WPŁYW CHEMIZMU POWIERZCHNI WĘGLA NA ADSORPCJĘ SO 2



Podobne dokumenty
BADANIA POROWATOŚCI MATERIAŁÓW WĘGLOWYCH MODYFIKOWANYCH NA DRODZE CHEMICZNEJ

BADANIA FIZYKOCHEMICZNE SFERYCZNYCH MATERIAŁÓW WĘGLOWYCH PREPAROWANYCH NA BAZIE ŻYWIC JONOWYMIENNYCH

Sorpcja wody przez produkty żywnościowe (cz. II)

WYZNACZANIE FUNKCJI ROZKŁADU ODLEGŁOŚCI MIĘDZYRURKOWYCH - SYMULACJE GCMC ADSORPCJI AZOTU W PRZESTRZENIACH MIĘDZY NANORURKAMI WĘGLOWYMI

PREPARATYKA WĘGLA AKTYWNEGO ZAWIERAJĄCEGO AZOT W WARUNKACH PODWYŻSZONEGO CIŚNIENIA

TEORIA OBJĘTOŚCIOWEGO ZAPEŁNIANIA MIKROPORÓW - WERYFIKACJA METODAMI SYMULACJI KOMPUTEROWYCH

Termodynamika fazy powierzchniowej Zjawisko sorpcji Adsorpcja fizyczna: izoterma Langmuira oraz BET Zjawiska przylegania

Adsorpcja pary wodnej na modyfikowanych węglach aktywnych

ADSORPCJA SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH NA PYLISTYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

Zjawiska powierzchniowe

WPŁYW ph ROZTWORU WODNEGO NA WIELKOŚĆ SORPCJI KWASU FTALOWEGO

ADSORPCJA BŁĘKITU METYLENOWEGO I JODU NA WYBRANYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

- dr, Maria Leżańska, Wydział Chemii Gagarina 7, p.221, , -

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

Wykład 5. Anna Ptaszek. 9 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 5. Anna Ptaszek 1 / 20

Produkty Chemiczne Część węglowa

KINETYKA REAKCJI CO 2 Z WYBRANYMI TYPAMI AMIN W ROZTWORACH WODNYCH

Sorpcja chromu Cr(VI) w obecności kwasu benzoesowego na wybranych węglach aktywnych

ZMIANA PARAMETRÓW TERMODYNAMICZNYCH POWIETRZA W PAROWNIKU CHŁODZIARKI GÓRNICZEJ Z CZYNNIKIEM R407C***

Wykład 13. Anna Ptaszek. 4 stycznia Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemia biopolimerów - wykład 13.

Wykład 5. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemiczne podstawy procesów przemysłu

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

WYKRYWANIE ZANIECZYSZCZEŃ WODY POWIERZA I GLEBY

Wykład z Chemii Ogólnej

MECHANIZMY ADSORPCJI FENOLI Z ROZTWORÓW WODNYCH NA WĘGLACH AKTYWNYCH

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

HETEROGENICZNOŚĆ STRUKTURALNA ORAZ WŁAŚCIWOŚCI ADSORPCYJNE ADSORBENTÓW NATURALNYCH

Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu - reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne, szybkość reakcji chemicznych

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW

WYKORZYSTANIE WĘGLI AKTYWNYCH DO SORPCJI MIEDZI Z ROZTWORÓW WODNYCH

Modelowanie molekularne

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

PODSTAWOWE POJĘCIA I PRAWA CHEMICZNE

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

WPŁYW CHARAKTERU CHEMICZNEGO POWIERZCHNI WĘGLA AKTYWNEGO NA ADSORPCJĘ FENOLI Z WODY

Symulacja Monte Carlo izotermy adsorpcji w układzie. ciało stałe-gaz

Odtwarzanie struktury nanomateriałów węglowych

Granulowany węgiel aktywny z łupin orzechów kokosowych: BT bitumiczny AT - antracytowy 999-DL06

Nazwy pierwiastków: ...

