Сорбция красителей волокнами

В любых условиях сорбция красителей волокнами достигает постоянного максимального значения, если не ограничивать время процесса крашения. Постоянное значение сорбции соответствует динамическому равновесию между красителем в растворе и в волокне. Сорбция, соответствующая равновесию, называется равновесной. Величина её зависит от свойств волокна, красителей и условий сорбции.

Максимально возможное количество красителя, которое может быть сорбировано волокном в стандартных условиях, характеризует величину сорбционного насыщения (С_нас). Величины сорбционных насыщений получают из кривых зависимости равновесной концентрации красителя в волокне от его концентрации в растворе . Эти зависимости называются изотермами сорбции. Изотермы сорбции в зависимости от механизма сорбции могут иметь разный характер. Эта зависимость может быть линейной, гиперболической или степенной.

Линейная изотерма описывается уравнением Нернста-Генри и имеет вид:

 

Рис 2.2. Изотерма сорбции Нернста-Генри

Зависимость такого типа указывает на линейное возрастание концентрации красителя в волокне с увеличением его концентрации в растворе. Однако беспредельно такое соотношение сохранятся не может: наступает сорбционное насыщение волокна или насыщение раствора красителем. После этого сорбция волокном красителя прекращается, не смотря на увеличение количества красителя в водной фазе.

Уравнение Ленгмюра описывает мономолекулярную сорбцию красителей на активных центрах волокна и выражается гиперболической функцией

 

где К- константа равновесия сорбция десорбция. Вид изотермы сорбции Ленгмюра приведен на рис. 2.3.

 

  Рис. 2.3. Изотерма сорбции Ленгмюра

 

Уравнение Ленгмюра в координатах  и  преобразуется в уравнение прямой: = ,

отсекающей на вертикальной оси отрезок, равный  с наклоном, равным :

Рис. 2.4. Зависимость  от

При малых концентрациях сорбируемого красителя уравнение Ленгмюра переходит в линейное уравнение Нернста-Генри.

Изотерма сорбции Фрейндлиха имеет вид степенной функции: , где a и n- постоянные, выполняющие роль подгоночных коэффициентов.

Это уравнение эмпирическое и константы a и n не имеют физического смысла. Общий вид этой зависимости приведен на

рис. 2.5.

 

Рис. 2.5. Изотерма сорбции Фрейндлиха

В логарифмических координатах уравнение Фрейндлиха соответствует прямой с наклоном, пропорциональным n и отсекающим на оси отрезок, равный lg a:

для большинства случаев сорбции n 0, 5

 

Рис. 2.6. Зависимость  от

 

 

Лабораторная работа № 2.1

Сорбция паров воды волокнами

Цель работы: Изучить сорбционную способность волокон; построить изотерму адсорбции, найти максимальную адсорбцию и удельную поверхность волокна.

Для проведения лабораторной работы образец волокна высушивается и доводится до постоянного веса при температуре 102-105 °С. Для создания определенных, фиксированных значений влажности воздуха в эксикаторы заливаются растворы серной кислоты с известной концентрацией. По справочным таблицам находят численные значения давления паров воды над этими растворами и используют их для расчета относительных влажностей в каждом эксикаторе. Выдерживая взвешенные образцы сухого волокна в эксикаторах и периодически их взвешивая можно построить кинетическую кривую адсорбции для каждого значения . Эти кривые являются основой для расчетов других параметров процесса адсорбции.

 

Порядок выполнения работы

1. Взвесить 4 сухих, чистых, пронумерованных бюкса с крышками на аналитических весах (q₁).

2. Поместить в бюксы точные навески волокна (приблизительно по 1г), закрыть крышками и снова взвесить на аналитических весах (q₂). Разность – вес сорбента.

3. Поместить каждый бюкс с открытой крышкой в один из эксикаторов, заполненный раствором серной кислоты заданной концентрации. Над водным раствором серной кислоты заданной концентрации устанавливается равновесное давление пара Р. Величину P для заданной концентрации серной кислоты при температуре опыта можно найти в справочных таблицах.

4. Через 20мин. вынимают один бюкс из эксикатора, быстро закрывают крышкой и взвешивают на аналитических весах (q_n). Не забудьте закрыть эксикатор! Разность q_n-q₂ дает количество адсорбированного пара в расчете на взятую навеску. Отношение  соответствует адсорбции в граммах адсорбата на грамм адсорбента к моменту времени t. После взвешивания бюкса его снова помещают в эксикатор (не забудьте открыть крышку бюкса! ) и замечают время. Такие измерения через определенные промежутки времени производят со всеми навесками волокна, находящимися в эксикаторах с разной относительной влажностью.

5. Для построения кривой кинетики адсорбции (рис. 2.8) необходимо измерить адсорбцию через 15, 30, 45, 60, 75 и 90 мин.

6. Строят график (t) для каждого значения .

7. Из кинетической кривой сорбции рассчитывают значение равновесной адсорбции а_равн, поскольку за время опыта равновесие еще не успевает установиться. Для этого берут четыре близких значения а₁, а₂, а_3, а₄ и находят по кривой (t) соответствующие им значения t₁, t₂, t_3, t₄. Рассчитывают , а также соответствующие значения . Зная , для соответствующих значений а_ср, строят график , как показано на рис. 2.9. Такие графики должны быть построены на основе кинетических кривых адсорбции, полученных при всех относительных влажностях . Отрезок ОК, отсекаемый на ординате, дает величину а_равн при данном значении .

