Relazione Laboratorio 3, Laboratorio di ingegneria chimica

SOTERMA DI ADSORBIMENTO

sul solido e la quantità della stessa sostanza che resta in soluzione in condizioni di equilibrio e

temperatura costanti.

Per determinare sperimentalmente l’isoterma di adsorbimento la procedura è la seguente:

• Applicazione dei differenti dosaggi di adsorbente solido allo stesso volume di soluzione (di

cui sia nota la concentrazione di sostanza iniziale che può essere adsorbita).

• Agitazione dei campioni di soluzione dosati con adsorbente solido per il tempo necessario al

raggiungimento dell’equilibrio.

• Determinazione della concentrazione di sostanza rimasta in soluzione che non viene

adsorbita nei campioni con differenti dosaggi di adsorbente solido.

• Elaborazione dei dati sperimentale.

Esistono diversi tipi di isoterma, tra cui:

Isoterma di Henry: È la forma di adsorbimento più semplice, usata soprattutto quando si ha

1. a che fare con fasi gassose e per l'adsorbimento di sostanze idrofobiche in soluzioni acquose.

Si ipotizza che tutte le interazioni siano trascurabili, che i coefficienti di attività siano unitari

e che la frazione di adsorbimento sia molto piccola.

θ

L'equazione dell'isoterma di Henry si esprime come:

a = Kθ

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in cui: a rappresenta l'attività. Per soluzioni diluite l'attività è approssimata alla

• concentrazione del soluto, mentre per soluzioni concentrate si moltiplica la

concentrazione per il coefficiente di attività del soluto

K è la costante dell'isoterma di Henry, che è una costante di ripartizione.

•

Isoterma di Freundlich: Questa equazione è la generalizzazione dell'isoterma di Henry nel

2. caso in cui i coefficienti stechiometrici non siano in rapporto 1:1.

Isoterma di Langmuir: Questa descive sistemi semplici che si avvicinano alle

3.

condizioni di idealità.

L'adsorbimento secondo Langumuir si basa su quattro condizioni essenziali:

L'attività può essere sostituita con la concentrazione (condizione di soluzione

•

diluita);

L'adsorbimento non può procedere oltre il ricoprimento di un monostrato;

• I siti si equivalgono tutti dal punto di vista energetico (ossia hanno tutti la stessa

•

entalpia di adsorbimento, per cui hanno la stessa probabilità di venire occupati) e la

superficie è assunta uniforme (cioè risulta perfettamente piana su scala microscopica);

L'interazione adsorbato­adsorbato è considerata trascurabile rispetto all'interazione

•

adsorbato­superficie;

L'adsorbimento è reversibile.

• velocità di adsorbimento

Secondo questo modello, la v è pari a:

ads

v = k c(1 − )

θ

ads a

Dove: è il grado di ricoprimento del solido, dato dal rapporto tra numero di siti occupati e

• θ

numero di siti totali, ovvero: = / o

θ Γ Γ

essendo la quantità massima di soluto che può essere adsorbito e la quantità di soluto

o

Γ Γ

adsorbito.

1 − è il grado di occupazione dei siti di adsorbimento disponibili;

• θ

c è la concentrazione di soluto;

• k è una costante di proporzionalità.

• a

velocità di desorbimento

La v è, invece, pari a:

des v = k θ

des d

7 dinamico),

La condizione di equilibrio corrisponde all'uguaglianza tra le due velocità (equilibrio

da cui si ottiene l'equazione dell'isoterma di Langmuir:

costante di equilibrio di adsorbimento.

in cui K è la

La costante di dissociazione K si considera costante nell'intervallo di analisi e varia con la

temperatura secondo la legge:

dove A e K sono costanti che hanno carattere entalpico ed entropico rispettivamente.

o

C : Le reazioni che intercorrono nei processi di

INETICA DI UN PROCESSO DI ADSORBIMENTO

adsorbimento avvengono secondo precisi modelli cinetici a seconda dei diversi fenomeni di

trasferimento di materia: trasporto extra e intra particellare. In particolare ad interessare la cinetica

di adsorbimento sono due modelli cinetici:

Modello cinetico di pseudo primo ordine, che è quello in cui la velocità è proporzionale

1. alla concentrazione di un solo reagente nonostante la presenza di più specie reagenti,

essendo queste in forte eccesso rispetto al primo.

di Lagergren:

Tale cinetica viene descritta dall’equazione

d q t =k (q −q )

1 e t

dt

dove:

q

• è la quantità di adsorbato adsorbita per unità di massa nel tempo [mg/g]

t q

• è la quantità di adsorbato adsorbita per unità di massa dall’adsorbente

e

all’equilibrio [mg/g]

k

• è la costante di adsorbimento del primo ordine [min ]

­1

1

t

• è il tempo di contatto [min]

Integrando l’equazione si ottiene: q

e−q t

¿

(¿ )=lnq −k

t e 1

ln ¿

Modello cinetico di pseudo secondo ordine, che è quello in cui la velocità di adsorbimento

2. del soluto nel tempo è proporzionale al quadrato della differenza tra la quantità di adsorbato

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adsorbita per unità di massa dall’adsorbente all’equilibrio (q ) e la quantità di adsorbato

e

adsorbita per unità di massa nel tempo (q ).

