Versuchsprotokoll Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle

Skriptversion 16.11.04
Versuchsprotokoll
Versuchsdatum: 5.10.2004
Zweitabgabe:
Sttempell
Durchgeführt von:
Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle
1. Inhaltsangabe
1..Inhaltsangabe--------------------------------------------------------------------------------- 1
2..Aufgabenstellung----------------------------------------------------------------------------- 2
3..Einleitung ------------------------------------------------------------------------------------ 2
4..Versuchsaufbau ------------------------------------------------------------------------------ 3
5..Beschreibung der Versuchsdurchführung---------------------------------------------------- 3
5.1. Durchführung der Messung-------------------------------------------------------------3
5.1.1 Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus
Wasser
5.1.2 Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption------------------------4
5.1.3 Tabellarische Zusammenstellung der Durchführung ------------------------------4
6..Auswertung----------------------------------------------------------------------------------- 5
6.1. Zusammenfassung der Bestimmungen--------------------------------------------------5
6.2. Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser --5
6.2.1 Bestimmung der Gesetzmäßigkeit -------------------------------------------------5
6.2.2 Bestimmung der Genauigkeit der Funktion----------------------------------------6
6.2.3 Zeichnerische Bestimmung der Konstanten ---------------------------------------6
6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse -------------------------------------------------7
6.3. Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption-----------------------------7
6.4. Ergebnis und Diskussion----------------------------------------------------------------8
6.4.1 Ergebnis ----------------------------------------------------------------------------8
6.4.2 Diskussion--------------------------------------------------------------------------8
7..Anhang --------------------------------------------------------------------------------------- 9
7.1. Diagramm 1: Bestimmung der Funktion------------------------------------------------9
7.2. Diagramm 2: Zeichnerische Bestimmung der Konstanten---------------------------- 10
7.3. Diagramm 3: Bestimmung der Genauigkeit der Funktion---------------------------- 11
7.3.1 Berechnungstabelle -------------------------------------------------------------- 12
7.4. Wertetabelle --------------------------------------------------------------------------- 13
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2. Aufgabenstellung
• Bestimmung und Beschreibung nach Freundlich (Konstantenbestimmung) der Adsorptionsisothermen
von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser
• Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption
3. Einleitung
Bei der Adsorption handelt es sich um einen Grenzflächenvorgang. Dies wird dadurch ermöglicht,
dass die Atome bzw. Moleküle an der Oberfläche einer Phase keine ausgeglichenen
Wechselwirkungen besitzen und somit mit anderen Molekülen, außerhalb der Phase, interagieren
können.
Man unterscheidet die stoffaufnehmende Phase/Adsorbens (Aktivkohle) und die stoffabgebende
Phase/Adsorptiv (Essigsäure). Spricht man vom Adsorpt, so ist der Stoff gemeint, welcher
vom Adsorptiv abgegeben und vom Adsorbens aufgenommen wird (ein Teil der Essigsäure).
Adsorbens und Adsorpt zusammen werden als Adsorbat bezeichnet.
Abhängig von der Menge der freiwerdenden Energie unterscheidet man physikalische und
chemische Adsorption.
Die Gesetze zur Beschreibung von Adsorptionsverhalten werden als Adsorptionsisothermen
bezeichnet. Diese beschreiben die Beladung in Abhängigkeit des vorliegenden Adsorptivs bei
einer bestimmten Temperatur.
Die Adsorption kann zum einen unter Ausbildung einer monomolekularen Schicht, nach dem
Gesetz von Freundlich erfolgen, wobei der Bedeckungsgrad b einem Grenzwert b ∞ entgegenstrebt.
Zum anderen ist eine mehrschichtige Adsorption entsprechend dem Gesetz von Langmuir
möglich. Hierbei wird kein Grenzwert erreicht.
Im folgenden Versuch soll für die Adsorption von Essigsäure aus wässriger Lösung an Aktivkohle
die Gesetzmäßigkeit nach Freundlich nachgewiesen werden.
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4. Versuchsaufbau
Es werden in sieben Jodzahlkolben jeweils 2 g Aktivkohle eingewogen. Entsprechend Tabelle
eins werden unterschiedliche Volumina verschiedener Essigsäurekonzentrationen hinzugefügt.
Nach zehnminütigem Schütteln auf der Schüttelmaschine wird von Kolben 1 und den
Kolben Nr 4 bis 7 die Aktivkohle entsprechend Abb. 1 abfiltriert. Bei Kolben Nr 2 und 3 erfolgt
eine Wasserzugabe und erneutes Schütteln. Danach werden auch diese Lösungen filtriert.
Abb. 1 Versuchsaufbau
Das klare Essigsäurefiltrat wird im Anschluss mit 0,1 M Natronlauge titriert. Als Indikator
verwendet man Phenolphtalein.
5. Beschreibung der Versuchsdurchführung
Geräte
Jodzahlkolben, Schüttelmaschine, Filtriergestell, Dosimat
5.1. Durchführung der Messung
5.1.1 Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wa sser
Zum Nachweis des Adsorptionsverhaltens werden verschiedene Konzentrationen (siehe Tab
1) von Essigsäure unter konstanten Bedingungen (Einwirkzeit, Schüttelwirkung) mit einer definierten
Menge an Aktivkohle (2g) vermengt.
Die Bedingungen müssen so gewählt sein, dass sich das angenommene Gleichgewicht zwischen
Adsorption und Desorption einstellen kann (10 min schütteln). Nach einstellen des
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Gleichgewichtes wird über Faltenfilter filtriert und die Konzentration der Essigsäure im Filtrat
(Gleichgewichtskonzentration) über Titration mit Natronlauge gegen Phenophtalein bestimmt.
Aus der Differenz zwischen Ausgangskonzentration und Gleichgewichtskonzentration wird
die Menge an Essigsäure bestimmt, die von der Aktivkohle adsorbiert wurde.
Die Beladung (Bedeckung) wird auf die Menge an Aktivkohle bezogen; d.h. Menge Essigsäure
in g pro Menge Aktivkohle in g.
5.1.2 Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption
Zum Nachweis des Gleichgewichtes zwischen Adsorption und Desorption wird in 3 trockene
Jodzahlkolben je 50 mL 0,500 mol/L Essigsäure vorgelegt und 2,00 g Aktivkohle zugesetzt.
Zur Gleichgewichtseinstellung wird 10 min geschüttelt. Nach eingestelltem Gleichgewicht
wird mit unterschiedlichen Mengen Wasser verdünnt. Nach erneuter Gleichgewichtseinstellung
wird wiederum die Gleichgewichtskonzentration und damit die Beladung bestimmt. Diese
Beladung kann nun mit der Beladung bei gleicher Ausgangskonzentration und bei geringerer
Ausgangskonzentration (entsprechend der Zugabe an Wasser zur zweiten Gleichgewichtseinstellung)
verglichen werden.
5.1.3 Tabellarische Zusammenstellung der Durchführung
Kolben Nr. 1 2 3 4 5 6 7
Vorlage an Essigsäure / mL 50 50 50 100 100 100 100
Essigsäurekonzentration / mol·L -1 0,500 0,500 0,500 0,250 0,125 0,100 0,0500
Zugabe an Adsorbens / g 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00
10 min schütteln X X X X X X X
Entnahmevolumen / mL 3,00 - - 5,00 10,0 20,0 50,0
Zusatz von Wasser / mL 50 150
10 min schütteln X X
Entnahmevolumen / mL 5,00 10,0
Titration mit 0,100 mol·l -1 NaOH
Verbrauch / mL
12,20 10,70 11,10 10,75 9,10 13,85 12,50
Tabelle 1 Zusammenstellung der Durchführung
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6. Auswertung
6.1. Zusammenfassung der Bestimmungen
Kolben Nr. 1 2 3 4 5 6 7
Essigsäurekonzentration / mol·L -1 0,500 0,250 0,125 0,250 0,125 0,100 0,0500
Gleichgewichtskonzentration c / mol·L -1 0,407 0,214 0,111 0,215 0,091 0,069 0,025
Gleichgewichtskonzentration c / g·(100mL) -1 2,442 1,285 0,667 1,291 0,546 0,416 0,150
Beladung b / g·g -1
(adsorbierte Menge pro g Adsorbens)
Tabelle 2 Zusammenfassung der Bestimmungen
0,140 0,108 0,084 0,105 0,102 0,092 0,075
6.2. Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser
6.2.1 Bestimmung der Gesetzmäßigkeit
In Diagramm 1 werden eine lineare und potenzielle Trendlinie hinsichtlich Bestimmtheitsmaß
verglichen.
Für die Absorption von Essigsäure aus wässriger Lösung an Aktivkohle wurde folgende Gesetzmäßigkeit
gefunden: b = 0,106x 0,1973
n beträgt:0,1973
k beträgt: 0,106
Ergebnis:
Auch wenn die potenzielle Trendlinie ein geringeres Bestimmtheitsmaß aufweist, als die lineare
Trendlinie, wurde diese zur Bestimmung von n und k herangezogen, da bekannt ist, dass
das Gesetz von Freundlich gilt. (Siehe Diskussion)
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6.2.2 Bestimmung der Genauigkeit der Funktion
Durch das Auftragen der logarithmierten Werte (Diagramm 3) ergibt sich die Geradengleichung
log b = log k + n log c
Für eine Wahrscheinlichkeit von 95% beträgt das Konfidenzintervall für k:
log k =[ -0,9742 ± 0,044] damit k = [0,106 ± 0,022]
und für n = [ 0,1975 ± 0,111]
Ergebnis:
k = 0,106 ± 0,022
n = 0,198 ± 0,111
siehe Berechnungstabelle 6.3.1
6.2.3 Zeichnerische Bestimmung der Konstanten
Es wird von Hand eine mittelnde Gerade durch die Messwerte in Diagramm 2 gelegt.
Die Genauigkeit des Mittlungsverfahrens wird abgeschätzt.
Es gilt in erster Näherung log b = log k + n log c
Für c = 1 ist log c = 0 , damit ist k = b
Zur Bestimmung der Steigung wird der Punkt mit den Koordinaten
b 1 = 0,06 und c 1 = 0,10 sowie der Punkt mit den Koordinaten
b 2 = 0,104 und c 2 = 3,00 herangezogen.
log b
n =
log c
2
2
− log b
− log c
1
1
=
b
log
b
c
log
c
2
1
2
1
0,104
log
0,06 0,24
= = = 0,16
3,00
log
1,48
0,10
Der ermittelte durchschnittliche Wert für n beträgt: 0,16 ± 0,02
Die Schwankung des Ergebnisses beträgt damit: 0,16 ± 12,5 %
Der ermittelte durchschnittliche Wert für k beträgt: 0,06 ± 0,01
Die Schwankung des Ergebnisses beträgt damit: 0,06 ± 16,7%
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6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
Bestimmungsmethode n k
Grafisch über Trendlinienfunktion (5.2.1) 0,1973 0,106
Zeichnerisch in doppeltlogarithmischen Darstellung (5.2.2) 0,16 ± 0,02 0,06 ± 0,01
Chemometrisch berechnet (6.3.1) 0,198 ± 0,111 0,106 ± 0,022
Tabelle 3 Vergleich der durch unterschiedliche Methoden gewonnenen Werte
6.3. Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption
Ausgangskonzentration HAc: 0,500 mol·L -1 .
Die Beladung der Aktivkohle beträgt bei nachträglichen nach Wasserzusatz :
Kolben Nr. 1 2 3
Gleichgewichtskonzentration c / mol·L -1 0,407 0,214 0,111
Gleichgewichtskonzentration c / g·(100mL) -1 2,442 1,285 0,667
Beladung b / g·g -1
(adsorbierte Menge pro g Adsorbens)
0,140 0,108 0,084
Tabelle 4 Vergleich der ersten drei Kolben
Kolben 2 entspricht von den eingesetzten Mengen Säure und Wasser Kolben 4 und
Kolben 3 entspricht von den eingesetzten Mengen Säure und Wasser Kolben 5.
Kolben Nr. 2 4 3 5
Gleichgewichtskonzentration c / mol·L -1 0,214 0,215 0,111 0,091
Gleichgewichtskonzentration c / g·(100mL) -1 1,285 1,291 0,667 0,546
Beladung b /g·g -1
(adsorbierte Menge pro g Adsorbens)
0,108 0,105 0,084 0,102
Tabelle 5 Vergleich der Kolben mit und ohne nachträglicher Wasserzugabe
Ergebnis:
Vergleicht man die Kolben Nr. 1 bis 3 so sieht man, dass die Beladung bei nachträglicher
Verdünnung abnimmt.
Die Beladung ist im Schwankungsbereich nach Wasserzugabe gleich hoch im Vergleich zu
den Versuchen mit direkt eingesetzter geringer Startkonzentration an Essigsäure. (Kolben
Nr.3 fällt hier etwas raus.)
Dies beweist dass die Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle vollständig reversibel ist.
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6.4. Ergebnis und Diskussion
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6.4.1 Ergebnis
Die Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle erfolgt nach den Adsorptionsisothermen von
Langmuir, d.h. es findet eine mehrschichtige Adsorption statt, bei der kein Grenzwert der Bedeckung
erreicht wird. Dies wurde durch Auftragen der Beladung gegen die Gleichgewichtskonzentration
nachgewiesen. Man erhält eine Trendlinie, welche ein Bestimmtheitsmaß von
0,8837 hat. Es wurde absichtlich mit allen sieben Werten gerechnet, um zum einen die mit
verschiedenen Methoden ermittelten Ergebnisse vergleichen zu können und um zum anderen
keine Ergebnisse zu schönen.. Es wurde folgende Gesetzmäßigkeit gefunden:
b = 0,106x 0,1973
Weiter wurde gefunden, dass die Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle vollständig reversibel
ist.
6.4.2 Diskussion
Chemometrisch und grafisch wurden die gleichen Werte für k und n ermittelt. Zeichnerisch
weicht das Ergebnis für k um 43,4% und für n um 19,2% ab. D.h. dass die von Hand gezeichnete
Ausgleichsgerade ungenau ist.
Da ein Bestimmtheitsmaß von 0,8067 (Diagramm 3) nicht zufriedenstellend ist, muss noch
mehr auf sauberes und exaktes Arbeiten geachtet werden.
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7. Anhang
7.1. Diagramm 1: Bestimmung der Funktion
Konzentrationsabhängigkeit der Adsorption von HAc an
Aktivkohle
0,16
b / g . g -1
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
y = 0,106x 0,1973
R 2 = 0,8072
y = 0,0254x + 0,0762
R 2 = 0,8869
0,04
0,02
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
c / g . (100mL) -1
Reihe1 Potentiell (Reihe1) Linear (Reihe1)
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7.2. Diagramm 2: Zeichnerische Bestimmung der Konstanten
Beladung gegen Gleichgewichtskonzentration in doppeltlogarithmischen Maßstab
Konzentrationsabhängigkeit der Adsorption von HAc an Aktivkohle
(log. Skalierung)
1,000
b / g . g -1
0,100
0,010
0,1000 1,0000 10,0000
c / g . (100mL) -1
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7.3. Diagramm 3: Bestimmung der Genauigkeit der Funktion
Beladung gegen Gleichgewichtskonzentration (als logarithmierte Werte)
Zusätzlich: 2 Geraden zur grafischen Darstellung des 95% Konfidenzintervalls
Beladung gegen Gleichgewichtskonzentrationen (als logarithmierte Werte)
-0,7
-0,8
-0,9
log (b . g.g -1 )
-1
-1,1
y = 0,1975x - 0,9742
R 2 = 0,8067
-1,2
-1,3
-1,000 -0,800 -0,600 -0,400 -0,200 0,000 0,200 0,400 0,600
log (c/ g . (100mL) -1 )
log b gegen log c Steiler Flacher
Linear (log b gegen log c) Linear (Steiler) Linear (Flacher)
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7.3.1 Berechnungstabelle
Siehe Vorlesung Chemometrics I (Fr. Kessler)
log c /
g . (100mL) -1 log b x 2 (x-xq) 2 y^ (y-y^) 2
0,388 -0,853 0,150 0,287 -0,898 0,0019910
0,109 -0,966 0,012 0,066 -0,953 0,0001771
-0,176 -1,075 0,031 0,001 -1,009 0,0043646
0,111 -0,979 0,012 0,067 -0,952 0,0007133
-0,263 -0,991 0,069 0,013 -1,026 0,0012323
-0,381 -1,035 0,145 0,054 -1,049 0,0002082
-0,824 -1,125 0,679 0,457 -1,137 0,0001421
-7,024 1,098 0,945 -7,024 0,0088286
xq -0,148
n 7 a -0,9742
df 5 Trendlinie b 0,1975
se 0,04202 y = 0,1975x - 0,9742
t(5%;Df=5) 2,571
sa 0,017122
sb 0,043223
vb 0,111127 b = 0,1975 +/- 0,111
va 0,044021 a = -0,9742 +/- 0,044
Trendlinie (steiler) y1 = 0,3085x - 1,0182
Trendlinie (flacher) y2 = 0,0865x - 0,9302
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7.4. Wertetabelle
Wasserzusatz
volumen volumen
(adsorbierte Menge)
Gesamt - Entnahme -
Verbrauch Gleichgewichtskonzentration
Beladung
Werte zur grafischen Auswertung
V Z / ml V G / ml E / ml V / ml C / g·(V G ) -1 C / g·(100ml) -1 C / mol·l -1 b / g·g -1 log [C / g·(100ml) -1 ] log (C / mol·l -1 ) log (b / g·g -1 )
50,0 3,00 12,20 1,221 2,442 0,406 0,140 0,388 -0,391 -0,853
50,0 100 5,00 10,70 1,285 1,285 0,214 0,108 0,109 -0,670 -0,966
150 200 10,0 11,10 1,333 0,667 0,111 0,084 -0,176 -0,955 -1,075
100 5,00 10,75 1,291 1,291 0,215 0,105 0,111 -0,668 -0,978
100 10,0 9,10 0,546 0,546 0,091 0,102 -0,262 -1,041 -0,991
100 20,0 13,85 0,416 0,416 0,069 0,092 -0,381 -1,160 -1,035
100 50,0 12,50 0,150 0,150 0,025 0,075 -0,824 -1,602 -1,125
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