Способ определения адсорбции компонентов жидких растворов в поверхностном слое Советский патент 1982 года по МПК G01N13/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДСОРБЦИИ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

1

Изобретение относится к определению физико-химических характеристик поверхности вещества, в частности адсорбции из раствора, играющей важную роль на практике в различных областях техники и технологии - при очистке жидкостей от вредных примесей, в частности нефтепродуктов, при выделении ценных веществ из отходов, разделении смесей, получении чистых и сверхчистых веществ, в технологии высокого вакуума и др. Для многих практических целей важно знание величин адсорбции.

Известен способ определения адсорбции компонентов жидких растворов в поверхностном слоем- по зависимости поверхностного натяжения раствора от состава в щирокой области концентрации. Величину адсорбции рассчитывают по известной формуле Гиббса (для N-варианта)

х-,(1-хо

d6 dXj

0)

где Х, - мольная концентрация i-ro компонента, мольные доли; 6- поверхностное натяжение раствора, мДж/м ; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль; Т - температура, °К; П - адсорбция i-ro компонента, моль/м 1.

, Погрещность определения адсорбции этим способом велика. Измерение поверх5 местного натяжения жидких растворов в щироком интервале концентраций представ-, ляет трудную задачу, требует затраты большого количества вещества и времени.

Цель изобретения - повышение точнос,0 ти определения адсорбции.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно способу определения адсорбции компонентов жидких растворов в поверхностном слое, берут две пробы одинакового объема из раствора заданной концентрации;

15 первую пробу - одним приемом, вторую пробу - малыми каплями, измеряют концентрации i-ro компонента в пробах и вычисляют адсорбцию этого компонента Г} по формуле

Г- - I / 3V ч1/1 NA,,

ii-() -TV,

где Р - плотность раствора данной концентрации, кг -моль ; NA - число Авогадро, моль,;У - объем взятой малыми каплями Пробы, . число капель в пробе; AC I Cf - Cf весовая концентрация i-го компонента в пробе раствора, взятой одним приемом, доли; С/ - весовая концентрация i-ro компонента в пробе, приготовленной каплями, доли. Вследствие различной величины адсорбции компонентов в поверхностном слое состав второй пробы отличается от состава первой. Действительно, при медленном формировании малых капель и образовании из этих капель отдельной пробы, в последней (второй пробе) увеличивается содержание компонента с положительной адсорбцией и уменьшается содержание компонента с отрицательной адсорбцией. Если определить различие составов раствора в этих двух пробах каким-либо методом, например хромотографическим, то можно рассчитать адсорбцию компонента в растворе по выведенной ниже формуле. гт/ (О) У- 7в1 Пусть. Сi и соответственно весовые концентрации i-ro компонента в двух пробах раствора, взятой одним приемом из раствора и приготовленной малыми каплями. Отношение этих концентраций можно определить из хроматограмм, полученных для каждой пробы, как отношение относительных площадей пиков, соответствующих i-му компоненту: где S и 1 - площади пиков 1-го компонента на хроматограммах пробы,- взятой одним приемом, и пробы, полученной малыми каплями, соответственно. А избыток концентрации i-ro компонента ДС,- Ci -Cf - 1).(3) Избыточное число частиц i-ro компонента в пробе, полученной каплями, можно найти как ANi Г|- . 471г2 (4) где Г - адсорбция (в N варианте) i-ro компонента в растворе, м ; г - радиус капли, м; 9 - число капель в объеме, из которых образуется вторая проба объемом V, м. С другой стороны, легко видеть, что ANi Ni«-. Ni (Ф1- 1)-(5) Имея в виду соотношения (2) - (5), после несложных преобразований, получим Г- - I ( .4ЛГ П - Mi где / - плотность раствора данной концентрации, Mj - молекулярная масса 1-го компонента, кг/моль; NA - число Авогадро, . Отсюда видно, что для определения адсорбции i-ro компонента в растворе надо экспериментально измерить весовые концентрации двух проб раствора плотность раствора У и чило капель в пробе объемом V. Предлагаемый способ используется для определения адсорбции в жидком бинарном растворе этиловый спирт - гексан. Предварительно готовят раствор известной концентрации. Из этого раствора берут пробу и вводят ее в хроматограф (ЛХИ8МД); снимают хроматограммы. На них появляются два пика, соответствующие каждому компоненту раствора. Затем из приготовленного раствора с помощью достаточно тонкого капилляра (d 0,15 мм), позволяющего медленно формировать капли, получают вторую пробу каплями и вводят ее в хроматограф. Хроматограммы второй пробы также, как. и для первой пробы, имеют по два пика, соответствующие каждому компоненту раствора. Причем объем проб и условия, при которых вводится каждая проба (температура, ток детектора, давление газоносителя скорость перемещения диаграм.мной ленты),, совершенно одинаковы. Определяют площади пиков на хроматограммах, соответствующих каждому компоненту раствора, вычисляют отношение весовых концентраций компонентов в каждой пробе по соотношению (2). Число.капель подсчитываютпри получении второй пробы каплями. Плотность раствора f можно определять пикнометром. Используя эти данные, по формуле (5) вычисляют адсорбцию. Значения адсорбции гексана из раствора этиловый спирт-гексан для ряда концентраций при 293°К, вычисленные по формуле (6), приведены в таб/тице. Для сравнения полученных результатов проводят измерения поверхностного натяжения растворов указанной бинарной системы в широком концентрационном интервале методом максимального давления в газовом пузырьке. Затем по формуле (1) вычисляют адсорбцию гексана (метод Гиббса). Результаты приведены в той же таблице. Как видно из таблицы, результаты, полученные предлагаемым способом, находятся в удовлетворительном согласии с данными, полученными методом Гиббса. Оценим погрешности определения адсорбции этими методами. Метод Гиббса. Основной источник ошибки в методе Гиббса состоит в определении dd/dx. Погрешность измерения поверхностного натяжения 6 (у) составляет около 1%. Например,- для воды 6 82 мДж/м, следовательно 1 % от и составляет около 1 мДж/м. При расчетах адсорбции в формуле (1) d6 заменяется на Дб (3-5) мДж/м, а dx - на Дх 0,02-0,03. Следовательно, величина dC3/dx A(S/4x определяется с погрещностью около 20-25°/о. Поэтому погреш-ность определения адсорбции по методу Гиббса составляет не менее 20%.

Предлагаемый способ. Погрешность этаго способа связана в основном с погрешностями в определении объема пробы V и отношения концентрации данного компонента в пробах Ф. Наибольшая погрешность, допускаемая при определении объПредлагаемый способ позволяет определить адсорбции компонентов из жидкого раствора для любой концентрации быстро и с высокой точностью. При этом требуется очень малое количество вещества. Метод же Гиббса требует трудоемкой процедуры определения поверхностного натяжения раствора в широком концентрационном интервале и последующего графического дифференцирования изотермы 6(х), а погрешность определения адсорбции достигает 20% и более. Формула изобретения Способ определения адсорбции компонентов жидких растворов в поверхностном слое, отличающийся тем, что, с целью по вышения точности определения, берут две пробы одинакового объема из раствора заданной концентрации: первую пробу - одема раствора с помощью пикнометра, не превышает 2-3%. Погрешность определения Ф хроматографическим методом составляет 1-2%. Поэтому общая погрешность определения адсорбции предлагаемым способом не превышает . ним приемом, вторую пробу - малыми каплями, измеряют концентрации i-ro компонента в пробах и вычисляют адсорбцию этого компонента Fj по формуле п4(й-) где j - плотность раствора данной концентрации, кг-м ; М i - молекулярная масса i-ro компонента, кг моль ; NA - число Авогадро, моль ; V - объем взятой малыми каплями пробы, - число капель в пробе; ACi весовая концентрация i-ro компонента в пробе раствора, взятой одним приемом, доли; С - весовая концентрация i-ro компонента в пробе, приготовленной малыми каплями, доли. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Семенченко В. К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. М., Гостехиздат, 1957, с. 135-140 (прототип).