polyvinyl chloride
Цитировать:
Кинетика и термодинамика процесса сорбции органических кислот сорбентом на основе поливинилхлорида // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Бекчанов Д.Ж. [и др.]. 2017. № 10 (40). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/5166 (дата обращения: 27.10.2020).
Прочитать статью:
Keywords: polyvinyl chloride, anionite, anions of organic acids, chemisorption, kinetics, thermodynamic functions

АННОТАЦИЯ

Проведено изучение сорбции анионов органических кислот анионитами, полученными на основе гранулированного поливинилхлорида. Установлена зависимость величины статической обменной ёмкости анионитов при сорбции ионов из искусственных водных растворов от концентрации анионов органических кислот и температуры. Построены изотермы и найдены константы равновесия адсорбции, значения изменений термодинамических параметров процесса – изобарно-изотермического потенциала (∆G), энтальпии (∆Н) и энтропии (∆S).

ABSTRACT

The sorption of anions of organic acids by anion exchangers, obtained on the basis of granulated polyvinyl chloride, has been studied. The dependence of the static exchange capacity of anion exchangers on sorption of ions from artificial aqueous solutions on the concentration of anions of organic acids and temperature is established. Isotherms are constructed and adsorption equilibrium constants are found, the values of the changes in the thermodynamic parameters of the process are isobaric-isothermal potential (∆G), enthalpy (∆H) and entropy (∆S).

 

Введение

Анионообменные и комплексообразующие материалы широко используются для концентрирования разбавленных технологических растворов, содержащих ионы цветных металлов [2] такие материалы проявляют, как правило, высокую эффективность при удалении токсичных веществ из воздушной и водной среды даже при очень малых их содержаниях [4]. С использованием технологий, применяющих ионообмен­ные материалы, полученные из морских водорослей [5], из природных рассолов, сопровождающих месторождения нефти и газа, извлекают до 90% йода и брома [1]. Последние можно использовать, в частности, при концентрировании биологически активных веществ, получении каталитических систем с наночастицами металлов.

Современный уровень развития технологий извлечения и концентрирования ставит перед учёными, занимающимися ионным обменом, новые проблемы. Нужны не просто материалы, обладающие достаточной ёмкостью, а высокоселективные ионообменники. В числе последних немаловажное место занимают хелатообразующие материалы [3], обладающими макропористыми и микросетчатыми структурами [6].

Целью настоящего исследования является определение физико-химических параметров процесса сорбции анионов органических кислот ионообменным полимером ППЭ-1, получаемым модификацией гранулированного поливинилхлорида.

Объекты и методы исследования

В качестве сорбента был использован анионит на основе местного сырья - пластикат поливинилхлорида марки ППЭ-1 со статической обменной ёмкостью по HCI, равной 5,68 мэкв/г.

Сорбция анионов из искусственных растворов  муравьиной, уксусной и гликолевой кислот устанавливалась в статических условиях по изменению концентрации анионов органических кислот до и после сорбции. Для этого навеска сорбента массой 0,2 г помещалась в коническую колбу объёмом 250 мл и заливалась 50 мл раствора органической кислоты с различной концентрацией. Периодически отбирались аликвотные пробы, которые анализировались на содержание анионов органических кислот потенциометрическим титрованием.

Полученные результаты и их обсуждение

На Рис 1 приведены данные по изучению кинетики сорбции анионов органических кислот синтезированным сорбентом. Как видно из рисунка с повышением концентрации органических кислот наблюдается небольшое уменьшение удельной сорбции, что, по-видимому, объясняется увеличением подвижности  сорбируемых ионов.

 

Рисунок. 1. Кинетика сорбции уксусной (А), гликолевой (B) и муравьиной кислот ионитом ППЭ-1-Р. 1, 2, 3 - исходная концентрация кислот 0,5; 0,25; 0,1 моль/л соответственно, температура-313К

На 2 приведены изотермы сорбции анионов органических кислот сорбентом ППЭ-1 при различных температурах. Из рисунка видно, что повышение температуры и увеличение концентрации анионов органических кислот в исходном растворе приводит к возрастанию значений их сорбции.

Рисунок 2. Изотермы сорбции анионов уксусной (А), гликолевой (B) и муравьиной кислот ионитом ППЭ-1 при различных температурах. 1, 2, 3- температура сорбции 293, 303, 313К соответственно

 

Известно, что гетерогенные химические процессы присоединения и замещения, протекающие с участием постоянного числа функциональных групп, при их рассмотрении на базе закона действующих масс характеризуются уравнениями, имеющими «ленгмюровские» свойства. Для описания изотерм сорбции применено уравнение Ленгмюра в следующем виде:

где    К - константа равновесия адсорбции, 
Г¥- максимальная величина адсорбции для данной температуры.

