Versuchsprotokoll. Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle

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1 Versuchsprotokoll Versuchsdatum: Zweitabgabe: Sttempell Durchgeführt von: Adsorption von Essigsäure an Aktivkohle 1. Inhaltsangabe 1..Inhaltsangabe Aufgabenstellung Einleitung Versuchsaufbau Beschreibung der Versuchsdurchführung Durchführung der Messung Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption Tabellarische Zusammenstellung der Durchführung Auswertung Zusammenfassung der Bestimmungen Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser Bestimmung der Gesetzmäßigkeit Bestimmung der Genauigkeit der Funktion Zeichnerische Bestimmung der Konstanten Zusammenfassung der Ergebnisse Bestätigung der Reversibilitätseigenschaft der Adsorption Ergebnis und Diskussion Ergebnis Diskussion Anhang Diagramm 1: Bestimmung der Funktion Diagramm 2: Zeichnerische Bestimmung der Konstanten Diagramm 3: Bestimmung der Genauigkeit der Funktion Berechnungstabelle Wertetabelle

2 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. 2

3 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 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 zw i- schen Adsorption und Desorption einstellen kann (10 min schütteln). Nach einstellen des 3

4 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 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 Tabellarische Zusammenstellung der Durchführung Kolben Nr Vorlage an Essigsäure / ml 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 10,0 20,0 50,0 Zusatz von Wasser / ml 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 4

5 6. Auswertung 6.1. Zusammenfassung der Bestimmungen Kolben Nr 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, Bestimmung der Adsorptionsisothermen von Essigsäure an Aktivkohle aus Wasser 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) 5

6 6.2.2 Bestimmung der Genauigkeit der Funktion Durch das Auftragen der logarithmierten Werte (Diagramm 3) ergibt sich die Geradengle i- chung 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 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 ,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% 6

7 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 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 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. 7

8 6.4. Ergebnis und Diskussion Skriptversion 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 Gleichgewicht s- konzentration 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 reve r- sibel ist 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. 8

9 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, ,5 1 1,5 2 2,5 3 c / g. (100mL) -1 Reihe1 Potentiell (Reihe1) Linear (Reihe1) 9

10 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 c / g. (100mL) -1 10

11 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) 11

12 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, ,109-0,966 0,012 0,066-0,953 0, ,176-1,075 0,031 0,001-1,009 0, ,111-0,979 0,012 0,067-0,952 0, ,263-0,991 0,069 0,013-1,026 0, ,381-1,035 0,145 0,054-1,049 0, ,824-1,125 0,679 0,457-1,137 0, ,024 1,098 0,945-7,024 0, 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, sb 0, vb 0, b = 0,1975 +/- 0,111 va 0, a = -0,9742 +/- 0,044 Trendlinie (steiler) y1 = 0,3085x - 1,0182 Trendlinie (flacher) y2 = 0,0865x - 0,

13 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, ,00 10,70 1,285 1,285 0,214 0,108 0,109-0,670-0, ,0 11,10 1,333 0,667 0,111 0,084-0,176-0,955-1, ,00 10,75 1,291 1,291 0,215 0,105 0,111-0,668-0, ,0 9,10 0,546 0,546 0,091 0,102-0,262-1,041-0, ,0 13,85 0,416 0,416 0,069 0,092-0,381-1,160-1, ,0 12,50 0,150 0,150 0,025 0,075-0,824-1,602-1,125 13