t

L’equazione che descrive tale modello cinetico è:

dq t 2

=k (q −q )

2 e t

dt

dove:

q

• è la quantità di adsorbato adsorbita per unità di massa nel tempo [mg/g]

t q

• è la quantità di adsorbato adsorbita per unità di massa dall’adsorbente

e

all’equilibrio [mg/g]

k

• è la costante di adsorbimento del secondo ordine che rappresenta la rapidità con la

2

quale il polielettrolita lega il metallo [g/(mg * min)]

t

• è il tempo di contatto [min]

Imponendo come condizioni iniziali t = 0 e q = 0, la forma integrata dell’equazione

t

precedente diventa:

t 1 1 t

= +

q q

2

k q

t e

2 e

Le curve che si ottengono con tale equazione, fittando i dati sperimentali ottenuti in termini

di q /t contro t, consentono di ottenere per regressione lineare i valori dei parametri

t

dell’equazione cinetica: k, q ed R .

2

e

M : Per valutare quale passaggio tra i vari meccanismi

ODELLO DI DIFFUSIONE INTRAPARTICELLARE diffusione

che controllano la cinetica, di solito viene presa in considerazione per prima la

intraparticellare. Uno dei modelli che la descrive è quello di Weber e Morris che viene espresso

dalla seguente relazione:

0,5

q =k ∗t

t i

dove: q

• è la quantità di adsorbato adsorbita per unità di massa nel tempo [mg/g]

t

k

• è la costante di velocità intraparticellare

i

B M : Il Blu di metilene (BdM) è un composto

LU DI ETILENE

organico della classe degli eterociclici aromatici.

C H ClN S ∙ xH O,

Di formula molecolare il suo nome

16 18 3 2

cloruro di 3,7­bis

secondo la nomenclatura IUPAC è

(dimetilammino) fenazationio. 9

Trova impiego in una vasta gamma di campi differenti. A temperatura ambiente si presenta come un

solido cristallino inodore di colore verde scuro, stabile all'aria e alla luce; dissolto in soluzione

acquosa, invece, assume un’intensa colorazione blu scuro. È un composto nocivo quasi inodore.

Si ottiene industrialmente per ossidazione di una miscela di dimetil­p­fenilendiammina, tiosolfato

sodico e dimetilanilina.

Gli usi più comuni del blu di metilene sono:

• In chimica analitica, come indicatore nelle reazioni di ossidoriduzione, dato il suo intenso

colore blu in ambiente ossidante che si converte in incolore in ambiente riducente.

• Nell'industria tessile, come colorante del cotone e della seta.

• In biologia, come colorante specifico di alcune strutture viventi (colorazione vitale).

• In medicina, come antidoto negli avvelenamenti da cianuri e da agenti meta­

emoglobinizzanti (per esempio fenacetina, nitriti, anilina, sulfamidici).

• In cucina, anche se in quantità inferiore rispetto al passato, come colorante casalingo per

dare ai cibi un colore blu.

S : Gli strumenti usati per misurare l’assorbimento di radiazioni da parte di

PETTROFOTOMETRO

soluzioni sono detti spettrofotometri. Questa denominazione comprende sia i dispositivi più

calorimetri,

semplici detti sia gli spettrofotometri più complessi.

In linea di principio uno spettrofotometro è costituito da:

sorgente,

• Una cioè una lampada che emette radiazioni nell’intervallo spettrale di misura. Per

regioni del visibile si usano spesso lampade a filamento di tungsteno che coprono

l’intervallo di lunghezze d’onda da 930 a 330 nm, ma migliori prestazioni si hanno se si

utilizzano lampade quarzo­iodio o lampade tungsteno­alogeno che forniscono energie più

elevate nell’intervallo 400­300nm. Per regioni dell’UV, invece, si usano lampade a deuterio

che emettono uno spettro continuo di radiazioni al di sotto di 400 nm, mentre per particolari

impieghi vengono usate anche lampade a vapori di cadmio e/o di mercurio.

monocromatore,

• Un che seleziona le lunghezze d’onda più opportune per la misura

scomponendo la radiazione policromatica emessa dalla sorgente in bande il più possibile

monocromatiche. In generale ne esistono a filtri e a prismi e reticoli: i primi assorbono una

parte delle componenti spettrali della radiazione e ne trasmettono una gamma più o meno

ampia, mentre i secondi separano la luce policromatica nelle diverse componenti

monocromatica.

compartimento celle cuvette,

• Un o in cui è posto il campione. Esse variano a seconda

dell’uso e del tipo di strumento.

rivelatore,

• Un che misura l’intensità della radiazione.

indicatore registratore,

• Un o un che forniscono i valori delle misure di assorbimento.

P :

ROCEDIMENTO

P Verifica della Legge di Lambert­Beer:

: La legge di Lambert­Beer è una relazione

RIMA PARTE

empirica che correla la quantità di luce adsorbita da un mezzo alla natura chimica, alla

concentrazione ed allo spessore del mezzo attraversato. Quando un fascio di luce (monocromatica)

di intensità (I ) attraversa uno strato di spessore (b) di un mezzo, una parte di esso viene assorbita

0

dal mezzo stesso e una parte ne viene trasmessa con intensità residua (I ).

1

10

Il rapporto