WZORU UŻYTKOWEGO PL Y1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 11/13

MATERIAŁY POROWATE WZBOGACONE W AZOT OTRZYMANE NA DRODZE AMONIZACJI WĘGLI AKTYWOWANYCH WODOROTLENKIEM POTASU

TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA I OCZYSZCZANIA WODORU DLA ENERGETYKI PRZYSZŁOŚCI

LABORATORIUM SPALANIA I PALIW

Modelowanie adsorpcji związków biologicznie czynnych na materiałach węglowych

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

PORÓWNANIE METOD OCENY STOPNIA ZUŻYCIA WĘGLA AKTYWNEGO STOSOWANEGO W PROCESIE UZDATNIANIA WODY

Pracownia. Cwiczenie 23

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

ZAGROŻENIA GAZOWE CENTRALNA STACJA RATOWNICTWA GÓRNICZEGO G

Dr hab. Andrzej GIERAK Prof. UJK Kielce, Instytut Chemii Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Adsorpcja kwasu octowego na węglu aktywnym. opracowała dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Granulowany Węgiel Aktywny z łupin orzechów kokosowych BT bitumiczny AT antracytowy

Modelowanie molekularne

Załącznik nr 1. do wniosku o nadanie stopnia doktora habilitowanego. Autoreferat. wersja polskojęzyczna

KARTA KURSU. Chemia fizyczna I. Physical Chemistry I

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Procentowa zawartość sodu (w molu tej soli są dwa mole sodu) wynosi:

Inżynieria i Ochrona Środowiska 2013, t. 16, nr 3, s

OPRACOWANIE TECHNOLOGII ZGAZOWANIA WĘGLA DLA WYSOKOEFEKTYWNEJ PRODUKCJI PALIW I ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Praca objętościowa - pv (wymiana energii na sposób pracy) Ciepło reakcji Q (wymiana energii na sposób ciepła) Energia wewnętrzna

MODELE BUDOWY WĘGLA AKTYWNEGO I MOŻLIWOŚĆ ICH WYKORZYSTANIA W BADANIU ZJAWISK POWIERZCHNIOWYCH

Mol, masa molowa, objętość molowa gazu

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

1. Określ liczbę wiązań σ i π w cząsteczkach: wody, amoniaku i chloru

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

ADSORPCJA WYBRANYCH ZANIECZYSZCZEŃ WODY I POWIETRZA NA WĘGLU AKTYWNYM WZBOGACONYM W AZOT

Kontakt,informacja i konsultacje

OKREŚLENIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK132 NA PODSTAWIE METODY ATND.

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji?

Zajęcia 10 Kwasy i wodorotlenki

FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI NIEMODYFIKOWANYCH I CHEMICZNIE MODYFIKOWANYCH WĘGLI AKTYWNYCH NA PRZYKŁADZIE WĘGLA WG-12

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Wiązania chemiczne, budowa cząsteczek

Laboratorium Podstaw Biofizyki

Nowa ekologiczna metoda wykonywania odlewów z żeliwa sferoidyzowanego lub wermikularyzowanego w formie odlewniczej

Woltamperometryczne oznaczenie paracetamolu w lekach i ściekach

Politechnika Wrocławska. Procesy Chemiczne. Ćw. W3 Adsorpcja z roztworów na węglu aktywnym. Kinetyka procesu. Opracowane przez: Ewa Lorenc-Grabowska

BADANIE STRUKTURY POROWATEJ WĘGLI AKTYWNYCH METODĄ TERMOGRAWIMETRYCZNĄ

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY Z CHEMII DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW - rok szkolny 2016/2017 eliminacje rejonowe

ADSORPCJA PARACETAMOLU NA WĘGLU AKTYWNYM

Natura powierzchni węgla aktywnego utlenianego w fazie gazowej

Modyfikacja w aêciwoêci w gla aktywnego pod kàtem przydatnoêci do oczyszczania zu ytych olejów jadalnych

Karta modułu/przedmiotu

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

Kierunek: Paliwa i Środowisko Poziom studiów: Studia II stopnia Forma studiów: Stacjonarne. Wykład Ćwiczenia

1. Określ, w którą stronę przesunie się równowaga reakcji syntezy pary wodnej z pierwiastków przy zwiększeniu objętości zbiornika reakcyjnego:

Kryteria oceniania z chemii kl VII

Roztwory buforowe (bufory) (opracowanie: dr Katarzyna Makyła-Juzak)

I II I II III II. I. Wartościowość pierwiastków chemicznych. oznacza się cyfrą rzymską. tlenek żelaza (III) C IV O II 2

WPŁYW TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI SORPCYJNE LIOFILIZOWANEJ MARCHWI

ANEKS 5 Ocena poprawności analiz próbek wody

1. W źródłach ciepła:

Porównanie powierzchni właściwej i rozmiaru porów węgla metodami sorpcyjnymi w różnych temperaturach

Konsekwencje termodynamiczne podsuszania paliwa w siłowni cieplnej.