Далее из полученных данных строят изотерму адсорбции в координатах .

Все полученные данные записываются в виде таблиц 2.1 и 2.2:

 

Таблица 2.1.

Волокно Хлопковое	, г	, г	m, г	t, °С	Ps, Па

 

Таблица 2.2.

Концентрация в эксикаторе __%; P=__Па; =__.
, мин	, г	, г/г	моль/г		, моль/г	, моль/г
15 30 … 90

 

Рис. 2.7. Изотермы адсорбции

Рис. 2.8. Кинетика адсорбции

Рис. 2.9. Зависимость

Контрольные задания и вопросы

1. Построить по полученным экспериментальным данным графики в координатах: ; ; ;

.

2. Дать анализ полученным изотермам адсорбции.

3. Из графика зависимости

найдите величину отрезка , отсекаемого прямой по оси абсцисс и величину отрезка , отсекаемого по оси ординат. По формуле  найдите величину максимальной адсорбции; по формуле  рассчитайте величину константы  в уравнении БЭТ.

4. По формуле  м²/г рассчитайте удельную поверхность адсорбента.

Здесь =4*0, 866*[ ]^2/3

5. Какие виды взаимодействия существуют между парами воды и поверхностью различных типов волокон и как это влияет на величину их влагопоглощения?

6. Дайте определения понятиям сорбция, адсорбция, абсорбция, хемосорбция.

7. От каких факторов зависит сорбционная способность волокон?

 

 

Лабораторная работа № 2.2

Набухание волокон

Цель работы: изучить кинетику набухания волокон в жидкости; найти максимальную степень набухания волокна при заданной температуре и pH среды.

Для изучения набухания можно воспользоваться весовым, объемным или оптическим методом. При работе с волокнами удобно использовать весовой или оптический метод.

Весовой метод заключается в следующем: образцы волокон массой около 1г, взвешивают на аналитических весах, помещают в бюксы, заливают растворителем и закрывают бюксы крышками. Через определенные промежутки времени образцы извлекают с помощью пинцета из бюксов, отжимают, промывают этиловым спиртом, обсушивают фильтровальной бумагой и через 30 сек. взвешивают.

На основе полученных данных строят график кинетики набухания Q=f(t), как показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Зависимость Q=f(t)

Изменение набухания во времени описывается в ряде случаев уравнением

где  - скорость набухания;

 – максимальная степень набухания;

 - степень набухания к моменту времени t;

К – константа скорости набухания.

Если набухание подчиняется этому уравнению, то оно протекает как реакция первого порядка вследствие диффузионного процесса. Пользуясь этим уравнением, можно рассчитать  для ограниченно набухающих полимеров, если за время опыта равновесие набухания не было достигнуто.

Для расчета  уравнение скорости набухания можно записать в виде уравнения прямой:

 

Если представить его в координатах , то отрезок ОК,

 

отсекаемый на оси ординат, равен Q_max (рис. 2.9)

Рис. 2.9. Зависимость

Значение  находят из соотношения:

и т. д.

Объемную степенную набухания в условиях равновесия рассчитывают по формуле:

где r_n – плотность полимера;

r_р – плотность растворителя;

m_o – навеска полимера до набухания;

m – навеска полимера после набухания.

Объемную долю полимера в набухшем волокне определяют исходя из формулы:

, где – объемная степень набухания.

 

Порядок выполнения работы

1. Получите у лаборанта образец волокна и взвесьте его на аналитических весах. Масса образца должна быть около 1-го грамма.

2. Поместите образец в бюкс и залейте его дистиллированной водой.

3. Через 15 мин. образец выньте из бюкса, отожмите и дважды промойте этиловым спиртом тщательно отжимая. Отжатый образец просушите между слоями фильтрованной бумаги и через 30 сек. снова взвесьте. Результат занесите в таблицу 2.3.

4. Повторите процедуры, указанные в пункте 2 и 3 через 30, 45, 60, 75, 90 минут от начала работы.

5. Рассчитайте степень набухания  и постройте график зависимости =f( ).

6. По полученному графику найдите значения  и постройте график зависимости .

7. Графически найдите величину максимальной степени набухания .

Полученные в результате эксперимента данные заносят в

таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Волокно…; t, º C=…; pH=…
Время набухания, мин.	Масса образца			m, г	, %	мин-1	, %	Плотность
	mo, г		m, г					rn, г/см3	rp, г/см3
15 30 … 90

Контрольные задания и вопросы

1. Проанализируйте и объясните вид полученной кривой кинетики набухания.

2. Какое явление называется обратным набуханием? В чем заключаются его причины?

3. Рассчитайте ,  , V_n.

4. Чем отличается ограниченное набухание от неограниченного.

5. Перечислите факторы, влияющие на набухание волокон.

6. От чего зависит скорость набухания полимеров?

7. Как влияет набухание волокон на их сорбционную способность?

8. Как зависят физико-механические свойства волокон от степени их набухания?

 

 

Лабораторная работа № 2.3

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: