溶液吸附法测固体比表面积

一、 实验目的

1. 用次甲基蓝水溶液吸附法测定颗粒活性炭的比表面积。

2. 了解朗缪尔单分子层吸附理论及用溶液法测定比表面的基本原理。

二、 实验原理

1. 吸附定律

在一定温度下， 固体在某些溶液中的吸附与固体对气体的吸附很相似， 可用朗缪尔单分子层吸附方程来处理。 朗缪尔吸附理论的基本假定是： 固体表面是均匀的， 吸附是单分子层吸附， 被吸附在固体表面上的分子相互之间无作用力， 吸附平衡是动态平衡。 根据以上假定， 推导出吸附方程：

式中， K——吸附作用的平衡常数， 也称为吸附系数， 与吸附质、 吸附剂性质及温度有关，其值越大， 则表示吸附能力越强；

Γ——平衡吸附量，1g吸附剂达吸附平衡时吸附的溶质的物质的量， mol／g；

Γ∞——饱和吸附量，1g吸附剂的表面上盖满一层吸附质分子时所能吸附的最大量， mol／g；

c——达到吸附平衡时， 溶质在溶液本体中的平衡浓度。

将式 （5－24） 整理得

以1／Γ对1／c作图得一直线，由此直线的斜率和截距可求得Γ∞、K以及比表面积S比。

S比＝Γ∞NAA （5－26）

式中，NA——阿伏伽德罗常数；

A——吸附质分子的截表面积，m2；

S比——比表面积。

假设吸附质分子在表面是直立的，A＝1.52×10－18m2。

2. 活性炭对亚甲基蓝的吸附

活性炭是一种固体吸附剂， 对染料亚甲基蓝具有很大的吸附倾向。 研究表明， 在一定的浓度范围内， 大多数固体对亚甲基蓝的吸附是单分子层吸附， 符合朗缪尔吸附理论的基本假设。 本实验以活性炭为吸附剂， 将一定量的活性炭与一定量的几种不同浓度的亚甲基蓝相混合， 在常温下振荡， 使其达到吸附平衡。 用分光光度计测量吸附前后亚甲基蓝溶液的浓度。从浓度的变化求出每克活性炭吸附次甲基蓝的吸附量Γ。

式中， V——吸附溶液的总体积， L；

m——加入溶液的吸附剂质量， g；

c，c0——分别为平衡浓度和原始浓度，mol·g－1。

当原始溶液浓度过高时， 会出现多分子吸附， 如果平衡后的浓度过低， 吸附则不能达到饱和。 因此， 原始溶液浓度和平衡浓度都应选择在适当的范围。 本实验原始浓度为0.2％左右， 平衡浓度不小于0.1％。

亚甲基蓝具有以下矩形平面结构：

其摩尔质量为373.9g／mol，假设吸附质分子在表面是直立的，A＝1.52×10－18m2／分子。

对于非石墨型的活性炭，亚甲基蓝是以端基吸附取向吸附在活性炭表面，因此σA＝39×10－20m2。

本实验使用光度法测量亚甲基蓝浓度， 测试波长为665nm。

三、 仪器和试剂

1. 仪器

722型光电分光光度计及其附件1台、 康氏振荡器1台、 容量瓶 （500m L） 6个、 容量瓶 （50m L、100m L各5个）、2号砂心漏斗1只、 带塞锥形瓶 （100m L5个）、 滴管若干、移液管若干。

2. 试剂

亚甲基蓝 （质量分数分别为0.2％和0.1％的原始溶液和标准溶液）， 颗粒状非石墨型活性炭。

四、 实验步骤

1. 样品活化

将颗粒活性炭置于瓷坩埚中， 放入500℃马弗炉中活化1h， 然后置于干燥器中备用。实验中用到的活性炭为颗粒状， 已经由老师制备好， 此步骤略去。

2. 平衡溶液

取5个洁净干燥的100m L带塞锥形瓶， 编号， 分别准确称取活性炭约0.1g置于瓶中，记录活性炭的用量。 按表5.10中的数据配制不同浓度的亚甲基蓝溶液， 然后塞上磨口瓶塞，放置在振荡器上振荡适当时间， 振荡速率以活性炭可翻动为宜 （实验所用振荡器100r／min左右为宜）。

表5.10 配制溶液

样品振荡达到平衡后， 将锥形瓶取下， 用玻璃漏斗 （塞上棉花） 过滤， 得到吸附平衡后的溶液； 分别量取滤液5 m L， 放入500 m L容量瓶中， 并用蒸馏水稀释至刻度，待用。

用减量法称取活性炭， 室温下， 样品在振荡器上振荡90min左右， 以吸附达到平衡为准。 平衡滤液可认为其密度与水相同， 取5m L即为5g， 但发现5m L稀释到500m L后， 某些浓度较大的平衡溶液的吸光度已经超过了吸光光度计的测量范围， 后续还需要进一步稀释。1号溶液稀释1000倍， 其他溶液稀释100倍。

3. 原始溶液

为了准确称取质量分数约为0.2％的亚甲基蓝原始溶液 （此浓度为一近似值， 故需进一步测量）， 称取2.5g （即认为2.5m L） 溶液放入500m L容量瓶中， 并用蒸馏水稀释至刻度， 待用。 实验中发现该浓度过大， 吸光度超出量程， 需继续稀释10倍， 即原始溶液稀释了2000倍。

4. 亚甲基蓝标准溶液的配制

用移液管吸取2m L、4m L、6m L、8m L、11m L质量分数为0.01％的标准亚甲基蓝溶液于100m L容量瓶中； 用蒸馏水稀释至刻度， 即得质量分数为2×10－6、4×10－6、6× 10－6、8×10－6、11×10－6的标准溶液，待用。亚甲基蓝溶液的密度可以用水的密度代替。

5. 选择工作波长

亚甲基蓝溶液的工作波长为665nm， 由于各台分光光度计波长刻度略有误差， 可取某一待用标准溶液， 在600～700nm范围内每隔5nm测量消光值， 以吸光度最大的波长作为工作波长。

6. 测量吸光度

以蒸馏水为空白溶液， 在选定的工作波长下， 分别测量5个标准溶液、5个稀释后的平衡溶液以及稀释后的原始溶液的吸光度。

7. 整理

实验测定完成， 关闭分光光度计， 倒掉比色皿中溶液， 用蒸馏水、 乙醇洗净， 放入盒中； 倒掉残余的亚甲基蓝溶液， 洗净各类玻璃仪器， 整理试验台， 指导老师签字。

六、 数据记录

①最大工作波长的测量， 以质量分数为4×10－6的标准溶液为待测液， 数据记录于表5.11中。

表5.11 数据记录

②画出吸收曲线。

可以看出， 当吸收波长为665nm时候， 溶液的吸光度最大， 故选取670 nm为工作波长。

③工作曲线。

标准溶液浓度的计算可采用公式如下

其中，M——亚甲基蓝摩尔质量，为373.9g·mol－1；

V1——标准液体积；V为容量瓶体积，都为0.1L；

ρ——溶液密度， 看作与水相同；

w——标准液质量分数， 即0.01％。

④工作曲线测量数据记录表 （表5.12）。

表5.12 数据记录

⑤作出标准工作曲线。

⑥根据工作曲线及吸光度值 （表5.13）， 求出相应的浓度。

表5.13 数据记录

⑦计算吸附量 （表5.14）。

表5.14 数据记录

⑧作朗格缪尔吸附等温线。

⑨求饱和吸附量Γ∞和吸附常数K。

计算1／Γ、1／c，作1／Γ－1／c图，由直线斜率及截距求出Γ∞和吸附常数K。