Wojewódzki Konkurs Przedmiotowy z Chemii dla uczniów gimnazjów województwa śląskiego w roku szkolnym 2014/2015

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie OLIMPIADA O DIAMENTOWY INDEKS AGH 2017/18 CHEMIA - ETAP I

FIZYKOCHEMICZNE METODY ANALIZY W CHEMII ŚRODOWISKA

Transkrypt:

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008) SYLWESTER FURMANIAK, ARTUR P. TERZYK, PIOTR A. GAUDEN GRZEGORZ S. SZYMAŃSKI, GERHARD RYCHLICKI Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Wydział Chemii, Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy, Zespół Fizykochemii Materiałów Węglowych ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń, www.chem.uni.torun.pl/~aterzyk MONIKA MOTAK Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Paliw i Energii al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków WPŁYW CHEMIZMU POWIERZCHNI WĘGLA NA ADSORPCJĘ SO 2 Badano adsorpcję SO 2 na serii azotowanych węgli D43/1. Otrzymane dane opisano, stosując model CMMS Malakhova i Volkova. Stwierdzono, że uzyskane z opisu danych wielkości stałych modelu CMMS korelują z zawartością tlenu wyznaczoną na podstawie analizy elementarnej. Otrzymane wyniki prowadzą do wniosku, że jeśli proces sorpcji SO 2 prowadzony jest bez dostępu tlenu i wilgoci, za wzrost zdolności adsorpcyjnych węgli w stosunku do SO 2 nie jest odpowiedzialny powierzchniowy azot, lecz powierzchniowy tlen grup funkcyjnych. Zatem w takich warunkach nie obserwuje się mechanizmu utleniającej adsorpcji SO 2. SŁOWA KLUCZOWE: adsorpcja SO 2, model CMMS, węgiel aktywny WSTĘP Węgle aktywne znajdują szerokie zastosowanie przy oczyszczaniu gazów odlotowych z SO 2, gazu wywierającego szkodliwe działanie na środowisko naturalne, ze względu przede wszystkim na jego udział w powstawaniu tzw. kwaśnych deszczów. Na proces wiązania gazowego SO 2 przez węgle aktywne duży wpływ ma chemiczna natura ich powierzchni. Temat ten jest przedmiotem niniejszej pracy. 1. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA Badano serię modyfikowanych węgli D43/1 (Carbo-Tech, Essen, Niemcy). Oznaczenie próbek oraz sposób ich modyfikacji zebrano w tabeli 1. Porowatość badanych węgli charakteryzowano za pomocą opisu wyników pomiarów niskotemperaturowych izoterm adsorpcji N 2 [1]. Wykazano, że tylko dla próbek DN1173 i DN11736 obserwuje się znaczne zmiany w porowatości w stosunku do węgla wyjściowego (wzrost pola powierzchni BET o ok. 25%). Zatem uzasadnione wydaje się przyporządkowanie zmian w zdolnościach sorpcyjnych badanych

242 S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, G.S. Szymański, M. Motak, G. Rychlicki materiałów względem SO 2 zmianami chemicznej natury ich powierzchni. Zmiany zawartości pierwiastków na powierzchni określono metodą analizy elementarnej [1]. TABELA 1. Warunki i modyfikatory węgla D43/1 [1] Węgiel D DHe5733 DHe1023 DHe11733 DH11733 DN10233 DN10236 DN10239 DN11733 DN11736 DN14233 Zastosowana procedura modyfikacji D43/1 odpopielony stęż. HCl i HF (298 K) D wygrzany w He (20 dm 3 /h, 573 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w He (20 dm 3 /h, 1023 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w He (20 dm 3 /h, 1173 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w H 2 (20 dm 3 /h, 1173 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1023 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1023 K, 6 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1023 K, 9 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1173 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1173 K, 6 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) D wygrzany w NH 3 (20 dm 3 /h, 1423 K, 3 h), chłodzony w He (25 dm 3 /h) Adsorpcję SO 2 mierzono w T = 273 K do wielkości ciśnienia względnego (p/p s ) 0,33 za pomocą tradycyjnej aparatury objętościowej, desorbując przed pomiarem węgle w 423 K do uzyskania stałego ciśnienia (10 3 Torr). 2. WYNIKI Uzyskane izotermy adsorpcji opisano, stosując modele: Totha [2] i BET [3]. Reprezentatywne wyniki zestawiono na rysunkach 1 i 2. Rys. 1. Opis wybranych danych doświadczalnych adsorpcji SO 2 na węglach D modelem Totha

Wpływ chemizmu powierzchni węgla na adsorpcję SO 2 243 Rys. 2. Opis wybranych danych doświadczalnych adsorpcji SO 2 na węglach D modelem BET W celu termodynamicznej weryfikacji równania izotermy CMMS [4] postanowiono dokonać opisu izoterm i entalpii adsorpcji SO 2 opublikowanych dla adsorpcji na węglu Norit przez Murphy ego i wsp. [5]. W tym celu wyprowadzono równanie na izosteryczną entalpię adsorpcji odpowiadającą modelowi CMMS [1]. Rysunek 3 wskazuje, że model CMMS w zadowalający sposób opisuje nie tylko izotermy adsorpcji na węglu Norit, ale także energetykę tego procesu. Na rysunku 4 zamieszczono wyniki opisu danych adsorpcji SO 2 na węglach omawianych w niniejszej pracy. Spośród badanych modeli najlepsze dopasowanie wykazuje model CMMS. Ponadto, zaobserwowano występowanie liniowej korelacji między wielkościami stałych tego modelu a zawartością tlenu określoną z analizy elementarnej (rys. 4). Spowodowane jest to realistycznymi założeniami modelu CMMS, który, oprócz uwzględnienia wypełniania przestrzeni porów, bierze pod uwagę także zjawisko asocjacji międzycząsteczkowej [1, 4]. Wielu autorów podkreślało, że obecność powierzchniowych ugrupowań zawierających azot zwiększa adsorpcję SO 2 na węglach [6-12]. Jeśli badano adsorpcję SO 2 zawierającego wilgoć w obecności tlenu, stwierdzano występowanie korelacji między zawartością azotu a zdolnościami adsorpcyjnymi węgli [10, 11]. Jednakże nie stwierdzano takich korelacji dla suchego SO 2 i bez obecności tlenu. Wnikliwa analiza własności modelu CMMS prowadzi do wniosków, że wzrost stałej K 0 modelu wynika ze zwiększania adsorpcji przy niskich ciśnieniach, natomiast wzrost stałej K 1 w całym zakresie izotermy.

244 S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, G.S. Szymański, M. Motak, G. Rychlicki Rys. 3. Opis danych doświadczalnych adsorpcji i entalpii adsorpcji SO 2 na węglu Norit opublikowanych przez Murphy ego i wsp. [5] Rys. 4. Opis wybranych danych doświadczalnych adsorpcji SO 2 na węglach D modelem CMMS