Обычно для нахождения величин К и Г¥ уравнение Ленгмюра приводится к виду:

где В=1/К.

Строится график зависимости 1/Г от 1/С, которая согласно уравнению должна быть линейной; тогда тангенс угла наклона данной прямой даёт значение В/Г¥, а отрезок отсекаемый от оси ординат величину1/Г¥. На рис. 3, 4, 5 приведены зависимости 1/Г от 1/С для процесса сорбции анионов органических кислот сорбентом  при различных температурах.

Термодинамические функции были определены из зависимости констант равновесия от температуры: . Значения DН и DS находили по формуле . Для этого строили график зависимости RlnK от 1/Т. Из тангенса угла наклона этой прямой рассчитывали DН, а DS рассчитывали из уравнения: .

Рисунок 3. Зависимость 1/Г от 1/С при сорбции уксусной кислоты сорбентом ППЭ-1

Рисунок 4. Зависимость 1/Г от 1/С при сорбции гликолевой кислоты сорбентом ППЭ-1

       

Рисунок 5. Зависимость 1/Г от 1/С при сорбции муравьиной кислоты сорбентом ППЭ-1

В табл. 1 приведены установленные значения величин констант и термодинамические параметры сорбции ионов органических кислот сорбентом ППЭ-1. Как видно из этой таблицы величина константы равновесия адсорбции намного выше единицы, что свидетельствует о селективности процесса сорбции анионов органических кислот, а также подчинении данного процесса законам хемосорбции.

Таблица 1.

 Изменение термодинамических функций при сорбции анионов органических кислот ионитом ППЭ-1

T,K

Г,

ммол /Г

Kл/ммолъ

-,

Дж/молъ

-H,

Дж/молъ

-S,

Дж/молъ

Уксусная кислота

293

0,42

2873

20704

40000

62

303

0,37

2252

19438

68

313

0,16

559

15388

84

Гликолевая кислота

293

0,16

44643

27831

40000

39

303

0,13

15625

24172

52

313

0,11

10952

22643

59

Муравьиная кислота

293

0,08

15060

24969

26700

6

303

0,058

7142

22334

14

313

0,04

5000

20696

20

 

Из данных  таб.3 видно, что процесс сорбции анионов органических кислот протекает самопроизвольно с отрицательными значениями свободной энергии, энтальпии и энтропии системы. Уменьшение энтальпии и энтропии свидетельствует об очень сильном связывании ионов ванадия сорбентом.Исходя из вышеприведенного можно сделать вывод, что синтезированный сорбент может быть использован для концентрирования и извлечения органических кислот. В дальнейшем планируются работы по изучению селективности этого сорбента для извлечения ионов органических кислот.


Список литературы:

1. Демахин А. Г., Акчурин С. В., Муштакова С. П. Новый подход к проблеме извлечения йода из природных минеральных источников // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Химия. Биология. Экология. – 2011. – Т. 11. – №. 1. –С. 11-18.
2. Лызлова Е. В. Выделение и концентрирование актинидов из азотнокислых растворов с применением новых ионообменных материалов. Дисс. … канд техн. наук, Озерск, 2014. – С. 101.
3. Мясоедова Г. В. Хелатообразующие сорбенты для концентрирования микроэлементов //Определение ма-лых концентраций элементов. – 1986. – С. 78.
4. Перлова О. В., Ширыкалова А. А. Флотоэкстракционное извлечение соединений урана (VI) из разбавлен-ных водных растворов в присутствии добавок электролитов //Вісник Одеського національного університе-ту. Хімія. – 2010. – Т. 15. – №. 12-13. – С. 86-96.
5. Рожина Д. А., Пан Л. С., Маковеев А. С. Ионообменные свойства биосорбентов на основе морских водорос-лей и ферроцианидов железа и цинка, селективных к ионам цезия //Вестник Тамбовского университета. Се-рия: Естественные и технические науки. – 2014. – Т. 19. – №. 5.-C. 1458-1461
6. Inamuddin M.L. Ion Exchange Technology I: Theory and Materials. - New York – London: Springer Dordrecht Heidelberg, 2012. - 560 p.

Информация об авторах

докт. хим. наук, профессор, кафедра «Химия полимеров», Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, 100174, Республика Узбекистан, г. Ташкент, массив ВУЗгородок, 4

Doctor of Chemical Sciences, Professor, Department of Polymer Chemistry, M.Ulughbek National University of Uzbekistan, 100174, Uzbekistan, Tashkent, VUZgorodok,4

д-р хим. наук,доцент., Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

doctor of chemical sciences, associate professor National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

канд. хим. наук, доцент, Институт Биоорганической химии АН РУз., Узбекистан, г. Ташкент

candidate of chemical sciences, associate professor, Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences of Republic Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

научный сотрудник, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, Ташкент, улица Университетская, дом 4

research associate, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Universitetskaja st., 4

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top