Wpływ chemizmu powierzchni węgla na adsorpcję SO 2 245 Rys. 5. Korelacja między wielkościami stałych modelu CMMS a zawartością tlenu na powierzchni badanych węgli Zatem wyniki z rysunku 4 prowadzą do wniosku, że przy niskich ciśnieniach polarne cząsteczki SO 2 adsorbują się, oddziałując z grupami tlenowymi powierzchni. Jest to w zgodności z wynikami badań innych autorów [13-18], którzy obserwowali wzrost sorpcji SO 2 ze wzrostem zawartości tlenu na powierzchni. Na przykład badania kalorymetryczne Wanga i Kaneko [15, 16] doprowadziły do wniosku, że wysoka energia adsorpcji powodowana jest oddziaływaniami elektrostatycznymi między dipolami SO 2 i tlenem powierzchniowych grup funkcyjnych węgla. W związku z tym można stwierdzić, że przeprowadzone modyfikacje powierzchni węgli zmieniają zdolności adsorpcyjne względem SO 2 nie poprzez wprowadzenie na powierzchnie grup zawierających azot, ale poprzez zmianę w zawartości powierzchniowego tlenu. W przypadku obecności tlenu i wody rola powierzchniowego azotu związana jest z częściowym utlenianiem SO 2 do SO 3, który w obecności wilgoci tworzy H 2 SO 4, a ten sorbuje się na centrach zasadowych [7, 9-11]. Zatem brak relacji między zdolnościami sorpcyjnymi badanych węgli i zawartością azotu, a występowanie korelacji pokazanej na rysunku 4 prowadzi do wniosku o niewystępowaniu w badanych warunkach mechanizmu utleniającej adsorpcji SO 2. WNIOSKI Korelacja między parametrami modelu CMMS a zawartością powierzchniowego tlenu, stwierdzona dla adsorpcji SO 2 na badanej serii węgli, prowadzi do wniosku o braku utleniającej adsorpcji SO 2 i zmianie mechanizmu sorpcji tej molekuły w porównaniu z obserwowanym, gdy w środowisku obecny jest tlen i woda.

246 S. Furmaniak, A.P. Terzyk, P.A. Gauden, G.S. Szymański, M. Motak, G. Rychlicki LITERATURA [1] Furmaniak S., Terzyk A.P., Gauden P.A., Szymański G.S., Motak M., Kowalczyk P., Rychlicki G., Langmuir 2006, 22, 6887. [2] Toth J., Acta Chim. Acad. Sci. Hungar. 1971, 69, 311. [3] Brunauer S., Emmett P.H., Teller E., J. Am. Chem. Soc. 1938, 60, 309. [4] Malakhov A.O., Volkov V.V., Vysokomolekul. Soed. A 2000, 42, 1721. [5] Murphy W.J., Ross R.A., Glass R.W., Ind Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1977, 16, 69. [6] Mangun C.L., DeBarr J.A., Economy J. Carbon 2001, 39, 1689. [7] Bagreev A., Bashkova S., Bandosz T.J., Langmuir 2002, 18, 1257. [8] Boudou J.P., Chehimi M., Broniek E., Siemieniewska T., Bimer J., Carbon 1999, 41, 1999. [9] Boudou J.P., Carbon 2003, 41, 1955. [10] Li K., Ling L., Lu C., Qiao W., Liu Z., Liu L., Mochida I., Carbon 2001, 39, 1803. [11] Raymundo-Pinero E., Cazarola-Amoros D., Linares-Solano A., Carbon 2003, 41, 1925. [12] Muniz J., Herrero J.E., Fuertes A.B., Appl. Catal. B 1998, 18, 171. [13] Beebe R.A., Dell R.M., J. Phys. Chem. 1955, 59, 746. [14] Kaneko K., Katori T., Shimizu K., Shindo N., Maeda T., J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1992, 88, 1305. [15] Wang Z-M., Kaneko K., J. Phys. Chem. B 1998, 102, 2863. [16] Wang Z-M., Kaneko K., J. Phys. Chem. 1995, 99, 16714. [17] Rodriguez-Reinoso F., Molina-Sabio M., Munecas M.A., J. Phys. Chem. 1992, 96, 2707. [18] Lisovskii A., Semiat R., Aharoni C., Carbon 1997, 35, 1639. CARBON SURFACE CHEMISTRY IN ADSORPTION OF SO 2 Adsorption of SO 2 on a series of modified D43/1 carbons was studied. The data were described by the CMMS model formed by Malkhov and Volkov. From the results of the correlations between the parameters of the CMMS model and elemental analysis data it is concluded that the interaction between SO 2 molecules and carbon surface oxygen groups is crucial during adsorption of this adsorbate. Our results explain and summarize up the conclusions concerning the effect of carbon surface nitrogen functionalities on SO 2 sorption mechanism presented by other authors. KEYWORDS: SO 2 adsorption, CMMS model, activated carbon